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城市地鐵隧道區間淺埋暗挖施工地表沉降控制研究

文檔作者：周誠1，周少東2，林濤2，劉惠濤1 文檔來源： 1．華中科技大學土木工程與力學學院工程管理研究所 2．武漢地鐵集團有限公司		點擊數：	更新時間： 2025年05月08日
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施工技術2011年lO月上
70 coNsTRucTION TEcHNOLocY 第40卷第350期
城市地鐵隧道區間淺埋暗挖施工地表沉降控制研究
周誠1，周少東2，林濤2，劉惠濤1
(1．華中科技大學土木工程與力學學院工程管理研究所，湖北武漢430074；
2．武漢地鐵集團有限公司，湖北武漢430030)
[摘要】結合武漢地鐵虎名區間隧道淺埋晴挖施工地表沉降過大原因進行分析，研究控制地表變形的有效方法，通
過數值仿真和試驗分析，研究采取地表注漿施工處理控制技術和效果，并提出系列管理措施，為控制淺埋暗挖施工
地表變形提供借鑒。通過仿真分析和注漿試驗，在軟弱地質淺埋暗挖施工過程中，對于洞外對地質條件特別差或
埋深特別淺的地段，采取超前小導管注漿和環形開挖留核心土法仍無法控制地面沉降的地段，采用注漿加固隧道
上部軟弱雜填土層，提高土體的抗滲性及黏結性，增強了圍巖土體成拱效應，對控制沉降具有很好的效果，注漿段
比未注漿段的地表沉降減少50％一80％。
[關鍵詞]隧道工程；地鐵；沉降；注漿
[中圖分類號]u455 [文獻標識碼]A 【文章編號】1002-8498(2011)19J)070旬5
Study of Surface Settlement ControI Caused by Construction with
ShaUow TunneI by ExcaVatiOn in Metro Tunnel
Zhou Chen91，Zhou ShaOdon92，Lin Ta02，Liu Huita01
(1．Sc^∞Z∥ci鐘豇E增ineering＆肼∞矗覦i璐，HⅡ口旃ong un如ers蚵礦JSc泌nce＆nc^nofo穢，矽u^on，日“6ei 430074，chino；
2．阢^肌舭柏Cm印co．，血擊，吼五口n，肌6ei 430030，能脅口)
Abstract：The course of the boring excavation method construction of undergmund tunnel in city always
prone to the problem 0f large surface def0珊ation． The analysis on the reason of the large sumce
subsidence of the boring excavation method constmetion of Humin interzone undergmund tunnel in Wuhan
and reseaI．ch on effIeclive method of the eontl．olling surf．ace defo瑚ation haVe been can{ed on． Authors
make study on adopting technology of constrLIetion of process and eontrol for surfhce gmuting and elfect by
numerical simulation and test analysis 8nd propose series of management measures as reference for
controlling surface subsidence caused by constmction with the boring excavation method． Through the
simulation analysis and gmuting test， during the constmction process in weak geology， eontinuous
grouting me啦od is 8dopted in the section wheI．e with bad geological conditjon or sb8Uow buried depth
outside the hole or where ahead ductile grouting method and circular excaVation method are still not
applied to control sudace subsidence，after the weak miscellaneous fill upper tunnel is grouting treated，
impemeability and cohesion of the soil can be improved， the arching effbct of soil aI-0und rock can be
enhanced， subsidence can be contI_oUed effbetively， suIface subsidence in grouting gection can be
reduced by 50％to 80％or more than not grou￡ing section．
Key words：tunnels；metr0；settlement；grouting
在城市地鐵隧道淺埋暗挖施工中容易發生地
表變形過大的情況，施工中除了應遵守一般的技術
規范外，還應該根據圍巖的實際情況，在施工過程
中采取一些針對性強的輔助施工技術，以滿足施工
f收稿日期】20“舶一16
【基金項目】中央高校基本科研業務費專項資金資助(2011QNl87)
【作者簡介]周誠，華中科技大學土木工程與力學學院工程管理研
究所博士，湖北省武漢市華中科技大學西六樓413室430074，電
話：(027)87557124，E．m“l：ch8rleschou@163．com
安全和工程質量要求。本文針對城市地鐵淺埋暗
挖施工常見地表變形過大的原因進行分析，研究控
制地表變形的方法，結合某地鐵超淺埋段工程實
例，分析施工處理技術及效果，為控制淺埋暗挖施
工地表變形提供借鑒。
l 地鐵隧道淺埋暗挖施工地表沉降及控制
1．1 淺埋暗挖施工地表沉降及影響
采用淺埋暗挖旋工的城市地鐵隧道通常埋深
萬方數據
周誠等：城市地鐵隧道區間淺埋暗挖施工地表沉降控制研究7l
較淺，開挖過程中由于地層損失而引起地表沉降
大，并且地表沉降量大小與隧道埋深、地層條件等
有密切關系，由于隧道埋深很淺，一般淺埋段拱頂
黏土層較薄，且與雜填土、淤泥等結合為軟弱結構
面，隧道開挖后圍巖土體自穩性及成拱效應較差，
開挖后由于地層損失引起的地表沉降明顯，易發生
冒頂事故，嚴重時可能造成地面塌陷，對周邊建
(構)筑物及地下管線產生嚴重威脅。
1．2 淺埋暗挖施工地表沉降控制措施
淺埋暗挖隧道施工一般應遵循18字方針，即
“管超前，嚴注漿，短進尺，強支護，早封閉，勤量
測”。在淺埋暗挖隧道施工中為把地表沉降帶來的
風險控制在合理的范圍內，應該從施工技術措施和
管理措施等方面進行綜合控制來有效降低風險。
1．2．1采取合理的施工技術措施
在淺埋軟弱地質條件下進行地鐵隧道施工，開
挖擾動使原始地層應力重分布，控制地層變形主要
把握2個主要方面：加強圍巖的自穩能力和及時施
作襯砌支護。其中，對不良地層的改良措施是加強
圍巖自穩能力的重要措施，在很大程度上決定了地
層變形的大小。
對淺埋隧道施工地面沉降采用的施工技術措
施一般有：環形開挖留核心土、超前小導管注漿支
護、地表注漿加固地層、設置臨時仰拱、水平旋噴超
前支護、高壓旋噴加固地層等方法，應根據工程具
體情況、實施效果和成本等情況合理選用。
淺埋暗挖地鐵隧道施工，由于隧道開挖后圍巖
土體自穩性及成拱效應較差，而圍巖自穩時間與圍
巖本身強度和施工前期的超前預加同措施有關，一
般先采用超前小導管對掌子面前方圍巖進行注漿
預加固，減少開挖后掌子面上方圍巖過大變形而引
起的地面沉降，再在隧道開挖過程中采用環形開挖
留核心土法，對控制地面沉降有不錯的效果。對于
地質條件特別差，采取超前小導管注漿和環形開挖
留核心土法仍無法控制地面沉降的地段，一般考慮
對局部地段采用地表注漿加固。
實踐表明，在軟弱地質淺埋段采用超前小導管
注漿，配合環形開挖留核心土法，洞外對地質條件
特別差或埋深特別淺的地段進行連續注漿，使隧道
上部軟弱雜填土層都被注漿處理后，對于控制地表
沉降具有較好的效果。特別是對于軟弱地層拱頂
雜填土較厚的淺埋隧道，由于埋深淺，地表注漿易
于施工，使雜填土的空隙得到充實，提高了土體的
抗滲性及黏結性，加強了圍巖土體成拱效應，對控
制沉降效果最為明顯。
1．2．2采取嚴格的管理措施
1)嚴格控制施工進尺，上、下臺階步距控制在1
倍洞徑內，盡早使初襯封閉成環，減少掌子面暴露
時間，并及時進行初襯背后注漿。
2)雙洞隧道，左、右線掌子面應錯開2倍洞徑
以上，減少2條隧道施工的互相干擾和同時發生坍
塌的風險。
3)施工中加強監測，在超淺埋地段掌子面前后
1—2倍洞徑范圍適當加密測點并增加監測頻率，做
到信息化施工。
4)在距離隧道開挖掌子面前方2—3倍的洞徑
范圍，避免前方地面上各種集中荷載垂直作用在隧
道掌子面及拱頂。
2 工程實例
2．1 工程概況
武漢地鐵虎名區間是采用淺埋暗挖法施工的
雙洞雙線隧道，其里程范圍為右DK24+908．207一
DK26+165．508，右線全長1 257．301m。隧道高
6．9m，寬6．5m，根據區間隧道的埋深和圍巖地質特
性，隧道拱頂基本位于粉質黏土和強風化泥巖中，
屬V級圍巖。具體巖土物理力學參數如表l所示。
根據虎名區間隧道地質縱剖面圖(見圖1)，右
DK25+325一DK25 550段為隧道淺埋地段(覆蓋層
表l巖土物理力學參數
Table 1 Physical and mechanical parameters 0f soil
萬方數據
施工技術第40卷
5．7—8m)，開挖拱頂上覆蓋層為O．8—2．8m的粉質
黏土，該粉質黏土層上面為4．7—5．2m厚的雜填
土；左DK25+325一DK+550段為隧道淺埋地段
(覆蓋層<8m)，開挖拱頂上覆蓋層為1．6—4．Om
的粉質黏土，粉質黏土層上面為2．4～5．6m厚的雜
填土。
圖1虎名區間淺埋晴挖隧道縱剖面
Fi昏1 Lo“gitudinaI pronle of shaUow buried tu帥el
施工中，DK25+225一DK25+325斷面地勢高、
覆土厚度達到l倍洞徑，多數地表監測點沉降量未
超過設計允許值30mm。而在DK25+325一DK25+
360斷面，沉降普遍超過設計允許值(30mm)，主要
是由于該段左線及右線拱部黏土層非常淺薄，覆土
厚度均<1倍洞徑，拱頂土體自穩性及成拱效應較
差，開挖后土體應力釋放，地表及洞頂出現較大沉
降。另外，該段地勢較低，由于是在雨季施工，降雨
頻繁，雜填土層滯水豐富，上層滯水從掌子面開挖
拱部的裂隙滲入洞身，水體的流失造成地表進一步
沉降。存在隧道掌子面坍塌、路面沉陷、管線破壞、
建筑物傾斜等重大風險隱患。幾個典型沉降超限
斷面覆土情況和最大沉降如表2、圖2所示。
針對武漢地鐵虎名區間淺埋暗挖隧道施工中
地表沉降過大問題，通過分析決定采取地表注漿加
同土層的措施。首先在淺埋段進行地表注漿加固
土層的試驗和仿真分析，通過注漿試驗及監控量
測，結果表明，地表注漿對控制沉降有明顯的效果．
特別是雜填土較厚的淺埋段大面積注漿具有很強
的可行性。在試驗和仿真分析的基礎上，采取了在
隧道覆土<】倍洞徑的淺埋段進行地面大面積注
圖2淺埋暗挖段地表沉降{未注漿)
Fig．2 GrouⅡd settIement of shaUow buried蚰c‰Ⅱ
漿，同時采取了一系列管理措施，有效控制了地面
沉降。
2．2地表注漿仿真分析
為了確定合理的注漿加固方案，進行了連續注
漿仿真、分段注漿仿真和加大注漿厚度仿真。
1)連續注漿仿真沿隧道軸線長度連續注漿，
注漿寬度超出隧道邊線2m，注漿厚度4m。
2)分段注漿仿真沿隧道軸線每間隔5m注漿
15m，注漿寬度超出隧道邊線2m，注漿厚度4m。
3)加大注漿厚度仿真沿隧道軸線長度連續
注漿，注漿寬度超出隧道邊線2m．注漿厚度6m(即
約為隧道覆土厚度)。
不同注漿方式測點橫截面位移云圖如圖3所
示，圖4為仿真計算得到地表沉降槽曲線。
通過仿真分析可知，大面積連續注漿和加大厚
度注漿地表沉降值較小，比分段注漿時地表沉降減
小60％以上，加大厚度注漿使隧道上部軟弱雜填土
層都被注漿處理后，控制地表沉降效果最好。對于
沉降槽寬度i，大面積連續注漿和加大厚度注漿時沉
降槽的寬度f較小，即此時地表沉降對周同的影響
最小，而分段注漿時的沉降槽寬度會有所加大，但
總體上看，不同注漿方式下隧道開挖時的沉降槽寬
度變化較小。該仿真得到的規律與后續施工實測
情況相吻合。
2．3地表注漿試驗
為了確保地表注漿效果，施工單位在左右線各
選取一段共計20m長度范圍內進行地表注漿試驗。
采用注漿孔距1m×1m，梅花形布置，鉆孔深度穿透
表2沉降超限斷面疆土情況和最大沉降(未注漿)
Table 2 The maximum settlemeⅡt and covering soil of senlemeⅡt overrun section
萬方數據
2011 No．350 周誠等；城市地鐵隧道區問淺埋暗挖施工地表沉降控制研究
繇魯熄
睡羹巍
謄簍辮瓢瓣
a夫面積注漿
《麓匕擎巍麟景釜囂i{囂淥
譽甕≥2“
隧辮l捶擎莓蘭j；囂翟
。挑J、悼膻“漿
圖3注漿測點橫截面位移云圖
Fi g．3 Cross section dispI們em蚰t
nephogram of grou6ng mea軸ring po主nts
圖4不同注漿方式沉降槽曲線
Fig．4 CurVes of sett陸g tank帥der
different grouti“g wnys
雜填土層，水泥漿液水灰比0．5：I～l：I，注漿壓力
取0．3MPa。注漿結束后，在相鄰兩}L問進行了取芯
檢測，在取芯樣中可發現明顯水泥結石體，對芯樣
進行抗壓強度檢驗，抗壓強度由注漿前的0．65MPa
提高到注漿后的1．10MPa，抗壓強度相對于注漿前
提高70％，并在注漿段做了注水試驗，雜填土段滲
透系數為9．3×10一cm／s。相比注漿前，雜填土的
滲透性有所降低。在對注漿試驗段進行隧道開挖
過程中發現開挖時洞壁及掌子面已無涌水涌泥現
象，也沒有溶解崩塌現象，地表沉降監測發現相對
于未注漿段地表沉降明顯降低，并且基本在30mm
控制值以內。這表明地表注漿對減小地面沉降有
較好的作用。
2．4地表注漿加固方案
在仿真計算和試驗的基礎上，確定實際地表注
漿方案為大面積連續注漿，注漿范圍為左線DK25
+385一DK25+523、右線Dl(25+405一DK25+
510，具體注漿方案如下。
1)地表注漿范圍為超淺埋地段洞頂雜填土層，
注漿寬度超出隧道邊線2m。
2)地表注漿fL眼間距lm×1m，鉆孔深度4～
6m．且孔深大于人工雜填土層20cm。施工時特別
要注意注漿管打人深度不能超過隧道拱頂覆土層
厚度，避免打穿拱頂土層而形成地面水進人隧道的
進水通道。
3)注漿孔孔徑母1lOmm，套管管徑曲108mm，注
漿管伸人孔底采用花管注漿，花管長度1 m。
4)漿液采用P·O．42．5水泥漿液，漿液濃度
O．6：1，注漿壓力0．15～O．2MPa。
5)注漿按先注兩邊、后注中間的順序進行。邊
側注漿孔壓力可取小值，中間壓力可取大值。
2．5地表注漿前后沉降對比分析
以具有代表性的DK25+360(地表未注漿斷
面，見圖2)斷面沉降和表3、圖5地表注漿斷面進行
比較分析。
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騾
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”“6?”“‘01””5‰品P?”‘‘””“?
●I)K25十4u0．3●1)K25+4lO．3—-DKl5+450—3+DK25r3xS．3
圈s注漿段地襄沉降
Fig．5 Ground se坩ement of grouting鐘cⅡon
從未進行注漿處理的DK25+360(見圖2)和進
行注漿處理的DK25+385(見圖5)2個典型斷面的
沉降時序圖來看，監測數據表明：注漿前最大沉降
量達(DK25+360斷面)65．57mm，注漿后最大沉降
量(DK25+385斷面)為23．07mm，并且DK25+
400，Dl(25+410，DK25+450的最大沉降量遠小于
DK25+360斷面(未注漿)的沉降，地表注漿對地表
沉降控制已起到明顯的作用。
通過虎名區間超淺埋段的地表注漿，使雜填土
的空隙得到充實，提高了土體的抗滲性及黏結性，
萬方數據
74 施工技術第40卷
有效控制了地表沉降注漿前后地表沉降對比分析
表明：注漿段比未注漿段的地表沉降減少了50％
一80％。
2．6管理措施
1)縮短施’：[進尺，上、下臺階步距控制在1倍
洞徑內，使初期支護盡快封閉成環，減少掌子面暴
露時間，并及時進行初支背后注漿。
2)左、右線掌子面錯開2倍洞徑以上，減少兩
洞干擾和同時發生坍塌的風險。
3)施工中加強監測，在掌子面前后1—2倍洞
徑范圍適當增加監測頻率。
4)做好各種應急救援預案，特別是管線破壞的
應急救援預案。
5)在距離隧道開挖掌子面前方2～3倍的洞徑
范圍設置臨時罔擋，避免路面車輛集中荷載垂直作
用在隧道掌子面及拱頂。
3 結語
施工安全風險受多方面影響，應該從施工的管
理措施、技術措施等進行綜合控制來有效降低風
險。淺埋暗挖隧道施T過程中地表沉降過大時，采
用地表注漿加固，使雜填土的空隙得到充實，提高
了土體的抗滲性及黏結性，增強了圍巖土體成拱效
應，對控制沉降具有很好的效果，注漿段比未注漿
段的地表沉降量減少50％～80％。降低了因地面
沉降過大而產生地面坍塌、管線破壞甚至隧道洞體
坍塌的風險，為安全、順利施工提供了強有力的保
障。該工程淺埋段注漿加固方案及其輔助措施對
其他類似地質淺埋段施工具有指導意義。
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(上接第49頁)
支護方案的選擇具有一定的指導作用，很好地驗證了
土釘墻和圍護樁+2道內支撐方案的可行性和安全性。
3)由于本工程在施工過程中具有一定的時空
效應，但本文的計算未能考慮這些因素，因此，如何
將z—SOIL．Pc應用于基坑開挖及環境影響的數值
模擬中還需要更為深入地研究。
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