地铁施工沉降监测分析与控制
2015-04-14
一、前言
随着经济的快速发展，我国许多城市也渐渐加大了城市地铁建设力度。城市地铁暗挖隧道工程必须要在岩土体内部施工，不管埋深大小，开挖隧道施工势必会扰动地下岩土体，导致原有平衡状态遭到破坏，逐渐转向新的平衡状态。开挖地下岩土体势必会导致地表沉降、变形，当地表沉降到某种程度将会对地下管线的正常使用和地面建筑物的安全产生影响。因此隧道开挖施工时，要与保护城市中有历史意义和经济、社会意义的设施协调起来。要根据要求，采取有效措施来减小沉降和变形，使得地面房屋、道路、管线等建(构)筑物不至受到损害，生态环境不至恶化。
二、地铁暗挖施工沉降的原因分析
从其机理上分析，地铁施工影响地层沉降程度主要是开挖施工引起的地面沉降以及降水施工引起的沉降。
1、开挖施工的影响
在进行地铁开挖施工时，在封闭开挖面之前，由于应力释放将引起一定程度的地层收缩变形，进而导致地表下沉；在暗挖施工分台阶进行过程中，在上台阶支护和下台阶封闭成环前，拱顶产生的沉降会导致地表产生一定程度的下沉；开挖初支与土体之间在网喷混凝土施工后势必会存在空隙或孔洞，在初支背后回填注浆之前，土体的自由沉积也会导致地层沉降。
一般来讲，地铁车站等地下结构具有较大复杂性，实施暗挖法进行开挖施工通常分层、分步开展。开挖施工分阶段进行将会较大程度对地层造成重复扰动，由于群洞效应会导致地表沉降加剧，特别是不同结构相交地段开挖重复影响剧烈，除了受力情况较为复杂之外，还由于具有较多影响因素，所以，产生较大累计沉降。
2、降水施工的影响
为满足地铁施工无水作业要求，需开展降水施工。当在饱和粘性土弱透水层上下方的含水层降水时，在水压力减小的情况下土层的总应力却保持不变。这种情况下，由于裂缝水压力减小，势必会导致颗粒间有效应力增大，继而导致土层出现沉降。由于含水砂层透水性良好，其中，有效应力的增大相当于水压力的减小，含水层通常可看成弹性体，有效应力增大导致其压密、沉降。
导致地面沉降的主要原因是在地铁降水施工过程中，抽吸地下水导致水位或水压下降，导致上覆土层有效自重压力增大，形成的附加荷载造成土层固结。在降水井进行降水施工过程中，地下水渗透补给降水井，不仅有地下水，伴随地下水的还有细小的土体颗粒(降水井滤网的细密程度决定了土体颗粒大小)。土体流失也能导致地层沉降，沉降值以降水井为中心向四周递减。
三、地铁施工沉降控制措施
1、洞内地层加固措施
在暗挖通道出现土体松散、掌子面失水等情况下，开挖面很难自稳，一般会出现塌方，进而导致地表产生较大沉降。在进行地铁施工时，一般使用超前注浆预加固的方式来应对此类问题。超前加固可按照需加固的范围及超前钻孔的能力确定一次加固范围，或选择在开挖顶部打设超前管注浆加固，或整个开挖区域打设超前管棚注浆加固。超前注浆加固有超前小导管、管棚、前进式分段注浆等方式，具体采用何种工艺应根据现场施工条件及工程具体情况而定。
为使暗挖通道结构的侧向压力降低，保证边墙应力收敛变形减小，不仅要注浆加固地面上对暗挖结构侧土体，还要实施在开挖后的通道侧壁对土体采用径向注浆措施加固土体。以上加固措施除了可以减少沉降，改善土层外，还能够借助注浆锚杆的拉结作用使初支结构边墙的承载能力得以提高。此外，为保证地表建筑物的安全、对建筑物的不均匀沉降进行控制，在开挖后形成地层沉降前在开挖结构内进行径向注浆，对建筑物地基下方土体进行加固。加固改良后的土体能具备更好的承载能力，从而减小建筑物的沉降量。
2、地上土层加固措施
地铁暗挖结构上方土体一般为受开挖沉降影响最大的区域，因此，对暗挖结构拱顶的不良地质段或受力情况复杂的地段进行注浆加固。对地层结构进行改良，能够有效减小施工沉降；而且，暗挖结构开挖后，土层应力释放，支护结构侧边内外行成偏侧土压力，也会导致支护结构的侧向收缩变形致使上方地层产生不均匀沉降，导致接近地铁结构建筑物出现沉降倾斜。
地面注浆加固通常采用抽条注浆、袖阀注浆、分段式注浆等方式进行，注浆浆液根据地层情况及施工需要采用水泥浆或水泥、水玻璃双液浆等。地表注浆前应通过地质报告及地质雷达探测等方法对暗挖上方及周边地层的松散地层区域、水囊、空洞、渗水区域、管线位置等进行了解定位。此外，要认真调查开挖影响范围内管线的类型、管材、埋深以及周边建筑物结构形式、基础结构等，对有可能对地面建筑物、暗挖结构、地下管线安全产生影响的区域进行有针对性的注浆加固。
3、开挖施工控制措施
对开挖施工进行全过程控制能够有效降低施工沉降。在进行地铁暗挖施工时，必须要严格遵守“管超前、严注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤量测”18字方针，将施工工艺的每个环节落实到位，对各道工序的施工质量严格进行控制。认真落实施工措施，便可以最大程度减小暗挖施工引起的沉降。
控制坍塌对控制沉降起到极为关键的作用，进行超前支护是避免坍塌的非常重要的措施。施工过程中，不仅要严格根据设计的支护参数打设超前导管，在地质状况不理想的地段也可按照具体情况实施加长导管长度、增设小导管数量、全掌子面打设小导管注浆等措施来对土体进行加固，保证开挖安全。小导管注浆针对施工需要及地质情况使用水泥或水泥浆、水玻璃双液浆。在进行暗挖施工时必须要对每环开挖进尺进行严格控制，随挖随支，最大程度缩短每环开挖支护的施工时间，保证尽早封闭；还要对初支结构钢架加工及连接质量严格控制，确保网喷混凝土质量，增强初支结构的稳定性。在进行分台阶开挖过程中，上台阶支护与下台阶封闭成环前，上台阶底脚应垫设木板并打设锁脚锚杆，以使沉降量降低；要规范及时进行初支结构临时支撑施工，在拆除过程中要对分段拆除长度严格控制，还要强化监控量测。
在开挖支护施工过程中，在初支背后埋设普通焊接钢管作为回填注浆管，管长约为0．6m。注浆管沿拱顶布置，每断面至少要有3根，纵向间距3 m，回填注浆在开挖面后3 m处进行，并随开挖面的延伸及时跟上。背后注浆常使用水泥浆，水灰比为0.8—1.0，注浆压力控制在0.2—0.6 MPa。
四、结束语
在进行地铁工程施工时地铁暗挖施工所引起的沉降是不可避免的，但为了地表、管线及建筑物的安全，必须将这种沉降控制在一定范围内。尽管地铁施工具有复杂的环境、很高的施工难度、施工受很多因素影响，但是现阶段世界地铁施工技术逐渐趋于成熟，此外，在地铁施工快速发展的推动下，涌现了许多新技术及新材料，这下新技术和新材料的应用将会不断提高地暗挖施工沉降的控制效果。
