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城市地铁隧道区间浅埋暗挖施工地表沉降控制研究

文档作者：周诚1，周少东2，林涛2，刘惠涛1 文档来源： 1．华中科技大学土木工程与力学学院工程管理研究所 2．武汉地铁集团有限公司		点击数：	更新时间： 2025年05月08日
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施工技术2011年lO月上
70 coNsTRucTION TEcHNOLocY 第40卷第350期
城市地铁隧道区间浅埋暗挖施工地表沉降控制研究
周诚1，周少东2，林涛2，刘惠涛1
(1．华中科技大学土木工程与力学学院工程管理研究所，湖北武汉430074；
2．武汉地铁集团有限公司，湖北武汉430030)
[摘要】结合武汉地铁虎名区间隧道浅埋晴挖施工地表沉降过大原因进行分析，研究控制地表变形的有效方法，通
过数值仿真和试验分析，研究采取地表注浆施工处理控制技术和效果，并提出系列管理措施，为控制浅埋暗挖施工
地表变形提供借鉴。通过仿真分析和注浆试验，在软弱地质浅埋暗挖施工过程中，对于洞外对地质条件特别差或
埋深特别浅的地段，采取超前小导管注浆和环形开挖留核心土法仍无法控制地面沉降的地段，采用注浆加固隧道
上部软弱杂填土层，提高土体的抗渗性及黏结性，增强了围岩土体成拱效应，对控制沉降具有很好的效果，注浆段
比未注浆段的地表沉降减少50％一80％。
[关键词]隧道工程；地铁；沉降；注浆
[中图分类号]u455 [文献标识码]A 【文章编号】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钟豇E增ineering＆肼∞矗觎i璐，HⅡ口旃ong un如ers蚵矿JSc泌nce＆nc^nofo秽，矽u^on，日“6ei 430074，chino；
2．阢^肌舭柏Cm印co．，血击，吼五口n，肌6ei 430030，能胁口)
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
在城市地铁隧道浅埋暗挖施工中容易发生地
表变形过大的情况，施工中除了应遵守一般的技术
规范外，还应该根据围岩的实际情况，在施工过程
中采取一些针对性强的辅助施工技术，以满足施工
f收稿日期】20“舶一16
【基金项目】中央高校基本科研业务费专项资金资助(2011QNl87)
【作者简介]周诚，华中科技大学土木工程与力学学院工程管理研
究所博士，湖北省武汉市华中科技大学西六楼413室430074，电
话：(027)87557124，E．m“l：ch8rleschou@163．com
安全和工程质量要求。本文针对城市地铁浅埋暗
挖施工常见地表变形过大的原因进行分析，研究控
制地表变形的方法，结合某地铁超浅埋段工程实
例，分析施工处理技术及效果，为控制浅埋暗挖施
工地表变形提供借鉴。
l 地铁隧道浅埋暗挖施工地表沉降及控制
1．1 浅埋暗挖施工地表沉降及影响
采用浅埋暗挖旋工的城市地铁隧道通常埋深
万方数据
周诚等：城市地铁隧道区间浅埋暗挖施工地表沉降控制研究7l
较浅，开挖过程中由于地层损失而引起地表沉降
大，并且地表沉降量大小与隧道埋深、地层条件等
有密切关系，由于隧道埋深很浅，一般浅埋段拱顶
黏土层较薄，且与杂填土、淤泥等结合为软弱结构
面，隧道开挖后围岩土体自稳性及成拱效应较差，
开挖后由于地层损失引起的地表沉降明显，易发生
冒顶事故，严重时可能造成地面塌陷，对周边建
(构)筑物及地下管线产生严重威胁。
1．2 浅埋暗挖施工地表沉降控制措施
浅埋暗挖隧道施工一般应遵循18字方针，即
“管超前，严注浆，短进尺，强支护，早封闭，勤量
测”。在浅埋暗挖隧道施工中为把地表沉降带来的
风险控制在合理的范围内，应该从施工技术措施和
管理措施等方面进行综合控制来有效降低风险。
1．2．1采取合理的施工技术措施
在浅埋软弱地质条件下进行地铁隧道施工，开
挖扰动使原始地层应力重分布，控制地层变形主要
把握2个主要方面：加强围岩的自稳能力和及时施
作衬砌支护。其中，对不良地层的改良措施是加强
围岩自稳能力的重要措施，在很大程度上决定了地
层变形的大小。
对浅埋隧道施工地面沉降采用的施工技术措
施一般有：环形开挖留核心土、超前小导管注浆支
护、地表注浆加固地层、设置临时仰拱、水平旋喷超
前支护、高压旋喷加固地层等方法，应根据工程具
体情况、实施效果和成本等情况合理选用。
浅埋暗挖地铁隧道施工，由于隧道开挖后围岩
土体自稳性及成拱效应较差，而围岩自稳时间与围
岩本身强度和施工前期的超前预加同措施有关，一
般先采用超前小导管对掌子面前方围岩进行注浆
预加固，减少开挖后掌子面上方围岩过大变形而引
起的地面沉降，再在隧道开挖过程中采用环形开挖
留核心土法，对控制地面沉降有不错的效果。对于
地质条件特别差，采取超前小导管注浆和环形开挖
留核心土法仍无法控制地面沉降的地段，一般考虑
对局部地段采用地表注浆加固。
实践表明，在软弱地质浅埋段采用超前小导管
注浆，配合环形开挖留核心土法，洞外对地质条件
特别差或埋深特别浅的地段进行连续注浆，使隧道
上部软弱杂填土层都被注浆处理后，对于控制地表
沉降具有较好的效果。特别是对于软弱地层拱顶
杂填土较厚的浅埋隧道，由于埋深浅，地表注浆易
于施工，使杂填土的空隙得到充实，提高了土体的
抗渗性及黏结性，加强了围岩土体成拱效应，对控
制沉降效果最为明显。
1．2．2采取严格的管理措施
1)严格控制施工进尺，上、下台阶步距控制在1
倍洞径内，尽早使初衬封闭成环，减少掌子面暴露
时间，并及时进行初衬背后注浆。
2)双洞隧道，左、右线掌子面应错开2倍洞径
以上，减少2条隧道施工的互相干扰和同时发生坍
塌的风险。
3)施工中加强监测，在超浅埋地段掌子面前后
1—2倍洞径范围适当加密测点并增加监测频率，做
到信息化施工。
4)在距离隧道开挖掌子面前方2—3倍的洞径
范围，避免前方地面上各种集中荷载垂直作用在隧
道掌子面及拱顶。
2 工程实例
2．1 工程概况
武汉地铁虎名区间是采用浅埋暗挖法施工的
双洞双线隧道，其里程范围为右DK24+908．207一
DK26+165．508，右线全长1 257．301m。隧道高
6．9m，宽6．5m，根据区间隧道的埋深和围岩地质特
性，隧道拱顶基本位于粉质黏土和强风化泥岩中，
属V级围岩。具体岩土物理力学参数如表l所示。
根据虎名区间隧道地质纵剖面图(见图1)，右
DK25+325一DK25 550段为隧道浅埋地段(覆盖层
表l岩土物理力学参数
Table 1 Physical and mechanical parameters 0f soil
万方数据
施工技术第40卷
5．7—8m)，开挖拱顶上覆盖层为O．8—2．8m的粉质
黏土，该粉质黏土层上面为4．7—5．2m厚的杂填
土；左DK25+325一DK+550段为隧道浅埋地段
(覆盖层<8m)，开挖拱顶上覆盖层为1．6—4．Om
的粉质黏土，粉质黏土层上面为2．4～5．6m厚的杂
填土。
图1虎名区间浅埋晴挖隧道纵剖面
Fi昏1 Lo“gitudinaI pronle of shaUow buried tu帅el
施工中，DK25+225一DK25+325断面地势高、
覆土厚度达到l倍洞径，多数地表监测点沉降量未
超过设计允许值30mm。而在DK25+325一DK25+
360断面，沉降普遍超过设计允许值(30mm)，主要
是由于该段左线及右线拱部黏土层非常浅薄，覆土
厚度均<1倍洞径，拱顶土体自稳性及成拱效应较
差，开挖后土体应力释放，地表及洞顶出现较大沉
降。另外，该段地势较低，由于是在雨季施工，降雨
频繁，杂填土层滞水丰富，上层滞水从掌子面开挖
拱部的裂隙渗入洞身，水体的流失造成地表进一步
沉降。存在隧道掌子面坍塌、路面沉陷、管线破坏、
建筑物倾斜等重大风险隐患。几个典型沉降超限
断面覆土情况和最大沉降如表2、图2所示。
针对武汉地铁虎名区间浅埋暗挖隧道施工中
地表沉降过大问题，通过分析决定采取地表注浆加
同土层的措施。首先在浅埋段进行地表注浆加固
土层的试验和仿真分析，通过注浆试验及监控量
测，结果表明，地表注浆对控制沉降有明显的效果．
特别是杂填土较厚的浅埋段大面积注浆具有很强
的可行性。在试验和仿真分析的基础上，采取了在
隧道覆土<】倍洞径的浅埋段进行地面大面积注
图2浅埋暗挖段地表沉降{未注浆)
Fig．2 GrouⅡd settIement of shaUow buried蚰c‰Ⅱ
浆，同时采取了一系列管理措施，有效控制了地面
沉降。
2．2地表注浆仿真分析
为了确定合理的注浆加固方案，进行了连续注
浆仿真、分段注浆仿真和加大注浆厚度仿真。
1)连续注浆仿真沿隧道轴线长度连续注浆，
注浆宽度超出隧道边线2m，注浆厚度4m。
2)分段注浆仿真沿隧道轴线每间隔5m注浆
15m，注浆宽度超出隧道边线2m，注浆厚度4m。
3)加大注浆厚度仿真沿隧道轴线长度连续
注浆，注浆宽度超出隧道边线2m．注浆厚度6m(即
约为隧道覆土厚度)。
不同注浆方式测点横截面位移云图如图3所
示，图4为仿真计算得到地表沉降槽曲线。
通过仿真分析可知，大面积连续注浆和加大厚
度注浆地表沉降值较小，比分段注浆时地表沉降减
小60％以上，加大厚度注浆使隧道上部软弱杂填土
层都被注浆处理后，控制地表沉降效果最好。对于
沉降槽宽度i，大面积连续注浆和加大厚度注浆时沉
降槽的宽度f较小，即此时地表沉降对周同的影响
最小，而分段注浆时的沉降槽宽度会有所加大，但
总体上看，不同注浆方式下隧道开挖时的沉降槽宽
度变化较小。该仿真得到的规律与后续施工实测
情况相吻合。
2．3地表注浆试验
为了确保地表注浆效果，施工单位在左右线各
选取一段共计20m长度范围内进行地表注浆试验。
采用注浆孔距1m×1m，梅花形布置，钻孔深度穿透
表2沉降超限断面疆土情况和最大沉降(未注浆)
Table 2 The maximum settlemeⅡt and covering soil of senlemeⅡt overrun section
万方数据
2011 No．350 周诚等；城市地铁隧道区问浅埋暗挖施工地表沉降控制研究
繇鲁熄
睡羹巍
誊篓辫瓢瓣
a夫面积注浆
《麓匕擎巍麟景釜嚣i{嚣渌
誉瓮≥2“
隧辫l捶擎莓兰j；嚣翟
。挑J、悼膻“浆
图3注浆测点横截面位移云图
Fi g．3 Cross section dispI们em蚰t
nephogram of grou6ng mea轴ring po主nts
图4不同注浆方式沉降槽曲线
Fig．4 CurVes of sett陆g tank帅der
different grouti“g wnys
杂填土层，水泥浆液水灰比0．5：I～l：I，注浆压力
取0．3MPa。注浆结束后，在相邻两}L问进行了取芯
检测，在取芯样中可发现明显水泥结石体，对芯样
进行抗压强度检验，抗压强度由注浆前的0．65MPa
提高到注浆后的1．10MPa，抗压强度相对于注浆前
提高70％，并在注浆段做了注水试验，杂填土段渗
透系数为9．3×10一cm／s。相比注浆前，杂填土的
渗透性有所降低。在对注浆试验段进行隧道开挖
过程中发现开挖时洞壁及掌子面已无涌水涌泥现
象，也没有溶解崩塌现象，地表沉降监测发现相对
于未注浆段地表沉降明显降低，并且基本在30mm
控制值以内。这表明地表注浆对减小地面沉降有
较好的作用。
2．4地表注浆加固方案
在仿真计算和试验的基础上，确定实际地表注
浆方案为大面积连续注浆，注浆范围为左线DK25
+385一DK25+523、右线Dl(25+405一DK25+
510，具体注浆方案如下。
1)地表注浆范围为超浅埋地段洞顶杂填土层，
注浆宽度超出隧道边线2m。
2)地表注浆fL眼间距lm×1m，钻孔深度4～
6m．且孔深大于人工杂填土层20cm。施工时特别
要注意注浆管打人深度不能超过隧道拱顶覆土层
厚度，避免打穿拱顶土层而形成地面水进人隧道的
进水通道。
3)注浆孔孔径母1lOmm，套管管径曲108mm，注
浆管伸人孔底采用花管注浆，花管长度1 m。
4)浆液采用P·O．42．5水泥浆液，浆液浓度
O．6：1，注浆压力0．15～O．2MPa。
5)注浆按先注两边、后注中间的顺序进行。边
侧注浆孔压力可取小值，中间压力可取大值。
2．5地表注浆前后沉降对比分析
以具有代表性的DK25+360(地表未注浆断
面，见图2)断面沉降和表3、图5地表注浆断面进行
比较分析。
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骡
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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注浆段地襄沉降
Fig．5 Ground se坩ement of grouting钟cⅡon
从未进行注浆处理的DK25+360(见图2)和进
行注浆处理的DK25+385(见图5)2个典型断面的
沉降时序图来看，监测数据表明：注浆前最大沉降
量达(DK25+360断面)65．57mm，注浆后最大沉降
量(DK25+385断面)为23．07mm，并且DK25+
400，Dl(25+410，DK25+450的最大沉降量远小于
DK25+360断面(未注浆)的沉降，地表注浆对地表
沉降控制已起到明显的作用。
通过虎名区间超浅埋段的地表注浆，使杂填土
的空隙得到充实，提高了土体的抗渗性及黏结性，
万方数据
74 施工技术第40卷
有效控制了地表沉降注浆前后地表沉降对比分析
表明：注浆段比未注浆段的地表沉降减少了50％
一80％。
2．6管理措施
1)缩短施’：[进尺，上、下台阶步距控制在1倍
洞径内，使初期支护尽快封闭成环，减少掌子面暴
露时间，并及时进行初支背后注浆。
2)左、右线掌子面错开2倍洞径以上，减少两
洞干扰和同时发生坍塌的风险。
3)施工中加强监测，在掌子面前后1—2倍洞
径范围适当增加监测频率。
4)做好各种应急救援预案，特别是管线破坏的
应急救援预案。
5)在距离隧道开挖掌子面前方2～3倍的洞径
范围设置临时罔挡，避免路面车辆集中荷载垂直作
用在隧道掌子面及拱顶。
3 结语
施工安全风险受多方面影响，应该从施工的管
理措施、技术措施等进行综合控制来有效降低风
险。浅埋暗挖隧道施T过程中地表沉降过大时，采
用地表注浆加固，使杂填土的空隙得到充实，提高
了土体的抗渗性及黏结性，增强了围岩土体成拱效
应，对控制沉降具有很好的效果，注浆段比未注浆
段的地表沉降量减少50％～80％。降低了因地面
沉降过大而产生地面坍塌、管线破坏甚至隧道洞体
坍塌的风险，为安全、顺利施工提供了强有力的保
障。该工程浅埋段注浆加固方案及其辅助措施对
其他类似地质浅埋段施工具有指导意义。
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(上接第49页)
支护方案的选择具有一定的指导作用，很好地验证了
土钉墙和围护桩+2道内支撑方案的可行性和安全性。
3)由于本工程在施工过程中具有一定的时空
效应，但本文的计算未能考虑这些因素，因此，如何
将z—SOIL．Pc应用于基坑开挖及环境影响的数值
模拟中还需要更为深入地研究。
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