摘要: 針對深圳大—科區(qū)間隧道軟弱富水的地質條件、設計斷面變化多樣以及復雜而嚴格的邊界限制等特點, 全面地闡述了大—科區(qū)間非降水施工的關鍵技術以及在現場試驗、監(jiān)測、離心模型試驗和數值模擬分析指導下所采取的對策措施, 并反映了實際工程所取得的良好施工效果。
關鍵詞: 區(qū)間隧道; 暗挖; 非降水; 施工技術
1 工程概況
1.1 設計概況
深圳地鐵大劇院—科學館站區(qū)間隧道, 埋于深南中路解放路口至上步路段地面下10～ 19m , 設計長1144.7m 。分左右兩條單線隧道, 標準地段線間距為13.2～17.2m , 基本與地面道路中線對稱。區(qū)間隧道內設2 號線聯絡線預留接口一處, 縮短單渡線一處, 設計斷面變化多樣, 除單線段為單孔圓形斷面外, 聯絡線預留接口和單渡線設計有單孔雙線、雙孔雙線、三孔三線斷面, 其開挖最大寬度分別為12.9m 、12.6m 和20.0m , 隧道接口型式多, 工法轉換頻繁。區(qū)間隧道原設計為2 座豎井, 后因工期需要增設一座3 號豎井, 豎井通過橫通道與正線相連。
1.2 工程及水文地質條件
隧道范圍內上覆第四系全新統人工堆積層、海沖積層和第四系殘積層, 下伏燕山期花崗巖。洞身主要
穿越殘積層和風化花崗巖。有三處含水豐富的砂層位于隧道上部, 部分侵入隧道斷面, 層厚度2～10m 不等, 長度近700m , 占隧道全長達2/3 。有一處流塑狀飽和粘土層侵入隧道斷面內, 如圖1 所示。
本區(qū)間地下水為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水, 主要補給為大氣降水。根據勘測, 地下水埋深1.93～ 5.73m 。水位高程0.5～7.5m , 水位變幅0.5～2.0m 。隧道東端(靠近大劇院站地段) 北側的荔枝湖與本區(qū)間地下水存在水力聯系。
1.3 地面和交通條件
本區(qū)段為交通主干道和商住區(qū)。地面交通繁忙, 車行如梭; 地下管線密集, 縱橫交錯; 道路兩側大廈林立, 花紅草綠, 環(huán)境優(yōu)美。途經市委、市政府, 是深圳市政治、經濟、文化中心地帶。
2 技術特點和關鍵技術
隧道穿越的第四系殘積層和全(強) 風化花崗巖, 含水量豐富。除因南國多雨, 補給充沛外, 并與荔枝湖水系相連, 潺潺水流供給不斷。據測, 1 # 豎
圖1 大劇院—科學館區(qū)間隧道不良地質分布剖面圖
井24 小時抽水量達410t 以上。此外, 地面由原溝谷成, 西南交通大學、中鐵四局集團公司、鐵道第四勘山地回填而成, 局部水囊空洞, 還有地質鉆孔, 人工測設計院聯合成立了科研技術攻關小組, 在現場試洞穴, 更給暗挖施工留下層層隱患, 危機四伏。驗、監(jiān)控、室內離心模型試驗、三維數值仿真分析等由于本標段地面交通繁忙, 環(huán)境優(yōu)美, 不容許在多種手段綜合應用情況下, 取得了較好的施工效果, 地面采取任何工程措施。這些邊界條件界定了本工程多項施工指標達優(yōu)。的技術特點是: 在補給充分的富含水地層(砂層、流塑狀粘土層) 采取非降水的技術措施進行暗挖隧道施
3 超前預加固施工技術研究工, 特別是渡線段的大斷面暗挖施工。其需要解決的主要關鍵技術是:
3.1 方案比選與特征
(1) 超前地質預報與動態(tài)設計;(2) 超前預加固和防水; (3) 復雜斷面隧道暗挖施工洞內超前預加固的目的是改善圍巖土體物理力學工法研究; (4) 軟弱地層暗挖隧道施工控制地面下沉性能和止水防涌, 以保證施工安全, 減小地面下沉。技術(特別是在穿越特殊管線時) 。
在現場多次試驗的基礎上, 比選了三種樁體加固方鑒于本工程地質條件的復雜性、結構端面型式的案。(1) 水平旋噴樁加固; (2) 間隔水平攪拌樁與水多樣性、施工工藝難度極大、周圍環(huán)境限制條件十分平旋噴樁加固; (3) 水平旋噴2化學灌漿加固。如圖2 嚴格, 深圳市地鐵總公司把本標段工程列為深圳市地所示。其優(yōu)缺點比較見表1 。鐵工程的重點和難點工程。為了保證工程得以順利完
圖2 洞內超前預加固方案示意圖
表1 超前預加固方案比較表
圖3 拱部土體水平旋噴加固示意圖
經在1# 豎井橫通道中組織的幾次試驗效果綜合分析比較, 確定采用第一方案。其主要特征是: 仰角為5°的洞內水平旋噴樁超前預加固形成拱棚。開挖掘進時, 用<42 小導管注漿補充加固和止漏。
3.2 水平旋噴樁超前預加固
3.2.1 拱部土體加固
水平旋噴樁在洞內以5°的仰角鉆進旋噴成樁, 因始端侵入隧道開挖斷面, 故在前端3.5m 范圍內不注漿, 旋噴加固體搭接長1.7m 。每一循環(huán)鉆孔15m , 旋噴長度11.5m , 開挖掘進10m (開挖時小導管注漿補充填塞樁間的空隙), 如圖3 所示。
3.2.2 掌子面加固防涌坍
處于流塑狀粘土層地段, 掌子面緩慢順淌而下引起拱部下沉和仰拱開挖困難。施以旋噴樁拱密和加固, 取得了很好的效果(如圖4 所示) 。
圖4 掌子面水平旋噴加固拱密示意圖
3.2.3 邊墻仰拱土體加固
在SK3 + 240～280 和SK3 + 960～990 地段, 拱部圍巖為砂粘土, 具有一定的自穩(wěn)時間, 足以開挖初支成型。但下臺階土層呈流塑狀, 邊墻開挖困難, 甚至導致已施作好的噴射混凝土初支護外鼓開裂。以圖5 所示進行加固, 成功通過。
圖5 水平旋噴樁加固邊墻及掌子面示意圖
3.3 水平旋噴加固力學效果研究
對于水平旋噴預加固效果的認識, 由于我國在這方面起步較晚, 目前, 基本上還處在試驗階段或定性的描述上, 而客觀現實常常需要我們做出定量的分析, 特別是在淺埋軟弱的富水地層中進行城市地鐵近鄰開挖時尤其如此, 為了研究水平旋噴預加固效果, 在多次現場試驗的基礎上, 進行了離心模型試驗和三維彈塑性數值模擬研究。
試驗和數值分析所得結論基本一致, 主要有:
(1) 研究成果和現場測試數據吻合較好; (2) 水平旋噴樁預加固對控制地表沉降的效果是非常明顯的, 與不施做水平旋噴樁相比, 地表的最大沉降值可減小51 % 左右(如圖6 、圖7 所示) ; (3) 旋噴樁預加固對提高圍巖的穩(wěn)定性是非常有效的, 相比之下, 有旋噴樁時拱頂的最大沉降可降低53 % 左右, 同時, 洞周圍巖塑性區(qū)的面積大大減小。
圖6 無旋噴樁時地表沉降示意圖
圖7 有旋噴樁時地表沉降示意圖g
4 渡線段施工技術研究
4.1 指導思想
在含水豐富的淺埋軟弱圍巖(粘砂土和流塑狀粘土層) 中, 由于環(huán)境所限, 采用非降水的手段, 進行渡線段大斷面隧道的暗挖法施工, 在國內外的地鐵修建史上鮮見先例。本工程在這一特定條件下, 以防坍保安全為主要目標, 選取最佳的超前預支護方案和合適的工法, 同時謀求控制地面沉降, 減小對管線的破壞和影響又兼顧施工速度的技術措施。本區(qū)段隧道有眾多橫穿管線, 其中SK3 + 355 有一條煤氣管( <300mm) 橫穿深南大道( 地下埋深約1.5m , 距拱頂11m) , 必須確保管線安全以防泄露。4.2 隧道開挖對煤氣管線的影響研究
4.2.1 數值模擬進行施工優(yōu)化
對于管線所在的SK3 + 355 斷面, 采用平面彈塑性有限元模擬圖8 的6 種施工工法對管線的沉降影響, 模擬結果( 見表2) 表明: ① 先開挖右線隧道(小洞) 后開挖左線隧道(大洞) 比先開挖左線隧道管線的沉降和內力影響更小; ② 左線隧道影響進行三維數值模擬、室內離心試驗、現場監(jiān)控量采用CRD 法施工, 左右斷面開挖比上下斷面開挖對測, ③ 開挖左線隧道對近鄰右線隧道及地層位移影響較為明顯。綜合考慮各種因素后, 最后確定采用工法2 為過管線段的施工方法。
表2 不同工法對管線沉降影響值mm
圖8 不同工法示意圖
4.2.2 模型試驗模擬隧道開挖對煤氣管線的影響采用離心模型試驗, 對煤氣管線所在的位置SK3 + 355 斷面進行施工模擬試驗, 試驗結果表明, 采用水平旋噴樁和小導管注漿預加固技術進行施工, 地表沉降最大值為31.6mm , 管線最大沉降為29.5mm , 管線仍處于安全狀態(tài)。
4.2.3 三維數值模擬隧道開挖對煤氣管線的影響
基于著名的ANSYS 軟件, 建立土體2支護結構2管線三維彈塑性耦合模型, 其中, 管線和隧道襯砌的位置關系及有限元模型見圖9 。
通過對隧道的開挖過程進行仿真分析, 計算結果表明: (1) 右線隧道施工時, 管線最大沉降值為19.8mm , 左線隧道施工時, 最大沉降值為28.9mm ; (2) 地表最大沉降為29.8mm ; (3) 經過對管線的變形和受力進行驗算, 管線滿足強度和剛度要求, 施工期間管線是安全的。
4.2.3 施工監(jiān)測隧道開挖對煤氣管線的影響
圖10 所示為SK3 + 355 斷面(煤氣管線) 左線隧道中線與地表交點的沉降隨開挖掌子面距離的關系曲線, 量測結果表明施工期間管線是安全的。綜上所述, 通過對隧道開挖過程中對煤氣管線的后開挖右線隧道對管線的變形影響更大;
圖9 管線和隧道襯砌的位置關系及有限元模型
圖10 SK3 + 355 斷面地面沉降與掌子面的關系圖
的工程條件下, 管線在施工期間是安全的, 而且分析數據彼此吻合較好, 為施工提供了重要的理論依據和指導作用。
圖11 SK3 + 355 斷面地表沉降的數值模擬、離心試驗和現場量測值比較
4.3 施工路線選擇
渡線段位于1 號、3 號豎井中間, 經過相關的理論分析和綜合考慮各種施工因素, 最后確定如下施工路線(圖12) :
4.4 工法和主要技術措施
4.4.1 采用工法
本區(qū)間隧道掘進主要采取的工法是: ① 標準段采用上、下臺階法(圖13a) , 下臺圍巖特別軟弱時, 分三個臺階開挖(圖13b) ; ② 開挖寬度10m , 高度8m 以下, 采用CD 或CRD 工法( 圖13c) ; ③ 開挖寬度10～12m , 高度10m 以下, 采用雙側壁導坑工法(圖13d) ; ④ 雙孔雙線斷面, 采用中洞法(圖13e) ; ⑤ 三孔三線斷面, 采用雙中洞法(圖13f) 。
4.4.2 主要技術措施
隧道掘進除采用超前預加固外, 還需根據圍巖地質條件的變化, 采取如下技術措施:
(1) 如下臺土體軟弱, 增設臨時仰拱( 見圖13b) , 可有效減少拱部和地面下沉;
(2) 增設鎖腳錨管, 每榀格柵在拱腳部位設2～ 4 根, 錨管長3m , 并及時注漿;
(3) 嚴格遵循短進尺, 小步距、快循環(huán)、強支護、早噴錨、緊封閉的原則施工, 縮小臺階距離, 盡早封閉;
(4) 及時對初支背后進行注漿。
5 結 束 語
大—科區(qū)間隧道工程現已順利竣工, 施工期間隧道結構及周圍環(huán)境沒有出現安全隱患, 取得了良好的施工業(yè)績, 獲得了深圳市地鐵建設單位的高度評價并授予施工優(yōu)秀獎。現總結起來主要有以下幾點。
(1) 水平旋噴樁和小導管補充注漿超前預加固改善了圍巖的物理力學性能, 起到了較為顯著的拱棚作用, 配合其它綜合處理措施, 較好地解決了非降水條件下的施工安全, 通過深圳地鐵大—科區(qū)間的施工實踐、離心機模型實驗、數值模擬理論分析得到了驗證, 為這一工法的發(fā)展積累了經驗和寶貴的數據。
(2) 在富水的軟弱(砂土、流塑狀粘土) 地層, 采用淺埋暗挖法施工地鐵隧道, 在對圍巖進行超前預加固和止水基礎上, 應用合適的工法和技術措施, 施工安全、質量、工期都能予以保證。
(3) “ 地質預報—動態(tài)設計(模型試驗、模擬理論分析) —合適的施工技術措施—監(jiān)控量測” 是地下工程施工的重要環(huán)鏈, 特別是在通過重點管線地段。大—科區(qū)間重視每一環(huán)鏈, 取得了良好的施工效果。
(4) 水平旋噴施工在設備、工藝、漿液材料、參數等方面還須進一步加強研究, 以滿足日益發(fā)展的施工需要。
圖12 渡線段施工路線示意圖
圖13 開挖掘進工法示意圖
參 考 文 獻
[1 ] 李遠寧, 段玉剛. 淺埋軟弱地層隧道旋噴預襯砌支護技術的研究[J ] . 探礦工程, 2001 , (5) : 58～61
[ 2 ] 孫星亮, 景詩庭. 水平鉆孔旋噴注漿加固地層效果研究[J ] . 巖石力學與工程學報, 1998 , 17 (5) : 589～593
[ 3 ] 張民慶, 王汝澄. 飽和含水砂層垂直注漿技術試驗研究[J ] . 施工技術, 1998 , (4) : 28～29
[ 4 ] 秦愛芳, 李永圃. 上海地區(qū)基坑工程中的土體注漿加固研究[J ] . 土木工程學報, 2000 , 33 (1) : 69～82
[5 ] 韓揚, 孫紹平. 地下管道抗震分析中的若干參數[J ] . 特種結構, 1999 , 16 (3) : 14～16
[ 6 ] 侯學淵, 錢達仁, 楊林德. 軟土工程施工新技術[ M ] . 合肥: 安徽科學技術出版社, 1999 , 288～386
