軟塑地層中淺埋暗挖法穿越道路與管線施工技術(shù)摘要:以北京地鐵10號線芍藥居車站東南出入口隧道下穿太陽宮大街工程為例,詳細分析超淺埋及軟流塑地層條件下,淺埋暗挖隧道穿越道路與管線工程的特點、難點及影響沉降的因素;介紹采用隧道斷面由大跨變小跨、地層變位的分部與分階段控制、分段前進式超前深孔注漿等一系列施工技術(shù),并對類似工程的施工安全措施提出建議。關(guān)鍵詞:隧道;淺埋暗挖法;軟流塑地層;地層變位控制1工程概況 北京地鐵10號線芍藥居站位于朝陽區(qū)太陽宮地區(qū)。其中東南出入口穿越太陽宮大街段采用暗挖法施工。暗挖隧道為平頂直墻結(jié)構(gòu),開挖結(jié)構(gòu)寬8 m,高5.3 m,長72 m,埋深4.9 m左右,地下水(潛水)埋深9.00～14.5 m。地質(zhì)勘探顯示隧道暗挖段結(jié)構(gòu)所處地層為粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土及粉細砂互層。隧道拱頂有5條既有市政管線。其中,Φ100 mm、Φ300 mm上水管線2條, Φ500 mm、Φ1000 mm的污水管線2條,Φ1050 mm雨水管線1條。Φ100 mm上水管線距隧道拱頂僅40 cm,其余4條管線與拱頂最近處的距離也不超過200 cm。2工程特點與難點 1)隧道覆跨比小于0.5,為超淺埋隧道,施工中如無應(yīng)對措施,極易造成地表沉降過大或工作面塌坍。 2)隧道為平頂直墻的矩形斷面結(jié)構(gòu),此種結(jié)構(gòu)形式對控制地表沉降及工作面的安全開挖極為不利。 3)隧道開挖過程中,如何保證上方管線的安全,尤其是確保有壓上水管線的安全運行是該工程的關(guān)鍵控制點。 4)隧道上方的5條管線均存在不同程度的滲漏,管線下方為飽和含水軟、流塑狀地層,地層無任何自穩(wěn)性,因此,在隧道開挖過程中采取何種地層改良措施防止隧道涌泥、塌方事故,是該工程需要解決的關(guān)鍵難點。 5)太陽宮大街為北京市東北三環(huán)地區(qū)重要的交通干線,重載車輛通過頻繁,對隧道初期支護有較大的影響,特別是對未成環(huán)結(jié)構(gòu)沖擊較大,如何在交通不改道、不限行的情況下保證隧道初期結(jié)構(gòu)的安全,也是該工程的難點之一。3 影響沉降的因素分析 依據(jù)大量的工程實踐以及理論分析[1-2],淺埋暗挖法沉降影響因素按對沉降的影響程度大小依次為:隧道拱頂土體性狀→覆跨比→土體滲透性系數(shù)→穿越土體性狀→垂直鄰近度(與管線、構(gòu)筑物等的間距)→環(huán)向超前預(yù)加固→隧道上覆地層性狀→分部多導(dǎo)洞法→直線型→正面超前預(yù)加固→初支背后注漿質(zhì)量→拱部超前預(yù)加固→開挖步距→分部拆除→二襯施作時機→跳倉方式→正臺階長度→二襯一次施作長度→水平導(dǎo)洞錯距→二襯背后注漿質(zhì)量→上下導(dǎo)洞錯距。4 施工關(guān)鍵技術(shù)的確定4.1 施工工法的優(yōu)化 基于對影響沉降因素的分析,考慮隧道為平頂直墻的直線型結(jié)構(gòu),且與管線的垂直間距過小,為控制沉降,隧道由CD法改為準CRD法,(即分4個導(dǎo)洞進行施工),臨時仰拱由鋼格柵改為每2榀加設(shè)1道Ⅰ20a支撐,這樣既能變大跨為小跨,控制沉降,又能滿足安全施工條件下的快速施工需要。4.2 超前大管棚施工 為保證隧道開馬頭門施工的安全,在馬頭門部位打設(shè)超前大管棚。管棚規(guī)格為熱扎無縫鋼管Φ108 mm,壁厚6 mm,長為6 m,管棚中心環(huán)向間距33 cm,外插角1°,方向與線路中線平行。 現(xiàn)場使用精確導(dǎo)向的螺旋鉆進管棚鉆機施工,安裝好鉆機機身后,先連接第1根鉆桿進行調(diào)試,鉆機的開孔鉆頭直徑Φ150 mm,鉆進壓力8 kN,轉(zhuǎn)速35 n/min,現(xiàn)場采用2臺管棚鉆機由馬頭門隧道輪廓線的兩拱腳部位向隧道拱頂中間施作。每鉆進1 m進行深度、方位、傾角等參數(shù)的測定,反饋記錄至司鉆人員,司鉆人員根據(jù)反饋參數(shù)對鉆機進行調(diào)整,確保了鉆孔施工準確無誤。4.3 TGRM分段前進式超前深孔注漿改良地層 原設(shè)計僅采用超前小導(dǎo)管注雙液漿的拱部超前預(yù)加固措施,但由于拱頂管線滲漏水嚴重,地層變?yōu)榱魉軤?開挖時掌子面及拱頂多次出現(xiàn)流泥、坍塌,嚴重影響道路及隧道上方運行管線的安全,因此,依據(jù)影響沉降的要素分析,必須對隧道開挖實施環(huán)向超前預(yù)加固和正面超前預(yù)加固措施。 為確保地層改良的效果,決定選擇超前深孔注漿對地層進行預(yù)加固。深孔注漿依漿液的選擇不同有2種方式:分段后退式雙液深孔注漿和分段前進式單液深孔注漿。考慮到分段后退式深孔注漿存在:濕式鉆孔,必然會加劇地層的劣化程度;雙液漿加固地層僅起臨時加固作用,水玻璃的離析對控制道路和管線的沉降不利的問題?；诖?決定采用強度更高的TGRM深孔注漿工藝超前預(yù)加固隧道前方地層,以保證隧道的開挖安全。4.3.1 加固范圍 超前注漿加固范圍為:隧道拱頂上方環(huán)向超前加固1.5 m,正面超前加固0.5 m,拱頂邊角環(huán)向超前加固1 m。如圖1所示。
4.3.2 施工工藝 鉆孔布置如圖1所示。在鉆孔施工過程中先進行外圈A排8個孔鉆孔注漿施工;后進行內(nèi)圈B排9個孔鉆孔注漿施工;最后進行C排2個孔施工。每循環(huán)累計鉆孔數(shù)19個,采用間隔鉆孔注漿。鉆孔施工每循環(huán)進尺14 m,后序注漿段均預(yù)留4 m已注漿段作為止?jié){巖盤,循環(huán)長度如圖2所示。4.3.3 注漿材料 注漿材料采用TGRM水泥基特種灌漿料。設(shè)計配比參數(shù)(水灰比1︰1)配制漿液進行室內(nèi)試驗,以便在注漿施工中合理使用。試驗結(jié)果如表1所示。4.3.4 注漿參數(shù)(見表2)4.4 隧道多導(dǎo)洞開挖參數(shù)優(yōu)化 為使沉降能得到有效控制,對隧道開挖與初支參數(shù)進行了如下優(yōu)化: 1)各導(dǎo)洞開挖分部順序與錯距。各導(dǎo)洞開挖分部順序嚴格按圖1中Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ順序執(zhí)行,根據(jù)施工步序,為減少變形疊加效應(yīng),各導(dǎo)洞開挖錯距必須保證不小于15 m。 2)下臺階開挖面形式與臺階參數(shù)。由于此段暗挖結(jié)構(gòu)所處地層為粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土及粉細砂互層,開挖暴露后容易產(chǎn)生塊狀剝落。為防止土體剝落,在開挖導(dǎo)洞下部土體時,采取了如下控制措施:①開挖面要留有一定的坡度,坡度控制在80°;②下部Ⅱ?qū)Ф赐馏w分臺階開挖。為避免擾動上臺階土體,上臺階高度控制為1.3 m,分臺階長度控制為1.5～2 m。具體見圖3。4.5 二襯施工優(yōu)化 依據(jù)地層變位的分部、分階段控制原理,二襯施工時,采取了如下沉降控制措施: 1)隧道結(jié)構(gòu)斷面分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ,4次澆筑完成(見圖4),這樣可避免因過早拆除臨時仰拱和中隔墻,而引起的沉降。 2)澆筑Ⅱ必須拆除臨時仰拱時,應(yīng)及時用模板腳手架進行支撐。 3)澆筑Ⅲ時,及時用型鋼對中隔墻下部交錯拆除的格柵進行替換,并與結(jié)構(gòu)澆筑成為一體。 4)結(jié)構(gòu)斷面澆筑的每一步的應(yīng)力轉(zhuǎn)換均有不拆除的滿堂紅支架來承擔。4.6 管線保護措施 1)施工前先對管線位置進行確認,使用雷達進行探測準確定位。合理安排每循環(huán)鉆孔位置,避開管線。 2)在鉆孔施工時,鉆孔位置要與管線保持一定距離。如有鉆孔位置與管線位置發(fā)生沖突,可調(diào)整實施方案,取消這個鉆孔,同時在附近位置進行補孔,以保證管線安全及施工質(zhì)量。 3)工作面正面土體近拱頂上方0.5 m范圍進行深孔注漿,可確保管線地基土的穩(wěn)定,從而確保管線的安全,另外也可降低滲漏水對隧道開挖的影響。 4)在注漿過程中,要嚴格控制注漿壓力,避免出現(xiàn)注漿壓力過大對管線造成影響。5 實施效果 在嚴格實施上述關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上,又增設(shè)了超前鋼花管引排水;優(yōu)化上導(dǎo)洞格柵布置并增設(shè)鎖腳注漿錨管;確保超前小導(dǎo)管、初支及二襯的注漿效果等措施,從而實現(xiàn)了復(fù)雜地層及環(huán)境條件下,暗挖隧道穿越道路與各類管線的安全施工。實測沉降值小于12 mm,遠小于給定的20 mm控制值,取得了顯著效果。6 結(jié)論及建議 1)軟流塑地層條件下,超淺埋暗挖隧道穿越道路和管線的施工,必須遵循“大跨變小跨”的原則,因地制宜的選擇適用的工法。 2)淺埋暗挖法穿越道路及管線等各類建(構(gòu))筑物,尤其是穿越管線滲漏水嚴重的地層,采取超前深孔注漿是最為有效的措施,但不宜選擇分段后退式雙液深孔注漿,而應(yīng)選擇分段前進式水泥基類深孔注漿。 3)在隧道穿越粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土及粉細砂互層,且富水條件下,因開挖暴露后極易產(chǎn)生塊狀剝落,嚴重時造成人身傷亡事故,因此,在臺階高度大于2 m時,宜分臺階開挖且不宜留設(shè)成90°坡面,尤其是對開挖下部土體更應(yīng)采取防范措施。 4)為控制沉降,隧道開挖與結(jié)構(gòu)施作應(yīng)實施地層變位的分部、分階段控制。所謂分部控制即對隧道的初期支護的每一個導(dǎo)洞,依據(jù)數(shù)值模擬分析,預(yù)測變形控制值,然后落實到每一個導(dǎo)洞的開挖過程中;所謂分階段控制即是對初期支護和二次襯砌2個階段的每一個步序都應(yīng)按目標預(yù)測變形值切實控制,確保實際變形值不超過預(yù)測變形控制值,從而達到控制變形的目的。 5)隧道二襯施作時,臨時支護拆除的力系轉(zhuǎn)換控制極為重要,因此,臨時支護的交錯拆除與及時支撐替換對控制沉降最為關(guān)鍵。 6)監(jiān)控量測是控制施工風險的主要手段,但現(xiàn)場采用的常規(guī)儀器施工監(jiān)測(4次/d)難以捕捉到掌子面坍塌之前的蠕動變形階段,這說明隧道的蠕動變形警告階段的時間小于6 h或極有可能更短些,故一味提高人工監(jiān)測頻率的方法,很難保證監(jiān)測結(jié)果的及時和準確,筆者建議在重要風險源地段采用實時自動監(jiān)測方案,將監(jiān)測的時間“盲區(qū)”縮短為零,使監(jiān)控量測真正起到指導(dǎo)施工和風險預(yù)警的作用。參考文獻:[1]王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論[M].合肥:安徽教育出版社,2004.[2]彭澤瑞.北京地鐵復(fù)八線土建工程施工技術(shù)[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,2003.
4.3.2 施工工藝 鉆孔布置如圖1所示。在鉆孔施工過程中先進行外圈A排8個孔鉆孔注漿施工;后進行內(nèi)圈B排9個孔鉆孔注漿施工;最后進行C排2個孔施工。每循環(huán)累計鉆孔數(shù)19個,采用間隔鉆孔注漿。鉆孔施工每循環(huán)進尺14 m,后序注漿段均預(yù)留4 m已注漿段作為止?jié){巖盤,循環(huán)長度如圖2所示。4.3.3 注漿材料 注漿材料采用TGRM水泥基特種灌漿料。設(shè)計配比參數(shù)(水灰比1︰1)配制漿液進行室內(nèi)試驗,以便在注漿施工中合理使用。試驗結(jié)果如表1所示。4.3.4 注漿參數(shù)(見表2)4.4 隧道多導(dǎo)洞開挖參數(shù)優(yōu)化 為使沉降能得到有效控制,對隧道開挖與初支參數(shù)進行了如下優(yōu)化: 1)各導(dǎo)洞開挖分部順序與錯距。各導(dǎo)洞開挖分部順序嚴格按圖1中Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ順序執(zhí)行,根據(jù)施工步序,為減少變形疊加效應(yīng),各導(dǎo)洞開挖錯距必須保證不小于15 m。 2)下臺階開挖面形式與臺階參數(shù)。由于此段暗挖結(jié)構(gòu)所處地層為粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土及粉細砂互層,開挖暴露后容易產(chǎn)生塊狀剝落。為防止土體剝落,在開挖導(dǎo)洞下部土體時,采取了如下控制措施:①開挖面要留有一定的坡度,坡度控制在80°;②下部Ⅱ?qū)Ф赐馏w分臺階開挖。為避免擾動上臺階土體,上臺階高度控制為1.3 m,分臺階長度控制為1.5～2 m。具體見圖3。4.5 二襯施工優(yōu)化 依據(jù)地層變位的分部、分階段控制原理,二襯施工時,采取了如下沉降控制措施: 1)隧道結(jié)構(gòu)斷面分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ,4次澆筑完成(見圖4),這樣可避免因過早拆除臨時仰拱和中隔墻,而引起的沉降。 2)澆筑Ⅱ必須拆除臨時仰拱時,應(yīng)及時用模板腳手架進行支撐。 3)澆筑Ⅲ時,及時用型鋼對中隔墻下部交錯拆除的格柵進行替換,并與結(jié)構(gòu)澆筑成為一體。 4)結(jié)構(gòu)斷面澆筑的每一步的應(yīng)力轉(zhuǎn)換均有不拆除的滿堂紅支架來承擔。4.6 管線保護措施 1)施工前先對管線位置進行確認,使用雷達進行探測準確定位。合理安排每循環(huán)鉆孔位置,避開管線。 2)在鉆孔施工時,鉆孔位置要與管線保持一定距離。如有鉆孔位置與管線位置發(fā)生沖突,可調(diào)整實施方案,取消這個鉆孔,同時在附近位置進行補孔,以保證管線安全及施工質(zhì)量。 3)工作面正面土體近拱頂上方0.5 m范圍進行深孔注漿,可確保管線地基土的穩(wěn)定,從而確保管線的安全,另外也可降低滲漏水對隧道開挖的影響。 4)在注漿過程中,要嚴格控制注漿壓力,避免出現(xiàn)注漿壓力過大對管線造成影響。5 實施效果 在嚴格實施上述關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上,又增設(shè)了超前鋼花管引排水;優(yōu)化上導(dǎo)洞格柵布置并增設(shè)鎖腳注漿錨管;確保超前小導(dǎo)管、初支及二襯的注漿效果等措施,從而實現(xiàn)了復(fù)雜地層及環(huán)境條件下,暗挖隧道穿越道路與各類管線的安全施工。實測沉降值小于12 mm,遠小于給定的20 mm控制值,取得了顯著效果。6 結(jié)論及建議 1)軟流塑地層條件下,超淺埋暗挖隧道穿越道路和管線的施工,必須遵循“大跨變小跨”的原則,因地制宜的選擇適用的工法。 2)淺埋暗挖法穿越道路及管線等各類建(構(gòu))筑物,尤其是穿越管線滲漏水嚴重的地層,采取超前深孔注漿是最為有效的措施,但不宜選擇分段后退式雙液深孔注漿,而應(yīng)選擇分段前進式水泥基類深孔注漿。 3)在隧道穿越粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土及粉細砂互層,且富水條件下,因開挖暴露后極易產(chǎn)生塊狀剝落,嚴重時造成人身傷亡事故,因此,在臺階高度大于2 m時,宜分臺階開挖且不宜留設(shè)成90°坡面,尤其是對開挖下部土體更應(yīng)采取防范措施。 4)為控制沉降,隧道開挖與結(jié)構(gòu)施作應(yīng)實施地層變位的分部、分階段控制。所謂分部控制即對隧道的初期支護的每一個導(dǎo)洞,依據(jù)數(shù)值模擬分析,預(yù)測變形控制值,然后落實到每一個導(dǎo)洞的開挖過程中;所謂分階段控制即是對初期支護和二次襯砌2個階段的每一個步序都應(yīng)按目標預(yù)測變形值切實控制,確保實際變形值不超過預(yù)測變形控制值,從而達到控制變形的目的。 5)隧道二襯施作時,臨時支護拆除的力系轉(zhuǎn)換控制極為重要,因此,臨時支護的交錯拆除與及時支撐替換對控制沉降最為關(guān)鍵。 6)監(jiān)控量測是控制施工風險的主要手段,但現(xiàn)場采用的常規(guī)儀器施工監(jiān)測(4次/d)難以捕捉到掌子面坍塌之前的蠕動變形階段,這說明隧道的蠕動變形警告階段的時間小于6 h或極有可能更短些,故一味提高人工監(jiān)測頻率的方法,很難保證監(jiān)測結(jié)果的及時和準確,筆者建議在重要風險源地段采用實時自動監(jiān)測方案,將監(jiān)測的時間“盲區(qū)”縮短為零,使監(jiān)控量測真正起到指導(dǎo)施工和風險預(yù)警的作用。參考文獻:[1]王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論[M].合肥:安徽教育出版社,2004.[2]彭澤瑞.北京地鐵復(fù)八線土建工程施工技術(shù)[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,2003.
