砂層中地鐵暗挖隧道施工技術研究[摘要]沈陽地鐵青年大街站-懷遠門站區間隧道主體結構全部位于中粗砂、砂礫層中,結構底板埋深23.5~17.5m,砂層由于其不穩定性、極強的透水性,對地鐵暗挖施工提出了很高的要求。該文主要闡述地鐵區間隧道的施工方法及砂層的加固處理措施,對沈陽地鐵的暗挖施工技術提出相關的意見與建議。[關鍵詞]地鐵;隧道;砂層;注漿;沉降監測 隨著城市的發展,軌道交通成為了大中城市的重要交通手段。全國各大城市陸續進行地鐵建設,但地質情況卻各不相同。沈陽地鐵由于其地質的特殊性,需在砂層地質中進行暗挖地鐵的施工,這在全國尚屬首次。青年大街站-懷遠門站區間隧道位于沈陽市老城區,地面交通繁忙,地下管線縱橫交錯。在施工過程中如何保證管線不滲漏或者盡量降低滲漏水對隧道開挖的影響,是砂層地鐵中安全施工的關鍵。1 工程概況1·1 工程簡介 沈陽地鐵一號線十二合同段青年大街站-懷遠門站區間工程位于大西路下方,向東北方向延伸,下穿杏林街路口、奉天街路口、萬壽寺路口至懷遠門站。隧道上方的大西路為城市交通主干道,交通流量繁重。區間全線長1 137.35雙線米,線間距13~17m。 由于受兩側車站結構形式的影響,隧道結構坡度變化較大。青年大街站為雙層暗挖結構,并且是一號線與二號線的換乘站,一號線位于下方。懷遠門站為明挖結構,結構埋深較淺。線路走勢為東高西低,單向坡,兩端高差達12.5m。從青年大街站向懷遠門站方向,區間隧道一直為上坡結構,最大坡度達25‰,增加了施工難度。 本區間隧道起始里程為DK15+411.65,終止里程為DK16+549,施工豎井及橫通道中心里程為DK15+870,通過橫通道進行左右線的開挖。區間在DK15+500處設一道強電電纜通道,在DK16+200處設一道聯絡通道,并分別與左右線相連。豎井、橫通道與區間正線位置關系如圖1所示。
1·2 工程地質 本區間地質為渾河高漫灘及古河道,圍巖類別為Ⅰ~Ⅱ類,主要為中粗砂及礫砂層,如圖2所示。地形變化比較平緩,地面標高44.67~49.63m,最大地面高差4.96m,區間隧道頂板埋深17.9~10.4m。 開挖時砂層自穩能力較差,當遇到管線滲漏或上層滯水等情況時很容易產生流砂,開挖時必須嚴格進行超前支護及注漿,保證掌子面砂層的穩定是安全施工的關鍵。1·3 水文地質 該場地地下水類型為孔隙潛水,穩定水位埋深在5.0~8.6m,絕對標高39.34~41.52m,含水層厚度為33.66~39.30m,區間結構全部位于地下水位以下。1·4 結構形式 區間隧道主體結構為馬蹄形斷面復合式襯砌結構,采用礦山法施工,初期支護采用C25噴射混凝土+格柵鋼架措施,厚度為25cm;二次襯砌采用C30、S10模筑鋼筋混凝土措施,厚度為35cm。初支與二襯之間設1道1.5mm厚的ECB柔性防水板進行全包防水處理,如圖3所示。 區間隧道開挖斷面高度為6.52m,開挖寬度為6.32m,隧道斷面接近圓形,充分考慮了合理受力的因素。1·5 工程特點 1)工程環境復雜,管線眾多 本標段地處沈陽市老城區,地下管線縱橫交錯,且老化嚴重。主要有污水、雨水、自來水、煤氣、電信電纜等各種管線,而其中1937年修建的磚砌污水暗渠方溝,縱穿于右線隧道正上方,對隧道開挖產生著直接的影響。暗渠底部埋深3.8m,隧道拱頂埋深16m,暗渠斷面尺寸為0.9m(寬)×1.8m(高),施工年代久遠,滲漏嚴重,在施工時必須采取加強處理措施。 2)水位埋深淺 向下開挖5~8m即可見地下水,區間主體隧道全部位于地下水中,增大了施工難度。2 施工方法2·1 區間隧道主要施工步序 本區間隧道標準斷面采用上下臺階法進行施工,上臺階施工時預留核心土,下臺階施工時做放坡處理,坡度≤3∶1。根據現場實際情況,上下臺階長度控制在3~5m為宜,如圖4所示。在區間靠近懷遠門站一側,左右線分別設置一道人防,人防段長13.2m,采用CRD工法施工,分4步進行開挖。人防斷面開挖尺寸為高8.5m,寬8.24m。為保證由標準斷面向人防大斷面過渡時的開挖安全,在變斷面處設置1m的漸變段,坡度為45°,逐漸進入人防斷面。人防斷面施工步序如圖5所示。 由于砂層地質穩定性不好,很容易產生坍塌,除盾構法采用機械施工外,暗挖施工基本全部采用人工進行開挖,并及時噴射混凝土封閉成環,每施工0.5m為一個循環。主要工序為:上臺階開挖→格柵安裝→連接筋焊接→打設超前小導管→噴射混凝土→小導管注漿→下臺階開挖→下一循環,每循環施工時間約為5~6h。 由于有軌運輸受限制較多,速度較慢,本區間采用無軌運輸方式,每個掌子面配備2~3臺翻斗車,統一運至豎井提升斗處,再由龍門架提升至地面臨時存土場。2·2 砂層地質中初支施工方法2·2·1 超前大管棚 大管棚通常設置在斷面變化處及危險性較大的地段。本區間在豎井進橫通道馬頭門處、橫通道進區間正線馬頭門處設置大管棚。大管棚采用Φ108mm、δ=5mm的熱軋無縫鋼管,橫通道馬頭門處管棚長9m,區間正線馬頭門處管棚長12m。管身上鉆6~8mm的眼孔,梅花形布置,孔距30cm,以保證管棚注漿時漿液的擴散。管棚分節制作,受作業空間的限制,采用3m一節進行施工,施工過程中逐節夯進、接管。接頭采用坡口焊連接牢固。管棚沿拱部開挖輪廓線外邊緣120°范圍布設,環向間距30cm,外插角2°~2.5°。注漿液采用水泥砂漿,漿液配比為1∶1∶1,注漿壓力為0.2~0.3MPa。 大管棚在粘土層施工時一般采用夯管錘頂入法,但若在砂層中夯進,容易造成砂層的擾動,在開挖時產生坍塌。本區間采用吹管頂入法,高壓風管插入管棚內,將砂子吹出,然后使用沖擊鉆頂入,頂進30~50cm左右,重復進行吹管,依次循環完成大管棚的打設。2·2·2 超前小導管 小導管采用Φ42mm熱軋鋼管,δ=3.5mm,一端做成尖狀。小導管長L=2.5m,每2榀格柵打設1環。布置在拱部120°范圍,環向間距30cm。在管身上鉆?(5~8)mm的孔,孔間距8~10cm,梅花形布置,末端1~1.5m不打孔,以防止注漿時漿液外溢。小導管如圖6所示。 由于本標段地質基本全部為中粗砂層,土層穩定性不好,在滲漏水較大地段對超前小導管采取加強處理措施,L=1.8m,每榀格柵打設一環。 小導管打設方法:根據砂層地質的特性,小導管采用引孔打入法。首先使用Φ20mm高壓風管進行吹孔,然后將小導管直接插入,導管外露端用棉紗封堵,防止噴射混凝土時堵塞管口。外露長度控制在10cm左右,以便于安裝管路。 注漿安排在噴射混凝土完成以后進行,目的是防止漿液從開挖輪廓面溢出,影響注漿效果及浪費材料。注漿材料采用沈陽市生產的THE-Ⅱ型固砂劑,其特點是操作簡單,凝結速度快,節約循環時間。配合比為:固砂劑∶水=(1∶3)~(1∶4),注漿壓力在0.3~0.6MPa,注漿完成后立即用棉紗封堵管口,盡量防止漿液外溢。2·2·3 初支背后回填注漿 由于混凝土的自重及噴射混凝土密實度等的影響,初支背后與土體之間不可避免的會出現空隙。為了有效減小由于空隙引起的地面沉降,在施工時預先埋設Φ42mm注漿鋼管,鋼管長50cm左右,埋入砂層20cm,外露10cm,梅花形布置在拱頂及兩側拱腳位置,每3~5m設置1道。如圖7所示。 待仰拱成環10m左右后,便開始進行背后回填注漿。注漿液采用水泥-水玻璃雙液漿,注漿壓力控制在0.2~0.4MPa,采用間歇注漿的方式進行,注漿與靜壓交替進行,保證回填密實。2·2·4 重要地段的施工方法 經過現場調查分析,在右線DK15+800~DK16+070里程段,由于管線滲漏嚴重,被確定為特殊處理地段。具體措施如下: 1)砂含水率監測 在砂層中,砂的含水率為表征地表安全性的重要參數。在施工過程中每天對砂含水率監測2次,使用超前探管取出掌子面前方2~3m的原狀砂,使用酒精進行烘烤。根據日常實驗,測定砂的正常含水率為6%~9%,超出此范圍需給予高度重視,及時采取加強措施,同時加強拱頂及地表的沉降監測。 2)超前支護 超前小導管由原來的2榀一打改為每榀一打,長度為1.8m/根,環向間距加密,調整為20cm/根,注漿液采用固砂劑,配合比為(1∶3)~(1∶4)。必要時對上臺階掌子面進行全斷面注漿,此時采用L=3.0m的長導管,每施工1.5m施做一次全斷面注漿,保證注漿體的搭接。2·3 區間隧道二襯施工技術 區間隧道標準斷面采用定型模板臺車,考慮直線段的施工進度及曲線段轉彎半徑的影響,臺車長度設計成9m+3m的結構形式。直線段使用12m進行襯砌施工;在曲線段,將臺車3m段拆除,分9m為一個循環進行施工。 1)施工步序 首先進行仰拱二襯施工,然后在仰拱上綁扎拱部鋼筋,支立臺車,澆注拱部混凝土。 具體施工步序如下:基面處理→仰拱防水層→仰拱鋼筋綁扎→仰拱混凝土→拱部防水層→拱部鋼筋綁扎→支立臺車→拱部混凝土澆注→下一循環。 2)施工方法 仰拱采用定型鋼模板進行混凝土澆注,中間用絲杠連接,可以方便調節凈空尺寸。待仰拱混凝土達到設計要求后,使用臺車進行頂拱的混凝土澆注。 根據施工工序的要求,二襯將從兩端依次向橫通道方向進行施工,這樣有利于運輸及各個施工工序的順利開展。 3)防水層施工 在初支與二襯之間,設置一道全包柔性防水層,防水材料采用ECB防水板,其參數為:厚度1.5mm,一般每幅長3m,寬2m。在防水板與初支表面之間設置一道緩沖層,緩沖層采用單位重為350g/m2的無紡布,在緩沖層上每隔一定距離布設一個暗釘圈,防水板采用熱合焊接的方式焊接在暗釘圈上。防水板搭接采用雙焊縫進行熱熔焊接,搭接長度為10cm,焊接完成后采用檢漏器進行沖氣檢測,充氣壓力為0.25MPa,保持壓力≥15min。允許壓力下降10%,如壓力值下降超標,應檢查出漏氣位置并進行手工補焊。 4)施工縫的預留 隧道結構按施工順序與工藝設置縱向施工縫及環向施工縫。環向施工縫根據臺車的長度確定,直線段每12m設置1道,曲線段每9m設置1道。環向施工縫采用背貼式止水帶、1道20mm×10mm遇水膨脹止水條+中埋式注漿管進行加強防水處理。 縱向施工縫設置在兩側軌面線位置,采用背貼式止水帶+35cm寬中埋式鋼邊橡膠止水帶進行加強防水處理。3 結論與建議 1)在砂層地質中施工,保證開挖時土體的穩定,盡量不對土層造成擾動是確保施工安全及控制沉降的重要前提。保證開挖時土體的穩定主要從超前小導管施工工藝、拱部開挖時的先后順序、注漿液的選擇等幾方面著手。 2)盡量縮短各工序施工時間,把每環施工時間控制在5h以內,及時封閉成環。 3)對鎖腳錨管的施工必須給予足夠的重視,鎖腳錨管是拱部格柵未封閉成環之前有效控制隧道沉降的重要措施。在上臺階格柵的拱腳底部設置混凝土墊塊也是控制沉降的重要手段。 4)注意砂層含水率的變化,對含水率出現異常變化的部位必須給予足夠重視,拱部出現滲水等現象時很容易產生坍塌的危險。 5)及時進行背后回填注漿,及時填充由于噴射混凝土不密實或拱部土體剝落產生的空洞,盡量減小沉降。參考文獻:[1]彭澤潤·北京地鐵復八線土建工程施工技術[M]·北京:中國科學技術出版社,2003·[2]關寶樹.隧道施工要點集[M].北京:人民交通出版社,2003.[3]王夢恕.北京地鐵淺埋暗挖法施工法[J].巖石力學與工程學報,1989,(1).
1·2 工程地質 本區間地質為渾河高漫灘及古河道,圍巖類別為Ⅰ~Ⅱ類,主要為中粗砂及礫砂層,如圖2所示。地形變化比較平緩,地面標高44.67~49.63m,最大地面高差4.96m,區間隧道頂板埋深17.9~10.4m。 開挖時砂層自穩能力較差,當遇到管線滲漏或上層滯水等情況時很容易產生流砂,開挖時必須嚴格進行超前支護及注漿,保證掌子面砂層的穩定是安全施工的關鍵。1·3 水文地質 該場地地下水類型為孔隙潛水,穩定水位埋深在5.0~8.6m,絕對標高39.34~41.52m,含水層厚度為33.66~39.30m,區間結構全部位于地下水位以下。1·4 結構形式 區間隧道主體結構為馬蹄形斷面復合式襯砌結構,采用礦山法施工,初期支護采用C25噴射混凝土+格柵鋼架措施,厚度為25cm;二次襯砌采用C30、S10模筑鋼筋混凝土措施,厚度為35cm。初支與二襯之間設1道1.5mm厚的ECB柔性防水板進行全包防水處理,如圖3所示。 區間隧道開挖斷面高度為6.52m,開挖寬度為6.32m,隧道斷面接近圓形,充分考慮了合理受力的因素。1·5 工程特點 1)工程環境復雜,管線眾多 本標段地處沈陽市老城區,地下管線縱橫交錯,且老化嚴重。主要有污水、雨水、自來水、煤氣、電信電纜等各種管線,而其中1937年修建的磚砌污水暗渠方溝,縱穿于右線隧道正上方,對隧道開挖產生著直接的影響。暗渠底部埋深3.8m,隧道拱頂埋深16m,暗渠斷面尺寸為0.9m(寬)×1.8m(高),施工年代久遠,滲漏嚴重,在施工時必須采取加強處理措施。 2)水位埋深淺 向下開挖5~8m即可見地下水,區間主體隧道全部位于地下水中,增大了施工難度。2 施工方法2·1 區間隧道主要施工步序 本區間隧道標準斷面采用上下臺階法進行施工,上臺階施工時預留核心土,下臺階施工時做放坡處理,坡度≤3∶1。根據現場實際情況,上下臺階長度控制在3~5m為宜,如圖4所示。在區間靠近懷遠門站一側,左右線分別設置一道人防,人防段長13.2m,采用CRD工法施工,分4步進行開挖。人防斷面開挖尺寸為高8.5m,寬8.24m。為保證由標準斷面向人防大斷面過渡時的開挖安全,在變斷面處設置1m的漸變段,坡度為45°,逐漸進入人防斷面。人防斷面施工步序如圖5所示。 由于砂層地質穩定性不好,很容易產生坍塌,除盾構法采用機械施工外,暗挖施工基本全部采用人工進行開挖,并及時噴射混凝土封閉成環,每施工0.5m為一個循環。主要工序為:上臺階開挖→格柵安裝→連接筋焊接→打設超前小導管→噴射混凝土→小導管注漿→下臺階開挖→下一循環,每循環施工時間約為5~6h。 由于有軌運輸受限制較多,速度較慢,本區間采用無軌運輸方式,每個掌子面配備2~3臺翻斗車,統一運至豎井提升斗處,再由龍門架提升至地面臨時存土場。2·2 砂層地質中初支施工方法2·2·1 超前大管棚 大管棚通常設置在斷面變化處及危險性較大的地段。本區間在豎井進橫通道馬頭門處、橫通道進區間正線馬頭門處設置大管棚。大管棚采用Φ108mm、δ=5mm的熱軋無縫鋼管,橫通道馬頭門處管棚長9m,區間正線馬頭門處管棚長12m。管身上鉆6~8mm的眼孔,梅花形布置,孔距30cm,以保證管棚注漿時漿液的擴散。管棚分節制作,受作業空間的限制,采用3m一節進行施工,施工過程中逐節夯進、接管。接頭采用坡口焊連接牢固。管棚沿拱部開挖輪廓線外邊緣120°范圍布設,環向間距30cm,外插角2°~2.5°。注漿液采用水泥砂漿,漿液配比為1∶1∶1,注漿壓力為0.2~0.3MPa。 大管棚在粘土層施工時一般采用夯管錘頂入法,但若在砂層中夯進,容易造成砂層的擾動,在開挖時產生坍塌。本區間采用吹管頂入法,高壓風管插入管棚內,將砂子吹出,然后使用沖擊鉆頂入,頂進30~50cm左右,重復進行吹管,依次循環完成大管棚的打設。2·2·2 超前小導管 小導管采用Φ42mm熱軋鋼管,δ=3.5mm,一端做成尖狀。小導管長L=2.5m,每2榀格柵打設1環。布置在拱部120°范圍,環向間距30cm。在管身上鉆?(5~8)mm的孔,孔間距8~10cm,梅花形布置,末端1~1.5m不打孔,以防止注漿時漿液外溢。小導管如圖6所示。 由于本標段地質基本全部為中粗砂層,土層穩定性不好,在滲漏水較大地段對超前小導管采取加強處理措施,L=1.8m,每榀格柵打設一環。 小導管打設方法:根據砂層地質的特性,小導管采用引孔打入法。首先使用Φ20mm高壓風管進行吹孔,然后將小導管直接插入,導管外露端用棉紗封堵,防止噴射混凝土時堵塞管口。外露長度控制在10cm左右,以便于安裝管路。 注漿安排在噴射混凝土完成以后進行,目的是防止漿液從開挖輪廓面溢出,影響注漿效果及浪費材料。注漿材料采用沈陽市生產的THE-Ⅱ型固砂劑,其特點是操作簡單,凝結速度快,節約循環時間。配合比為:固砂劑∶水=(1∶3)~(1∶4),注漿壓力在0.3~0.6MPa,注漿完成后立即用棉紗封堵管口,盡量防止漿液外溢。2·2·3 初支背后回填注漿 由于混凝土的自重及噴射混凝土密實度等的影響,初支背后與土體之間不可避免的會出現空隙。為了有效減小由于空隙引起的地面沉降,在施工時預先埋設Φ42mm注漿鋼管,鋼管長50cm左右,埋入砂層20cm,外露10cm,梅花形布置在拱頂及兩側拱腳位置,每3~5m設置1道。如圖7所示。 待仰拱成環10m左右后,便開始進行背后回填注漿。注漿液采用水泥-水玻璃雙液漿,注漿壓力控制在0.2~0.4MPa,采用間歇注漿的方式進行,注漿與靜壓交替進行,保證回填密實。2·2·4 重要地段的施工方法 經過現場調查分析,在右線DK15+800~DK16+070里程段,由于管線滲漏嚴重,被確定為特殊處理地段。具體措施如下: 1)砂含水率監測 在砂層中,砂的含水率為表征地表安全性的重要參數。在施工過程中每天對砂含水率監測2次,使用超前探管取出掌子面前方2~3m的原狀砂,使用酒精進行烘烤。根據日常實驗,測定砂的正常含水率為6%~9%,超出此范圍需給予高度重視,及時采取加強措施,同時加強拱頂及地表的沉降監測。 2)超前支護 超前小導管由原來的2榀一打改為每榀一打,長度為1.8m/根,環向間距加密,調整為20cm/根,注漿液采用固砂劑,配合比為(1∶3)~(1∶4)。必要時對上臺階掌子面進行全斷面注漿,此時采用L=3.0m的長導管,每施工1.5m施做一次全斷面注漿,保證注漿體的搭接。2·3 區間隧道二襯施工技術 區間隧道標準斷面采用定型模板臺車,考慮直線段的施工進度及曲線段轉彎半徑的影響,臺車長度設計成9m+3m的結構形式。直線段使用12m進行襯砌施工;在曲線段,將臺車3m段拆除,分9m為一個循環進行施工。 1)施工步序 首先進行仰拱二襯施工,然后在仰拱上綁扎拱部鋼筋,支立臺車,澆注拱部混凝土。 具體施工步序如下:基面處理→仰拱防水層→仰拱鋼筋綁扎→仰拱混凝土→拱部防水層→拱部鋼筋綁扎→支立臺車→拱部混凝土澆注→下一循環。 2)施工方法 仰拱采用定型鋼模板進行混凝土澆注,中間用絲杠連接,可以方便調節凈空尺寸。待仰拱混凝土達到設計要求后,使用臺車進行頂拱的混凝土澆注。 根據施工工序的要求,二襯將從兩端依次向橫通道方向進行施工,這樣有利于運輸及各個施工工序的順利開展。 3)防水層施工 在初支與二襯之間,設置一道全包柔性防水層,防水材料采用ECB防水板,其參數為:厚度1.5mm,一般每幅長3m,寬2m。在防水板與初支表面之間設置一道緩沖層,緩沖層采用單位重為350g/m2的無紡布,在緩沖層上每隔一定距離布設一個暗釘圈,防水板采用熱合焊接的方式焊接在暗釘圈上。防水板搭接采用雙焊縫進行熱熔焊接,搭接長度為10cm,焊接完成后采用檢漏器進行沖氣檢測,充氣壓力為0.25MPa,保持壓力≥15min。允許壓力下降10%,如壓力值下降超標,應檢查出漏氣位置并進行手工補焊。 4)施工縫的預留 隧道結構按施工順序與工藝設置縱向施工縫及環向施工縫。環向施工縫根據臺車的長度確定,直線段每12m設置1道,曲線段每9m設置1道。環向施工縫采用背貼式止水帶、1道20mm×10mm遇水膨脹止水條+中埋式注漿管進行加強防水處理。 縱向施工縫設置在兩側軌面線位置,采用背貼式止水帶+35cm寬中埋式鋼邊橡膠止水帶進行加強防水處理。3 結論與建議 1)在砂層地質中施工,保證開挖時土體的穩定,盡量不對土層造成擾動是確保施工安全及控制沉降的重要前提。保證開挖時土體的穩定主要從超前小導管施工工藝、拱部開挖時的先后順序、注漿液的選擇等幾方面著手。 2)盡量縮短各工序施工時間,把每環施工時間控制在5h以內,及時封閉成環。 3)對鎖腳錨管的施工必須給予足夠的重視,鎖腳錨管是拱部格柵未封閉成環之前有效控制隧道沉降的重要措施。在上臺階格柵的拱腳底部設置混凝土墊塊也是控制沉降的重要手段。 4)注意砂層含水率的變化,對含水率出現異常變化的部位必須給予足夠重視,拱部出現滲水等現象時很容易產生坍塌的危險。 5)及時進行背后回填注漿,及時填充由于噴射混凝土不密實或拱部土體剝落產生的空洞,盡量減小沉降。參考文獻:[1]彭澤潤·北京地鐵復八線土建工程施工技術[M]·北京:中國科學技術出版社,2003·[2]關寶樹.隧道施工要點集[M].北京:人民交通出版社,2003.[3]王夢恕.北京地鐵淺埋暗挖法施工法[J].巖石力學與工程學報,1989,(1).
