建筑物下软流塑地层浅埋暗挖隧道施工技术 【摘 要】 为解决地铁隧道在软土中矿山法暗挖掘进的技术难题,结合南京地铁鼓玄区间软流塑地层的工程特点和难点,阐述国内首次在城市建筑物下的地铁软流塑暗挖隧道施工的具体措施:大管棚+小导管超前支护,掌子面超前注浆加固,并通过监测信息反馈施工结果。总结分析其成功经验,供以后类似工程借鉴。【关键词】 隧道; 软流塑地层; 大管棚; 小导管; 注浆; 台阶法; 监测 此前,国内在处于软土的地铁暗挖隧道施工环境中,均采用冰冻法或盾构法。在隧道断面尺寸小、隧道长度短和地质变化大的隧道施工环境中,盾构法不适应,而冰冻法却存在着较大的施工风险。因此,采用何种措施,使操作灵活方便而技术成熟的矿山法应用于软土地层,是一个急待攻克的难关。南京地铁鼓楼至玄武门区间隧道胜利贯通,这标志着国内首例软流塑淤泥粉质粘土层隧道矿山法技术难关完全被攻克。其施工难度和风险在世界地铁施工史上也极为罕见。中国工程院院士王梦恕评价说:“中铁十三局集团在南京地铁开创了人类先河!”。1 工程概述1.1 工程概况 南京地铁南北线一期工程鼓楼站~玄武门站区间为矿山法施工双洞单线隧道,左线全长1063.6m,右线全长1064.094m,起止里程K10+337.7~K11+401.3,鼓楼站北端与玄武门站南端在道路两侧的房屋下穿过,其余地段在道路下方穿过;地面上3~7层的楼房有21幢,房屋基础为条基。有给水、雨水、污水、电力、电信等多种管线。在玄武门路站南端320.6m的隧道穿过软~流塑状淤泥质粉粘土地层,该地层具有“三高一低”特性(高含水量、高压缩性、高灵敏度、强度低)。此段位于玄武湖西侧,历史上曾经是玄武湖的一部分,覆土厚度约8m,地面上有2幢2层楼房、3幢5层楼房和一条Φ900污水管,如此复杂的施工条件在国内地铁史上实属罕见。1.2 地质概况 区间地下水主要为浅层孔隙潜水,基岩孔隙、裂隙水,浅层孔隙水由大气降水和地表水渗入补给。软~流塑状淤泥质粉质粘土地层情况和土体物理力学指标: ①-2b3-4粉质粘土~淤泥质粉质粘土:灰色、软~流塑,埋深1.4~9.2m,层厚4.8~12.2m。 ②-2b4淤泥质粉质粘土~粉质粘土:灰色、流塑,局部软塑,夹薄层粉土及少量腐植物。该层分布于河床两侧,具有高压缩性,高灵敏度,低强度,易变形等特性,厚度变化显著,层厚0.5~10.0m。2 施工难点分析 软~流塑状淤泥质粉质粘土具有高压缩性、高灵敏度、强度低,易产生蠕动等特性,开挖后自稳能力极差,易坍塌,地面沉降难以控制。软流塑地层暗挖隧道施工难点主要表现在: (1)地质条件差,隧道上层覆土薄(仅8m),不能形成有效的承载拱,自稳能力极差,严重时可能发生涌泥现象,使施工无法进行; (2)土体中的地下水丰富,施工过程中,地下水极易流失,易引起地层收缩固结; (3)地面沉降难以控制,在道路区,过大沉降易引起路面开裂,甚至坍陷,影响交通安全;在管线和建筑物区,地面沉降过大,易造成地下管线破坏和建筑物开裂,危及建筑物安全。3 软流塑地层隧道施工方案的选择 软流塑地层隧道施工拟采用台阶分步开挖法,但必须采用适当的辅助工法加固地层。常用的辅助工法有注浆加固(大管棚+小导管超前预注浆+掌子面注浆加固)、软弱围岩仰拱超前法、旋喷或搅拌加固、冻结加固等。各种工法简述如下。3.1 大管棚+小导管超前预注浆 长管棚结合小导管注浆和掌子面超前预注浆法,是在隧道拱部打设长管棚和小导管注浆,对拱部进行加固和超前支护,并对隧道掌子面的地层进行注浆改良,然后在管棚和加固拱圈的保护下进行开挖、支护与衬砌。该方法在浅埋隧道施工中也能有效地控制地面沉降,技术成熟。3.2 软弱围岩仰拱超前法 软弱围岩仰拱超前法是先开挖隧道的下部,在隧道中部打设长管棚和小导管注浆,对下导坑拱部进行加固和超前支护,并对隧道掌子面的地层进行注浆改良,开挖、施作下部初期支护;然后在隧道拱部打设长管棚和小导管注浆,开挖、支护隧道上部,主要是为了避免初期支护拱脚落拱产生的沉降。3.3 水平旋喷法 采用水平旋喷桩加固,以改善地层物性。水平旋喷的原理同竖直旋喷,只是将钻杆水平钻进进行旋喷注浆。它利用钻机钻孔,然后把带有喷头的喷浆管放至地层预定的位置,用从喷水口喷出的射流冲击和破坏地层。剥离的土颗粒的细小部分随着浆液排除,其余土粒在喷射流的冲击力、离心力和重力作用下,与注入的浆液掺搅混合,并按一定的浆土比例和质量大小有规律地重新排列,在土体中形成固结体。加固方法为:施作Φ600mm水平旋喷桩加固,并插入Φ42mm钢管作为超前支护。3.4 冻结法 冻结法是在洞周上层中降温,形成一个封闭的具有一定强度和稳定性的冻土帷幕,然后在冻土帷幕保护下进行隧道开挖、支护与衬砌。 通过综合比较,最后选择注浆加固(大管棚+小导管超前预注浆+掌子面注浆加固)。4 技术措施 软流塑地层隧道施工以“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”十八字方针为基本的指导原则;施工流程遵循“先加固,后开挖,先附属,后主体”的先后顺序;工艺控制以“动态管理、动态控制,加强量测、信息指导,总结经验、优化方案”作为控制手段。施工步骤详见图1。
4.1 大管棚施工4.1.1 设计参数 管棚参数:拱部150°范围设立管棚支护,注浆加固范围1.5m,大管棚采用40m长Φ108钢管,钢管打孔注浆,浆液采用水泥-水玻璃双液浆,大管棚搭接长度4m,环向间距0.30m。 注浆参数:32.5强度级水泥和水玻璃双液注浆,水玻璃浓度为Be25~350,模数2.6,浆液水灰比0.8:1~1:1(根据实施效果调整),水泥浆液与水玻璃的比例为1:1。大管棚施工方案见图2。
4.1.2 施工工艺 (1)为方便管棚施工,必须首先施作管棚工作室。管棚工作室长6m,跨度约为8m,以便于架设钻机、安设钢管。工作室挖至区间隧道标准开挖轮廓线以外0.8m。 (2)为防止40m长管棚偏离轮廓线以外较远以及侵入开挖轮廓净空,必须设置导向管以控制成孔方向。导向管长度不小于2.0m,采用Φ127mm无缝钢管加工,经精确计算测量后焊接在钢拱架上并喷混凝土固定。 (3)管棚采用Φ108×6mm钢管,截成3~5m,利用车床加工套丝,并且钢管上加工1cm直径、40cm×40cm成梅花型布置的孔,以利于注浆。 (4)钻机平台采用枕木搭建,平台满铺松木板。根据管棚孔的位置,分层加高钻机平台。钻机平台搭设好以后进行钻孔,钻孔顺序由高孔位向低孔位进行,可缩短移动钻机与搭设平台时间,便于钻机定位、定向。 (5)管棚孔开孔:开孔前必须检查设备,保证设备状况良好,对组合好的钻具要检查丝扣联接是否紧密,用油压分离式千斤顶顶进法进管。为了保证钻孔精度,开孔段钻进是关键。钻进前10~20m时,要反复校核钻杆方向,调整钻机位置,并用罗盘及挂线检测偏斜无问题后方可继续钻进。
(6)利用自制的注浆套管与管棚用套丝连接,注浆套管上准备有出气管与进浆管,由阀门来控制开关,注浆管示意见图3。然后安装20mm塑料管作为排气管,连接注浆管等各种管路,利用锚固剂封闭掌子面与管棚间的孔隙,防止漏浆。关闭孔口阀门,开启注浆泵进行管路压水试验,如有泄漏及时检修。试验压力等于注浆终压。注浆时,采取低压力中流量注入,注浆过程中压力逐步上升,流量逐渐减少,当压力升至注浆终压时,继续压注10min,才结束注浆。 单孔注浆结束标准:每段注浆都正常进行,注浆终压达到设计终压,注浆量达到设计注浆量的80%;或虽未达到设计终压,但注浆量已达到设计注浆量,即可结束本孔注浆。 (7)隧道分段施作管棚。首先施工第一段管棚工作室,施作第一段管棚,注浆后进行隧道掘进。第一段管棚段开挖30m后,进行第二段管棚工作室施工及钻孔,纵向管棚搭接长度4.0m。以此类推,完成管棚超前支护施工。4.2 小导管施工4.2.1 设计参数 短导管3m长,Φ32普通水煤气管,搭接长度1.5m,环向间距0.30m,浆液采用HC-T凝胶时间可调注浆材料,凝胶时间为20~40min,水灰比0.8:1~1:1,水泥强度为42.5级。4.2.2 施工工艺 小导管在架立钢拱架的0.5m开挖,循环开挖前用风枪打入。根据现场监控量测结果,必要时每榀钢拱架打一次。小导管从格栅钢架腹部空间穿过,插入已钻好的孔中,尾端与钢架焊接,连为一体。注浆采用2TZG-60/50双浆液注浆泵由下向上顺序进行,一次性压入注浆,浆液采用HC-T凝胶时间可调超细注浆单液浆,水灰比0.8~1.0,初凝时间20~40min。4.3 掌子面注浆加固4.3.1 设计参数 长导管采用13m长、直径Φ42PVC劈裂注浆管,搭接长度4m,间距0.5m×0.5m,边墙中空锚杆;周边Ⅰ号圈孔采用HC-T凝胶时间可调注浆材料,凝胶时间为20~40min,水灰比0.8:1~1:1,水泥强度42.5级。其余孔采用水泥和水玻璃双液注浆进行。掌子面注浆加固布置见图4所示。
4.3.2 施工工艺 (1)采用潜孔钻机钻孔,钻孔的垂直度误差控制在1%以内。 (2)孔内灌封闭泥浆,待钻孔到设计深度后从孔内灌入封闭水泥浆,其作用是封闭单向阀管和钻孔壁之间的孔隙,迫使从灌浆孔内开环,压出的浆液挤破套壳,注入四周土层。 (3)在封闭泥浆达到一定的强度后,在单向阀管内插入双向密封注浆芯管进行分段注浆。首先增大压力使浆液顶开橡皮套,挤破套壳料,在土体产生劈裂,并沿着裂缝扩散,扩散范围受注浆压力、时间、浆液配比、土层特征等因素的影响。一般由里向外注浆,达到一定压力后,后退一段再注浆,这样重复进行。注浆完成后,清洗管内残留浆液,以便第二次重复注浆(PVC管即留在注浆后的土层中)。4.4 开挖支护施工4.4.1 设计参数 开挖采用台阶法施工,台阶长度2~3m,上台阶施工时并设置临时仰拱封闭,临时仰拱采用I16工字钢,喷厚20cmC20混凝土,两侧各设置2根Ф32普通水煤气管长2.5m锁脚锚杆,锁脚锚杆置入角度为60°。下台阶施工时,对上部钢架拱脚处,应采用跳槽开挖,及时支撑开挖后的拱脚,先开挖一侧设置2根Ф32普通水煤气管长2.5m锁脚锚杆,锁脚锚杆置入角度为60°。开挖支护施工示意见图5所示。
4.4.2 施工工艺 (1)施工中要重视开挖过程中的时空效应,就是开挖弧形导坑和架设格栅拱、喷混凝土要快,连续作业,一般应控制在最短时间(2~4h)内完成。 (2)钢格栅拱拱脚下铺设钢板,钢板宽度与钢拱架匹配,纵向长度50cm,并架设临时仰拱,拱部格栅与临时仰拱应连接牢固。初期支护格栅拱的设计应能达到等刚度,辅筋的焊接要牢靠,避免局部压杆失稳。临时仰拱喷砼封闭,形成整体刚度。临时仰拱采用I20a工字钢,喷25cm厚C20混凝土,仰拱矢高30cm。 (3)上台阶开挖时,拱脚应高出台阶10~20cm,避免积水,格栅拱脚下应铺40~50cm长的钢板。同时在拱脚处两侧各设置2根Φ32长2.5m锁脚锚管,锁脚锚杆置入角度60°,浆液采用HC-T凝胶时间可调超细注浆单液浆,水灰比0.8~1.0,初凝时间20~40min。 (4)在拱部两侧35°~55°处各增设3根5m长中空锚杆注浆,注浆加固拱腰上方土体,同时对初期支护背后应及时进行充填注浆,以充填初期支护背后空隙,防止下沉。浆液采用1:0.5~1:1水泥砂浆填充,压力<0.5MPa。 (5)上台阶长度应控制在一倍洞径(5~6m),充分发挥掌子面的空间效应。 (6)下台阶周边加设注浆管,注浆管外插3°~5°,尽量控制渗水范围。 (7)下台阶开挖前进行基底注浆加固,基底注浆加固管采用Φ32普通水煤气管,长3.5m,环向间距0.4m,纵向间距1m,在下台阶开挖前用风枪斜向向下30°打入。 (8)下台阶开挖采用小型机械挖掘,人工削减周边轮廓,缩短拱架封闭时间,尽早成环。下台阶施工时,对上部钢架拱脚处,应采用跳槽开挖,及时支撑开挖后的拱脚,先开挖的一侧,应设置2根Φ32长2.5m的普通水煤气管锁脚锚杆,锁脚锚杆置入角度60°。5 监测信息反馈施工 在整个施工过程中,严格按照动态设计、动态施工、动态管理,要及时进行信息量测与反馈,及时测量,及时处理。通过试验段监测数据显示,地表累计最大沉降为40mm,房屋最大沉降5.8mm,日进尺平均为0.52m。根据监控量测数据分析,引起沉降原因如下:①地表水流失引起的沉降;②开挖过程中土体扰动引起的沉降;③基度不稳引起的沉降;④上台阶过长,隧道初期支护结构不能及时封闭成环;⑤下台阶施工时,上台阶钢拱架拱脚悬空时间过长,锁脚锚杆没有起到支撑钢拱架的作用;⑥掌子面注浆效果没有达到科研设计方案要求等。其中,地表水流失引起的沉降是主要原因。 根据上述情况,说明在施工过程中,只要能有效地改进上述施工细节或增加临时仰拱整体刚度,沉降量会减小。因此采取了如下的加强措施。 (1)加强掌子面注浆,必要时加密注浆管。 (2)周边注浆管外插10°~15°打设,尽量控制渗水范围。 (3)调整注浆参数,初支背后加填注浆紧跟,确保初支无明显漏水。 (4)导洞及时支护,缩短上台阶工时。必要时在仰拱间喷射砼,形成整体刚度,缩短拱架封闭时间,尽早成环。通过采用以上的措施,在后来的施工中,各种监测数据均满足设计和规范的要求。6 结束语 本工程的技术成果先后获得江苏省和吉林省科技进步二等奖。根据查证国内外有关资料,此施工技术已经达到了国际先进水平,在国际上也无此先例。并且相对其他方法,本工艺更经济、更安全。通过南京地铁鼓-玄区间成功的实例,笔者认为要采用矿山法顺利通过软流塑隧道,应坚持: (1)在软流塑地层的隧道施工中,采用上述施工措施,矿山法是一种经济适用的好方法。 (2)应加强过程控制,尤其是注浆施工工艺的控制及防止地下水的大量流失。 (3)应加强工作面的封闭,缩短围岩的暴露时间,一般一个循环作业时间控制在8h内。 (4)采用临时仰拱封闭的措施,对控制变形发展有明显作用,封闭后顶部下沉速率减少约32%,水平收敛速率减少约72%。 (5)注意上下台阶的间距,台阶长度应控制在一倍洞径,加强上台阶拱架的牢靠性,加快下台阶的拱与上台阶的成环速度。 (6)及时进行初支背后孔隙的注浆,一般在初支成环后5d内完成。 (7)严格监测施工,初支封闭之前的监测频率不小于2次/d,特殊地段应加大频率。并及时反馈信息,根据监测数据及时调整施工参数。 (8)初支变形稳定后,应及时进行二衬施工。参考文献[1]梁炯军.锚固与注浆技术手册[M].北京:中国电力出版社,1999.[2]候学渊,钱达仁,杨林德.软土工程施工新技术[M].合肥:安徽科学技术出版社,1999.[3]叶观宝.地基加固新技术[M].北京:机械工业出版社,2002.
