软塑地层中浅埋暗挖法穿越道路与管线施工技术摘要:以北京地铁10号线芍药居车站东南出入口隧道下穿太阳宫大街工程为例,详细分析超浅埋及软流塑地层条件下,浅埋暗挖隧道穿越道路与管线工程的特点、难点及影响沉降的因素;介绍采用隧道断面由大跨变小跨、地层变位的分部与分阶段控制、分段前进式超前深孔注浆等一系列施工技术,并对类似工程的施工安全措施提出建议。关键词:隧道;浅埋暗挖法;软流塑地层;地层变位控制1工程概况 北京地铁10号线芍药居站位于朝阳区太阳宫地区。其中东南出入口穿越太阳宫大街段采用暗挖法施工。暗挖隧道为平顶直墙结构,开挖结构宽8 m,高5.3 m,长72 m,埋深4.9 m左右,地下水(潜水)埋深9.00～14.5 m。地质勘探显示隧道暗挖段结构所处地层为粉质黏土、黏质粉土及粉细砂互层。隧道拱顶有5条既有市政管线。其中,Φ100 mm、Φ300 mm上水管线2条, Φ500 mm、Φ1000 mm的污水管线2条,Φ1050 mm雨水管线1条。Φ100 mm上水管线距隧道拱顶仅40 cm,其余4条管线与拱顶最近处的距离也不超过200 cm。2工程特点与难点 1)隧道覆跨比小于0.5,为超浅埋隧道,施工中如无应对措施,极易造成地表沉降过大或工作面塌坍。 2)隧道为平顶直墙的矩形断面结构,此种结构形式对控制地表沉降及工作面的安全开挖极为不利。 3)隧道开挖过程中,如何保证上方管线的安全,尤其是确保有压上水管线的安全运行是该工程的关键控制点。 4)隧道上方的5条管线均存在不同程度的渗漏,管线下方为饱和含水软、流塑状地层,地层无任何自稳性,因此,在隧道开挖过程中采取何种地层改良措施防止隧道涌泥、塌方事故,是该工程需要解决的关键难点。 5)太阳宫大街为北京市东北三环地区重要的交通干线,重载车辆通过频繁,对隧道初期支护有较大的影响,特别是对未成环结构冲击较大,如何在交通不改道、不限行的情况下保证隧道初期结构的安全,也是该工程的难点之一。3 影响沉降的因素分析 依据大量的工程实践以及理论分析[1-2],浅埋暗挖法沉降影响因素按对沉降的影响程度大小依次为:隧道拱顶土体性状→覆跨比→土体渗透性系数→穿越土体性状→垂直邻近度(与管线、构筑物等的间距)→环向超前预加固→隧道上覆地层性状→分部多导洞法→直线型→正面超前预加固→初支背后注浆质量→拱部超前预加固→开挖步距→分部拆除→二衬施作时机→跳仓方式→正台阶长度→二衬一次施作长度→水平导洞错距→二衬背后注浆质量→上下导洞错距。4 施工关键技术的确定4.1 施工工法的优化 基于对影响沉降因素的分析,考虑隧道为平顶直墙的直线型结构,且与管线的垂直间距过小,为控制沉降,隧道由CD法改为准CRD法,(即分4个导洞进行施工),临时仰拱由钢格栅改为每2榀加设1道Ⅰ20a支撑,这样既能变大跨为小跨,控制沉降,又能满足安全施工条件下的快速施工需要。4.2 超前大管棚施工 为保证隧道开马头门施工的安全,在马头门部位打设超前大管棚。管棚规格为热扎无缝钢管Φ108 mm,壁厚6 mm,长为6 m,管棚中心环向间距33 cm,外插角1°,方向与线路中线平行。 现场使用精确导向的螺旋钻进管棚钻机施工,安装好钻机机身后,先连接第1根钻杆进行调试,钻机的开孔钻头直径Φ150 mm,钻进压力8 kN,转速35 n/min,现场采用2台管棚钻机由马头门隧道轮廓线的两拱脚部位向隧道拱顶中间施作。每钻进1 m进行深度、方位、倾角等参数的测定,反馈记录至司钻人员,司钻人员根据反馈参数对钻机进行调整,确保了钻孔施工准确无误。4.3 TGRM分段前进式超前深孔注浆改良地层 原设计仅采用超前小导管注双液浆的拱部超前预加固措施,但由于拱顶管线渗漏水严重,地层变为流塑状,开挖时掌子面及拱顶多次出现流泥、坍塌,严重影响道路及隧道上方运行管线的安全,因此,依据影响沉降的要素分析,必须对隧道开挖实施环向超前预加固和正面超前预加固措施。 为确保地层改良的效果,决定选择超前深孔注浆对地层进行预加固。深孔注浆依浆液的选择不同有2种方式:分段后退式双液深孔注浆和分段前进式单液深孔注浆。考虑到分段后退式深孔注浆存在:湿式钻孔,必然会加剧地层的劣化程度;双液浆加固地层仅起临时加固作用,水玻璃的离析对控制道路和管线的沉降不利的问题。基于此,决定采用强度更高的TGRM深孔注浆工艺超前预加固隧道前方地层,以保证隧道的开挖安全。4.3.1 加固范围 超前注浆加固范围为:隧道拱顶上方环向超前加固1.5 m,正面超前加固0.5 m,拱顶边角环向超前加固1 m。如图1所示。
4.3.2 施工工艺 钻孔布置如图1所示。在钻孔施工过程中先进行外圈A排8个孔钻孔注浆施工;后进行内圈B排9个孔钻孔注浆施工;最后进行C排2个孔施工。每循环累计钻孔数19个,采用间隔钻孔注浆。钻孔施工每循环进尺14 m,后序注浆段均预留4 m已注浆段作为止浆岩盘,循环长度如图2所示。
4.3.3 注浆材料 注浆材料采用TGRM水泥基特种灌浆料。设计配比参数(水灰比1︰1)配制浆液进行室内试验,以便在注浆施工中合理使用。试验结果如表1所示。
4.3.4 注浆参数(见表2)
4.4 隧道多导洞开挖参数优化 为使沉降能得到有效控制,对隧道开挖与初支参数进行了如下优化: 1)各导洞开挖分部顺序与错距。各导洞开挖分部顺序严格按图1中Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ顺序执行,根据施工步序,为减少变形叠加效应,各导洞开挖错距必须保证不小于15 m。
2)下台阶开挖面形式与台阶参数。由于此段暗挖结构所处地层为粉质黏土、黏质粉土及粉细砂互层,开挖暴露后容易产生块状剥落。为防止土体剥落,在开挖导洞下部土体时,采取了如下控制措施:①开挖面要留有一定的坡度,坡度控制在80°;②下部Ⅱ导洞土体分台阶开挖。为避免扰动上台阶土体,上台阶高度控制为1.3 m,分台阶长度控制为1.5～2 m。具体见图3。
4.5 二衬施工优化 依据地层变位的分部、分阶段控制原理,二衬施工时,采取了如下沉降控制措施: 1)隧道结构断面分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ,4次浇筑完成(见图4),这样可避免因过早拆除临时仰拱和中隔墙,而引起的沉降。 2)浇筑Ⅱ必须拆除临时仰拱时,应及时用模板脚手架进行支撑。 3)浇筑Ⅲ时,及时用型钢对中隔墙下部交错拆除的格栅进行替换,并与结构浇筑成为一体。 4)结构断面浇筑的每一步的应力转换均有不拆除的满堂红支架来承担。4.6 管线保护措施 1)施工前先对管线位置进行确认,使用雷达进行探测准确定位。合理安排每循环钻孔位置,避开管线。 2)在钻孔施工时,钻孔位置要与管线保持一定距离。如有钻孔位置与管线位置发生冲突,可调整实施方案,取消这个钻孔,同时在附近位置进行补孔,以保证管线安全及施工质量。 3)工作面正面土体近拱顶上方0.5 m范围进行深孔注浆,可确保管线地基土的稳定,从而确保管线的安全,另外也可降低渗漏水对隧道开挖的影响。 4)在注浆过程中,要严格控制注浆压力,避免出现注浆压力过大对管线造成影响。5 实施效果 在严格实施上述关键技术的基础上,又增设了超前钢花管引排水;优化上导洞格栅布置并增设锁脚注浆锚管;确保超前小导管、初支及二衬的注浆效果等措施,从而实现了复杂地层及环境条件下,暗挖隧道穿越道路与各类管线的安全施工。实测沉降值小于12 mm,远小于给定的20 mm控制值,取得了显著效果。6 结论及建议 1)软流塑地层条件下,超浅埋暗挖隧道穿越道路和管线的施工,必须遵循“大跨变小跨”的原则,因地制宜的选择适用的工法。 2)浅埋暗挖法穿越道路及管线等各类建(构)筑物,尤其是穿越管线渗漏水严重的地层,采取超前深孔注浆是最为有效的措施,但不宜选择分段后退式双液深孔注浆,而应选择分段前进式水泥基类深孔注浆。 3)在隧道穿越粉质黏土、黏质粉土及粉细砂互层,且富水条件下,因开挖暴露后极易产生块状剥落,严重时造成人身伤亡事故,因此,在台阶高度大于2 m时,宜分台阶开挖且不宜留设成90°坡面,尤其是对开挖下部土体更应采取防范措施。 4)为控制沉降,隧道开挖与结构施作应实施地层变位的分部、分阶段控制。所谓分部控制即对隧道的初期支护的每一个导洞,依据数值模拟分析,预测变形控制值,然后落实到每一个导洞的开挖过程中;所谓分阶段控制即是对初期支护和二次衬砌2个阶段的每一个步序都应按目标预测变形值切实控制,确保实际变形值不超过预测变形控制值,从而达到控制变形的目的。 5)隧道二衬施作时,临时支护拆除的力系转换控制极为重要,因此,临时支护的交错拆除与及时支撑替换对控制沉降最为关键。 6)监控量测是控制施工风险的主要手段,但现场采用的常规仪器施工监测(4次/d)难以捕捉到掌子面坍塌之前的蠕动变形阶段,这说明隧道的蠕动变形警告阶段的时间小于6 h或极有可能更短些,故一味提高人工监测频率的方法,很难保证监测结果的及时和准确,笔者建议在重要风险源地段采用实时自动监测方案,将监测的时间“盲区”缩短为零,使监控量测真正起到指导施工和风险预警的作用。参考文献:[1]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].合肥:安徽教育出版社,2004.[2]彭泽瑞.北京地铁复八线土建工程施工技术[M].北京:中国科学技术出版社,2003.
