建筑物下軟流塑地層淺埋暗挖隧道施工技術(shù)

1、建筑物下軟流塑地層淺埋暗挖隧道施工技術(shù)【摘要】為解決地鐵隧道在軟土中礦山法暗挖掘進(jìn)的技術(shù)難題,結(jié)合南京地鐵鼓玄區(qū)間軟流塑地層的工程特點和難點,闡述國內(nèi)首次在城市建筑物下的地鐵軟流塑暗挖隧道施工的具體措施:大管棚+小導(dǎo)管超前支護,掌子面超前注漿加固,并通過監(jiān)測信息反饋施工結(jié)果?？偨Y(jié)分析其成功經(jīng)驗,供以后類似工程借鑒。 【關(guān)鍵詞】隧道;軟流塑地層;大管棚;小導(dǎo)管;注漿;臺階法;監(jiān)測此前,國內(nèi)在處于軟土的地鐵暗挖隧道施工環(huán)境中,均采用冰凍法或盾構(gòu)法。在隧道斷面尺寸小、隧道長度短和地質(zhì)變化大的隧道施工環(huán)境中,盾構(gòu)法不適應(yīng),而冰凍法卻存在著較大的施工風(fēng)險。因此,采用何種措施,使操作靈活方便而技術(shù)成熟的礦

2、山法應(yīng)用于軟土地層,是一個急待攻克的難關(guān)。南京地鐵鼓樓至玄武門區(qū)間隧道勝利貫通,這標(biāo)志著國內(nèi)首例軟流塑淤泥粉質(zhì)粘土層隧道礦山法技術(shù)難關(guān)完全被攻克。其施工難度和風(fēng)險在世界地鐵施工史上也極為罕見。中國工程院院士王夢恕評價說:“中鐵十三局集團在南京地鐵開創(chuàng)了人類先河!”。1 工程概述1.1 工程概況 南京地鐵南北線一期工程鼓樓站玄武門站區(qū)間為礦山法施工雙洞單線隧道,左線全長1063.6m,右線全長1064.094m,起止里程K10+337.7K11+401.3,鼓樓站北端與玄武門站南端在道路兩側(cè)的房屋下穿過,其余地段在道路下方穿過;地面上37層的樓房有21幢,房屋基礎(chǔ)為條基。有給水、雨水、污水、電力

3、、電信等多種管線。在玄武門路站南端320.6m的隧道穿過軟流塑狀淤泥質(zhì)粉粘土地層,該地層具有“三高一低”特性(高含水量、高壓縮性、高靈敏度、強度低)。此段位于玄武湖西側(cè),歷史上曾經(jīng)是玄武湖的一部分,覆土厚度約8m,地面上有2幢2層樓房、3幢5層樓房和一條900污水管,如此復(fù)雜的施工條件在國內(nèi)地鐵史上實屬罕見。1.2 地質(zhì)概況 區(qū)間地下水主要為淺層孔隙潛水,基巖孔隙、裂隙水,淺層孔隙水由大氣降水和地表水滲入補給。軟流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土地層情況和土體物理力學(xué)指標(biāo): -2b3-4粉質(zhì)粘土淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土:灰色、軟流塑,埋深1.49.2m,層厚4.812.2m。 -2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土粉質(zhì)粘土:灰色、流

4、塑,局部軟塑,夾薄層粉土及少量腐植物。該層分布于河床兩側(cè),具有高壓縮性,高靈敏度,低強度,易變形等特性,厚度變化顯著,層厚0.510.0m。2 施工難點分析軟流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土具有高壓縮性、高靈敏度、強度低,易產(chǎn)生蠕動等特性,開挖后自穩(wěn)能力極差,易坍塌,地面沉降難以控制。軟流塑地層暗挖隧道施工難點主要表現(xiàn)在: (1)地質(zhì)條件差,隧道上層覆土薄(僅8m),不能形成有效的承載拱,自穩(wěn)能力極差,嚴(yán)重時可能發(fā)生涌泥現(xiàn)象,使施工無法進(jìn)行; (2)土體中的地下水豐富,施工過程中,地下水極易流失,易引起地層收縮固結(jié); (3)地面沉降難以控制,在道路區(qū),過大沉降易引起路面開裂,甚至坍陷,影響交通安全;在管線

5、和建筑物區(qū),地面沉降過大,易造成地下管線破壞和建筑物開裂,危及建筑物安全。3 軟流塑地層隧道施工方案的選擇軟流塑地層隧道施工擬采用臺階分步開挖法,但必須采用適當(dāng)?shù)妮o助工法加固地層。常用的輔助工法有注漿加固(大管棚+小導(dǎo)管超前預(yù)注漿+掌子面注漿加固)、軟弱圍巖仰拱超前法、旋噴或攪拌加固、凍結(jié)加固等。各種工法簡述如下。3.1 大管棚+小導(dǎo)管超前預(yù)注漿 長管棚結(jié)合小導(dǎo)管注漿和掌子面超前預(yù)注漿法,是在隧道拱部打設(shè)長管棚和小導(dǎo)管注漿,對拱部進(jìn)行加固和超前支護,并對隧道掌子面的地層進(jìn)行注漿改良,然后在管棚和加固拱圈的保護下進(jìn)行開挖、支護與襯砌。該方法在淺埋隧道施工中也能有效地控制地面沉降,技術(shù)成熟。3.2

6、 軟弱圍巖仰拱超前法 軟弱圍巖仰拱超前法是先開挖隧道的下部,在隧道中部打設(shè)長管棚和小導(dǎo)管注漿,對下導(dǎo)坑拱部進(jìn)行加固和超前支護,并對隧道掌子面的地層進(jìn)行注漿改良,開挖、施作下部初期支護;然后在隧道拱部打設(shè)長管棚和小導(dǎo)管注漿,開挖、支護隧道上部,主要是為了避免初期支護拱腳落拱產(chǎn)生的沉降。3.3 水平旋噴法 采用水平旋噴樁加固,以改善地層物性。水平旋噴的原理同豎直旋噴,只是將鉆桿水平鉆進(jìn)進(jìn)行旋噴注漿。它利用鉆機鉆孔,然后把帶有噴頭的噴漿管放至地層預(yù)定的位置,用從噴水口噴出的射流沖擊和破壞地層。剝離的土顆粒的細(xì)小部分隨著漿液排除,其余土粒在噴射流的沖擊力、離心力和重力作用下,與注入的漿液摻攪混合,并按

7、一定的漿土比例和質(zhì)量大小有規(guī)律地重新排列,在土體中形成固結(jié)體。加固方法為:施作600mm水平旋噴樁加固,并插入42mm鋼管作為超前支護。3.4 凍結(jié)法 凍結(jié)法是在洞周上層中降溫,形成一個封閉的具有一定強度和穩(wěn)定性的凍土帷幕,然后在凍土帷幕保護下進(jìn)行隧道開挖、支護與襯砌。 通過綜合比較,最后選擇注漿加固(大管棚+小導(dǎo)管超前預(yù)注漿+掌子面注漿加固)。4 技術(shù)措施軟流塑地層隧道施工以“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強支護、早封閉、勤量測”十八字方針為基本的指導(dǎo)原則;施工流程遵循“先加固,后開挖,先附屬,后主體”的先后順序;工藝控制以“動態(tài)管理、動態(tài)控制,加強量測、信息指導(dǎo),總結(jié)經(jīng)驗、優(yōu)化方案”作為控制手段

8、。施工步驟詳見圖1。4.1 大管棚施工4.1.1 設(shè)計參數(shù) 管棚參數(shù):拱部150°范圍設(shè)立管棚支護,注漿加固范圍1.5m,大管棚采用40m長108鋼管,鋼管打孔注漿,漿液采用水泥-水玻璃雙液漿,大管棚搭接長度4m,環(huán)向間距0.30m。 注漿參數(shù):32.5強度級水泥和水玻璃雙液注漿,水玻璃濃度為Be25350,模數(shù)2.6,漿液水灰比0.8:11:1(根據(jù)實施效果調(diào)整),水泥漿液與水玻璃的比例為1:1。大管棚施工方案見圖2。4.1.2 施工工藝 (1)為方便管棚施工,必須首先施作管棚工作室。管棚工作室長6m,跨度約為8m,以便于架設(shè)鉆機、安設(shè)鋼管。工作室挖至區(qū)間隧道標(biāo)準(zhǔn)開挖輪廓線以外0.

9、8m。 (2)為防止40m長管棚偏離輪廓線以外較遠(yuǎn)以及侵入開挖輪廓凈空,必須設(shè)置導(dǎo)向管以控制成孔方向。導(dǎo)向管長度不小于2.0m,采用127mm無縫鋼管加工,經(jīng)精確計算測量后焊接在鋼拱架上并噴混凝土固定。 (3)管棚采用108×6mm鋼管,截成35m,利用車床加工套絲,并且鋼管上加工1cm直徑、40cm×40cm成梅花型布置的孔,以利于注漿。 (4)鉆機平臺采用枕木搭建,平臺滿鋪松木板。根據(jù)管棚孔的位置,分層加高鉆機平臺。鉆機平臺搭設(shè)好以后進(jìn)行鉆孔,鉆孔順序由高孔位向低孔位進(jìn)行,可縮短移動鉆機與搭設(shè)平臺時間,便于鉆機定位、定向。 (5)管棚孔開孔:開孔前必須檢查設(shè)備,保證設(shè)備

10、狀況良好,對組合好的鉆具要檢查絲扣聯(lián)接是否緊密,用油壓分離式千斤頂頂進(jìn)法進(jìn)管。為了保證鉆孔精度,開孔段鉆進(jìn)是關(guān)鍵。鉆進(jìn)前1020m時,要反復(fù)校核鉆桿方向,調(diào)整鉆機位置,并用羅盤及掛線檢測偏斜無問題后方可繼續(xù)鉆進(jìn)。 (6)利用自制的注漿套管與管棚用套絲連接,注漿套管上準(zhǔn)備有出氣管與進(jìn)漿管,由閥門來控制開關(guān),注漿管示意見圖3。然后安裝20mm塑料管作為排氣管,連接注漿管等各種管路,利用錨固劑封閉掌子面與管棚間的孔隙,防止漏漿。關(guān)閉孔口閥門,開啟注漿泵進(jìn)行管路壓水試驗,如有泄漏及時檢修。試驗壓力等于注漿終壓。注漿時,采取低壓力中流量注入,注漿過程中壓力逐步上升,流量逐漸減少,當(dāng)壓力升至注漿終壓時,繼

11、續(xù)壓注10min,才結(jié)束注漿。 單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn):每段注漿都正常進(jìn)行,注漿終壓達(dá)到設(shè)計終壓,注漿量達(dá)到設(shè)計注漿量的80%;或雖未達(dá)到設(shè)計終壓,但注漿量已達(dá)到設(shè)計注漿量,即可結(jié)束本孔注漿。(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,注漿后進(jìn)行隧道掘進(jìn)。第一段管棚段開挖30m后,進(jìn)行第二段管棚工作室施工及鉆孔,縱向管棚搭接長度4.0m。以此類推,完成管棚超前支護施工。4.2 小導(dǎo)管施工4.2.1 設(shè)計參數(shù) 短導(dǎo)管3m長,32普通水煤氣管,搭接長度1.5m,環(huán)向間距0.30m,漿液采用HC-T凝膠時間可調(diào)注漿材料,凝膠時間為2040min,水灰比0.8:11:1,水泥強度為42

12、.5級。4.2.2 施工工藝 小導(dǎo)管在架立鋼拱架的0.5m開挖,循環(huán)開挖前用風(fēng)槍打入。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)果,必要時每榀鋼拱架打一次。小導(dǎo)管從格柵鋼架腹部空間穿過,插入已鉆好的孔中,尾端與鋼架焊接,連為一體。注漿采用2TZG-60/50雙漿液注漿泵由下向上順序進(jìn)行,一次性壓入注漿,漿液采用HC-T凝膠時間可調(diào)超細(xì)注漿單液漿,水灰比0.81.0,初凝時間2040min。4.3 掌子面注漿加固4.3.1 設(shè)計參數(shù) 長導(dǎo)管采用13m長、直徑42PVC劈裂注漿管,搭接長度4m,間距0.5m×0.5m,邊墻中空錨桿;周邊號圈孔采用HC-T凝膠時間可調(diào)注漿材料,凝膠時間為2040min,水灰比0.

13、8:11:1,水泥強度42.5級。其余孔采用水泥和水玻璃雙液注漿進(jìn)行。掌子面注漿加固布置見圖4所示。4.3.2 施工工藝 (1)采用潛孔鉆機鉆孔,鉆孔的垂直度誤差控制在1%以內(nèi)。 (2)孔內(nèi)灌封閉泥漿,待鉆孔到設(shè)計深度后從孔內(nèi)灌入封閉水泥漿,其作用是封閉單向閥管和鉆孔壁之間的孔隙,迫使從灌漿孔內(nèi)開環(huán),壓出的漿液擠破套殼,注入四周土層。 (3)在封閉泥漿達(dá)到一定的強度后,在單向閥管內(nèi)插入雙向密封注漿芯管進(jìn)行分段注漿。首先增大壓力使?jié){液頂開橡皮套,擠破套殼料,在土體產(chǎn)生劈裂,并沿著裂縫擴散,擴散范圍受注漿壓力、時間、漿液配比、土層特征等因素的影響。一般由里向外注漿,達(dá)到一定壓力后,后退一段再注漿,

14、這樣重復(fù)進(jìn)行。注漿完成后,清洗管內(nèi)殘留漿液,以便第二次重復(fù)注漿(PVC管即留在注漿后的土層中)。4.4 開挖支護施工4.4.1 設(shè)計參數(shù) 開挖采用臺階法施工,臺階長度23m,上臺階施工時并設(shè)置臨時仰拱封閉,臨時仰拱采用I16工字鋼,噴厚20cmC20混凝土,兩側(cè)各設(shè)置2根32普通水煤氣管長2.5m鎖腳錨桿,鎖腳錨桿置入角度為60°。下臺階施工時,對上部鋼架拱腳處,應(yīng)采用跳槽開挖,及時支撐開挖后的拱腳,先開挖一側(cè)設(shè)置2根32普通水煤氣管長2.5m鎖腳錨桿,鎖腳錨桿置入角度為60°。開挖支護施工示意見圖5所示。4.4.2 施工工藝 (1)施工中要重視開挖過程中的時空效應(yīng),就是開

15、挖弧形導(dǎo)坑和架設(shè)格柵拱、噴混凝土要快,連續(xù)作業(yè),一般應(yīng)控制在最短時間(24h)內(nèi)完成。 (2)鋼格柵拱拱腳下鋪設(shè)鋼板,鋼板寬度與鋼拱架匹配,縱向長度50cm,并架設(shè)臨時仰拱,拱部格柵與臨時仰拱應(yīng)連接牢固。初期支護格柵拱的設(shè)計應(yīng)能達(dá)到等剛度,輔筋的焊接要牢靠,避免局部壓桿失穩(wěn)。臨時仰拱噴砼封閉,形成整體剛度。臨時仰拱采用I20a工字鋼,噴25cm厚C20混凝土,仰拱矢高30cm。 (3)上臺階開挖時,拱腳應(yīng)高出臺階1020cm,避免積水,格柵拱腳下應(yīng)鋪4050cm長的鋼板。同時在拱腳處兩側(cè)各設(shè)置2根32長2.5m鎖腳錨管,鎖腳錨桿置入角度60°,漿液采用HC-T凝膠時間可調(diào)超細(xì)注漿單液

16、漿,水灰比0.81.0,初凝時間2040min。 (4)在拱部兩側(cè)35°55°處各增設(shè)3根5m長中空錨桿注漿,注漿加固拱腰上方土體,同時對初期支護背后應(yīng)及時進(jìn)行充填注漿,以充填初期支護背后空隙,防止下沉。漿液采用1:0.51:1水泥砂漿填充,壓力<0.5MPa。 (5)上臺階長度應(yīng)控制在一倍洞徑(56m),充分發(fā)揮掌子面的空間效應(yīng)。 (6)下臺階周邊加設(shè)注漿管,注漿管外插3°5°,盡量控制滲水范圍。 (7)下臺階開挖前進(jìn)行基底注漿加固,基底注漿加固管采用32普通水煤氣管,長3.5m,環(huán)向間距0.4m,縱向間距1m,在下臺階開挖前用風(fēng)槍斜向向

17、下30°打入。 (8)下臺階開挖采用小型機械挖掘,人工削減周邊輪廓,縮短拱架封閉時間,盡早成環(huán)。下臺階施工時,對上部鋼架拱腳處,應(yīng)采用跳槽開挖,及時支撐開挖后的拱腳,先開挖的一側(cè),應(yīng)設(shè)置2根32長2.5m的普通水煤氣管鎖腳錨桿,鎖腳錨桿置入角度60°。5 監(jiān)測信息反饋施工在整個施工過程中,嚴(yán)格按照動態(tài)設(shè)計、動態(tài)施工、動態(tài)管理,要及時進(jìn)行信息量測與反饋,及時測量,及時處理。通過試驗段監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,地表累計最大沉降為40mm,房屋最大沉降5.8mm,日進(jìn)尺平均為0.52m。根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析,引起沉降原因如下:地表水流失引起的沉降;開挖過程中土體擾動引起的沉降;基度不穩(wěn)引起的

18、沉降;上臺階過長,隧道初期支護結(jié)構(gòu)不能及時封閉成環(huán);下臺階施工時,上臺階鋼拱架拱腳懸空時間過長,鎖腳錨桿沒有起到支撐鋼拱架的作用;掌子面注漿效果沒有達(dá)到科研設(shè)計方案要求等。其中,地表水流失引起的沉降是主要原因。 根據(jù)上述情況,說明在施工過程中,只要能有效地改進(jìn)上述施工細(xì)節(jié)或增加臨時仰拱整體剛度,沉降量會減小。因此采取了如下的加強措施。 (1)加強掌子面注漿,必要時加密注漿管。 (2)周邊注漿管外插10°15°打設(shè),盡量控制滲水范圍。 (3)調(diào)整注漿參數(shù),初支背后加填注漿緊跟,確保初支無明顯漏水。 (4)導(dǎo)洞及時支護,縮短上臺階工時。必要時在仰拱間噴射砼,形成整體剛度,縮短拱架封閉時間,盡早成環(huán)。通過采用以上的措施,在后來的施工中,各種監(jiān)測數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計和規(guī)范的要求。6 結(jié)束語本工程的技術(shù)成果先后獲得江蘇省和吉林省科技進(jìn)步