深圳地鐵區(qū)間隧道富水地層非降水施工技術(shù)研究

1、深圳地鐵區(qū)間隧道富水地層非降水施工技術(shù)研究摘要:針對深圳大科區(qū)間隧道軟弱富水的地質(zhì)條件、設(shè)計斷面變化多樣以及復(fù)雜而嚴(yán)格的邊界限制等特點(diǎn),全面地闡述了大科區(qū)間非降水施工的關(guān)鍵技術(shù)以及在現(xiàn)場試驗、監(jiān)測、離心模型試驗和數(shù)值模擬分析指導(dǎo)下所采取的對策措施,并反映了實(shí)際工程所獲得的良好施工效果。關(guān)鍵詞:區(qū)間隧道;暗挖;非降水;施工技術(shù)1工程概況1.1設(shè)計概況深圳地鐵大劇院科學(xué)館站區(qū)間隧道,埋于深南中路解放路口至上步路段地面下1019,設(shè)計長1144.7。分左右兩條單線隧道,標(biāo)準(zhǔn)地段線間距為13.217.2,根本與地面道路中線對稱。區(qū)間隧道內(nèi)設(shè)2號線聯(lián)絡(luò)線預(yù)留接口一處,縮短單渡線一處,設(shè)計斷面變化多樣,除

2、單線段為單孔圓形斷面外,聯(lián)絡(luò)線預(yù)留接口和單渡線設(shè)計有單孔雙線、雙孔雙線、三孔三線斷面,其開挖最大寬度分別為12.9、12.6和20.0,隧道接口型式多,工法轉(zhuǎn)換頻繁。區(qū)間隧道原設(shè)計為2座豎井,后因工期需要增設(shè)一座3號豎井,豎井通過橫通道與正線相連。1.2工程及水文地質(zhì)條件隧道范圍內(nèi)上覆第四系全新統(tǒng)人工堆積層、海沖積層和第四系殘積層,下伏燕山期花崗巖。洞身主要穿越殘積層和風(fēng)化花崗巖。有三處含水豐富的砂層位于隧道上部,部分侵入隧道斷面,層厚度210不等,長度近700,占隧道全長達(dá)2/3。有一處流塑狀飽和粘土層侵入隧道斷面內(nèi),如圖1所示。本區(qū)間地下水為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水,主要補(bǔ)給為大氣降水。

3、根據(jù)勘測,地下水埋深1.935.73。水位高程0.57.5,水位變幅0.52.0。隧道東端(靠近大劇院站地段)北側(cè)的荔枝湖與本區(qū)間地下水存在水力聯(lián)絡(luò)。1.3地面和交通條件本區(qū)段為交通主干道和商住區(qū)。地面交通繁忙,車行如梭;地下管線密集,縱橫交織;道路兩側(cè)大廈林立,花紅草綠,環(huán)境優(yōu)美。途經(jīng)市委、市政府,是深圳市政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心地帶。2技術(shù)特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)隧道穿越的第四系殘積層和全(強(qiáng))風(fēng)化花崗巖,含水量豐富。除因南國多雨,補(bǔ)給充分外,并與荔枝湖水系相連,潺潺水流供應(yīng)不斷。據(jù)測,1#豎圖1大劇院科學(xué)館區(qū)間隧道不良地質(zhì)分布剖面圖井24小時抽水量達(dá)410t以上。此外,地面由原溝谷成,西南交通大學(xué)、中

4、鐵四局集團(tuán)公司、鐵道第四勘山地回填而成,部分水囊空洞,還有地質(zhì)鉆孔,人工測設(shè)計院結(jié)合成立了科研技術(shù)攻關(guān)小組,在現(xiàn)場試洞穴,更給暗挖施工留下層層隱患,危機(jī)四伏。驗、監(jiān)控、室內(nèi)離心模型試驗、三維數(shù)值仿真分析等由于本標(biāo)段地面交通繁忙,環(huán)境優(yōu)美,不容許在多種手段綜合應(yīng)用情況下,獲得了較好的施工效果,地面采取任何工程措施。這些邊界條件界定了本工程多項施工指標(biāo)達(dá)優(yōu)。的技術(shù)特點(diǎn)是:在補(bǔ)給充分的富含水地層(砂層、流塑狀粘土層)采取非降水的技術(shù)措施進(jìn)展暗挖隧道施3超前預(yù)加固施工技術(shù)研究工,特別是渡線段的大斷面暗挖施工。其需要解決的主要關(guān)鍵技術(shù)是:3.1方案比選與特征(1)超前地質(zhì)預(yù)報與動態(tài)設(shè)計;(2)超前預(yù)加固

5、和防水;(3)復(fù)雜斷面隧道暗挖施工洞內(nèi)超前預(yù)加固的目的是改善圍巖土體物理力學(xué)工法研究;(4)軟弱地層暗挖隧道施工控制地面下沉性能和止水防涌,以保證施工平安,減小地面下沉。技術(shù)(特別是在穿越特殊管線時)。在現(xiàn)場屢次試驗的根底上,比選了三種樁體加固方鑒于本工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性、構(gòu)造端面型式的案。(1)程度旋噴樁加固;(2)間隔程度攪拌樁與水多樣性、施工工藝難度極大、周圍環(huán)境限制條件非常平旋噴樁加固;(3)程度旋噴2化學(xué)灌漿加固。如圖2嚴(yán)格,深圳市地鐵總公司把本標(biāo)段工程列為深圳市地所示。其優(yōu)缺點(diǎn)比擬見表1。鐵工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)工程。為了保證工程得以順利完圖2洞內(nèi)超前預(yù)加固方案示意圖表1超前預(yù)加固方案比

6、擬表圖3拱部土體程度旋噴加固示意圖經(jīng)在1#豎井橫通道中組織的幾次試驗效果綜合分析比擬,確定采用第一方案。其主要特征是:仰角為5的洞內(nèi)程度旋噴樁超前預(yù)加固形成拱棚。開挖掘進(jìn)時,用42小導(dǎo)管注漿補(bǔ)充加固和止漏。3.2程度旋噴樁超前預(yù)加固3.2.1拱部土體加固程度旋噴樁在洞內(nèi)以5的仰角鉆進(jìn)旋噴成樁,因始端侵入隧道開挖斷面,故在前端3.5范圍內(nèi)不注漿,旋噴加固體搭接長1.7。每一循環(huán)鉆孔15,旋噴長度11.5,開挖掘進(jìn)10(開挖時小導(dǎo)管注漿補(bǔ)充填塞樁間的空隙),如圖3所示。3.2.2掌子面加固防涌坍處于流塑狀粘土層地段,掌子面緩慢順淌而下引起拱部下沉和仰拱開挖困難。施以旋噴樁拱密和加固,獲得了很好的效

7、果(如圖4所示)。圖4掌子面程度旋噴加固拱密示意圖3.2.3邊墻仰拱土體加固在sk3+240280和sk3+960990地段,拱部圍巖為砂粘土,具有一定的自穩(wěn)時間,足以開挖初支成型。但下臺階土層呈流塑狀,邊墻開挖困難,甚至導(dǎo)致已施作好的噴射混凝土初支護(hù)外鼓開裂。以圖5所示進(jìn)展加固,成功通過。圖5程度旋噴樁加固邊墻及掌子面示意圖3.3程度旋噴加固力學(xué)效果研究對于程度旋噴預(yù)加固效果的認(rèn)識,由于我國在這方面起步較晚,目前,根本上還處在試驗階段或定性的描繪上,而客觀現(xiàn)實(shí)常常需要我們做出定量的分析,特別是在淺埋軟弱的富水地層中進(jìn)展城市地鐵近鄰開挖時尤其如此,為了研究程度旋噴預(yù)加固效果,在屢次現(xiàn)場試驗的根

8、底上,進(jìn)展了離心模型試驗和三維彈塑性數(shù)值模擬研究。試驗和數(shù)值分析所得結(jié)論根本一致,主要有:(1)研究成果和現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)吻合較好;(2)程度旋噴樁預(yù)加固對控制地表沉降的效果是非常明顯的,與不施做程度旋噴樁相比,地表的最大沉降值可減小51%左右(如圖6、圖7所示);(3)旋噴樁預(yù)加固對進(jìn)步圍巖的穩(wěn)定性是非常有效的,相比之下,有旋噴樁時拱頂?shù)淖畲蟪两悼山档?3%左右,同時,洞周圍巖塑性區(qū)的面積大大減校圖6無旋噴樁時地表沉降示意圖圖7有旋噴樁時地表沉降示意圖g4渡線段施工技術(shù)研究4.1指導(dǎo)思想在含水豐富的淺埋軟弱圍巖(粘砂土和流塑狀粘土層)中,由于環(huán)境所限,采用非降水的手段,進(jìn)展渡線段大斷面隧道的暗挖

9、法施工,在國內(nèi)外的地鐵修建史上鮮見先例。本工程在這一特定條件下,以防坍保平安為主要目的,選取最正確的超前預(yù)支護(hù)方案和適宜的工法,同時謀求控制地面沉降,減小對管線的破壞和影響又兼顧施工速度的技術(shù)措施。本區(qū)段隧道有眾多橫穿管線,其中sk3+355有一條煤氣管(300)橫穿深南大道(地下埋深約1.5,距拱頂11),必須確保管線平安以防泄露。4.2隧道開挖對煤氣管線的影響研究4.2.1數(shù)值模擬進(jìn)展施工優(yōu)化對于管線所在的sk3+355斷面,采用平面彈塑性有限元模擬圖8的6種施工工法對管線的沉降影響,模擬結(jié)果(見表2)說明:先開挖右線隧道(小洞)后開挖左線隧道(大洞)比先開挖左線隧道管線的沉降和內(nèi)力影響更

10、小;左線隧道影響進(jìn)展三維數(shù)值模擬、室內(nèi)離心試驗、現(xiàn)場監(jiān)控量采用rd法施工,左右斷面開挖比上下斷面開挖對測,開挖左線隧道對近鄰右線隧道及地層位移影響較為明顯。綜合考慮各種因素后,最后確定采用工法2為過管線段的施工方法。表2不同工法對管線沉降影響值圖8不同工法示意圖4.2.2模型試驗?zāi)M隧道開挖對煤氣管線的影響采用離心模型試驗,對煤氣管線所在的位置sk3+355斷面進(jìn)展施工模擬試驗,試驗結(jié)果說明,采用程度旋噴樁和小導(dǎo)管注漿預(yù)加固技術(shù)進(jìn)展施工,地表沉降最大值為31.6,管線最大沉降為29.5,管線仍處于平安狀態(tài)。4.2.3三維數(shù)值模擬隧道開挖對煤氣管線的影響基于著名的ansys軟件,建立土體2支護(hù)構(gòu)

11、造2管線三維彈塑性耦合模型,其中,管線和隧道襯砌的位置關(guān)系及有限元模型見圖9。通過對隧道的開挖過程進(jìn)展仿真分析,計算結(jié)果說明:(1)右線隧道施工時,管線最大沉降值為19.8,左線隧道施工時,最大沉降值為28.9;(2)地表最大沉降為29.8;(3)經(jīng)過對管線的變形和受力進(jìn)展驗算,管線滿足強(qiáng)度和剛度要求,施工期間管線是平安的。4.2.3施工監(jiān)測隧道開挖對煤氣管線的影響圖10所示為sk3+355斷面(煤氣管線)左線隧道中線與地表交點(diǎn)的沉降隨開挖掌子面間隔 的關(guān)系曲線,量測結(jié)果說明施工期間管線是平安的。綜上所述,通過對隧道開挖過程中對煤氣管線的后開挖右線隧道對管線的變形影響更大;圖9管線和隧道襯砌的

12、位置關(guān)系及有限元模型圖10sk3+355斷面地面沉降與掌子面的關(guān)系圖的工程條件下,管線在施工期間是平安的,而且分析數(shù)據(jù)彼此吻合較好,為施工提供了重要的理論根據(jù)和指導(dǎo)作用。圖11sk3+355斷面地表沉降的數(shù)值模擬、離心試驗和現(xiàn)場量測值比擬4.3施工道路選擇渡線段位于1號、3號豎井中間,經(jīng)過相關(guān)的理論分析和綜合考慮各種施工因素,最后確定如下施工道路(圖12):4.4工法和主要技術(shù)措施4.4.1采用工法本區(qū)間隧道掘進(jìn)主要采取的工法是:標(biāo)準(zhǔn)段采用上、下臺階法(圖13a),下臺圍巖特別軟弱時,分三個臺階開挖(圖13b);開挖寬度10,高度8以下,采用d或rd工法(圖13);開挖寬度1012,高度10以

13、下,采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法(圖13d);雙孔雙線斷面,采用中洞法(圖13e);三孔三線斷面,采用雙中洞法(圖13f)。4.4.2主要技術(shù)措施隧道掘進(jìn)除采用超前預(yù)加固外,還需根據(jù)圍巖地質(zhì)條件的變化,采取如下技術(shù)措施:(1)如下臺土體軟弱,增設(shè)臨時仰拱(見圖13b),可有效減少拱部和地面下沉;(2)增設(shè)鎖腳錨管,每榀格柵在拱腳部位設(shè)24根,錨管長3,并及時注漿;(3)嚴(yán)格遵循短進(jìn)尺,小步距、快循環(huán)、強(qiáng)支護(hù)、早噴錨、緊封閉的原那么施工,縮小臺階間隔 ,盡早封閉;(4)及時對初支背后進(jìn)展注漿。5完畢語大科區(qū)間隧道工程現(xiàn)已順利開工,施工期間隧道構(gòu)造及周圍環(huán)境沒有出現(xiàn)平安隱患,獲得了良好的施工業(yè)績,獲得了深圳

14、市地鐵建立單位的高度評價并授予施工優(yōu)秀獎?，F(xiàn)總結(jié)起來主要有以下幾點(diǎn)。(1)程度旋噴樁和小導(dǎo)管補(bǔ)充注漿超前預(yù)加固改善了圍巖的物理力學(xué)性能,起到了較為顯著的拱棚作用,配合其它綜合處理措施,較好地解決了非降水條件下的施工平安,通過深圳地鐵大科區(qū)間的施工理論、離心機(jī)模型實(shí)驗、數(shù)值模擬理論分析得到了驗證,為這一工法的開展積累了經(jīng)歷和珍貴的數(shù)據(jù)。(2)在富水的軟弱(砂土、流塑狀粘土)地層,采用淺埋暗挖法施工地鐵隧道,在對圍巖進(jìn)展超前預(yù)加固和止水根底上,應(yīng)用適宜的工法和技術(shù)措施,施工平安、質(zhì)量、工期都能予以保證。(3)“地質(zhì)預(yù)報動態(tài)設(shè)計(模型試驗、模擬理論分析)適宜的施工技術(shù)措施監(jiān)控量測是地下工程施工的重要環(huán)鏈,特別是在通過重點(diǎn)管線地段。大科區(qū)間重視每一環(huán)鏈,獲得了良好的施工效果。(4)程度旋噴施工在設(shè)備、工藝、漿液材料、參數(shù)等方面還須進(jìn)一步加強(qiáng)研究,以滿足日益開展的施工需要。圖12渡線段施工道路示意圖圖13開挖掘進(jìn)工法示意圖參考文獻(xiàn)1李遠(yuǎn)寧,段玉剛.淺埋軟弱地層隧道旋噴預(yù)襯砌支護(hù)技術(shù)的研究j.探礦工程,2001,(5):58612孫星亮,景詩庭.程度鉆