深圳地鐵區(qū)間隧道富水地層非降水施工技術(shù)研究

深圳地鐵區(qū)間隧道富水地層非降水施工技術(shù)研究?jī)?nèi)容摘要:針對(duì)深圳大—科區(qū)間隧道軟弱富水的地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)斷面變化多樣以及復(fù)雜而嚴(yán)格的界限限制等特點(diǎn),全面地論述了大—科區(qū)間非降水施工的關(guān)鍵技術(shù)以及在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、監(jiān)測(cè)、離心模型試驗(yàn)和數(shù)值模仿分析指點(diǎn)下所采用的對(duì)策辦法,并反映了實(shí)際工程所獲得的良好施工效果。本文關(guān)鍵詞語(yǔ):區(qū)間隧道;暗挖;非降水;施工技術(shù)1工程大概情況1.1設(shè)計(jì)大概情況深圳地鐵大劇院—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10～19m,設(shè)計(jì)長(zhǎng)1144.7m。分左右兩條單線隧道,標(biāo)準(zhǔn)地段線間距為13.2～17.2m,基本與地面道路中線對(duì)稱。區(qū)間隧道內(nèi)設(shè)2號(hào)線聯(lián)絡(luò)線預(yù)留接口一處,縮短單渡線一處,設(shè)計(jì)斷面變化多樣,除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(jì)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12.9m、12.6m和20.0m,隧道接口型式多,工法轉(zhuǎn)換頻繁。區(qū)間隧道原設(shè)計(jì)為2座豎井,后因工期需要增設(shè)一座3號(hào)豎井,豎井通過(guò)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。洞身重要穿越殘積層和風(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2～10m不等,長(zhǎng)度近700m,占隧道全長(zhǎng)達(dá)2/3。有一處流塑狀飽和粘土層侵入隧道斷面內(nèi),如此圖1所示。本區(qū)間地下水為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水,重要補(bǔ)給為大氣降水。根據(jù)勘測(cè),地下水埋深1.93～5.73m。水位高程0.5～7.5m,水位變幅0.5～2.0m。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)段為交通骨干道和商。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,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(guó)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(cè),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(shí)抽水量達(dá)410t以上。除此之外,地面由原溝谷成,西南交通大學(xué)、中鐵四局集團(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(cè)設(shè)計(jì)院聯(lián)合成立了科研技術(shù)攻關(guān)小組,在現(xiàn)場(chǎng)試洞穴,更給暗挖施工留下層層隱患,危機(jī)四伏。驗(yàn)、監(jiān)控、室內(nèi)離心模型試驗(yàn)、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,地面采用任何工程辦法。這些界限條件界定了本工程多項(xiàng)施工指標(biāo)達(dá)優(yōu)。的技術(shù)特點(diǎn)是:在補(bǔ)給充足的富含水地層(砂層、流塑狀粘土層)采用非降水的技術(shù)辦法進(jìn)行暗挖隧道施3超前預(yù)加固施工技術(shù)研究工,十分是渡線段的大斷面暗挖施工。其需要解決的重要關(guān)鍵技術(shù)是:3.1方案比選與特征(1)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì);(2)超前預(yù)加固和防水;(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,以保證施工安全,減小地面下沉。技術(shù)(十分是在穿越特殊管線時(shí))。在現(xiàn)場(chǎng)屢次試驗(yàn)的基礎(chǔ)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)水平旋噴樁加固;(2)間隔水平攪拌樁與水多樣性、施工工藝難度極大、四周環(huán)境限制條件特別平旋噴樁加固;(3)水平旋噴2化學(xué)灌漿加固。如此圖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)比較見(jiàn)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)加固方案比較表圖3拱部土體水平旋噴加固示意圖經(jīng)在1#豎井橫通道中組織的幾次試驗(yàn)效果綜合分析比較,確定采取第一方案。其重要特征是:仰角為5°的洞內(nèi)水平旋噴樁超前預(yù)加固構(gòu)成拱棚。開發(fā)掘進(jìn)時(shí),用42小導(dǎo)管注漿補(bǔ)充加固和止漏。3.2水平旋噴樁超前預(yù)加固3.2.1拱部土體加固水平旋噴樁在洞內(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3.5m范圍內(nèi)不注漿,旋噴加固體搭接長(zhǎng)1.7m。每一循環(huán)鉆孔15m,旋噴長(zhǎng)度11.5m,開發(fā)掘進(jìn)10m(開挖時(shí)小導(dǎo)管注漿補(bǔ)充填塞樁間的空隙),如此圖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手下沉和仰拱開挖困難。施以旋噴樁拱密和加固,獲得了很好的效果(如此圖4所示)。圖4掌子面水平旋噴加固拱密示意圖3.2.3邊墻仰拱土體加固在sk3+240～280和sk3+960～990地段,拱部圍巖為砂粘土,具有一定的自穩(wěn)時(shí)間,足以開挖初支成型。但下臺(tái)階土層呈流塑狀,邊墻開挖困難,以至導(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)行加固,成功通過(guò)。圖5水平旋噴樁加固邊墻及掌子面示意圖3.3水平旋噴加固力學(xué)效果研究對(duì)于水平旋噴預(yù)加固效果的認(rèn)識(shí),由于我們國(guó)家在這方面起步較晚,當(dāng)前,基本上還處在試驗(yàn)階段或定性的描繪敘述上,而客觀現(xiàn)實(shí)經(jīng)常需要我們做出定量的分析,十分是在淺埋軟弱的富水地層中進(jìn)行城市地鐵近鄰開挖時(shí)尤其如此,為了研究水平旋噴預(yù)加固效果,在屢次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了離心模型試驗(yàn)和三維彈塑性數(shù)值模仿研究。試驗(yàn)和數(shù)值分析所得結(jié)論基本一致,重要有:(1)研究結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)吻合較好;(2)水平旋噴樁預(yù)加固對(duì)控制地表沉降的效果是非常明顯的,與不施做水平旋噴樁相比,地表的最大沉降值可減小51%左右(如此圖6、圖7所示);(3)旋噴樁預(yù)加固對(duì)提升圍巖的穩(wěn)定性是非常有效的,相比之下,有旋噴樁時(shí)拱頂?shù)淖畲蟪两悼山档?3%左右,同時(shí),洞四周巖塑性區(qū)的面積大大減小。圖6無(wú)旋噴樁時(shí)地表沉降示意圖圖7有旋噴樁時(shí)地表沉降示意圖g4渡線段施工技術(shù)研究4.1指點(diǎn)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,采取非降水的手段,進(jìn)行渡線段大斷面隧道的暗挖法施工,在國(guó)內(nèi)外的地鐵修建史上鮮見(jiàn)先例。本工程在這一特定條件下,以防坍保安全為重要目的,選取最佳的超前預(yù)支護(hù)方案和適宜的工法,同時(shí)謀求控制地面沉降,減小對(duì)管線的毀壞和影響又兼顧施工速度的技術(shù)辦法。本區(qū)段隧道有諸多橫穿管線,其中sk3+355有一條煤氣管(300mm)橫穿深南大道(地下埋深約1.5m,距拱頂11m),必需確保管線安全以防泄露。4.2隧道開挖對(duì)煤氣管線的影響研究4.2.1數(shù)值模仿進(jìn)行施工優(yōu)化對(duì)于管線所在的sk3+355斷面,采取平面彈塑性有限元模仿圖8的6種施工工法對(duì)管線的沉降影響,模仿結(jié)果(見(jiàn)表2)表示清楚:①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)力影響更小;②左線隧道影響進(jìn)行三維數(shù)值模仿、室內(nèi)離心試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量采取crd法施工,左右斷面開挖比上下斷面開挖對(duì)測(cè),③開挖左線隧道對(duì)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,最后確定采取工法2為過(guò)管線段的施工方法。表2不同工法對(duì)管線沉降影響值mm圖8不同工法示意圖4.2.2模型試驗(yàn)?zāi)７滤淼篱_挖對(duì)煤氣管線的影響采取離心模型試驗(yàn),對(duì)煤氣管線所在的位置sk3+355斷面進(jìn)行施工模仿試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表示清楚,采取水平旋噴樁和小導(dǎo)管注漿預(yù)加固技術(shù)進(jìn)行施工,地表沉降最大值為31.6mm,管線最大沉降為29.5mm,管線仍處于安全狀況。4.2.3三維數(shù)值模仿隧道開挖對(duì)煤氣管線的影響基于有名的ansys軟件,建立土體2支護(hù)構(gòu)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(jiàn)圖9。通過(guò)對(duì)隧道的開挖經(jīng)過(guò)進(jìn)行仿真分析,計(jì)算結(jié)果表示清楚:(1)右線隧道施工時(shí),管線最大沉降值為19.8mm,左線隧道施工時(shí),最大沉降值為28.9mm;(2)地表最大沉降為29.8mm;(3)經(jīng)過(guò)對(duì)管線的變形和受力進(jìn)行驗(yàn)算,管線知足強(qiáng)度和剛度要求,施工期間管線是安全的。4.2.3施工監(jiān)測(cè)隧道開挖對(duì)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(cè)結(jié)果表示清楚施工期間管線是安全的。綜上所述,通過(guò)對(duì)隧道開挖經(jīng)過(guò)中對(duì)煤氣管線的后開挖右線隧道對(duì)管線的變形影響更大;圖9管線和隧道襯砌的位置關(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,管線在施工期間是安全的,而且分析數(shù)據(jù)相互吻合較好,為施工提供了主要的理論根據(jù)和指點(diǎn)作用。圖11sk3+355斷面地表沉降的數(shù)值模仿、離心試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)值比較4.3施工路線選擇渡線段位于1號(hào)、3號(hào)豎井中間,經(jīng)過(guò)相關(guān)的理論分析和綜合考慮各種施工因素,最后確定如下施工路線(圖12):4.4工法和重要技術(shù)辦法4.4.1采取工法本區(qū)間隧道掘進(jìn)重要采用的工法是:①標(biāo)準(zhǔn)段采取上、下臺(tái)階法(圖13a),下臺(tái)圍巖十分軟弱時(shí),分三個(gè)臺(tái)階開挖(圖13b);②開挖寬度10m,高度8m下面,采取cd或crd工法(圖13c);③開挖寬度10～12m,高度10m下面,采取雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法(圖13d);④雙孔雙線斷面,采取中洞法(圖13e);⑤三孔三線斷面,采取雙中洞法(圖13f)。4.4.2重要技術(shù)辦法隧道掘進(jìn)除采取超前預(yù)加固外,還需根據(jù)圍巖地質(zhì)條件的變化,采用如下技術(shù)辦法:(1)如下臺(tái)土體軟弱,增設(shè)臨時(shí)仰拱(見(jiàn)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)2～4根,錨管長(zhǎng)3m,并及時(shí)注漿;(3)嚴(yán)格遵守短進(jìn)尺,小步距、快循環(huán)、強(qiáng)支護(hù)、早噴錨、緊封閉的原則施工,縮小臺(tái)階間隔,盡早封閉;(4)及時(shí)對(duì)初支背后進(jìn)行注漿。5結(jié)束語(yǔ)大—科區(qū)間隧道工程現(xiàn)已順利完工,施工期間隧道構(gòu)造及四周環(huán)境沒(méi)有出現(xiàn)安全隱患,獲得了良好的施工業(yè)績(jī),獲得了深圳市地鐵建設(shè)單位的高度評(píng)價(jià)并授予施工優(yōu)秀獎(jiǎng)?，F(xiàn)總結(jié)起來(lái)重要有下面幾點(diǎn)。(1)水平旋噴樁和小導(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,配合其它綜合處理辦法,較好地解決了非降水條件下的施工安全,通過(guò)深圳地鐵大—科區(qū)間的施工理論、離心機(jī)模型實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模仿理論分析得到了驗(yàn)證,為這一工法的發(fā)展積累了經(jīng)歷體驗(yàn)和難得珍貴的數(shù)據(jù)。(2)在富水的軟弱(砂土、流塑狀粘土)地層,采取淺埋暗挖法施工地鐵隧道,在對(duì)圍巖進(jìn)行超前預(yù)加固和止水基礎(chǔ)上,應(yīng)用適宜的工法和技術(shù)辦法,施工安全、質(zhì)量、工期都能予以保證。(3)“地質(zhì)預(yù)報(bào)—?jiǎng)討B(tài)設(shè)計(jì)(模型試驗(yàn)、模仿理論分析)—適宜的施工技術(shù)辦法—監(jiān)控量測(cè)〞是地下工程施工的主要環(huán)鏈,十分是在通過(guò)重點(diǎn)管線地段。大—科區(qū)間看重每一環(huán)鏈,獲得了良好的施工效果。(4)水平旋噴施工在設(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,以知足日益發(fā)展的施工需要。圖12渡線段施工路線示意圖圖13開發(fā)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):58～61[2]孫星亮,景詩(shī)庭.水平鉆孔旋噴注漿加固地層效果研究[j].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1998,17(5):589～593