淺埋暗挖法在雙連拱隧道施工中的應(yīng)用

淺埋暗挖法在雙連拱隧道施工中的應(yīng)用

1項(xiàng)目總結(jié)1.1分層開(kāi)挖與復(fù)合式襯砌結(jié)合式支護(hù)結(jié)構(gòu)北京東城地下走廊dk39與dk40+440相交，全長(zhǎng)14220.0m。本段暗挖地下結(jié)構(gòu)為雙跨連拱隧道,采用淺埋暗挖中洞法施工。典型斷面開(kāi)挖寬度為12.05m,開(kāi)挖高度為7.397m,支護(hù)形式為復(fù)合式襯砌。區(qū)間隧道在里程DK39+505～DK39+585之間,從兩棟Y型高層居民樓中間下穿,在DK39+618處(居民樓以南33m)設(shè)1號(hào)施工豎井承擔(dān)該段隧道施工。兩座高層樓房地面以上22層、66m高,地下兩層,樓房基礎(chǔ)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱型基礎(chǔ)(無(wú)樁基),箱型基礎(chǔ)持力層為2.7m厚的換填級(jí)配砂石,暗挖隧道外輪廓線距樓房基礎(chǔ)水平距離最小為1.6m。隧道典型斷面、樓房與暗房挖隧道位置關(guān)系如圖1、圖2、圖3所示。1.2地層樁狀及工工工藝該段的地層情況由上到下依次為:人工填土層,厚度為8.40m;粉細(xì)砂層,厚度為1.0m;粘質(zhì)粉土粉質(zhì)粘土層,濕～飽和,硬塑,厚度為3.8m;粉細(xì)砂層,稍密～中密,飽和,厚度為2.9m;以下為粘土層。地下水情況:上層滯水,水位埋深4.0m左右;潛水,水位埋深在地面下7.5m,高出隧道開(kāi)挖拱頂;承壓水,水位埋深18.8m,對(duì)隧道施工無(wú)影響。地層樁狀圖如圖4所示。區(qū)間隧道在粘質(zhì)粉土和粉細(xì)砂地層中穿過(guò),上層滯水和潛水已進(jìn)入隧道斷面。1.3上覆土柱式圍巖由于暗挖隧道開(kāi)挖跨度達(dá)12m,覆土僅為1倍洞徑左右(7～12m),圍巖難以形成承載拱,上覆土柱荷載較大。設(shè)計(jì)采用中洞法施工,工況要求中隔墻形成承載能力后,方可進(jìn)行側(cè)洞開(kāi)挖,最后施作側(cè)洞襯砌形成雙連拱結(jié)構(gòu)。參見(jiàn)圖52工程邊界條件與相互作用關(guān)系的分析2.1地下工業(yè)管理,隧道鄰樓施工安全過(guò)樓房段地處鬧市居民小區(qū),地面為居民出行和活動(dòng)場(chǎng)所,地下管線縱橫交錯(cuò),樓房產(chǎn)權(quán)關(guān)系復(fù)雜,居民維權(quán)意識(shí)很強(qiáng),對(duì)隧道鄰樓施工安全反映強(qiáng)烈,在地面對(duì)建筑物基礎(chǔ)實(shí)施隔離防護(hù)地表深井降水等工程無(wú)條件進(jìn)行;2.2地質(zhì)條件差2.2.1地下水開(kāi)放系統(tǒng)的特點(diǎn)根據(jù)詳勘地質(zhì)資料及近樓段中洞施工揭露的地層情況,過(guò)樓房段地下水豐富,富含上層滯水和潛水,隧道結(jié)構(gòu)處于水位線以下,施工帶水作業(yè),難以保證開(kāi)挖面土體的穩(wěn)定,極易引起坍塌,繼而導(dǎo)致地表超量的沉降。隧道無(wú)水施工是安全通過(guò)此段的前提。2.2.2隧道拱頂?shù)貙映两涤绊懛治鲞^(guò)樓房段地表以下6～8m范圍為雜填土層,隧道拱頂位于原始地層和雜填土層交界處,開(kāi)挖擾動(dòng)后,將形成較大的地層沉降,且波及范圍大,可能對(duì)地下管線造成較大的影響。2.2.3地表下沉引發(fā)結(jié)構(gòu)沉降隧道底部仰拱位于薄層粉細(xì)砂中(平均約1.0m厚),近樓段實(shí)施地表降水后,隧道仰拱以上約70cm范圍內(nèi)地下水無(wú)法疏干,造成仰拱開(kāi)挖流砂引起大量的地層損失,引發(fā)超量的地表下沉(近樓段里程DK39+600處由于以上原因僅中洞施工引起地表下沉73.2mm),且基底粉細(xì)砂層遇水液化后,降低地基承載力,后期運(yùn)營(yíng)易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)沉降。2.3隧道洞身理壓力2.3.1樓房基礎(chǔ)為箱形結(jié)構(gòu),區(qū)間隧道兩側(cè)不對(duì)稱(chēng)布置,距離隧道最近點(diǎn)僅為1.6m,基礎(chǔ)持力層位于隧道拱腰部位,樓房靜靜載和靜載偏壓對(duì)隧道施工安全和結(jié)構(gòu)構(gòu)成危害。2.3.2在協(xié)調(diào)擾民問(wèn)題過(guò)程中,應(yīng)樓房居民要求,業(yè)主和施工單位共同委托“北京市房屋安全鑒定總站”對(duì)樓房垂直度、標(biāo)高等現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)量,具體如圖6所示。鑒定結(jié)論如下:隧道西側(cè)樓有5點(diǎn)、東側(cè)樓有6點(diǎn)混凝土墻大角垂直度偏差超出《建筑工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(GBJ301-88)規(guī)定的限值,東西兩棟樓房向中間隧道方向傾斜,垂直度偏差最大為82mm。2.4近樓段地表沉降的特征分析2.4.1區(qū)間隧道為雙連拱結(jié)構(gòu),采用中洞法施工,施工步序多加之需降水,造成對(duì)樓房基礎(chǔ)地層的多次擾動(dòng),如沒(méi)有穩(wěn)妥可靠的技術(shù)措施保證,疊加后可能產(chǎn)生超量的不均勻沉降,給樓房的安全帶來(lái)致命的危害。2.4.2區(qū)間雙連拱隧道中洞、側(cè)洞為瘦高型結(jié)構(gòu),在初支施工過(guò)程中隨著開(kāi)挖在樓房靜載作用下土層應(yīng)力釋放,引起的土體水平位移,使樓房基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降。2.4.3為摸清隧道中洞通過(guò)高樓后,沉降影響范圍及大小,于近樓房段里程DK39+600處布設(shè)一地表沉降橫斷面,隧道中洞施工過(guò)后此段的監(jiān)測(cè)數(shù)量分析如圖7:圖7中所示a段范圍為類(lèi)比Y型高層樓所處區(qū)域。由圖7可看出,僅中洞通過(guò)后最大累計(jì)沉降值為-73.2mm,影響范圍較大,距中洞中線6m范圍內(nèi),地表沉降量均在40mm以上,可見(jiàn)該處地質(zhì)條件之差。由圖7可計(jì)算出,沉降曲線拐點(diǎn)位于距中洞中線9.7m處,在類(lèi)比Y型樓所處區(qū)域,僅中洞施工引起地表不均勻沉降量達(dá)23mm,沉降曲率為3.8‰。由此可見(jiàn)過(guò)樓段應(yīng)采取較穩(wěn)妥的加固措施,否則隧道兩側(cè)樓房將產(chǎn)生較大不均勻沉降,從而對(duì)樓房的安全造成較大危害。3技術(shù)對(duì)策和方法3.1地下導(dǎo)洞隔離樁施工為確保樓房的絕對(duì)安全,用兩排鋼筋混凝土樁墻將樓房基礎(chǔ)與隧道隔離,以此對(duì)樓房進(jìn)行防護(hù)?？紤]擾民與民擾問(wèn)題,在高層居民樓南側(cè)已建成的1#豎井內(nèi)開(kāi)挖兩個(gè)小導(dǎo)洞,在樓房之間隧道上方通過(guò)。導(dǎo)洞開(kāi)挖完成后,在兩個(gè)導(dǎo)洞內(nèi)施作鉆孔灌注樁,樁長(zhǎng)14.0m,錨入隧道底板深度為6m,導(dǎo)洞與隔離樁連成整體高出隧道4.2m,形成樁墻、帽梁將樓房基礎(chǔ)與隧洞隔離。具體如圖8所示。導(dǎo)洞凈空高3m、寬2.5m,初支厚度300mm,采用上下臺(tái)階法施工。鉆孔灌注樁直徑0.8m,間距1.0m,樁長(zhǎng)14.0m,現(xiàn)澆C20混凝土。在狹小導(dǎo)洞內(nèi)同時(shí)完成鉆機(jī)成孔、鋼筋籠搬運(yùn)吊裝、混凝土灌注、泥漿外運(yùn),施工難度很大。為克服以上困難,隔離樁施做采取如下方法:1)采用異型反循環(huán)鉆機(jī)成孔:改裝鉆機(jī),以滿(mǎn)足地下導(dǎo)洞狹小空間鉆孔14m的施工要求,改裝后的鉆機(jī)能夠滿(mǎn)足地下導(dǎo)洞成孔的要求,為防止塌孔和保證成孔質(zhì)量,鉆孔灌注樁采取1、4、7跳格法施工,且每一格成樁后再做另一格的樁,每臺(tái)鉆機(jī)日成孔2根。2)鋼筋籠吊裝采用擠壓鋼套筒連接的方式:將1m長(zhǎng)鋼筋籠分成7節(jié),每節(jié)2m,考慮在如此狹小空間內(nèi)將7節(jié)鋼筋籠連接就位,滿(mǎn)足垂直度等精度要求,借鑒房建鋼筋鋼套筒擠壓連接的經(jīng)驗(yàn),導(dǎo)洞內(nèi)鋼筋籠也采取擠壓連接的方式,每根鋼筋籠用兩臺(tái)擠壓機(jī),平均3.5h連接就位一根鋼筋籠。3)現(xiàn)澆混凝土導(dǎo)管采用卷?yè)P(yáng)機(jī)吊裝,利用卷?yè)P(yáng)機(jī)吊起落導(dǎo)管對(duì)鉆孔樁混凝土進(jìn)行水下灌注,采用泥漿泵接力的方法將洞內(nèi)廢棄泥漿抽出洞外。將防塌孔貫穿于每根鉆孔樁的施工過(guò)程中,控制泥漿護(hù)壁質(zhì)量,最快速度完成鉆孔、鋼筋籠就位、吊裝導(dǎo)管、現(xiàn)澆混凝土等工序,縮短各工序銜接時(shí)間,把隔離樁施工對(duì)樓房的影響減至最小。經(jīng)量測(cè)資料顯示,導(dǎo)洞、隔離樁施工對(duì)樓房基礎(chǔ)沉降基本無(wú)影響,引起樓房基礎(chǔ)沉降量大為2mm。3.2夾層粉細(xì)砂層地下水超量下沉形成機(jī)理過(guò)高樓段無(wú)水施工是控制沉降保證樓房安全的前提。從前期施工采取地表深井降水來(lái)看,在此段地層特殊分層情況下降水效果不理想,特別是隧道仰拱位于兩層粘土中間的夾層粉細(xì)砂層中,由于夾層粉細(xì)砂厚度較小,此處深井降水形不成降水漏斗,仰拱處于含水粉細(xì)砂層中,開(kāi)挖過(guò)程中形成流砂,引起大量周邊土層流失,造成地表超量下沉,近樓段地表最大下沉量達(dá)到73.2mm。經(jīng)認(rèn)真分析研究之后,決定根據(jù)此段特殊地質(zhì)情況采取水平降水方法,利用已施工中洞底板向下和向左右側(cè)洞方向開(kāi)挖水平降水基坑,在水平降水基坑內(nèi)用水平鉆機(jī)成孔,埋設(shè)水平降水管,將中洞和側(cè)洞范圍內(nèi)地下水降至仰拱以下1.0m左右,確保無(wú)水施工。3.3改善雙連拱隧道的施工技術(shù)3.3.1臨時(shí)仰拱層地表沉降特性雙連拱隧道中洞、側(cè)洞形狀為瘦高狹長(zhǎng)結(jié)構(gòu),分Ⅳ部臺(tái)階開(kāi)挖,設(shè)計(jì)中部施作I22橫撐,橫撐間距1m,從Ⅰ部開(kāi)挖至Ⅳ部才能斷面封閉(5～7d)的客觀現(xiàn)實(shí)不利于掌子面的穩(wěn)定,為控制拱頂及地表沉降,遵循淺埋暗挖及時(shí)封閉步步成環(huán)的原則,增設(shè)臨時(shí)仰拱,技術(shù)參數(shù)為:C20噴射混凝土(厚22cm),布縱向拉結(jié)筋規(guī)格ue001φ22@500、雙層鋼筋網(wǎng)片規(guī)格ue001φ26@150×150。經(jīng)量測(cè)資料反饋,臨時(shí)仰拱對(duì)控制拱頂、地表沉降作用明顯,在非過(guò)樓段試驗(yàn)段選取里程相近、地質(zhì)情況類(lèi)似兩地表沉降測(cè)點(diǎn)比較分析:未施作臨時(shí)仰拱段選取地表沉降測(cè)點(diǎn)YZD38(里程:DK40+178),施作臨時(shí)仰拱段選取地表沉降測(cè)點(diǎn)D3(里程:DK40+160)。以下為兩測(cè)點(diǎn)歷時(shí)曲線圖:由圖10比較可知,YZD38點(diǎn)累計(jì)沉降量為-45.9mm,D3點(diǎn)累計(jì)沉降量為-16.8mm。比較可得施作臨時(shí)仰拱后地表沉降量約為施作前的65.2%。分析其原因?yàn)?由于橫撐與基底土體為線接觸,接觸面積較小,在結(jié)構(gòu)自重的作用下,結(jié)構(gòu)整體下沉量較大,使結(jié)構(gòu)與圍巖間無(wú)法密貼,圍巖變形無(wú)法得到有效約束,因而造成圍巖變形較大,隧道埋深淺,圍巖變形較快的反映在地表變形上。施作仰拱后,支撐剛度增大,與基底接觸面積增大,縮短了封閉時(shí)間,步步成環(huán),使支護(hù)與圍巖間形成了有效的收斂—約束體系,因而有效地控制了地表變形。3.3.2細(xì)砂層浸泡和人工擾動(dòng)的影響根據(jù)已施工地段仰拱情況來(lái)看,由于地質(zhì)特點(diǎn)分層情況,受降水時(shí)間限制仰拱部位有滯留地下水,基底粉細(xì)砂層浸泡和人工擾動(dòng)后,造成基底液化軟弱,減小了地基承載力,使仰拱封閉后沉降仍不收斂。為控制沉降,在仰拱基底換填30cm厚的碎石,噴混凝土封閉后及時(shí)回填注水泥水玻璃雙液漿。從量測(cè)資料反饋情況看,基底換填有效控制了沉降,仰拱噴混凝土封閉后沉降很快收斂,確保了過(guò)樓段的施工安全。3.3.3邊墻超前管棚深化調(diào)整加密拱部超前管棚,由原設(shè)計(jì)3.0m長(zhǎng)、環(huán)向間距0.3m、縱向每?jī)擅着旁O(shè)一次變更為2.0m長(zhǎng)、環(huán)向間距0.2m、縱向每0.5m(每榀)排設(shè)一次,增設(shè)邊墻超前管棚,原設(shè)計(jì)無(wú)邊墻超前管棚,為控制中洞、側(cè)洞每部開(kāi)挖施工產(chǎn)生的沉降,在中洞、側(cè)洞邊墻排設(shè)2.0m長(zhǎng)、環(huán)向間距0.5m、縱向間距0.5m的超前管棚。3.3.4隧道土體開(kāi)放,壓壓結(jié)構(gòu)復(fù)合拱部開(kāi)挖前超前管棚間隔一個(gè)作為注漿管加強(qiáng)超前注水泥水玻璃雙液漿,噴混凝土封閉后滯后掌子面3～5m進(jìn)行拱部、邊墻、底部背后回填注漿,控制開(kāi)挖面土層流失,使隧道結(jié)構(gòu)與周邊土體密實(shí),擠密隔離樁間土層和樓房基礎(chǔ)下土層。4貫穿施工階段的沉降動(dòng)態(tài)數(shù)值為全過(guò)程監(jiān)測(cè)樓房的安全穩(wěn)定,并及時(shí)監(jiān)測(cè)各主要工序施工階段引起的沉降動(dòng)態(tài)數(shù)值,北京市房屋鑒定總站和我方監(jiān)測(cè)組對(duì)過(guò)樓房施工進(jìn)行了全過(guò)程監(jiān)控量測(cè)。監(jiān)測(cè)主要結(jié)果及分析如下。4.1沉降槽1)樓房段監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置情況如圖11所示。2)監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖12、圖13所示,從圖12可以看出,地表最大沉降量為-45.2mm,導(dǎo)洞施工引起沉降量平均為6.45mm,中洞施工引起沉降量平均為18.0mm,側(cè)洞施工引起沉降量平均為14.58mm,地表最大沉降量發(fā)生在隧道中線位置,中洞施工引起沉降占總沉降量的46%,較側(cè)洞稍大。從沉降槽曲線來(lái)看,斷面沉降槽比較狹窄,寬20m左右,沉降曲線變曲點(diǎn)(拐點(diǎn))至隧道中線距離大約6m,基本位于隔離樁之內(nèi),說(shuō)明隔離樁隔離作用明顯。通過(guò)2號(hào)主斷面和4號(hào)主斷面量測(cè)結(jié)果可以看出,改進(jìn)的暗挖雙連拱隧道施工工藝有效控制了沉降。通過(guò)比較分析隧道一般段和過(guò)樓段地表下沒(méi)、拱頂下沉、凈空收斂三種變位,發(fā)現(xiàn)兩段變化規(guī)律差別較大,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)收斂變形速率過(guò)樓段由于采取了臨時(shí)仰拱、超前管棚、加強(qiáng)超前注漿和背后回填注漿和基底換填等加強(qiáng)措施,收斂變形速率快,達(dá)到基本穩(wěn)定的時(shí)間短,一般在掌子面超過(guò)0.5D即達(dá)到基本穩(wěn)定狀態(tài);而一般段變形時(shí)間長(zhǎng),在測(cè)點(diǎn)距離掌子面1.0D～2.0D后才逐漸穩(wěn)定。(2)地表沉降情況雙連拱隧道施工由于受工序影響反復(fù)擾動(dòng)地層,一般段沒(méi)有采取加強(qiáng)措施變位較大,地表沉降平均為59mm,過(guò)樓段采取加強(qiáng)措施后地表平均沉降為39.03mm,說(shuō)明加強(qiáng)措施比較合適,能較好的抑制隧道的周邊變位。(3)臺(tái)東南角臨時(shí)仰拱受力的影響通過(guò)一般段和過(guò)樓段大量觀測(cè)和監(jiān)測(cè)資料分析表明,臺(tái)階長(zhǎng)度(閉合長(zhǎng)度)與作用在結(jié)構(gòu)上的荷載存在以下關(guān)系:臺(tái)隊(duì)長(zhǎng)度越大作用在結(jié)構(gòu)上的荷載就越大。實(shí)測(cè)結(jié)果也表明臨時(shí)仰拱施做后,收斂變形速率迅速減小,結(jié)構(gòu)受力明顯改善。因此減小臺(tái)階長(zhǎng)度、及早封閉支護(hù)結(jié)構(gòu)是控制結(jié)構(gòu)變形的關(guān)鍵。4.2地面以下11m范圍內(nèi)隧道拱腰位置分布地中水平位移觀測(cè)結(jié)果如圖14所示,水平位移最大值為2.4mm,地面以下11m范圍內(nèi)即隧道拱腰位置以上位移較大,從拱腰位置以下慢慢收斂。中洞引起地中水平位移最大為1.8mm,占總位移值的75%,側(cè)洞施工和中洞初支拆除引起地中水平位移較小。4.3外側(cè)鋼筋結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析暗挖雙連拱隧道初支鋼支撐應(yīng)力觀測(cè)結(jié)果如圖15、圖16所示,從圖中可以看到:對(duì)于左右側(cè)洞內(nèi)外緣鋼筋受力基本對(duì)稱(chēng)分布,外緣鋼筋兩側(cè)洞和中洞拱腰以上均受壓,最大為51.21kN,發(fā)生在右側(cè)洞拱肩部位;拱腰以下至底板以上均受拉,最大為10.24kN,發(fā)生在左線拱腳部位。內(nèi)緣鋼筋拱肩以上均受拉,最大拉應(yīng)力為21.82kN,發(fā)生在左側(cè)洞拱頂部位;拱肩以下至底板以上均受壓,最大壓應(yīng)力為39.34kN,發(fā)生在左側(cè)洞拱腰部位。4.4東樓基礎(chǔ)沉降樓房基