王偉
(北京建工土木工程有限公司,北京 100039)
隨著地鐵建設(shè)的迅速發(fā)展,建設(shè)過程中的安全管理已成為全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)之一[1]。尤其在施工過程中遇到下穿建筑物等特殊情況,地質(zhì)條件及環(huán)境情況復(fù)雜,施工難度極大[2]。地質(zhì)條件復(fù)雜的青島地鐵一期工程隧道在下穿質(zhì)量狀況各異、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形式多樣的建筑群時(shí),建筑物的安全成為決定隧道施工進(jìn)度和環(huán)境安全的關(guān)鍵[3]。地鐵礦山法隧道下穿建筑物施工面臨著控制建(構(gòu))筑物的沉降風(fēng)險(xiǎn)等重要問題[4]。過大的地表沉降會(huì)引起地面建筑物的開裂和傾斜。如何預(yù)測并在施工中控制地表沉降,保證上部結(jié)構(gòu)的安全是隧道工程建設(shè)的重要任務(wù)[5]。青島地鐵為上軟下硬地層,在采用上下臺(tái)階法施工時(shí),對(duì)地表建筑物的影響較大。注漿加固技術(shù)能夠較好地控制建筑物沉降,確保在隧道施工過程中其結(jié)構(gòu)的安全性[6]。
注漿技術(shù)作為一種有效的巖土工程施工方法,理論研究遠(yuǎn)落后于工程應(yīng)用[7]。超前管棚支護(hù)是隧道施工中穿越軟弱、破碎圍巖的一種有效的加固施工方法[8]。袖閥管廣泛應(yīng)用于不良地層的處理、地基的加固、控制樓房、橋梁、管線等建(構(gòu))筑物沉降等[9]。在隧道下穿的建筑物使用等級(jí)較差條件下,根據(jù)不同圍巖種類及對(duì)應(yīng)的建筑物狀況,采用不同的注漿加固方式,可保證隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,進(jìn)而保證建筑物的安全。本文以青島市地鐵一期工程(3號(hào)線)太平角公園站—延安三路站區(qū)間下穿伊美爾醫(yī)院段為例,綜合采用超前管棚、小導(dǎo)管、袖閥管注漿及帷幕注漿等方法,控制隧道下穿限制使用等級(jí)房屋沉降。
太平角公園站—延安三路站區(qū)間線路基本位于香港路下方,橫跨太平角四路和太平角六路,長約1 294.9 m,采用礦山法施工。區(qū)間從太平角公園站出發(fā),下穿伊美爾整形醫(yī)院、如家快捷酒店太平角店、湛山路3號(hào)居民房、濟(jì)軍一療理發(fā)店和濟(jì)軍一療口腔科等多棟建筑物后,轉(zhuǎn)到香港路下方,沿香港路向東前行,到達(dá)延安三路站。區(qū)間隧道與建筑物的位置關(guān)系平面見圖1。
圖1 太延區(qū)間下穿房屋段隧道與建筑物平面位置關(guān)系示意圖Fig.1 Plan sketch showing relationship between tunnel and existing surface buildings
伊美爾整形醫(yī)院建筑物始建于1990年,1996年進(jìn)行了擴(kuò)建,大樓為地上3層(局部6層、北側(cè)有一圓形單層),地下1層,由于地面高差的原因,地上3層和6層間錯(cuò)層1.5 m,該建筑物整體呈三角形布置,三邊長分別為56,50,50 m?,F(xiàn)該建筑物5,6層部分使用單位為青島市融商集團(tuán)有限公司,其余部分使用單位為伊美爾整形醫(yī)院,產(chǎn)權(quán)隸屬于青島市融商集團(tuán)有限公司。
根據(jù)青島市城建檔案館館藏的原始設(shè)計(jì)圖紙(1990年10月)和改建裝修工程施工圖紙(1996年11月),該建筑物基礎(chǔ)形式為毛石條形基礎(chǔ)和柱下獨(dú)立基礎(chǔ)。建筑物結(jié)構(gòu)形式為框架砌體混合結(jié)構(gòu),承重體系復(fù)雜,傳力體系不明確,抗震驗(yàn)算很難滿足國家現(xiàn)行規(guī)范的承載力和構(gòu)造等要求。
材料強(qiáng)度低,其中砌筑砂漿抗壓強(qiáng)度推定為0.5 MPa,磚材的強(qiáng)度等級(jí)推定為MU10,混凝土強(qiáng)度推定為18.2 MPa。原始設(shè)計(jì)圖紙中地下室墻體為毛石砂漿砌筑,與現(xiàn)場檢測所得的普通燒結(jié)磚砂漿砌筑不符。
承重墻體裂縫多為斜向裂縫,樓梯間和陽臺(tái)部位出現(xiàn)貫通水平裂縫,最大長度3 m,最大深度1.5 mm。構(gòu)造裂縫主要出現(xiàn)在預(yù)制樓板與墻和梁的搭接處、墻角搭接處、窗戶拐角處、隔墻自身以及與梁的連接處。
伊美爾整形醫(yī)院安全等級(jí)為Csu級(jí),在整個(gè)結(jié)構(gòu)中承重墻體出現(xiàn)的貫通裂縫已顯著影響到建筑物的結(jié)構(gòu)安全。
建筑物與隧道的垂直位置關(guān)系見圖2所示。
本段左線隧道所處地層由上至下分別為:雜(素)填土層、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中亞帶、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖下亞帶和中風(fēng)化花崗巖層。隧道穿越的地層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖下亞帶、中風(fēng)化花崗巖層,隧道結(jié)構(gòu)基本位于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖下亞帶,圍巖級(jí)別綜合判定為IV級(jí)。
本段右線隧道所處地層由上至下分別為:雜(素)填土層、粉質(zhì)黏土、含砂性黏土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中亞帶、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖下亞帶和中風(fēng)化花崗巖層。隧道結(jié)構(gòu)穿越強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中亞帶、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖下亞帶和中風(fēng)化花崗巖帶,圍巖級(jí)別綜合判定為V級(jí)。
場地內(nèi)主要含水地層為第四系填土層、粗礫砂。含水層厚度受地形、地貌影響,差異較大,平均厚度為
2.29 m左右。粗礫砂層條狀分布于山前沖洪積坡地,在本區(qū)局部分布;第四系填土層受人為因素的制約,分布不均、厚度不一;第四系填土層、粗礫砂層直接覆蓋于基巖之上,松散巖類孔隙水與下部的基巖裂隙水有一定的水力聯(lián)系。
圖2 伊美爾醫(yī)院與區(qū)間隧道縱剖面位置關(guān)系示意圖Fig.2 Profile showing relationship between Emei’er hospital and tunnel
本工作區(qū)內(nèi)強(qiáng)風(fēng)化帶發(fā)育厚度最大達(dá)10 m,基巖強(qiáng)風(fēng)化層平均厚度為6 m。據(jù)本區(qū)間的基巖水文孔抽水試驗(yàn)結(jié)果,強(qiáng)、中風(fēng)化巖層屬弱透水層。地下水在基巖中的賦存量較小,逕流條件也差,透水性弱。
為搞清楚房屋基礎(chǔ)的地質(zhì)情況,對(duì)伊美爾整形醫(yī)院房屋基礎(chǔ)層進(jìn)行了現(xiàn)場挖探,挖探情況顯示:地基基礎(chǔ)處于富水的粉質(zhì)黏土層中,土層含水量較大。挖探情況如圖3所示。
太延區(qū)間下穿伊美爾整形醫(yī)院施工段為隧道K4+ 780.51~+839(長度為58.49 m)。開挖斷面尺寸為6.3 m×6.86 m(寬×高),CD法施工。超前支護(hù)采用φ159大管棚+φ42小導(dǎo)管。初期支護(hù)為工20鋼架@ 0.5 m/榀+φ6.5雙層鋼筋網(wǎng)@150 mm×150 mm+ 300 mm厚C25噴射混凝土,邊墻設(shè)置φ22砂漿錨桿,間距1 m×1 m,梅花形布設(shè)。區(qū)間隧道下穿伊美爾整形醫(yī)院施工段平面位置及斷面形式分別如圖4和圖5所示。
圖3 伊美爾醫(yī)院基礎(chǔ)形式現(xiàn)場探挖情況Fig.3 Exploration cutting to investigate the foundation type of Emei’er hospital
圖4 區(qū)間下穿伊美爾醫(yī)院段平面位置示意圖Fig.4 Plan sketch showing relationship between Emei’er hospital and tunnel
圖5 區(qū)間下穿伊美爾醫(yī)院段設(shè)計(jì)支護(hù)形式斷面圖(單位:mm)Fig.5 Cross-section of tunnel passing underneath Emei’er hospital(mm)
太延區(qū)間下穿伊美爾整形醫(yī)院,原設(shè)計(jì)要求建筑物累計(jì)沉降不大于30 cm,沉降速率要求小于2 mm/ d,差異沉降要求小于10 mm,爆破振速控制值小于2 cm/s,建筑物監(jiān)測報(bào)警值為設(shè)計(jì)值的80%。由于伊美爾整形醫(yī)院屬于限制使用等級(jí)房屋,需重新調(diào)整監(jiān)測控制值,根據(jù)各方幾次開會(huì)討論,最終確定,建筑物累計(jì)沉降為15 mm,沉降速率為1 mm/d,差異沉降為5 mm,爆破振速在房屋普通段為1 cm/s,房屋加高段與電梯間按0.5 cm/s控制。
為盡早封閉成環(huán),考慮到設(shè)備的操作空間,將CD法調(diào)整為臺(tái)階法施工。臺(tái)階法施工時(shí),上臺(tái)階預(yù)留核心土開挖。爆破施工采用減震爆破的開挖方式,最大限度地減少爆破震動(dòng)對(duì)建筑物的影響。為保證爆破振速控制在要求范圍內(nèi),采用高精度雷管起爆。
根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際邊界條件,管棚為φ76超前管棚,拱部150°范圍內(nèi)施作,L=10 m,環(huán)向間距0.4 m,縱向間距6.0 m,外插角約18°;超前小導(dǎo)管在拱部150°范圍打設(shè),長度為3 m,環(huán)向間距0.3 m,縱向間距1.0 m,外插角18°。
根據(jù)前期左線施工情況,超前管棚及小導(dǎo)管在左線建筑物未加高段均注水泥漿液。右線施工過程中,根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù),建筑物沉降變化速率較大,達(dá)到0.8 mm/d,由于超細(xì)水泥具有良好的滲透性與可灌性,因此,在右線建筑物局部加高段與電梯間位置采用600目超細(xì)水泥漿液,有效地將沉降速率控制在0.5 mm/d范圍內(nèi),超前管棚與小導(dǎo)管布置橫斷面見圖6,縱斷面見圖7。
圖6 超前管棚與小導(dǎo)管布置橫斷面圖(單位:mm)Fig.6 Cross-section of tunnel showing layout of pipe roof and forepoling(mm)
圖7 超前管棚與小導(dǎo)管布置縱斷面圖(單位:mm)Fig.7 Longitudinal profile of tunnel showing layout of pipe roof and forepoling(mm)
避開超前小導(dǎo)管布置斜向前的袖閥管,初期支護(hù)封閉后,向房屋基礎(chǔ)持力層下方注漿加固,初期按0.1~0.3 MPa的注漿終壓控制。后期累計(jì)沉降超過10 mm或房屋差異沉降達(dá)到5 mm或沉降速率超過2 mm/d時(shí),進(jìn)行二次注漿,注漿終壓按0.3~0.5 MPa控制,施工過程中結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。袖閥管鉆孔孔徑110 mm,袖閥管管徑50 mm,長度6.5 m,環(huán)向間距1 m,縱向間距2 m,外插角35~40°。前期注漿試驗(yàn)過程中,曾發(fā)生建筑物地下室漿液滲出,引起建筑物權(quán)屬單位的極度不滿,因此,在注漿過程中,要密切監(jiān)測地面及建筑物的沉降情況,嚴(yán)格控制注漿前后建筑物的單次上抬量不得超過2 mm。袖閥管注漿現(xiàn)場實(shí)施情況如下:
1)鉆孔。選用XY-100型鉆機(jī),針對(duì)硬土層和破碎巖層采用風(fēng)動(dòng)潛孔錘沖擊鉆進(jìn),該鉆機(jī)質(zhì)量輕,利于遷移,并有較高的鉆進(jìn)效率??孜淮蛟O(shè)過程如圖8所示。
圖8 袖閥管孔位打設(shè)圖Fig.8 Drilling of Soletanche grouting holes
2)安裝袖閥管。鉆孔至設(shè)計(jì)深度并采用清水洗孔后,向孔內(nèi)下入注漿袖閥管。安裝袖閥管過程如圖9所示。
3)注入套殼料。用PW-150泥漿泵,向孔內(nèi)注入套殼料,注滿為止。套殼料質(zhì)量配比為水泥∶黏土∶水= 1∶1.5∶2(配方由現(xiàn)場試驗(yàn)最后確定)。套殼料主要用于封閉袖閥管與鉆孔孔壁之間的環(huán)狀空間,防止灌漿時(shí)漿液到處流竄,在橡膠套和止?jié){塞的作用下,迫使在灌漿段范圍內(nèi)擠破套殼料(即開環(huán))而進(jìn)入地層。
圖9 袖閥管安裝圖Fig.9 Installation of Soletanche grouting pipes
4)開環(huán)。套殼料凝固后(10~13 h),即可開始注漿。灌漿的前期階段,使用稀漿(或清水)加壓開環(huán)。在加壓過程中,一旦出現(xiàn)壓力突降,進(jìn)漿量劇增,表示已經(jīng)“開環(huán)”。開環(huán)后即按配比開始正式注漿。
5)灌漿。采用雙栓塞芯管進(jìn)行灌漿。根據(jù)各組注漿參數(shù)要求,從孔底由里向外進(jìn)行注漿,每排孔眼作為一個(gè)灌漿段,其段長為 500 mm。注漿液采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,注漿時(shí)按先灌入稀漿后灌入濃漿的原則逐漸調(diào)整水灰比。
由于前期施工,袖閥管作為常規(guī)注漿手段進(jìn)行沉降控制,在初支封閉后即進(jìn)行注漿,造成建筑物地下室出現(xiàn)小范圍的隆起,并且部分里程段施工偶有掉塊現(xiàn)象,根據(jù)分析,下穿段本身圍巖較差,在經(jīng)過超前管棚、小導(dǎo)管及袖閥管施工后,反而擾亂了原地層的穩(wěn)定性,經(jīng)過討論研究,在建筑物加高段與電梯間位置,開挖期間僅僅進(jìn)行打設(shè),暫不注漿,在建筑物沉降發(fā)生較明顯變化時(shí),再進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償注漿。在該方案實(shí)施以后,不僅明顯加快了施工進(jìn)度,同時(shí)也提高了建筑物沉降控制的穩(wěn)定性。
通過前期采用超前管棚、小導(dǎo)管及袖閥管注漿,太延區(qū)間左線隧道于2014年3月16日順利貫通,3月29日,在右線隧道即將到達(dá)電梯位置時(shí),電梯間局部出現(xiàn)了裂縫,通過對(duì)裂縫出現(xiàn)的原因分析,一方面是靠近伊美爾醫(yī)院的的人防段上部施工過程中引起地層應(yīng)力重分布產(chǎn)生的差異沉降引起了電梯間的裂縫,另一方面是電梯間與整個(gè)建筑物結(jié)構(gòu)未形成整體結(jié)構(gòu),自身抵抗變形能力較差。針對(duì)以上情況,在原注漿措施的基礎(chǔ)上,決定在電梯間位置增加局部帷幕注漿加固的措施,加固范圍為隧道開挖輪廓線外3 m,注漿材料選用水泥-水玻璃雙液漿,注漿順序按“由外到內(nèi)、由上到下、間隔跳孔”的原則進(jìn)行,以達(dá)到控域注漿、擠密加固的目的。帷幕注漿孔位布置見圖10。
圖10 帷幕注漿孔位布置圖Fig.10 Layout of curtain grouting holes
下穿伊美爾醫(yī)院段共布設(shè)建筑物沉降監(jiān)測點(diǎn)11個(gè),其中右線電梯間對(duì)應(yīng)的JC14-1點(diǎn)沉降變化情況最為明顯,現(xiàn)以JC14-1點(diǎn)為例,分析建筑物沉降的變化情況。伊美爾醫(yī)院段建筑物沉降監(jiān)測布點(diǎn)圖見圖11。
圖11 下穿伊美爾醫(yī)院段監(jiān)測布點(diǎn)圖Fig.11 Layout of monitoring points
JC14-1點(diǎn)是伊美爾醫(yī)院電梯間正下方對(duì)應(yīng)的點(diǎn)位,也是整座建筑物沉降變化最大的點(diǎn)位。根據(jù)每日監(jiān)測情況可知,自2014年3月2日開始,該點(diǎn)位沉降變化明顯,以平均0.4 mm/d的速率下沉,沉降速率最大達(dá)到0.8 mm/d,至3月28日,建筑物累計(jì)沉降已達(dá)10.74 mm,進(jìn)而導(dǎo)致電梯間出現(xiàn)裂縫。為保證建筑物安全,3月29日采用局部帷幕注漿墻加固措施以后,沉降速率明顯變緩,至帷幕注漿施工完成,累計(jì)沉降控制在13 mm以內(nèi),滿足沉降控制要求。JC14-1點(diǎn)位監(jiān)測變化曲線見圖12。
圖12 2014年JC14-1點(diǎn)位監(jiān)測變化曲線分析圖Fig.12 Curve of settlement measured at JC14-1 point in 2014
通過采用超前管棚、小導(dǎo)管、袖閥管注漿及帷幕注漿等方法控制沉降,成功將下穿限制等級(jí)建筑物沉降控制在要求的范圍內(nèi),得到結(jié)論如下:
1)針對(duì)不同里程段房屋狀況,采用不同的沉降控制措施。下穿段開挖均采用控制爆破的方式,下穿伊美爾醫(yī)院段左線對(duì)應(yīng)建筑物層高較低,僅采用超前管棚與小導(dǎo)管即順利貫通,右線由于建筑物后加高及增加了電梯間,且電梯間與主樓之間為分離結(jié)構(gòu),又采用了袖閥管注漿與帷幕注漿進(jìn)行沉降控制。
2)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)情況,采取針對(duì)性的沉降控制措施,尤其是袖閥管洞內(nèi)注漿及帷幕注漿,成功穿越右線電梯間結(jié)構(gòu),在沉降控制值比設(shè)計(jì)更加嚴(yán)格的基礎(chǔ)上,同樣控制在要求范圍內(nèi),結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定,通過與有關(guān)規(guī)范對(duì)比,認(rèn)為太延區(qū)間下穿伊美爾醫(yī)院段是安全的。
3)袖閥管注漿在實(shí)施過程中,由于建筑物地下室距離隧道拱頂埋深較小,注漿壓力極難精確控制,壓力達(dá)到0.4 MPa即出現(xiàn)地下室地板滲漏漿液的問題,但壓力過低,進(jìn)漿效果較差,作用不明顯,選用合適的注漿設(shè)備實(shí)現(xiàn)注漿過程精細(xì)化控制仍需要進(jìn)一步研究。
[1] 羅富榮.北京地鐵建設(shè)安全管理創(chuàng)新研究[J].都市快軌交通,2009(2):16-19.(LUO Furong.Study on safety management innovation in Beijing subway construction[J].Urban Rail Transit,2009(2):16-19.(in Chinese))
[2] 王浩,覃衛(wèi)民,焦玉勇.淺埋大跨隧道下穿建筑物群的施工期安全風(fēng)險(xiǎn)管理[J].巖石力學(xué),2010,31(S1):310-316.(WANG Hao,QIN Weimin,JIAO Yuyong.Construction security risk managementforshallow-buried large-span tunnel passing intensive buildings underneath[J].Rock and Soil Mechanics,2010,31(S1):310-316.(in Chinese))
[3] 吳濤,孟丹.地鐵隧道下穿建筑物安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)[J].城市軌道交通研究,2014,17(9):57-61.(WU Tao,MENG Dan.Fuzzy comprehensive evaluation for the risk level of subway tunnel crossing under buildings[J].Urban Mass Transit,2014,17(9):57-61.(in Chinese))
[4] 石祥鋒,韓延飛,譚蕭.地鐵隧道下穿建筑物礦山法施工風(fēng)險(xiǎn)控制[J].土工基礎(chǔ),2005(1):81-85,93.(SHI Xiangfeng,HAN Yanfei,TAN Xiao.Risk control during mine construction of subway tunnel underpass buildings[J].Soil Engineering and Foundation,2005(1):81-85,93.(in Chinese))
[5] 賈建波,焦倉,范鵬.天津地鐵淺埋暗挖隧道地表變形分析[J].隧道建設(shè),2006(1):18-20,24.(JIA Jianbo,JIAO Cang,F(xiàn)AN Peng.Analysis of ground deformation for shallow tunnel in Tianjin Metro[J].Tunnel Construction,2006(1):18-20,24.(in Chinese))
[6] 康寅,孫付峰,程都,等.注漿加固技術(shù)在隧道下穿建筑物過程中的應(yīng)用[J].青島理工大學(xué)學(xué)報(bào),2013,34(2): 21-26,35.(KANG Yin,SUN Fufeng,CHENG Du,et al.Application of grouting reinforcement technology to protecting building underpassing the tunnel[J].Journal of Qingdao Technological University,2013,34(2):21-26,35.(in Chinese))
[7] 吳順川,金愛兵,高永濤.袖閥管注漿技術(shù)改性土體研究及效果評(píng)價(jià)[J].巖土力學(xué),2007,28(7):1353-1358.(WU Shunchuan,JIN Aibing,GAO Yongtao.Studies of sleeve-valve-pipe grouting technique and its effect on soil reinforcement[J].Rock and Soil Mechanics,2007,28(7): 1353-1358.(in Chinese))
[8] 林希鶴,盧清國,馬艷春.超前管棚支護(hù)在隧道工程中的應(yīng)用[J].鐵道建筑,2006(8):58-60.(LIN Xihe,LU Qingguo,MA Yanchun.Application of forepoling pipe-shed to tunnelling[J].Railway Engineering,2006(8):58-60.(in Chinese))
[9] 張東,薛洪松,路剛.袖閥管注漿在隧道穿越樓房施工中的應(yīng)用[J].建筑技術(shù),2009,40(11):999-1001.(ZHANG Dong,XUE Hongsong,LU Gang.Application of sleeve valve pipe grouting in construction of tunnel crossing building[J].Architecture Technology,2009,40(11): 999-1001.(in Chinese))