許俊偉

(中鐵隧道勘察設計研究院有限公司， 廣東 廣州　511400)

0　引言

淤泥質地層具有土體軟弱、含水量高、易發(fā)生較大變形和穩(wěn)定性差等特點，在該類土層中應用淺埋暗挖法修建地鐵隧道和地下通道，不僅要考慮上方及周邊建(構)筑物的安全，又要保證自身結構的穩(wěn)定，大大增加了施工難度和風險。在該類地層中進行淺埋暗挖隧道施工時，為保證施工和環(huán)境安全，施工前必須預先進行有效的地層改良和加固，增加地層的穩(wěn)定性。

對于淤泥質地層，目前常用的預加固方法有大管棚+小導管注漿、帷幕注漿、掌子面注漿、水平旋噴樁(加筋)和攪拌樁(深層、水平)等，同時也有可重復高壓灌漿錨桿和壓密注漿等方法被應用于實際工程，取得了較好的效果。況勇等[1]介紹了在上海含水淤泥質地層條件下,地鐵隧道，采用的管幕超前預支護、掌子面深孔注漿加固、短開挖、強支護等綜合淺埋暗挖施工技術； 楊世武[2]結合福州市地下人行通道，介紹了軟弱淤泥質地層條件下的地層加固和施工方法； 文獻[3-4]介紹了大管棚輔以小導管超前支護、掌子面深孔注漿和多分部法等綜合施工技術； 文獻[5-7]介紹了在軟流塑淤泥質粉質黏土層修建隧道采用高壓水平旋噴注漿加固地層的原理、漿體材料和配比、注漿壓力、注漿量、施工方法及注漿效果檢測等； 鄧建林[8]介紹了一種適合淤泥質地層的新型土體加固技術——水平攪拌，克服了在地面上無作業(yè)條件的難題,而且能夠通過監(jiān)測和控制孔口的返漿量以達到有效控制地面沉降的目的； 胡建林[9]論述了可重復高壓灌漿錨桿的結構構造及其獨特的灌漿工藝，探討了該類錨桿的承載能力特性； 曹偉[10]以蘇州工業(yè)園區(qū)處理淤泥質地層的方案及效果為例，探討了壓密注漿在淤泥質地層中的應用； 陶連金等[11]介紹了大跨徑矩形暗挖車站密貼下穿既有地鐵車站的施工技術，通過增加臨時立柱和千斤頂、型鋼鋼架基底處理、超細水泥漿初期支護背后回填注漿、多臺千斤頂同時加力頂升等措施有效控制了既有地鐵車站的沉降； 孫旭東[12]以北京地鐵6號線東四站—朝陽門站區(qū)間下穿既有5號線東四站為例,介紹了超前注漿加固及止水技術、CRD+千斤頂支護法、輔助深孔注漿及背后回填和補償注漿技術等暗挖隧道下穿既有車站施工技術； 吳昊[13]以青島地鐵為例，介紹了上下斷面差異性較大地質條件下，綜合采用深孔注漿地層預加固、超長管棚與支護和減震爆破及實時監(jiān)測技術，順利完成近距離下穿地下商業(yè)街； 孫國慶[14]以深圳地鐵7號線和9號線區(qū)間盾構接收為例，根據工程所處的環(huán)境，對靜壓循環(huán)注漿控制技術和擴散性好、凝膠時間可控的新型材料應用進行研究, 最終盾構端頭井加固達到了要求，確保了盾構安全出洞，還使鄰近既有線變形量控制在規(guī)范要求的范圍內； 文獻[15-16]根據深圳某地下通道的施工實踐，認為開挖階段支護整體下沉量和拆撐階段中隔墻受力的變大是導致地表沉降量迅速增加的主要原因。然而，在工程實際中除了采取必要的地層改良和加固措施外，選擇合適的開挖工法并控制開挖和支護施工影響也是工程安全順利完成的必要條件。

本文依托深圳某車站換乘通道暗挖段工程，針對其沉降控制要求高和周邊地層環(huán)境復雜等特點，采取水平旋噴樁和全斷面帷幕注漿相結合的超前預加固措施，提高了圍巖的強度和剛度。矩形隧道采用6步開挖，支撐拆除和二次襯砌施作階段采取分段的方式，全過程利用監(jiān)測信息指導施工，取得了軟弱富水淤泥質地層和復雜環(huán)境中大跨徑矩形通道暗挖施工的成功經驗。

1　工程概況

1.1　地質條件

暗挖隧道上覆地層主要為第四系全新統(tǒng)素填土，換乘通道暗挖段隧道主要穿越地層為淤泥質黏性土②2、粉質黏土③4、粗砂③8，暗挖隧道下方地層依次為較厚粗砂層、砂質黏性土、全風化花崗巖、強風化花崗巖，基巖為中風化花崗巖，隧道地質剖面見圖1。換乘通道暗挖段地表水不發(fā)育，地表水主要為坑洼地帶的積水。

圖1　暗挖隧道地質剖面圖 (單位： mm)

1.2　工程概況

換乘通道位于車站西南側，呈東西走向，暗挖隧道位于換乘通道靠近7號線車站一側。暗挖段為矩形斷面，開挖尺寸寬10.4 m，高4.866～5.112 m，長16 m，采用分步開挖法，分上下、左中右6步開挖。換乘通道暗挖段上方密貼有皇崗河雨水箱涵，箱涵為單箱雙室形式，鋼筋混凝土結構，寬12.3 m，高6.15 m，頂板厚450 mm，外側墻厚450 mm，中隔墻厚400 mm，底板厚500 mm，底板下墊層厚300 mm。暗挖段加固區(qū)下方為地鐵7號線右線隧道(隧道直徑為6 000 mm,管片厚300 mm)，加固區(qū)底至區(qū)間隧道管片頂約7～8 m，隧道平面和剖面見圖2。

(a) 暗挖隧道平面圖

(b) 暗挖隧道剖面圖

箱涵頂板上方覆蓋約0.9 m厚素填土，箱涵上半段位于素填土層，下半段位于淤泥質黏性土層，整個暗挖隧道均位于軟弱土層中，遇水易軟化，開挖易引起雨水箱涵和地表較大沉降，暗挖段降水受周邊條件限制而無法進行，施工風險較大。經綜合研究對比分析，暗挖通道分6步開挖，采用復合式襯砌結構； 超前支護方面，土體加固和止水采用水平旋噴樁和全斷面帷幕注漿補充加固止水，并采用φ42 mm×3.5 mm小導管輔助注漿加固土體。

2　暗挖換乘通道施工

暗挖隧道總體施工步驟為： 水平旋噴樁注漿加固土體—全斷面帷幕注漿加固土體—暗挖隧道初期支護施工—暗挖隧道支撐拆除和二次襯砌施工。

2.1　超前加固方案

隧道開挖前采取水平旋噴樁和全斷面注漿措施對隧道及周邊土體進行加固，以提高圍巖自穩(wěn)能力，降低施工風險。

2.1.1加固參數及工藝

1)水平旋噴加固。對隧道開挖影響范圍進行裙邊加固和抽條水平加固，加固深度為16 m，覆蓋整個暗挖隧道，共施工224根直徑600 mm、間隔450 mm的水平旋噴樁，孔位布置見圖3。現場鉆孔設備采用2臺型號為HTG-200的水平鉆機，漿液材料采用P·O 42.5R水泥，水灰比為1∶1。水平旋噴樁正式施工前，先進行洞內水平旋噴樁試驗，根據實際地層水平旋噴樁旋噴加固效果，初步確定現場旋噴樁施工主要技術參數見表1。

圖3　水平旋噴樁加固孔位布置情況

　　　施工參數參數值樁型/mm?600@450噴嘴個數2噴嘴直徑/mm2.2～2.4射水壓力/MPa25～32泥漿壓力/MPa1.0～1.5空氣壓力/MPa0.3～0.7噴桿提升速度/(cm/min)15～20噴嘴旋噴速度/(r/min)10～20水灰比1∶1噴射流量/(L/min)50～100水泥用量/(kg/m)350搭接長度/mm150

2)全斷面注漿。加固范圍為暗挖隧道輪廓線內及下部初期支護輪廓線外3 m，每循環(huán)縱向加固長度為9 m，開挖6 m，預留3 m作為下循環(huán)止?jié){巖盤。為了便于過程控制及保證加固效果，采用分段后退式注漿工藝，按照“多孔少注”的原則，漿液擴散半徑為1.2 m，共計布設336個注漿孔，注漿材料采用P·O 42.5水泥，水灰比為0.8∶1～1∶1，注漿壓力為0.3～0.6 MPa。全斷面注漿布置見圖4。

圖4　全斷面注漿布置情況 (單位： mm)

2.1.2加固施工過程控制

水平旋噴樁施工過程中，巨大的噴射壓力導致箱涵結構出現了快速隆起現象，最大隆起量約27 mm。針對此現象，現場及時采取了以下措施來控制隆起： 1)降低水平旋噴壓力，從32 MPa降低至25 MPa； 2)在箱涵下方1 m處水平均勻布置1排泄壓孔，對水平旋噴加固土體進行泄壓?，F場實施后，箱涵隆起得到控制，隆起量不再增加，且出現了少量回落現象，說明處理措施得當。同時，水平旋噴樁施工造成的箱涵隆起為后期隧道施工引起的箱涵沉降提供了緩沖，一定程度上降低了換乘通道暗挖施工對周邊環(huán)境的影響。

2.1.3加固效果評價

暗挖隧道土體加固施工從2016年10月2日開始，到2016年11月12日結束，共施工水平旋噴樁224根，施工完成后的成樁效果見圖5。選取9根水平旋噴樁進行鉆孔取芯，并將芯樣送檢，進行樁身強度、樁身完整性、樁長和樁底沉渣檢測，芯樣情況見圖6。檢測結果顯示，單個芯樣抗壓強度范圍為3.8～9.2 MPa(設計強度為4 MPa)，芯樣呈短柱狀、碎塊狀、塊狀，膠結良好。

圖5　水平旋噴樁成樁效果

圖6　現場水平旋噴樁鉆孔芯

水平旋噴樁施工完成2 d后，進行全斷面注漿加固施工，結果顯示后期芯樣較完整，可知全斷面帷幕注漿加固對水平旋噴樁的影響較小。由現場加固情況和取芯送檢結果分析，暗挖隧道土體加固效果較好，加固完成后，圍巖自穩(wěn)能力有較大的提高，隧道開挖風險進一步降低。

2.2　暗挖隧道開挖和初期支護

暗挖矩形隧道開挖和初期支護以“化整為零、減小一次開挖跨徑，及時形成封閉體系”為原則，上部以中導洞先行，左右導洞以安全距離緊跟，將下部加固體作為承載基礎，利用鋼架和鎖腳錨管及時形成臨時封閉體系，控制箱涵和隧道初期支護的變形； 下部施工同樣以中導洞先行，左右導洞以安全距離緊跟，及時形成永久封閉體系。初期支護設計參數見表2，初期支護的結構及導洞施工順序見圖7。

表2　初期支護設計參數

2.3　暗挖隧道結構施工

暗挖隧道結構施工總體思路： 保留部分臨時支撐，對其進行有效的防水處理后進行二次襯砌施工，控制體系轉換造成的箱涵及隧道初期支護變形。結構底板一次澆筑成型，分2段(每段8 m)拆除臨時橫向支撐，施工側墻結構，最后施工頂板結構，待結構混凝土強度達到設計要求后，拆除臨時豎向支撐，側墻處設置2道水平向施工縫，沿結構縱向設置1道環(huán)向施工縫。結構施工示意圖見圖8。

圖7　初期支護結構及開挖工序圖 (單位： mm)

Fig. 7Structure of primary support and process of excavation (unit: mm)

圖8結構施工示意圖(單位： mm)

Fig. 8Sketch of structure construction (unit: mm)

2.3.1底板施工

暗挖隧道底板結構一次性施工。首先破除豎向臨時中隔墻底板高度范圍的混凝土，然后焊接法蘭盤，鋪設防水卷材，綁扎底板及水平施工縫上部50 cm范圍內的鋼筋，最后澆筑混凝土。

2.3.2第1段結構施工

結構施工流程如圖9所示。頂板澆筑采用附著式振搗器，底部布設6個附著式振搗器，邊澆筑邊振搗，使混凝土振搗密實。

第1段結構施工過程中上方箱涵結構監(jiān)測數據穩(wěn)定，但現場仍存在一些問題： 1)支撐拆除過程中，少量豎向支撐中間對接位置未完全對齊，存在失穩(wěn)風險，現場及時補焊架設了支撐結構； 2)頂板混凝土澆筑先進行水平澆筑，引起豎向澆筑口堵塞，豎向混凝土澆筑困難，現場通過加壓澆筑和后期補充注漿措施進行處理。

圖9　結構施工流程圖

2.3.3第2段結構施工

第2段結構施工一次性拆除兩側導洞的橫向支撐，保留中洞橫向支撐，相較于第1段結構支撐的拆除方式，增強了抗失穩(wěn)能力。側墻和頂板防水鋪設、鋼筋綁扎和混凝土澆筑過程與第1段基本相同，頂板澆筑時先通過豎向澆筑口進行混凝土澆筑，避免出現澆筑口堵塞的情況，順利完成了頂板澆筑工作。

3　監(jiān)測結果分析

依據設計要求，在施工過程中主要監(jiān)測項目及控制指標見表3。

表3　監(jiān)測項目及控制指標

3.1　箱涵沉降監(jiān)測分析

在雨水箱涵結構上布置箱涵沉降監(jiān)測點，箱涵沉降監(jiān)測點位布置和各施工階段監(jiān)測結果見圖10和圖11。

JHGH01—JHGH09為監(jiān)測點編號。

圖10箱涵沉降監(jiān)測點位布設圖

Fig. 10Layout of settlement monitoring points on box culvert

圖11　暗挖隧道上方箱涵沉降曲線

由圖11可知，水平旋噴樁施工期間，暗挖隧道上方箱涵產生了約15～27 mm的隆起量，接近控制值，應及時暫停施工并研究對策。通過設置泄壓孔和控制注漿壓力，隆起量得到有效控制并有少量回落，至全斷面注漿加固結束，箱涵沉降數值保持穩(wěn)定，最大隆起值約為25 mm。注漿加固結束后，受到漿液收縮等影響，開挖準備階段至隧道開挖前，箱涵最大隆起量(JHGH02監(jiān)測點處)下降至約20 mm； 暗挖隧道開挖和初期支護施作期間，測點變化呈穩(wěn)定狀態(tài)，至初期支護施工完成，箱涵最大隆起量約為19 mm； 二次襯砌施工完成后，箱涵最終最大隆起值約為16 mm，在設計要求范圍內。

3.2　拱頂沉降和周邊收斂監(jiān)測分析

暗挖隧道開挖時，自西向東每3 m設置1個監(jiān)測斷面，共設置5個監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面設置3個拱頂沉降測點和4個周邊收斂測點，如圖12所示。拱頂沉降和周邊收斂測點在二次襯砌施作前進行拆除，其監(jiān)測結果見圖13和圖14。

由圖13和圖14可知，從隧道開挖到二次襯砌施工期間，隧道拱頂最大產生了6.8 mm的沉降，小于10 mm的控制值； 隧道初期支護周邊收斂最大值為6.2 mm，小于10 mm的控制值。根據總體監(jiān)測結果可以得出，水平旋噴樁施工引起箱涵產生較大的隆起變形，隧道暗挖過程中，圍巖穩(wěn)定、箱涵沉降變化較小，開挖引起的隧道拱頂沉降和周邊收斂均小于控制值，最終上方雨水箱涵在施工過程中變形未超過控制指標，未出現漏水和開裂現象。以上結果說明，換乘通道暗挖隧道施工過程中采取的水平旋噴樁加固、全斷面帷幕注漿和開挖支護及二次襯砌施工措施是安全可靠的。

(a) 監(jiān)測斷面內監(jiān)測點布設圖

(b) 監(jiān)測斷面布設圖

SL和GD表示監(jiān)測點編號。

圖12拱頂沉降和周邊收斂監(jiān)測點布設(單位： mm)

Fig. 12Layout of monitoring points for crown top settlement and surrounding convergence (unit: mm)

圖13　暗挖隧道拱頂沉降曲線

圖14　暗挖隧道周邊收斂曲線

4　結論與討論

本文通過介紹深圳某車站暗挖矩形換乘通道在軟弱淤泥層中密貼下穿雨水箱涵的施工控制技術，針對軟弱地層加固、初期支護及二次襯砌施工采取主動控制措施，安全順利地完成了暗挖換乘通道的施工，箱涵和隧道變形均在控制范圍之內，對后續(xù)隧道施工有一定的借鑒意義，并得出如下主要結論。

1)在軟弱淤泥層中密貼下穿雨水箱涵施工，采用水平旋噴樁和全斷面帷幕注漿超前加固軟弱土體和封水堵水，可以有效改良地層，提高地層整體剛度，減少施工對周邊環(huán)境的影響； 在水平旋噴樁加固過程中，采取降低旋噴壓力和設置泄壓孔的措施，可以有效減小箱涵的隆起。

2)矩形大斷面通道初期支護采用分步開挖，分上下、左中右6步施工，化整為零，減小了一次開挖跨徑； 二次襯砌結構施工過程中采取了分段施工及中間臨時支撐不拆除,待二次襯砌混凝土達到設計強度后再拆除中間臨時支撐的措施，可以有效地控制地層應力的釋放，保證了隧道施工及周邊環(huán)境的安全。

3)在本工程的旋噴樁施工過程中，箱涵隆起值較大，易引起箱涵結構產生裂縫、破壞或在接縫處由于不均勻變形引起滲漏水。后續(xù)類似工程注漿施工時建議優(yōu)化注漿材料，可優(yōu)先選取中(超)細水泥或者硫鋁酸鹽快硬水泥，它們均具有凝結時間可控、早期強度高、可注性好等特點，既能滿足富水條件下軟弱地層注漿加固效果要求，又便于控制，避免注漿引起鄰近建(構)筑物變形或開裂，雖然材料價格相對較高，但避免了建(構)筑物開裂引起的不良社會影響和高額的修復費用。