聶愛兮,曾賽梅,梁 橋
(1.中交一公局集團(tuán)有限公司,北京100020;2.湖南工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院,湘潭411104)
西安市位于渭河斷線盆地中段南部,地形地貌復(fù)雜,地質(zhì)構(gòu)造較活躍,是我國地裂縫災(zāi)害最嚴(yán)重、最典型的城市[1-3].據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),迄今為止,地裂縫災(zāi)害已給西安市政建設(shè)造成了數(shù)十億元的經(jīng)濟(jì)損失[4].在地裂縫帶進(jìn)行淺埋暗挖隧道開挖,由于土體含水量較豐富,自穩(wěn)能力差,開挖時(shí)容易發(fā)生涌水、突泥和坍塌事故,進(jìn)而引起地表塌陷[5-7].如果在城市地下施工,還容易引發(fā)原有路面開裂、造成已有建筑物下沉,甚至倒塌等不同程度的破壞[8].因此,地鐵淺埋暗挖隧道穿越地裂縫帶的關(guān)鍵問題是如何確保的地鐵隧道施工安全,減少或避免對(duì)周圍環(huán)境的破壞[9].
本文以西安地鐵6號(hào)線紡織城紡二路站~紡織城站區(qū)間內(nèi)淺埋暗挖段隧道為例,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,對(duì)超前小導(dǎo)管支護(hù)、全斷面注漿加固止水、開挖方法等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行完善和優(yōu)化,在保證隧道施工安全及作業(yè)面地下水的封堵上取得了良好效果,實(shí)現(xiàn)了區(qū)間隧道的順利貫通,取得的成果可以為同類工程的施工提供借鑒和參考.
西安地鐵6號(hào)線紡二路站~紡織城站區(qū)間位于西安市灞橋區(qū)紡織城,區(qū)間內(nèi)淺埋暗挖段起止里程YDK48+153.401~YDK48+540.117(ZDK48+129.852~ZDK48+551.590);右 線 暗 挖 長(zhǎng) 度 為381.716 m,左線暗挖長(zhǎng)度為421.738 m,其間設(shè)一座聯(lián)絡(luò)通道兼廢水泵房.圖1為淺埋暗挖段隧道平面布置圖.
圖1 淺埋暗挖段隧道平面布置圖
淺埋暗挖段隧道有兩種斷面形式,分別為盾構(gòu)空推斷面A及標(biāo)準(zhǔn)斷面C,斷面A開挖高度為9.035 m,開挖寬度為9 m,采用CRD法施工;斷面C開挖高度為6.67 m,開挖寬度為6.28 m,采用臺(tái)階+臨時(shí)仰拱法施工.超前支護(hù)采用超前小導(dǎo)管注漿+全斷面注漿;初期支護(hù)采用格柵鋼架+臨時(shí)支撐+噴射混凝土的聯(lián)合支護(hù)體系.
淺埋暗挖段隧道穿越f6地裂縫,沿線路方向地勢(shì)總體開闊,西南側(cè)較高、東北側(cè)較低,地形較為平緩,地貌分界位置起伏較大,地面高程介于411.40~433.49 m之間,最大高差約22.09 m.
暗挖段隧道所在場(chǎng)地地表以下60.0 m深度范圍內(nèi)的地層主要為第四系堆積物,土層為粉質(zhì)黏土和古土壤.開挖后發(fā)現(xiàn)地面以下29~30.5 m處存在鈣質(zhì)膠結(jié)層.
根據(jù)鉆孔揭露,工程場(chǎng)地所揭露的地下水為第四系松散層孔隙潛水,水位埋深10.70~29.80 m,水位高程395.80~410.06 m.淺埋暗挖隧道結(jié)構(gòu)標(biāo)高為393.129~402.5 m,地下水位于隧道底面以上2 m、地表以下21 m之間.在新醫(yī)路及長(zhǎng)樂東路f6地裂縫的上下盤,地裂縫兩盤地下水位南高北低,上盤水位高于下盤水位約6.0~10.0 m.
(1)暗挖隧道位于長(zhǎng)樂東路下方,穿越紡織城舊城區(qū),周邊建(構(gòu))筑物及地下管線較多,其中房屋以20世紀(jì)70、80年代為主,質(zhì)量參差不齊.由于地裂縫破碎帶難以形成自然拱,開挖時(shí)容易發(fā)生拱部坍塌、變形過大等事故.
(2)根據(jù)地質(zhì)勘察資料,暗挖隧道基本位于地下水位以下,盡管水壓不大,但地下水和地表水一旦滲入就會(huì)造成防水失控.而抽排水易加劇地裂縫的活動(dòng),從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形增大,造成不可挽回的損失.
(3)地面以下29~30.5 m處存在鈣質(zhì)膠結(jié)層,位于隧道1/3位置,具氧化鐵條紋,難以破碎.圖2為鈣質(zhì)膠結(jié)層位置示意圖.
圖2 掌子面鈣質(zhì)膠結(jié)層位置示意圖
針對(duì)暗挖段地質(zhì)情況與施工難點(diǎn),施工中地層超前支護(hù)加固采用超前小導(dǎo)管預(yù)注漿加固,以及全斷面超前預(yù)注漿加固方案.
根據(jù)循環(huán)進(jìn)尺位置,沿隧道拱部初支輪廓線外打入帶孔超前小導(dǎo)管,如圖2所示,然后通過小導(dǎo)管向開挖輪廓外圍巖注漿,對(duì)土層進(jìn)行超前加固封堵,在結(jié)構(gòu)輪廓線外形成一個(gè)弧形加固圈,防止施工時(shí)拱頂?shù)魤K、坍塌.
小導(dǎo)管由直徑φ42 mm、壁厚3.5 mm鋼花管加工而成,長(zhǎng)度為3.0 m,沿拱部150°范圍布置,環(huán)向間距0.4 m,縱向間距1.5 m,外插角20°~25°.小導(dǎo)管管壁上按間距150 mm梅花型設(shè)置漏漿孔,孔徑10 mm,鋼管尾部留0.2 m不鉆孔止?jié){段;注漿壓力按0.3 MPa,注漿材料為水泥水玻璃雙液漿,其中水灰比1∶0.5,水泥漿和水玻璃體積比為1∶1;注漿壓力和漿液配比根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整,充分?jǐn)嚢杈鶆蚝蠹皶r(shí)使用.
地裂縫破碎帶地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,富水量大,遇水極易軟化崩塌[10].為解決隧道開挖過程中圍巖穩(wěn)定性問題,采用全斷面注漿技術(shù)對(duì)地裂縫破碎帶地層進(jìn)行止水、加固,提高圍巖的強(qiáng)度和自穩(wěn)能力.
(1)注漿基本參數(shù)
施工時(shí),注漿參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘察得到的地層實(shí)際情況進(jìn)行試驗(yàn)確認(rèn),并在施工現(xiàn)場(chǎng)不斷調(diào)整和完善,注漿過程中結(jié)合注漿壓力變化情況,現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)整、優(yōu)化注漿參數(shù).具體的注漿基本參數(shù)如表1所示.
表1 注漿基本參數(shù)
(2)注漿材料的選擇
施工前,預(yù)測(cè)地質(zhì)情況及涌水點(diǎn)的水壓力、流量、流速和儲(chǔ)水量,選擇注漿材料.具體方法如下:
1)封堵超前小導(dǎo)管管口和封孔注漿時(shí),選用水泥-水玻璃雙液漿;
2)地下水流速很快時(shí),先注入惰性材料,如中粗砂或巖粉等,以充填滲水通道,增加漿液流動(dòng)阻力,減少跑漿,再注入水泥-水玻璃雙液漿堵水;
3)對(duì)于涌水量很大且具有較大儲(chǔ)水空間的大股突水,采取先將動(dòng)水變?yōu)橄鄬?duì)靜水再進(jìn)行注漿的堵水措施,即設(shè)置堵截墻,使用快速膠凝的漿液堵水;還可采用分流減壓、減流速的辦法,再調(diào)整膠凝時(shí)間對(duì)出水點(diǎn)進(jìn)行封堵.注漿材料仍選水泥-水玻璃漿液或超細(xì)水泥漿液.
(3)漿液配比優(yōu)化與配置
為了提高全斷面注漿質(zhì)量,在保證漿液滲透土體后的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值的同時(shí),對(duì)配合比做了優(yōu)化和調(diào)整(如圖3所示),將原設(shè)計(jì)的水泥漿與水玻璃體積比1∶1調(diào)整為1∶1.1~1.2,目的是加速漿液的凝結(jié)時(shí)間;將原設(shè)計(jì)漿液比凝固時(shí)間120 s縮短至35 s,防止?jié){液擴(kuò)散半徑過大對(duì)周邊建筑物造成影響.水泥漿水灰比由1∶0.5~1∶0.75調(diào)整為1∶0.75,以提高注漿擴(kuò)散半徑范圍內(nèi)漿液的強(qiáng)度.
圖3 現(xiàn)場(chǎng)配合比調(diào)試
漿液配置采用SJB-300×2型雙層攪拌器,制漿材料拌和前先稱重,誤差應(yīng)小于5%,水泥等固相材料采用重量稱重法.水泥漿液拌好后用1 mm×1 mm篩網(wǎng)過濾,并放入攪拌機(jī)進(jìn)行二次攪拌,純水泥漿制備至用完的時(shí)間不超過4 h,細(xì)水泥漿自制備至用完時(shí)間不超過2 h.漿液的攪拌時(shí)間通過試驗(yàn)確定,并滿足規(guī)范要求.
(4)注漿孔布置
注漿孔布置如圖4所示,注漿加固范圍為隧道開挖線以外3 m,注漿段長(zhǎng)度為20 m,一個(gè)注漿段完成后留3 m不開挖作為下一注漿段的止?jié){盤.第一循環(huán)注漿前采用噴射混凝土作為止?jié){墻,厚度30 cm.
圖4 注漿孔布置示意圖
(5)施工要點(diǎn)
1)超前注漿孔鉆孔采用MK-5型鉆機(jī),鉆孔直徑130 cm,鉆孔前先在掌子面用紅油漆按設(shè)計(jì)要求標(biāo)注注漿孔位,然后移動(dòng)鉆機(jī),將鉆頭對(duì)準(zhǔn)所標(biāo)孔位,并按設(shè)計(jì)調(diào)整鉆機(jī)角度后固定.先用鉆機(jī)開孔至3 m深,鉆孔直徑130 mm,安設(shè)、固定孔口管(孔口管采用長(zhǎng)2.2 m,測(cè)量定位孔口外露20 cm,直徑108 mm鋼管),然后通過孔口管鉆設(shè)φ100 mm注漿孔.開孔及孔口管安裝:開孔做到輕加壓、速度慢、給水足.孔口管埋設(shè),對(duì)無水地段采用干硬性早強(qiáng)砂漿堵塞定位,對(duì)于孔口涌水地段,孔口管的埋設(shè)采用增強(qiáng)型防水劑和水泥配制的固管混合料來定位固管.漿液的擴(kuò)散半徑為3.0 m.
2)采用后退式注漿施工,鉆一段,注一段,注漿膠凝時(shí)間根據(jù)水壓確定.分段長(zhǎng)度根據(jù)鉆孔情況確定,若出現(xiàn)大的涌水或泥沙(Q>10 m3/h)則按1~2 m分段;若涌水或泥沙較?。≦<10 m3/h)或輕微卡鉆,則鉆孔注漿段長(zhǎng)度可適當(dāng)加大至3~5 m.如無涌水涌泥(砂)和卡鉆的情況發(fā)生,則可采用全孔一次性注漿方式進(jìn)行.以保證注漿質(zhì)量和減少掃孔作業(yè),增加作業(yè)時(shí)間和提高作業(yè)效率.
3)注漿順序是先注外圈孔,再注內(nèi)圈孔;同圈孔間隔注漿,注完一孔,跳過一孔或多孔注漿;先注無水區(qū),后注有水區(qū).后序孔可檢查前序孔的注漿效果.同時(shí)結(jié)合涌水水源點(diǎn)位置和水流方向,按由有水孔到無水孔的順序施工,檢查孔施工順序待注漿孔注漿結(jié)束后視現(xiàn)場(chǎng)情況而定.
(6)注漿效果及評(píng)定
1)檢查孔:注漿結(jié)束后,在注漿薄弱區(qū)域鉆設(shè)檢查孔,檢查孔數(shù)量按設(shè)計(jì)注漿孔數(shù)量的5%~10%考慮,檢查孔要求全斷面涌水量小于1 m3/(d·m),否則應(yīng)補(bǔ)孔注漿.
2)漿液填充率反算:通過統(tǒng)計(jì)總注漿量,反算漿液對(duì)空隙填充率,漿液填充率達(dá)到70%以上.
(7)注意事項(xiàng)
1)止水盤(止?jié){墻)止?jié){效果的好壞,將直接關(guān)系到注漿成功與否.根據(jù)注漿段圍巖情況預(yù)留不同厚度的止水盤,一般取3 m.第一循環(huán)注漿前采用噴射30 cm厚混凝土作為止?jié){墻,注漿前進(jìn)行關(guān)水試驗(yàn),觀察止?jié){墻滲水情況.當(dāng)出現(xiàn)小股涌水時(shí),應(yīng)采取在涌水處采用風(fēng)鉆鉆淺孔注漿固結(jié)止?jié){墻;當(dāng)出現(xiàn)大股涌水時(shí),應(yīng)采取先對(duì)掌子面出水點(diǎn)進(jìn)行引流,清底,澆筑混凝土止?jié){墻,混凝土施工過程中預(yù)埋孔口管與小導(dǎo)管注漿建造止?jié){墻.
2)若鉆孔過程中遇見突泥情況,立即停鉆,拔出鉆桿,安裝孔口管及高壓閥,進(jìn)行注漿.
3)若止?jié){墻小裂隙漏漿,先用水泥漿浸泡過的麻絲填塞裂隙,并調(diào)整漿液配比,縮短凝膠時(shí)間;若仍跑漿,在漏漿處采用普通風(fēng)鉆鉆淺孔注漿止?jié)B.
4)若掌子面前方5 m范圍內(nèi)大裂隙串漿或漏漿,采用止?jié){塞穿過該裂隙進(jìn)行后退式注漿.
5)當(dāng)注漿壓力突然增高,則只注純水泥漿或清水,待泵壓恢復(fù)正常時(shí),再進(jìn)行雙液注漿;若壓力不恢復(fù)正常,則停止注漿,檢查管路是否堵塞.
6)當(dāng)進(jìn)漿量很大,壓力長(zhǎng)時(shí)間不升高,則調(diào)整漿液濃度及配合比,縮短凝膠時(shí)間,進(jìn)行小泵量、低壓力注漿,以使?jié){液在巖層裂隙中有相對(duì)停留時(shí)間,以便凝膠;也可以進(jìn)行間歇式注漿,但停注時(shí)間不能超過漿液凝膠時(shí)間.
結(jié)合地質(zhì)勘察得到的資料,淺埋暗挖段A斷面采用CRD法開挖.考慮到鈣質(zhì)膠結(jié)層的特殊性,主要為人工配合小型挖機(jī)開挖,CRD法共分4個(gè)導(dǎo)坑開挖支護(hù),開挖先后順序?yàn)?#、2#、3#、4#,1#與2#導(dǎo)洞錯(cuò)開3~5 m,1#與3#導(dǎo)洞錯(cuò)開距離不少于15 m,3#與4#導(dǎo)洞錯(cuò)開3~5 m.等全部正洞施做完支護(hù)后,逐段拆除臨時(shí)支撐施做二次襯砌.圖5為A斷面開挖示意圖.
圖5 A斷面開挖示意圖
暗挖區(qū)間C斷面采用臺(tái)階+臨時(shí)仰拱法施工如圖6所示,主要為人工配合小型挖機(jī)開挖.開挖先后順序?yàn)?#、2#、3#,第一步施工時(shí)先開挖上臺(tái)階土方,開挖時(shí)預(yù)留核心土;第二步根據(jù)開挖進(jìn)尺深度,進(jìn)行核心土開挖,確保核心土保留長(zhǎng)度為1.5 m,核心土與初支距離約1.8 m,上臺(tái)階施工完成后及時(shí)進(jìn)行臨時(shí)仰拱施工;第三步待上臺(tái)階開挖進(jìn)尺6~8 m后,開挖下臺(tái)階土體.
圖6 C斷面開挖示意圖
對(duì)于難以破碎的膠結(jié)層,采用小挖機(jī)結(jié)合人工破碎進(jìn)行施工,由于鈣質(zhì)膠結(jié)層的存在導(dǎo)致開挖時(shí)間增加1/3,從而導(dǎo)致整個(gè)工期延長(zhǎng).
洞身開挖和支護(hù)格柵鋼架每循環(huán)進(jìn)尺0.5 m(局部加密,馬頭門進(jìn)洞6榀密排),嚴(yán)格控制鋼架間距,每次開挖完成后立即架設(shè)格柵鋼架.
項(xiàng)目部專門成立地裂縫段施工專家小組,對(duì)施工過程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo),借鑒其他單位地裂縫施工成功經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)籌安排施工。
成立專項(xiàng)施工監(jiān)測(cè)小組,當(dāng)施工到地裂縫前,對(duì)前方地層進(jìn)行探測(cè),根據(jù)探測(cè)到的地形情況對(duì)施工方案進(jìn)行調(diào)整.同時(shí)在施工前,對(duì)所有暗挖下穿影響的建筑物現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)估;施工過程中,對(duì)于地裂縫段的地表、地面建筑物和隧道洞內(nèi)加密布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),將監(jiān)測(cè)信息反饋給設(shè)計(jì)和監(jiān)理單位,及時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行分析反饋.
制定詳細(xì)的應(yīng)急預(yù)案,準(zhǔn)備充足的應(yīng)急物資、設(shè)備,根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)地表建筑物進(jìn)行必要的地表注漿加固.
從現(xiàn)場(chǎng)全斷面注漿施工情況分析,注漿效果較好,止水效果明顯,現(xiàn)場(chǎng)全斷面注漿施工為20 m一循環(huán),當(dāng)掌子面開挖臨近注漿終點(diǎn)時(shí),掌子面滲水現(xiàn)象明顯,下個(gè)循環(huán)全斷面注漿施工完成時(shí),掌子面開挖,無滲水現(xiàn)象,如圖7所示.
圖7 全斷面注漿完成后開挖無滲水現(xiàn)象
注漿漿液配合比調(diào)整后,掌子面開挖土體加固效果明顯得到改善,注漿漿液脈絡(luò)清晰(如圖8所示),土體開挖效率提高,風(fēng)險(xiǎn)明顯降低.
圖8 掌子面注漿脈絡(luò)結(jié)石情況
調(diào)整后的土體加固效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)送檢,滿足設(shè)計(jì)要求的周邊土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1.0 MPa,掌子面土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.6 MPa,滲透系數(shù)均不應(yīng)小于1×10-6cm/s.
本工程針對(duì)灞橋區(qū)紡織城紡二路站~紡織城站區(qū)間地鐵隧道施工中由于地裂縫可能引起的地表沉降及滲水問題,采用淺埋暗挖法進(jìn)行施工.主要結(jié)論如下:
(1)采用超前全斷面預(yù)注漿加固與超前小導(dǎo)管支護(hù)能夠?qū)Φ貙悠鸬胶芎玫念A(yù)加固、預(yù)支護(hù)作用,特別是采用水泥-水玻璃雙液漿作為全斷面止水注漿材料,對(duì)水泥漿與水玻璃的配合比及水泥漿的水灰比進(jìn)行了優(yōu)化,有效地控制了漿液擴(kuò)散對(duì)周邊建筑的影響;提高了漿液的強(qiáng)度及土體的加固效果;在降低土體開挖風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)也加快了隧道開挖的進(jìn)度.
(2)采用CRD法施工與環(huán)形開挖留核心土法是合適的;對(duì)于難以破碎的膠結(jié)層,采用小挖機(jī)結(jié)合人工破碎進(jìn)行施工,由于鈣質(zhì)膠結(jié)層的存在導(dǎo)致開挖時(shí)間增加1/3,從而導(dǎo)致整個(gè)工期延長(zhǎng).
(3)針對(duì)地裂縫暗挖地段,應(yīng)成立施工專家小組指導(dǎo)施工;當(dāng)施工到地裂縫前,對(duì)前方地層進(jìn)行探測(cè),根據(jù)探測(cè)到的地形情況對(duì)施工方案進(jìn)行調(diào)整;施工過程中,對(duì)于地裂縫段的地表、地面建筑物和隧道洞內(nèi)進(jìn)行信息監(jiān)測(cè)施工,制定詳細(xì)的應(yīng)急預(yù)案.
(4)實(shí)施效果表明,全斷面注漿施工完成時(shí),掌子面開挖無滲水現(xiàn)象;注漿漿液配合比調(diào)整后,掌子面開挖土體加固效果明顯得到改善,注漿漿液脈絡(luò)清晰,土體加固效果滿足設(shè)計(jì)要求,土體開挖效率提高,并降低了施工風(fēng)險(xiǎn).