楊 寧 付 財(cái) 楊志剛魏可東

(1.北京中煤礦山工程有限公司,北京 100013;2.礦山深井建設(shè)技術(shù)國(guó)家工程研究中心,北京 100013)

0 引言

伴隨著我國(guó)城市地下軌道交通的快速發(fā)展,淺埋暗挖施工技術(shù)以其地面擾動(dòng)小、無(wú)污染、無(wú)噪聲,兼顧開(kāi)挖與澆筑等多種優(yōu)勢(shì),在地下空間的開(kāi)發(fā)中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用[1-3],但是,對(duì)于地下水豐富、水位較高、開(kāi)挖斷面巨大的軟弱地層,淺埋暗挖法又存在著諸如涌水、涌砂、開(kāi)挖面失穩(wěn)、變形較大等工程風(fēng)險(xiǎn)[4-6]。在此背景下,軟弱圍巖淺埋暗挖工程的加固與掘砌方法的選取顯得尤為重要[7-8]。

近年來(lái),針對(duì)軟弱地層圍巖加固方法,相關(guān)專家學(xué)者進(jìn)行了大量的探索研究,開(kāi)發(fā)了包括超前小導(dǎo)管加密注漿、水平旋噴樁、人工凍結(jié)等一系列技術(shù)對(duì)富水軟弱地層進(jìn)行加固[9-13]。但注漿與旋噴樁技術(shù)不能保證無(wú)滲水風(fēng)險(xiǎn),且在開(kāi)挖過(guò)程中,開(kāi)挖面的穩(wěn)定性也難以得到有效保證。人工凍結(jié)技術(shù)以其優(yōu)異的止水效果與地層加固功能,目前已成為我國(guó)大部分地區(qū)施工淺埋隧道穿越富水地層的重要方法之一[14-16]。

本文以廣州地鐵11號(hào)線云大區(qū)間二期道岔渡線段52 m 暗挖主隧道工程為研究對(duì)象,綜合考慮多方面因素后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖步序?qū)嵤┱{(diào)整,并加強(qiáng)施工過(guò)程中的變形數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè),順利完成了該工程的開(kāi)挖構(gòu)筑工作,大大縮短了工期,為后續(xù)類似條件下淺埋暗挖工程的推廣應(yīng)用起到了較好的借鑒作用。

1 工程簡(jiǎn)況與地質(zhì)條件

廣州地鐵11號(hào)線云大區(qū)間二期道岔渡線段是在原有云大一期施工完成的1#橫通道進(jìn)行主隧道的凍結(jié)、暗挖構(gòu)筑工作,隧道沿東西走向分為兩個(gè)部分,分別為道岔渡線段73 m 暗挖主隧道和52 m 暗挖主隧道,隧道平面布置如圖1所示。本文研究的對(duì)象為道岔渡線段52 m 暗挖主隧道部分。

圖1 道岔渡線段主隧道平面布置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料顯示,道岔渡線段52 m暗挖主隧道主要穿越素填土＜1-2＞、可塑狀砂質(zhì)黏性土＜5Z-1＞、硬塑狀砂質(zhì)黏性土層＜5Z-2＞、全風(fēng)化混合花崗巖＜6Z＞等。穿越地層主要為可塑狀砂質(zhì)黏性土和硬塑狀砂質(zhì)黏性土,全風(fēng)化且呈堅(jiān)硬土狀,遇水易崩解,工程水理性質(zhì)差,圍巖穩(wěn)定性較差。隧道頂覆土厚度為11.4～14.8 m,相應(yīng)地質(zhì)縱斷面如圖2所示。

圖2 廣州云大區(qū)間道岔渡線段地質(zhì)縱斷面

本工程范圍勘察揭露的地下水位埋深為1.80～18.10 m,其變化與地下水的賦存、補(bǔ)給及排泄關(guān)系密切,并受季節(jié)變化影響。每年4～9月是地下水的補(bǔ)給期,水位會(huì)明顯上升,10月到次年3月為地下水消耗期和排泄期,地下水位隨之下降,年變化幅度為2.5～3.0 m。

據(jù)此,經(jīng)反復(fù)論證后,主隧道暗挖工作采用水平凍結(jié)加固圍巖土體后,再進(jìn)行相應(yīng)的暗挖施工。

2 施工方案

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,隧道施工采用水平凍結(jié)加固外圈圍巖后,進(jìn)行后續(xù)開(kāi)挖及結(jié)構(gòu)施工,其中腰線以上凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度為3.0 m,腰線以下凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度為2.0 m,隧道采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu),隧道結(jié)構(gòu)根據(jù)截面尺寸不同,分為A 型斷面和B型斷面,尺寸大小分別為:11.80 m×15.40 m(高×寬)、12.15 m×16.50 m(高×寬),結(jié)構(gòu)厚度分別為650 mm、700 mm,具體的結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示。

圖3 道岔渡線段大斷面暗挖段結(jié)構(gòu)斷面

2.1 施工難點(diǎn)分析

(1)暗挖主隧道水文地質(zhì)條件復(fù)雜。沿線穿越花崗巖殘積土、斷裂破碎帶等不良地質(zhì)層,地下水水位較淺,水位埋深為1.80～18.10 m,并且地下水位的變化與其賦存、補(bǔ)給及排泄關(guān)系密切,開(kāi)挖過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)涌水、涌砂及開(kāi)挖面失穩(wěn)的情況。

(2)隧道淺埋暗挖安全風(fēng)險(xiǎn)高,變形控制要求嚴(yán)苛。道岔渡線段主隧道拱頂覆土厚度11.4～14.8 m,工點(diǎn)緊鄰白云山5A 風(fēng)景區(qū)及廣園城市快速主干道,在整個(gè)凍結(jié)和開(kāi)挖過(guò)程中需要嚴(yán)格控制變形發(fā)展,避免對(duì)地面環(huán)境造成惡劣影響。

(3)工期要求緊張。根據(jù)項(xiàng)目工期安排,廣州云大區(qū)間道岔渡線段52 m 暗挖主隧道原定2021-07-22開(kāi)挖,但由于現(xiàn)場(chǎng)前期準(zhǔn)備不足,實(shí)際開(kāi)挖日期為2021-08-22,工期較原計(jì)劃壓縮了1個(gè)月,完成既定的開(kāi)挖任務(wù)面臨著較大的工期壓力。

2.2 原設(shè)計(jì)開(kāi)挖方案

根據(jù)原設(shè)計(jì)要求,廣州云大區(qū)間道岔渡線段52 m 暗挖主隧道,在冷凍法外圈支護(hù)加固達(dá)到預(yù)期條件后,通過(guò)一期施工完成的1#橫通道進(jìn)行主隧道的開(kāi)挖構(gòu)筑工作。原設(shè)計(jì)工序采用CRD法開(kāi)挖,將開(kāi)挖斷面分為4個(gè)洞室開(kāi)挖,設(shè)計(jì)施工步序?yàn)?一洞室→二洞室→三洞室→四洞室,各洞室錯(cuò)開(kāi)10 m 進(jìn)行開(kāi)挖施工,相應(yīng)的設(shè)計(jì)開(kāi)挖步序圖如圖4所示。

圖4 道岔渡線段設(shè)計(jì)開(kāi)挖步序

但是,在隧道實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程中,一期完成的1#橫通道作為材料與渣土的主要運(yùn)輸通道,其原始標(biāo)高難以滿足一、三洞室的開(kāi)挖施工要求,需在原有施工平臺(tái)上標(biāo)高基礎(chǔ)上澆筑2.2 m 高混凝土以滿足進(jìn)洞要求,而開(kāi)挖下部二、四洞室又需將回填混凝土鑿除。因此,按照原“一洞室→二洞室→三洞室→四洞室”開(kāi)挖步序,需反復(fù)澆筑鑿除混凝土平臺(tái),工序交替繁瑣,造成不必要的人力、物力浪費(fèi)。此外,各洞室只能單洞室作業(yè),不能同步實(shí)施,現(xiàn)場(chǎng)的出土及開(kāi)挖工作也受到較大限制,嚴(yán)重制約工期。

2.3 開(kāi)挖工序調(diào)整

為了有效減少各洞室間干擾,現(xiàn)場(chǎng)對(duì)道岔渡線段52 m 暗挖主隧道開(kāi)挖施工步序進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整,調(diào)整后的開(kāi)挖步序?yàn)?一洞室→三洞室→二洞室→四洞室,一洞室初支閉合超前15 m 后,進(jìn)行三洞室的開(kāi)挖。步序調(diào)整后及時(shí)進(jìn)行初支閉合施工,加密開(kāi)挖過(guò)程中的監(jiān)控量測(cè),綜合分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和開(kāi)挖情況,實(shí)時(shí)調(diào)整開(kāi)挖過(guò)程。調(diào)整后的開(kāi)挖步序圖如圖5所示。

圖5 調(diào)整后道岔渡線段開(kāi)挖步序

2.4 計(jì)算分析對(duì)比

為了確保開(kāi)挖工序調(diào)整的可行性,運(yùn)用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行開(kāi)挖步序調(diào)整前后通道豎向位移和水平位移的預(yù)測(cè)發(fā)展情況,相應(yīng)計(jì)算參數(shù)選取如下:

(1)土體和凍結(jié)加固土均為各向同性體;

(2)土體本構(gòu)關(guān)系都為線彈性;

(3)凍土帷幕形成后取厚度為3.0 m;

(4)平均溫度為-10 ℃的等溫體。在-10 ℃時(shí)的強(qiáng)度參數(shù)取:單軸抗壓強(qiáng)度不小于3.6 MPa,彎折抗拉強(qiáng)度不小于2.0 MPa,抗剪強(qiáng)度不小于1.5 MPa。凍土物理力學(xué)指標(biāo)模擬參數(shù):彈性模量統(tǒng)一取值為150 MPa,泊松比為0.25;

(5)前期橫通道在開(kāi)挖過(guò)程中,凍土的溫度恒定,即不考慮開(kāi)挖對(duì)凍土溫度的影響。

底面土采用固定約束,兩個(gè)側(cè)面為法向約束,縱向側(cè)面也為法向約束,上表面為自由約束。在模擬施工過(guò)程時(shí),土層凍結(jié)、初支澆筑均通過(guò)材料改變屬性的完成。模擬時(shí)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1 和表2。荷載包括水土壓力、結(jié)構(gòu)自重和地面超載,水土壓力、結(jié)構(gòu)自重由程序自動(dòng)生成,計(jì)算結(jié)果中相應(yīng)的位移云圖如圖6所示。

表1 地層計(jì)算參數(shù)

表2 其他結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

由圖6水平位移云圖可以看出,采用設(shè)計(jì)開(kāi)挖步序情況下,在開(kāi)挖過(guò)程中,土體的最大水平位移發(fā)生在中隔墻位置,進(jìn)行2導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)大小為18.5 mm,進(jìn)行3導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí),最大水平位移值為-14.80 mm;而調(diào)整開(kāi)挖步序后,開(kāi)挖過(guò)程中,土體的最大水平位移發(fā)生在左上角位置,進(jìn)行3導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)大小為11.6 mm,進(jìn)行2導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí),最大水平位移值為-13.6 mm。相較于原始設(shè)計(jì)開(kāi)挖步序,水平位移相對(duì)減小。

圖6 52 m 暗挖主隧道開(kāi)挖步序調(diào)整前后水平位移云圖對(duì)比

圖7為暗挖主隧道開(kāi)挖步序調(diào)整前后豎向位移云圖對(duì)比。由圖7豎向位移云圖可以看出,步序調(diào)整后,在豎直方向上,拱頂沉降和拱底隆起相較于原開(kāi)挖步序均發(fā)生了一定程度的增大,尤其是在施工2導(dǎo)洞過(guò)程中,下臺(tái)階開(kāi)挖對(duì)中隔壁豎撐角點(diǎn)擾動(dòng),開(kāi)挖過(guò)程造成每2～3榀進(jìn)尺中隔壁角點(diǎn)支撐土體懸空,使上半斷面拱架內(nèi)力突變,拱頂沉降明顯加大。

圖7 52 m 暗挖主隧道開(kāi)挖步序調(diào)整前后豎向位移云圖對(duì)比

2.5 開(kāi)挖步序調(diào)整優(yōu)化

由計(jì)算結(jié)果可以看出,開(kāi)挖步序調(diào)整后,拱頂沉降和拱底隆起均相應(yīng)地增大。為了保證開(kāi)挖過(guò)程的安全,對(duì)中隔壁附近臨時(shí)仰拱采取相應(yīng)的加固措施,以提高聯(lián)合承載能力,具體措施如下:

(1)中隔壁臨時(shí)仰拱節(jié)點(diǎn)分布采用φ25@200 mm 聯(lián)接鋼筋加密布置;

(2)下臺(tái)階插打φ42 mm注漿鋼花管,對(duì)側(cè)向土體加固,同時(shí)對(duì)中隔壁臨時(shí)仰拱節(jié)點(diǎn)提供承載力;

(3)Ⅲ序開(kāi)挖要求保持一榀的進(jìn)尺,每榀進(jìn)尺需及時(shí)架立中隔壁型鋼;

(4)對(duì)中隔壁關(guān)鍵受力部位埋深監(jiān)測(cè)軸力計(jì),以便進(jìn)一步驗(yàn)證豎撐受力特征,用以指導(dǎo)施工,以及建立預(yù)警應(yīng)急機(jī)制。

具體加固方案如圖8所示。

圖8 調(diào)整開(kāi)挖步序后節(jié)點(diǎn)加固措施

3 變形監(jiān)測(cè)分析

3.1 主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及方案

3.1.1 拱頂沉降監(jiān)測(cè)

拱頂沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果是隧道拱頂內(nèi)壁的絕對(duì)下沉值。拱頂下沉量測(cè)屬位移量測(cè),其量測(cè)數(shù)據(jù)是判斷支護(hù)效果、指導(dǎo)施工工序、驗(yàn)證施工質(zhì)量和施工安全的最基本的資料。拱頂下沉量測(cè)應(yīng)與凈空收斂量測(cè)布置于同一斷面上,每隔5 m 布置一個(gè)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)頻率由原先2天1次,加密為1天1次。

3.1.2 水平凈空收斂監(jiān)測(cè)

根據(jù)地質(zhì)條件、圍巖應(yīng)力大小、施工方法、支護(hù)形式及圍巖的時(shí)間和空間效應(yīng)等因素,確定觀測(cè)斷面和測(cè)點(diǎn)位置。觀測(cè)斷面間距應(yīng)小于洞徑的2倍;初測(cè)觀測(cè)斷面應(yīng)靠近開(kāi)挖掌子面,距離小于1.0 m;測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)優(yōu)先考慮拱頂、拱座和邊墻,若遇軟弱層應(yīng)在其上下盤設(shè)測(cè)點(diǎn)。具體隧道斷面測(cè)點(diǎn)布置如圖9所示,主要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)參數(shù)如表3所示。

圖9 隧道斷面測(cè)點(diǎn)布置

表3 主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及相應(yīng)參數(shù)

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

道岔渡線段52 m 暗挖主隧道于2021-08-22至2021-12-24進(jìn)行開(kāi)挖及初支構(gòu)筑工作,在整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中全程進(jìn)行監(jiān)控量測(cè),未出現(xiàn)涌水、涌砂、開(kāi)挖斷面失穩(wěn)等情況發(fā)生,相應(yīng)的拱頂沉降及凈空收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖10所示。

圖10 隧道開(kāi)挖過(guò)程變形監(jiān)測(cè)曲線

由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出,在整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中,隧道的拱頂沉降、凈空收斂數(shù)據(jù)受不均勻凍脹影響存在一定的波動(dòng),但是,變形發(fā)展速率和累計(jì)變形量均小于相應(yīng)的設(shè)計(jì)預(yù)警值,未出現(xiàn)變形速率發(fā)展加劇和累計(jì)變形值過(guò)高的情況,進(jìn)一步驗(yàn)證了開(kāi)挖過(guò)程的安全性。

4 工期對(duì)比

對(duì)開(kāi)挖步序調(diào)整前后的開(kāi)挖周期進(jìn)行對(duì)比,繪制工期對(duì)比直方圖,如圖11所示。

由圖11可知,開(kāi)挖工序調(diào)整后,在整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中橫通道回填平臺(tái)無(wú)需反復(fù)澆筑鑿除,出土順暢,減少了工序轉(zhuǎn)化所帶來(lái)的工期延誤,總開(kāi)挖工期提前了約21%。

圖11 實(shí)際開(kāi)挖工期與設(shè)計(jì)工期對(duì)比

5 結(jié)論

(1)廣州云大區(qū)間道岔渡線段52 m 暗挖主隧道按照設(shè)計(jì)開(kāi)挖工序,1#通道回填混凝土需經(jīng)歷反復(fù)回填鑿除,工序轉(zhuǎn)換繁瑣,人力物力浪費(fèi)嚴(yán)重,現(xiàn)場(chǎng)出土效率低,在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖工期壓縮1個(gè)月的情況下,難以按時(shí)完成暗挖施工任務(wù)。開(kāi)挖工序調(diào)整后,上述問(wèn)題均得到了較好的解決,能夠?qū)崿F(xiàn)效益最大化,并且開(kāi)挖工期較原設(shè)計(jì)工期提前了約21%。

(2)開(kāi)挖工序方案調(diào)整后,利用數(shù)值分析軟件對(duì)開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)分析,結(jié)果顯示:開(kāi)挖工序調(diào)整前后隧道水平位移受影響較小,但是在豎直方向上,在2導(dǎo)洞開(kāi)挖過(guò)程中,下臺(tái)階開(kāi)挖對(duì)中隔壁豎撐角點(diǎn)擾動(dòng),使得上半斷面拱架內(nèi)力突變,拱頂沉降和拱底隆起相較于原開(kāi)挖步序均發(fā)生了一定程度的增大。因此,在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)中隔壁附近臨時(shí)仰拱采取了相應(yīng)的加固措施,根據(jù)后續(xù)開(kāi)挖監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,在整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中變形控制效果良好,未出現(xiàn)監(jiān)測(cè)值超限的情況,加固措施起到了較好的抑制變形作用。

(3)為了保證開(kāi)挖過(guò)程的安全,開(kāi)挖步序調(diào)整后,現(xiàn)場(chǎng)加密了相關(guān)變形數(shù)據(jù)的采集頻率,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)變形數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出,在整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中,拱頂沉降和凈空收斂值均處于變形預(yù)警值范圍之內(nèi),變形曲線趨勢(shì)基本一致,未出現(xiàn)變形快速發(fā)展的情況,整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程安全可控,順利完成了廣州云大區(qū)間道岔渡線段52 m 暗挖主隧道的開(kāi)挖施工任務(wù)。