富水地段淺埋暗挖地鐵隧道施工技術研究
摘 要:介紹深圳地鐵科學館—華強北區間隧道施工方法及采取的措施,成功地解決了淺埋暗挖軟弱地層區間隧道施工技術難題,所采用的超前引排地下水以及隧道內降水措施,克服了富水軟弱地層施工技術難題。
關鍵詞:地鐵隧道; 富水軟弱地段; 淺埋暗挖; 降水; 超前排水
1 工程概況
深圳地鐵科學館—華強北區間線路自西向東行進于深南中路地下,線間距為13.2 m , 隧道為兩單洞結構,全長790.7 m 。在區間隧道中部,深南大道北側設施工豎井1 座。工程地質情況由上到下為覆第四系全新統人工堆積層、海沖擊層及第四系殘坡積層,下伏燕山期花崗巖。第四系全新統人工堆積層主要為人工素填粘土,粉質粘土及碎石等;海沖擊層為粘土、粉砂、中砂、礫砂及部分透鏡體狀淤泥;第四系殘坡積層為砂質粘性土、礫質粘性土;燕山期花崗巖在工程區域內全部為全風化花崗巖。場區圍巖為Ⅰ 類～ Ⅱ 類。地下水埋深1.7～7.4 m , 主要為空隙潛水及基巖裂隙水,地下水水量豐富,降雨量豐富,水源補給充沛。
區間隧道所處位置環境復雜,兩側管線及建筑物密集,地下管線種類繁多,其中縱向18 條、橫向27 條,分布復雜,對施工影響較大。區間隧道南北兩側有高層建筑20 余幢,隧道結構邊緣距兩側建筑物最近約15 m 。
2 施工技術難點
(1) 環境條件復雜
本工程位于深南大道下,道路兩側管線、建筑物密布,深南大道交通量大。隧道埋深淺,管線、建筑物基礎均位于隧道施工擾動范圍內,隧道施工不能危及管線及建筑物安全,對施工擾動必須嚴格控制,但區間隧道所處的地層軟弱。而對軟弱圍巖來說,控制變形擾動極其困難。
(2) 地下水豐富深圳地處亞熱帶海洋氣候區,地下水豐富,降雨充沛,地下水補給充足,這對地下工程施工有很大影響。首先是隧道開挖后,大量地下水滲入隧道,圍巖失水固結,地表下沉,對地表路面交通以及兩側剛性管線帶來極大的危害。其次是地下水滲透對圍巖產生軟化作用,圍巖由硬塑變為軟塑狀態,甚至變為流塑狀態,產生大變形而喪失穩定性,施工中如何控制地下水是保證順利施工的關鍵。由于地下水的滲透作用,地下水控制十分困難。因工程所處位置限制,沒有降水作業條件。因而,地下水的控制顯得非常重要且極為困難。
(3) 圍巖軟弱易擾動且穩定性差
區間隧道穿越地層主要為第四系殘積層的砂質粘性土、礫質粘性土,局部地段為海沖擊砂層,地層軟弱。隧道開挖后周邊圍巖在自重應力的作用下松弛變形, 控制不好易產生變形坍塌。同時,受地下水的作用軟化后喪失穩定性,給施工帶來困難,特別是由硬塑變為流塑后,隨地下水一起涌入隧道內形成大的坍塌涌泥, 嚴重危及周邊結構物及施工安全。施工時,必須采取嚴格措施控制,防止產生大的變形及坍塌。
3 主要施工方法
根據本工程地質情況,結合地下水發育情況,本工程采用長臺階法施工,上臺階采用弧形開挖留核心土法施工。在開挖前,對開挖體采取超前降排水措施降低地下水位后,再行開挖。其施工程序見圖1 。
(1) 上臺階施工
為減少開挖對圍巖的擾動,上臺階采用人工風鎬開挖,先開挖拱部環行,留核心土,待拱部支護結構完成后開挖核心土。臺階長度510～1010 m , 開挖土方人工裝車翻運至下臺階。隧道上臺階開挖循環進尺為110 m , 開挖完成后,立即進行初期支護作業。
(2) 下臺階開挖及支護下臺階采用人工配合機械開挖, 開挖機械選用Ⅰ —超前小導管施工; ②—上臺階環形開挖; ○注: ○Ⅲ 上臺階支護結構施工,格柵鋼架、噴混凝土等; ④—核心土開挖; ⑤— 下臺階開挖; ○Ⅶ —仰拱及填充混凝土施工; ○
Ⅵ —下臺階支護結構施工; ○Ⅷ 拱墻襯砌施工。
圖1 臺階法施工程序
DH55 -V 小型挖掘機。開挖施工時,機械開挖中央土體,兩側輪廓預留30～50 cm 人工開挖、修整,保證開挖輪廓線圓順,減少對土體的擾動。隧道下臺階開挖循環進尺為110 m ,開挖完成后, 立即進行支護作業,封閉成環。在開挖施工時,不得超循環進尺開挖,以保證施工安全。
4 隧道支護結構
(1) 支護參數
區間隧道初期支護采用噴錨構筑法施工,不同地質地段采用不同支護參數,少水地段支護設計參數見圖2 ,富水地段支護參數設計見圖3 。
圖2 少水段支護設計參數示意
圖3 富水段支護設計參數示意
cm。管棚施工完成后,采用HFV -5D 型雙液注漿泵注入水泥-水玻璃雙液漿。注漿采用跳一注一后退式進行。漿液水灰比為0.8～1.0 ,水玻璃玻美度為30～35 Be′,注漿壓力為0.6～0.8 MPa ,注漿完成2.0 h 后進行開挖。
(2) 支護施工20～ 25 Be′, 雙液漿體積比為1 ∶1 。注漿壓力為1.2
①超前管棚 本工程在富水砂層地段采用<76 MPa 。mm 管棚超前支護。管棚采用XY-100 型液壓鉆機成②超前小導管 根據設計情況,小導管在少水段布置在拱部120°范圍內;在富水地段,布置在拱部180° 范圍內。小導管采用<32 mm 鋼管,長3.5 m ,每兩循環布置1 組,環向間距為30 cm。小導管采用鑿巖機成孔,之后采用鑿巖機推管入孔。小導管內注入水泥-水玻璃雙液漿,水灰比為0.6～0.8 ,水玻璃玻美度為 ③格柵鋼架 鋼架分段在洞外加工,洞內拼裝,為孔,然后用鉆機將<76 mm 鋼管頂入孔內。管棚采用防止拱腳下沉,在兩側各設1 根鎖腳錨桿,錨桿長3.5 分節組裝,每段長度為4～5.0 m ,采用絲扣聯結。管m。鋼架設置間距在圍巖條件好時為1.0 m ,圍巖條件棚長1210m ,布置在拱部150°范圍內,環向間距為40 較差且地下水量大時為0.75 m。環向采用<22 mm 鋼筋、間距50 cm 連接成整體。④ 噴混凝土 噴混凝土采用濕噴工藝,多次復噴至設計厚度。混凝土洞外拌制,經豎井串桶下到料車內運至施工點,噴射作業采用TK-961 濕噴機。
5 隧道施工關鍵技術
天科區間穿越地層為礫質粘土層及全風化花崗巖層,部分段落隧道拱頂地層中含有透鏡體狀中砂、礫砂層,隧道上部地層中有市政管線20 條,其中煤氣管線2 條,穿越2 座人行天橋。施工中采用了超前小導管注漿、超前排水以及施工監測,保證結構物安全和施工順利的關鍵技術。
(1) 超前注漿固結地層
因區間隧道穿越地層為砂質粘土,局部地段為海沖擊砂層,地下水豐富。設計采用<32 mm 超前小導管超前注漿固結地層,封堵地下水。小導管長315 m , 在一般地段布置在開挖輪廓線外拱部120°范圍內,砂層富水地段采用<76 mm 管棚與<32 mm 小導管共同注漿加固地層,并在開挖面上臺階按1.0 m ×1.0 m 間距布置,注漿作業采用KBY-50/70 及HFV -5D 雙液注漿機注漿,注漿壓力管棚控制在0.6～0.8 MPa , 小導管控制在1.2 MPa 。注漿作業由下向上后退施工,兩側分別向中間進行,最后完成拱頂注漿。
采用上述注漿后,在開挖時圍巖穩定,沒有產生坍塌或大變形情況,注漿效果明顯。注漿用水泥水玻璃雙液漿,配合比經試驗確定,其凝結時間、固結強度必須達設計要求,達到固結巖體、提高巖體穩定能力及防水止水的效果。
(2) 超前引排地下水
區間隧道位于地下水位以下,開挖后大量地下水涌入隧道內,給施工帶來很大影響,同時由于地下水的作用,粘土層在地下水的作用下軟化,水量大時成流塑狀, 造成拱腳下沉、兩側涌泥,支護結構下沉,施工極為困難,為保證施工安全,經多次研究決定采取降水措施。由于區間隧道位于深圳市繁華的深南大道下,兩側建筑物密布,無法進行地面降水,根據現場實際情況,結合地質情況,最后采用隧道內超前排水和隧道內降水兩項措施,成功地解決了地下水對施工的影響問題。
① 超前排水 超前引排水在全部區間隧道內采用,排水效果明顯,基本保證拱腳至隧道底部以上處于少水狀態,改善了施工條件,保證圍巖穩定,超前排水設計見圖4 。鋼管內排引的地下水由排水管道直接排入集水井排出。<108 mm 鋼花管采用地質鉆機鉆孔并推管入孔,仰角為1°～3°,鋼管分段組裝,分段長度4～ 5 m , 絲扣連接,左右兩側各布置1 個,隨著開挖的進行分段拆除。
圖4 超前引排水布置示意(單位:m)
② 隧道內降水 在第四系殘積砂質粘土地段,由于地層滲透性差,采用超前引排水效果不明顯,開挖作業時,地下水仍較大,為保證順利施工,采用輕型井點降水。輕型井點采用<50 mm 輕型井,井點布置見圖5 。井點在下臺階開挖完成地段布置,井點布置斜插角度為20°
～25°,井垂直深度大于3.0 m , 即降水深度大于底板以下3.0 m 。縱向每5.0 m 布置1 組,每組在隧道兩側各布置2 口,用J SJ 30 型射流泵將井點管連接吸排地下水。
圖5 隧道內輕型井點降水示意(單位:m)
(3) 監控量測技術
地鐵區間隧道埋深淺,隧道施工對周圍擾動較大, 特別是地表沉降對地表路面行車以及道路兩側管線影響很大。為減少施工影響,施工中必須進行施工監測工作,信息化施工; 同時,監測信息能及時了解圍巖穩定情況,支護結構變形情況,及時修改施工參數及支護參數,切實保證施工安全。
施工監測主要進行地表沉降監測、隧道拱頂下沉、凈空收斂、支護結構變形、支護內力等。監測工作嚴格按照規范要求布設監測斷面,按要求頻率進行日常監測工作,對監測信息及時分析整理,指導施工。
6 結語
在深圳地鐵科學館—華強北區間隧道施工中,采取了超前支護、超前引排水等措施,保證了隧道施工的順利進行。現該區間隧道已全部完成,施工進度、施工質量均得到地鐵公司的好評,取得的這些經驗可為今后類似工程借鑒。
