地鐵區(qū)間隧道特殊地層施工技術(shù)

1、地鐵區(qū)間隧道特殊地層施工技術(shù)摘要結(jié)合北京地鐵太陽(yáng)宮三元橋站區(qū)間隧道施工中對(duì)坍塌、流砂治理實(shí)踐技術(shù),介紹了超前支護(hù)施工技術(shù)、隧道開(kāi)挖方式適應(yīng)性技術(shù)措施,為今后類似地層施工提供借鑒與 參考 。關(guān)鍵詞地鐵暗挖坍塌流砂技術(shù)措施1 工程概況 北京地鐵十號(hào)線太陽(yáng)宮站三元橋站區(qū)間隧道位于東三環(huán)三元橋東南角處的麥子店西路下,呈東西走向;區(qū)間暗挖隧道起訖里程K13+851.852K14+670.150,全長(zhǎng)818.298雙線米。隧道斷面有3種形式,其中標(biāo)準(zhǔn)斷面為馬蹄形,開(kāi)挖尺寸為6.0m×6.33m,全長(zhǎng)1376.011m,隧道左右線間距12m,覆土厚度1014m,縱坡為10.576。 隧道穿

2、越的區(qū)域有四層地下水,從上至下依次為:上層滯水,水位高程31.1936.46m,水位在隧道拱頂上36m;潛水,水位高程26.8630.68m,水位在隧道拱頂上11.5m;層間潛水,水位高程22.0424.99m,水位位于隧道開(kāi)挖斷面中間;承壓水,水位高程16.5318.58m,水位在隧道仰拱以下4m。 區(qū)間隧道地層自上而下依次是粉質(zhì)黏土填土、雜填土、粉土、粉細(xì)砂、中粗砂、粉質(zhì)黏土、黏土、粉土、圓礫等地層,其中隧道施工所觸及的土層有粉細(xì)砂、中粗砂及粉質(zhì)黏土層。隧道上方沿左線拱頂存在800污水管及800雨水管道各一條,兩條管道埋深分別為4m、3m;通過(guò)檢查,發(fā)現(xiàn)管道滲漏嚴(yán)重。區(qū)間地質(zhì)、水文見(jiàn)圖1。

3、2 特殊地層施工出現(xiàn)的 問(wèn)題 及原因 分析 2.1 支護(hù)設(shè)計(jì)情況 區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)斷面設(shè)計(jì)采用臺(tái)階法施工。超前支護(hù)為42小導(dǎo)管,注水泥-水玻璃漿液;小導(dǎo)管長(zhǎng)度2.5m,搭接長(zhǎng)度1m,在拱頂120°范圍按300mm間距布置,小導(dǎo)管施工角度7°10°。初期支護(hù)為250mm厚,鋼格柵+22連接鋼筋+6鋼筋網(wǎng)片+C25噴射混凝土結(jié)構(gòu);鋼格柵間距75cm,在上下臺(tái)階位置45°各打設(shè)1根2.5m42鎖腳錨管。標(biāo)準(zhǔn)斷面初期支護(hù)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。2.2 試驗(yàn)段施工 方法 試驗(yàn)段施工嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行,采用兩臺(tái)階法,臺(tái)階高度3m,臺(tái)階距離控制在2.53

4、m;核心土為梯形設(shè)置,高度1.5m,上下寬度分別為1.5m、3m;超前支護(hù)采用風(fēng)鎬直接打入小導(dǎo)管,封閉掌子面后采用水泥-水玻璃漿液注漿。2.3 出現(xiàn)的問(wèn)題及原因分析 隧道試驗(yàn)段施工中,流砂及坍塌險(xiǎn)情不斷,施工效果較差,安全風(fēng)險(xiǎn)較大,主要存在以下問(wèn)題。 (1)風(fēng)鎬引入小導(dǎo)管過(guò)程中即出現(xiàn)粉細(xì)砂坍塌現(xiàn)象,導(dǎo)致小導(dǎo)管加固有效范圍(有效范圍主要為兩榀格柵之間拱頂砂層)加固體缺失,導(dǎo)管裸露;在開(kāi)挖前清除上循環(huán)封閉掌子面的噴射混凝土?xí)r產(chǎn)生的振動(dòng)又造成粉細(xì)砂層受到擾動(dòng),進(jìn)而出現(xiàn)坍塌。主要是因?yàn)樗淼榔鸸熬€及拱頂以上為粉細(xì)砂層,且砂層松散,補(bǔ)給水易使砂層含水量大,造成砂層自穩(wěn)能力極差,稍有擾動(dòng)即會(huì)出現(xiàn)掉落。 (2

5、)在小導(dǎo)管注漿加固效果檢查中發(fā)現(xiàn)水泥-水玻璃漿液無(wú)法通過(guò)小導(dǎo)管溢漿孔浸入粉細(xì)砂層,漿液主要集中在導(dǎo)管內(nèi)部,導(dǎo)管外壁只有少量漿液附著管壁,因此加固范圍達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,坍塌連續(xù)不斷。 (3)根據(jù)鋼格柵高度及小導(dǎo)管打設(shè)位置 計(jì)算 ,設(shè)計(jì)2.5m小導(dǎo)管,搭接長(zhǎng)度1m情況下,小導(dǎo)管實(shí)際打設(shè)角度為8°17°(設(shè)計(jì)為7°10°)。 小導(dǎo)管打設(shè)17°為理想狀態(tài),這種角度可以保證第二榀格柵上部有300mm注漿加固體,且小導(dǎo)管加固范圍底面恰好在格柵頂面;但是在第三榀格柵位置小導(dǎo)管加固范圍底面在開(kāi)挖面以上386mm位置,那么格

6、柵頂面與加固體底面之間386mm松散砂層依然會(huì)出現(xiàn)坍塌。 小導(dǎo)管打設(shè)最低限度為8°,否則不但不能確保第二榀開(kāi)挖面有足夠的注漿加固體,而且會(huì)造成拱部開(kāi)挖線出現(xiàn)欠挖,使鋼格柵架設(shè)困難。從圖中可以看出,小導(dǎo)管打設(shè)角度直接 影響 加固范圍,且導(dǎo)管越長(zhǎng),加固效用越差。 (4)隧道分兩臺(tái)階開(kāi)挖,臺(tái)階分界面正好處于粉細(xì)砂層與粉質(zhì)黏土層界面位置,雖然通過(guò)降水井進(jìn)行降水,且水位達(dá)到隧道仰拱下1m位置,但是界面水依然很大,極易在界面位置形成流砂。隧道鋼格柵采用對(duì)稱設(shè)置,鋼格柵與臺(tái)階相對(duì)位置見(jiàn)圖3。上臺(tái)階開(kāi)挖完成后架設(shè)鋼格柵時(shí),存在兩種安裝方式:第一種是先安裝拱頂號(hào)格柵,后安裝號(hào)格柵,此方式安裝時(shí)

7、號(hào)格柵懸吊,中心位置及水平難以調(diào)整,臨時(shí)固定難以達(dá)到精度要求,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,號(hào)格柵因底部處于界面位置,開(kāi)挖時(shí)即出現(xiàn)流砂填埋格柵位置,在狹小作業(yè)環(huán)境下格柵安裝困難,通常在格柵下部放置后,流砂即將節(jié)點(diǎn)板位置掩埋,在后期格柵尺寸調(diào)整時(shí),無(wú)法搬移,造成上臺(tái)階格柵安裝周期長(zhǎng),且砂層長(zhǎng)時(shí)間暴露及流砂 影響 下出現(xiàn):號(hào)格柵所處拱頂范圍出現(xiàn)坍塌,號(hào)格柵下部界面位置流砂引起孔洞,并向四周擴(kuò)散。第二種格柵安裝方式為,先安裝號(hào)格柵后號(hào)格柵,此方式也存在相同 問(wèn)題 ,即拱頂號(hào)格柵受號(hào)格柵安裝精度影響大,施工周期長(zhǎng),坍塌、流砂病害嚴(yán)重。 (5)兩臺(tái)階開(kāi)挖方式,臺(tái)階高度過(guò)大,施工人員作業(yè)時(shí),頭部以上存在1m高粉質(zhì)黏土層,且臺(tái)

8、階處于粉細(xì)砂與粉質(zhì)黏土界面位置,上臺(tái)階開(kāi)挖速度快,下臺(tái)階開(kāi)挖慢,上臺(tái)階后界面水順著下臺(tái)階土體下流,長(zhǎng)時(shí)間浸泡粉質(zhì)黏土,容易造成下臺(tái)階滑塌,施工隱患大。 (6)兩臺(tái)階施工只有兩個(gè)工作面,施工人員8人即占滿施工空間,每循環(huán)施工周期長(zhǎng)達(dá)12h,且掌子面得不到及時(shí)封閉,容易形成流砂、坍塌。3 技術(shù)措施 通過(guò)對(duì)試驗(yàn)段施工中存在的以上問(wèn)題進(jìn)行原因 分析 , 研究 采取相應(yīng)的技術(shù)措施,并多次進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、改進(jìn),最終取得了較理想的效果。即通過(guò)加強(qiáng)超前支護(hù)效果、控制施工周期,從而減小掌子面暴露時(shí)間,是控制坍塌及流砂的重點(diǎn)所在。3.1 超前支護(hù) 超前支護(hù)在隧道施工“管超前,嚴(yán)注漿,短開(kāi)挖,強(qiáng)支護(hù),早封閉,勤量測(cè)”

9、十八字方針中占據(jù)首要地位,是保證隧道開(kāi)挖安全的先決條件,為了確保超前支護(hù)效果,可從以下幾個(gè)方面入手。 (1)漿液選擇及配制 根據(jù)粉細(xì)砂層中水泥-水玻璃漿液不能浸入的特性,通過(guò)比選,采用了改性水玻璃(水玻璃與硫酸按一定比例配制)作為砂層固化劑。 水玻璃又稱泡花堿,是一種透明的玻璃狀溶化物的 工業(yè) 產(chǎn)品,呈黃色至灰白色;市場(chǎng)出售的水玻璃濃度一般在40Be左右。硫酸純品為無(wú)色、無(wú)臭、透明的油狀液體,呈強(qiáng)酸性。市售的工業(yè)硫酸為無(wú)色至微黃色,甚至紅棕色。相對(duì)密度:98%硫酸為1.8365(20),93%硫酸為1.8276(20);熔點(diǎn)10.35,沸點(diǎn)338。硫酸有很強(qiáng)的吸水能力,與水按不同比例混合釋放大

10、量的熱,稀釋硫酸時(shí)必須注酸入水,嚴(yán)禁注水入酸,防止酸液表面局部過(guò)熱發(fā)生爆炸噴酸事故。 水玻璃稀釋時(shí)邊加水邊攪拌,邊用波美度測(cè)量。硫酸稀釋(10%20%稀硫酸): 計(jì)算 所需濃硫酸和加水量,將濃硫酸緩慢倒入水中,攪拌均勻。在快速攪拌的情況下,將水玻璃緩慢地倒入稀硫酸中,試紙測(cè)量pH值,以34為宜。 (2)小導(dǎo)管加工及安裝 根據(jù)小導(dǎo)管打設(shè)角度,為了有效利用小導(dǎo)管進(jìn)行注漿加固,減小不必要的浪費(fèi),小導(dǎo)管長(zhǎng)度縮短為1.5m,每榀打設(shè),環(huán)向間距控制在300mm,必要時(shí)適當(dāng)加密,以提供支護(hù)剛度。 小導(dǎo)管采用42鋼管,導(dǎo)管端頭加工成錐型,以便插入及控制漿液集中前沖,小導(dǎo)管中間至端頭間隔200mm梅花形布置61

11、2溢漿孔,導(dǎo)管出露50cm范圍不鉆孔。 為了避免風(fēng)鎬引入小導(dǎo)管造成的振動(dòng),采用42鋼管做成的風(fēng)管沿格柵位置調(diào)整角度(外插角17°)往復(fù)吹孔,吹孔后及時(shí)將小導(dǎo)管送入孔內(nèi),導(dǎo)管孔口采用棉紗封堵,吹孔及小導(dǎo)管安裝后噴射混凝土封閉。 (3)小導(dǎo)管注漿 拔出導(dǎo)管封口棉紗,將注漿膠管插入導(dǎo)管口部并用鐵絲擰緊,防止?jié){液從管口溢出;將已調(diào)好的改性水玻璃倒人牛角泵內(nèi),漿液占泵體積的2/3,關(guān)閉泵蓋和放風(fēng)閥,打開(kāi)注漿管閥門(mén)。一切就緒后,打開(kāi)送風(fēng)閥注漿,在氣壓推動(dòng)下,改性水玻璃注入小導(dǎo)管內(nèi)加固拱部地層,注漿完成后再次用棉紗堵塞管口。為了防止?jié){液逆流,每個(gè)導(dǎo)管注漿完成后將放風(fēng)閥打開(kāi),使泵內(nèi)氣體揮發(fā)出

12、去。下一導(dǎo)管注漿前,重新加入改性水玻璃進(jìn)行注漿。注漿順序自下而上、間隔進(jìn)行,注漿壓力控制在0.30.5MPa,每孔注漿量80120L,其加固半徑可達(dá)到為3035cm,且各孔漿液互相浸入,將拱頂范圍砂層固結(jié)成拱殼形式。 (4)注漿注意事項(xiàng) 注漿時(shí)應(yīng)注意壓力表的壓力讀數(shù),防止壓力失控;注漿管管口嚴(yán)禁對(duì)人放置,且注漿管在未打開(kāi)放風(fēng)閥前,禁止移動(dòng)。注漿前應(yīng)檢查注漿泵密封蓋,確保密封效果良好,防止出現(xiàn)高壓噴出物射出傷人。 注漿時(shí)發(fā)生漿液從其他小導(dǎo)管流出的現(xiàn)象,應(yīng)在出現(xiàn)串漿的導(dǎo)管口處用木楔堵塞管口,待該管注漿時(shí)再拔下木楔,并以高壓風(fēng)和高壓水清洗管內(nèi)雜物,然后再注漿,直至全部注漿結(jié)束。 為了確保注漿效果,每

13、次注漿可對(duì)前一循環(huán)小導(dǎo)管再次注漿,加強(qiáng)超前支護(hù)效果。3.2 三臺(tái)階施工 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況,為了縮短每循環(huán)施工周期及避免發(fā)生臺(tái)階界面位置因流砂引起孔洞及坍塌,采用了一些措施進(jìn)行處理。 (1)臺(tái)階高度選擇 選擇三臺(tái)階施工,其根本目的主要是在兩臺(tái)階施工基礎(chǔ)上增加施工作業(yè)面,增加作業(yè)面人員數(shù)量,降低臺(tái)階高度,確保施工安全。 三臺(tái)階施工將隧道開(kāi)挖分成上臺(tái)階、中臺(tái)階及下臺(tái)階,臺(tái)階高度分別為2m、2m、2.33m,臺(tái)階高度的降低,可以避免施工作業(yè)盲區(qū),施工作業(yè)方便。通過(guò)調(diào)整臺(tái)階高度,上臺(tái)階范圍全部處于粉細(xì)砂層,中臺(tái)階存在1m粉細(xì)砂層及1m粉質(zhì)黏土,下臺(tái)階全部為粉質(zhì)黏土。三臺(tái)階施工時(shí),采取上、中、下同時(shí)施工,

14、上臺(tái)階在施工中主要控制超前支護(hù),界面水因在臺(tái)階下1m位置,對(duì)上臺(tái)階不能造成任何影響;中臺(tái)階施工時(shí)僅有1m粉質(zhì)黏土,通過(guò)先中部后兩側(cè)的開(kāi)挖方式,極大縮短掌子面暴露時(shí)間,且中臺(tái)階開(kāi)挖后空間大,格柵架設(shè)方便,能快速封閉,界面水形成的流砂影響很小;下臺(tái)階高度降低后,施工人員可自上而下開(kāi)挖,不但風(fēng)險(xiǎn)降低,而且開(kāi)挖速度相應(yīng)提高。 (2)鋼格柵位置調(diào)整 鋼格柵位置調(diào)整主要是避免兩臺(tái)階施工中上臺(tái)階拱部格柵分割數(shù)量多,格柵難以定位安裝及格柵適應(yīng)三臺(tái)階臺(tái)階位置確定的。 鋼格柵位置調(diào)整后,各臺(tái)階均存在兩片格柵,各臺(tái)階開(kāi)挖成型后,地質(zhì)水文對(duì)格柵安裝及定位影響非常小,施工周期短。 (3)施工組織 三臺(tái)階與兩臺(tái)階相比,同期施工人員由8人增加到13人,每循環(huán)施工由12h縮短為8h。具體施工組織如下所述。 上臺(tái)階為粉細(xì)砂層,開(kāi)挖不受影響,施工作業(yè)4人開(kāi)挖成型約需1.5h;中臺(tái)階開(kāi)挖5人,其中3人包含將上臺(tái)階翻至中臺(tái)階的砂土直接裝車,開(kāi)挖需時(shí)約2.5h;下臺(tái)階施工4人,主要為開(kāi)挖下臺(tái)階粉質(zhì)黏土、清理中臺(tái)階遺撒土體及清理道路,需時(shí)約4h。 三個(gè)臺(tái)階開(kāi)挖存在一定時(shí)差,因此開(kāi)挖結(jié)束的人員即進(jìn)行本臺(tái)階格柵安裝,一般在下臺(tái)階開(kāi)挖完成時(shí)上、中臺(tái)階格柵也安裝完畢,并處于連接鋼筋、網(wǎng)片焊接作業(yè)中,待下臺(tái)階格柵安裝及相應(yīng)工作完成后,整個(gè)三個(gè)臺(tái)階作業(yè)時(shí)間約為6h,噴射混