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沈阳地铁暗挖区间竖井及横通道穿越建筑及生活垃圾填埋层综合施工技术

作者:王吉华  发布:2017/6/22  浏览:
单位:中铁十八局集团第五工程有限公司

摘 要:沈阳地铁九号线某暗挖区间竖井及横通道穿越含建筑及生活垃圾的填埋层,该地层组成物质来源复杂,结构疏松,施工沉降难以控制,风险较大。为了保证施工安全,进行了补充勘察,确定了填埋层的组成成分,并提高了风险等级,进行专项设计与施工。通过分析竖井沉降原因,比选了竖井内外注浆加固措施,实施了透水井法层间滞水处理措施,完成了竖井封底; 针对横通道风险特征,采取洞内深孔注浆加固、降低拱顶标高、施作临时管道内衬和洞内长短导管结合等措施,实现了横通道封端; 同时,凭借监控量测、气体检测等科学手段信息化指导施工,成功解决了沉降难题,化解了工程风险。结合开挖实践以及周边道路、管线、建( 构) 筑物影响情况,验证了该综合技术的可行性。

0 引言

在城市建设发展进程中,越来越多的地下空间被开发利用,伴随着新规划地铁线路的建设和不断出现地铁线路穿越特殊地质的情形,应运而生了新材料、新工艺与新的施工方法。黄钟晖等[1]研究总结了暗挖法隧道大竖井穿越软弱淤泥质地层施工及沉降的处理技术,提出了井壁背后土体注浆加固、加大锁口圈承载面积、加密井壁锚杆和井壁增加牛腿等针对性沉降治理措施; 严进喜[2]通过采取洞内真空水泵抽排层间残留水,两台阶法调整为三台阶法,对暗挖流砂及坍塌病害进行了有效控制; 薛炜[3]根据北京地铁六号线廖公庄站暗挖PBA 工法穿越杂填土段的工程地质特点,选取了2# 横通道为试验段,实施了地面二重管深孔注浆,对横通道拱顶以上3 m 与侧墙以外3 m 区域进行了加固处理,确保了横通道安全顺利施工完成; 刘爽[4]通过探地雷达探明了暗挖施工影响范围内杂填土的孔洞、沉陷及疏松等地质缺陷,之后采用洞内长导管压注水泥膨润土浆液,对地质缺陷进行了填充加固处理,有效预防了坍塌事故。

本工程隧道上方存在交通车辆与人流,给水、污水与排水管线,以及建( 构) 筑物等多处风险源,且隧道穿越建筑及生活垃圾填埋层、滞水层,多种风险因素交错影响,共同作用,与前述工程相比,本工程环境更复杂、地质条件更差、风险更大。在沉降难控制、土体易坍塌和有毒有害物质易侵染的风险条件下,引入了动态设计与施工的理念,传统工艺与科学手段结合,集多种措施于一体,聚沙成塔,形成了独具规模、具有针对性与规范性的综合治理技术,逐步化险为夷,取得了施工的成功。因此,有必要对本工程穿越建筑及生活垃圾填埋层的成功经验和综合施工技术进行总结、提炼与推广。

1 工程概况

1. 1 设计简介

沈阳地铁九号线某区间设计起点里程K10 +672. 196,终点里程K11 + 932. 180,右线长1 259. 984m,左线长1 233. 274 m,采用暗挖法施工。区间线路纵向呈“V”字型,最大纵坡25‰,隧道覆土厚度6. 6 ~17. 2 m,最小平曲线半径300 m。区间设2 处施工竖井及横通道( 兼联络通道) ,1 处区间渡线。1# 施工竖井及横通道设在区间中部,里程右K11 + 252. 500; 2#施工竖井及横通道设在区间大里程端大跨度断面部位,里程右K11 + 871. 007。

其中,1# 施工竖井净尺寸4. 4 m × 5. 8 m( 宽×长) ,深度26. 5 m,竖井在横通道开洞处设加强内衬。1#横通道全长43. 0 m,横通道设二次衬砌结构,横通道净宽3. 6 m,最大净高7. 6 m,初期支护设1 道临时隔板,二次衬砌结构设1 道永久隔板。施工竖井在区间竣工后全部回填,横通道设永久二次衬砌,在区间竣工后采用永久封堵墙封堵。

1. 2 工程地质与水文地质

根据地质勘查报告,地层结构由第四系全新统人工填筑层( Qml4) 、第四系全新统浑河高漫滩及古河道冲积层( Q2al4) 、第四系全新统浑河新扇冲洪积层( Q1al + pl4) 和第四系上更新统浑河老扇冲洪积层( Q2al + pl3) 组成。自上而下依次为杂填土、中粗砂( 局部细砂、圆砾土) 、粉质黏土和中粗砂。地下水类型为孔隙潜水,稳定水位埋深在6. 80 ~8. 90 m。具体工程与水文地质情况见图1。

图1 1#施工竖井及横通道地质剖面图( 单位: mm)

2 建筑及生活垃圾填埋层情况简述

2. 1 补勘描述

第四系全新统人工填筑层( Qml4) 涉及特殊岩土,主要为杂填土,由现场调查可知,线路经过此地段原为垃圾填埋场,在补充勘察阶段已加密勘探孔进行勘察。根据补充勘察报告可知,里程右K10 + 960. 0 ~ K11 +450. 0 段杂填土厚度为10. 0 ~ 15. 0 m,里程右K11 +500. 0 ~ + 925. 0 段杂填土厚达5. 0 ~ 17. 0 m,主要由碎砖块、建筑垃圾、纺织布条、腐殖质生活垃圾和灰黑色粉质黏土等组成,物质来源较复杂,局部地段为素填土,分布不均匀且缺乏规律,往往在很小的范围内就有很大变化。该处的杂填土结构疏松,估计堆积时间较短,是一种欠压密土,可能还具有浸水湿陷性,对隧道的施工及支护将产生较大的影响。

2. 2 风险等级提升

1#竖井处于厚杂填土区域,开挖出大量建筑及生活垃圾,且带有刺激性气味。建筑及生活垃圾填埋层土质松散,孔隙率大,竖井开挖时超前注浆小导管注浆量大( 远超出正常地层注浆量) ,验证了该地层注浆能够起到固结防塌的效果。同时因建筑及生活垃圾填埋层的欠压密性,竖井开挖过程中沉降持续增大,仅穿越建筑及生活垃圾填埋层后竖井锁口圈梁监测到的最大累计沉降已经达到78. 85 mm,竖井封底后累计沉降达到129 mm,以后趋于稳定。开挖呈现的建筑及生活垃圾见图2。

图2 1#施工竖井开挖出的建筑及生活垃圾

根据补充勘察及施工现场开挖情况,在沈阳地铁九号线工程风险源设计专家论证会议上,专家一致认为在该建筑及生活垃圾填埋层条件下,隧道暗挖施工以及施工期间对周边建筑物、道路和管线的安全存在较大风险,建议风险等级由二级提升为一级,并进行专项方案设计,对建筑及生活垃圾填埋层施工采取加强措施,进行动态设计与施工。

3 施工存在问题

3. 1 降水井施工困难

施工过程中建筑及生活垃圾障碍物多,经常出现塌孔、卡钻和保水困难等现象,成孔效率和完好率低。

3. 2 竖井开挖沉降较大

竖井在开挖过程中,存在“不开挖沉降小,一开挖就沉降监测报警”的现象。穿越建筑及生活垃圾填埋层后竖井锁口圈梁最大累计沉降已经达到78. 85 mm,竖井封底后累计沉降达到129 mm,以后趋于稳定。

3. 3 横通道拱部土质松散

横通道拱顶紧挨建筑及生活垃圾填埋层,土体自稳性极差,施工时易造成坍塌。

3. 4 地面环境复杂

横通道对应地面位置为双向6 车道交通道路,车辆人流密集,道路下方杂填土内埋设有DN400 给水、DN600 污水和DN800 雨水管道。暗挖施工沉降过大或坍塌极易造成管线断裂和车辆人员损伤事故。

3. 5 存在有毒有害气体

生活及建筑垃圾长期发酵,产生大量氨气、硫化氢等有毒有害气体,施工中易造成人员中毒窒息等不良后果。

4 穿越建筑及生活垃圾填埋层工法比选

4. 1 暗挖法改明挖法分析

区间建筑及生活垃圾填埋层段位于机动车道路、绿化带和管线下方,同时距离正在建设的住宅楼较近,从环境影响因素分析,将造成交通导改、绿化迁移、管线改迁和楼房倾斜沉降等问题。从施工工艺分析,放坡开挖不具备条件,在建筑及生活垃圾填埋层采用围护结构钻孔施工,钻孔障碍较多,泥浆护壁较差,极易失水塌孔,大范围换填土体亦不现实。

4. 2 暗挖法改盾构法分析

盾构法的实施需要有与之配套的土建设施、机械设备以及相应场地,区间及两端车站均已完成部分施工,若改为盾构法隧道,势必废除或修改已完工程,增加适应盾构工法的辅助工程; 同时,盾构在含建筑及生活垃圾的杂填土内掘进,大块的建筑垃圾会对泥水盾构的泥水循环管路、土压平衡盾构的螺旋出渣口造成堵塞等影响,且各掘进参数的准确选取需要进行试验确定。

4. 3 暗挖法补强措施分析

在不改变暗挖工法基础上增加隧道埋深或水平调整线位远离建筑及生活垃圾填埋层,均受区间两端已完工程影响,可调空间较小,不能满足线路规范要求。从实施的可行性、对周边环境的影响、施工风险、工期以及费用综合分析,最优方案为: 在维持原暗挖法设计的基础上,补充加强措施。

5 总体施工技术

5. 1 竖井施工

5. 1. 1 竖井施工沉降简述

竖井开挖进入建筑及生活垃圾填埋层后沉降难以控制,先后2 次临时封底,采取控制处理措施。进入建筑及生活垃圾填埋层4 m 时,最大累计沉降达45 mm,第1 次临时封底采取处理措施; 进入建筑及生活垃圾填埋层7 m时,最大累计沉降达到78 mm,第2 次临时封底采取处理措施; 穿越12 m 建筑及生活垃圾填埋层进入原状地层后,最大累计沉降达到78. 85 mm,趋于稳定。

5. 1. 2 沉降原因分析

5. 1. 2. 1 周边降水影响

地面以下12 m 范围地层为建筑及生活垃圾填埋层,地质松软、孔隙率大且储水丰富,受竖井周边降水影响,绝大部分松散地层内的水被抽排走,致使原本处于相对平衡状态的地层逐渐下沉[5 - 7]。

5. 1. 2. 2 垃圾地层自身影响

采用“倒挂井壁”法施工的竖井,竖井自重依靠锁口圈梁及井壁迎土面的摩擦力来承担,由于竖井周边存在大量垃圾土,摩擦力不足,当井壁与注浆锚杆组成的结构体系与迎土面垃圾地层的摩擦力小于结构自重时,竖井沉降难以有效控制。

5. 1. 2. 3 施工影响

在含建筑及生活垃圾的地层中开挖,地层扰动较大,极易超挖。根据垃圾在竖井内的分布情况分析可知,在以含塑料、布条等生活垃圾为主的地层中开挖时,“藕断丝连”,“牵一发而动全身”,造成超挖扰动较大; 在以含砖头、混凝土块等建筑垃圾为主的地层中开挖时,局部位置需要人工手持风镐破除,产生震动及扰动较大,易造成地层沉降。

5. 1. 3 竖井穿越建筑及生活垃圾填埋层段处理措施

5. 1. 3. 1 首次处理措施

竖井开挖进入建筑及生活垃圾填埋层4 m 时,最大累计沉降达45 mm,首次临时封底,并进行井壁背后注浆,封底期间累计沉降达到55 mm。恢复施工后采取加密超前注浆管的措施,将每隔1 榀打设1 环32 ×3. 25 mm( 间距500 mm,长度2. 5 m) 注浆小导管,改为每榀均打设1 环32 × 3. 25 mm( 间距500 mm,长度3m) 注浆小导管并及时注浆加固地层。

5. 1. 3. 2 二次处理措施

开挖进入建筑及生活垃圾填埋层7 m 时,最大累计沉降达到78 mm,第2 次封底,并采取处理措施( 见表1) 。

表1 二次处理措施

从施工安全、造价以及现场空间实施的可能性综合比选后,决定采用措施1“加固剩余建筑及生活垃圾填埋层”与措施2“加固锁口圈梁周边土体”结合的综合措施。

1) 措施1: 加固剩余建筑及生活垃圾填埋层。因地面空间限制,剩余垃圾地层注浆加固在竖井内进行。临时封底后,在井壁及封底位置布设注浆孔,采用小型坑道钻机钻孔,通过调整钻机钻设角度,确保注浆孔位满足加固范围,不留死角。插入42 × 3. 5 mm,长3 ~5 m 注浆花管,加固范围为井壁内0. 5 m,井壁外2 m,每循环有效加固深度1 m。通过试验选取最佳注浆参数,浆液采用质量比1∶ 1的水泥浆,注浆压力0. 3 ~ 0. 5MPa( 见图3) 。

2) 措施2: 加固锁口圈梁周边土体。采用小型坑道钻机在锁口圈周边地面位置垂直、倾斜钻孔,通过调整钻机钻设角度,确保注浆孔位满足加固范围,不留死角。插入42 × 3. 5 mm,长3 ~ 5 m 注浆花管,加固范围为地面以下3 m,井壁以外3 m。注浆遵循“由外至内”的原则,先在外侧一排注浆管内注入体积比1∶ 1的水泥- 水玻璃浆液,缩短浆液凝固时间,尽快形成约束止浆墙,确保后注浆液在设计加固范围内扩散。外侧注浆完毕后,逐排向内压注质量比1∶ 1的水泥浆液,注浆压力控制在0. 3 ~ 0. 5 MPa。

图3 剩余建筑及生活垃圾填埋层加固示意图

采取综合措施加固完成后,继续按“首次处理措施”进行开挖施工,直至完全穿越建筑及生活垃圾填埋层到达原状圆砾层趋于稳定,最大累计沉降达到78. 85 mm。

5. 1. 4 层间滞水处理措

施在圆砾层内开挖至距离粉质黏土层1. 0 m 位置时出现层间滞水,继续下挖层间滞水逐渐加大,并伴有流砂,故临时封底。

5. 1. 4. 1 竖井内打设透水井

在竖井底部位置( 避开抓斗式起重机开挖影响) ,破除临时封底,埋设1. 2 m 护筒,打设400 mm 的透水井,打设深度为竖井基底标高以下8 m 位置( 穿透粉质黏土层,兼做降水井) 。采用小型冲击钻机成孔,避免对井下土体造成较大扰动。同时,在开钻前备好应急物资,钻进时加强对地面、井底及井壁的观察与监测,发现异常立即停止施工,采取应急加固措施,防止施工造成井壁下沉、开裂,造成大面积涌水或涌砂,产生严重事故。钻孔完成后,下放井管、滤料、洗井并下泵抽水。经探查,层间滞水明显变小,快速开挖至粉质黏土层。

5. 1. 4. 2 集中引排

在井壁四周粉质黏土层与圆砾层交界面位置布设导流管,将层间滞水导流至竖井集水井,统一抽排至地面。

采取以上措施后,开挖竖井至设计标高并封底,及时施作了竖井加强内衬,竖井结构处于安全稳定状态。

5. 2 横通道施工

5. 2. 1 深孔注浆加固施工

因1#横通道顶为建筑及生活垃圾填埋层,风险等级提升后,按施工竖井及横通道补充设计进行了深孔注浆加固施工[8 - 12],加固长度28 m。

横通道深孔注浆加固分3 个循环施作,第1 循环采取洞内( 竖井马头门位置) 机械成孔,后退式注浆,加固长度10 m; 第2 循环采取洞内人工小型机具成孔+ 地面机械垂直成孔,加固长度10 m( 分3 次) ;第3 循环采取洞内人工小型机具成孔+ 地面机械垂直成孔,加固长度10 m( 分3 次) 。具体加固范围见图4。

图4 横通道深孔注浆加固图( 单位: mm)

5. 2. 2 降低拱顶标高

上导洞开挖8 m 时( 逐渐靠近拱顶建筑及生活垃圾填埋层位置) ,横通道拱部开挖位置隔水层明显,隔水层以上为建筑及生活垃圾填埋层,为确保施工安全,将横通道拱部局部标高降低800 mm,正线位置按1∶ 2的坡度上挑至原设计标高。标高降低后,避开了建筑及生活垃圾填埋层,减小了施工风险,但爬坡挑高段增加了一定施工难度。整体调整后的横通道结构形式不影响隧道正常使用功能( 见图5) 。

5. 2. 3 对道路下方雨水管道施作内衬

通过探查发现横通道顶部埋设于松散杂填土内的DN800 雨水管道存在严重渗漏现象,为降低风险保证安全,对临近横通道200 m 雨水管道进行了管道接口封堵并及时施作了柔性内衬( 见图6) 。

图5 横通道拱顶局部标高降低剖面图( 单位: mm)

图6 雨水管道柔性内衬

5. 2. 4 洞内密排长短双排注浆导管结合施工

根据横通道上导洞最后10. 4 m 层间滞水较大的情况,采取“每榀格栅按设计要求打设1. 8 m 超前注浆小导管注浆加固( 间距≤300 mm) ,每3 榀打设4 ~ 6m 超前注浆小导管注浆加固( 间距≤100 mm) ,注浆浆液选取体积比1∶ 1的水泥- 水玻璃浆液”的洞内密排长短导管双层结合的注浆加固方案,以及“地面深浅井结合”方案,最终确保了横通道顺利施工完成。

6 监控量测

针对建筑及生活垃圾填埋层,加密了监测点布设,加大了监测频率。按黄色、橙色和红色3 级预警进行管理,采用沉降值与速率值的双控指标,沉降控制值30 mm、预警值21 mm,速率控制值2 mm/d、预警值1. 4 mm/d。

施工完成后1#竖井锁口圈梁最大累计沉降129 mm( 超过控制值30 mm,见图7) ,初期支护最大收敛位移值小于允许值30 mm。横通道地表最大累计沉降值、初期支护拱顶最大累计下沉值均小于允许值30 mm,初期支护最大累计收敛位移值小于允许值20 mm。

1#竖井及横通道上方桥式起重机基础布设监测点8 处,差异沉降小于10 mm。横通道上方DN400 给水管线采用抱箍监测的方法,10 m 范围内设抱箍监测点3 处,差异沉降小于5 mm。

图7 1#竖井地表累计沉降曲线图

7 污染物防治措施

建筑及生活垃圾是一种成份复杂的混合物,腐化后产生大量的氨、硫化物等污染物,这些污染物中含有许多致癌、致畸的物质,露天时向大气释放; 同时,垃圾在堆放分解过程中会产生大量酸性和碱性污染物,将垃圾中的重金属溶解出来,是有机物、重金属和病原微生物三位一体的污染源,其中所含水分渗入地下含水层,造成地下水的严重污染。这些污染物质可以通过接触和呼吸被人体吸收,引起肌体各种不良反应,引发免疫机能下降,诱发呼吸道、神经系统疾病等,对人体造成严重伤害[13]。

在竖井开挖施工过程中局部遇到有毒有害气体,处理相对容易,采取加强通风的措施来控制作业区有毒有害气体的浓度在规定允许指标以下,危害是能够避免的。横通道施工作业面小、长度较大、施工人员相对密度较大,若遇到有毒有害气体,防治难度和危害都较大,因此,施工过程中有毒有害气体的危害防治措施尤为重要。针对竖井开挖出现的刺激性气味首先使用通风机不间断向竖井及横通道内通风,输送新鲜空气;其次采用复合气体检测仪对硫化氢、一氧化碳、甲烷和氨气等气体的浓度及状态进行检测,根据检测结果制定相应保护措施; 最后加强电源与火源管理,采用自动电源截断系统,配备防暴结构的电器,并加强现场动火控制[14 - 15]。

暗挖施工降水措施将被污染的地下水进行了抽排处理,地下水位已降至开挖面以下,施工作业直接接触的是被污染的固体物质及少量残留水体。除通风外,要求作业人员佩戴防毒面具、防化手套和防化鞋等防护用具,避免直接和污染源接触。

8 结论与建议

1) 在城市地铁前期规划选线时要充分考虑不良地质的影响,勘察设计期间对不良地质进行详细勘察,根据勘察结果对线路进行优化设计,尽量避开不良地质段。不可避免穿越不良地质段时,要充分论证线路施工的工法选择( 如盾构法、明挖法和暗挖法等) 、设计参数( 如埋深、坡度和平面曲线等) 以及需要采取的辅助设计补强措施,减小对施工阶段的影响。本工程通过工法比选,选取了“暗挖工法+ 补强措施”的总体施工思路,并通过实施沉降控制、层间滞水处理等一系列补强措施,完成了竖井封底及横通道封端,随即施作了二次衬砌,未对周边管线、建( 构) 筑物和道路造成损坏,亦未对车辆及行人造成不良影响。

2) 针对建筑及生活垃圾填埋层风险特征及危害,及时采取了洞内通风、气体检测、动火控制和佩戴隔离用具等措施,将有毒有害气体浓度控制在健康标准允许范围之内,并有效控制了人体与污染源的直接接触,施工过程中未发生人员中毒现象,工程完工后施工人员体检均显示健康达标,未对人员身体健康造成影响。

3) 当施工阶段遇到不良地质情况,采用原设计方案不能满足施工要求或风险较大时,要及时采取“动态设计与施工”的理念,设计与施工互为因果,共同研究方案,缩短影响时间。

4) 可针对不同地层的特点及影响程度采取不同的沉降控制标准,在确保安全的前提下可适当调整控制值及预警值,减少不必要的报警对施工的延误。

摘自:隧道建设

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