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复杂地层浅埋暗挖地铁区间隧道近距离下穿地下商业街设计及施工关键技术

作者:吴昊  发布:2017/9/28  浏览:
单位:中铁隧道勘测设计院有限公司

摘 要:青岛地铁2 号线五四广场站—浮山所站区间采用浅埋暗挖法施工,因线路埋深受限,区间隧道需以1. 68 ~ 1. 86 m 的净距要求下穿一处两柱三跨11. 8 m × 4. 5 m 矩形框架结构的地下商业街。为确保工程安全,克服上半断面富水砂层、下半断面坚硬岩层这一差异性较大的上软下硬复杂地层,以及在近距离下穿条件下选取合适的支护参数和技术措施成为工程的关键。实际施工过程中,综合采用了深孔注浆地层预加固、一次性打设90 m 超长管棚预支护、减震爆破和自动化实时监测等综合技术手段,辅以数值计算模拟分析,在控制地下商业街及其周边软弱地层沉降、保障地下商业街的日常运营和降低隧道施工风险等方面取得了较好的工程效果。

0 引言

地铁线路埋深受城市规划、车站站位选址、周边环境等诸多因素的影响,所以,地铁区间隧道不可避免地会遇到下穿建( 构) 筑物的情况,尤其是随着近年来各大城市地铁建设的迅速发展,近距离下穿工程案例逐渐增多。近距离下穿施工的关键问题通常为在一定的地质条件和工程边界条件约束下,选取合适的施工方法和工程辅助措施,以确保被下穿建筑物的正常工作能力及隧道工程本体施工安全。目前,近距离下穿既有建( 构) 筑物时,地铁区间隧道多以盾构等机械掘进法为主,且已有大量的成功案例。

与之相比,浅埋暗挖法近距离下穿既有建( 构) 筑物的工程实例相对较少。根据已掌握的资料,其中的个别工程实例多以在第四系土层或岩层等单一均质地层中施工为主,如在粉细砂或粉质黏土层中下穿既有地铁车站[1 - 3]、在花岗岩岩层中下穿既有铁路线[4]、在黏土层或花岗岩中下穿地面房屋和城市主干道[5 - 7]以及在卵石圆砾层中下穿既有隧道[8]等,而在富水不稳定土层和高强度岩层的较大差异性复合地层中近距下穿的施工实例相对较少。因此,如何在地层差异性较大和施工距离较近的条件下,结合断面开挖跨度选择综合性的技术方案和施工措施,是值得研究的问题。鉴于此,本文依托青岛地铁2 号线一期工程五四广场站—浮山所站区间,研究隧道在上半断面为不良富水砂层、下半断面为中风化岩层的复合地层中近距离下穿已运营地下商业街所采取的设计思路和关键施工技术,现隧道已安全通过地下商业街。实践证明,所采取的工程技术方案安全可靠。

1 工程概况

青岛地铁2 号线一期工程五四广场站—浮山所站区间( 以下简称五—浮区间) ,左右线均为单洞单线隧道,采用浅埋暗挖法施工,复合式衬砌,马蹄形断面,区间全长775 双延m,位于香港中路道路下方,区间下穿路段为青岛政治、经济中心,现状道路交通较繁忙,人流量和车流量较大。

利用区间中部永久联络通道设置1 座施工临时横通道和1 座施工竖井,分别向五四广场站和浮山所站掘进施工,邻近浮山所站140 m 时,区间需下穿丽人地下商业街,如图1 所示。受浮山所站前方290 m 上跨既有地铁3 号线影响,区间埋深受限,下穿处隧道拱顶距地下商业街底板较近,技术难度和施工风险均较高。

图1 隧道下穿地下商业街总平面图

1. 1 隧道与地下商业街位置关系

已运营的丽人地下商业街采用浅埋暗挖法施工,初期支护成洞为平顶直墙矩形断面,永久内衬采用双柱矩形钢筋混凝土框架结构,顶板设纵横梁,基础为肋梁式筏板基础,结构外框11. 8 m × 4. 5 m。地下商业街两侧为商铺,中间为人行通道。结构顶板厚400 mm,基础底板厚400 mm,侧墙厚400 mm。顶板纵梁450 mm × 800 mm( 横× 高) ,顶板横梁为暗梁,400 mm × 400 mm ( 横× 高) ,基础底板纵横肋梁600 mm × 600 mm( 横× 高) ,如图2 所示。

左线隧道拱顶初期支护与地下商业街净距1. 68 m,右线隧道拱顶初期支护与地下商业街净距1. 86 m。区间隧道与地下商业街位置关系如图3 和图4 所示。

1. 2 工程水文地质概况

区间地貌类型属山前洪冲积平原,后经人工回填改造。地层自上而下依次为杂填土、粉质黏土、粗砂、强风化层和中风化碎裂岩。五四广场站—地下商业街段隧道主要穿越强风化层和中风化碎裂岩层,地下商业街—浮山所站段隧道主要穿越粗砂层和中风化碎裂岩层。地质纵断面如图5 所示。

图2 地下商业街横断面图( 单位: m)

图3 隧道与地下商业街空间位置关系示意图

图4 隧道与地下商业街位置关系断面图( 单位: m)

图5 地质纵断面

场区地下水含水体系主要有第四系松散土层孔隙潜水和基岩裂隙水,各含水层之间具有连通性,地下水位埋深1. 5 ~ 2. 8 m。第四系松散土层孔隙潜水主要赋存于粉质黏土层和砂层,其中,砂层为强透水层。岩层风化裂隙发育,但水量较小,富水性差。

2 关于近距离下穿设计和施工的几点考虑

2. 1 地下商业街沉降控制标准

隧道的开挖会对地层产生扰动,使得隧道拱顶承载拱内地层应力流有向下流动的趋势,承载拱内应力将进行二次分配,同时,隧道开挖造成的地下水损失可引起土体固结沉降[9 - 10]。这些因素将减弱地下商业街底板持力层的承载效果,引起地下商业街及其上方道路路面下沉。因此,需要明确地下商业街正常使用阶段的沉降控制标准,以便针对控制标准制定可靠的技术措施、施工组织方案和应急预案。

2. 2 隧道支护措施和开挖方法

隧道的支护措施和开挖方法应结合地质条件、周边环境控制标准和隧道本体控制标准综合确定[11]。五—浮区间隧道拱顶与地下商业街较薄的中夹土层无法承受地下商业街的全部结构质量,需要隧道来承担一部分地下商业街结构自重。因此,应结合台阶式开挖方法,充分考虑采用初期支护层大刚度支护措施,来控制地层和地下商业街的沉降。

2. 3 复杂地质条件对下穿施工的影响

五—浮区间上半断面富水砂层水量大、稳定性差,对隧道本体施工安全和地下商业街的沉降控制以及稳定性均不利,应考虑对富水砂层进行必要的预处理。五—浮区间下半断面为岩层,需爆破开挖,因此必须采取减震爆破方案,降低爆破震动对地下商业街和上方软弱地层的影响。

2. 4 信息化施工

采用实时自动化监测技术,以便及时发现安全隐患,并采取有针对性的解决措施[12]。

3 地下商业街现状评估及变形控制标准

地下商业街内景见图6。根据《青岛丽人地下商业街结构安全性及危险性鉴定报告》,地下商业街鉴定结论如下:

1) 未发现基础老化、腐蚀、酥碎、折断和因地基不均匀沉降而造成的上部结构有不良反应等危险点,地基基础危险构件比例Pfdm = 0,地基稳定。

2) 未发现地下商业街混凝土构件关键部位有超标的裂缝宽度,各构件受力主筋未锈蚀,梁、板未有松散露筋,柱、墙混凝土未有酥裂、碳化、起鼓等危险点,承重结构中危险构件百分数Psdm = 0,结构安全。

3) 建议爆破震速取v安≤3. 0 cm/s 为宜。

4) 地下商业街沉降变形按10 mm 控制,沉降变形最大速率按1. 5 mm/d 控制,差异沉降按8 mm 控制。

4 五—浮区间下穿地下商业街的设计和施工

4. 1 上半断面深孔注浆地层预加固

使用深孔注浆技术对上半断面富水砂层进行预加固。浆液采用具有早强、高强和高抗渗性的硫铝酸盐水泥浆。由于地层本身富水,因此采用低水灰比0. 5 ~0. 8,注浆压力0. 5 ~ 1 MPa,距地下商业街较近部位降低注浆压力,防止地下商业街结构底板因注浆压力过大而隆起。为防止砂层塌孔,采用前进式注浆工艺[13],钻一段注一段,每孔注浆结束后采用水泥- 水玻璃双液浆快速封孔[14],以防止地下水顺注浆管流入洞内。外层注浆管管底按隧道轮廓线外放1 m 考虑,以防注浆管触及地下商业街结构底板。地层加固范围和注浆管布置如图7 所示。掌子面注浆孔如图8 所示。

图6 地下商业街内景照片

图7 深孔注浆注浆管布置( 单位: m)

图8 掌子面注浆孔现场照片

4. 2 超长大管棚施工技术

超长大管棚施工照片如图9 所示。

图9 五—浮区间超长大管棚施工照片

4. 2. 1 管棚施工工作室

在上台阶设置管棚施工工作室,工作室开挖尺寸在标准段隧道开挖轮廓线外0. 6 m,工作室长度为8 m。标准段进工作室断面的过渡长度为3 m,如图10所示。

图10 管棚工作室示意图( 单位: m)

4. 2. 2 导向拱

掌子面设置长1. 0 m 的导向拱,其环向强度以保证导向拱两侧基础稳定为原则,根据地形、现场地质条件确定。导向拱内设2 榀22a 工字钢,在其中布设146、壁厚为6 mm 的导向管; 待工字钢架设完毕后,将导向管与工字钢焊接成整体,并用22 钢筋固定牢固。导向拱采用C25 喷射混凝土。管棚导向拱如图11 所示。

图11 管棚导向拱示意图( 单位: mm)

4. 2. 3 施工参数

管棚采用127 无缝钢管,壁厚6 mm,每节6 m,采用丝扣连接,入射角度不大于1°,注单液水泥浆,水灰比为0. 8 ~ 1. 0,注浆压力为0. 8 ~ 1. 0 MPa,拱部150°范围内按间距400 mm 均匀布置。

4. 2. 4 管棚施工精度控制

1) 选取2 个试验孔,通过施工试验孔来验证钻孔角度、钻速、偏差纠正等设计参数,确定适用于本地质条件下的施工参数,保证打设质量; 2) 为了保证质量,打设时采用跳打的施工顺序; 3) 管棚钢管前端安装130 mm 楔子板合金钻头,开孔时,低速低压,待入孔2. 0 m 后,适当加压,每钻进1 m,必须使用导向仪器进行施工角度检查,如果发现偏转,应立即采用楔形钻头进行角度纠正; 4) 特殊情况下偏差较大时,可采用将钻头退回一定距离后调整角度,反复扫孔,方向调正后正常钻进; 如确定无法纠偏时,采取退管、灌注水泥浆封堵,然后重新钻进的解决方法。

4. 2. 5 其他

1) 钢管连接。每节钢管连接时要确保丝扣到位,无错台现象。可将丝扣连接缝焊接固定,必要时可在接头外加焊一道箍圈,以免因钻进扭矩过大而发生断管。

2) 卡钻。因地质变化可能造成卡钻或难以钻进时,应采取对膨润土泥浆进行润滑的解决措施。

4. 3 下穿段隧道开挖方案

隧道采用马蹄形断面,最大开挖跨度5. 8 m,在“预支护+ 强支护”技术措施的保证下,该跨度能够满足安全施工的要求,且该跨度刚好能满足正常出渣和施工机械以及人员作业的需求,保障正常施工效率;因此,不必采取减跨设置临时竖撑。

隧道应尽快通过地下商业街,减少掌子面停留在地下商业街下方的时间,因此,在能确保安全的前提下,应尽量减少隧道开挖工序。

基于以上考虑,下穿隧道采用台阶法开挖,上台阶掌子面预留核心土进一步稳定掌子面,如图12 所示。利用地层特点,将台阶平台设置于地层上软下硬分界处。重点管控好上台阶开挖,重视钢架底脚的承载力和稳定性,上台阶钢架底脚设置锁脚锚管,底脚应座落在稳定岩层上,岩层破碎时,可采用底脚处超挖回填C25 素混凝土加强处理。同时,上下台阶开挖步距不能太大,控制在5 m 以内,以便初期支护及时封闭成环,控制地层沉降。

图12 隧道开挖方法示意图

上半断面为砂土层,采用机械开挖,下半断面为岩层,采取控制爆破技术开挖,爆破开挖应注意对地下商业街的震动影响。

为避免沉降叠加,减小施工风险,左右线不可同时通过地下商业街。具体方案为待右线隧道通过地下商业街15 m 后,左线隧道再开始下穿施工。

4. 4 隧道下半断面控制爆破施工技术

4. 4. 1 减震措施

隧道下半断面为岩层,需采取爆破开挖。为降低爆破冲击波对地下商业街和上方软弱地层的影响,下台阶掏槽区在台阶平台打设垂直炮孔,使爆破冲击波尽量沿隧道纵向扩散,垂直掏槽区和上台阶形成的多点临空面可有效衰减爆破冲击波。

掏槽区采用防水效果好的乳化炸药。周边眼采用小直径、低爆速的光爆炸药[15],间隔装药,微差起爆,尽可能减少对围岩的扰动[16]。

4. 4. 2 爆破参数

爆破参数采用理论计算法、工程类比法与现场试爆相结合的方法确定。

由于介质系数K、α 值对计算单段最大装药量较为敏感,因此,下穿前采取在现场类似地层进行爆破试验的方法确定K、α 值。试验按地表质点震速为1. 0 cm/s控制单段装药量,从获得的多组测试数据中近似归纳出K = 127、α = 1. 65,相应地,单段最大装药量需按25 g 控制。

1) 掏槽型式及掏槽孔参数。爆破掏槽区采用楔形掏槽,掏槽孔直径50 mm、深85 cm、倾斜角度60°,每对炮孔与另一对炮孔间距为0. 5 m。

2) 辅助孔参数。辅助孔孔深65 cm,装药长度按全孔长度的70% ~ 80%进行控制。

3) 周边孔参数。周边孔间距50 cm、直径42 mm、深70 cm,采用不耦合装药,不耦合系数为3,线装药密度为0. 2 kg /m,预留光爆层厚度按65 cm 控制。

4. 4. 3 爆破效果

每次起爆采用智能爆破测震仪对地表和丽人地下商业街底板进行震速监测。隧道下穿开挖全过程中,地表震速为0. 6 ~ 1. 0 cm/s,丽人街地下通道底板震速为1. 5 ~ 1. 9 cm/s,均小于控制值,证明试爆参数实际实施效果较好。

4. 5 下穿段隧道支护参数和二次衬砌

根据前文所述,下穿段隧道埋深浅,地层上软下硬,地下商业街距拱顶较近。为确保施工过程中隧道和地下商业街结构的安全,确定的技术原则为“强支护”。考虑到掌子面在砂土层中的临时自稳能力差,施工中可能会发生塌方事故,因此,有必要采取一定的“预支护”措施。

初期支护层采用“喷混+ 钢筋网+ 格栅钢架”的技术方案来实现“强支护”,采用“管棚+ 小导管”的技术方案来实现“预支护”,另外,管棚可作为安全储备来加强初期支护层的刚度。具体支护参数见表1。

表1 下穿段隧道衬砌结构支护参数

隧道左线下穿段90 m、右线下穿段60 m,为避免对地层的反复扰动,左、右线管棚采取一次性打设。打设超长管棚施工难度较大,其重点在于管棚打设精度的控制。

5 数值分析验证

5. 1 计算模型

计算模型两侧地层边界取至5 倍隧道洞径。土体材料采用Mohr - Coulomb 本构模型,固定材料按照弹性理论计算,深孔注浆效果以加固圈的型式通过提高围岩参数来实现。计算模型及网格划分见图13,数值模型物理力学参数见表2。

图13 计算模型及网格划分

表2 数值模型物理力学参数

5. 2 计算结果及分析

5. 2. 1 隧道初期支护应力分析

图14 为隧道成洞后初期支护应力云图。由图14可知,最大拉应力为1. 05 MPa,出现在拱顶部位,最大压应力为11. 67 MPa,发生在边墙。

图14 隧道初期支护应力云图

隧道的最大拉、压应力远小于钢材的抗拉、抗压强度,因此,格栅钢架的受力能够满足要求。

根据GB 50086—2011《锚杆喷射混凝土支护技术规范》,C25 喷混凝土抗拉强度为1. 3 MPa,C25 喷混凝土抗压强度为12. 5 MPa,均大于数值模拟计算值,因此,喷混凝土的抗拉、抗压受力能够满足要求。

此外,隧道初期支护为拱形结构受拉时,喷混凝土与螺纹钢筋易产生裂缝,喷混凝土与螺纹钢筋的粘结强度也应是一项验算指标。根据GB 50086—2011《锚杆喷射混凝土支护技术规范》,喷混凝土与螺纹钢筋之间的粘结强度最小为2. 0 MPa,满足要求。

5. 2. 2 地下商业街沉降分析

隧道右线施工引起的地下商业街沉降变形见图15,最大沉降量为1. 5 mm。隧道左线施工引起的地下商业街沉降变形见图16,最大沉降量为2. 9 mm。沉降量均小于控制值,满足要求。

图15 隧道右线开挖引起地下商业街沉降变形云图

图16 隧道左线开挖引起地下商业街沉降变形云图

6 远程实时自动化监测数据结果分析

现场布置测点和数据连接线,监测数据通过无线设备传输至监测终端,可不间断地、高频率地对地下商业街的变形进行数据反馈。

6. 1 测点布置

区间隧道施工至地下商业街50 m 时,开始对测点进行数据量测。测点布置如图17 和图18 所示。

6. 2 监测数据统计分析与信息反馈

根据所有监测点的统计分析,地下商业街侧方地表沉降监测数值相对较大,地下商业街正上方地表沉降监测数值相对较小; 地下商业街通道1 比通道2 沉降数值相对较大,而通道1 位于隧道左右线中间的底板跨中沉降数值相对较大。图17 中地表沉降测点A和图18 中地下商业街测点B 最能反映这一统计规律,且数据拟合误差在所有测点中相对较好,下面予以分别介绍。

图17 地表沉降测点布置( 单位: m)

图18 地下商业街沉降测点布置

6. 2. 1 地表沉降

隧道掘进过程中地表测点A 沉降曲线见图19。

图19 隧道掘进过程中地表测点A 沉降曲线

A从图19 可以看出: 左、右线隧道通过地下商业街前方5 m 范围内时,地表沉降速率较大,约为1 mm/d;右线隧道通过此5 m 范围后,地表沉降测点A 沉降差5. 32 mm,左线隧道通过此5 m 范围后,测点A 沉降差5. 72 mm。分析其原因,主要是因为之前地下商业街本身的暗挖施工对周边地层产生了扰动,由于本段地层含水量大,受扰动区地层固结沉降还未收敛,而地铁隧道的开挖对该区域产生了二次扰动,使得沉降量较大。

隧道通过地下商业街正下方时,测点A 沉降值稳定。分析其原因,主要是因为隧道通过测点A 后,地下商业街这一抗变形能力较强的刚性结构体阻断了隧道掌子面与测点A 之间的沉降应力流传递。

6. 2. 2 地下商业街沉降

隧道掘进过程中地下商业街测点B 沉降曲线见图20。

图20 隧道掘进过程中地下商业街测点B 沉降曲线

从图20 可以看出: 当隧道左、右线停留在地下商业街测点B 正下方时,测点B 沉降数值变化明显; 而当隧道通过后,测点B 沉降数值趋于收敛。分析其原因,主要是因为邻近隧道掌子面处仅为超前管棚支护,无钢架和喷混凝土层,抵抗上方荷载的能力较弱,监测数据变化值较大; 而当隧道通过后,钢架和喷混凝土层能够及时施作,从而使得监测数据趋于稳定。

7 结论与体会

五—浮区间下穿地下商业街是青岛地铁2 号线土建工程中唯一的一级风险源,保证上半断面富水砂层加固效果、控制拱顶上方加固体以外软弱地层沉降和减小爆破开挖对地下商业街的震动影响是本工程的关键。

实际开挖过程中,经深孔注浆加固后的掌子面较为稳定,富水量明显减少; 对注浆加固体芯样进行室内试验,加固体渗透系数小于10 - 5 cm/s,抗压强度0. 24 ~ 0. 35 MPa。实际开挖效果和室内试验结果均表明,加固后地层在能达到不透水层要求的同时还可承受隧道所在埋深的正向、侧向水土压力,加固效果较为理想。根据监测数据反馈分析,隧道下穿过程中地表沉降小于15 mm,地下商业街底板沉降小于3 mm,地下商业街底板质点震速小于2 cm/s,关键数据监测指标均小于控制值,说明本工程采用的超长大管棚支护、深孔注浆地层预加固和减震爆破等综合技术手段是有效的。

在如此不利的地质条件下近距离下穿地下建( 构) 筑物是一项难度大、技术复杂、风险高的工程。本工程的综合工程措施和实施方案可为今后类似工程提供参考,也可为系统归纳、总结地铁隧道在复杂地层中下穿地下建( 构) 筑物提供工程案例。

虽然本工程得以顺利实施,但仍有一些问题应予以重视或有待进一步研究。

1) 在复合地层中施工,并不是将2 种地层各自的处理措施简单叠加,分别做好各自地层的处理措施即可,还应考虑不同地层处理措施的相互影响,一种地层的技术参数和实施方案应兼顾考虑对另一地层的连带影响。如下部岩体爆破施工时,应兼顾考虑对上台阶一定范围内注浆加固体的保护,这就要求从爆眼布置、单孔装药量等爆破参数的制定到临时防护措施等爆破方案的实施都要兼顾考虑这一问题。

2) 本工程采用了深孔注浆技术对富水砂层进行预加固,虽然取得了较好的实施效果,但其工程费用较高。因此,研究造价更为经济的预加固措施十分有必要。

3) 为控制好管棚施工精度,管棚施工长度一般控制在30 m 左右,但本工程下穿段长90 m,为减小管棚施工对地层的反复扰动,降低施工风险,区间采用了一次性打设90 m 超长管棚的技术方案,虽然大部分管棚精度控制良好,但仍有5 根管棚偏离预设位置,侵入隧道开挖限界,对施工造成了一定干扰。因此,超长管棚施工的精度控制有待进一步研究。

摘自:隧道建设

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