地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道初支變形風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)研究

李志華 李文 陳磊 劉寶林

(1.上海天佑工程咨詢有限公司，上海 200000； 2.武漢市車都軌道交通有限公司，武漢 430056； 3.華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，武漢 430074)

地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道初支變形風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)研究

李志華1李文2陳磊3劉寶林3

(1.上海天佑工程咨詢有限公司，上海 200000； 2.武漢市車都軌道交通有限公司，武漢 430056； 3.華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，武漢 430074)

在地鐵隧道建設(shè)中，常在上下行隧道中間段設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道。聯(lián)絡(luò)通道的設(shè)置增加了隧道的安全系數(shù)，因此也稱為“逃生通道”。聯(lián)絡(luò)通道通常在主體隧道完成后施工，一定程度上會(huì)對(duì)主體隧道和周圍的環(huán)境產(chǎn)生影響。施工中常將廢水泵房與聯(lián)絡(luò)通道的合并進(jìn)行，而泵房的設(shè)計(jì)相對(duì)保守，施工工藝受空間所限，也更容易造成風(fēng)險(xiǎn)。因此，采取有效措施確保開挖安全顯得至關(guān)重要。本文以武漢地鐵某區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道初支變形風(fēng)險(xiǎn)處理為例，使用回填反壓、初支加固、底板加快施工的方法，為類似工程積累風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)。

聯(lián)絡(luò)通道；廢水泵房；初支變形；風(fēng)險(xiǎn)控制

1 引言

在隧道開挖施工中，隧道出現(xiàn)變形開裂是常見的現(xiàn)象。有關(guān)調(diào)查資料顯示，日本有40%的隧道產(chǎn)生過變形；譚玉蘭、高波曾對(duì)200多座鐵路運(yùn)營隧道進(jìn)行了病害調(diào)查，發(fā)現(xiàn)隧道變形開裂是隧道第一大病害，占總數(shù)的41%[1]。周德培等對(duì)運(yùn)營隧道襯砌開裂病害進(jìn)行了理論方面的研究，分析了作用在隧道襯砌上的壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律和壓力對(duì)襯砌作用方式的變化，并采用模型試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證[2,3]。隧道變形的原因很多，大部分是由于多種原因綜合作用的結(jié)果，主要原因有：支撐不當(dāng)，塑性壓力[4]、圍巖松動(dòng)、偏壓、滑坡、地震、圍巖凍結(jié)、水壓、列車振動(dòng)、鄰近施工、地基下沉和襯砌材料劣化等。

由于在地鐵建設(shè)中常采用“高站位，低區(qū)間”的方法，中間段通常也為線路最低處[5,6]。而聯(lián)絡(luò)通道一般都在隧道中部，通常和廢水泵房合并進(jìn)行，廢水泵房一般有效容積設(shè)計(jì)過大，通常需在聯(lián)絡(luò)通道開挖完成后，對(duì)聯(lián)絡(luò)通道的變形會(huì)產(chǎn)生較大的影響。而防止隧道變形措施主要依靠工程經(jīng)驗(yàn)和工程類比，如在開挖前進(jìn)行地基加固，二次加固[7]等措施。因此，積累變形風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)十分重要。本文以武漢地鐵某區(qū)間隧道的聯(lián)絡(luò)通道初支變形為例，介紹了相關(guān)處理技術(shù)，為類似工程提供了可參考的經(jīng)驗(yàn)。

2 工程概況

2.1 某區(qū)間隧道位置

某區(qū)間隧道為某市軌道交通一期工程，設(shè)計(jì)范圍為：右DK6+627.400～右DK7+784.300,左DK6+627.400～左DK7+784.300，其中右線長1 156.900m，左線長1 156.813m(短鏈0.087m)。本區(qū)間整體呈南北走向，沿龍陽大道路側(cè)敷設(shè)，區(qū)間線間距為14～15m，線路平面最小曲線半徑為1 000m，最大縱坡為15.0‰。區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，結(jié)構(gòu)覆土厚度在10.22～14.87m，在里程右DK7+191.750處設(shè)一個(gè)聯(lián)絡(luò)通道(與廢水泵房合建)，區(qū)間環(huán)境作用等級(jí)：I-B。線路兩側(cè)分布有陶?qǐng)@社區(qū)等單位，區(qū)間隧道在龍陽大道下穿行，與道路兩側(cè)建筑物距離一般大于2倍洞徑。上方主要管線有電力、路燈、紅綠燈、自來水管、六個(gè)電力變壓器室。區(qū)間平面布置示意如圖1所示。

圖1 四王區(qū)間平面布置

2.2 場(chǎng)地工程地質(zhì)構(gòu)成

區(qū)間地貌單元屬長江沖積Ⅲ級(jí)階地，沿線地勢(shì)相對(duì)平坦，地面高程在22～23m之間，相對(duì)高差1m。區(qū)間隧道穿越地層主要為：(10-2)粉質(zhì)粘土層，(10-3)粘土層。各地層描述如下：(10-2)粉質(zhì)粘土層：褐黃～棕紅色，硬塑狀態(tài)、低壓縮性，含少量灰白色高嶺土及大量鐵、錳質(zhì)氧化物及其結(jié)核，角礫含量10%～20%，局部地段達(dá)25%，礫徑20～30mm，呈棱角、次棱角狀，母巖為泥巖、砂巖。局部有可塑的粘土。層頂埋深4～11.4m，層厚1.1～33.2m。(10-3)粘土層：褐紅～灰白色，硬塑狀態(tài)，含鐵錳質(zhì)結(jié)核及團(tuán)塊狀高嶺土(局部富集)，局部夾少量碎石，低壓塑性，均有分布。層頂埋深9～19.7m，層厚1.3～15.5m。擬建場(chǎng)地內(nèi)的地下水有上層滯水、基巖裂隙水及巖溶裂隙水三種類型。(1)上層滯水主要存于人工填土(Qml)層，無統(tǒng)一自由水面，大氣降水、地表水和生產(chǎn)、生活用水滲入是其主要的補(bǔ)給來源。勘察期間測(cè)得其穩(wěn)定水位埋深為地面下1.6～4.1m。(2)基巖裂隙水主要分布于下伏基巖(17C)炭質(zhì)泥巖、(20A)泥質(zhì)砂巖、(20C)泥巖等地段。補(bǔ)給方式主要由上覆含水層下滲補(bǔ)給，其次為有裂隙連通性較好之基巖直接出露于周邊地表水體接收地表水補(bǔ)給。(3)巖溶裂隙水主要賦存于(16)泥灰?guī)r、(18A)石灰?guī)r裂隙或溶洞中，因石灰?guī)r頂部一般有較厚的粘土隔水層，大氣降水不易滲入補(bǔ)給地下水，以接受相鄰基巖的裂隙水補(bǔ)給為主，由此判定巖溶裂隙水水量較小。

3 聯(lián)絡(luò)通道施工及變形險(xiǎn)情

3.1 聯(lián)絡(luò)通道施工方案要點(diǎn)

聯(lián)絡(luò)通道施工在保證施工安全的基本條件下，整個(gè)施工過程都應(yīng)圍繞著不影響盾構(gòu)掘進(jìn)的原則合理安排施工工序，采取可靠施工措施、做好現(xiàn)場(chǎng)安全文明工作，以確保聯(lián)絡(luò)通道順利完成。在施工中有以下要點(diǎn)[8]需注意：

(1)施工前要做好聯(lián)絡(luò)通道施工前預(yù)先進(jìn)行探水試驗(yàn)，了解該處圍巖的裂隙發(fā)育情況及是否富含地下水。了解聯(lián)絡(luò)通道上方是否有地質(zhì)鉆孔，地質(zhì)鉆孔是否已經(jīng)用水泥漿封住，如沒有則需在施工前把它封好。施工前先在聯(lián)絡(luò)通道洞門前后3環(huán)注雙液漿止水，待止水效果理想方可破洞。

(2)洞口開挖前止水，是聯(lián)絡(luò)通道施工成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于聯(lián)絡(luò)通道開挖斷面較小，考慮初期支護(hù)及洞周收斂的需要，開挖斷面宜在設(shè)計(jì)輪廓線外放寬50mm，確保二襯凈空尺寸。事先在聯(lián)絡(luò)通道開挖輪廓線外圍3～5m范圍內(nèi)進(jìn)行注雙液漿止水(水灰比1:1、水:水玻璃3:1(重量比)；水泥漿：水玻璃1:1，具體配比根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試配確定)，檢查注漿止水效果是否理想，決定其是否破洞口進(jìn)洞開挖。

(3)開挖前應(yīng)進(jìn)行超前小導(dǎo)管支護(hù)，開挖循環(huán)進(jìn)尺宜為錨桿的縱向間距，一次循環(huán)開挖進(jìn)尺宜控制在1m以內(nèi)。

(4)嚴(yán)格控制聯(lián)絡(luò)通道開挖的中線和水平標(biāo)高，開挖輪廓要圓順，避免過量超挖，但要充分考慮施工誤差及預(yù)留變形。

聯(lián)絡(luò)通道的施工流程如圖2所示。

圖2 聯(lián)絡(luò)通道的施工流程圖

3.2 初支變形險(xiǎn)情

2014年9月25日，四王區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道上臺(tái)階土方開挖，開挖過程中，通道內(nèi)存在滲水情況。上臺(tái)階開挖完成后，初支后拱頂滲水量較大，為減少滲水，在初支背后進(jìn)行注漿加固，如圖3所示。

圖3 拱頂注漿加固

經(jīng)過注漿處理，拱頂滲水量明顯變小，開始進(jìn)行下臺(tái)階土方開挖。10月28日，下臺(tái)階土方基本開挖完成，聯(lián)絡(luò)通道施工如圖4所示。

圖4 聯(lián)絡(luò)通道開挖完成

此后兩天由于下雨，拱頂滲水量又變大。10月30日，在未進(jìn)行施工二襯及澆筑底板的情況下，進(jìn)行泵房土方開挖，初始開挖時(shí)無明顯結(jié)構(gòu)變形。但在下午3點(diǎn)左右，在無明顯征兆的情況下，開挖的過程中聯(lián)絡(luò)通道右側(cè)下部泵房處初支發(fā)生踢腳破壞情況，如圖5所示。

圖5 初支踢腳破壞

分析現(xiàn)場(chǎng)情況后，確定本次聯(lián)絡(luò)通道初支變形的主要原因是：該處地層處于10-3粘土及13-2殘積土中，遇水土層自穩(wěn)性變差，隨著泵房土方開挖，通道側(cè)墻初支懸空加大，導(dǎo)致初支變形較大，最終發(fā)生踢腳破壞。

4 施工控制及變形分析

4.1 回填反壓措施

回填反壓是在泵房內(nèi)側(cè)留置一定土方以增加被動(dòng)土壓力，使得泵房土體變得穩(wěn)定。預(yù)留反壓土是一種行之有效的降低支護(hù)結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力的方法，相對(duì)與其它支護(hù)形式，可增強(qiáng)治理的效果，減少工程量，節(jié)省治理費(fèi)用[9]。

為減少泵房內(nèi)部土體結(jié)構(gòu)位移與內(nèi)力，控制踢腳進(jìn)一步破壞，采用回填反壓的措施對(duì)泵房踢腳處進(jìn)行變形控制，從隧道外運(yùn)送大量沙袋到隧道內(nèi)，對(duì)泵房開挖處進(jìn)行回填，施工如圖6所示。

圖6 泵房回填反壓

4.2 初支加固措施

為防止初支因踢腳破壞而發(fā)生大規(guī)模坍塌，還需用角鋼對(duì)踢腳破壞處上方的初支進(jìn)行加固，及時(shí)反饋圍巖及初支變形信息，加強(qiáng)圍巖拱頂下沉及周邊收斂監(jiān)測(cè)，并根據(jù)量測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整預(yù)留變形量。同時(shí)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，提前掌握圍巖地質(zhì)情況，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)[10]，施工如圖7所示。

圖7 初支加固

4.3 底板加快施工措施

為防止聯(lián)絡(luò)通道的地面土體破壞，需要進(jìn)行地表注漿，明顯改善土體的物理力學(xué)性能，提高土體強(qiáng)度和地層的整體穩(wěn)定性，降低地層的滲透性，保證隧道開挖后地層的穩(wěn)定及后期運(yùn)營安全的作用。同時(shí)為了加強(qiáng)初支的穩(wěn)定性及地土體強(qiáng)度、整體性，在聯(lián)絡(luò)通道的底板澆筑混凝土，施工如圖8所示。

圖8 底板混凝土澆筑

5 風(fēng)險(xiǎn)控制效果

為了確定險(xiǎn)情發(fā)生時(shí)，上述采用的方法是否對(duì)風(fēng)險(xiǎn)控制有效果，防止對(duì)施工安全和地面施工造成風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)聯(lián)絡(luò)通道地表的沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)施工單位在聯(lián)絡(luò)通道附近布置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，選取了D1～D9共9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分三排布置并監(jiān)測(cè)，第一、三排的監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別在聯(lián)絡(luò)通道對(duì)稱布設(shè)，第二排監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在聯(lián)絡(luò)通道的中心位置，利于地表沉降的監(jiān)測(cè)，布置如圖9所示。

圖9 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

短期的監(jiān)測(cè)時(shí)間為險(xiǎn)情發(fā)生當(dāng)天及發(fā)生前后各兩天，即從10月28日到11月2日，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1所示，表中的 “-”表示沉降。

表1 地表沉降監(jiān)測(cè)表

由表1可看出，險(xiǎn)情發(fā)生的當(dāng)天，部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)顯示的沉降較其他日期的沉降有稍大的變化，但險(xiǎn)情發(fā)生前和發(fā)生后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量并不大。根據(jù)表1做出D1～D9點(diǎn)位從10月28日到11月2日的沉降趨勢(shì)圖，如圖10所示。

圖10 各點(diǎn)沉降趨勢(shì)圖

由上圖分析可知，10月30日的沉降與其他日期相比，并沒有明顯的變化，可認(rèn)為險(xiǎn)情的發(fā)生對(duì)地表的沉降沒有直接的影響。

為進(jìn)一步確定當(dāng)天的險(xiǎn)情對(duì)地表沉降有無影響，需要將事故發(fā)生前后的地表沉降規(guī)律持續(xù)監(jiān)測(cè)，選取10月20日到11月10日的持續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，沉降曲線如圖11所示。

圖11 地表持續(xù)沉降曲線

通過對(duì)由上表沉降分析可知，聯(lián)絡(luò)通道地表沉降無異常，遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)警值，因此可視為對(duì)地面沉降沒有直接影響。

6 結(jié)論

在進(jìn)行回填反壓，初支加固，底板混凝土澆筑的處理后，降低了風(fēng)險(xiǎn)，聯(lián)絡(luò)通道初支穩(wěn)定性得到了加強(qiáng)，在分析沉降曲線后發(fā)現(xiàn)，此次的初支變形并未造成明顯地面沉降。

通過此次事件處理，積累了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，為以后類似事件提供有益參考，提出以下幾點(diǎn)建議：

(1)為確保聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，應(yīng)先進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道的側(cè)墻、拱部二襯及底板施工后，再進(jìn)行后續(xù)的土方開挖；

(2)對(duì)聯(lián)絡(luò)通道的初支應(yīng)再次進(jìn)行注漿加固，及時(shí)引排積水，已成型的側(cè)墻初支增設(shè)錨桿加固；

(3)應(yīng)持續(xù)對(duì)聯(lián)絡(luò)通道初支拱頂及凈空收斂進(jìn)行監(jiān)測(cè)，密切關(guān)注初支的變形情況；

(4)在后續(xù)泵房開挖過程中，應(yīng)減小開挖步距，初支增設(shè)錨桿以加強(qiáng)支護(hù)，及時(shí)引排滲水，同時(shí)在施工現(xiàn)場(chǎng)備好應(yīng)急物資，以備不時(shí)之需。

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Research on First Support Deformation Risk Control Techniques for Connected Aisle of Subway Tunnel

Li Zhihua1, Li Wen2, Chen Lei3, Liu Baolin3

(1.ShanghaiTianyouEngineeringConsultingCo.,Ltd.,Shanghai200000,China;2.WuhanCheduRailwayCo.,Ltd.,Wuhan430074,China; 3.SchoolofCivilEngineeringandMechanics,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)

In the construction of subway tunnel, a connected aisle is often set in the middle section of the upper and lower parts of the tunnel. The connected aisle is set to increase the safety factor of the tunnel, known as the "escape route". Connected aisle construction is after the completion of the main tunnel and it would have impact on the main tunnel and the surrounding environment to a certain extent. Wastewater pumping house is often combined with connected aisle in construction, but the pumping house design is relatively conservative. Construction technology is constrained by space, so it is more likely to cause risks. Therefore, effective measures are crucial to ensure the safety of excavation. In this paper, the first support deformation risk of a connected aisle of Wuhan Metro tunnel is used as an example, which uses backfill backpressure, first support reinforcement methods and acceleration of the floor construction, providing reference of risk control techniques for similar projects.

Connected Aisle; Wastewater Pumping House; First Support Deformation; Risk Control

李志華(1971-)，男，高級(jí)工程師。主要研究方向：建設(shè)工程安全風(fēng)險(xiǎn)管理。

U455.43:U458·1

A

1674-7461(2015)02-00108-05