砂卵石堆積層淺埋暗挖法隧道近距離下穿深基坑技術(shù)研究與應(yīng)用

王鑫平

摘 要：因地鐵隧道施工受地質(zhì)、水文、管線、構(gòu)筑物（建筑物）影響，必須依靠理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)合理的正確評價(jià)開挖后圍巖動態(tài)，把施工風(fēng)險(xiǎn)控制在安全范圍內(nèi)，本文主要針對無黏結(jié)砂卵石堆積層暗挖隧道近距離垂直下穿風(fēng)險(xiǎn)源時(shí)施工技術(shù)、風(fēng)險(xiǎn)控制的研究和應(yīng)用，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋，該施工技術(shù)、風(fēng)險(xiǎn)控制措施安全可靠，通用性強(qiáng)，可為同類工程提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：超前加固；工況計(jì)算；荷載；三層臺階法；監(jiān)控量測

中圖分類號：TU74 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0.引言

隨著城市地下交通工程的快速發(fā)展，我們所遇到的施工環(huán)境愈發(fā)復(fù)雜化、多樣化，施工方法的更新、改進(jìn)也同樣靈活。因地鐵隧道施工環(huán)境主要集中在市區(qū)，受地質(zhì)、水文、管線、構(gòu)筑物（建筑物）影響，必須依靠理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)合理的正確評價(jià)開挖后圍巖動態(tài)，把施工風(fēng)險(xiǎn)控制在安全范圍內(nèi)，本文主要闡述隧道暗挖與深基坑主體工程同期施工中，針對無黏結(jié)砂卵石堆積層暗挖隧道近距離垂直下穿風(fēng)險(xiǎn)源時(shí)施工技術(shù)、風(fēng)險(xiǎn)控制的研究和應(yīng)用，并形成了一定的實(shí)踐成果，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，可為同類工程提供參考。

1.工程概況

蘋果園南路站～西黃村站區(qū)間（蘋西）線路起點(diǎn)位于蘋果園南路站東端。右線里程XK3+124.250～XK4+611.565，右線長度約1487.315m。區(qū)間采用淺埋暗挖法施工，采用單線單洞馬蹄形斷面、復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，寬6400mm，高6850mm。初期支護(hù)為格柵鋼架網(wǎng)噴C20混凝土支護(hù)，標(biāo)準(zhǔn)段厚度250mm。二次襯砌采用C40P12抗?jié)B混凝土，區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)段厚度300mm。本里程段所穿越的地層為⑨卵石層，最大粒徑不小于320mm，一般粒徑30mm～70mm，亞圓形，粒徑大于20mm顆粒約占總質(zhì)量的70%，中粗砂、黏性土填充，局部存在無黏結(jié)密集砂卵石及粉細(xì)砂層。地下水位標(biāo)高位于隧道底板以下約10m，所以地下水不會對施工造成影響。

蘋西區(qū)間右線里程XK3+970～XK4+070與左線里程XK3+980～XK4+010垂直下穿在建工程石景山文化中心，如圖1所示。石景山文化中心建筑高度42m，其中地上8層，地下3層，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ)，區(qū)間隧道下穿前石景山文化中心已完成深基坑開挖施工。

2.風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 石景山文化中心與隧道關(guān)系

石景山文化中心基坑深度為15.75m，距離地鐵隧道正線豎向凈距為6.3m～6.8m；圍護(hù)樁埋深為19.9m，距離隧道正線拱頂為2.0m～2.5m，隧道正線垂直下穿文化中心基坑，如圖2所示。

2.2 隧道荷載分析

（1）此段隧道初襯、二襯結(jié)構(gòu)承受荷載須按上部全荷載計(jì)算，不能再考慮泰沙基效應(yīng)或土拱效應(yīng)；此外，有一段時(shí)期隧道初支須承受文化中心施工工況下的荷載（最不利為石景山地上結(jié)構(gòu)施工完畢），因此初支結(jié)構(gòu)本身須重新計(jì)算。

（2）為盡量減少對石景山基坑的影響，超前加固及開挖工法須進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

2.3 施工觸發(fā)風(fēng)險(xiǎn)類別

（1）土方坍塌：隧道線路上荷載隨石景山文化中心主體結(jié)構(gòu)的施工逐漸加大，土層擾動頻繁，如初期支護(hù)封閉較慢，易發(fā)生土方坍塌風(fēng)險(xiǎn)。

（2）掌子面滲漏水：石景山文化中心深基坑已開挖完成，隧道下穿時(shí)間介入雨季施工，雨水隨基底土層自然下滲，暗挖存在帶水作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，土體自穩(wěn)能力降低。

（3）基坑底部變形：采用不同的超前加固方案，對基坑底部在施的墊層、筏板基礎(chǔ)及周邊圍護(hù)樁等結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生過大沉降或隆起風(fēng)險(xiǎn)。

（4）初期支護(hù)變形：由于荷載的變化，初支內(nèi)應(yīng)力逐漸增加，變形趨勢增大，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

3.施工技術(shù)研究與應(yīng)用

3.1 超前加固方案選擇

該里程段超前加固原設(shè)計(jì)方案為每榀打設(shè)Φ32超前小導(dǎo)管，管長L=1.8m，溢漿孔150mm梅花形設(shè)置，縱向仰角18°，拱頂180°布置，漿液采用水泥漿，注漿壓力0.4MPa～0.6MPa。為有效降低施工風(fēng)險(xiǎn)，將深孔注漿與超前小導(dǎo)管施工工藝從加固范圍、效果、漿液凝結(jié)時(shí)間、風(fēng)險(xiǎn)控制等幾方面進(jìn)行分析對比，見表1，最終確定超前加固方案采用二重管后退式深孔注漿工藝，可以顯著提高隧道與石景山文化中心間土體承載力、粘結(jié)力、抗變形能力，同時(shí)形成不透水層，對雨季土層自然滲水產(chǎn)生封堵作用。

}.2 初期支護(hù)方案研究與應(yīng)用

3.2.1 工況計(jì)算

為防止石景山文化中心結(jié)構(gòu)施工引起荷載增加從而造成初支拱頂變形、沉降，取該下穿段線路埋深最大處K4+64.3作為計(jì)算斷面?？垢∷还r下，上部石景山文化中心受浮力承托，區(qū)間結(jié)構(gòu)上部荷載將降低，對結(jié)構(gòu)有利，因此取常水位工況作為初襯工況進(jìn)行計(jì)算。斷面計(jì)算模型按照區(qū)間隧道頂與石景山文化中心基底之間的土體，全土柱計(jì)算結(jié)構(gòu)荷載。

經(jīng)受力計(jì)算，單元剪力max=0.2MPa<1.1MPa；單元軸力max=5.025MPa<9.6MPa，初支結(jié)構(gòu)滿足要求。由于最危險(xiǎn)截面位于隧道拱頂處，因此在隧道中線上下預(yù)埋300×342×10mm鋼板，作為備用加強(qiáng)方案，依據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果必要時(shí)架設(shè)型鋼支撐。

3.2.2 淺埋暗挖方案優(yōu)化

經(jīng)現(xiàn)場土層取樣分析，下穿段隧道暗挖地層為無粘結(jié)砂卵石堆積層，該級配是一種典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層，其基本特征是結(jié)構(gòu)松散、無膠結(jié)，呈大小不等的顆粒狀，開挖后易變形、坍塌。按照原設(shè)計(jì)方案采用兩層臺階法施工，上下臺階高度約3.4m，預(yù)留核心土、減壓槽不能完全減少掌子面坍塌現(xiàn)象，尤其以下臺階較為嚴(yán)重，經(jīng)常性發(fā)生1～2榀格柵拱腳懸空情況。綜合以往施工經(jīng)驗(yàn)，CD法、CRD法工藝復(fù)雜，工期長，經(jīng)濟(jì)性不高，不予考慮，最終選擇對臺階法進(jìn)行優(yōu)化，將兩層臺階調(diào)整為3層臺階施工，同時(shí)調(diào)整格柵加工尺寸，左右兩側(cè)各增加一組連接鋼板，鎖腳錨桿數(shù)量相應(yīng)增加，如圖3所示，可以有效避免下臺階砂卵石堆積層滑塌風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 監(jiān)控量測方案

施工監(jiān)控量測是施工決策與管理的信息源與控制對象，為確保蘋西區(qū)間下穿段隧道初期支護(hù)、石景山文化中心主體結(jié)構(gòu)施工安全和周圍環(huán)境的穩(wěn)定，在施工中對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、深基坑基底、暗挖支護(hù)及周邊環(huán)境進(jìn)行綜合、系統(tǒng)的監(jiān)測，在收集監(jiān)測數(shù)據(jù)后，及時(shí)進(jìn)行整理，繪制位移或應(yīng)力的時(shí)態(tài)變化曲線圖，即時(shí)態(tài)散點(diǎn)圖，根據(jù)時(shí)態(tài)散點(diǎn)圖的數(shù)據(jù)分布狀況，選擇合適的函數(shù)公式，對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行回歸分析，以預(yù)測該測點(diǎn)可能出現(xiàn)的最大位移值或應(yīng)力值，預(yù)測結(jié)構(gòu)和建筑物的安全狀況。

4.施工注意事項(xiàng)

4.1 注漿參數(shù)優(yōu)化、壓力控制

經(jīng)過實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)分析，為保證二重管后退式深孔注漿工藝能更有效的加固隧道掌子面上方淺埋土體，同時(shí)不引起圍護(hù)樁、石景山文化中心深基坑基底隆起，施工過程中應(yīng)注意調(diào)整CS漿液配合比，即水玻璃原漿（≥40Be′）要稀釋到21Be′～25Be′，水泥漿水灰比1∶1，水玻璃-水泥漿的體積比在1∶1～0.8∶1，初凝時(shí)間控制在60s為宜。鉆孔角度5°～7°，注漿過程采用先兩側(cè)后中間，先長孔后短孔，跳孔注漿順序進(jìn)行施工。注漿壓力以低壓多注為原則，壓力控制在0.5MPa～0.8MPa之間效果最佳。

4.2 下臺階防坍塌控制

按照優(yōu)化后3層臺階法方案暗挖施工中，無黏結(jié)砂卵石堆積層的滑塌現(xiàn)象明顯減少，局部會出現(xiàn)在下臺階減壓槽以下部位，直接有效的控制方法是每循環(huán)初支噴射混凝土完成后，對下臺階土體進(jìn)行5cm厚臨時(shí)封面，避免土體滑塌失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

5.監(jiān)控量測成果

區(qū)間隧道下穿石景山文化中心段嚴(yán)格按照既定方案施工，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋，最大沉降值為-7.96mm，平均沉降值為-2.55mm，監(jiān)測數(shù)據(jù)已趨于穩(wěn)定，變化速率、監(jiān)控量測累計(jì)變化值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于預(yù)警控制值。

結(jié)語

目前，蘋西區(qū)間隧道下穿石景山文化中心段初期支護(hù)施工已全部完成，二次襯砌施工正在進(jìn)行，石景山文化中心主體結(jié)構(gòu)正在進(jìn)行地下2層施工，圍護(hù)樁、在施結(jié)構(gòu)、周邊環(huán)境、初期支護(hù)等監(jiān)測數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。實(shí)踐證明，無黏結(jié)砂卵石堆積層淺埋暗挖法隧道近距離下穿深基坑技術(shù)的研究與應(yīng)用切實(shí)可行，合理可靠，可操作性、通用性強(qiáng)，對下穿、旁穿、斜穿風(fēng)險(xiǎn)源工程均可采納應(yīng)用，社會效益顯著。

參考文獻(xiàn)

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