大斷面淺埋隧道穿越軟弱土層加固方法研究

付順義,陳龍飛,王 哲

(1.浙江天成項(xiàng)目管理有限公司,浙江 杭州 310006;2.浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310014)

大斷面淺埋隧道穿越軟弱土層加固方法研究

付順義1,陳龍飛1,王 哲2

(1.浙江天成項(xiàng)目管理有限公司,浙江 杭州 310006;2.浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310014)

淺埋暗挖法施工技術(shù)在地鐵、小型過街通道及山嶺隧道淺埋段被大量應(yīng)用,但對于地表水位高、覆蓋層淺、隧道斷面大等仍存在很多需要解決的問題。今以杭州市紫之隧道深厚軟土地區(qū)淺埋暗挖法工程案例為背景,重點(diǎn)介紹了紫之隧道淺埋暗挖段穿越較厚的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層的土體加固方法的探索與實(shí)踐過程,并客觀地分析、總結(jié)了施工中出現(xiàn)的問題和應(yīng)對措施及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

淺埋暗挖；軟弱土層；土體加固方法；有效措施

隨著社會的不斷發(fā)展進(jìn)步,淺埋暗挖法施工技術(shù)在地鐵、小型過街通道及山嶺隧道淺埋段得到了大量應(yīng)用[1-2],但是,杭州市紫之隧道淺埋暗挖段完全穿越⑤號淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層,且地表水位高、覆蓋層淺、隧道斷面大、距離長、地下管線復(fù)雜而且設(shè)計(jì)采用CRD 4部法進(jìn)行開挖支護(hù),這類案例在全國實(shí)屬少見,基本無成功經(jīng)驗(yàn)可以套用。試驗(yàn)段實(shí)施過程中經(jīng)常出現(xiàn)較大的沉降變形,甚至多次發(fā)生險情,一波三折,施工難度和工期壓力極大。該工程的關(guān)鍵和挑戰(zhàn)在于土體加固效果,它是工程能否順利推進(jìn)的前提條件,參建各方在土體加固方法方面做了積極的探索和抉擇,希望能為類似工程的參建各方尤其是決策者提供土體加固方法的典型案例。

1 工程概況

杭州市紫之隧道(紫金港路—之浦路)工程隧道全長約13.9 km,道路等級為城市機(jī)動車主干道,其中淺埋暗挖段完全穿越⑤號淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土軟弱土層,西線與東線分別長250.4 m和243 m,覆土厚度8～12 m,洞身開挖跨徑12.8 m，高度9.7 m,覆跨比為0.625～0.937。

1.1 工程地質(zhì)條件

⑤層：淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,灰色,流塑,飽和,厚層狀,含有少量有機(jī)質(zhì),稍有光澤,韌性中等,干強(qiáng)度高,無搖震反應(yīng),屬軟土類,具有低強(qiáng)度、高觸變性和高壓縮性及無自穩(wěn)性等特點(diǎn),地質(zhì)劃分為Ⅵ級圍巖,屬于不良地質(zhì)中的軟土類。見表1。

1.2 水文地質(zhì)條件

施工區(qū)域處錢塘江河谷和山谷交匯處,地下水埋深1～1.5 m,主要接受大氣降水和地下側(cè)向徑流的補(bǔ)給,地下水位受降雨量影響變化較大。

表1 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土物理力學(xué)指標(biāo)

1.3 周邊環(huán)境及地下管線分布

側(cè)穿五浦河,距河邊8～12 m,明水位為2.5～4 m,有充足的補(bǔ)給水源；下穿現(xiàn)狀交通繁忙的之江路,地下管線有燃?xì)?、電力、自來水、污水、軍用通信光纜、雨水等管道,不具備明挖施工條件。

1.4 軟弱土層淺埋暗挖隧道施工難點(diǎn)

圍巖自穩(wěn)能力極差,土體加固達(dá)不到設(shè)計(jì)預(yù)期效果時,開挖后易產(chǎn)生坍方,洞內(nèi)初期支護(hù)沉降變形大,安全風(fēng)險高,使施工難以進(jìn)行；同時,地表沉降難以控制,易引起地面道路開裂甚至坍塌,危及相鄰地表建筑物安全及地下管線安全運(yùn)營。

2 設(shè)計(jì)思路

設(shè)置30 m試驗(yàn)段,探索適當(dāng)?shù)募庸淘O(shè)備和加固方式,使高壓水泥漿或水泥-水玻璃雙液漿通過滲透、擴(kuò)散、劈裂、擠密和膠結(jié)作用,對洞身開挖輪廓線上下3 m范圍內(nèi)土體進(jìn)行改良加固,改善周邊土體物理力學(xué)性能,增加土體自穩(wěn)性并形成“土拱”效應(yīng),并結(jié)合注漿大管棚及小導(dǎo)管超前聯(lián)合支護(hù)形式,起到控制地表與洞內(nèi)沉降變形及止水帷幕的作用。

先加固、后開挖,取得理想的土體加固效果是該類隧道順利推進(jìn)的基本前提條件,以施工過程中的監(jiān)控量測信息反饋指導(dǎo)施工和設(shè)計(jì),確保施工安全。

3 30 m試驗(yàn)段實(shí)施情況

3.1 土體加固方法

3.1.1 洞口6 m段土體加固方法

對洞身開挖線周邊3 m范圍內(nèi)區(qū)域土質(zhì)采用Φ800 mm密排三軸水泥攪拌樁進(jìn)行加固,障礙物處采用二重管高壓水泥旋噴樁進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

3.1.2 6～12 m段土體加固方法

采用全斷面后退式分層劈裂注漿加固(圖1),注漿主要參數(shù)：鈣塑聚丙烯花管Φ48 mm×4 mm@500 mm×500 mm,L=13 m,止?jié){墻4 m,梅花形布置,內(nèi)側(cè)鈣塑管水平布置,周邊注漿管帶一定外插角對洞身開挖線外圍3 m進(jìn)行加固,注漿壓力1～1.8 MPa,擴(kuò)散半徑0.9 m,注漿材料采用超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿,水灰比0.8～1,C∶S為1∶(0.6～1)(體積比),水玻璃模數(shù)2.6～2.8,水玻璃濃度35BE′,凝結(jié)時間50～80 min,每孔平均注漿量約0.33 m3。

圖1 隧道全斷面注漿孔立面

3.2 12～30 m段設(shè)計(jì)調(diào)整情況

取得理想的土體加固效果是該類隧道順利推進(jìn)的基本前提條件。上導(dǎo)洞推進(jìn)至12 m后,根據(jù)監(jiān)控量測反饋的信息及現(xiàn)場實(shí)際情況,設(shè)計(jì)單位及時做了部分方案調(diào)整和嘗試,將鈣塑管注漿改為Φ48 mm、L=7 m的小導(dǎo)管注漿,同時上導(dǎo)坑高度由5.2 m調(diào)整為3.7 m,4部法調(diào)整為6部法；但是，土體加固仍未取得明顯效果,地表沉降多達(dá)400 mm多,洞內(nèi)多處出現(xiàn)因初期支護(hù)侵限而換拱問題,一度出現(xiàn)險情,歷時4個月上導(dǎo)洞才掘進(jìn)至21 m。為了從根本上控制沉降變形并消除安全隱患,30 m段試驗(yàn)段加固方案最終調(diào)整為：在管棚外側(cè)打設(shè)豎向雙排MJS工法樁(定向水泥樁),洞內(nèi)打設(shè)水平MJS樁,開挖工法由6部法又調(diào)整回4部法,30 m試驗(yàn)段從2014年4月初進(jìn)洞至10月初歷時6個多月,工期延誤較大。

4 試驗(yàn)段土體加固方案的比選及后續(xù)段落實(shí)施情況

4.1 土體加固方案的比選

土體加固方案的定性分析指標(biāo)見表2。

綜合考慮試驗(yàn)段土體加固效果、沉降變形、安全風(fēng)險、工期要求、費(fèi)用及可操作性等因素, 經(jīng)反復(fù)比選,參建各方一致認(rèn)同地表垂直加固,考慮到地表加固對管線運(yùn)營影響較大及側(cè)向五浦河高水位的滲透水對施工的影響后,設(shè)計(jì)對加固方案進(jìn)行了重大調(diào)整：在地表采用高壓旋噴樁對洞身開挖線周邊3 m內(nèi)區(qū)域進(jìn)行垂直加固,并沿洞身左右兩側(cè)3 m線密排打設(shè)高壓旋噴樁止水帷幕,管線位置影響旋噴樁加固的區(qū)域采用洞內(nèi)小導(dǎo)管補(bǔ)注漿加固。

表2 土體加固方案的定性分析指標(biāo)

4.2 高壓旋噴樁地表加固實(shí)施情況

4.2.1 高壓旋噴樁施工參數(shù)

1)加固方式及范圍：地表垂直高壓旋噴樁加固,隧道開挖輪廓線周邊3m內(nèi)區(qū)域。見圖2、圖3。

2)主要設(shè)計(jì)參數(shù)：

①采用二重管旋噴加固處理；②樁徑為Φ600 mm,平均樁長L=16 m；③采用42.5R復(fù)合硅酸鹽水泥,水灰比1.0,Ⅱ區(qū)水泥摻量為400 kg/m3,Ⅰ、Ⅲ區(qū)水泥摻量為380 kg/m3；④樁位布置是Ⅰ、Ⅲ區(qū)為旋噴樁間距800(橫)mm×900 mm(縱),矩形布置；Ⅱ區(qū)為旋噴樁間距600 mm,樁間相切布置。

圖2 高壓旋噴樁地表加固平面布置示意圖

圖3 高壓旋噴樁地表加固斷面布置示意圖

4.2.2 土體加固效果總結(jié)

從對樁體取芯檢測結(jié)果、洞內(nèi)掌子面開挖揭示的斷面情況及監(jiān)控量測結(jié)果來看,高壓旋噴樁地表加固能夠達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期效果,隧道能夠持續(xù)掘進(jìn),安全風(fēng)險總體可控。

高壓旋噴樁工藝成熟,可操作性強(qiáng),注漿壓力大,能有效改良土體,大幅提高土體力學(xué)性能。

5 施工中出現(xiàn)的問題及有效應(yīng)對措施

5.1 對地下管線運(yùn)營影響較大

管線保護(hù)應(yīng)對措施(圖4)：

1)對影響民生、安全隱患較大的自來水和燃?xì)獾葔毫艿肋M(jìn)行臨時遷改；

2)將污水管內(nèi)污水進(jìn)行截流并強(qiáng)制排放；

3)其他敏感的通訊管線進(jìn)行開挖裸露后懸吊,防止?jié){液堵管；

4)將管線周邊土體加固調(diào)整為攪拌樁,以降低加固壓力,減小土體隆起；

5)加強(qiáng)監(jiān)測,做好與產(chǎn)權(quán)管理單位的協(xié)調(diào)工作,確保管線安全運(yùn)營。

5.2 加固薄弱區(qū)的存在

受地下管線位置影響,弱電、污水管等管線下方土體未得到加固局部位置沉降較大。

應(yīng)對措施：1)將管線位置的樁位調(diào)整至管線周邊,即在管線周邊打設(shè)密排旋噴樁或攪拌樁；2)洞內(nèi)采用小導(dǎo)管注漿、WSS注漿進(jìn)行局部輔助補(bǔ)加固。

5.3 受高水位影響較大

五浦河側(cè)向徑流及地下水對旋噴樁形成浸泡,影響樁體成型和強(qiáng)度,洞內(nèi)開挖面和初支面滲水較大。應(yīng)對措施：

圖4 污水強(qiáng)排、懸吊保護(hù)示意圖

1)沿開挖輪廓線左右兩側(cè)3 m打設(shè)密排高壓旋噴樁或水泥攪拌樁止水帷幕；

2)地表井點(diǎn)降水；

3)洞內(nèi)勤排水；

4)加強(qiáng)初期支護(hù)及二襯防排水,防、排、截、引、堵相結(jié)合。

5.4 洞內(nèi)局部沉降變形大

應(yīng)對措施：

1)加強(qiáng)支護(hù)措施,拱架連接采用工字鋼；

2)臨時仰拱拱架提高一個規(guī)格；

3)增加鎖腳小導(dǎo)管數(shù)量；

4)拱架落底采用木塊、混凝土塊支墊,以增加承載受力能力；

5)加強(qiáng)工序銜接,提高工效,以減少圍巖裸露時間,及時支護(hù)；

6)控制好各施工步距,仰拱及二襯緊跟；

7)初支背后空洞注漿；

8)加強(qiáng)監(jiān)控量測,做好應(yīng)急預(yù)案,將安全隱患消除在萌芽狀態(tài)。

6 結(jié) 語

1)對于穿越淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土軟弱土層、高水位、覆蓋層淺、大斷面、長距離的淺埋暗挖隧道,良好的土體加固效果是控制沉降變形及確保安全順利掘進(jìn)的基本及必要的前提條件,采用地表高壓旋噴樁進(jìn)行土體加固的效果立竿見影,有效解決了上述問題,值得借鑒和推廣使用。

2)洞內(nèi)加固不論是采取鈣塑管還是小導(dǎo)管,乃至WSS等注漿工藝的,對注漿的專業(yè)化程度要求很高,對其工藝要求非常嚴(yán)格,尤其是要根本解決注漿管內(nèi)橡膠密封圈以及管外壁防止反串漿的密封效果的問題,才能確保注漿液在一定的壓力下在土體的充分?jǐn)U散從而取得良好的改良效果。目前行業(yè)內(nèi)隧道注漿大多流于形式,給隧道掘進(jìn)帶來了極大的困難和安全隱患,需要從事隧道的施工單位及專業(yè)注漿單位潛心研究、反復(fù)試驗(yàn),在行業(yè)內(nèi)整體提升注漿水平。

3)洞內(nèi)注漿加固費(fèi)用低,因注漿壓力小對地表及洞內(nèi)影響小,對地表構(gòu)筑物多和管線復(fù)雜地段，以及地表覆蓋層厚尤其是短距離小范圍的土體加固尤為適用,但工序多、工藝操作難度大,往往加固效果不理想、占用工期時間長、施工風(fēng)險大；地表豎向加固工藝成熟、形式多樣、運(yùn)用廣泛,對地表構(gòu)筑物和管線少的地段和地表覆蓋層淺以及長距離大范圍加固尤為適用,加固效果較好、沉降變形可控、且占用工期時間短,因注漿壓力大對既有構(gòu)筑物及管線影響較大,可適當(dāng)減小注漿壓力,控制好水泥總用量。實(shí)施過程中要根據(jù)現(xiàn)場具體條件,靈活選擇洞內(nèi)和地表等土體加固方式,也可配合運(yùn)用。

4)土體加固后要充分運(yùn)用取芯檢測、超前地質(zhì)預(yù)報、鉆孔探水、目測觀察等多種形式對加固效果及滲水情況進(jìn)行預(yù)判,開挖支護(hù)時要少擾動、快封閉,并應(yīng)用監(jiān)控量測信息反饋和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)少塌方、少沉降、安全施工。

[1] 王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論[M].合肥：安徽教育出版社,2004.

[2] 孫恒.城市地下工程淺埋暗挖地層預(yù)加固理論與實(shí)踐[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2009.

Study on the Reinforcement Method of Shallow Buried Tunnel which through the Soft Soil Layer

FUShunyi1,CHENLongfei1,WANGZhe2

2016-11-29

付順義(1967—),男，陜西西安人，高級工程師，從事交通工程、市政工程的管理工作。

U455.4

B

1008-3707(2017)02-0039-04