地鐵大斷面區(qū)間下穿人防涌泥區(qū)影響分析

苑麗娜

（中交二航局第三工程有限公司， 江蘇 鎮(zhèn)江 212021）

0 引言

地鐵建設(shè)是城市市政建設(shè)的重要一環(huán)，由于歷史原因，城市地下分布大量人防工程，而且部分已經(jīng)廢棄，在勘察過(guò)程中搜尋不到相關(guān)信息，當(dāng)?shù)罔F區(qū)間隧道下穿廢棄人防工程時(shí)，特別是大斷面區(qū)間通過(guò)時(shí)，可能突然發(fā)生拱頂坍塌、區(qū)間涌泥和支護(hù)大變形等施工風(fēng)險(xiǎn)，是城市地鐵施工過(guò)程中的重大不安全因素。地鐵區(qū)間下穿城市道路、橋梁和建筑物等臨近構(gòu)筑物取得了較多經(jīng)驗(yàn)[1-4]，但對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件下區(qū)間下穿廢棄人防工程且突發(fā)涌泥涌水事故的預(yù)防、整治及安全施工技術(shù)研究較少。因此，在隧道施工過(guò)程中,對(duì)廢棄人防工程進(jìn)行超前探測(cè)和合理整治，對(duì)城市地鐵的安全施工和運(yùn)營(yíng)十分重要。

1 工程概況

某城市軌道交通為城市的重要環(huán)線工程，采用礦山法施工，地處廣闊的沖洪積平原，波狀起伏，隧道拱頂覆土厚度約8.5～21.2m，穿越地層為黃褐色～褐黃色粉質(zhì)粘土和粉砂層。地鐵施工范圍內(nèi)存在大量人防地道，人防通道的周?chē)鷰r土工程性質(zhì)也比較復(fù)雜，直接到影響其臨近地鐵大斷面區(qū)間的施工和運(yùn)營(yíng)安全。

區(qū)間為暗挖單洞單線馬蹄形隧道，采用臺(tái)階法施工，施工至1#豎井右線小里程洞內(nèi)時(shí)，從拱頂發(fā)生涌泥導(dǎo)致掌子面坍塌，涌入正線洞內(nèi)約35m，平均高度約1.8 m。地面塌坑呈橢圓狀，坑口長(zhǎng)9m，寬8m，深度3～6m，塌陷方量估算約280m3。塌陷處覆土深度19m。涌泥中夾雜舊磚塊，推測(cè)隧道臨近區(qū)域存在廢棄人防滲水產(chǎn)生局部泥囊，隧道開(kāi)挖破壞水土壓力平衡，導(dǎo)致掌子面發(fā)生涌泥，地面發(fā)生塌陷，位置關(guān)系見(jiàn)圖1所示，地面塌陷如圖2所示。

圖1 區(qū)間與涌泥及塌陷區(qū)位置關(guān)系

2 廢棄人防通道探測(cè)

2.1 地面挖探

在城市地下隱蔽工程探測(cè)中，通過(guò)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行地面挖探是查明地下工程位置、結(jié)構(gòu)和臨近區(qū)域地質(zhì)情況最直觀有效的探測(cè)方法。地面塌陷發(fā)生后，除采用三七土回填，在臨近區(qū)域開(kāi)挖了四道探溝排查是否存在人防出入口或通風(fēng)口，探溝深3m，其中正線右側(cè)開(kāi)挖兩道25m長(zhǎng)探溝，沿正線方向挖掘52m探溝，尋找其他出入口。通過(guò)地面挖探，可直接查明是否存在人防出入口，減少鉆探工作量。

2.2 地球物理探測(cè)

地下隱蔽工程常用的物探方法包括地質(zhì)雷達(dá)、多波勘探技術(shù)、瞬變電磁法及地震勘探方法等[5]，受外界地形和安全生產(chǎn)因素要求，在塌陷區(qū)人防通道探測(cè)時(shí)采用一種基于天然震源的微動(dòng)物探方法。微動(dòng)探測(cè)采用類(lèi)空間自相關(guān)法—SPAC法從微動(dòng)臺(tái)陣記錄中提取瑞雷波頻散曲線，計(jì)算視S波速度Vx，再經(jīng)插值光滑計(jì)算獲得二維視S波速度剖面，視S波速度剖面能客觀、直觀地反映地層巖性變化和隱蔽工程[6]。觀測(cè)系統(tǒng)采用圓形陣列，0.6m及0.9m臺(tái)陣半徑，測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距5m。視S波速度剖面獲取流程如圖2所示，微動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)如圖3所示。

圖2 視S波速度剖面獲取流程圖

圖3 微動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)

地面塌陷臨近區(qū)間線路沿線大多位于城市道路兩側(cè)，來(lái)往行人和車(chē)輛較多。為保證原始記錄質(zhì)量，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)及時(shí)檢查原始記錄。微動(dòng)探測(cè)共處理418個(gè)微動(dòng)勘探點(diǎn)的實(shí)測(cè)微動(dòng)數(shù)據(jù)，獲得418條光滑的頻散曲線。微動(dòng)視S波速度剖面和實(shí)測(cè)頻散曲線如圖4和圖5所示。

結(jié)果表明：在地面深度7～12m范圍內(nèi)附近呈現(xiàn)明顯低阻異常，推測(cè)為人防通道充水表現(xiàn)。準(zhǔn)確找到人防通道位置區(qū)域，為后期整治提供極其有益的信息。

2.3 洛陽(yáng)鏟地質(zhì)補(bǔ)勘

區(qū)間涌泥為軟塑-流塑狀粉質(zhì)黏土，與地勘報(bào)告上可塑-硬塑狀的粉質(zhì)黏土不相符合。軟塑狀后，自穩(wěn)能力較差引起掌子面前上方土體的滑動(dòng)。在地面用洛陽(yáng)鏟開(kāi)挖探孔三個(gè)，探測(cè)地下土質(zhì)含水情況，并取土進(jìn)行含水率試驗(yàn)，探孔位于區(qū)間右線的右側(cè)2.5m，孔深度20m，含水率見(jiàn)圖6。

圖6 洛陽(yáng)鏟含水率橫斷面圖

結(jié)果表明：涌出土體含水率為33%，遠(yuǎn)大于勘察報(bào)告粉質(zhì)黏土含水率18%，推測(cè)區(qū)間掌子面臨近區(qū)域存在富水層。

通過(guò)地面挖探、地球物理探測(cè)和洛陽(yáng)鏟補(bǔ)勘，準(zhǔn)確找到了廢棄人防通道的走向和規(guī)模，為后期整治提供了極其有益的信息。在地下隱蔽廢棄人防通道探測(cè)時(shí)，單純依靠一種探測(cè)方式，效率低，準(zhǔn)確度不高，需采用多種手段綜合探測(cè)。

3 廢棄人防通道整治

3.1 鉆孔注砂

采用鉆孔注砂法不破壞原地層，對(duì)環(huán)境干擾小，是技術(shù)可靠性高的地下隱蔽空間整治方法[7]。鉆孔注砂法采用機(jī)械鉆進(jìn)成孔，每20m一孔，成孔后檢查質(zhì)量，人工完成廢棄人防通道的修復(fù)或補(bǔ)漏作業(yè)。由于廢棄人防通道內(nèi)長(zhǎng)期缺乏維護(hù)，通風(fēng)不暢，可能殘存沼氣等有害氣體，當(dāng)人工下孔檢查時(shí)，必須提前采取有效的防毒和不良?xì)怏w檢測(cè)措施，保證人員安全。

3.2 地面和洞內(nèi)注漿

地面注漿采用后退式分段注漿工法。對(duì)地面塌陷處進(jìn)行地面深孔注漿加固，以加固正線上方土質(zhì)，采用單液漿注漿加固，此處覆土深度平均19m，注漿深度控制在22m，采用鉆機(jī)鉆桿進(jìn)行注漿，間距1.5m梅花形布置，注漿壓力控制在1.0～1.5Mpa，注漿過(guò)程中當(dāng)注漿壓力穩(wěn)定時(shí)停止該處注漿。注漿加固范圍如圖7所示。

圖7 地面注漿加固范圍

洞內(nèi)開(kāi)挖斷面采用全斷面注漿，注漿孔呈梅花狀布置，最深為4m。洞內(nèi)注漿采用雙液漿注漿，在完成地面的深孔注漿加固后，在正線洞內(nèi)對(duì)掌子面進(jìn)行深孔注漿，以加固正線方向掌子面土體，注漿深度4m注漿壓力控制在0.8～1.0 Mpa，間距成1m梅花形布置。

通過(guò)地面及洞內(nèi)深孔注漿，后續(xù)開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)現(xiàn)掌子面、核心土體中包裹著明顯的漿脈，有清晰的注漿痕跡，掌子面滲水情況明顯改善，推測(cè)掌子面土質(zhì)含水率有明顯變化，表明注漿效果良好。通過(guò)注漿達(dá)到了止水和穩(wěn)固土體的目的。

4 區(qū)間下穿富水土層影響分析

4.1 超前大管棚加固

地鐵下穿廢棄人防通道區(qū)間，掌子面臨近土體為富水土層，超前管棚鉆孔時(shí)易塌孔，無(wú)法提前成孔，采用跟管鉆施工工藝，依靠鉆機(jī)壓力直接將小導(dǎo)管直接壓入。棚管采用φ108mm*6mm鋼管，長(zhǎng)度10m，分節(jié)長(zhǎng)度1.5*6+1。鋼管布設(shè)圓心角為120°，環(huán)向間距30 cm。采用超前大管棚預(yù)加固的方式，解決了掌子面土體自穩(wěn)能力極差，開(kāi)挖后易產(chǎn)生坍方的危險(xiǎn)。

4.2 軟流塑地層 CD法施工技術(shù)

軟～流塑粉質(zhì)黏土地層具有高壓縮性、靈敏度強(qiáng)、強(qiáng)度較低，易產(chǎn)生蠕動(dòng)變形的特點(diǎn)，開(kāi)挖后掌子面不能自穩(wěn)，易坍塌涌泥，同時(shí)極易引起地面沉降[8-9]。在軟流塑地層中城市地鐵區(qū)間施工難度極大，需引起較大重視。隧道原設(shè)計(jì)采用臺(tái)階法通過(guò)，因?yàn)榈刭|(zhì)因素的變化，臺(tái)階法通過(guò)軟流塑地層時(shí)，拱頂沉降控制難度較大，施工過(guò)程中日沉降量均超過(guò)報(bào)警值，為確保區(qū)間隧道掘進(jìn)施工安全，采用了CD法開(kāi)挖，最大限度地降低隧道施工對(duì)周邊環(huán)境的影響。

區(qū)間隧道從東西兩端對(duì)向掘進(jìn)，變更設(shè)計(jì)后采用CD法開(kāi)挖，保證掌子面軟流塑土體的穩(wěn)定，開(kāi)挖方法主要為人工配合小型挖掘機(jī)開(kāi)挖，采用豎井提升機(jī)運(yùn)輸出土。區(qū)間下穿廢棄人防通道CD法開(kāi)挖見(jiàn)圖8，支護(hù)類(lèi)型見(jiàn)表1。

地鐵區(qū)間下穿廢棄人防通道涌泥區(qū)時(shí)，拱頂沉降是隧道安全變形的控制性指標(biāo)，在選擇CD法掘進(jìn)施工時(shí)，重點(diǎn)研究了復(fù)雜地質(zhì)條件下荷載與隧道結(jié)構(gòu)的相關(guān)關(guān)系，以保證支護(hù)結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度抵抗隧道的變形。

表1 區(qū)間下穿廢棄人防通道支護(hù)類(lèi)型

隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)采用Midas GTS進(jìn)行非線性有限元分析，襯砌結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，支護(hù)外圍土體采用實(shí)體單元，同時(shí)考慮超前大管棚施工時(shí)注漿鋼管與漿液擴(kuò)散體剛度等效，錨桿支護(hù)采用植入式桁架單元進(jìn)行模擬。CD法三維模擬分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 CD法開(kāi)挖三維模擬剖面圖

從力學(xué)角度分析，對(duì)隧道變形控制最有效的手段是支護(hù)快速閉合，由于掌子面開(kāi)挖斷面減小，便于支護(hù)快速架設(shè)封閉，軟流塑土體蠕動(dòng)尚未形成破壞效應(yīng)，結(jié)構(gòu)已經(jīng)閉合，可以對(duì)土體形成有效支護(hù)。計(jì)算模擬結(jié)果顯示，采用超前大管棚+CD法，區(qū)間拱頂累計(jì)沉降只有13.2mm，對(duì)隧道變形影響較小。

5 結(jié)論

（1）城市地鐵區(qū)間下穿人防通道時(shí)，由于周?chē)鷰r土工程性質(zhì)復(fù)雜，可能存在坍塌或滲水情況，影響臨近地鐵區(qū)間的施工和運(yùn)營(yíng)安全，采用挖探、微動(dòng)探測(cè)和洛陽(yáng)鏟補(bǔ)勘的綜合探測(cè)方法，可以準(zhǔn)確快速的確定風(fēng)險(xiǎn)源。

（2）軟塑-流塑狀粉質(zhì)黏土工程性質(zhì)極差，當(dāng)含水率超過(guò)30%時(shí)，掌子面有失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，極易發(fā)生涌泥事故。

（3）鉆孔注砂法、地面注漿和區(qū)間初支背后注漿是治理下穿廢棄人防通道的較好方法，對(duì)交通和環(huán)境影響小，工效高，整治效果較好。

（4）臺(tái)階法通過(guò)軟流塑地層時(shí)，拱頂沉降控制難度較大，應(yīng)考慮變更工法，加強(qiáng)支護(hù)。采用超前大管棚+CD法通過(guò)軟流塑地層時(shí)，拱頂沉降可以得到有效控制，便于安全快速通過(guò)不良地質(zhì)段。

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