地下水豐富區(qū)域透水地層地鐵隧道下穿建筑群暗挖施工技術(shù)

彭勇波

廣東省基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 廣東 廣州 510620

1 工程概況

員村站位于規(guī)劃的花城大道與員村二橫路交會(huì)十字路口以南，沿員村二橫路南北向布置，與5號(hào)線員村站進(jìn)行換乘，在車站南端設(shè)折返線，折返線隧道下穿地面建筑物有聯(lián)茂園藝場(chǎng)和子富新村居民樓等密集建筑物群（圖1）。

圖1 隧道位置平面示意

折返線隧道最小埋深17 m，區(qū)間縱坡2‰，沿員村二橫路旁進(jìn)入員村站，折返線左線隧道全長(zhǎng)148.44 m；右線隧道全長(zhǎng)141.889 m，全隧為雙洞單線暗挖隧道結(jié)構(gòu)，平面曲線半徑500 m，雙線并聯(lián)隧道最小間距4.58 m。隧道包含A1、A2、B1、B2、B3斷面5種形式，斷面面積39.32～128.88 m2。

暗挖隧道上覆地質(zhì)主要為人工填土、粉細(xì)砂、中粗砂、粉質(zhì)黏土、淤泥、淤泥質(zhì)土、殘積粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化碎屑巖、強(qiáng)風(fēng)化礫巖、泥質(zhì)粉砂巖，透水能力強(qiáng)。

隧道洞身主要穿越強(qiáng)風(fēng)泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，局部為強(qiáng)風(fēng)化巖礫巖、中風(fēng)化礫巖。隧道距離珠江約為100 m，廣州段珠江水深3～10 m不等，珠江與周邊地下水的水力聯(lián)系較為密切，地表水體流量受季節(jié)影響較大，豐水季節(jié)水量較大，枯水季節(jié)則水量較小。

2 施工技術(shù)創(chuàng)新及研究?jī)?nèi)容

本項(xiàng)目地鐵隧道靠近珠江邊，珠江與周邊地下水水力聯(lián)系較密切，隧道上覆地層有沖洪積砂層，施工時(shí)地下水豐富，珠江地表水與砂層地下水連通后水體大量下滲，易造成隧道結(jié)構(gòu)的坍塌。

同時(shí)，兩隧道中心暗挖隧道需要下穿一個(gè)對(duì)地面沉降要求嚴(yán)格的房屋密集居民區(qū)，但隧道斷面大洞身巖層較硬而上覆地層較軟，臺(tái)階法一次爆破開(kāi)挖無(wú)法保證富水條件下隧道圍巖穩(wěn)定和正上方房屋安全。而在冬季枯水期時(shí)，地下水水位受隧道開(kāi)挖滲漏和珠江水位下降影響，易引起地面及房屋沉降。

針對(duì)以上困難，我們通過(guò)研究、實(shí)踐和總結(jié)，逐步形成了一套針對(duì)地下水豐富區(qū)域透水地層地鐵隧道下穿建筑群暗挖綜合施工技術(shù)[1-3]。

2.1 隧道止水帷幕應(yīng)用技術(shù)

針對(duì)本工程地下水豐富、地層復(fù)雜情況下，需采取措施減少地下水流失和保證隧道掌子面圍巖穩(wěn)定，因此我們?cè)趥鹘y(tǒng)淺埋暗挖法的基礎(chǔ)上，對(duì)隧道開(kāi)挖線外1 m范圍進(jìn)行全斷面注漿，使隧道開(kāi)挖線以外2 m范圍形成一圈堵水帷幕，減少了地下水的流失；同時(shí)，水泥漿增加了周邊圍巖黏結(jié)性和強(qiáng)度，也在一定程度上加強(qiáng)了巖層自穩(wěn)性，從而保證了暗挖隧道開(kāi)挖及下穿密集建筑物風(fēng)險(xiǎn)源時(shí)周邊土體的穩(wěn)定。

2.2 房屋及地基預(yù)處理和地下水智能回灌技術(shù)

針對(duì)折返線隧道上方存在有子富新村等密集建筑物群，施工中應(yīng)采取措施對(duì)建筑物進(jìn)行保護(hù)及監(jiān)測(cè)。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，隧道開(kāi)挖通常會(huì)產(chǎn)生地表及建筑物的沉降，其主要原因是隧道開(kāi)挖產(chǎn)生下沉和地下水的流失。結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)探索，采取了借助計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬、地基預(yù)處理技術(shù)和地下水智能回灌措施。

1）采取計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行建模模擬輔助。施工前根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)及隧道建模進(jìn)行模擬，原支護(hù)形式下右線隧道下開(kāi)挖完成后，地表最大沉降值為22.10 mm；左線隧道開(kāi)挖完成后地表沉降值為25.50 mm。理論計(jì)算表明，地表沉降滿足規(guī)范要求（圖2）。

圖2 模擬隧道開(kāi)挖完成后

2）為最大限度減少房屋的沉降，采取了預(yù)處理技術(shù)。即在隧道開(kāi)挖前先進(jìn)行地基和房屋基礎(chǔ)加固處理，加固基礎(chǔ)下土體及增大土體與房屋樁基摩擦力，從而減少和降低工后沉降。

3）由于隧道上方地層以砂層和強(qiáng)風(fēng)化層等強(qiáng)透水層為主，枯水期地表水補(bǔ)給不夠充分，地下水位下降，從而引發(fā)地面及房屋的下沉。因此，在隧道洞內(nèi)帷幕注漿措施的基礎(chǔ)上，在地面增加回灌井，并通過(guò)對(duì)地下水位的監(jiān)測(cè)情況，利用智能系統(tǒng)控制供水系統(tǒng)有針對(duì)性地對(duì)各回灌井進(jìn)行智能回灌，維持隧道開(kāi)挖影響范圍地下水的相對(duì)穩(wěn)定水平，從而減少因地下水流失而引起的地層固結(jié)沉降。

2.3 小臺(tái)階多次起爆技術(shù)

由于隧道開(kāi)挖面巖層主要為中風(fēng)化和微風(fēng)化的礫巖和泥質(zhì)粉砂巖，采用常用機(jī)械設(shè)備難以破碎，施工效率低，難于達(dá)到工期要求。

因此，需采用爆破方式開(kāi)挖以加快進(jìn)度。在隧道掘進(jìn)過(guò)程中，采用小臺(tái)階同斷面多次起爆方式，即把大斷面隧道上部掌子面分為2個(gè)小臺(tái)階，先爆破開(kāi)挖小臺(tái)階掏槽區(qū)，有了新臨空面后再爆破輔助區(qū)，最后爆破周邊孔，減少單次起爆藥量，同時(shí)在開(kāi)挖輪廓線上布置減振孔，以降低爆破振動(dòng)。

3 隧道下穿建筑群暗挖施工技術(shù)

3.1 隧道帷幕注漿技術(shù)

雙隧道上覆地層為砂層和強(qiáng)風(fēng)化軟弱層，透水性強(qiáng)且圍巖穩(wěn)定性差，在現(xiàn)狀珠江聯(lián)動(dòng)水系發(fā)達(dá)情況下，暗挖施工存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)。

本技術(shù)通過(guò)對(duì)隧道開(kāi)挖線外1 m以內(nèi)范圍實(shí)施帷幕注漿，即通過(guò)水泥漿預(yù)先填充砂層及巖層空隙，使軟弱地層形成一個(gè)穩(wěn)固整體，一方面提供臨時(shí)支護(hù)以提高圍巖密實(shí)性和承載力，另一方面可在隧道開(kāi)挖線外形成一圈堵水帷幕，減少地下水的流失。

3.1.1 鉆孔順序

1）在鉆孔過(guò)程中先上后下，先外后內(nèi)，即先在隧道開(kāi)挖線外1 m鉆孔，然后再進(jìn)行開(kāi)挖線內(nèi)鉆孔注漿，注漿采用后退式分段注漿，布孔間距1 500 mm。鉆孔施工按照全斷面法施工，每循環(huán)進(jìn)尺20 m，后序注漿段預(yù)留2 m已注漿段作為止?jié){盤(pán)，如圖3所示。

圖3 隧道帷幕注漿鉆孔施工示意

2）隧道帷幕注漿的具體施作工序如下：測(cè)量放點(diǎn)→鉆機(jī)就位→鉆機(jī)開(kāi)孔→安設(shè)孔口管→分段注漿→結(jié)束鉆機(jī)→下一孔。

3.1.2 鉆孔施工

先根據(jù)設(shè)計(jì)圖孔位、鉆孔參數(shù)，在工作面上放出鉆孔位置，并用油漆標(biāo)定，調(diào)整鉆桿的仰角和水平角，移動(dòng)鉆機(jī)，將鉆頭對(duì)準(zhǔn)所標(biāo)孔位。將棱鏡放在鉆桿尾端，用全站儀檢查鉆桿的姿態(tài)并調(diào)整。鉆機(jī)安裝應(yīng)平整穩(wěn)固，保證鉆桿中心線與設(shè)計(jì)注漿孔中心線吻合，在鉆孔過(guò)程中須經(jīng)常檢查校正鉆桿方向。

3.1.3 注漿

注漿前掌子面需做30 cm厚臨時(shí)封堵墻，封堵墻采用雙層網(wǎng)噴混凝土，鋼筋網(wǎng)采用φ14 mm@150 mm×150 mm鋼筋網(wǎng)片，同時(shí)網(wǎng)片邊緣與隧道格柵進(jìn)行焊接，臨時(shí)封堵墻需分層噴射施工，以確保封堵密封效果。

每循環(huán)注漿長(zhǎng)度為20 m，單孔有效擴(kuò)散半徑為1.5 m，對(duì)隧道開(kāi)挖線內(nèi)及開(kāi)挖線外1 m范圍內(nèi)進(jìn)行深孔注漿，使暗挖隧道開(kāi)挖線外2 m增加圍巖密實(shí)性和承載力。由于強(qiáng)風(fēng)化巖層成孔困難，采用分段前進(jìn)式注漿。

采用單液普通水泥漿，漿液濃度按圖紙?jiān)O(shè)計(jì)水灰比1∶1（質(zhì)量比）。注漿壓力根據(jù)水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件確定，其設(shè)計(jì)終壓值一般較注漿處?kù)o水壓力大0.5～1.5 MPa；當(dāng)靜水壓力較大時(shí)，取靜水壓力的2～3倍初步確定。單孔注漿以定壓計(jì)算注漿壓力，注滿后穩(wěn)壓10 min，檢查漿液流量計(jì)，基本無(wú)漿液注入時(shí)停止注漿。

3.2 房屋及地基預(yù)處理技術(shù)

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，預(yù)先對(duì)地基及房屋基礎(chǔ)進(jìn)行袖閥管預(yù)注漿，可以有效地加固基礎(chǔ)下土體及增大土體與房屋樁基摩擦，減少和降低工后沉降。

1）采用袖閥管進(jìn)行地層及房屋基礎(chǔ)進(jìn)行預(yù)注漿加固。主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

① 房屋基礎(chǔ)類型：地下摩擦型樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)6 m。

② 加固處理范圍：地面以下，巖面以上，建筑物基礎(chǔ)以下地層。

③ 注漿孔布置：沿房屋結(jié)構(gòu)外1.0～1.5 m線施作袖閥管注漿鉆孔，雙排鉆孔注漿，注漿孔間距為1.5 m，袖閥管加固地層范圍為地面以下12 m。盡量打設(shè)斜孔到房屋投影下方，并有效避開(kāi)房屋下摩擦樁基，以最大程度加固房屋下樁間土持力層，以盡量減小無(wú)法加固盲區(qū)為原則，整個(gè)注漿完成后要采用水泥砂漿對(duì)注漿孔進(jìn)行封孔處理。

④ 袖閥管直徑50 mm，漿液類型為水泥漿，漿液擴(kuò)散半徑1.2 m。

⑤ 注漿壓力：外排孔（遠(yuǎn)離房屋側(cè)）以相對(duì)小壓力、多次數(shù)、較大量控制；壓力0.5～0.8 MPa，3～4次，每次持續(xù)10～20 min。內(nèi)排孔（靠房屋側(cè)）壓力按0.3～0.5 MPa控制，3次，每次持續(xù)10～20 min。在達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力后，地層的吃漿量小于2～3 L/min，且地面無(wú)隆起、跑漿、冒漿時(shí)終止注漿。

⑥ 注漿順序及原則：先基礎(chǔ)兩邊后中間，隔孔交替注漿；注漿中應(yīng)遵循“低壓慢灌、反復(fù)多次、隔孔交替”的原則。

⑦ 漿液材料：42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水灰比0.75∶1～1∶1。

2）注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)如下：

① 注漿壓力逐步升高，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)計(jì)終壓并持續(xù)注漿30 min以上。

② 有一定注入量，與設(shè)計(jì)注入量大致接近，注漿結(jié)束時(shí)的進(jìn)漿量一般都在3 L/min以下。

③ 根據(jù)房屋監(jiān)測(cè)信息反饋、累計(jì)沉降以及不均勻沉降情況，經(jīng)分析確認(rèn)在得到有效控制的情況下，可以提前結(jié)束注漿。

3.3 地下水智能回灌技術(shù)

在加隧道洞內(nèi)帷幕注漿措施的基礎(chǔ)上，在地面增加回灌井。回灌井孔深12 m，直徑300 mm，下放200 mm的PVC套管，回灌井注水壓力約0.3 MPa，支管上設(shè)置止水閥和水表，控制水流量，同時(shí)設(shè)置智能控制系統(tǒng)，根據(jù)地下水位情況，利用智能系統(tǒng)控制供水系統(tǒng)有針對(duì)性地對(duì)各回灌井進(jìn)行智能回灌，維持地下水位相對(duì)穩(wěn)定。

3.4 小臺(tái)階多次起爆開(kāi)挖技術(shù)

暗挖隧道采用礦山法施工，左線隧道采用臺(tái)階法施工，右線隧道采用CRD法施工。因隧道下穿子富新村樓房，為保證地面構(gòu)筑物及人員的安全，已將隧道正上方人員全部臨遷，并采取圍蔽隔離，以及在隧道開(kāi)挖過(guò)程中采取了房屋保護(hù)措施。

3.4.1 隧道開(kāi)挖組織

隧道開(kāi)挖采取獨(dú)頭掘進(jìn)，從車站北端向豎井端開(kāi)挖（圖4）。

圖4 隧道掘進(jìn)方向示意

3.4.2 爆破采取措施

在隧道掘進(jìn)過(guò)程中，采用小臺(tái)階同斷面多次起爆方式，即把大斷面隧道上部掌子面分為2個(gè)小臺(tái)階，先爆破開(kāi)挖小臺(tái)階掏槽區(qū)，有了新臨空面后再爆破輔助區(qū)，最后爆破周邊孔，減少單次起爆藥量，同時(shí)在開(kāi)挖輪廓線上布置減振孔，以降低爆破振動(dòng)。

掏槽孔一般布置在上臺(tái)階開(kāi)挖面中央偏下，并比其他炮孔深200 mm左右；周邊孔布置在掘進(jìn)斷面輪廓線上，孔底應(yīng)超出設(shè)計(jì)輪廓線100 mm左右，底板眼也適當(dāng)加密，以防欠挖；根據(jù)能量均勻分布的觀點(diǎn)和本工程的實(shí)際要求，隧洞爆破時(shí)，掏槽孔采用楔形、菱形、方形等布孔方式，輔助孔采用梅花狀均勻布孔。周邊孔間距取400～600 mm，最小抵抗線取400～600 mm；輔助孔間距取500～800 mm；掏槽孔間距取500～600 mm。布孔方式如圖5所示。

圖5 左線隧道炮孔布置示意

為了減少爆破有害效應(yīng)，提高爆破破碎的質(zhì)量和開(kāi)挖效率，隧道開(kāi)挖采用小臺(tái)階同斷面多次起爆方式，臺(tái)階高度3.0～3.5 m。在微差爆破中，掏槽孔與輔助孔采用1～9段毫秒雷管，其余炮眼采用間隔為200 ms的等差雷管。小臺(tái)階同斷面起爆順序?yàn)椋禾筒劭住o助孔→周邊孔。如圖6所示，即先爆破開(kāi)挖掏槽區(qū)（1型和3型雷管），有了新臨空面后再爆破輔助區(qū)（5型和7型雷管），最后爆破周邊孔（9型和11型雷管），減少了單次起爆藥量，有利于降低爆破產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)。

圖6 小臺(tái)階起爆方式示意

本工程周邊環(huán)境復(fù)雜，在爆破作業(yè)過(guò)程中，必須控制爆破振動(dòng)對(duì)周圍建筑物的影響。為了保證爆破振動(dòng)不影響安全，按2 cm/s進(jìn)行裝藥設(shè)計(jì)，爆破允許的最大裝藥量為2.15 kg；隧道掘進(jìn)到距離建筑物較近時(shí)，采用小進(jìn)尺、多孔微差，嚴(yán)格控制爆破振動(dòng)對(duì)建筑物的影響。

爆破施工嚴(yán)格控制開(kāi)挖進(jìn)尺和確保爆破引起的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度在安全允許范圍（2 cm/s）之內(nèi)，左線上臺(tái)階每炮循環(huán)進(jìn)尺不大于1 m，下臺(tái)階控制在2.5 m內(nèi)。右線大斷面上臺(tái)階每循環(huán)進(jìn)尺1 m，下臺(tái)階控制在2 m內(nèi)。

3.4.3 施工后各項(xiàng)數(shù)據(jù)

爆破振速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示最大振速為1.70 cm/s，最小振速為0.03 cm/s，平均振速0.32 cm/s。因此，暗挖隧道采用小臺(tái)階多次起爆技術(shù)施工時(shí)爆破效果良好，爆破后巖石破碎程度高，爆破振速實(shí)測(cè)均在2 cm/s以內(nèi)，爆破振動(dòng)和爆破噪聲均很小。

同時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)情況，房屋沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)累計(jì)變化最大值為24.5 mm，最小值為－5.9 mm，房屋累計(jì)沉降控制在25 mm以內(nèi)，且沉降值趨于穩(wěn)定。

4 效益分析

本項(xiàng)綜合技術(shù)解決了暗挖隧道在地下水豐富透水層較多的條件和下穿建筑群施工的一系列問(wèn)題，高效、安全地完成了施工任務(wù)，取得了監(jiān)理、業(yè)主的一致好評(píng)。該技術(shù)提高了施工的安全穩(wěn)定性，同時(shí)具備較好的操作性，將因施工對(duì)環(huán)境帶來(lái)的不利影響降至了最低限度。

5 結(jié)語(yǔ)

該技術(shù)相比傳統(tǒng)暗挖技術(shù)具有施工安全、高效的優(yōu)越性，對(duì)市政行業(yè)中暗挖隧道施工方法技術(shù)的更新具有一定的推進(jìn)作用。此技術(shù)也將進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)地鐵行業(yè)暗挖隧道的發(fā)展，特別在暗挖隧道富水和下穿建筑群施工中有良好的推廣應(yīng)用前景。