富水軟弱地層中隧道超前支護(hù)應(yīng)用研究

李艷娥

摘 要：【目的】超前支護(hù)技術(shù)是軟弱地層中暗挖隧道常用的地層加固技術(shù)，其在地鐵建設(shè)中應(yīng)用可進(jìn)一步保障施工安全?！痉椒ā勘疚囊晕錆h市某地鐵車站出入口工程為研究對象，在詳細(xì)勘探富水軟弱地層情況的基礎(chǔ)上，對該通道開挖過程中所采用的超前支護(hù)技術(shù)進(jìn)行分析研究，探討施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)?！窘Y(jié)果】采用大管棚和小導(dǎo)管超前支護(hù)技術(shù)，解決了施工難題，安全順利完成了施工任務(wù)，保護(hù)了周邊的建筑和環(huán)境?！窘Y(jié)論】本工程的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)方法可以為其他類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道；軟弱地層；淺埋暗挖；超前支護(hù)

中圖分類號：U457.3 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：1003-5168（2023）14-0062-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.012

Application of Tunnel Advanced Support in Water-Rich Soft Strata

LI Yan'e

（Wuhan Hanyang Municipal Construction Group Co.， Ltd.， Wuhan 430000， China）

Abstract： [Purposes] ?Advanced support technology is a commonly used stratum reinforcement technology for underground tunnels in soft strata. Its application in subway construction can further ensure construction safety. [Methods] ?This paper takes the entrance and exit project of a subway station in Wuhan City as the research object. Based on the detailed exploration of water-rich soft strata， the advanced support technology used in the excavation process of the tunnel is analyzed and studied to discuss the key points and difficulties of construction. [Findings] ?The use of large pipe shed and small pipe advance support technology solved the construction problems， safely completed the construction task， and protected the surrounding buildings and environment. [Conclusions] ?The project related experience and technical methods can provide reference for the design and construction of other similar projects.

Keywords： subway tunnel; soft strata; shallow underground excavation; advanced support

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，城市人口逐步增多，地面交通壓力也越來越大，各大城市越來越重視地下交通系統(tǒng)的建設(shè)［1-2］。為保證施工的安全性及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在地下水豐富的軟弱地層中往往采用超前支護(hù)技術(shù)保證隧道工程的順利進(jìn)行［3-4］。研究富水軟弱地層中超前支護(hù)技術(shù)，對城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提升人民生活幸福感意義非凡［5-6］。

在軟弱地層中隧道的開挖、支護(hù)和穩(wěn)定性分析方面，許多學(xué)者進(jìn)行了研究和探討［7-8］。其中，針對超前支護(hù)技術(shù)，陳巨滔［9］根據(jù)廈深鐵路某隧道穿越地段的地質(zhì)情況，分析了在淺埋富水地段中洞內(nèi)管棚和小導(dǎo)管超前支護(hù)等技術(shù)方案。楊堅(jiān)［10］從適用環(huán)境、受力、剛度等方面對比了在隧道穿越軟弱圍巖時(shí)使用長管棚、單層注漿小導(dǎo)管和雙層注漿小導(dǎo)管三種超前支護(hù)技術(shù)的優(yōu)劣。文妮等［11］分析了高壓水平旋噴樁超前支護(hù)的作用機(jī)理及具體的施工方法，結(jié)合數(shù)值模擬分析了超前支護(hù)的作用。郝婷等［12］利用數(shù)值模擬軟件，根據(jù)實(shí)際工程項(xiàng)目建立了模型，分析了無超前支護(hù)和長管棚超前支護(hù)不同工況下隧道圍巖穩(wěn)定性、初支應(yīng)力和圍巖塑性區(qū)的變化規(guī)律。

本文以武漢市某地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)通道為研究對象，對該通道開挖過程中所采用的超前支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了分析研究，對其他同類型工程的安全高效施工具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工程背景

1.1 項(xiàng)目概況

該工程為武漢市軌道交通某車站南側(cè)Ⅰ至Ⅲ號預(yù)留出入口工程，包括明挖段附屬圍護(hù)結(jié)構(gòu)、附屬主體結(jié)構(gòu)及附屬結(jié)構(gòu)通道，其中使用暗挖法施工的通道是本項(xiàng)目的施工重點(diǎn)。Ⅰ號出入口明挖段基坑寬約6.4 m，深約11.60 m；Ⅱ號出入口明挖段基坑寬約6.2 m，深約12.5 m；Ⅲ號出入口明挖段基坑寬約9.6 m，深約10.94 m。Ⅰ號出入口通道暗挖段長約33.9 m，埋深約4.6 m；Ⅱ號出入口通道暗挖段長約39.2 m，埋深約4.3 m；Ⅲ號出入口通道暗挖段長約42.82 m，埋深約3.5 m。項(xiàng)目總平面如圖1所示。

Ⅰ號暗挖通道采用眼鏡工法施工，Ⅱ、Ⅲ號通道采用CRD法施工，3個(gè)出入口均采用超前支護(hù)措施，設(shè)置超前大管棚及超前小導(dǎo)管。其中Ⅰ號通道采用全斷面布置，Ⅱ、Ⅲ號通道拱頂及兩邊墻布置。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

本工程場地地形平坦，場地地貌單元屬于長江Ⅰ級階地沖擊層。根據(jù)鉆探結(jié)果，場地分布自上而下可分為：人工填土（Qml）層、第四系全新統(tǒng)沖積（Qal）一般黏性土、砂土層（夾礫、卵石）及志留系中統(tǒng)墳頭組（S）泥巖。

場地內(nèi)的地下水有上層滯水、孔隙承壓水和基巖裂隙水三種類型。上層滯水主要賦存于人工填土層，在勘察期間，測得其初見水位埋深為0.7～4.1 m，穩(wěn)定水位埋深為2.0～3.9 m?？紫冻袎核疄橘x存于第四系全新統(tǒng)沖積（Qal）粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂互層土及砂卵石層中的承壓水，與長江、漢江具有水力聯(lián)系。

2 施工重難點(diǎn)分析

該工程位于武漢市中心商業(yè)區(qū)，是重要的交通樞紐，周邊有公園、醫(yī)院、高架橋、商業(yè)大廈等建筑，地下管線敷設(shè)情況復(fù)雜。不良的工程地質(zhì)條件結(jié)合復(fù)雜的地上地下建筑情況，使得暗挖法隧道的安全施工尤為重要，也極富挑戰(zhàn)性。

2.1 土層自穩(wěn)能力差

該工程3個(gè)出入口明挖段基坑深度大約10 m，暗挖段埋深為4 m左右。場地由上至下依次經(jīng)過的土層為：雜填土、素填土、可塑狀態(tài)黏土、軟～可塑狀態(tài)粉質(zhì)黏土以及粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂互層，暗挖通道地質(zhì)斷面如圖2所示。原土層中存在初始地應(yīng)力場，隨著施工活動(dòng)的進(jìn)行，原有應(yīng)力狀態(tài)被破壞，導(dǎo)致原本的三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閮上驊?yīng)力狀態(tài)，洞壁周圍出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得周圍土體向隧道內(nèi)側(cè)移動(dòng)。隨著洞壁周圍土層變形的逐步增大，相鄰?fù)翆拥膽?yīng)力也隨之逐步調(diào)整，進(jìn)而產(chǎn)生變形。由于土層自穩(wěn)能力差，若開挖、支護(hù)方式不當(dāng)，土體的應(yīng)力釋放和應(yīng)力重分布導(dǎo)致的土體移動(dòng)會(huì)使地面產(chǎn)生較大沉降，嚴(yán)重時(shí)引起隧道坍塌事故。

2.2 地下水位高

該工程隧道主要穿越粉質(zhì)黏土和粉細(xì)砂等較軟土層，抗剪強(qiáng)度較小。在地下水的浸潤環(huán)境中，土體有效自重應(yīng)力減小，力學(xué)強(qiáng)度降低；在地下水的侵蝕下，土層中的細(xì)顆粒被帶走，土體的原有結(jié)構(gòu)被破壞，使得土體內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角減小，抗剪強(qiáng)度被削弱。當(dāng)在富水軟弱地層中開挖時(shí)，臨空面的產(chǎn)生使得土體應(yīng)力產(chǎn)生重分布，土體中出現(xiàn)剪應(yīng)力，且由于地下水的存在，土體抗剪強(qiáng)度降低，軟弱結(jié)構(gòu)面難以抵抗，進(jìn)而導(dǎo)致塑性滑動(dòng)的產(chǎn)生。如果軟弱土體分布范圍較大，土體的變形將進(jìn)一步發(fā)展，從而導(dǎo)致大范圍坍塌事故的發(fā)生。此外，若飽和砂土受到嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，砂粒改變排列組合方式，本應(yīng)由砂骨架承受的總應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槌紫端畨毫?，由于水完全無法承受剪應(yīng)力，穩(wěn)定的砂土將變成流體，向隧道掌子面涌去，從而引發(fā)涌水、坍塌事故。

2.3 地下管線復(fù)雜

經(jīng)勘察，地鐵站出入口暗挖隧道周邊已敷設(shè)給、排水管和通信光纖，在工程施工過程中需要下穿排水箱涵和鑄鐵給水管。對于排水箱涵，為防止管線滲水軟化土體，需要對其采取臨時(shí)導(dǎo)流抽排措施；在經(jīng)過地下管線處注漿時(shí)，需要密切關(guān)注管線監(jiān)測情況對注漿壓力進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)在施工過程中，還要密切關(guān)注給排水管道的破損、滲漏情況，防止開挖至滲漏區(qū)域而產(chǎn)生的突泥、塌方事故。

3 超前支護(hù)技術(shù)

3.1 方案比選

針對施工重難點(diǎn)問題，選用超前支護(hù)技術(shù)可以有效保證暗挖通道的順利貫通。目前，工程中使用較多的超前支護(hù)技術(shù)主要有3種，分別為管棚、超前小導(dǎo)管和水平旋噴樁。這3種技術(shù)的適用范圍、特點(diǎn)及主要作用見表1。

3.2 設(shè)計(jì)概況

該工程暗挖隧道埋深較淺，上覆土層主要為軟弱砂層，工程項(xiàng)目處于繁華鬧市區(qū)，淺層地下已敷設(shè)了市政管線。對比3種超前支護(hù)技術(shù)，可采用“大管棚+超前小導(dǎo)管”方案。

Ⅰ號出入口暗挖段結(jié)構(gòu)全斷面設(shè)置超前大管棚，管棚長度為34 m；Ⅱ、Ⅲ號出入口暗挖段結(jié)構(gòu)拱部及側(cè)墻設(shè)置超前大管棚，其中Ⅱ號口管棚投影長度為40.4 m，Ⅲ號口管棚投影長度為45.8 m。管棚規(guī)格為φ108×8 mm，間距300 mm，外插角1°～3°，管棚上注漿孔徑為10 mm，孔間距300 mm，梅花形布置。管棚尾部留不鉆孔的止?jié){段300 mm，管內(nèi)注水泥水玻璃漿液，C∶S=1∶0.5～1∶1（體積比），間隔注漿，擴(kuò)散半徑≥300 mm，對土體進(jìn)行注漿預(yù)加固。

管棚間穿插的φ42 mm超前鋼插管采用3 m長熱軋無縫鋼管，壁厚3.5 mm，環(huán)向間距300 mm，保證縱向搭接不小于1.0 m。鋼插管尾部留不鉆孔的止?jié){段300 mm，插入角10°～15°，鋼插管外露長度200 mm；管內(nèi)注水泥水玻璃漿液，C∶S=1∶0.5～1∶1（體積比），間隔注漿，擴(kuò)散半徑≥500 mm。

3.3 大管棚施工技術(shù)

3.3.1 施工部署。由于現(xiàn)場通道埋深較淺，大管棚處于黏土及粉質(zhì)黏土層中，同時(shí)現(xiàn)場管線敷設(shè)情況復(fù)雜，管棚采用非開挖水平導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)方法施工。

3.3.2 施工工藝。按照施工流程，在做好準(zhǔn)備工作之后，為保證大管棚位置、方向準(zhǔn)確，如圖3所示，在拱部安設(shè)長度為1 m規(guī)格為φ140×5 mm鋼管作導(dǎo)向管，導(dǎo)向管固定在定型工字鋼（拱頂同弧度）上，環(huán)向間距300 mm，方向與通道坡度一致。

按照暗挖通道中線、邊墻邊線及拱頂、底高程定位工字鋼，工字鋼采用植筋與圍護(hù)樁連接牢固，靠圍護(hù)樁側(cè)工字鋼高于外側(cè)工字鋼。工字鋼架設(shè)完成后，進(jìn)行導(dǎo)向管的埋設(shè)，采用直徑為140 mm的無縫鋼管，其壁厚為5 mm，間距300 mm，導(dǎo)向管焊接在工字鋼外側(cè)里面，并采用雙排φ22 mm鋼筋抱箍焊接固定。

為了防止導(dǎo)向管在灌注混凝土?xí)r發(fā)生位移，導(dǎo)向管按照設(shè)計(jì)要求焊接在工字鋼架上。為提高施工精度，先在工字鋼架頂面標(biāo)定出導(dǎo)向管的位置，并嚴(yán)格按間距、方向角要求施工，以免管棚鉆機(jī)鉆孔侵入洞身開挖斷面。同時(shí)，為避免混凝土澆筑時(shí)砂漿進(jìn)入并堵塞導(dǎo)向管，安裝導(dǎo)向管時(shí)應(yīng)與端模抵緊并采取措施使其牢牢固定在端模上。

3.4 超前小導(dǎo)管施工技術(shù)

3.4.1 施工部署。出入口暗挖通道的斷面插入小導(dǎo)管，環(huán)向間距0.3 m，與管棚間隔布置，如圖4所示。

3.4.2 施工工藝。該工程使用的小導(dǎo)管均采用長度3 m規(guī)格為φ42 mm×3.5 mm熱軋無縫鋼花管，在管壁鉆孔間距為150 mm、孔徑為10 mm的花眼，梅花形布置。導(dǎo)管前端200 mm加工成錐形，導(dǎo)管后部不設(shè)出漿孔，端部套絲扣。

管內(nèi)注水泥水玻璃漿液，C∶S=1∶0.5～1∶1（體積比），間隔注漿，擴(kuò)散半徑≥500 mm。噴射混凝土封閉掌子面后，在掌子面上準(zhǔn)確畫出小導(dǎo)管設(shè)計(jì)孔位，采用風(fēng)洞鑿巖機(jī)鉆孔，成孔直徑為48 mm，如遇塌孔，可直接利用風(fēng)鉆和特制頂頭將小導(dǎo)管導(dǎo)入。按照設(shè)計(jì)要求布置超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管從鋼架腹部穿過，小導(dǎo)管鋼管尾端外露設(shè)計(jì)長度20～30 mm，并與格柵鋼拱架焊接在一起。環(huán)向間距宜為0.3 m，長度3 m，仰角10°～15°，之后依次進(jìn)行堵孔和注漿。

4 結(jié)語

在該工程中，通過對富水軟弱地層淺埋暗挖隧道施工工程重難點(diǎn)進(jìn)行研判，采用大管棚和小導(dǎo)管超前支護(hù)技術(shù)，解決了施工難題，安全順利完成了施工任務(wù)，保護(hù)了周邊的建筑和環(huán)境，未對城市的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成不良影響。該工程的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)方法可以為其他類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

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