淤泥地層暗挖矩形隧道密貼雨水箱涵施工關(guān)鍵技術(shù)

許俊偉

(中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 廣東 廣州　511400)

0　引言

淤泥質(zhì)地層具有土體軟弱、含水量高、易發(fā)生較大變形和穩(wěn)定性差等特點(diǎn)，在該類土層中應(yīng)用淺埋暗挖法修建地鐵隧道和地下通道，不僅要考慮上方及周邊建(構(gòu))筑物的安全，又要保證自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，大大增加了施工難度和風(fēng)險(xiǎn)。在該類地層中進(jìn)行淺埋暗挖隧道施工時(shí)，為保證施工和環(huán)境安全，施工前必須預(yù)先進(jìn)行有效的地層改良和加固，增加地層的穩(wěn)定性。

對(duì)于淤泥質(zhì)地層，目前常用的預(yù)加固方法有大管棚+小導(dǎo)管注漿、帷幕注漿、掌子面注漿、水平旋噴樁(加筋)和攪拌樁(深層、水平)等，同時(shí)也有可重復(fù)高壓灌漿錨桿和壓密注漿等方法被應(yīng)用于實(shí)際工程，取得了較好的效果。況勇等[1]介紹了在上海含水淤泥質(zhì)地層條件下,地鐵隧道，采用的管幕超前預(yù)支護(hù)、掌子面深孔注漿加固、短開挖、強(qiáng)支護(hù)等綜合淺埋暗挖施工技術(shù)； 楊世武[2]結(jié)合福州市地下人行通道，介紹了軟弱淤泥質(zhì)地層條件下的地層加固和施工方法； 文獻(xiàn)[3-4]介紹了大管棚輔以小導(dǎo)管超前支護(hù)、掌子面深孔注漿和多分部法等綜合施工技術(shù)； 文獻(xiàn)[5-7]介紹了在軟流塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層修建隧道采用高壓水平旋噴注漿加固地層的原理、漿體材料和配比、注漿壓力、注漿量、施工方法及注漿效果檢測等； 鄧建林[8]介紹了一種適合淤泥質(zhì)地層的新型土體加固技術(shù)——水平攪拌，克服了在地面上無作業(yè)條件的難題,而且能夠通過監(jiān)測和控制孔口的返漿量以達(dá)到有效控制地面沉降的目的； 胡建林[9]論述了可重復(fù)高壓灌漿錨桿的結(jié)構(gòu)構(gòu)造及其獨(dú)特的灌漿工藝，探討了該類錨桿的承載能力特性； 曹偉[10]以蘇州工業(yè)園區(qū)處理淤泥質(zhì)地層的方案及效果為例，探討了壓密注漿在淤泥質(zhì)地層中的應(yīng)用； 陶連金等[11]介紹了大跨徑矩形暗挖車站密貼下穿既有地鐵車站的施工技術(shù)，通過增加臨時(shí)立柱和千斤頂、型鋼鋼架基底處理、超細(xì)水泥漿初期支護(hù)背后回填注漿、多臺(tái)千斤頂同時(shí)加力頂升等措施有效控制了既有地鐵車站的沉降； 孫旭東[12]以北京地鐵6號(hào)線東四站—朝陽門站區(qū)間下穿既有5號(hào)線東四站為例,介紹了超前注漿加固及止水技術(shù)、CRD+千斤頂支護(hù)法、輔助深孔注漿及背后回填和補(bǔ)償注漿技術(shù)等暗挖隧道下穿既有車站施工技術(shù)； 吳昊[13]以青島地鐵為例，介紹了上下斷面差異性較大地質(zhì)條件下，綜合采用深孔注漿地層預(yù)加固、超長管棚與支護(hù)和減震爆破及實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)，順利完成近距離下穿地下商業(yè)街； 孫國慶[14]以深圳地鐵7號(hào)線和9號(hào)線區(qū)間盾構(gòu)接收為例，根據(jù)工程所處的環(huán)境，對(duì)靜壓循環(huán)注漿控制技術(shù)和擴(kuò)散性好、凝膠時(shí)間可控的新型材料應(yīng)用進(jìn)行研究, 最終盾構(gòu)端頭井加固達(dá)到了要求，確保了盾構(gòu)安全出洞，還使鄰近既有線變形量控制在規(guī)范要求的范圍內(nèi)； 文獻(xiàn)[15-16]根據(jù)深圳某地下通道的施工實(shí)踐，認(rèn)為開挖階段支護(hù)整體下沉量和拆撐階段中隔墻受力的變大是導(dǎo)致地表沉降量迅速增加的主要原因。然而，在工程實(shí)際中除了采取必要的地層改良和加固措施外，選擇合適的開挖工法并控制開挖和支護(hù)施工影響也是工程安全順利完成的必要條件。

本文依托深圳某車站換乘通道暗挖段工程，針對(duì)其沉降控制要求高和周邊地層環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，采取水平旋噴樁和全斷面帷幕注漿相結(jié)合的超前預(yù)加固措施，提高了圍巖的強(qiáng)度和剛度。矩形隧道采用6步開挖，支撐拆除和二次襯砌施作階段采取分段的方式，全過程利用監(jiān)測信息指導(dǎo)施工，取得了軟弱富水淤泥質(zhì)地層和復(fù)雜環(huán)境中大跨徑矩形通道暗挖施工的成功經(jīng)驗(yàn)。

1　工程概況

1.1　地質(zhì)條件

暗挖隧道上覆地層主要為第四系全新統(tǒng)素填土，換乘通道暗挖段隧道主要穿越地層為淤泥質(zhì)黏性土②2、粉質(zhì)黏土③4、粗砂③8，暗挖隧道下方地層依次為較厚粗砂層、砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，基巖為中風(fēng)化花崗巖，隧道地質(zhì)剖面見圖1。換乘通道暗挖段地表水不發(fā)育，地表水主要為坑洼地帶的積水。

圖1　暗挖隧道地質(zhì)剖面圖 (單位： mm)

1.2　工程概況

換乘通道位于車站西南側(cè)，呈東西走向，暗挖隧道位于換乘通道靠近7號(hào)線車站一側(cè)。暗挖段為矩形斷面，開挖尺寸寬10.4 m，高4.866～5.112 m，長16 m，采用分步開挖法，分上下、左中右6步開挖。換乘通道暗挖段上方密貼有皇崗河雨水箱涵，箱涵為單箱雙室形式，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，寬12.3 m，高6.15 m，頂板厚450 mm，外側(cè)墻厚450 mm，中隔墻厚400 mm，底板厚500 mm，底板下墊層厚300 mm。暗挖段加固區(qū)下方為地鐵7號(hào)線右線隧道(隧道直徑為6 000 mm,管片厚300 mm)，加固區(qū)底至區(qū)間隧道管片頂約7～8 m，隧道平面和剖面見圖2。

(a) 暗挖隧道平面圖

(b) 暗挖隧道剖面圖

箱涵頂板上方覆蓋約0.9 m厚素填土，箱涵上半段位于素填土層，下半段位于淤泥質(zhì)黏性土層，整個(gè)暗挖隧道均位于軟弱土層中，遇水易軟化，開挖易引起雨水箱涵和地表較大沉降，暗挖段降水受周邊條件限制而無法進(jìn)行，施工風(fēng)險(xiǎn)較大。經(jīng)綜合研究對(duì)比分析，暗挖通道分6步開挖，采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)； 超前支護(hù)方面，土體加固和止水采用水平旋噴樁和全斷面帷幕注漿補(bǔ)充加固止水，并采用φ42 mm×3.5 mm小導(dǎo)管輔助注漿加固土體。

2　暗挖換乘通道施工

暗挖隧道總體施工步驟為： 水平旋噴樁注漿加固土體—全斷面帷幕注漿加固土體—暗挖隧道初期支護(hù)施工—暗挖隧道支撐拆除和二次襯砌施工。

2.1　超前加固方案

隧道開挖前采取水平旋噴樁和全斷面注漿措施對(duì)隧道及周邊土體進(jìn)行加固，以提高圍巖自穩(wěn)能力，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.1加固參數(shù)及工藝

1)水平旋噴加固。對(duì)隧道開挖影響范圍進(jìn)行裙邊加固和抽條水平加固，加固深度為16 m，覆蓋整個(gè)暗挖隧道，共施工224根直徑600 mm、間隔450 mm的水平旋噴樁，孔位布置見圖3。現(xiàn)場鉆孔設(shè)備采用2臺(tái)型號(hào)為HTG-200的水平鉆機(jī)，漿液材料采用P·O 42.5R水泥，水灰比為1∶1。水平旋噴樁正式施工前，先進(jìn)行洞內(nèi)水平旋噴樁試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際地層水平旋噴樁旋噴加固效果，初步確定現(xiàn)場旋噴樁施工主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖3　水平旋噴樁加固孔位布置情況

　　　施工參數(shù)參數(shù)值樁型/mm?600@450噴嘴個(gè)數(shù)2噴嘴直徑/mm2.2～2.4射水壓力/MPa25～32泥漿壓力/MPa1.0～1.5空氣壓力/MPa0.3～0.7噴桿提升速度/(cm/min)15～20噴嘴旋噴速度/(r/min)10～20水灰比1∶1噴射流量/(L/min)50～100水泥用量/(kg/m)350搭接長度/mm150

2)全斷面注漿。加固范圍為暗挖隧道輪廓線內(nèi)及下部初期支護(hù)輪廓線外3 m，每循環(huán)縱向加固長度為9 m，開挖6 m，預(yù)留3 m作為下循環(huán)止?jié){巖盤。為了便于過程控制及保證加固效果，采用分段后退式注漿工藝，按照“多孔少注”的原則，漿液擴(kuò)散半徑為1.2 m，共計(jì)布設(shè)336個(gè)注漿孔，注漿材料采用P·O 42.5水泥，水灰比為0.8∶1～1∶1，注漿壓力為0.3～0.6 MPa。全斷面注漿布置見圖4。

圖4　全斷面注漿布置情況 (單位： mm)

2.1.2加固施工過程控制

水平旋噴樁施工過程中，巨大的噴射壓力導(dǎo)致箱涵結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了快速隆起現(xiàn)象，最大隆起量約27 mm。針對(duì)此現(xiàn)象，現(xiàn)場及時(shí)采取了以下措施來控制隆起： 1)降低水平旋噴壓力，從32 MPa降低至25 MPa； 2)在箱涵下方1 m處水平均勻布置1排泄壓孔，對(duì)水平旋噴加固土體進(jìn)行泄壓。現(xiàn)場實(shí)施后，箱涵隆起得到控制，隆起量不再增加，且出現(xiàn)了少量回落現(xiàn)象，說明處理措施得當(dāng)。同時(shí)，水平旋噴樁施工造成的箱涵隆起為后期隧道施工引起的箱涵沉降提供了緩沖，一定程度上降低了換乘通道暗挖施工對(duì)周邊環(huán)境的影響。

2.1.3加固效果評(píng)價(jià)

暗挖隧道土體加固施工從2016年10月2日開始，到2016年11月12日結(jié)束，共施工水平旋噴樁224根，施工完成后的成樁效果見圖5。選取9根水平旋噴樁進(jìn)行鉆孔取芯，并將芯樣送檢，進(jìn)行樁身強(qiáng)度、樁身完整性、樁長和樁底沉渣檢測，芯樣情況見圖6。檢測結(jié)果顯示，單個(gè)芯樣抗壓強(qiáng)度范圍為3.8～9.2 MPa(設(shè)計(jì)強(qiáng)度為4 MPa)，芯樣呈短柱狀、碎塊狀、塊狀，膠結(jié)良好。

圖5　水平旋噴樁成樁效果

圖6　現(xiàn)場水平旋噴樁鉆孔芯

水平旋噴樁施工完成2 d后，進(jìn)行全斷面注漿加固施工，結(jié)果顯示后期芯樣較完整，可知全斷面帷幕注漿加固對(duì)水平旋噴樁的影響較小。由現(xiàn)場加固情況和取芯送檢結(jié)果分析，暗挖隧道土體加固效果較好，加固完成后，圍巖自穩(wěn)能力有較大的提高，隧道開挖風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步降低。

2.2　暗挖隧道開挖和初期支護(hù)

暗挖矩形隧道開挖和初期支護(hù)以“化整為零、減小一次開挖跨徑，及時(shí)形成封閉體系”為原則，上部以中導(dǎo)洞先行，左右導(dǎo)洞以安全距離緊跟，將下部加固體作為承載基礎(chǔ)，利用鋼架和鎖腳錨管及時(shí)形成臨時(shí)封閉體系，控制箱涵和隧道初期支護(hù)的變形； 下部施工同樣以中導(dǎo)洞先行，左右導(dǎo)洞以安全距離緊跟，及時(shí)形成永久封閉體系。初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)見表2，初期支護(hù)的結(jié)構(gòu)及導(dǎo)洞施工順序見圖7。

表2　初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3　暗挖隧道結(jié)構(gòu)施工

暗挖隧道結(jié)構(gòu)施工總體思路： 保留部分臨時(shí)支撐，對(duì)其進(jìn)行有效的防水處理后進(jìn)行二次襯砌施工，控制體系轉(zhuǎn)換造成的箱涵及隧道初期支護(hù)變形。結(jié)構(gòu)底板一次澆筑成型，分2段(每段8 m)拆除臨時(shí)橫向支撐，施工側(cè)墻結(jié)構(gòu)，最后施工頂板結(jié)構(gòu)，待結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，拆除臨時(shí)豎向支撐，側(cè)墻處設(shè)置2道水平向施工縫，沿結(jié)構(gòu)縱向設(shè)置1道環(huán)向施工縫。結(jié)構(gòu)施工示意圖見圖8。

圖7　初期支護(hù)結(jié)構(gòu)及開挖工序圖 (單位： mm)

Fig. 7Structure of primary support and process of excavation (unit: mm)

圖8結(jié)構(gòu)施工示意圖(單位： mm)

Fig. 8Sketch of structure construction (unit: mm)

2.3.1底板施工

暗挖隧道底板結(jié)構(gòu)一次性施工。首先破除豎向臨時(shí)中隔墻底板高度范圍的混凝土，然后焊接法蘭盤，鋪設(shè)防水卷材，綁扎底板及水平施工縫上部50 cm范圍內(nèi)的鋼筋，最后澆筑混凝土。

2.3.2第1段結(jié)構(gòu)施工

結(jié)構(gòu)施工流程如圖9所示。頂板澆筑采用附著式振搗器，底部布設(shè)6個(gè)附著式振搗器，邊澆筑邊振搗，使混凝土振搗密實(shí)。

第1段結(jié)構(gòu)施工過程中上方箱涵結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定，但現(xiàn)場仍存在一些問題： 1)支撐拆除過程中，少量豎向支撐中間對(duì)接位置未完全對(duì)齊，存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)場及時(shí)補(bǔ)焊架設(shè)了支撐結(jié)構(gòu)； 2)頂板混凝土澆筑先進(jìn)行水平澆筑，引起豎向澆筑口堵塞，豎向混凝土澆筑困難，現(xiàn)場通過加壓澆筑和后期補(bǔ)充注漿措施進(jìn)行處理。

圖9　結(jié)構(gòu)施工流程圖

2.3.3第2段結(jié)構(gòu)施工

第2段結(jié)構(gòu)施工一次性拆除兩側(cè)導(dǎo)洞的橫向支撐，保留中洞橫向支撐，相較于第1段結(jié)構(gòu)支撐的拆除方式，增強(qiáng)了抗失穩(wěn)能力。側(cè)墻和頂板防水鋪設(shè)、鋼筋綁扎和混凝土澆筑過程與第1段基本相同，頂板澆筑時(shí)先通過豎向澆筑口進(jìn)行混凝土澆筑，避免出現(xiàn)澆筑口堵塞的情況，順利完成了頂板澆筑工作。

3　監(jiān)測結(jié)果分析

依據(jù)設(shè)計(jì)要求，在施工過程中主要監(jiān)測項(xiàng)目及控制指標(biāo)見表3。

表3　監(jiān)測項(xiàng)目及控制指標(biāo)

3.1　箱涵沉降監(jiān)測分析

在雨水箱涵結(jié)構(gòu)上布置箱涵沉降監(jiān)測點(diǎn)，箱涵沉降監(jiān)測點(diǎn)位布置和各施工階段監(jiān)測結(jié)果見圖10和圖11。

JHGH01—JHGH09為監(jiān)測點(diǎn)編號(hào)。

圖10箱涵沉降監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)圖

Fig. 10Layout of settlement monitoring points on box culvert

圖11　暗挖隧道上方箱涵沉降曲線

由圖11可知，水平旋噴樁施工期間，暗挖隧道上方箱涵產(chǎn)生了約15～27 mm的隆起量，接近控制值，應(yīng)及時(shí)暫停施工并研究對(duì)策。通過設(shè)置泄壓孔和控制注漿壓力，隆起量得到有效控制并有少量回落，至全斷面注漿加固結(jié)束，箱涵沉降數(shù)值保持穩(wěn)定，最大隆起值約為25 mm。注漿加固結(jié)束后，受到漿液收縮等影響，開挖準(zhǔn)備階段至隧道開挖前，箱涵最大隆起量(JHGH02監(jiān)測點(diǎn)處)下降至約20 mm； 暗挖隧道開挖和初期支護(hù)施作期間，測點(diǎn)變化呈穩(wěn)定狀態(tài)，至初期支護(hù)施工完成，箱涵最大隆起量約為19 mm； 二次襯砌施工完成后，箱涵最終最大隆起值約為16 mm，在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。

3.2　拱頂沉降和周邊收斂監(jiān)測分析

暗挖隧道開挖時(shí)，自西向東每3 m設(shè)置1個(gè)監(jiān)測斷面，共設(shè)置5個(gè)監(jiān)測斷面，每個(gè)監(jiān)測斷面設(shè)置3個(gè)拱頂沉降測點(diǎn)和4個(gè)周邊收斂測點(diǎn)，如圖12所示。拱頂沉降和周邊收斂測點(diǎn)在二次襯砌施作前進(jìn)行拆除，其監(jiān)測結(jié)果見圖13和圖14。

由圖13和圖14可知，從隧道開挖到二次襯砌施工期間，隧道拱頂最大產(chǎn)生了6.8 mm的沉降，小于10 mm的控制值； 隧道初期支護(hù)周邊收斂最大值為6.2 mm，小于10 mm的控制值。根據(jù)總體監(jiān)測結(jié)果可以得出，水平旋噴樁施工引起箱涵產(chǎn)生較大的隆起變形，隧道暗挖過程中，圍巖穩(wěn)定、箱涵沉降變化較小，開挖引起的隧道拱頂沉降和周邊收斂均小于控制值，最終上方雨水箱涵在施工過程中變形未超過控制指標(biāo)，未出現(xiàn)漏水和開裂現(xiàn)象。以上結(jié)果說明，換乘通道暗挖隧道施工過程中采取的水平旋噴樁加固、全斷面帷幕注漿和開挖支護(hù)及二次襯砌施工措施是安全可靠的。

(a) 監(jiān)測斷面內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)圖

(b) 監(jiān)測斷面布設(shè)圖

SL和GD表示監(jiān)測點(diǎn)編號(hào)。

圖12拱頂沉降和周邊收斂監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)(單位： mm)

Fig. 12Layout of monitoring points for crown top settlement and surrounding convergence (unit: mm)

圖13　暗挖隧道拱頂沉降曲線

圖14　暗挖隧道周邊收斂曲線

4　結(jié)論與討論

本文通過介紹深圳某車站暗挖矩形換乘通道在軟弱淤泥層中密貼下穿雨水箱涵的施工控制技術(shù)，針對(duì)軟弱地層加固、初期支護(hù)及二次襯砌施工采取主動(dòng)控制措施，安全順利地完成了暗挖換乘通道的施工，箱涵和隧道變形均在控制范圍之內(nèi)，對(duì)后續(xù)隧道施工有一定的借鑒意義，并得出如下主要結(jié)論。

1)在軟弱淤泥層中密貼下穿雨水箱涵施工，采用水平旋噴樁和全斷面帷幕注漿超前加固軟弱土體和封水堵水，可以有效改良地層，提高地層整體剛度，減少施工對(duì)周邊環(huán)境的影響； 在水平旋噴樁加固過程中，采取降低旋噴壓力和設(shè)置泄壓孔的措施，可以有效減小箱涵的隆起。

2)矩形大斷面通道初期支護(hù)采用分步開挖，分上下、左中右6步施工，化整為零，減小了一次開挖跨徑； 二次襯砌結(jié)構(gòu)施工過程中采取了分段施工及中間臨時(shí)支撐不拆除,待二次襯砌混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后再拆除中間臨時(shí)支撐的措施，可以有效地控制地層應(yīng)力的釋放，保證了隧道施工及周邊環(huán)境的安全。

3)在本工程的旋噴樁施工過程中，箱涵隆起值較大，易引起箱涵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫、破壞或在接縫處由于不均勻變形引起滲漏水。后續(xù)類似工程注漿施工時(shí)建議優(yōu)化注漿材料，可優(yōu)先選取中(超)細(xì)水泥或者硫鋁酸鹽快硬水泥，它們均具有凝結(jié)時(shí)間可控、早期強(qiáng)度高、可注性好等特點(diǎn)，既能滿足富水條件下軟弱地層注漿加固效果要求，又便于控制，避免注漿引起鄰近建(構(gòu))筑物變形或開裂，雖然材料價(jià)格相對(duì)較高，但避免了建(構(gòu))筑物開裂引起的不良社會(huì)影響和高額的修復(fù)費(fèi)用。