復(fù)雜地質(zhì)條件下采用淺埋暗挖工藝施工的城市地下道路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

劉 泉

(中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司,天津 300000)

1 概 況

城市道路設(shè)計(jì)應(yīng)保證安全性及科學(xué)性,道路的合理設(shè)計(jì)可以有效紓解城市交通壓力、拓展城市空間、連接周邊地市進(jìn)而帶動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展。同時(shí),也應(yīng)該考慮施工過程中城市建筑的結(jié)構(gòu)安全、與環(huán)境的審美融合等綜合因素。根據(jù)復(fù)雜程度,地質(zhì)條件可以分為三種,即簡(jiǎn)單、中等及復(fù)雜,城市地下道路地形地貌類型復(fù)雜,巖土體工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件較差,其復(fù)雜程度一般可達(dá)到中等程度,一些沿海地區(qū)甚至可達(dá)到復(fù)雜程度。因此,在復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行城市地下道路施工存在一定程度的困難。

2014年王仕傳等[1]分析地下通道淺埋暗挖法施工會(huì)導(dǎo)致地層變形和地表沉降,通用Abaqus數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),長管棚超前預(yù)支護(hù)能夠減小地層損失,控制路表沉降,并減小引起的路面結(jié)構(gòu)附加彎拉應(yīng)力。2016年鄭世佳等[2]研究隧道下穿城市道路實(shí)例,討論采用淺埋暗挖法設(shè)計(jì)隧道下穿城市道路,為類似工程提供設(shè)計(jì)思路。2022年劉石磊[3]采用Abaqus計(jì)算分析淺埋暗挖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖的受力變形規(guī)律,隧道開挖與實(shí)測(cè)值差距較小,證明該施工方法的安全性。劉宜全等[4]同時(shí)模擬淺埋暗挖法施工的加固變形,證明該方法能顯著提升圍巖的承載能力。在淺埋暗挖法地下施工過程中,楊帆[5]建立監(jiān)測(cè)變形網(wǎng),證明其在軟弱地質(zhì)施工中的優(yōu)越性。江慧元[6]結(jié)合淺埋暗挖法與小導(dǎo)管超前支護(hù)法,將其應(yīng)用在隧道施工中。

本依托項(xiàng)目場(chǎng)地內(nèi)填土層厚,下有軟弱土層,基坑開挖時(shí)易造成地面沉降。通過分析項(xiàng)目概況,采用淺埋暗挖施工技術(shù)較為適宜[7]。淺埋暗挖法類似挖掘地下室的施工方法,適用于軟弱底層的地下設(shè)計(jì)施工,符合本依托項(xiàng)目工程實(shí)際情況。

1.1 依托項(xiàng)目概況

海府路地下聯(lián)絡(luò)通道是深圳寶安中心區(qū)“濱海文化公園”項(xiàng)目的一部分,海府路大致走向與海岸線平行,二者間距在270 m左右。該路段全長921.1 m,地下通道進(jìn)口布置在路東側(cè),地下通道單向布置,設(shè)計(jì)行車時(shí)速20 km/h,按城市支路設(shè)計(jì),僅限通行小汽車。本項(xiàng)目主要采用明挖施工,淺埋暗挖有兩段,長度分別為12 m和18.1 m,之所以采用淺埋暗挖進(jìn)行施工,主要是為了下穿現(xiàn)狀雨水箱涵。

因此針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的道路設(shè)計(jì)要進(jìn)行全面勘探,根據(jù)巖土層勘測(cè)參數(shù)詳細(xì)分析巖土層實(shí)際情況,查明場(chǎng)地地質(zhì)構(gòu)造及可能影響施工的不良地質(zhì)作用,查清地下水位等現(xiàn)場(chǎng)情況。

1.2 巖土層的工程性質(zhì)評(píng)價(jià)

淺埋暗挖段的標(biāo)高上限高程為-3 m,下限高程為-12 m,主要含有淤泥、粉質(zhì)粘土及粘性砂礫土。

(1)淤泥:淤泥里的水的含量較高,淤泥的壓縮性能以及靈敏度也高,然而強(qiáng)度卻相對(duì)較低。在淤泥上進(jìn)行填土,從而加固淤泥,便可以改善并提升淤泥的物理力學(xué)性能。但改良后的淤泥性能仍不滿足要求,其固結(jié)能力不強(qiáng),屬于飽和軟土。若有荷載附加作用其上,加固的淤泥仍有沉降,導(dǎo)致固結(jié)沉降現(xiàn)象的發(fā)生。

(2)粉質(zhì)粘土:粉質(zhì)粘土層為全場(chǎng)地分布,該項(xiàng)目中粘土的顏色多為褐黃色和黃色,粉質(zhì)粘土具有可塑性。項(xiàng)目場(chǎng)地內(nèi)土層中的粘土存在局部摻雜,摻雜物為高嶺土團(tuán)塊,或是礫砂。

(3)含粘性土礫砂:均是乳白色和淺黃色,含粘性土砂礫的局部密實(shí)且飽和,砂礫的級(jí)配不良,但砂礫分選性好。

1.3 地層滲透性與地下水補(bǔ)給排泄

淺埋暗挖段存在豐富的地下孔隙水,與海水間存在相應(yīng)的水力聯(lián)系。素填土(填石)層為中-強(qiáng)透水層,含粘性土礫砂層屬強(qiáng)透水層,主要接受南側(cè)海水及北側(cè)地下水補(bǔ)給,排泄方式主要以蒸發(fā)、徑流為主,水質(zhì)分析結(jié)果表明地下水中C1-含量偏高,說明地下水與海水尚有水力聯(lián)系。場(chǎng)地地下水水位受大氣降水及地形控制,整體由北向南往大海方向排泄。

2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)要素分析

(1)要確保排水箱涵在地下道路施工時(shí)能正常運(yùn)營,避免淺埋暗挖段的施工時(shí)箱涵出現(xiàn)下沉或者結(jié)構(gòu)破壞的情況;(2)預(yù)加固處理也要及時(shí)進(jìn)行;(3)含粘性土砂礫的透水系數(shù)k=15 m/d,該巖土層具有中-強(qiáng)透水層,該種強(qiáng)度的透水性對(duì)淺埋暗挖施工是非常不利的,需要對(duì)本巖土層進(jìn)行以阻水為主要目的的輔助措施。

3 輔助措施

3.1 地面預(yù)加固

隧道洞身頂部位于淤泥質(zhì)土層中,中部處在粉質(zhì)粘土層,底部則為砂礫層,地質(zhì)條件對(duì)暗挖施工影響極為不利,因此需采用地面預(yù)加固[8]。需要考慮各方面因素,綜合分析地質(zhì)特點(diǎn)、施工的工期、加固的效果、工程造價(jià)等因素,暗挖區(qū)段內(nèi)地層采用旋噴樁進(jìn)行改良及加固,并確定旋噴樁的平面布置形式及其加固深度。加固平面布置方式為沿暗挖初支邊線3 m及進(jìn)出洞口位置處布置3排,旋噴樁樁徑600 mm,咬合200 mm。最終確定從箱涵開山石基礎(chǔ)底開始加固垂直旋噴樁,長度為5 m,透隧道底板,平均加固深度約13.2 m。

(1)旋噴樁初擬施工參數(shù)主要為:P·O 42.5型號(hào)的普通硅酸鹽水泥≥280 kg/m3,水泥的水灰比為1∶1,提升速度為10～25 cm/min,填石層須復(fù)噴。

(2)二重管法進(jìn)行高壓噴射注漿,高壓噴射的壓力應(yīng)>20 MPa,低壓噴射的壓力宜>1.0 MPa,氣流壓力宜取0.7 MPa。

(3)水泥注漿可加入適量的外加劑,相對(duì)密度保持在1.5～1.6之間,返漿相對(duì)密度保持在1.2～1.3之間。

(4)施工結(jié)束后的14 d,進(jìn)行開鉆孔取芯檢驗(yàn);鉆孔取芯點(diǎn)數(shù)量與總樁數(shù)(孔數(shù))的比例不得少于0.5%,且不宜少于3個(gè)點(diǎn)。試驗(yàn)中采取的芯樣直徑應(yīng)>80 mm,應(yīng)對(duì)芯樣依次進(jìn)行抗壓強(qiáng)度>1 MPa的單軸極限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),及滲透系數(shù)≤10-6cm/s的室內(nèi)滲透試驗(yàn)。

(5)檢驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)布置在下列部位:旋噴樁中心線上、有代表性的樁位、施工中存在異常現(xiàn)象的部位。

(6)旋噴樁的鉆孔在試驗(yàn)后應(yīng)立即用水泥漿或水泥砂漿填充。

3.2 全斷面注漿

采用全斷面注漿的加固方式[9,10]。加固范圍從上為開挖面頂開始,下至箱涵片石基礎(chǔ)底為止。側(cè)向從開挖線外3 m開始,縱向?yàn)橄浜撞繀^(qū)域。

(1)長注漿與短注漿管相結(jié)合,采用后退式分段的注漿方式。

(2)注漿漿液采用雙液漿,水泥及水玻璃混合配比(體積比)為1∶1;水泥強(qiáng)度等級(jí)為32.5 MPa的普通硅酸鹽水泥;水玻璃模數(shù)2.6～3.0,水玻璃濃度為30～40 Be。初始注漿壓力0.2～0.4 MPa,穩(wěn)定壓力0.8～1.0 MPa。達(dá)到最終壓力后,繼續(xù)注漿,時(shí)間大于10 min,同時(shí)保證漿液擴(kuò)散半徑應(yīng)≥1 m。

(3)加固前,進(jìn)行預(yù)先試驗(yàn),以確定注漿各項(xiàng)參數(shù)。

(4)鉆孔檢查和紅外線探測(cè)應(yīng)在每循環(huán)注漿結(jié)束后及時(shí)進(jìn)行。

(5)注漿過程中的記錄內(nèi)容包括:注漿壓力、注漿量、凝膠時(shí)間,監(jiān)測(cè)掌子面及附近支護(hù)狀況,根據(jù)勘探報(bào)告中場(chǎng)地內(nèi)的地質(zhì)變化情況及注漿現(xiàn)狀,調(diào)整注漿參數(shù)。

(6)注漿后效果檢查和評(píng)定項(xiàng)目包括:注漿壓力、注漿量的變化、注漿后強(qiáng)度、孔內(nèi)涌水量以及加固體強(qiáng)度是否符合設(shè)計(jì),且滿足施工要求。

(7)施工單位應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況適當(dāng)調(diào)整避開管線及其他建筑物。

(8)在施工下一循環(huán)的注漿之前,需要對(duì)止?jié){墻表面噴射≥200 mm的C25混凝土進(jìn)行封閉。

(9)帷幕注漿的鉆孔以及注漿管的位置必須避開大管棚及拱部的超前小導(dǎo)管位置。

3.3 超前長管棚

隧道下穿存在現(xiàn)狀雨水箱涵,因此項(xiàng)目施工時(shí),應(yīng)嚴(yán)格控制地面沉降,故設(shè)計(jì)時(shí)布設(shè)長管棚,采用鉆孔跟進(jìn)法打入技術(shù)。管棚管徑為108 mm,環(huán)向間距30 cm,對(duì)管棚進(jìn)行注漿處理。

(1)鋼管采用壁厚為6 mm的前端為錐狀的熱軋無縫鋼壁,主要節(jié)長分別為2 m或4 m。

(2)施工時(shí)最大徑向誤差為200 mm,相鄰鋼 管方向最大誤差為100 mm。

(3)設(shè)置導(dǎo)向墻,墻中預(yù)埋φ127鋼筋,壁厚6 mm,長1.7 m管棚導(dǎo)向管。

(4)鋼管接頭采用絲扣連接,絲扣螺紋段長>150 mm。相鄰的接頭錯(cuò)開≥1.0 m連接,鋼花管上開口,布置成梅花型,開孔直徑φ10 mm,孔間距150 mm,尾部2 m用作止?jié){段。

(5)大管棚由暗挖段一端搭設(shè)。

(6)防護(hù)工程包括:導(dǎo)向墻施工、管棚導(dǎo)向管預(yù)埋及工作平臺(tái)平整工程。管棚導(dǎo)向管應(yīng)按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行鉆孔,鉆機(jī)立軸方向必須準(zhǔn)確控制,精準(zhǔn)定位。管棚鉆進(jìn)過程中應(yīng)采用水平測(cè)斜儀量測(cè)并監(jiān)測(cè)管棚的偏斜度,一旦發(fā)生偏斜值超出設(shè)計(jì)要求時(shí),應(yīng)及時(shí)糾偏。管棚經(jīng)過區(qū)域主要為夯填碎石與圍護(hù)樁,采用鉆孔跟進(jìn)工藝,嚴(yán)格控制角度。

(7)大管棚注漿的灌注漿液P·O 42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥,水灰比為1∶0.38～1∶0.45,砂灰比宜為1∶1～1∶2(重量比)。注漿壓力:初始?jí)毫?.5～1.0 MPa,終止壓力為1.0～1.5 MPa。

3.4 超前小導(dǎo)管

超前小導(dǎo)管是一種支撐輔助開挖的施工方式,在軟弱巖層、地下水豐富的場(chǎng)地施工優(yōu)點(diǎn)突出,因此該施工技術(shù)被普遍采用。但注漿量及注漿種類對(duì)工程影響差別很大,因此要嚴(yán)格控制工藝流程避免工程質(zhì)量缺陷。超前小導(dǎo)管具體施工工藝如下。

(1)超前小導(dǎo)管的參數(shù)設(shè)計(jì):φ42 mm,長3 m,壁厚為3.5 mm,搭接小導(dǎo)管長度至少1 m,環(huán)向間距30 cm,間隔1 m逐根施工。施工時(shí),鋼管布置應(yīng)平行于襯砌中線,并以設(shè)計(jì)仰角打入拱部圍巖。

(2)漿液特性:采用注漿材料為水泥-水玻璃漿液,雙液注漿的止水效果更佳。注漿參數(shù)建議如下。

①泥漿水灰比:0.5∶1～1∶1。

②水玻璃濃度:35 e;模數(shù):2.4;摻量為水泥用量的5%。

③注漿壓力:0.5～1.0 MPa。

(3)分階段注漿,保證注漿壓力是不是緩慢升高,升高至設(shè)計(jì)的最終壓力后,持續(xù)注漿時(shí)間是不是>10 min,當(dāng)前注入量與設(shè)計(jì)注入量大致接近時(shí),此時(shí)注漿結(jié)束時(shí)的進(jìn)漿量控制在20～30 L/min以下。

(4)超前小導(dǎo)管可以從型鋼鋼拱架腹部穿過,或者焊接于鋼拱架上部,從而與鋼拱架連接成整體。

同時(shí),為避免施工過程中發(fā)生事故,應(yīng)在施工前對(duì)導(dǎo)管進(jìn)行密封性連接測(cè)試避免進(jìn)水,若灌注漿液時(shí)發(fā)現(xiàn)漏液應(yīng)及時(shí)提出導(dǎo)管并更換。導(dǎo)管在插入混凝土?xí)r應(yīng)邊灌注邊振動(dòng)導(dǎo)管,密切觀察灌注情況。

4 施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證

自2020年3月13日開始至2020年6月30日結(jié)束,監(jiān)測(cè)單位對(duì)海府路淺埋暗挖段進(jìn)行了全過程監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的累計(jì)變化范圍:地表沉降監(jiān)測(cè)為5.7～11.7 mm;土層壓力為-179.72～-36.46 kPa;鋼筋內(nèi)力為-68.45～-38.72 kN;水平收斂為4.24～21.2 mm;拱頂下沉為2.2～5.7 mm;底板隆起為0.1～2.9 mm。詳見表1和表2。

表1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表

表2 監(jiān)控量測(cè)安全值 單位:mm

表1監(jiān)測(cè)成果表出自寶安海濱文化公園海府路淺埋暗挖工程變形監(jiān)測(cè)報(bào)告。

通過表1和表2中數(shù)據(jù)的對(duì)比可以看出,所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均處于合理的范圍內(nèi),進(jìn)而可以得出結(jié)論,設(shè)計(jì)中采用的所有輔助措施都是有效的。

5 結(jié) 論

針對(duì)深圳下穿道路的實(shí)際情況,為滿足施工要求,進(jìn)行地面預(yù)加固改善土層強(qiáng)度,達(dá)到了安全施工的目的。提出采用全斷面注漿方式,并通過施工前預(yù)試驗(yàn)驗(yàn)證漿液配合比的合理性,現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣強(qiáng)度及滲透系數(shù)的結(jié)果均滿足規(guī)范要求。此外,現(xiàn)場(chǎng)開挖掌子面基本無滴水情況,周圍圍巖完整度較好。排水箱涵在地下道路施工時(shí)始終保持正常運(yùn)營,淺埋暗挖段的施工時(shí)箱涵未出現(xiàn)下沉或者結(jié)構(gòu)破壞的情況。

該地下城市道路項(xiàng)目目前已完成施工,施工過程中監(jiān)測(cè)地表沉降變化<0.3 mm,累計(jì)變化范圍處于5.7～11.7 mm,<30 mm;地板隆起本期變化<0.2 mm,累計(jì)變化范圍在0.1～2.9 mm之間,<10 mm,均在施工安全值范圍內(nèi)。由此得出,復(fù)雜地質(zhì)條件下采用淺埋暗挖工藝施工高效適宜,項(xiàng)目設(shè)計(jì)科學(xué)合理,為今后復(fù)雜地質(zhì)條件下的道路設(shè)計(jì)提供參照。