暗挖通道下穿立交橋地層加固施工關鍵技術及監測分析*

邢雨蒙

(中鐵十八局集團第三工程有限公司,河北 涿州 072750)

0 引言

隨著城市化進程的不斷推進,地下交通工程的規模和數量不斷增加,其中地鐵系統作為一種高效的交通方式,在城市交通體系中扮演著愈發重要的角色[1]。然而,地鐵車站建設往往面臨著復雜的施工環境,例如與地面交通結構的交叉影響、地下空間挖掘與交通運營協調等[2]。其中地鐵車站暗挖通道下穿立交橋便屬于復雜的施工工況[3],不僅涉及地下結構建設,更需要兼顧地面交通結構,以確保城市交通體系的持續運行。為保障相關工程的順利實施,需要采取全面、高效而可靠的地層加固技術,這對下穿隧道施工時確保既有建筑物的安全具有重要意義。

此外,監測技術在地鐵車站施工中具有不可或缺的重要性[4-5]。通過實時監測地下結構變化、地面沉降、環境影響等關鍵參數,監測技術確保了施工過程中的安全、高質量和環保[6]。其在工程質量控制、施工進度管控、安全保障、環境保護以及對地面交通結構的交叉影響防控等方面發揮著關鍵作用,為地鐵車站建設提供科學的決策支持,促進了城市地下交通系統的可持續發展。

針對濟南地鐵4號線某車站暗挖通道下穿立交橋的工程案例,分析了工程面臨的主要風險,提出了超前深孔注漿地層加固技術,對地表沉降、工程結構變形及周邊建筑沉降等重點監測項目的監測數據進行了分析,為相關工程提供參考。

1 工程概況

1.1 項目概況

濟南市軌道交通4號線一期工程07工區燕山立交橋東站位于經十路與燕山立交橋交叉口東側,沿經十路東西向設置,車站位于經十路北側輔路和綠化帶上。其中D出入口位于車站南側,下穿經十路后,從經十路南側地塊內頂出,具體位置如圖1所示。

圖1 工程位置Fig.1 Project location

下穿經十路段為暗挖段,采用礦山法,自明挖段向車站主體方向始發施工,暗挖標準段結構形式為直墻起拱結構,凈寬為8m,凈高為4.35m。周邊建(構)筑物燕山立交橋E匝道38號墩位于D出入口西側,最近處距離暗挖橫通道約5.82m;39號墩位于D出入口東側,最近處距離暗挖橫通道約6.23m,相對位置如圖2所示。

圖2 相對位置剖面Fig.2 Profile of relative position

1.2 主要施工風險及監測重難點

基于暗挖通道自身施工特點及周圍環境因素,其主要存在的工程風險如表1所示。這些風險因素導致施工監測存在一定困難,因此設計可靠的監測方案至關重要,具體監測重難點如下。

表1 風險源分析Table 1 Risk source analysis

1)淺埋隧道監測

采用CD法施工,對隧道的支護結構及隧道周邊重要的地下、地面建(構)筑物、地面道路等實施監測,為施工提供及時、可靠的信息,確保隧道支護結構和周邊環境的安全。

2)外業作業難度大

工程下穿經十路,大部分監測點位于經十路上,經十路車流量較大,車速較快,給監測工作的實施及監測人員的安全帶來影響,如何減少環璄對監測數據的干擾,保證監測人員的安全是難點。

2 超前深孔注漿施工技術

通道結構范圍部分位于斷層破碎帶,圍巖受地質構造作用影響極嚴重,需采取必要措施進行地層加固,使用“長、短結合注漿”方法保障圍巖具有足夠的承載力,即:首先進行長管全斷面超前預注漿,長管注漿結束后進行短管補充注漿,以固結圍巖,同時起到支護作用,鉆孔內外圈按梅花形排列,如圖3所示,同時洞內采取拱部斷面帷幕注漿進行保護。

圖3 長短管注漿孔布置Fig.3 Layout of long and short pipe grouting holes

2.1 工藝流程與技術參數

長短管深孔注漿工藝流程如圖4所示。

圖4 長短管注漿孔工藝流程Fig.4 Process flow of long and short pipe grouting holes

2.1.1長管注漿參數

1)注漿加固范圍 暗挖通道斷面加固至開挖輪廓線外2m,內1m,距離管線外壁≥0.5m。

2)止漿墻厚0.5m。

3)注漿孔采用平行鉆孔定位布設,孔距0.8m,行距0.4m,漿液擴散半徑0.7m。

4)注漿終壓0.2MPa,持續20min,吸漿量很少或不吸漿時,可結束本孔注漿。該結束標準為參考值,實際結束標準應通過現場試驗最后確定,注漿分段長0.6m。

2.1.2短管注漿參數

注漿范圍為開挖輪廓線外2m至輪廓線內1m,并距離管線外壁≥0.5m,擴散半徑0.3～0.5m,注漿終壓≤0.2MPa。

2.2 主要施工方法

1)施工準備

注漿材料采用單液水泥漿,長管采用PC塑料單向閥管和PRC或PBH雙向密封注漿芯管,L=12m,短管用φ42,L=4m/6m,t=3.5mm鋼花管。根據現場場地情況及鉆孔和注漿要求,選擇的機械設備有鉆機、注漿泵、制漿攪拌機、儲料攪拌機及逆止閥等。

2)定孔位

長管注漿孔采用平行鉆孔定位布設,孔距0.8m,行距0.4m。長管打設角度6°～8°,短管打設角度20°～30°,以保證加固厚度為原則適當調整。根據設計要求,對準孔位,不同入射角鉆進。要求孔位偏差為±3cm,入射角偏差≤1°。

3)鉆機成孔

鉆機按指定位置就位,調整鉆桿的垂直度,對準孔位后,鉆機不得移位,也不得隨意起降。第1孔施工時,要慢速運轉,掌握地層對鉆機的影響情況,以確定在該地層條件下的鉆進參數。每鉆進一段,檢查一段,及時糾偏,孔底位置偏差<3cm。鉆孔和注漿順序由外向內,先做外環注漿形成帷幕后,再進行內環孔注漿加固圍巖,同一圈孔間隔施工。

4)長管注漿

長管注漿采用后退式分段注漿。將帶有花管和止漿塞的注漿芯管先插入注漿管孔底,接上注漿管路,向孔內注漿(1.6～1.2m/次),第1段注漿完成后,將芯管后退,進行第2段注漿,如此下去,直到完成整個注漿段。注漿終壓0.2MPa,持續20min,吸漿量很少或不吸漿時,可結束本孔注漿。該結束標準為參考值,實際結束標準應通過現場試驗最后確定,注漿分段長0.6m。

分段后退式注漿要特別注意花管兩端的止漿塞,如果發現止漿塞損壞,應立即更換,以免引起注漿管堵塞,芯管無法拔出。

5)短管注漿

長管注漿結束后進行短管補充注漿,以固結圍巖,同時起到支護作用。短管用φ42,L=4m/6m,t=3.5mm鋼管加工焊接制作,注漿管前端加工成圓錐狀并封死,管尾采用兩道φ6mm的圓形鋼筋焊箍。注漿擴散半徑0.3～0.5m,注漿終壓≤0.2MPa。

2.3 施工要求及注意事項

1)作業順序為先外圈、后內圈,間隔鉆孔注漿,并注意不要將漿液溢出地表,施工時可根據實際情況調整。

2)注漿段的注漿孔全部注完后,在工作面鉆2～3個檢查孔并取巖芯,觀察漿液填充情況,要求注漿加固后土體滲透系數達到0.01m/d量級,粘結力≥50kPa。

3)開挖前應檢查掌子面土體加固強度,不得低于0.5MPa。

4)長短管的注漿壓力、注漿量及配合比應根據現場試驗進行調整,注漿壓力不宜過大。斷面注漿范圍可根據實際地質情況進行相應調整。

3 監測控制及分析

3.1 危險源監控方案

針對工程環境特點及主要危險源,制定詳細的監測方案,加強對工程結構變形、地表沉降、下穿管線沉降及周邊建(構)筑物沉降的監測,對監測數據及時分析處理、預測與反饋,用以指導施工。具體監測項目及控制標準如表2所示。

表2 監測控制值Table 2 Monitoring control value

3.2 監控預警

通過對監測數據的控制和預警能夠確保施工安全,提高工程質量,有助于及時糾正潛在問題。同時,監測數據的應用在施工進度管控及與地面交通結構交叉影響的預防等方面,充當著不可或缺的決策工具,對促進工程的順利進行和城市交通系統的可持續發展有著重要意義。基于此,結合相關監測項目控制界限值對比監測結果對其進行數據預警判斷,具體判別標準如下。

1)黃色監測預警 累計變形值、變形速率實測值均達到相應監測對象及項目控制值的70%(含)以上或兩者之一達到控制值85%(含)以上,此時施工安全風險狀態評價為存在風險。

2)橙色監測預警 累計變形值、變形速率實測值均達到相應監測對象及項目控制值的85%(含)以上或兩者之一達到控制值(含)以上,此時施工安全風險狀態評價為存在較高風險,嚴重程度或影響范圍較小。

3)紅色監測預警 累計變形值、變形速率實測值均達到相應監測對象及項目的控制值(含)以上,或兩者之一超過控制值(含),且實測數據持續未收斂,此時施工安全風險狀態評價為存在較高風險,嚴重程度或影響范圍大。

3.3 實測數據分析

根據監測技術方案及控制指標,對濟南地鐵4號線燕山立交橋東站暗挖通道下穿立交橋的監測結果進行分析。

1)地表沉降

4個斷面的地表沉降累計變化曲線如圖5所示,每個斷面設置7個監測點。由圖5可知,該時間段內最大累計變形絕對值為9.87mm,為控制值的32.9%;最大變形速率為0.82mm/d,為控制值的41%,說明該施工階段安全風險狀態良好,對地表沉降影響較小。

圖5 地表沉降累計變化曲線Fig.5 Cumulative change curve of land surface settlement

2)地下管線沉降

3個斷面的地下管線沉降累計變化曲線如圖6所示,每個斷面設置5個監測點。由圖6可知,該時間段內最大累計變形絕對值為9.83mm,為控制值的49.15%;最大變形速率為0.86mm/d,為控制值的43%,說明該施工階段安全風險狀態良好,對地下管線沉降影響較小。

圖6 管線沉降累計變化曲線Fig.6 Cumulative change curve of pipeline settlement

3)建(構)筑物沉降

燕山立交橋38號和39號橋墩沉降累計變化曲線如圖7所示,每個橋墩設置4個監測點。由圖7可知,該時間段內最大累計變形絕對值為5.73mm,為控制值的57.3%;最大變形速率為1.78mm/d,為控制值的89%,說明該施工階段安全風險為黃色預警狀態,需要采取補償注漿或控制掘進速度等措施進行周邊建(構)筑物沉降控制。

圖7 建筑物沉降累計變化曲線Fig.7 Cumulative change curve of building settlement

4)凈空收斂

4個斷面的隧道管片凈空收斂累計變化曲線如圖8所示,每個斷面設置2個監測點。由圖8可知,該時間段內最大累計變形絕對值為7.5mm,為控制值的37.5%;最大變形速率為0.6mm/d,為控制值的60%,說明該施工階段安全風險狀態良好,對隧道管片凈空收斂影響較小。

圖8 凈空收斂累計變化曲線Fig.8 Cumulative change curve of headroom convergence

5)拱頂沉降

4個斷面的隧道拱頂沉降累計變化曲線如圖9所示。由圖9可知,該時間段內最大累計變形絕對值為5.9mm,為控制值的19.7%;最大變形速率為0.5mm/d,為控制值的25%,說明該施工階段安全風險狀態良好,對隧道拱頂下沉影響較小。

圖9 拱頂沉降累計變化曲線Fig.9 Cumulative change curve of arch roof settlement

3.4 應急預案

工程出現緊急情況或監測數據超過預警值時,應采取如下應急措施實施工程應急監測工作。

1)組建應急監測工作小組,啟動監測應急預案,向主管部門報告現場情況。

2)增加監測人員和監測儀器設備。一般將根據現場情況,配備2組以上監測人員,并為現場監測提供多套監測儀器,以保證現場監測工作的需要。

3)增加監測對象或項目、監測點和監測頻率。

4)做好緊急情況或監測數據超過預警值時工程現場的各種文字、影像記錄。

4 結語

本文針對地鐵車站暗挖通道下穿立交橋這一復雜工況,依托實際工程案例,分析工程重難點,提出了監測實施技術方案,并將工程結構變形、地表沉降、下穿管線沉降及周邊建(構)筑物沉降等監測數據與控制界限值進行對比,做出預警判斷分析,并提出應急預案。相關研究成果能夠為類似地下工程施工提供有效參考,具有重要的實際意義。