摘要: 針對(duì)深圳大—科區(qū)間隧道軟弱富水的地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)斷面變化多樣以及復(fù)雜而嚴(yán)格的邊界限制等特點(diǎn), 全面地闡述了大—科區(qū)間非降水施工的關(guān)鍵技術(shù)以及在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、監(jiān)測(cè)、離心模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析指導(dǎo)下所采取的對(duì)策措施, 并反映了實(shí)際工程所取得的良好施工效果。
關(guān)鍵詞: 區(qū)間隧道; 暗挖; 非降水; 施工技術(shù)
1 工程概況
1.1 設(shè)計(jì)概況
深圳地鐵大劇院—科學(xué)館站區(qū)間隧道, 埋于深南中路解放路口至上步路段地面下10～ 19m , 設(shè)計(jì)長(zhǎng)1144.7m 。分左右兩條單線隧道, 標(biāo)準(zhǔn)地段線間距為13.2～17.2m , 基本與地面道路中線對(duì)稱。區(qū)間隧道內(nèi)設(shè)2 號(hào)線聯(lián)絡(luò)線預(yù)留接口一處, 縮短單渡線一處, 設(shè)計(jì)斷面變化多樣, 除單線段為單孔圓形斷面外, 聯(lián)絡(luò)線預(yù)留接口和單渡線設(shè)計(jì)有單孔雙線、雙孔雙線、三孔三線斷面, 其開(kāi)挖最大寬度分別為12.9m 、12.6m 和20.0m , 隧道接口型式多, 工法轉(zhuǎn)換頻繁。區(qū)間隧道原設(shè)計(jì)為2 座豎井, 后因工期需要增設(shè)一座3 號(hào)豎井, 豎井通過(guò)橫通道與正線相連。
1.2 工程及水文地質(zhì)條件
隧道范圍內(nèi)上覆第四系全新統(tǒng)人工堆積層、海沖積層和第四系殘積層, 下伏燕山期花崗巖。洞身主要
穿越殘積層和風(fēng)化花崗巖。有三處含水豐富的砂層位于隧道上部, 部分侵入隧道斷面, 層厚度2～10m 不等, 長(zhǎng)度近700m , 占隧道全長(zhǎng)達(dá)2/3 。有一處流塑狀飽和粘土層侵入隧道斷面內(nèi), 如圖1 所示。
本區(qū)間地下水為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水, 主要補(bǔ)給為大氣降水。根據(jù)勘測(cè), 地下水埋深1.93～ 5.73m 。水位高程0.5～7.5m , 水位變幅0.5～2.0m 。隧道東端(靠近大劇院站地段) 北側(cè)的荔枝湖與本區(qū)間地下水存在水力聯(lián)系。
1.3 地面和交通條件
本區(qū)段為交通主干道和商住區(qū)。地面交通繁忙, 車行如梭; 地下管線密集, 縱橫交錯(cuò); 道路兩側(cè)大廈林立, 花紅草綠, 環(huán)境優(yōu)美。途經(jīng)市委、市政府, 是深圳市政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心地帶。
2 技術(shù)特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)
隧道穿越的第四系殘積層和全(強(qiáng)) 風(fēng)化花崗巖, 含水量豐富。除因南國(guó)多雨, 補(bǔ)給充沛外, 并與荔枝湖水系相連, 潺潺水流供給不斷。據(jù)測(cè), 1 # 豎
圖1 大劇院—科學(xué)館區(qū)間隧道不良地質(zhì)分布剖面圖
井24 小時(shí)抽水量達(dá)410t 以上。此外, 地面由原溝谷成, 西南交通大學(xué)、中鐵四局集團(tuán)公司、鐵道第四勘山地回填而成, 局部水囊空洞, 還有地質(zhì)鉆孔, 人工測(cè)設(shè)計(jì)院聯(lián)合成立了科研技術(shù)攻關(guān)小組, 在現(xiàn)場(chǎng)試洞穴, 更給暗挖施工留下層層隱患, 危機(jī)四伏。驗(yàn)、監(jiān)控、室內(nèi)離心模型試驗(yàn)、三維數(shù)值仿真分析等由于本標(biāo)段地面交通繁忙, 環(huán)境優(yōu)美, 不容許在多種手段綜合應(yīng)用情況下, 取得了較好的施工效果, 地面采取任何工程措施。這些邊界條件界定了本工程多項(xiàng)施工指標(biāo)達(dá)優(yōu)。的技術(shù)特點(diǎn)是: 在補(bǔ)給充分的富含水地層(砂層、流塑狀粘土層) 采取非降水的技術(shù)措施進(jìn)行暗挖隧道施
3 超前預(yù)加固施工技術(shù)研究工, 特別是渡線段的大斷面暗挖施工。其需要解決的主要關(guān)鍵技術(shù)是:
3.1 方案比選與特征
(1) 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì);(2) 超前預(yù)加固和防水; (3) 復(fù)雜斷面隧道暗挖施工洞內(nèi)超前預(yù)加固的目的是改善圍巖土體物理力學(xué)工法研究; (4) 軟弱地層暗挖隧道施工控制地面下沉性能和止水防涌, 以保證施工安全, 減小地面下沉。技術(shù)(特別是在穿越特殊管線時(shí)) 。
在現(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 比選了三種樁體加固方鑒于本工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性、結(jié)構(gòu)端面型式的案。(1) 水平旋噴樁加固; (2) 間隔水平攪拌樁與水多樣性、施工工藝難度極大、周圍環(huán)境限制條件十分平旋噴樁加固; (3) 水平旋噴2化學(xué)灌漿加固。如圖2 嚴(yán)格, 深圳市地鐵總公司把本標(biāo)段工程列為深圳市地所示。其優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表1 。鐵工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)工程。為了保證工程得以順利完
圖2 洞內(nèi)超前預(yù)加固方案示意圖
表1 超前預(yù)加固方案比較表
圖3 拱部土體水平旋噴加固示意圖
經(jīng)在1# 豎井橫通道中組織的幾次試驗(yàn)效果綜合分析比較, 確定采用第一方案。其主要特征是: 仰角為5°的洞內(nèi)水平旋噴樁超前預(yù)加固形成拱棚。開(kāi)挖掘進(jìn)時(shí), 用<42 小導(dǎo)管注漿補(bǔ)充加固和止漏。
3.2 水平旋噴樁超前預(yù)加固
3.2.1 拱部土體加固
水平旋噴樁在洞內(nèi)以5°的仰角鉆進(jìn)旋噴成樁, 因始端侵入隧道開(kāi)挖斷面, 故在前端3.5m 范圍內(nèi)不注漿, 旋噴加固體搭接長(zhǎng)1.7m 。每一循環(huán)鉆孔15m , 旋噴長(zhǎng)度11.5m , 開(kāi)挖掘進(jìn)10m (開(kāi)挖時(shí)小導(dǎo)管注漿補(bǔ)充填塞樁間的空隙), 如圖3 所示。
3.2.2 掌子面加固防涌坍
處于流塑狀粘土層地段, 掌子面緩慢順淌而下引起拱部下沉和仰拱開(kāi)挖困難。施以旋噴樁拱密和加固, 取得了很好的效果(如圖4 所示) 。
圖4 掌子面水平旋噴加固拱密示意圖
3.2.3 邊墻仰拱土體加固
在SK3 + 240～280 和SK3 + 960～990 地段, 拱部圍巖為砂粘土, 具有一定的自穩(wěn)時(shí)間, 足以開(kāi)挖初支成型。但下臺(tái)階土層呈流塑狀, 邊墻開(kāi)挖困難, 甚至導(dǎo)致已施作好的噴射混凝土初支護(hù)外鼓開(kāi)裂。以圖5 所示進(jìn)行加固, 成功通過(guò)。
圖5 水平旋噴樁加固邊墻及掌子面示意圖
3.3 水平旋噴加固力學(xué)效果研究
對(duì)于水平旋噴預(yù)加固效果的認(rèn)識(shí), 由于我國(guó)在這方面起步較晚, 目前, 基本上還處在試驗(yàn)階段或定性的描述上, 而客觀現(xiàn)實(shí)常常需要我們做出定量的分析, 特別是在淺埋軟弱的富水地層中進(jìn)行城市地鐵近鄰開(kāi)挖時(shí)尤其如此, 為了研究水平旋噴預(yù)加固效果, 在多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 進(jìn)行了離心模型試驗(yàn)和三維彈塑性數(shù)值模擬研究。
試驗(yàn)和數(shù)值分析所得結(jié)論基本一致, 主要有:
(1) 研究成果和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)吻合較好; (2) 水平旋噴樁預(yù)加固對(duì)控制地表沉降的效果是非常明顯的, 與不施做水平旋噴樁相比, 地表的最大沉降值可減小51 % 左右(如圖6 、圖7 所示) ; (3) 旋噴樁預(yù)加固對(duì)提高圍巖的穩(wěn)定性是非常有效的, 相比之下, 有旋噴樁時(shí)拱頂?shù)淖畲蟪两悼山档?3 % 左右, 同時(shí), 洞周圍巖塑性區(qū)的面積大大減小。
圖6 無(wú)旋噴樁時(shí)地表沉降示意圖
圖7 有旋噴樁時(shí)地表沉降示意圖g
4 渡線段施工技術(shù)研究
4.1 指導(dǎo)思想
在含水豐富的淺埋軟弱圍巖(粘砂土和流塑狀粘土層) 中, 由于環(huán)境所限, 采用非降水的手段, 進(jìn)行渡線段大斷面隧道的暗挖法施工, 在國(guó)內(nèi)外的地鐵修建史上鮮見(jiàn)先例。本工程在這一特定條件下, 以防坍保安全為主要目標(biāo), 選取最佳的超前預(yù)支護(hù)方案和合適的工法, 同時(shí)謀求控制地面沉降, 減小對(duì)管線的破壞和影響又兼顧施工速度的技術(shù)措施。本區(qū)段隧道有眾多橫穿管線, 其中SK3 + 355 有一條煤氣管( <300mm) 橫穿深南大道( 地下埋深約1.5m , 距拱頂11m) , 必須確保管線安全以防泄露。4.2 隧道開(kāi)挖對(duì)煤氣管線的影響研究
4.2.1 數(shù)值模擬進(jìn)行施工優(yōu)化
對(duì)于管線所在的SK3 + 355 斷面, 采用平面彈塑性有限元模擬圖8 的6 種施工工法對(duì)管線的沉降影響, 模擬結(jié)果( 見(jiàn)表2) 表明: ① 先開(kāi)挖右線隧道(小洞) 后開(kāi)挖左線隧道(大洞) 比先開(kāi)挖左線隧道管線的沉降和內(nèi)力影響更小; ② 左線隧道影響進(jìn)行三維數(shù)值模擬、室內(nèi)離心試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量采用CRD 法施工, 左右斷面開(kāi)挖比上下斷面開(kāi)挖對(duì)測(cè), ③ 開(kāi)挖左線隧道對(duì)近鄰右線隧道及地層位移影響較為明顯。綜合考慮各種因素后, 最后確定采用工法2 為過(guò)管線段的施工方法。
表2 不同工法對(duì)管線沉降影響值mm
圖8 不同工法示意圖
4.2.2 模型試驗(yàn)?zāi)M隧道開(kāi)挖對(duì)煤氣管線的影響采用離心模型試驗(yàn), 對(duì)煤氣管線所在的位置SK3 + 355 斷面進(jìn)行施工模擬試驗(yàn), 試驗(yàn)結(jié)果表明, 采用水平旋噴樁和小導(dǎo)管注漿預(yù)加固技術(shù)進(jìn)行施工, 地表沉降最大值為31.6mm , 管線最大沉降為29.5mm , 管線仍處于安全狀態(tài)。
4.2.3 三維數(shù)值模擬隧道開(kāi)挖對(duì)煤氣管線的影響
基于著名的ANSYS 軟件, 建立土體2支護(hù)結(jié)構(gòu)2管線三維彈塑性耦合模型, 其中, 管線和隧道襯砌的位置關(guān)系及有限元模型見(jiàn)圖9 。
通過(guò)對(duì)隧道的開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行仿真分析, 計(jì)算結(jié)果表明: (1) 右線隧道施工時(shí), 管線最大沉降值為19.8mm , 左線隧道施工時(shí), 最大沉降值為28.9mm ; (2) 地表最大沉降為29.8mm ; (3) 經(jīng)過(guò)對(duì)管線的變形和受力進(jìn)行驗(yàn)算, 管線滿足強(qiáng)度和剛度要求, 施工期間管線是安全的。
4.2.3 施工監(jiān)測(cè)隧道開(kāi)挖對(duì)煤氣管線的影響
圖10 所示為SK3 + 355 斷面(煤氣管線) 左線隧道中線與地表交點(diǎn)的沉降隨開(kāi)挖掌子面距離的關(guān)系曲線, 量測(cè)結(jié)果表明施工期間管線是安全的。綜上所述, 通過(guò)對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)煤氣管線的后開(kāi)挖右線隧道對(duì)管線的變形影響更大;
圖9 管線和隧道襯砌的位置關(guān)系及有限元模型
圖10 SK3 + 355 斷面地面沉降與掌子面的關(guān)系圖
的工程條件下, 管線在施工期間是安全的, 而且分析數(shù)據(jù)彼此吻合較好, 為施工提供了重要的理論依據(jù)和指導(dǎo)作用。
圖11 SK3 + 355 斷面地表沉降的數(shù)值模擬、離心試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)值比較
4.3 施工路線選擇
渡線段位于1 號(hào)、3 號(hào)豎井中間, 經(jīng)過(guò)相關(guān)的理論分析和綜合考慮各種施工因素, 最后確定如下施工路線(圖12) :
4.4 工法和主要技術(shù)措施
4.4.1 采用工法
本區(qū)間隧道掘進(jìn)主要采取的工法是: ① 標(biāo)準(zhǔn)段采用上、下臺(tái)階法(圖13a) , 下臺(tái)圍巖特別軟弱時(shí), 分三個(gè)臺(tái)階開(kāi)挖(圖13b) ; ② 開(kāi)挖寬度10m , 高度8m 以下, 采用CD 或CRD 工法( 圖13c) ; ③ 開(kāi)挖寬度10～12m , 高度10m 以下, 采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法(圖13d) ; ④ 雙孔雙線斷面, 采用中洞法(圖13e) ; ⑤ 三孔三線斷面, 采用雙中洞法(圖13f) 。
4.4.2 主要技術(shù)措施
隧道掘進(jìn)除采用超前預(yù)加固外, 還需根據(jù)圍巖地質(zhì)條件的變化, 采取如下技術(shù)措施:
(1) 如下臺(tái)土體軟弱, 增設(shè)臨時(shí)仰拱( 見(jiàn)圖13b) , 可有效減少拱部和地面下沉;
(2) 增設(shè)鎖腳錨管, 每榀格柵在拱腳部位設(shè)2～ 4 根, 錨管長(zhǎng)3m , 并及時(shí)注漿;
(3) 嚴(yán)格遵循短進(jìn)尺, 小步距、快循環(huán)、強(qiáng)支護(hù)、早噴錨、緊封閉的原則施工, 縮小臺(tái)階距離, 盡早封閉;
(4) 及時(shí)對(duì)初支背后進(jìn)行注漿。
5 結(jié) 束 語(yǔ)
大—科區(qū)間隧道工程現(xiàn)已順利竣工, 施工期間隧道結(jié)構(gòu)及周圍環(huán)境沒(méi)有出現(xiàn)安全隱患, 取得了良好的施工業(yè)績(jī), 獲得了深圳市地鐵建設(shè)單位的高度評(píng)價(jià)并授予施工優(yōu)秀獎(jiǎng)。現(xiàn)總結(jié)起來(lái)主要有以下幾點(diǎn)。
(1) 水平旋噴樁和小導(dǎo)管補(bǔ)充注漿超前預(yù)加固改善了圍巖的物理力學(xué)性能, 起到了較為顯著的拱棚作用, 配合其它綜合處理措施, 較好地解決了非降水條件下的施工安全, 通過(guò)深圳地鐵大—科區(qū)間的施工實(shí)踐、離心機(jī)模型實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬理論分析得到了驗(yàn)證, 為這一工法的發(fā)展積累了經(jīng)驗(yàn)和寶貴的數(shù)據(jù)。
(2) 在富水的軟弱(砂土、流塑狀粘土) 地層, 采用淺埋暗挖法施工地鐵隧道, 在對(duì)圍巖進(jìn)行超前預(yù)加固和止水基礎(chǔ)上, 應(yīng)用合適的工法和技術(shù)措施, 施工安全、質(zhì)量、工期都能予以保證。
(3) “ 地質(zhì)預(yù)報(bào)—?jiǎng)討B(tài)設(shè)計(jì)(模型試驗(yàn)、模擬理論分析) —合適的施工技術(shù)措施—監(jiān)控量測(cè)” 是地下工程施工的重要環(huán)鏈, 特別是在通過(guò)重點(diǎn)管線地段。大—科區(qū)間重視每一環(huán)鏈, 取得了良好的施工效果。
(4) 水平旋噴施工在設(shè)備、工藝、漿液材料、參數(shù)等方面還須進(jìn)一步加強(qiáng)研究, 以滿足日益發(fā)展的施工需要。
圖12 渡線段施工路線示意圖
圖13 開(kāi)挖掘進(jìn)工法示意圖
參 考 文 獻(xiàn)
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