小議地鐵區(qū)間隧道特殊地層施工技術(shù)

導(dǎo)語(yǔ)：小議地鐵區(qū)間隧道特殊地層施工技術(shù)一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：結(jié)合北京地鐵太陽(yáng)宮~三元橋站區(qū)間隧道施工中對(duì)坍塌、流砂治理實(shí)踐技術(shù)，介紹了超前支護(hù)施工技術(shù)、隧道開(kāi)挖方式適應(yīng)性技術(shù)措施，為今后類似地層施工提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：地鐵暗挖坍塌流砂技術(shù)措施

1工程概況

北京地鐵十號(hào)線太陽(yáng)宮站~三元橋站區(qū)間隧道位于東三環(huán)三元橋東南角處的麥子店西路下，呈東西走向；區(qū)間暗挖隧道起訖里程K13+851.852~K14+670.150，全長(zhǎng)818.298雙線米。隧道斷面有3種形式，其中標(biāo)準(zhǔn)斷面為馬蹄形，開(kāi)挖尺寸為6.0m×6.33m，全長(zhǎng)1376.011m，隧道左右線間距12m，覆土厚度10~14m，縱坡為10.576‰。

隧道穿越的區(qū)域有四層地下水，從上至下依次為：①上層滯水，水位高程31.19~36.46m，水位在隧道拱頂上3~6m；②潛水，水位高程26.86~30.68m，水位在隧道拱頂上1~1.5m；③層間潛水，水位高程22.04~24.99m，水位位于隧道開(kāi)挖斷面中間；④承壓水，水位高程16.53~18.58m，水位在隧道仰拱以下4m。

區(qū)間隧道地層自上而下依次是粉質(zhì)黏土填土、雜填土、粉土、粉細(xì)砂、中粗砂、粉質(zhì)黏土、黏土、粉土、圓礫等地層，其中隧道施工所觸及的土層有粉細(xì)砂、中粗砂及粉質(zhì)黏土層。隧道上方沿左線拱頂存在Ф800污水管及Ф800雨水管道各一條，兩條管道埋深分別為4m、3m；通過(guò)檢查，發(fā)現(xiàn)管道滲漏嚴(yán)重。區(qū)間地質(zhì)、水文見(jiàn)圖1。

2特殊地層施工出現(xiàn)的問(wèn)題及原因分析

2.1支護(hù)設(shè)計(jì)情況

區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)斷面設(shè)計(jì)采用臺(tái)階法施工。超前支護(hù)為Ф42小導(dǎo)管，注水泥-水玻璃漿液；小導(dǎo)管長(zhǎng)度2.5m，搭接長(zhǎng)度1m，在拱頂120°范圍按300mm間距布置，小導(dǎo)管施工角度7°~10°。初期支護(hù)為250mm厚，鋼格柵+Ф22連接鋼筋+Ф6鋼筋網(wǎng)片+C25噴射混凝土結(jié)構(gòu)；鋼格柵間距75cm，在上下臺(tái)階位置45°各打設(shè)1根2.5mФ42鎖腳錨管。標(biāo)準(zhǔn)斷面初期支護(hù)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

2.2試驗(yàn)段施工方法

試驗(yàn)段施工嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，采用兩臺(tái)階法，臺(tái)階高度3m，臺(tái)階距離控制在2.5~3m；核心土為梯形設(shè)置，高度1.5m，上下寬度分別為1.5m、3m；超前支護(hù)采用風(fēng)鎬直接打入小導(dǎo)管，封閉掌子面后采用水泥-水玻璃漿液注漿。

2.3出現(xiàn)的問(wèn)題及原因分析

隧道試驗(yàn)段施工中，流砂及坍塌險(xiǎn)情不斷，施工效果較差，安全風(fēng)險(xiǎn)較大，主要存在以下問(wèn)題。

(1)風(fēng)鎬引入小導(dǎo)管過(guò)程中即出現(xiàn)粉細(xì)砂坍塌現(xiàn)象，導(dǎo)致小導(dǎo)管加固有效范圍(有效范圍主要為兩榀格柵之間拱頂砂層)加固體缺失，導(dǎo)管裸露；在開(kāi)挖前清除上循環(huán)封閉掌子面的噴射混凝土?xí)r產(chǎn)生的振動(dòng)又造成粉細(xì)砂層受到擾動(dòng)，進(jìn)而出現(xiàn)坍塌。主要是因?yàn)樗淼榔鸸熬€及拱頂以上為粉細(xì)砂層，且砂層松散，補(bǔ)給水易使砂層含水量大，造成砂層自穩(wěn)能力極差，稍有擾動(dòng)即會(huì)出現(xiàn)掉落。

(2)在小導(dǎo)管注漿加固效果檢查中發(fā)現(xiàn)水泥-水玻璃漿液無(wú)法通過(guò)小導(dǎo)管溢漿孔浸入粉細(xì)砂層，漿液主要集中在導(dǎo)管內(nèi)部，導(dǎo)管外壁只有少量漿液附著管壁，因此加固范圍達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，坍塌連續(xù)不斷。

(3)根據(jù)鋼格柵高度及小導(dǎo)管打設(shè)位置計(jì)算，設(shè)計(jì)2.5m小導(dǎo)管，搭接長(zhǎng)度1m情況下，小導(dǎo)管實(shí)際打設(shè)角度為8°~17°(設(shè)計(jì)為7°~10°)。

小導(dǎo)管打設(shè)17°為理想狀態(tài)，這種角度可以保證第二榀格柵上部有300mm注漿加固體，且小導(dǎo)管加固范圍底面恰好在格柵頂面；但是在第三榀格柵位置小導(dǎo)管加固范圍底面在開(kāi)挖面以上386mm位置，那么格柵頂面與加固體底面之間386mm松散砂層依然會(huì)出現(xiàn)坍塌。

小導(dǎo)管打設(shè)最低限度為8°，否則不但不能確保第二榀開(kāi)挖面有足夠的注漿加固體，而且會(huì)造成拱部開(kāi)挖線出現(xiàn)欠挖，使鋼格柵架設(shè)困難。從圖中可以看出，小導(dǎo)管打設(shè)角度直接影響加固范圍，且導(dǎo)管越長(zhǎng)，加固效用越差。

(4)隧道分兩臺(tái)階開(kāi)挖，臺(tái)階分界面正好處于粉細(xì)砂層與粉質(zhì)黏土層界面位置，雖然通過(guò)降水井進(jìn)行降水，且水位達(dá)到隧道仰拱下1m位置，但是界面水依然很大，極易在界面位置形成流砂。隧道鋼格柵采用對(duì)稱設(shè)置，鋼格柵與臺(tái)階相對(duì)位置見(jiàn)圖3。上臺(tái)階開(kāi)挖完成后架設(shè)鋼格柵時(shí)，存在兩種安裝方式：第一種是先安裝拱頂①號(hào)格柵，后安裝②號(hào)格柵，此方式安裝時(shí)①號(hào)格柵懸吊，中心位置及水平難以調(diào)整，臨時(shí)固定難以達(dá)到精度要求，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，②號(hào)格柵因底部處于界面位置，開(kāi)挖時(shí)即出現(xiàn)流砂填埋格柵位置，在狹小作業(yè)環(huán)境下格柵安裝困難，通常在②格柵下部放置后，流砂即將節(jié)點(diǎn)板位置掩埋，在后期格柵尺寸調(diào)整時(shí)，無(wú)法搬移，造成上臺(tái)階格柵安裝周期長(zhǎng)，且砂層長(zhǎng)時(shí)間暴露及流砂影響下出現(xiàn)：①號(hào)格柵所處拱頂范圍出現(xiàn)坍塌，②號(hào)格柵下部界面位置流砂引起孔洞，并向四周擴(kuò)散。第二種格柵安裝方式為，先安裝②號(hào)格柵后①號(hào)格柵，此方式也存在相同問(wèn)題，即拱頂①號(hào)格柵受②號(hào)格柵安裝精度影響大，施工周期長(zhǎng)，坍塌、流砂病害嚴(yán)重。

(5)兩臺(tái)階開(kāi)挖方式，臺(tái)階高度過(guò)大，施工人員作業(yè)時(shí)，頭部以上存在1m高粉質(zhì)黏土層，且臺(tái)階處于粉細(xì)砂與粉質(zhì)黏土界面位置，上臺(tái)階開(kāi)挖速度快，下臺(tái)階開(kāi)挖慢，上臺(tái)階后界面水順著下臺(tái)階土體下流，長(zhǎng)時(shí)間浸泡粉質(zhì)黏土，容易造成下臺(tái)階滑塌，施工隱患大。

(6)兩臺(tái)階施工只有兩個(gè)工作面，施工人員8人即占滿施工空間，每循環(huán)施工周期長(zhǎng)達(dá)12h，且掌子面得不到及時(shí)封閉，容易形成流砂、坍塌。

3技術(shù)措施

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)段施工中存在的以上問(wèn)題進(jìn)行原因分析，研究采取相應(yīng)的技術(shù)措施，并多次進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、改進(jìn)，最終取得了較理想的效果。即通過(guò)加強(qiáng)超前支護(hù)效果、控制施工周期，從而減小掌子面暴露時(shí)間，是控制坍塌及流砂的重點(diǎn)所在。

3.1超前支護(hù)

超前支護(hù)在隧道施工“管超前，嚴(yán)注漿，短開(kāi)挖，強(qiáng)支護(hù)，早封閉，勤量測(cè)”十八字方針中占據(jù)首要地位，是保證隧道開(kāi)挖安全的先決條件，為了確保超前支護(hù)效果，可從以下幾個(gè)方面入手。

(1)漿液選擇及配制

根據(jù)粉細(xì)砂層中水泥-水玻璃漿液不能浸入的特性，通過(guò)比選，采用了改性水玻璃(水玻璃與硫酸按一定比例配制)作為砂層固化劑。

水玻璃又稱泡花堿，是一種透明的玻璃狀溶化物的工業(yè)產(chǎn)品，呈黃色至灰白色；市場(chǎng)出售的水玻璃濃度一般在40Be′左右。硫酸純品為無(wú)色、無(wú)臭、透明的油狀液體，呈強(qiáng)酸性。市售的工業(yè)硫酸為無(wú)色至微黃色，甚至紅棕色。相對(duì)密度：98%硫酸為1.8365(20℃)，93%硫酸為1.8276(20℃)；熔點(diǎn)10.35℃，沸點(diǎn)338℃。硫酸有很強(qiáng)的吸水能力，與水按不同比例混合釋放大量的熱，稀釋硫酸時(shí)必須注酸入水，嚴(yán)禁注水入酸，防止酸液表面局部過(guò)熱發(fā)生爆炸噴酸事故。

水玻璃稀釋時(shí)邊加水邊攪拌，邊用波美度測(cè)量。硫酸稀釋(10%~20%稀硫酸)：計(jì)算所需濃硫酸和加水量，將濃硫酸緩慢倒入水中，攪拌均勻。在快速攪拌的情況下，將水玻璃緩慢地倒入稀硫酸中，試紙測(cè)量pH值，以3~4為宜。

(2)小導(dǎo)管加工及安裝

根據(jù)小導(dǎo)管打設(shè)角度，為了有效利用小導(dǎo)管進(jìn)行注漿加固，減小不必要的浪費(fèi)，小導(dǎo)管長(zhǎng)度縮短為1.5m，每榀打設(shè)，環(huán)向間距控制在300mm，必要時(shí)適當(dāng)加密，以提供支護(hù)剛度。

小導(dǎo)管采用Ф42鋼管，導(dǎo)管端頭加工成錐型，以便插入及控制漿液集中前沖，小導(dǎo)管中間至端頭間隔200mm梅花形布置Ф6~12溢漿孔，導(dǎo)管出露50cm范圍不鉆孔。

為了避免風(fēng)鎬引入小導(dǎo)管造成的振動(dòng)，采用Ф42鋼管做成的風(fēng)管沿格柵位置調(diào)整角度(外插角17°)往復(fù)吹孔，吹孔后及時(shí)將小導(dǎo)管送入孔內(nèi)，導(dǎo)管孔口采用棉紗封堵，吹孔及小導(dǎo)管安裝后噴射混凝土封閉。

(3)小導(dǎo)管注漿

拔出導(dǎo)管封口棉紗，將注漿膠管插入導(dǎo)管口部并用鐵絲擰緊，防止?jié){液從管口溢出；將已調(diào)好的改性水玻璃倒人牛角泵內(nèi)，漿液占泵體積的2/3，關(guān)閉泵蓋和放風(fēng)閥，打開(kāi)注漿管閥門。一切就緒后，打開(kāi)送風(fēng)閥注漿，在氣壓推動(dòng)下，改性水玻璃注入小導(dǎo)管內(nèi)加固拱部地層，注漿完成后再次用棉紗堵塞管口。為了防止?jié){液逆流，每個(gè)導(dǎo)管注漿完成后將放風(fēng)閥打開(kāi)，使泵內(nèi)氣體揮發(fā)出去。下一導(dǎo)管注漿前，重新加入改性水玻璃進(jìn)行注漿。

注漿順序自下而上、間隔進(jìn)行，注漿壓力控制在0.3~0.5MPa，每孔注漿量80~120L，其加固半徑可達(dá)到為30~35cm，且各孔漿液互相浸入，將拱頂范圍砂層固結(jié)成拱殼形式。

(4)注漿注意事項(xiàng)

①注漿時(shí)應(yīng)注意壓力表的壓力讀數(shù)，防止壓力失控；注漿管管口嚴(yán)禁對(duì)人放置，且注漿管在未打開(kāi)放風(fēng)閥前，禁止移動(dòng)。注漿前應(yīng)檢查注漿泵密封蓋，確保密封效果良好，防止出現(xiàn)高壓噴出物射出傷人。

②注漿時(shí)發(fā)生漿液從其他小導(dǎo)管流出的現(xiàn)象，應(yīng)在出現(xiàn)串漿的導(dǎo)管口處用木楔堵塞管口，待該管注漿時(shí)再拔下木楔，并以高壓風(fēng)和高壓水清洗管內(nèi)雜物，然后再注漿，直至全部注漿結(jié)束。

③為了確保注漿效果，每次注漿可對(duì)前一循環(huán)小導(dǎo)管再次注漿，加強(qiáng)超前支護(hù)效果。

3.2三臺(tái)階施工

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，為了縮短每循環(huán)施工周期及避免發(fā)生臺(tái)階界面位置因流砂引起孔洞及坍塌，采用了一些措施進(jìn)行處理。

(1)臺(tái)階高度選擇

選擇三臺(tái)階施工，其根本目的主要是在兩臺(tái)階施工基礎(chǔ)上增加施工作業(yè)面，增加作業(yè)面人員數(shù)量，降低臺(tái)階高度，確保施工安全。

三臺(tái)階施工將隧道開(kāi)挖分成上臺(tái)階、中臺(tái)階及下臺(tái)階，臺(tái)階高度分別為2m、2m、2.33m，臺(tái)階高度的降低，可以避免施工作業(yè)盲區(qū)，施工作業(yè)方便。通過(guò)調(diào)整臺(tái)階高度，上臺(tái)階范圍全部處于粉細(xì)砂層，中臺(tái)階存在1m粉細(xì)砂層及1m粉質(zhì)黏土，下臺(tái)階全部為粉質(zhì)黏土。三臺(tái)階施工時(shí)，采取上、中、下同時(shí)施工，上臺(tái)階在施工中主要控制超前支護(hù)，界面水因在臺(tái)階下1m位置，對(duì)上臺(tái)階不能造成任何影響；中臺(tái)階施工時(shí)僅有1m粉質(zhì)黏土，通過(guò)先中部后兩側(cè)的開(kāi)挖方式，極大縮短掌子面暴露時(shí)間，且中臺(tái)階開(kāi)挖后空間大，格柵架設(shè)方便，能快速封閉，界面水形成的流砂影響很小；下臺(tái)階高度降低后，施工人員可自上而下開(kāi)挖，不但風(fēng)險(xiǎn)降低，而且開(kāi)挖速度相應(yīng)提高。

(2)鋼格柵位置調(diào)整

鋼格柵位置調(diào)整主要是避免兩臺(tái)階施工中上臺(tái)階拱部格柵分割數(shù)量多，格柵難以定位安裝及格柵適應(yīng)三臺(tái)階臺(tái)階位置確定的。

鋼格柵位置調(diào)整后，各臺(tái)階均存在兩片格柵，各臺(tái)階開(kāi)挖成型后，地質(zhì)水文對(duì)格柵安裝及定位影響非常小，施工周期短。

(3)施工組織

三臺(tái)階與兩臺(tái)階相比，同期施工人員由8人增加到13人，每循環(huán)施工由12h縮短為8h。具體施工組織如下所述。

①上臺(tái)階為粉細(xì)砂層，開(kāi)挖不受影響，施工作業(yè)4人開(kāi)挖成型約需1.5h；中臺(tái)階開(kāi)挖5人，其中3人包含將上臺(tái)階翻至中臺(tái)階的砂土直接裝車，開(kāi)挖需時(shí)約2.5h；下臺(tái)階施工4人，主要為開(kāi)挖下臺(tái)階粉質(zhì)黏土、清理中臺(tái)階遺撒土體及清理道路，需時(shí)約4h。

②三個(gè)臺(tái)階開(kāi)挖存在一定時(shí)差，因此開(kāi)挖結(jié)束的人員即進(jìn)行本臺(tái)階格柵安裝，一般在下臺(tái)階開(kāi)挖完成時(shí)上、中臺(tái)階格柵也安裝完畢，并處于連接鋼筋、網(wǎng)片焊接作業(yè)中，待下臺(tái)階格柵安裝及相應(yīng)工作完成后，整個(gè)三個(gè)臺(tái)階作業(yè)時(shí)間約為6h，噴射混凝土約需2h，總計(jì)作業(yè)時(shí)間約8h(其中包含上臺(tái)階超前小導(dǎo)管安裝)。

②三臺(tái)階施工根據(jù)掌子面距離，配備機(jī)動(dòng)三輪車，實(shí)際施工中每輛車在6~8min即可裝滿，車輛選擇根據(jù)掌子面出土不受限制為宜，一般2~3輛車可滿足施工需要。

通過(guò)對(duì)超前支護(hù)及臺(tái)階改造，對(duì)坍塌及流砂病害進(jìn)行了有效控制，施工平均進(jìn)度達(dá)到2m/d的高速度；超前支護(hù)及三臺(tái)階措施消除了隧道施工的安全隱患，地面沉降量明顯減少。

參考文獻(xiàn)：

[1]申夢(mèng)華，徐仲春.大年嶺隧道進(jìn)口滑坡的綜合治理.鐵道建筑技術(shù)，2003(2)。