紧邻建筑物浅埋暗挖大断面隧道施工技术研究摘 要:北京地铁光华路车站西北风道为浅埋暗挖大断面隧道,采用CRD工法施工。由于紧邻地面建筑物,为保证建筑物和施工安全,采取分部开挖、增设临时仰拱的同时,辅以隔离桩和小导管注浆加固的方法,施工中实行全过程的监控量测。对该工点的施工技术进行介绍和分析。关键词:地铁;地面建筑物;CRD法;隔离桩;注浆加固;监控量测 作为城市交通的一个重要部分,地铁大多修建在繁华市区和人流量较大的地方,为满足城市的整体规划,地铁线路经常不可避免的从既有建筑物附近甚至是正下方的地层中穿过,施工过程中保护既有建筑物的安全就成为一个需要处理好的课题。本文针对北京地铁光华路车站西北风道开挖断面大、紧临地面建筑物的特点,详述有关施工技术,并对隧道开挖对地面建筑物的影响作了分析研究。1 工程概况1.1 结构概况 北京地铁光华路车站位于东三环路京广桥引桥南侧规划的商务中心街与东三环路的交叉路口上,为单跨三洞地下局部双层分离岛式结构,南北向布置,共设有东南、西北两个风道。 西北风道埋深9.5m,开挖宽度11.8m,高度14.1m,为大断面浅埋暗挖结构,采用CRD工法(交叉中隔壁法)分为3层6个导洞施工,初支采用钢格栅+小导管+网喷混凝土结构,厚度350mm。1.2 结构与地面建筑物的关系 西北风道在K0+19处需要从北京3501厂一座5层建筑物的侧下方暗挖通过。该建筑建成于1982年,采用框架结构,地上5层,地下1层,平面呈L形,南侧长54m,东侧长30m,宽15m。经实际调查,该建筑物1、2层为门市、3~5层为办公室,地下室为职工宿舍,处于正常使用状态。基础形式为钢筋混凝土独立扩大基础,基础埋深约4m,基础底距隧道拱顶约5.4m,其南侧距西北风道平面最近距离仅6.0m,且地下管线密集,详见图1。因此,在该段地铁风道施工过程中,必须严格控制沉降,确保建筑物的结构安全。
1.3 工程地质与水文地质 西北风道主要通过第四纪全新世冲洪积层和第四纪晚更新世冲洪积层,地层从上至下依次为填土①、粉土③、粉质黏土③1、粉细砂③3、中粗砂④4、圆卵砾石⑤、粉质黏土⑥。风道拱部、底部为粉质黏土,边墙为砂卵层。勘察虽未测到上层滞水,但由于地下管线渗漏可形成上层滞水,分布极为不均匀,对暗挖施工的影响很大。潜水埋深16.94~18.61m,赋存于圆砾卵石⑤层和中粗砂⑤1中,潜水含水层位于结构中部,对暗挖施工有影响。承压水埋深23.83~25.58m,位于结构底板附近,局部侵入结构底板。承压水顶面处的砂质粉土⑥2层,受水位变化的影响,施工时极易丧失强度,形成水土流失。2 工程难点分析 (1)3501厂大楼位于西北风道侧上方,且采用独立扩大基础,风道暗挖通过时整体呈现偏压状态,建筑物受不均匀沉降影响明显。 (2)西北风道断面较大,采用CRD工法施工,分部多、跨度大,施工中应力转换频繁,对地层造成多次扰动,对地面建筑物不利。 (3)由于地下管线渗漏水严重,导致上层滞水有丰富且稳定的补给,风道结构范围内土体长期受渗漏水影响已呈饱和状,部分地层中存在水囊、空洞。 (4)由于降水工作滞后的影响,对风道开挖造成不利影响,导洞的施工顺序不利于地层的稳定,增加了工程风险。 (5)该区域内地下管线密集,地面临舍较多,且临近东三环路,施工场地狭小,增加了施工难度。3 施工方法3.1 总体思路 根据以上分析,该段风道施工的关键是必须严格控制沉降,保证地面建筑物的安全,同时保证暗挖风道自身结构以及施工的安全。在充分考虑工程所处的环境和地质条件的基础上,为使本工程能顺利完成,施工方案的总体思路如下。 (1)风道采用CRD法施工,并增设临时仰拱达到“小分块、快封闭”的目的,减小沉降。 (2)在风道和建筑物之间设置隔离桩,达到隔离地层的目的,减小相互影响。 (3)通过小导管注浆加固达到改良地层、抑制水患的目的,控制地层变形。 (4)加强监控量测,强化信息化施工,及时全面掌握暗挖隧道在施工过程中对周围环境的影响范围、影响程度以及支护结构的变形状况。3.2 风道初支施工 西北风道为大断面浅埋暗挖隧道,采用CRD工法分为3层6个导洞施工,初支施工时应严格遵守“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”基本原则。由于先期降水不到位,导洞施工顺序改为先1号、3号后2号、4号、5号、6号的顺序,为减少拱部大面积开挖后对地层的影响,施工采取分部开挖、化大为小,增设临时仰拱、及时封闭的方法,详见图2。 具体施工措施如下。 (1)开挖前拱部130°范围内打超前小导管预注浆加固地层,超前小导管为Φ32(壁厚3.25mm)钢花管,环向间距0.3m,长度2.5m, 并与格栅拱脚焊牢。超前预注浆采用水泥水玻璃双液浆,注浆压力0.3~0.5MPa。 (2)钢格栅间距500mm,拱脚打设2根Φ32(壁厚3.25mm)锁脚锚管,长度2.5m,并与格栅拱脚焊牢。 (3)1号、3号导洞采用台阶法开挖,上台阶开挖后立即安装钢格栅和临时仰拱,使上断面支护能够及早封闭成环,减少沉降。临时仰拱采用I25a工字钢,两端通过连接板与钢格栅栓接。 (4)钢格栅、钢筋网安装好后,采用纵向连接筋将每榀钢格栅连成一体,保证整体受力,然后喷设C25混凝土至设计厚度。 (5)施工中加强工序衔接,尽量缩短开挖与支护的时间。台阶长度控制在3~5m,初期支护及时封闭成环,初支完成达到一定强度后,及时进行初支背后回填注浆,浆液采用1∶1水泥浆,注浆压力控制在0.3MPa左右。 (6)为减少地层的沉降,减少对地层的扰动范围,相邻各导洞工作面必须错开10m以上,且施工过程中应加强监控量测,根据监测数据,指导施工。3.3 隔离桩施工 西北风道外侧距3501厂大楼南侧墙最小水平距离仅6m,为减小风道开挖对建筑物的影响,在风道外侧壁与楼房之间、距大楼1m处、沿大楼东南角设计了1排隔离桩对其进行保护。隔离桩采用Φ800@1200mm钻孔灌注桩,桩长28m,共设置15根。由于受地下室影响(南侧地下室结构向外挑出),大楼南侧隔离桩无法施工,实际仅在东侧施作11根。钻孔桩采用反循环钻机成孔、地面绑扎钢筋笼、水下灌注桩身混凝土工艺施工。3.4 小导管注浆加固 在西北风道初支施工时,靠3501厂大楼一侧风道边墙采用超前小导管进行预注浆加固。其作用是通过带孔眼的导管将各种适应不同地层的浆液注入渗透至地层的有效范围内,以达到改变地层参数,提高地层自身承载能力的目的。小导管采用Φ32(壁厚3.25mm)钢花管,长度3.5m,间距0.3m,纵向2榀格栅1环。加固范围从西北风井到风道第二个转弯处。浆液选取,粉土采用30Be′的水玻璃;中粗砂、卵石、砾石层采用1∶1水泥水玻璃双液浆;大颗粒含量较多、孔隙较大的地层可采用水灰比1∶1水泥浆液,施工中根据地层变化进行调整,注浆压力0.3~0.5MPa。4 监控量测4.1沉降分析 为提供及时可靠的沉降监测数据,用以评定风道施工对3501厂大楼的影响,以确保该建筑物的结构安全,在该建筑物南侧布置了4个沉降监测点,对其进行连续的沉降观察。各点的沉降监测时间及累计沉降值如表1所示。 由表1可以看出,3501厂大楼监测到的累计沉降值最大为-32.12mm,平均沉降速率为-0.08mm/d,差异沉降最大为-35.92mm。下面对沉降最大的CJ1-2点进行分析研究,CJ1-2点的沉降曲线如图3所示。 由图3可见,3501厂大楼CJ1-2点的沉降大体分为4个阶段:(1)ab段,此段对应西北风道1、3号导洞施工,由于导洞的开挖,沉降迅速发展;(2)bc段,由于降水未启动,西北风道暂停开挖,沉降仅随初支背后注浆上下波动;(3)ce段,此段对应西北风道2、4、5、6号导洞施工,由于导洞的开挖,沉降继续发展;(4)ef段,此段对应风道开挖完成,断面封闭成环,测点CJ1-2的监测数据随之稳定下来,且一直处于稳定状态。由沉降曲线的变化规律可见,沉降随西北风道的施工而变化,ab段的变化速率明显大于ce段,说明建筑物的沉降受上层导洞的影响非常大,施工必须严格控制开挖尺寸与步距、尽量缩短封闭时间;bc段的波动说明背后注浆可有效的抑制沉降的发展,施工中应坚持多次反复注浆,但应注意控制注浆压力。总之,3501厂大楼CJ1-2点的沉降符合正常的沉降规律。从整体来看,大楼略微向东南角倾斜,说明该处防护还有薄弱环节,究其原因可能与隔离桩未能提早完成有关;平面上地层土体在该段双面开挖临空,地层应力放散大。4.2 建筑物安全性评价 根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)的有关规定,西北风道旁的3501厂大楼其不均匀沉降允许值为0.004(沉点沉降差与距离之比)。 该建筑物的最大沉降值为-32.12mm,最小沉降为3.80mm,最大差异沉降为35.92mm,距离为54m,由此计算3501厂的不均匀沉降为:35.92/54000=0.000665<0.004。 由此可见,该建筑物的沉降在设计允许范围内,建筑物是安全的。5 结语 对于紧邻建筑物的浅埋暗挖大断面隧道施工,控制沉降是首要而又关键的问题。施工中应坚持“早封闭,勤量测”的原则,一方面通过采取分部开挖、增设临时仰拱、设置隔离桩和小导管注浆加固的方法施工;另一方面加强监控量测、及时反馈,做到信息化施工,就能很好地解决此类问题。参考文献:[1] GB50007—2002,建筑地基基础设计规范[S].[2] GB50299—1999,地下铁道工程施工及验收规范[S].[3] 徐治中,等.邻近建筑物暗挖地铁车站采用洞桩法的技术探讨[J].铁道标准设计,2004(4).
1.3 工程地质与水文地质 西北风道主要通过第四纪全新世冲洪积层和第四纪晚更新世冲洪积层,地层从上至下依次为填土①、粉土③、粉质黏土③1、粉细砂③3、中粗砂④4、圆卵砾石⑤、粉质黏土⑥。风道拱部、底部为粉质黏土,边墙为砂卵层。勘察虽未测到上层滞水,但由于地下管线渗漏可形成上层滞水,分布极为不均匀,对暗挖施工的影响很大。潜水埋深16.94~18.61m,赋存于圆砾卵石⑤层和中粗砂⑤1中,潜水含水层位于结构中部,对暗挖施工有影响。承压水埋深23.83~25.58m,位于结构底板附近,局部侵入结构底板。承压水顶面处的砂质粉土⑥2层,受水位变化的影响,施工时极易丧失强度,形成水土流失。2 工程难点分析 (1)3501厂大楼位于西北风道侧上方,且采用独立扩大基础,风道暗挖通过时整体呈现偏压状态,建筑物受不均匀沉降影响明显。 (2)西北风道断面较大,采用CRD工法施工,分部多、跨度大,施工中应力转换频繁,对地层造成多次扰动,对地面建筑物不利。 (3)由于地下管线渗漏水严重,导致上层滞水有丰富且稳定的补给,风道结构范围内土体长期受渗漏水影响已呈饱和状,部分地层中存在水囊、空洞。 (4)由于降水工作滞后的影响,对风道开挖造成不利影响,导洞的施工顺序不利于地层的稳定,增加了工程风险。 (5)该区域内地下管线密集,地面临舍较多,且临近东三环路,施工场地狭小,增加了施工难度。3 施工方法3.1 总体思路 根据以上分析,该段风道施工的关键是必须严格控制沉降,保证地面建筑物的安全,同时保证暗挖风道自身结构以及施工的安全。在充分考虑工程所处的环境和地质条件的基础上,为使本工程能顺利完成,施工方案的总体思路如下。 (1)风道采用CRD法施工,并增设临时仰拱达到“小分块、快封闭”的目的,减小沉降。 (2)在风道和建筑物之间设置隔离桩,达到隔离地层的目的,减小相互影响。 (3)通过小导管注浆加固达到改良地层、抑制水患的目的,控制地层变形。 (4)加强监控量测,强化信息化施工,及时全面掌握暗挖隧道在施工过程中对周围环境的影响范围、影响程度以及支护结构的变形状况。3.2 风道初支施工 西北风道为大断面浅埋暗挖隧道,采用CRD工法分为3层6个导洞施工,初支施工时应严格遵守“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”基本原则。由于先期降水不到位,导洞施工顺序改为先1号、3号后2号、4号、5号、6号的顺序,为减少拱部大面积开挖后对地层的影响,施工采取分部开挖、化大为小,增设临时仰拱、及时封闭的方法,详见图2。 具体施工措施如下。 (1)开挖前拱部130°范围内打超前小导管预注浆加固地层,超前小导管为Φ32(壁厚3.25mm)钢花管,环向间距0.3m,长度2.5m, 并与格栅拱脚焊牢。超前预注浆采用水泥水玻璃双液浆,注浆压力0.3~0.5MPa。 (2)钢格栅间距500mm,拱脚打设2根Φ32(壁厚3.25mm)锁脚锚管,长度2.5m,并与格栅拱脚焊牢。 (3)1号、3号导洞采用台阶法开挖,上台阶开挖后立即安装钢格栅和临时仰拱,使上断面支护能够及早封闭成环,减少沉降。临时仰拱采用I25a工字钢,两端通过连接板与钢格栅栓接。 (4)钢格栅、钢筋网安装好后,采用纵向连接筋将每榀钢格栅连成一体,保证整体受力,然后喷设C25混凝土至设计厚度。 (5)施工中加强工序衔接,尽量缩短开挖与支护的时间。台阶长度控制在3~5m,初期支护及时封闭成环,初支完成达到一定强度后,及时进行初支背后回填注浆,浆液采用1∶1水泥浆,注浆压力控制在0.3MPa左右。 (6)为减少地层的沉降,减少对地层的扰动范围,相邻各导洞工作面必须错开10m以上,且施工过程中应加强监控量测,根据监测数据,指导施工。3.3 隔离桩施工 西北风道外侧距3501厂大楼南侧墙最小水平距离仅6m,为减小风道开挖对建筑物的影响,在风道外侧壁与楼房之间、距大楼1m处、沿大楼东南角设计了1排隔离桩对其进行保护。隔离桩采用Φ800@1200mm钻孔灌注桩,桩长28m,共设置15根。由于受地下室影响(南侧地下室结构向外挑出),大楼南侧隔离桩无法施工,实际仅在东侧施作11根。钻孔桩采用反循环钻机成孔、地面绑扎钢筋笼、水下灌注桩身混凝土工艺施工。3.4 小导管注浆加固 在西北风道初支施工时,靠3501厂大楼一侧风道边墙采用超前小导管进行预注浆加固。其作用是通过带孔眼的导管将各种适应不同地层的浆液注入渗透至地层的有效范围内,以达到改变地层参数,提高地层自身承载能力的目的。小导管采用Φ32(壁厚3.25mm)钢花管,长度3.5m,间距0.3m,纵向2榀格栅1环。加固范围从西北风井到风道第二个转弯处。浆液选取,粉土采用30Be′的水玻璃;中粗砂、卵石、砾石层采用1∶1水泥水玻璃双液浆;大颗粒含量较多、孔隙较大的地层可采用水灰比1∶1水泥浆液,施工中根据地层变化进行调整,注浆压力0.3~0.5MPa。4 监控量测4.1沉降分析 为提供及时可靠的沉降监测数据,用以评定风道施工对3501厂大楼的影响,以确保该建筑物的结构安全,在该建筑物南侧布置了4个沉降监测点,对其进行连续的沉降观察。各点的沉降监测时间及累计沉降值如表1所示。 由表1可以看出,3501厂大楼监测到的累计沉降值最大为-32.12mm,平均沉降速率为-0.08mm/d,差异沉降最大为-35.92mm。下面对沉降最大的CJ1-2点进行分析研究,CJ1-2点的沉降曲线如图3所示。 由图3可见,3501厂大楼CJ1-2点的沉降大体分为4个阶段:(1)ab段,此段对应西北风道1、3号导洞施工,由于导洞的开挖,沉降迅速发展;(2)bc段,由于降水未启动,西北风道暂停开挖,沉降仅随初支背后注浆上下波动;(3)ce段,此段对应西北风道2、4、5、6号导洞施工,由于导洞的开挖,沉降继续发展;(4)ef段,此段对应风道开挖完成,断面封闭成环,测点CJ1-2的监测数据随之稳定下来,且一直处于稳定状态。由沉降曲线的变化规律可见,沉降随西北风道的施工而变化,ab段的变化速率明显大于ce段,说明建筑物的沉降受上层导洞的影响非常大,施工必须严格控制开挖尺寸与步距、尽量缩短封闭时间;bc段的波动说明背后注浆可有效的抑制沉降的发展,施工中应坚持多次反复注浆,但应注意控制注浆压力。总之,3501厂大楼CJ1-2点的沉降符合正常的沉降规律。从整体来看,大楼略微向东南角倾斜,说明该处防护还有薄弱环节,究其原因可能与隔离桩未能提早完成有关;平面上地层土体在该段双面开挖临空,地层应力放散大。4.2 建筑物安全性评价 根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)的有关规定,西北风道旁的3501厂大楼其不均匀沉降允许值为0.004(沉点沉降差与距离之比)。 该建筑物的最大沉降值为-32.12mm,最小沉降为3.80mm,最大差异沉降为35.92mm,距离为54m,由此计算3501厂的不均匀沉降为:35.92/54000=0.000665<0.004。 由此可见,该建筑物的沉降在设计允许范围内,建筑物是安全的。5 结语 对于紧邻建筑物的浅埋暗挖大断面隧道施工,控制沉降是首要而又关键的问题。施工中应坚持“早封闭,勤量测”的原则,一方面通过采取分部开挖、增设临时仰拱、设置隔离桩和小导管注浆加固的方法施工;另一方面加强监控量测、及时反馈,做到信息化施工,就能很好地解决此类问题。参考文献:[1] GB50007—2002,建筑地基基础设计规范[S].[2] GB50299—1999,地下铁道工程施工及验收规范[S].[3] 徐治中,等.邻近建筑物暗挖地铁车站采用洞桩法的技术探讨[J].铁道标准设计,2004(4).
