砂层中地铁暗挖隧道施工技术研究[摘要]沈阳地铁青年大街站-怀远门站区间隧道主体结构全部位于中粗砂、砂砾层中,结构底板埋深23.5~17.5m,砂层由于其不稳定性、极强的透水性,对地铁暗挖施工提出了很高的要求。该文主要阐述地铁区间隧道的施工方法及砂层的加固处理措施,对沈阳地铁的暗挖施工技术提出相关的意见与建议。[关键词]地铁;隧道;砂层;注浆;沉降监测 随着城市的发展,轨道交通成为了大中城市的重要交通手段。全国各大城市陆续进行地铁建设,但地质情况却各不相同。沈阳地铁由于其地质的特殊性,需在砂层地质中进行暗挖地铁的施工,这在全国尚属首次。青年大街站-怀远门站区间隧道位于沈阳市老城区,地面交通繁忙,地下管线纵横交错。在施工过程中如何保证管线不渗漏或者尽量降低渗漏水对隧道开挖的影响,是砂层地铁中安全施工的关键。1 工程概况1·1 工程简介 沈阳地铁一号线十二合同段青年大街站-怀远门站区间工程位于大西路下方,向东北方向延伸,下穿杏林街路口、奉天街路口、万寿寺路口至怀远门站。隧道上方的大西路为城市交通主干道,交通流量繁重。区间全线长1 137.35双线米,线间距13~17m。 由于受两侧车站结构形式的影响,隧道结构坡度变化较大。青年大街站为双层暗挖结构,并且是一号线与二号线的换乘站,一号线位于下方。怀远门站为明挖结构,结构埋深较浅。线路走势为东高西低,单向坡,两端高差达12.5m。从青年大街站向怀远门站方向,区间隧道一直为上坡结构,最大坡度达25‰,增加了施工难度。 本区间隧道起始里程为DK15+411.65,终止里程为DK16+549,施工竖井及横通道中心里程为DK15+870,通过横通道进行左右线的开挖。区间在DK15+500处设一道强电电缆通道,在DK16+200处设一道联络通道,并分别与左右线相连。竖井、横通道与区间正线位置关系如图1所示。
1·2 工程地质 本区间地质为浑河高漫滩及古河道,围岩类别为Ⅰ~Ⅱ类,主要为中粗砂及砾砂层,如图2所示。地形变化比较平缓,地面标高44.67~49.63m,最大地面高差4.96m,区间隧道顶板埋深17.9~10.4m。 开挖时砂层自稳能力较差,当遇到管线渗漏或上层滞水等情况时很容易产生流砂,开挖时必须严格进行超前支护及注浆,保证掌子面砂层的稳定是安全施工的关键。1·3 水文地质 该场地地下水类型为孔隙潜水,稳定水位埋深在5.0~8.6m,绝对标高39.34~41.52m,含水层厚度为33.66~39.30m,区间结构全部位于地下水位以下。1·4 结构形式 区间隧道主体结构为马蹄形断面复合式衬砌结构,采用矿山法施工,初期支护采用C25喷射混凝土+格栅钢架措施,厚度为25cm;二次衬砌采用C30、S10模筑钢筋混凝土措施,厚度为35cm。初支与二衬之间设1道1.5mm厚的ECB柔性防水板进行全包防水处理,如图3所示。 区间隧道开挖断面高度为6.52m,开挖宽度为6.32m,隧道断面接近圆形,充分考虑了合理受力的因素。1·5 工程特点 1)工程环境复杂,管线众多 本标段地处沈阳市老城区,地下管线纵横交错,且老化严重。主要有污水、雨水、自来水、煤气、电信电缆等各种管线,而其中1937年修建的砖砌污水暗渠方沟,纵穿于右线隧道正上方,对隧道开挖产生着直接的影响。暗渠底部埋深3.8m,隧道拱顶埋深16m,暗渠断面尺寸为0.9m(宽)×1.8m(高),施工年代久远,渗漏严重,在施工时必须采取加强处理措施。 2)水位埋深浅 向下开挖5~8m即可见地下水,区间主体隧道全部位于地下水中,增大了施工难度。2 施工方法2·1 区间隧道主要施工步序 本区间隧道标准断面采用上下台阶法进行施工,上台阶施工时预留核心土,下台阶施工时做放坡处理,坡度≤3∶1。根据现场实际情况,上下台阶长度控制在3~5m为宜,如图4所示。在区间靠近怀远门站一侧,左右线分别设置一道人防,人防段长13.2m,采用CRD工法施工,分4步进行开挖。人防断面开挖尺寸为高8.5m,宽8.24m。为保证由标准断面向人防大断面过渡时的开挖安全,在变断面处设置1m的渐变段,坡度为45°,逐渐进入人防断面。人防断面施工步序如图5所示。 由于砂层地质稳定性不好,很容易产生坍塌,除盾构法采用机械施工外,暗挖施工基本全部采用人工进行开挖,并及时喷射混凝土封闭成环,每施工0.5m为一个循环。主要工序为:上台阶开挖→格栅安装→连接筋焊接→打设超前小导管→喷射混凝土→小导管注浆→下台阶开挖→下一循环,每循环施工时间约为5~6h。 由于有轨运输受限制较多,速度较慢,本区间采用无轨运输方式,每个掌子面配备2~3台翻斗车,统一运至竖井提升斗处,再由龙门架提升至地面临时存土场。2·2 砂层地质中初支施工方法2·2·1 超前大管棚 大管棚通常设置在断面变化处及危险性较大的地段。本区间在竖井进横通道马头门处、横通道进区间正线马头门处设置大管棚。大管棚采用Φ108mm、δ=5mm的热轧无缝钢管,横通道马头门处管棚长9m,区间正线马头门处管棚长12m。管身上钻6~8mm的眼孔,梅花形布置,孔距30cm,以保证管棚注浆时浆液的扩散。管棚分节制作,受作业空间的限制,采用3m一节进行施工,施工过程中逐节夯进、接管。接头采用坡口焊连接牢固。管棚沿拱部开挖轮廓线外边缘120°范围布设,环向间距30cm,外插角2°~2.5°。注浆液采用水泥砂浆,浆液配比为1∶1∶1,注浆压力为0.2~0.3MPa。 大管棚在粘土层施工时一般采用夯管锤顶入法,但若在砂层中夯进,容易造成砂层的扰动,在开挖时产生坍塌。本区间采用吹管顶入法,高压风管插入管棚内,将砂子吹出,然后使用冲击钻顶入,顶进30~50cm左右,重复进行吹管,依次循环完成大管棚的打设。2·2·2 超前小导管 小导管采用Φ42mm热轧钢管,δ=3.5mm,一端做成尖状。小导管长L=2.5m,每2榀格栅打设1环。布置在拱部120°范围,环向间距30cm。在管身上钻?(5~8)mm的孔,孔间距8~10cm,梅花形布置,末端1~1.5m不打孔,以防止注浆时浆液外溢。小导管如图6所示。 由于本标段地质基本全部为中粗砂层,土层稳定性不好,在渗漏水较大地段对超前小导管采取加强处理措施,L=1.8m,每榀格栅打设一环。 小导管打设方法:根据砂层地质的特性,小导管采用引孔打入法。首先使用Φ20mm高压风管进行吹孔,然后将小导管直接插入,导管外露端用棉纱封堵,防止喷射混凝土时堵塞管口。外露长度控制在10cm左右,以便于安装管路。 注浆安排在喷射混凝土完成以后进行,目的是防止浆液从开挖轮廓面溢出,影响注浆效果及浪费材料。注浆材料采用沈阳市生产的THE-Ⅱ型固砂剂,其特点是操作简单,凝结速度快,节约循环时间。配合比为:固砂剂∶水=(1∶3)~(1∶4),注浆压力在0.3~0.6MPa,注浆完成后立即用棉纱封堵管口,尽量防止浆液外溢。2·2·3 初支背后回填注浆 由于混凝土的自重及喷射混凝土密实度等的影响,初支背后与土体之间不可避免的会出现空隙。为了有效减小由于空隙引起的地面沉降,在施工时预先埋设Φ42mm注浆钢管,钢管长50cm左右,埋入砂层20cm,外露10cm,梅花形布置在拱顶及两侧拱脚位置,每3~5m设置1道。如图7所示。 待仰拱成环10m左右后,便开始进行背后回填注浆。注浆液采用水泥-水玻璃双液浆,注浆压力控制在0.2~0.4MPa,采用间歇注浆的方式进行,注浆与静压交替进行,保证回填密实。2·2·4 重要地段的施工方法 经过现场调查分析,在右线DK15+800~DK16+070里程段,由于管线渗漏严重,被确定为特殊处理地段。具体措施如下: 1)砂含水率监测 在砂层中,砂的含水率为表征地表安全性的重要参数。在施工过程中每天对砂含水率监测2次,使用超前探管取出掌子面前方2~3m的原状砂,使用酒精进行烘烤。根据日常实验,测定砂的正常含水率为6%~9%,超出此范围需给予高度重视,及时采取加强措施,同时加强拱顶及地表的沉降监测。 2)超前支护 超前小导管由原来的2榀一打改为每榀一打,长度为1.8m/根,环向间距加密,调整为20cm/根,注浆液采用固砂剂,配合比为(1∶3)~(1∶4)。必要时对上台阶掌子面进行全断面注浆,此时采用L=3.0m的长导管,每施工1.5m施做一次全断面注浆,保证注浆体的搭接。2·3 区间隧道二衬施工技术 区间隧道标准断面采用定型模板台车,考虑直线段的施工进度及曲线段转弯半径的影响,台车长度设计成9m+3m的结构形式。直线段使用12m进行衬砌施工;在曲线段,将台车3m段拆除,分9m为一个循环进行施工。 1)施工步序 首先进行仰拱二衬施工,然后在仰拱上绑扎拱部钢筋,支立台车,浇注拱部混凝土。 具体施工步序如下:基面处理→仰拱防水层→仰拱钢筋绑扎→仰拱混凝土→拱部防水层→拱部钢筋绑扎→支立台车→拱部混凝土浇注→下一循环。 2)施工方法 仰拱采用定型钢模板进行混凝土浇注,中间用丝杠连接,可以方便调节净空尺寸。待仰拱混凝土达到设计要求后,使用台车进行顶拱的混凝土浇注。 根据施工工序的要求,二衬将从两端依次向横通道方向进行施工,这样有利于运输及各个施工工序的顺利开展。 3)防水层施工 在初支与二衬之间,设置一道全包柔性防水层,防水材料采用ECB防水板,其参数为:厚度1.5mm,一般每幅长3m,宽2m。在防水板与初支表面之间设置一道缓冲层,缓冲层采用单位重为350g/m2的无纺布,在缓冲层上每隔一定距离布设一个暗钉圈,防水板采用热合焊接的方式焊接在暗钉圈上。防水板搭接采用双焊缝进行热熔焊接,搭接长度为10cm,焊接完成后采用检漏器进行冲气检测,充气压力为0.25MPa,保持压力≥15min。允许压力下降10%,如压力值下降超标,应检查出漏气位置并进行手工补焊。 4)施工缝的预留 隧道结构按施工顺序与工艺设置纵向施工缝及环向施工缝。环向施工缝根据台车的长度确定,直线段每12m设置1道,曲线段每9m设置1道。环向施工缝采用背贴式止水带、1道20mm×10mm遇水膨胀止水条+中埋式注浆管进行加强防水处理。 纵向施工缝设置在两侧轨面线位置,采用背贴式止水带+35cm宽中埋式钢边橡胶止水带进行加强防水处理。3 结论与建议 1)在砂层地质中施工,保证开挖时土体的稳定,尽量不对土层造成扰动是确保施工安全及控制沉降的重要前提。保证开挖时土体的稳定主要从超前小导管施工工艺、拱部开挖时的先后顺序、注浆液的选择等几方面着手。 2)尽量缩短各工序施工时间,把每环施工时间控制在5h以内,及时封闭成环。 3)对锁脚锚管的施工必须给予足够的重视,锁脚锚管是拱部格栅未封闭成环之前有效控制隧道沉降的重要措施。在上台阶格栅的拱脚底部设置混凝土垫块也是控制沉降的重要手段。 4)注意砂层含水率的变化,对含水率出现异常变化的部位必须给予足够重视,拱部出现渗水等现象时很容易产生坍塌的危险。 5)及时进行背后回填注浆,及时填充由于喷射混凝土不密实或拱部土体剥落产生的空洞,尽量减小沉降。参考文献:[1]彭泽润·北京地铁复八线土建工程施工技术[M]·北京:中国科学技术出版社,2003·[2]关宝树.隧道施工要点集[M].北京:人民交通出版社,2003.[3]王梦恕.北京地铁浅埋暗挖法施工法[J].岩石力学与工程学报,1989,(1).
1·2 工程地质 本区间地质为浑河高漫滩及古河道,围岩类别为Ⅰ~Ⅱ类,主要为中粗砂及砾砂层,如图2所示。地形变化比较平缓,地面标高44.67~49.63m,最大地面高差4.96m,区间隧道顶板埋深17.9~10.4m。 开挖时砂层自稳能力较差,当遇到管线渗漏或上层滞水等情况时很容易产生流砂,开挖时必须严格进行超前支护及注浆,保证掌子面砂层的稳定是安全施工的关键。1·3 水文地质 该场地地下水类型为孔隙潜水,稳定水位埋深在5.0~8.6m,绝对标高39.34~41.52m,含水层厚度为33.66~39.30m,区间结构全部位于地下水位以下。1·4 结构形式 区间隧道主体结构为马蹄形断面复合式衬砌结构,采用矿山法施工,初期支护采用C25喷射混凝土+格栅钢架措施,厚度为25cm;二次衬砌采用C30、S10模筑钢筋混凝土措施,厚度为35cm。初支与二衬之间设1道1.5mm厚的ECB柔性防水板进行全包防水处理,如图3所示。 区间隧道开挖断面高度为6.52m,开挖宽度为6.32m,隧道断面接近圆形,充分考虑了合理受力的因素。1·5 工程特点 1)工程环境复杂,管线众多 本标段地处沈阳市老城区,地下管线纵横交错,且老化严重。主要有污水、雨水、自来水、煤气、电信电缆等各种管线,而其中1937年修建的砖砌污水暗渠方沟,纵穿于右线隧道正上方,对隧道开挖产生着直接的影响。暗渠底部埋深3.8m,隧道拱顶埋深16m,暗渠断面尺寸为0.9m(宽)×1.8m(高),施工年代久远,渗漏严重,在施工时必须采取加强处理措施。 2)水位埋深浅 向下开挖5~8m即可见地下水,区间主体隧道全部位于地下水中,增大了施工难度。2 施工方法2·1 区间隧道主要施工步序 本区间隧道标准断面采用上下台阶法进行施工,上台阶施工时预留核心土,下台阶施工时做放坡处理,坡度≤3∶1。根据现场实际情况,上下台阶长度控制在3~5m为宜,如图4所示。在区间靠近怀远门站一侧,左右线分别设置一道人防,人防段长13.2m,采用CRD工法施工,分4步进行开挖。人防断面开挖尺寸为高8.5m,宽8.24m。为保证由标准断面向人防大断面过渡时的开挖安全,在变断面处设置1m的渐变段,坡度为45°,逐渐进入人防断面。人防断面施工步序如图5所示。 由于砂层地质稳定性不好,很容易产生坍塌,除盾构法采用机械施工外,暗挖施工基本全部采用人工进行开挖,并及时喷射混凝土封闭成环,每施工0.5m为一个循环。主要工序为:上台阶开挖→格栅安装→连接筋焊接→打设超前小导管→喷射混凝土→小导管注浆→下台阶开挖→下一循环,每循环施工时间约为5~6h。 由于有轨运输受限制较多,速度较慢,本区间采用无轨运输方式,每个掌子面配备2~3台翻斗车,统一运至竖井提升斗处,再由龙门架提升至地面临时存土场。2·2 砂层地质中初支施工方法2·2·1 超前大管棚 大管棚通常设置在断面变化处及危险性较大的地段。本区间在竖井进横通道马头门处、横通道进区间正线马头门处设置大管棚。大管棚采用Φ108mm、δ=5mm的热轧无缝钢管,横通道马头门处管棚长9m,区间正线马头门处管棚长12m。管身上钻6~8mm的眼孔,梅花形布置,孔距30cm,以保证管棚注浆时浆液的扩散。管棚分节制作,受作业空间的限制,采用3m一节进行施工,施工过程中逐节夯进、接管。接头采用坡口焊连接牢固。管棚沿拱部开挖轮廓线外边缘120°范围布设,环向间距30cm,外插角2°~2.5°。注浆液采用水泥砂浆,浆液配比为1∶1∶1,注浆压力为0.2~0.3MPa。 大管棚在粘土层施工时一般采用夯管锤顶入法,但若在砂层中夯进,容易造成砂层的扰动,在开挖时产生坍塌。本区间采用吹管顶入法,高压风管插入管棚内,将砂子吹出,然后使用冲击钻顶入,顶进30~50cm左右,重复进行吹管,依次循环完成大管棚的打设。2·2·2 超前小导管 小导管采用Φ42mm热轧钢管,δ=3.5mm,一端做成尖状。小导管长L=2.5m,每2榀格栅打设1环。布置在拱部120°范围,环向间距30cm。在管身上钻?(5~8)mm的孔,孔间距8~10cm,梅花形布置,末端1~1.5m不打孔,以防止注浆时浆液外溢。小导管如图6所示。 由于本标段地质基本全部为中粗砂层,土层稳定性不好,在渗漏水较大地段对超前小导管采取加强处理措施,L=1.8m,每榀格栅打设一环。 小导管打设方法:根据砂层地质的特性,小导管采用引孔打入法。首先使用Φ20mm高压风管进行吹孔,然后将小导管直接插入,导管外露端用棉纱封堵,防止喷射混凝土时堵塞管口。外露长度控制在10cm左右,以便于安装管路。 注浆安排在喷射混凝土完成以后进行,目的是防止浆液从开挖轮廓面溢出,影响注浆效果及浪费材料。注浆材料采用沈阳市生产的THE-Ⅱ型固砂剂,其特点是操作简单,凝结速度快,节约循环时间。配合比为:固砂剂∶水=(1∶3)~(1∶4),注浆压力在0.3~0.6MPa,注浆完成后立即用棉纱封堵管口,尽量防止浆液外溢。2·2·3 初支背后回填注浆 由于混凝土的自重及喷射混凝土密实度等的影响,初支背后与土体之间不可避免的会出现空隙。为了有效减小由于空隙引起的地面沉降,在施工时预先埋设Φ42mm注浆钢管,钢管长50cm左右,埋入砂层20cm,外露10cm,梅花形布置在拱顶及两侧拱脚位置,每3~5m设置1道。如图7所示。 待仰拱成环10m左右后,便开始进行背后回填注浆。注浆液采用水泥-水玻璃双液浆,注浆压力控制在0.2~0.4MPa,采用间歇注浆的方式进行,注浆与静压交替进行,保证回填密实。2·2·4 重要地段的施工方法 经过现场调查分析,在右线DK15+800~DK16+070里程段,由于管线渗漏严重,被确定为特殊处理地段。具体措施如下: 1)砂含水率监测 在砂层中,砂的含水率为表征地表安全性的重要参数。在施工过程中每天对砂含水率监测2次,使用超前探管取出掌子面前方2~3m的原状砂,使用酒精进行烘烤。根据日常实验,测定砂的正常含水率为6%~9%,超出此范围需给予高度重视,及时采取加强措施,同时加强拱顶及地表的沉降监测。 2)超前支护 超前小导管由原来的2榀一打改为每榀一打,长度为1.8m/根,环向间距加密,调整为20cm/根,注浆液采用固砂剂,配合比为(1∶3)~(1∶4)。必要时对上台阶掌子面进行全断面注浆,此时采用L=3.0m的长导管,每施工1.5m施做一次全断面注浆,保证注浆体的搭接。2·3 区间隧道二衬施工技术 区间隧道标准断面采用定型模板台车,考虑直线段的施工进度及曲线段转弯半径的影响,台车长度设计成9m+3m的结构形式。直线段使用12m进行衬砌施工;在曲线段,将台车3m段拆除,分9m为一个循环进行施工。 1)施工步序 首先进行仰拱二衬施工,然后在仰拱上绑扎拱部钢筋,支立台车,浇注拱部混凝土。 具体施工步序如下:基面处理→仰拱防水层→仰拱钢筋绑扎→仰拱混凝土→拱部防水层→拱部钢筋绑扎→支立台车→拱部混凝土浇注→下一循环。 2)施工方法 仰拱采用定型钢模板进行混凝土浇注,中间用丝杠连接,可以方便调节净空尺寸。待仰拱混凝土达到设计要求后,使用台车进行顶拱的混凝土浇注。 根据施工工序的要求,二衬将从两端依次向横通道方向进行施工,这样有利于运输及各个施工工序的顺利开展。 3)防水层施工 在初支与二衬之间,设置一道全包柔性防水层,防水材料采用ECB防水板,其参数为:厚度1.5mm,一般每幅长3m,宽2m。在防水板与初支表面之间设置一道缓冲层,缓冲层采用单位重为350g/m2的无纺布,在缓冲层上每隔一定距离布设一个暗钉圈,防水板采用热合焊接的方式焊接在暗钉圈上。防水板搭接采用双焊缝进行热熔焊接,搭接长度为10cm,焊接完成后采用检漏器进行冲气检测,充气压力为0.25MPa,保持压力≥15min。允许压力下降10%,如压力值下降超标,应检查出漏气位置并进行手工补焊。 4)施工缝的预留 隧道结构按施工顺序与工艺设置纵向施工缝及环向施工缝。环向施工缝根据台车的长度确定,直线段每12m设置1道,曲线段每9m设置1道。环向施工缝采用背贴式止水带、1道20mm×10mm遇水膨胀止水条+中埋式注浆管进行加强防水处理。 纵向施工缝设置在两侧轨面线位置,采用背贴式止水带+35cm宽中埋式钢边橡胶止水带进行加强防水处理。3 结论与建议 1)在砂层地质中施工,保证开挖时土体的稳定,尽量不对土层造成扰动是确保施工安全及控制沉降的重要前提。保证开挖时土体的稳定主要从超前小导管施工工艺、拱部开挖时的先后顺序、注浆液的选择等几方面着手。 2)尽量缩短各工序施工时间,把每环施工时间控制在5h以内,及时封闭成环。 3)对锁脚锚管的施工必须给予足够的重视,锁脚锚管是拱部格栅未封闭成环之前有效控制隧道沉降的重要措施。在上台阶格栅的拱脚底部设置混凝土垫块也是控制沉降的重要手段。 4)注意砂层含水率的变化,对含水率出现异常变化的部位必须给予足够重视,拱部出现渗水等现象时很容易产生坍塌的危险。 5)及时进行背后回填注浆,及时填充由于喷射混凝土不密实或拱部土体剥落产生的空洞,尽量减小沉降。参考文献:[1]彭泽润·北京地铁复八线土建工程施工技术[M]·北京:中国科学技术出版社,2003·[2]关宝树.隧道施工要点集[M].北京:人民交通出版社,2003.[3]王梦恕.北京地铁浅埋暗挖法施工法[J].岩石力学与工程学报,1989,(1).
