軟弱地層中地鐵暗挖區間的橫風道動態設計

閆朝濤

(北京市市政工程設計研究總院有限公司,100082,北京∥高級工程師)

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軟弱地層中地鐵暗挖區間的橫風道動態設計

閆朝濤

(北京市市政工程設計研究總院有限公司,100082,北京∥高級工程師)

富水細砂層是北京地區常見的土層,且常常與不透水層形成一種互層的構造形式。這種地層結構往往給地下工程的施工帶來較大的工程風險,尤其以暗挖法施工的大斷面結構更為危險。以北京地鐵暗挖橫風道為例,介紹了軟弱地層中的暗挖區間風道動態設計的依據、原理以及實際施工現場的響應,同時通過過程優化管理最終實現工程的順利實施。對于工程設計者而言,堅持理論與現場實際相結合、堅持動態設計與管理是保證暗挖工程順利實施的關鍵。

地鐵； 暗挖施工； 軟弱底層； 地層變形

Author′s address Beijing Municipal Engineering Design & Research Institute Co.,Ltd.,100082,Beijing,China

1 工程概況

北京地鐵15號線是北京市區連通順義的郊區線,一期工程全長38.3 km。15號線在順義城區的線路全長約7.3 km,東西走向,線路沿順義府前西街、府前東街地下敷設,然后通過潮白河,到達河東俸伯站；線路均為地下線,共設有四座車站,一座為半地下站,其余三座為地下站。15號線東段工程望京西—順義段已于2011年底開通運營。

南法信站—石門站區間是15號線到達順義城區的第一段區間,區間全長約2.5 km,盾構法施工。根據通風專業需要,區間需要設置一處風道,以滿足區間排風和事故排煙等需要。本段區間沿順義府前西街地下敷設,府前西街是順義城區東西向的主要交通干道,穿過最繁華的城區商業街,道路交通流量大。根據區間沿線周邊條件,風井選擇在順鑫石門農產品市場東邊、七分干渠西邊道路南側的綠地內。

2 工程地質及水文條件

工程范圍內的地層為人工堆積層、新近沉積層、第四紀全新世沖洪積層、第四紀晚更新世沖洪積層,由上而下依次為①1雜填土、①粉土填土層、②1粉質黏土層、②粉土、②3細中砂層、④粉質黏土層、④1黏土層、④2粉土、⑥粉質黏土層。從圖1中可以看出,暗挖結構大部分位于新近沉積土中。新近沉積土沉積時間短,土體固結度不高,力學特性差,對暗挖施工十分不利。其中對工程有重要影響的是新近沉積土②3細中砂層,在風道洞身范圍內有兩層分布,第一層厚度4.7～6.5 m,底部埋深9.8～12.2 m;第二層厚度2～3.3 m,底部埋深15.3～16 m。根據地勘報告,該細中砂層含水飽和,內聚力c=0 kPa,內摩擦角φ=15°

擬建場地在勘察深度范圍內,發現四層地下水,其中在結構洞身范圍內有三層地下水,分別為潛水(二)、層間水(三)、層間水(四)。

3 工程設計

根據通風專業需求以及盡可能降低風道施工風險,風道采用了5種結構斷面,均為拱頂直墻加仰拱型式,最大結構尺寸高18.05 m,寬12.3 m,結構埋深7 m。風井結構長13.0 m,寬6.6 m,風井結構深23.4 m。考慮到地下管線以及府前西街的交通情況,風道采用雙側壁導坑和CRD(交叉中隔壁)暗挖法施工,風井采用倒掛井壁法施工,兼作主體風道施工通道。采用降水方式解決地下水問題。本工程最大的風險來自于暗挖風道的洞室開挖與支護。本文就控制風道施工引起的地層變形所采取的技術措施進行論述。

洞室在軟弱土層中開挖引起的應力重分布促使圍巖發生彈、塑性變形,一旦施工方法和工程措施不當,洞室會發生初期支護變形侵限或者坍塌等工程災害。通常,洞室圍巖變形主要由開挖面前方先行位移、開挖面擠出位移以及開挖面后方變形等組成。風道支護體系分別從上述的幾方面變形控制入手設計。

(1) 控制開挖面先行位移。先行位移是隨著開挖面的推進而發生的,先行位移的最大值是在開挖面處,在一般圍巖條件下,其值約占總位移的20%～30%左右,圍巖條件越差,其值越大。開挖通常采取超前預支護以控制先行位移,設計采用了小導管注漿預支護方式進行拱部土體的加固。注漿材料的選用以快速固結砂層為主要原則。考慮到暗挖施工提前疏干地下水,對于無水砂層的注漿材料選用改性水玻璃,有水時則改用水泥水玻璃雙液漿,以加固砂層提高整體性能,避免拱部砂層塌落或失穩。

(2) 控制開挖面擠出變形。控制開挖面擠出位移的技術主要有:改變開挖面形狀、預留核心土、開挖面噴射混凝土、開挖面前方注漿加固等。預留核心土是控制開挖面擠出位移、防止開挖面坍塌的最有效的方法之一,也是我國軟弱地層進行暗挖施工通常采取的必要開挖方式。本工程控制開挖面擠出變形的主要措施是預留核心土和開挖面超前注漿加固。由于本工程洞身位于細中砂、粉土及粉黏土等細粒料層中,刻意追求開挖面形狀不太現實,開挖以滿足開挖面穩定、早封閉、便于施工為準。預留核心土即以弧形開挖,核心土上部寬度2～3 m,下部寬度3～5 m。超前開挖面注漿以WSS(無吸縮)注漿方式進行,對砂層進行全斷面加固,注漿達到擠壓、密實開挖面前方土體的目的,每次加固深度為10 m,以覆蓋開挖面前方擠出變形的影響深度。

(3) 控制開挖面后方變形。開挖面后方變形約占總變形量的60%～70%,控制初期位移速度的發展至關重要。初期支護設計主要是控制這部分變形,該部分變形量不僅取決于初期支護的剛度、強度,同時也受初期支護施作方式以及時間的影響。本工程初期支護采用300 mm厚C20混凝土,φ25 mm格柵鋼架以及雙層鋼筋網。風道的二襯采用700 mm厚C40抗滲混凝土,在完成開挖支護后盡早施作。

(4) 快速施工是軟弱圍巖隧道修建的核心,也是淺埋暗挖法技術發展的目標。因為軟弱圍巖的蠕變特性使其變形持續時間長,如果施工速度緩慢,支護形成封閉時間長,就很容易出現大的變形,甚至過度松馳而塌方。本工程根據風道跨度采用雙側壁導坑和CRD暗挖施工、多部開挖,達到快速封閉目的,以減少圍巖收斂、變形。

(5) 科學管理是落實設計意圖關鍵環節。根據工程經驗,出現工程事故的現場總是暴露出施工管理方面問題,分析原因,很大部分在于管理人員不了解設計意圖和專業素養不足,放任現場的違規操作,埋下工程隱患。例如,初期支護中噴射混凝土須滿足以下要求:及時、分層、密貼(圍巖)、密實。每一項要求都影響著噴射混凝土作用的發揮,其中,密貼的作用是保證混凝土與圍巖間產生剪切力,該剪切力以切向應力傳遞給圍巖,有助于圍巖內形成拱狀的壓力帶,促使洞周圍巖體的穩定。而在現場施作中能達到上述四點要求的很少,這就降低了初期支護承載及抗變形能力,因而在施工過程中經常出現變形過大、沉降超標現象。

4 施工中出現的問題

本風道工程的風井采用倒掛井壁法施工,利用風井作為施工豎井下挖,然后破馬頭門,進行主體風道暗挖施工。

施工前提前進行了降水作業,以盡量保證無水開挖土方。開挖至第一層②3細中砂層時地下水出現疏不干現象,導致水土流失嚴重,側壁局部坍塌失穩,存在工程風險。根據專家意見,加強地層降水、強化降水管理,以確保施降效果,同時結合坑內排水等進行綜合處理。但在隨后的施工中,特別在第二層②3細中砂層,上述問題仍然存在,使豎井下挖困難。根據施工過程中地層出現的情況,推斷其原因主要為七分干渠河道長期作用下,河道周邊已形成許多疏松的地下過水暗道,使擬建風道受其影響嚴重；其次是新近沉積土②3細中砂層沉積固結不足,物理力學性能差,對地層擾動敏感。

5 動態設計管理

考慮到之后的橫風道大斷面開挖面臨的流砂坍塌情況,風道的設計有必要進行適當的優化。根據工程特點和施工中暴露的問題,本工程主要進行了開挖斷面和開挖步序這兩方面的優化。

5.1 單洞大斷面優化為雙洞小斷面

地下洞室開挖斷面大小對圍巖變形區域和量值影響顯著,隨著斷面尺寸加大,圍巖的地質模式可能改變,實質上圍巖的級別可能發生了改變,在城市土質地層中,主要表現為隧洞的穩定性及地層松動變形范圍發生變化。

對于開挖跨度的影響,通常的做法是改變圍巖級別或改變開挖、支護模式。而改變開挖、支護模式是處理跨度影響的常用方法,通常有全斷面開挖、分層開挖以及分部開挖等三種開挖方法,支護類型分柔性支護和剛性支護。

北京地層以粉土、粉黏土、砂土以及砂卵石地層為主,對于大斷面暗挖施工通常采用洞樁法或分部開挖法。洞樁法最早應用于北京地鐵暗挖車站,其原理是先通過施工小導洞,形成樁柱體系,然后開挖主體大斷面的拱部,拱部二襯支撐于樁柱體系上,完成對上部土體的支護,然后再進行下部土體的開挖以及剩余主體結構的施工。

與分部開挖法相比,該方法通過扣拱體系提前完成對地層土體的支護,有利于控制地層沉降、保護周邊(構)建筑物,其設計理念先進,暗挖斷面越大,優勢也越明顯。但洞樁法也存在較多缺點:節點質量難保證、工序轉換多、結構滲漏、施工技術要求高以及工程造價高等。分部開挖法是一種比較常用的暗挖施工方法,多應用于跨度7～16 m暗挖工程中,對于地層變形要求比較嚴格的環境,可適當增加支護剛度。大斷面隧道開挖分部越多,每部開挖的斷面就越小,閉合時間就越短,開挖引起的沉降也就越小,但每一部的開挖對拱頂都將引起沉降變形。

一般來說,開挖分部越多,在同樣的地質條件下,拱頂發生的總位移變形越大。因此,大斷面分部開挖不僅要考慮地層變形的限制,還要結合施工條件、滿足單部開挖的可實施性，以及早封閉的要求，來合理劃分開挖分部。

本風道原設計單洞斷面最大開挖面積205.5 m2,采用15分部開挖,平均每部開挖斷面約14 m2。這在穿越地下管線時很難控制在限值要求內,故在開挖過程中必須結合實時跟蹤補償注漿以補償地層損失,滿足管線對變形的要求。根據風井開挖的經驗來看,風道施工遇到細中砂時出現流砂、局部坍塌現象將不可避免,這無疑會加劇地層的變形,使工程實施風險加大。基于此,風道斷面的優化顯得尤為重要與必要。原風道結構平面見圖2。

圖2 原風道結構平面圖

(1) 經過對現場的踏勘、與相關專業的配合,最終將風道由大斷面單洞優化為分離式的雙洞方案,既保證了使用功能,又達到降低工程風險的目的。優化后的最大斷面寬7.6 m,高14.32 m,總開挖面積104 m2,設計采用8部開挖(見圖3)。優化后的最大斷面尺寸減少了近50%(見圖4),開挖分部也減少了7部,該項優化給其它控制措施提供了基礎,對地層變形控制貢獻很大。

圖3 優化后風道結構平面圖

圖4 優化前與優化后結構最大橫斷面圖

(2) 風道優化對地層變形的貢獻。采用midas GTS軟件對優化前后的兩種斷面進行數值模擬計算(地層變形見圖5),相同條件下,優化后的斷面不僅影響的地層范圍小,而且對地層的擾動變形也小。根據計算的結果,優化前大斷面引起拱頂地表沉降最大值約70 mm,優化后則僅為27 mm。

圖5 優化前與優化后風道開挖引起的地層變形模擬情況

(3) 工程投資及工程風險控制。優化后的風道增加一處風井并增設一處縱向連接風道,投資概算增加約260萬(不含施工過程中同步補償注漿等控制地層變形措施)。從工程實施效果看,風道下穿管線及府前西街等重要部位的地表沉降處于可控狀態,滿足管線及道路沉降限值要求。

5.2 變換分部開挖步序

優化后風道寬7.6 m,高14.32 m,采用CRD 4層8部開挖。對于開挖的順序,國內研究已經很多,針對第2步開挖哪個部位有兩種觀點：在寶蘭二線新曲兒岔雙線施工中,文獻[3]認為第2步開挖第二層分部時可以較好控制隧道變形。在施工洋碰隧道時,文獻[4]認為第2步開挖第一層另一分部時可以較好控制隧道變形。在廈門翔安海底隧道施工中,文獻[5]分別對兩種開挖順序進行了現場試驗研究,從統計資料顯示,第2步開挖第一層另一分部比開挖第二層分部控制拱頂變形能力強。文獻[6]在對北京地鐵10號線光華路站側洞施工進行數值模擬

分析中認為,第2步開挖第二層分部控制地層變形能力強。綜合分析上述工程施工條件以及其它類似工程,具體施工分部開挖順序不僅與施工便利性有關,而且與地質條件密切相關。數值分析在工程實施前起到了很好的參考指導作用,但眾多的實例證明,由于模擬計算無法考慮土質的不均勻性、各向異性以及施工水土流失、超欠挖、時空效應等,其結果往往與實際相差較大。本工程原設計方案參考了北京地區類似工程的常用開挖步序,選用了第2步開挖第二層的方式,具體步序見圖6。在施工過程中出現了問題,由于第二層頂部位于細中砂層中,第2步開挖時出現了頂部坍塌現象,風道拱部沉降嚴重,因此,開挖步序及時進行了調整,第2步開挖調整為第一層另一分部,具體調整見圖7。同時通過上部空間對第二層外側砂層進行超前土體加固,對比發現,此調整更有效地控制了風道頂部整體下沉變形。

圖6 調整前開挖步序圖

圖7 調整后開挖步序圖

6 結語

本暗挖工程所處地質條件較差,但通過各方努力已順利完工并交付使用。暗挖工程能否順利快速完成,取決于參建各方對暗挖工程的認識與管理。對于工程設計者而言,堅持理論與現場實際相結合、堅持動態設計與管理是保證暗挖工程順利實施的關鍵。

[1] 關寶樹,趙勇.軟弱圍巖隧道施工技術[M].北京：人民交通出版社,2011.

[2] 關寶樹.隧道與地下工程噴混凝土支護技術[M].北京：人民交通出版社,2009.

[3] 趙源林，姜玉松.既有鐵路路基下軟巖隧道的CRD法施工技術[J].安徽理工大學學報,2005(2):29.

[4] 徐林生，孫鈞，蔣樹屏.洋碰隧道CRD工法施工過程的動態仿真數值模擬研究[J].地質災害與環境保護,2001(1)：58.

[5] 傅洪賢，劉永勝，郭衍敬，等.廈門翔安海底隧道施工關鍵技術研究[J].中國工程科學，2009(7):30.

[6] 劉惠敏，趙月.CRD法不同施工工序的比較與分析[J].隧道建設,2005(5):6.

Dynamic Design of Metro Wind Passage for Excavation Tunnel in Soft Geological LayersYAN Chaotao

Water-rich fine sand layer is usually seen in the stratum area of Beijing. When combined with the impermeable layers, it often forms an interbeded formation that will bring great engineering risks to the underground project construction, especially to the large cross-section structure in excavation construction projects.Taking the excavation of wind passage in Beijing metro as an example, the design basis, principle and responses in the actual construction are introduced. Meanwhile, an optimized process management is introduced to ensure the smooth implementation of the project. For the engineering designers, the key to ensure the construction quality of the project is to combine theory with the actual situation, and insist on the dynamic design and management at the same time.

metro; excavation construction; soft geological layer; stratum deformation

U 231.5

10.16037/j.1007-869x.2016.05.023

2014-12-15)