大斷面淺埋隧道穿越軟弱土層加固方法研究

付順義,陳龍飛,王 哲

(1.浙江天成項目管理有限公司,浙江 杭州 310006;2.浙江工業大學建筑工程學院,浙江 杭州 310014)

大斷面淺埋隧道穿越軟弱土層加固方法研究

付順義1,陳龍飛1,王 哲2

(1.浙江天成項目管理有限公司,浙江 杭州 310006;2.浙江工業大學建筑工程學院,浙江 杭州 310014)

淺埋暗挖法施工技術在地鐵、小型過街通道及山嶺隧道淺埋段被大量應用,但對于地表水位高、覆蓋層淺、隧道斷面大等仍存在很多需要解決的問題。今以杭州市紫之隧道深厚軟土地區淺埋暗挖法工程案例為背景,重點介紹了紫之隧道淺埋暗挖段穿越較厚的淤泥質粉質黏土層的土體加固方法的探索與實踐過程,并客觀地分析、總結了施工中出現的問題和應對措施及經驗教訓。

淺埋暗挖；軟弱土層；土體加固方法；有效措施

隨著社會的不斷發展進步,淺埋暗挖法施工技術在地鐵、小型過街通道及山嶺隧道淺埋段得到了大量應用[1-2],但是,杭州市紫之隧道淺埋暗挖段完全穿越⑤號淤泥質粉質黏土層,且地表水位高、覆蓋層淺、隧道斷面大、距離長、地下管線復雜而且設計采用CRD 4部法進行開挖支護,這類案例在全國實屬少見,基本無成功經驗可以套用。試驗段實施過程中經常出現較大的沉降變形,甚至多次發生險情,一波三折,施工難度和工期壓力極大。該工程的關鍵和挑戰在于土體加固效果,它是工程能否順利推進的前提條件,參建各方在土體加固方法方面做了積極的探索和抉擇,希望能為類似工程的參建各方尤其是決策者提供土體加固方法的典型案例。

1 工程概況

杭州市紫之隧道(紫金港路—之浦路)工程隧道全長約13.9 km,道路等級為城市機動車主干道,其中淺埋暗挖段完全穿越⑤號淤泥質粉質黏土軟弱土層,西線與東線分別長250.4 m和243 m,覆土厚度8～12 m,洞身開挖跨徑12.8 m，高度9.7 m,覆跨比為0.625～0.937。

1.1 工程地質條件

⑤層：淤泥質粉質黏土,灰色,流塑,飽和,厚層狀,含有少量有機質,稍有光澤,韌性中等,干強度高,無搖震反應,屬軟土類,具有低強度、高觸變性和高壓縮性及無自穩性等特點,地質劃分為Ⅵ級圍巖,屬于不良地質中的軟土類。見表1。

1.2 水文地質條件

施工區域處錢塘江河谷和山谷交匯處,地下水埋深1～1.5 m,主要接受大氣降水和地下側向徑流的補給,地下水位受降雨量影響變化較大。

表1 淤泥質粉質黏土物理力學指標

1.3 周邊環境及地下管線分布

側穿五浦河,距河邊8～12 m,明水位為2.5～4 m,有充足的補給水源；下穿現狀交通繁忙的之江路,地下管線有燃氣、電力、自來水、污水、軍用通信光纜、雨水等管道,不具備明挖施工條件。

1.4 軟弱土層淺埋暗挖隧道施工難點

圍巖自穩能力極差,土體加固達不到設計預期效果時,開挖后易產生坍方,洞內初期支護沉降變形大,安全風險高,使施工難以進行；同時,地表沉降難以控制,易引起地面道路開裂甚至坍塌,危及相鄰地表建筑物安全及地下管線安全運營。

2 設計思路

設置30 m試驗段,探索適當的加固設備和加固方式,使高壓水泥漿或水泥-水玻璃雙液漿通過滲透、擴散、劈裂、擠密和膠結作用,對洞身開挖輪廓線上下3 m范圍內土體進行改良加固,改善周邊土體物理力學性能,增加土體自穩性并形成“土拱”效應,并結合注漿大管棚及小導管超前聯合支護形式,起到控制地表與洞內沉降變形及止水帷幕的作用。

先加固、后開挖,取得理想的土體加固效果是該類隧道順利推進的基本前提條件,以施工過程中的監控量測信息反饋指導施工和設計,確保施工安全。

3 30 m試驗段實施情況

3.1 土體加固方法

3.1.1 洞口6 m段土體加固方法

對洞身開挖線周邊3 m范圍內區域土質采用Φ800 mm密排三軸水泥攪拌樁進行加固,障礙物處采用二重管高壓水泥旋噴樁進行補強。

3.1.2 6～12 m段土體加固方法

采用全斷面后退式分層劈裂注漿加固(圖1),注漿主要參數：鈣塑聚丙烯花管Φ48 mm×4 mm@500 mm×500 mm,L=13 m,止漿墻4 m,梅花形布置,內側鈣塑管水平布置,周邊注漿管帶一定外插角對洞身開挖線外圍3 m進行加固,注漿壓力1～1.8 MPa,擴散半徑0.9 m,注漿材料采用超細水泥-水玻璃雙液漿,水灰比0.8～1,C∶S為1∶(0.6～1)(體積比),水玻璃模數2.6～2.8,水玻璃濃度35BE′,凝結時間50～80 min,每孔平均注漿量約0.33 m3。

圖1 隧道全斷面注漿孔立面

3.2 12～30 m段設計調整情況

取得理想的土體加固效果是該類隧道順利推進的基本前提條件。上導洞推進至12 m后,根據監控量測反饋的信息及現場實際情況,設計單位及時做了部分方案調整和嘗試,將鈣塑管注漿改為Φ48 mm、L=7 m的小導管注漿,同時上導坑高度由5.2 m調整為3.7 m,4部法調整為6部法；但是，土體加固仍未取得明顯效果,地表沉降多達400 mm多,洞內多處出現因初期支護侵限而換拱問題,一度出現險情,歷時4個月上導洞才掘進至21 m。為了從根本上控制沉降變形并消除安全隱患,30 m段試驗段加固方案最終調整為：在管棚外側打設豎向雙排MJS工法樁(定向水泥樁),洞內打設水平MJS樁,開挖工法由6部法又調整回4部法,30 m試驗段從2014年4月初進洞至10月初歷時6個多月,工期延誤較大。

4 試驗段土體加固方案的比選及后續段落實施情況

4.1 土體加固方案的比選

土體加固方案的定性分析指標見表2。

綜合考慮試驗段土體加固效果、沉降變形、安全風險、工期要求、費用及可操作性等因素, 經反復比選,參建各方一致認同地表垂直加固,考慮到地表加固對管線運營影響較大及側向五浦河高水位的滲透水對施工的影響后,設計對加固方案進行了重大調整：在地表采用高壓旋噴樁對洞身開挖線周邊3 m內區域進行垂直加固,并沿洞身左右兩側3 m線密排打設高壓旋噴樁止水帷幕,管線位置影響旋噴樁加固的區域采用洞內小導管補注漿加固。

表2 土體加固方案的定性分析指標

4.2 高壓旋噴樁地表加固實施情況

4.2.1 高壓旋噴樁施工參數

1)加固方式及范圍：地表垂直高壓旋噴樁加固,隧道開挖輪廓線周邊3m內區域。見圖2、圖3。

2)主要設計參數：

①采用二重管旋噴加固處理；②樁徑為Φ600 mm,平均樁長L=16 m；③采用42.5R復合硅酸鹽水泥,水灰比1.0,Ⅱ區水泥摻量為400 kg/m3,Ⅰ、Ⅲ區水泥摻量為380 kg/m3；④樁位布置是Ⅰ、Ⅲ區為旋噴樁間距800(橫)mm×900 mm(縱),矩形布置；Ⅱ區為旋噴樁間距600 mm,樁間相切布置。

圖2 高壓旋噴樁地表加固平面布置示意圖

圖3 高壓旋噴樁地表加固斷面布置示意圖

4.2.2 土體加固效果總結

從對樁體取芯檢測結果、洞內掌子面開挖揭示的斷面情況及監控量測結果來看,高壓旋噴樁地表加固能夠達到設計預期效果,隧道能夠持續掘進,安全風險總體可控。

高壓旋噴樁工藝成熟,可操作性強,注漿壓力大,能有效改良土體,大幅提高土體力學性能。

5 施工中出現的問題及有效應對措施

5.1 對地下管線運營影響較大

管線保護應對措施(圖4)：

1)對影響民生、安全隱患較大的自來水和燃氣等壓力管道進行臨時遷改；

2)將污水管內污水進行截流并強制排放；

3)其他敏感的通訊管線進行開挖裸露后懸吊,防止漿液堵管；

4)將管線周邊土體加固調整為攪拌樁,以降低加固壓力,減小土體隆起；

5)加強監測,做好與產權管理單位的協調工作,確保管線安全運營。

5.2 加固薄弱區的存在

受地下管線位置影響,弱電、污水管等管線下方土體未得到加固局部位置沉降較大。

應對措施：1)將管線位置的樁位調整至管線周邊,即在管線周邊打設密排旋噴樁或攪拌樁；2)洞內采用小導管注漿、WSS注漿進行局部輔助補加固。

5.3 受高水位影響較大

五浦河側向徑流及地下水對旋噴樁形成浸泡,影響樁體成型和強度,洞內開挖面和初支面滲水較大。應對措施：

圖4 污水強排、懸吊保護示意圖

1)沿開挖輪廓線左右兩側3 m打設密排高壓旋噴樁或水泥攪拌樁止水帷幕；

2)地表井點降水；

3)洞內勤排水；

4)加強初期支護及二襯防排水,防、排、截、引、堵相結合。

5.4 洞內局部沉降變形大

應對措施：

1)加強支護措施,拱架連接采用工字鋼；

2)臨時仰拱拱架提高一個規格；

3)增加鎖腳小導管數量；

4)拱架落底采用木塊、混凝土塊支墊,以增加承載受力能力；

5)加強工序銜接,提高工效,以減少圍巖裸露時間,及時支護；

6)控制好各施工步距,仰拱及二襯緊跟；

7)初支背后空洞注漿；

8)加強監控量測,做好應急預案,將安全隱患消除在萌芽狀態。

6 結 語

1)對于穿越淤泥質粉質黏土軟弱土層、高水位、覆蓋層淺、大斷面、長距離的淺埋暗挖隧道,良好的土體加固效果是控制沉降變形及確保安全順利掘進的基本及必要的前提條件,采用地表高壓旋噴樁進行土體加固的效果立竿見影,有效解決了上述問題,值得借鑒和推廣使用。

2)洞內加固不論是采取鈣塑管還是小導管,乃至WSS等注漿工藝的,對注漿的專業化程度要求很高,對其工藝要求非常嚴格,尤其是要根本解決注漿管內橡膠密封圈以及管外壁防止反串漿的密封效果的問題,才能確保注漿液在一定的壓力下在土體的充分擴散從而取得良好的改良效果。目前行業內隧道注漿大多流于形式,給隧道掘進帶來了極大的困難和安全隱患,需要從事隧道的施工單位及專業注漿單位潛心研究、反復試驗,在行業內整體提升注漿水平。

3)洞內注漿加固費用低,因注漿壓力小對地表及洞內影響小,對地表構筑物多和管線復雜地段，以及地表覆蓋層厚尤其是短距離小范圍的土體加固尤為適用,但工序多、工藝操作難度大,往往加固效果不理想、占用工期時間長、施工風險大；地表豎向加固工藝成熟、形式多樣、運用廣泛,對地表構筑物和管線少的地段和地表覆蓋層淺以及長距離大范圍加固尤為適用,加固效果較好、沉降變形可控、且占用工期時間短,因注漿壓力大對既有構筑物及管線影響較大,可適當減小注漿壓力,控制好水泥總用量。實施過程中要根據現場具體條件,靈活選擇洞內和地表等土體加固方式,也可配合運用。

4)土體加固后要充分運用取芯檢測、超前地質預報、鉆孔探水、目測觀察等多種形式對加固效果及滲水情況進行預判,開挖支護時要少擾動、快封閉,并應用監控量測信息反饋和優化設計方法,實現少塌方、少沉降、安全施工。

[1] 王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術通論[M].合肥：安徽教育出版社,2004.

[2] 孫恒.城市地下工程淺埋暗挖地層預加固理論與實踐[M].北京：中國建筑工業出版社,2009.

Study on the Reinforcement Method of Shallow Buried Tunnel which through the Soft Soil Layer

FUShunyi1,CHENLongfei1,WANGZhe2

2016-11-29

付順義(1967—),男，陜西西安人，高級工程師，從事交通工程、市政工程的管理工作。

U455.4

B

1008-3707(2017)02-0039-04