富水地層熱力暗挖隧道穿越城市主路橋區綜合施工技術研究

張 振 北京熱力集團有限責任公司 北京 100028

前言

熱力隧道作為城市集中供暖的專門隧道,是城市發展的必然化結果,而熱力隧道建設過程中穿越主城區已經成為一種必然。傳統熱力隧道明槽開挖,不僅會影響城市交通,還會對周邊居民生活帶來一定的不便。隧道暗挖簡稱“NATM”也被稱之為淺埋暗挖技術,整個施工過程中以“新奧法”為基本施工原理,以地質條件改造為基本前提,以地表沉降控制為重點,施工過程當中會采用多種措施輔助以提升整個圍巖的負載和抗震能力,通過超前支護與整個圍巖周邊組織構成一個相互聯合的支護結構體系,最大限度地減少圍巖變形現象的發生,最大限度地減少對地上建筑以及地下管線的影響,即使是在富水地層依然可以得到良好的應用效果。

一、富水地層城市主路橋區施工技術難點

(一)工程概況

本次施工市政工程熱力暗挖隧道全長437.6m,整個斷面結構為馬蹄型,隧道結構形式為復合襯砌結構,開挖凈尺寸為5.55m4.40m,二襯內尺寸為4.35m2.75m,該段工程位于主城區,周邊環境較為復雜,下穿主路、立交橋加筋土以及地鐵區間,區間段地質層次從上至下依次為粘質粉土、中砂、卵石等,主要體現為富水地層,整個工程段風險源諸多,一旦施工過程控制不當很容易產生流砂涌水現象,沉降控制更為困難,為此,只有采取有效的止水措施才能夠確保施工狀態無水,實現整體施工質量的提升。

(二)工程難點

1、環境條件復雜,變形擾動控制難度大

本工程項目位于城市主路橋區,該區域內環境構成較為復雜,不僅暗挖隧道下穿主路、立交橋加筋土以及地鐵區間周邊交通量較為龐大,且整個暗挖隧道管線周邊建筑物較為密集,諸多建筑物的基礎均處于隧道施工擾動范圍之內。而在地質方面,經勘測,整個隧道所處地層為富水地層,該地層地質較為軟弱變形沉降極易發生,如此復雜的環境條件為變形擾動控制帶來了極大的挑戰,施工過程當中不僅要求避免危及隧道管線周邊的建筑安全、避免對周邊正常生活生產秩序產生影響,還要最大限度地提升工程質量保證工期。

2、圍巖軟弱易擾,隧道穩定性急需提升

本熱力工程暗挖隧道處于富水地層,圍巖軟弱易擾是最大的施工難點,一旦隧道開挖后很容易在自重應力的影響之下產生洞體松弛變形甚至有變形坍塌的風險。另外,整個施工過程一旦對地下水處理不當,地下水的存在會導致施工區域內圍巖軟化,從而造成圍巖穩定性的下降,尤其當圍巖由硬塑轉變為流塑之后會隨著地下水一同涌入隧道內部,這樣必然會形成大量的坍塌涌泥,加大施工清理難度,影響正常工期的同時危及周邊結構以及施工安全。

3、防排水挑戰大,精細化設計管理突出

工程段內降雨充沛地下水豐富,隨著隧道的開挖會有大量的地下水滲入隧道,而且因為暗挖隧道構筑于地下,處于各種地下水的包圍之中的隧道隨時隨地都在接受重重考驗,這樣一來,該種情況之下在防排水體系設計考量時必須要體現出精細化設計,否則稍有缺陷產生就會引起隧道滲漏水;整個工程段設計考量的過程中必須綜合整體工況,遵循基本原則,避免產生疏忽而影響施工質量同時為隧道使用壽命留下安全隱患。

二、綜合施工控制重點

1、地質地形勘測

本工程暗挖段所處地質環境較為特殊,在勘察階段只有明確圍巖的基本狀況特性,并對所處地段可能引發地質災害的不良地段的具體位置以及規模形態作出準確預報,才能夠明確隱藏的地質問題,并針對性地采取措施實現預防,減少施工過程當中的盲目性,從而優化設計完成有效施工質量控制避免地質災害帶來的負面影響,從根本上保證暗挖隧道的快速安全施工。本工程施工前的地質地形勘測評估由第三方輔助單位完成,結合多種先進勘測手段的應用完成科學預判,對隧道施工影響范圍內的環境以及地質地形等基礎情況進行了超前預報,明確了地質地形的基本情況,也明確了要害集中部位。

2、方案設計

方案設計是整個工程施工的基礎,整個設計方案應遵循管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤測量的基本施工原則,結合地質地形勘察結果和整個工程實際完成綜合設計。整個方案設計中包括原材料的選擇、機械設備的配置、工藝流程的確認,同時也包含相應的人員配置、應急方案的制定、工程管理的責任規劃等等。設計過程中,以國家、市政建設基本建設方針以及政策指標為標準,通過詳細參數的設定,保證精心組織、精細施工,確保整個工期有序進行,保質保量按時交工。本工程圍繞原始資料展開,設計過程中聚集多方人才,經過合理的統籌規劃,最終完成方案敲定,無論在理論、技術還是試驗、監測等方面都作出了充足的準備。

3、沉降監測

熱力暗挖隧道施工過程中沉降監測是施工重點,尤其本工程處于富水地層,沉降變形坍塌風險極大,因此必須對暗挖隧道施工范圍內的圍巖、土體、地表環境以及支護結構隨時進行監測和分析,同時通過信息化手段掌握變化趨勢,以此及時地發現問題并采取積極的措施應對以確保工程質量和安全。整個監測過程中以GB50026-2007《工程測量規范》為標準,以精密水準儀以及銦鋼尺為監測工具,以二等垂直位移法為基本技術,以每日2次為監測頻率,將路面沉降作為監測重點,通過科學的監測數據分析,了解暗挖隧道結構狀態。值得注意的是,監測過程中需要設置預警值,一旦監測數據超出設置的預警值則需要采取必要的措施進行干預。

三、綜合施工技術提升措施

1、全斷面深孔注漿止水

本暗挖隧道處于城市主路橋區,交通負荷十分突出,諸多受力之下塌方概率大有增加。且本工程段處于富水地層,地下水位高含水量高、降水沉降較大、地層較為敏感、土體穩定性極差,極易產生流沙、管涌現象,為有效提升隧道開挖過程當中的圍巖穩定性,故采用全斷面深孔注漿止水技術保證在隧道外圍形成一道有效的止水帷幕,進而阻止地下水滲入隧道施工范圍,保證整個工程在無水或少水狀態下進行,同時避免施工過程當中因地下水流失產生沉降而影響主路橋區的交通通行。本工程選取二重管后退式注漿方案,二重管注漿能夠保證鉆進設置位置之后利用鉆桿實施注漿,該種施工方式可以隨時對注漿孔的注漿角度進行調節同時具備顯著的施工效率(圖1為二重管后退式注漿順序)。

圖1 二重管后退式注漿順序

本工程施工設備選取為TXU 一75A 型二重管坑道鉆機以及SYB-60/50 型雙液壓注漿泵,漿液配置為普通水泥漿同改性后水玻璃混合漿液。整個施工過程嚴格參照施工方案設計參數操作進行,鉆孔孔位以工作面為圓心向朝向開挖方向逐漸從內圈向外圈的輻射,為有效防止串漿現象采取間隔鉆孔的施工方案。注漿方式以后退式分段注漿為主,整個注漿過程當中嚴格控制壓力密切關注漿量,待土體圍巖強度達標后實施隧道開挖施工。

2、小導管超前加固支護

為有效方尺塌方,保證熱力隧道結構穩定,小導管超前加固支護作為暗挖隧道圍巖輪廓線的預加固處理能夠形成管棚效果,該工序以滲入性逐漸為加固肌理,利用水泥漿液的膠結作用整合破碎圍巖,可以改變圍巖力學性能、提升隧道自穩能力、縮短隧道開挖時間,同時擁有施工簡單可操作性強經濟效益明顯的優點。整個工序關鍵控制點在于注漿指標,因此必須嚴格按照操作步驟執行并在注漿工作完成后選用注漿管對注漿管進行封堵,注漿過程中須嚴格觀察參數,一旦在注漿過程中發現壓力升高應立即停止注漿排除堵塞,若注漿過程中發現注漿工作無法進行,可通過補孔重注的方式重新完成(圖2為小導管施工剖面圖)。

圖2 小導管施工剖面圖

本次熱力暗挖隧道為方便插打防止漿液前沖小導管選用錐形,通過小導管的梅花孔保障漿液的擴散,小導管超前注漿施工前首先進行壓水試驗保證管路的暢通,注漿過程選用自下而上的錯位交叉間隔注漿。本工程段處于富水地層,為增強圍巖剛性故選用改性水玻璃為注漿漿液,注漿壓力嚴格控制根據施工現場確定在0.3～0.5MPa,同時注漿速度控制在30L/min。另外,熱力隧道暗挖過程中難免與其他管線隧道產生交集,諸多管線交叉處無法進行小管超前施工,故以噴射混凝土填充代替,通過例行鋼完成支撐保證穩定。

3、減小循環進尺間距

主路橋區熱力隧道開挖要最大限度的較少為地上交通的影響,為此初襯施工開挖選取上下臺階法短進尺開挖,通過縮短開挖距離減少循環進尺的基本操作以減少暴露時間,遵循先挖邊緣留中心土再全面開挖的形式,保證挖、支、噴三個環節緊跟進行,同時采用微震控制爆破技術將爆破振速控制在允許范圍之內,以保證地表建筑物安全以及相鄰隧道巖體的安全。另外,開挖之前通過洛陽鏟的使用完成超前探測,鋼格柵鋼架安裝的過程當中通過激光指向儀的使用保證中心、高程的有效控制。

暗挖隧道施工過程當中初期支護和土體之間極易發生分離,為了保證初期支護和圍巖之間能夠形成共同受力保證土層穩定,故通過格柵加密加大混凝土噴射密實度的方式保證及時回填注漿及時止水,增強結構受力控制地層下沉?；炷羾娚涿鞔_開挖尺寸完成浮渣清除,噴射過程中緊跟開挖工作面自下而上垂直作業。首先完成鋼筋格柵同壁間的噴射工作,再噴射兩鋼筋格柵之間,整個噴射過程需滿足密實、平整、無脫落、無滲水的要求。因圍巖平衡時間有限,本次所有施工步驟在4～6小時內完成,同時通過真空泵輔助排除殘留水量。

4、增設鎖腳錨桿支護

隧道臺階法施工開挖之后盡管小導管注漿形成拱部拱架安裝,但短時間之內不能完成封閉成環,因此留下一定的安全質量隱患,通過鎖腳錨桿的支護方式能夠合理地完成小導管洞軸方向旋轉的約束,而合理的鎖腳錨桿長度不僅對于限制圍巖變形有著積極的意義在促進支護結構的承載力上也表現得十分突出。鎖腳錨桿支護施工流程以立架、鉆孔、安裝為主,整個安裝過程序嚴格按照圖紙以及相關技術規范進行操作,對鉆孔角度以及深度實施嚴格控制,包保證鉆孔呈直線型并在鉆孔完成之后清理干凈。本熱力暗挖隧道在完成鎖腳錨桿支護工作時以螺紋鋼筋作為錨桿,漿液選擇低堿水泥現場拌合。

5、組合型鋼支撐減降

由于本次熱力暗挖隧道工程位于主城區,地上環境較為復雜,大量的交通同行無疑增加了隧道拱頂的荷載,故防止拱頂下沉減少地面的沉降為主要的任務,為此通過架設臨時組合型鋼架設豎向支撐輔助增強隧道拱頂的承載力,同時更能良好的解決開挖工期長、施工質量難達標的問題。臨時組合型鋼架的使用能夠有效代替核心土建施工,為現場的運輸以及交通組織提供了便利的條件,提升了施工安全性,同時為二次襯砌打下基礎。臨時組合型鋼架施工方案建立在有限元軟件的分析基礎之上,通過對隧道基本情況的工況分析完成合理支護參數的確定,綜合熱力隧道施工實際本工程施工以2m 為間隔完成豎向支撐架設,為保證整體性特在臨時組合型鋼架與鋼格柵連接處預埋厚鋼板。因為是臨時支護因此組合型鋼支撐在初襯完工之后二襯進行之前需進行拆除,拆除順序以施工順序為參考,整個拆除過程中隨時對隧道拱頂承載力進行觀測保證工程質量。

6、初襯背后回填注漿

回填注漿主要解決的是襯砌完成之后隧道拱頂與隧道圍巖之間的空隙問題,施工之前要對初襯的厚度以及脫空的厚度進行確認。鉆孔過程當中嚴格對鉆機進行控制防止發生鉆孔偏移和卡鉆的現象,同時注意做好鉆孔記錄,及時掌握鉆孔深度嚴禁穿透防水板。注漿沿著隧道縱斷面高程的底部開始,預留一定的空隙保證漿液順利流出,該過程當中通過排氣管的預埋保證注漿效果,隨時檢查注漿管保證注漿暢通。本工程初襯背后回填注漿在初支封閉成型完成之后進行,隧道頂部每隔3m 完成短管預設,漿料選用水泥砂漿。

結論

熱力隧道施工的根本目的在于集中完成熱力管線的安置,必須嚴格控制施工質量,減少施工風險。本次富水地層熱力暗挖隧道在穿越城市主路橋區,施工過程當中地形較為復雜,施工難度較大,通過采取綜合施工技術措施,遵循暗挖隧道18字方針,在嚴密的沉降監測和嚴格的施工控制下通過主要風險源,在不影響周邊居民正常生活秩序的情況下,有效控制路面沉降,保證了安全施工,并按期完工。