穿越工程超前支護優化與安全控制技術研究

蔡根森，梁粵華

(1.新疆交通投資(集團)有限責任公司,新疆 烏魯木齊 830006;2.廣州地鐵設計研究院股份有限公司,廣東 廣州 510010)

管幕、管棚超前支護技術作為加固軟弱地層、減少地層沉降、保護隧道支護結構的輔助施工工法,已廣泛應用于地鐵工程建設項目中。特別是對施工引起的沉降有嚴格要求的隧道施工中如穿越既有公路、鐵路及地鐵隧道和其他結構物,管幕及大管棚超前支護技術能有效地提高地層的穩定性,控制地層與既有結構沉降。

目前,國內外有關隧道超前預加固技術方面的研究較多,閆振虎[1]分析了多種超前支護工況下地表沉降、圍巖變形以及初支內力等力學特性的變化規律。鐘放平[2]采用雙層管棚有效地控制地面沉降,保證了隧道施工安全。陳浩等[3]研究大管棚超前支護施工的主要技術措施和控制地層沉降的方法,得出管棚超前支護結構對保護既有線的結構和運營安全起了重要的作用。茍德明等[4]對雙層管棚在下穿公路連拱隧道施工中的加固作用進行分析評價。朱國偉[5]通過計算分析,采用導向跟管鉆進法兩側相向對打施工,一次性施作超前支護,確保結構安全和地面道路正常通行。吳昊[6]研究近距離下穿條件下合適的支護參數和技術措施,提出綜合采用深孔注漿地層預加固、一次性打設90 m超長管棚預支護和自動化實時監測等綜合技術手段,可有效控制地下商業街及其周邊軟弱地層沉降。王海濤等[7]基于Pasternak彈性地基梁理論對管棚預支護體系的力學行為進行研究,并對不同管棚長度、鋼管直徑及搭接長度條件下管棚的加固效果進行了分析。李沛瑩[8]討論了在不同管棚直徑和不同土體剛度下超前管棚支護對圍巖結構穩定性的控制能力。

既有研究表明,采取管棚超前預加固技術將減少礦山法隧道下穿施工過程中地層與既有結構變形與沉降,保證隧道下穿施工安全。但針對富水全風化花崗巖地層管棚支護參數及管棚鉆進施工方法的研究較少,因此依托本工程針對下穿工況下富水地層管棚支護參數展開優化設計及新型管棚施工方法的研究十分重要,以提高管棚參數設計和施工工法的合理性與有效性,保證既有地鐵結構的穩定性與安全性。

1 工程概況

廣州地鐵某新線區間礦山法隧道大致呈南北向布設,南起盾構段北端,通過臨時豎井進入正線開挖,全長約278 m,拱頂埋深約25 m～30 m。為滿足新線車站越行快慢線分岔要求,下穿運營地鐵段設計為單向雙線隧道,左線跨度15.6 m,高13.756 m,斷面面積184 m2,屬于特大跨度斷面,隧道下穿7號線盾構區間段,相交長度約48.6 m,豎向凈距5.1 m;右線跨度12.0 m,高11.6 m,斷面面積118 m2,屬于大跨度斷面,隧道下穿7號線區間明挖段,相交長度約50.9 m,豎向凈距4.6 m。兩線路立面關系如圖1所示。

新建左線隧道采用雙側壁導坑法施工,超前支護為帶鎖扣φ402 mm×16 mm管幕,全長47 m,從新線車站基坑一次打設;初支35 cm厚,采用C25噴混凝土配以型鋼鋼架及邊墻錨桿;二襯70 cm厚,采用C35,P12模筑鋼筋混凝土。新建右線隧道采用CRD法施工,與高層商業區5根樁基沖突,施工中需對其進行托換[9],超前支護為雙層φ108 mm×6 mm管棚;初支35 cm厚,采用C25噴混凝土配以格柵鋼架及邊墻錨桿;二襯55 cm厚,采用C35,P12模筑鋼筋混凝土。新線隧道具體設計參數如表1所示。

表1 新線隧道超前支護設計參數表

2 超前支護現場試驗

為勘探下穿既有線段地質條件,確保超前支護施工的安全與順利,預先按設計位置在左線隧道輪廓線外0.455 m處施作大管幕支護,通過試驗優化施工參數和工藝控制流程。通過試驗,發現超前管幕實際鉆進過程中,存在以下施工技術難題:1)管幕鉆進施工過程中,多次遇到孤石及中風化巖體,管幕孔徑大,受施工設備限制,導致管幕頂進壓力達到極限值仍長時間難以頂進,大大降低了管幕施工效率;2)管幕施工地層為富水全/強風化花崗巖地層,水壓力高,管幕鉆進施工中滲水量大,導致地下水及管幕周邊土體嚴重流失,易對地層與既有線結構產生較大擾動,不利于既有隧道結構變形控制;3)部分管幕穿過既有建筑物圍護樁結構等障礙物,傳統工藝無法實現破除施工,加大施工難度。管幕試驗異常情況記錄見表2,現場管幕鉆進異常施工圖如圖2所示。

表2 管幕試做異常情況記錄表

3 超前支護結構參數優化

受到施工工藝限制,帶鎖扣管幕無法穿透硬質的孤石或中/微風化夾層,或打穿地下含水層無法有效控制涌水。故結合工程的特點、施工過程中的重難點對超前支護方案進行適用性分析,選用雙層管棚代替管幕,合理設計支護參數,優化施工工藝,以實現管棚鉆進施工中控水保壓,解決穿越地層孤石、圍護樁等障礙物難題。超前支護方案對比分析見表3。

表3 超前支護方案對比表

管棚支護的設計參數主要包括管棚長度、管徑、間距、仰角及導向管長度等。目前相關的設計研究中,確定管棚參數應依據具體工程條件,按工程類比法及規律性研究獲得參數設計取值。

1)管棚布置形式:新線隧道小間距下穿運營中的既有地鐵隧道,地層變形及既有線結構沉降控制嚴格,故選取雙層管棚支護,布置范圍為拱部130°。

2)管棚長度:新線隧道加固范圍包含全部下穿區間,從新建車站南端施作,選用單根總長為47 m的長管棚,在隧道下穿施工前一次性施作,提高下穿施工效率。

3)管徑:通過文獻[10]可知管徑φ79 mm～φ108 mm為位移敏感度的急劇變化范圍,管徑大于φ108 mm小于φ159 mm,管棚直徑的增大對管棚撓度的減小有限,當管徑大于φ159 mm,對撓度控制幾乎沒有影響。茍德明[11]通過雙參數的地基梁模型計算也得出相似結論,并提出隧道設計中宜選用φ89 mm～φ150 mm直徑的鋼管,鋼管壁厚為5 mm～8 mm的建議。石鈺峰[12]指出在分部開挖的大斷面隧道中,應優先選用大直徑管棚,以嚴格控制地層沉降。故左線管棚支護鋼管直徑定為159 mm,鋼管壁厚取8 mm。

4)管棚間距:管棚鋼管的最小間距由下式來計算:

d1=kL

(1)

d2=d1+D

(2)

其中,d1為鋼管最小間距;k為鋼管的施工精度,一般為鋼管施工長度的1/600～1/250;L為鋼管長度,m;d2為鋼管最小中心間距,m;D為鋼管外徑,mm。

根據本次選用管棚的長度為47 m,鋼管外徑為159 mm,取施工精度1/400,得到鋼管最小間距為0.188 m;鋼管最小中心間距為 0.347 m。故在管棚布置間距最小取35 cm。

5)管棚仰角:考慮選用47 m長管棚進行施工,管棚仰角過大會導致管棚偏離隧道周邊太遠,使得管棚支護效果減弱甚至完全消失,故管棚仰角初步設置為0°～3°之間,施工中及時調整角度進行糾偏。

6)長管棚工作室設計:工作室設置在隧道出洞位置新建基坑南端,基坑地下連續墻提供有效的起始固定端,并在隧道輪廓外地下連續墻定位安裝導向管,控制管棚的打入方向。針對長管棚孔口導向管的角度根據管棚布置仰角進行設置,φ159管棚導向孔開設孔徑φ200 mm。根據上述管棚支護設計,具體參數如表4所示。

表4 新建左線隧道超前支護優化設計參數表

4 超前支護結構工藝優化

針對管棚鉆進施工時出水量大,水壓力高,多根管棚鉆進施工穿過既有建筑物圍護樁結構、孤石等問題,通過改進管棚裝置,安裝管棚保壓結構,分情況采用管棚鉆進方式,有效解決了管棚施工難題,管棚具體施工工藝流程見圖3。

4.1 管棚鉆進滲漏水安全控制

優化后管棚鉆進施工配套設備,重點放在管棚施工過程中出水量的控制,即通過設置單向止水閥、密封盒、球閥等裝置實現鋼管內外側出水控制,以及特殊情況下(鋼管斷裂、損壞)的止水控制,保證管棚安全順利施工。穿越富水原狀地層管棚施工方式如圖4所示。

管棚施工過程中鋼管內、外側出水控制:管外水沿鋼管外壁進入孔口管內(孔口管外側與地連墻已封閉),在進入閥門后方密封盒時被阻擋,只能沿孔口管下方設置的旁通閥溢流,通過旁通閥閥門開啟的大小進行水流和鉆進渣土的可控排放;管棚鉆進時由后臺泵送大于孔內水壓力的鉆進循環水,外部水流進入鋼管內部受阻,拆接鋼管時地下水通過端部楔形板設置的輸水孔進入鋼管內部,管口部位設置單向逆止閥門來自動關閉進水,實現作業期間的管內止水要求。管棚鉆進中易受頂進壓力及鋼管壁厚影響,發生鋼管斷裂現象。在管棚鋼管內間隔5 m～8 m循環安裝逆止閥,可確保鋼管在任何位置斷裂都會有相應的逆止閥或孔口管進行控制,有效防止地下水會沿著鋼管斷裂處涌入管內。管棚止水閥布置見圖5。

4.2 穿越孤石、障礙物及圍護結構破除安全控制

當管棚在穿越圍護樁結構施工時,原楔形板鉆頭更換為φ110 mm金剛石取芯鉆頭,第一節管棚鋼管長度大于4 m,便于安裝止水措施(管口金剛石鉆頭后部3.8 m位置處安裝第一道逆止閥),后續逆止閥安裝位置按水循環跟管鉆進方式5 m～8 m依次安裝,孔口管及密封結構安裝參照控向水循環跟管鉆進方法。采用金剛石取芯跟管鉆進施工方法,大大加強了管棚鉆孔精度控制,鋼管軌跡偏差較小,總體精度均控制在30 cm以內。

管棚鋼管端頭安裝金剛石取芯鉆頭,采用水循環置換方式旋轉管棚鋼管至圍護結構或孤石,通過金剛石鉆頭的旋轉切削破除鋼筋混凝土、孤石等障礙物,必要時要從管內送入小口徑潛孔錘,破碎管內芯樣,循環接管取芯破碎完成管棚施工。管棚施工過程中不回撤管,第一道圍護樁鋼筋混凝土芯樣保留在管內,連續鉆進作業,直至完成設計長度。連續取芯跟管鉆進施工方式見圖6。

4.3 超前支護結構施工中既有線安全控制

在管棚施工過程中,通過既有地鐵線洞內靜力水準自動化監測反饋的既有隧道結構沉降變化情況,采用水平跟蹤補償注漿方法對管棚上方土體進行注漿,以抬升既有地鐵七號線,減小既有結構整體沉降,并結合監測數據,實時調控注漿壓力與注漿用量。隧道上方水平跟蹤補償注漿施工如圖7所示,管棚施工階段既有線道床最大沉降監測曲線見圖8。

從圖8可知,超前大管幕支護施作施工過程中,既有線道床持續產生沉降,最大累計沉降值達5 mm;通過優化設計后,有效解決了管棚鉆進過程中無法穿越孤石、圍護樁結構等障礙物難題,根據部分既有線監測結果,可知既有線沉降變化不明顯,沉降曲線趨于平緩,采用水平跟蹤補償注漿措施,將既有線道床抬升約3 mm,從而有效控制既有線結構沉降。

5 結論

本文依托廣州地鐵某新線區間礦山法隧道下穿地鐵線隧道工程,為解決超前支護結構施工過程中,大口徑管幕鉆進困難及滲漏水嚴重等問題,通過優化設計超前支護結構形式,研究選用控水保壓的超前管棚施工方法,運用既有線抬升注漿控制措施,保證了管棚施工過程中地層與既有線的穩定,并驗證了優化后的超前支護施工技術的有效性與合理性。得到主要結論如下:

1)按工程類比法及規律性研究獲得的相關參考公式擬定,采用雙層管棚替換管幕進行超前支護,合理設計支護參數。2)通過優化管棚施工工藝,采用水循環置換方式旋轉鉆進管棚鋼管,有效地控制了水流和鉆進渣土的排放,更好地控制了地層與既有線的沉降。3)結合優化后的管棚施工方法,選取金剛石取芯鉆頭,通過其旋轉切削作用有效破除了管棚鉆進時遇到的鋼筋混凝土、孤石等障礙物,極大地提高了工作效率,保障管棚順利施工。4)運用水平跟蹤補償注漿措施,使管棚施工階段引起的既有線最大沉降變形量維持在3 mm內,大大減輕了管棚施工階段失水流泥對周圍土體及既有地鐵線的擾動,有效控制了地層變形和既有線結構沉降,保障了既有地鐵線路的安全運營。