斷層破碎帶暗挖通道超前大管棚施工技術*

鞏軍輝

(中鐵十八局集團第三工程有限公司,河北 涿州 072750)

0 引言

地下空間的開發和利用在城市規劃與建設中占據著重要地位。隨著城市化進程的加速,人們對地下空間的需求也日益增長,涵蓋了交通、儲能、水資源等多個領域[1-2]。然而,在地下工程實施過程中,往往面臨著各種地質條件的挑戰。斷層破碎帶的存在不僅給地下工程施工帶來了巨大的技術難題,更引發了一系列地質災害,如地層塌方、坍塌等,對工程的安全性和穩定性構成了嚴重威脅[3-4]。在傳統的施工方法中,對于斷層破碎帶的處理往往需要復雜而昂貴的支護措施,這在很大程度上制約了地下工程的發展。

超前大管棚施工技術在地鐵、交通隧道和水利隧道等工程中得到廣泛應用,可以提高隧道施工效率和安全性。通過采用超前大管棚技術,可以在隧道開挖過程中同時進行管棚安裝,從而減少施工的總體時間[5]。同時由于管棚在地下提前安裝,有效地支護了隧道周圍土體,降低了地表沉降風險,這對適應不同地質條件下的隧道工程尤為重要[6]。在復雜地質條件下,超前大管棚技術能夠靈活應對,提供了可靠的地下支護,確保了隧道施工的穩定性。

本文以濟南市軌道交通某暗挖通道為對象,全面深入地探討斷層破碎帶暗挖通道超前大管棚施工技術的可行性和優越性,為相關工程提供參考。

1 工程概況

1.1 項目概況

本研究依托工程為濟南市軌道交通4號線燕山立交橋東站D出入口暗挖通道。燕山立交橋東站位于經十路與燕山立交橋交叉口東側,沿經十路東西向設置。車站南側占據經十路輔路,車站北側為窯頭小區和中潤國際城綠地。車站東西兩端均接盾構區間,東、西端頭均為盾構始發。燕山立交橋東站D號出入口位于車站南側,下穿經十路后,從經十路南側地塊內頂出,具體位置如圖1所示。

圖1 工程位置Fig.1 Project location

在經十路道路范圍內出入口采用礦山法施工,暗挖標準段結構形式為直墻起拱結構,凈寬為8m,凈高為4.35m;人防段結構形式也為直墻起拱結構,凈寬為9.6m,凈高為4.85m;暗挖段長度約76.7m,如圖2所示。

圖2 暗挖通道標準斷面(單位:m)Fig.2 Standard section of underground excavation channel(unit:m)

1.2 工程地質條件

燕山立交橋東站的地貌單元為丘陵地貌,擬建場地標高范圍98.220～104.840m,現狀場地南高北低,總體而言較為平坦。根據勘察成果,擬建D出入口過街通道場地自上而下為:雜填土層、斷層角礫夾泥、角礫巖,地質縱斷面如圖3所示。根據室內土工試驗,該地層飽和單軸抗壓強度2.20～37.20MPa,平均值11.67MPa;天然單軸抗壓強度2.30～42.30MPa,平均值14.17MPa。巖石堅硬程度整體屬極軟巖;巖體整體較破碎;巖體基本質量等級為Ⅴ級。通道結構范圍涉及斷層破碎帶(斷層角礫夾泥和角礫巖),且結構底板處于地下水位之下,抗壓強度建議取最小值,各地層主要物理力學指標如表1所示。

表1 地層主要物理力學指標Table 1 Physical and mechanical indexes of strata

圖3 地質縱斷面Fig.3 Geological profile

2 工程風險

根據勘察揭露的工程地質條件和水文地質條件分析,場地范圍內存在一定的施工風險,主要是由不良地質作用所產生的潛在威脅。

2.1 不良地質作用

1)巖溶 該工程有11個鉆孔揭露可溶鹽,可溶鹽進尺349.6m,1個鉆孔揭露溶洞,揭露溶洞累計長度2.9m,見洞隙率9.1%,線巖溶率0.8%。溶洞為全充填型,充填物以可塑～硬塑狀黏性土及碎石為主,充填物均勻性較差。根據GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》判定,擬建場地附近巖溶為微發育。

2)斷層破碎帶和影響帶 車站主體西端頭和出入口D范圍外業鉆探中揭露斷層破碎帶,圍巖受地質構造作用影響極嚴重,鉆探揭露斷層角礫夾泥和角礫巖,巖芯具有受壓破碎、扭曲和巖性蝕變現象。斷層影響帶閃長巖受構造影響嚴重,巖芯受壓破碎呈砂土狀～碎塊狀。在采取針對性處理措施的基礎上,對工程建設場地穩定性影響較小,可按不均勻地基處理,其作為基礎持力層需采取處理措施。

2.2 對工程的影響

1)發育于構筑物底板的溶溝、溶蝕裂隙、溶洞,在地下水的作用下有進一步擴大的可能,并且在地鐵動荷載的長期作用下溶洞易坍塌,進而影響構筑物基礎的穩定。

2)施工過程中對巖土層的擾動、爆破振動等外力作用,將增加誘發巖溶塌陷的風險,影響巖溶的穩定性。

3)巖溶裂隙的存在可能造成樁基混凝土超灌比的加大,影響工程投資。

3 施工工藝

根據地質勘察報告,該燕山立交橋東站D出入口圍巖等級為V級,為提高隧道洞口建設項目的安全性,主體結構施工完畢后,沿通道縱向拱頂范圍打設超前大管棚對進洞前地層進行加固。

3.1 技術參數

超前大管棚支護縱向布置如圖4所示,具體技術參數如下。

圖4 超前大管棚支護縱向布置Fig.4 Longitudinal layout of advanced large pipe roof support

1)鋼管規格 每節長3～4m的熱扎無縫鋼管(壁厚≥6mm)以絲扣連接而成,同一斷面內接頭數量不得超過總鋼管數的50%。

2)管距 環向間距為400mm。

3)傾角 車站進洞傾角0°,明挖段進洞傾角5°。

4)注漿 根據現場地質情況可選擇邊鉆邊注漿或管棚達到設計長度后再注漿,注漿采用水泥漿液。水泥漿液水灰比 1∶1(質量比);注漿終壓0.5MPa。

5)導管中增設鋼筋籠,以提高導管的抗彎能力,鋼筋籠由4根φ22主筋和固定環組成。

6)鋼管施工誤差 徑向誤差≤20cm,相鄰鋼管之間環向誤差≤10cm。

3.2 工藝流程及施工方法

超前大管棚施工工藝流程如圖5所示,各施工階段的主要施工方法如下。

圖5 超前大管棚施工工藝流程Fig.5 Construction process of advanced large pipe roof

1)施工準備

鉆機安裝在D出入口明挖段底板上,符合鉆機平臺硬化條件;D出入口側墻施工時預留φ130鋼管,可直接使用。

2)管棚制作

管棚采用φ108鋼花管制作,壁厚6mm,管壁打孔,孔徑為12mm,孔間距為150mm,鋼管尾部留1 100mm不鉆孔作為止漿段,如圖6所示。

圖6 鋼花管示意Fig.6 Steel tube

3)鉆孔

采用管棚鉆機鉆孔,為減少因鉆具移位引起的鉆孔偏差,鉆進過程中經常采用測斜儀量測鉆桿鉆進的偏斜度,發現偏斜超過設計要求時及時糾正。φ108管棚采用φ127的鉆孔直徑。鉆孔平面誤差徑向不大于20cm。

4)清孔、頂管、放鋼筋籠

用高壓風或清水清孔,鉆孔檢測合格后,將鋼管連續接長(鋼管搭接方式采用絲扣連接),用鉆機旋轉頂進,將其裝入孔內。在鋼管內增設鋼筋籠,以增強鋼管的抗彎能力。鋼筋籠由4根φ22主筋和固定環組成,如圖7所示。

圖7 鋼筋籠斷面示意Fig.7 Section of steel cage

5)注漿

注漿漿液采用42.5級普通硅酸鹽水泥,水泥漿液水灰比1∶1(質量比)。

注漿實施過程中,應采用全孔壓入方式向大管棚內壓注水泥漿,選用大功率注漿泵注漿。注漿前先進行現場注漿試驗,確定注漿參數及外加劑摻入量后再用于實際施工。注漿按先下后上、先稀后濃的原則進行,注漿量由壓力控制,注漿終壓0.5MPa,達到標準后關閉止漿閥,停止注漿。

3.3 施工控制措施

1)每個孔位都要仔細調整鉆機方位,確保每根鋼管以準確的方向鉆進。

2)大管棚進孔角度誤差控制在0.5%以內,每節管打完后必須進行角度測斜,確保管棚鋼管按設計軌跡鋪設。

3)大管棚打設時必須跳孔打,終孔跟蹤注漿,注漿必須保證管內外環狀間隙注滿填實,跳打3～5個孔再回去補打。

4)大管棚注漿采用1∶1水泥砂漿,注漿量根據鋼管內和鋼管外的環狀間隙計算,然后根據地層滲漏情況確定每一根鋼管的注漿量。注漿要求管內注漿由管外排出泥漿,等管內外泥漿排凈排出水泥漿,關閉排漿閥,泵壓控制在0.5MPa停止注漿,15～30min后進行二次補漿,確保管內外填充質量。注漿必須控制好注漿量、注漿壓力等每一個環節,保證達到設計要求。

4 施工注意事項

1)管棚為超前預支護,應在暗挖通道開挖之前完成。

2)管棚需按設計位置施工,為保證精度,應注意運用測斜儀,進行鉆孔偏斜度測量,嚴格控制管棚打設方向,防止打設時碰到管線造成施工風險,并做好每個鉆孔地質記錄。

3)管棚施工時,應對鋼管主要材料進行材質檢驗。

4)做好鉆機和鉆具的選型工作,選用鉆機首先應滿足鉆孔深度和孔徑的要求,鉆機要求平穩靈活,能在水平方向360°范圍內鉆孔,施鉆時應有導向架。

5)施工期間應遵守通道施工技術安全規則和鉆孔注漿操作規則。

5 結語

本文針對斷層破碎帶地下工程施工容易引發地質災害、影響工程結構安全穩定等問題,依托實際工程案例,采取超前大管棚施工技術有效約束圍巖變形,提高隧道安全性,給出了關鍵施工參數、控制指標及主要施工方法,通過工程經驗總結出相應的施工注意事項,可以為相關地下工程的施工提供有效參考,具有重要的實際意義。