摘要: 针对深圳大—科区间隧道软弱富水的地质条件、设计断面变化多样以及复杂而严格的边界限制等特点, 全面地阐述了大—科区间非降水施工的关键技术以及在现场试验、监测、离心模型试验和数值模拟分析指导下所采取的对策措施, 并反映了实际工程所取得的良好施工效果。
关键词: 区间隧道; 暗挖; 非降水; 施工技术
1 工程概况
1.1 设计概况
深圳地铁大剧院—科学馆站区间隧道, 埋于深南中路解放路口至上步路段地面下10～ 19m , 设计长1144.7m 。分左右两条单线隧道, 标准地段线间距为13.2～17.2m , 基本与地面道路中线对称。区间隧道内设2 号线联络线预留接口一处, 缩短单渡线一处, 设计断面变化多样, 除单线段为单孔圆形断面外, 联络线预留接口和单渡线设计有单孔双线、双孔双线、三孔三线断面, 其开挖最大宽度分别为12.9m 、12.6m 和20.0m , 隧道接口型式多, 工法转换频繁。区间隧道原设计为2 座竖井, 后因工期需要增设一座3 号竖井, 竖井通过横通道与正线相连。
1.2 工程及水文地质条件
隧道范围内上覆第四系全新统人工堆积层、海冲积层和第四系残积层, 下伏燕山期花岗岩。洞身主要
穿越残积层和风化花岗岩。有三处含水丰富的砂层位于隧道上部, 部分侵入隧道断面, 层厚度2～10m 不等, 长度近700m , 占隧道全长达2/3 。有一处流塑状饱和粘土层侵入隧道断面内, 如图1 所示。
本区间地下水为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水, 主要补给为大气降水。根据勘测, 地下水埋深1.93～ 5.73m 。水位高程0.5～7.5m , 水位变幅0.5～2.0m 。隧道东端(靠近大剧院站地段) 北侧的荔枝湖与本区间地下水存在水力联系。
1.3 地面和交通条件
本区段为交通主干道和商住区。地面交通繁忙, 车行如梭; 地下管线密集, 纵横交错; 道路两侧大厦林立, 花红草绿, 环境优美。途经市委、市政府, 是深圳市政治、经济、文化中心地带。
2 技术特点和关键技术
隧道穿越的第四系残积层和全(强) 风化花岗岩, 含水量丰富。除因南国多雨, 补给充沛外, 并与荔枝湖水系相连, 潺潺水流供给不断。据测, 1 # 竖
图1 大剧院—科学馆区间隧道不良地质分布剖面图
井24 小时抽水量达410t 以上。此外, 地面由原沟谷成, 西南交通大学、中铁四局集团公司、铁道第四勘山地回填而成, 局部水囊空洞, 还有地质钻孔, 人工测设计院联合成立了科研技术攻关小组, 在现场试洞穴, 更给暗挖施工留下层层隐患, 危机四伏。验、监控、室内离心模型试验、三维数值仿真分析等由于本标段地面交通繁忙, 环境优美, 不容许在多种手段综合应用情况下, 取得了较好的施工效果, 地面采取任何工程措施。这些边界条件界定了本工程多项施工指标达优。的技术特点是: 在补给充分的富含水地层(砂层、流塑状粘土层) 采取非降水的技术措施进行暗挖隧道施
3 超前预加固施工技术研究工, 特别是渡线段的大断面暗挖施工。其需要解决的主要关键技术是:
3.1 方案比选与特征
(1) 超前地质预报与动态设计;(2) 超前预加固和防水; (3) 复杂断面隧道暗挖施工洞内超前预加固的目的是改善围岩土体物理力学工法研究; (4) 软弱地层暗挖隧道施工控制地面下沉性能和止水防涌, 以保证施工安全, 减小地面下沉。技术(特别是在穿越特殊管线时) 。
在现场多次试验的基础上, 比选了三种桩体加固方鉴于本工程地质条件的复杂性、结构端面型式的案。(1) 水平旋喷桩加固; (2) 间隔水平搅拌桩与水多样性、施工工艺难度极大、周围环境限制条件十分平旋喷桩加固; (3) 水平旋喷2化学灌浆加固。如图2 严格, 深圳市地铁总公司把本标段工程列为深圳市地所示。其优缺点比较见表1 。铁工程的重点和难点工程。为了保证工程得以顺利完
图2 洞内超前预加固方案示意图
表1 超前预加固方案比较表
图3 拱部土体水平旋喷加固示意图
经在1# 竖井横通道中组织的几次试验效果综合分析比较, 确定采用第一方案。其主要特征是: 仰角为5°的洞内水平旋喷桩超前预加固形成拱棚。开挖掘进时, 用<42 小导管注浆补充加固和止漏。
3.2 水平旋喷桩超前预加固
3.2.1 拱部土体加固
水平旋喷桩在洞内以5°的仰角钻进旋喷成桩, 因始端侵入隧道开挖断面, 故在前端3.5m 范围内不注浆, 旋喷加固体搭接长1.7m 。每一循环钻孔15m , 旋喷长度11.5m , 开挖掘进10m (开挖时小导管注浆补充填塞桩间的空隙), 如图3 所示。
3.2.2 掌子面加固防涌坍
处于流塑状粘土层地段, 掌子面缓慢顺淌而下引起拱部下沉和仰拱开挖困难。施以旋喷桩拱密和加固, 取得了很好的效果(如图4 所示) 。
图4 掌子面水平旋喷加固拱密示意图
3.2.3 边墙仰拱土体加固
在sk3 + 240～280 和sk3 + 960～990 地段, 拱部围岩为砂粘土, 具有一定的自稳时间, 足以开挖初支成型。但下台阶土层呈流塑状, 边墙开挖困难, 甚至导致已施作好的喷射混凝土初支护外鼓开裂。以图5 所示进行加固, 成功通过。
图5 水平旋喷桩加固边墙及掌子面示意图
3.3 水平旋喷加固力学效果研究
对于水平旋喷预加固效果的认识, 由于我国在这方面起步较晚, 目前, 基本上还处在试验阶段或定性的描述上, 而客观现实常常需要我们做出定量的分析, 特别是在浅埋软弱的富水地层中进行城市地铁近邻开挖时尤其如此, 为了研究水平旋喷预加固效果, 在多次现场试验的基础上, 进行了离心模型试验和三维弹塑性数值模拟研究。
试验和数值分析所得结论基本一致, 主要有:
(1) 研究成果和现场测试数据吻合较好; (2) 水平旋喷桩预加固对控制地表沉降的效果是非常明显的, 与不施做水平旋喷桩相比, 地表的最大沉降值可减小51 % 左右(如图6 、图7 所示) ; (3) 旋喷桩预加固对提高围岩的稳定性是非常有效的, 相比之下, 有旋喷桩时拱顶的最大沉降可降低53 % 左右, 同时, 洞周围岩塑性区的面积大大减小。
图6 无旋喷桩时地表沉降示意图
图7 有旋喷桩时地表沉降示意图g
4 渡线段施工技术研究
4.1 指导思想
在含水丰富的浅埋软弱围岩(粘砂土和流塑状粘土层) 中, 由于环境所限, 采用非降水的手段, 进行渡线段大断面隧道的暗挖法施工, 在国内外的地铁修建史上鲜见先例。本工程在这一特定条件下, 以防坍保安全为主要目标, 选取最佳的超前预支护方案和合适的工法, 同时谋求控制地面沉降, 减小对管线的破坏和影响又兼顾施工速度的技术措施。本区段隧道有众多横穿管线, 其中sk3 + 355 有一条煤气管( <300mm) 横穿深南大道( 地下埋深约1.5m , 距拱顶11m) , 必须确保管线安全以防泄露。4.2 隧道开挖对煤气管线的影响研究
4.2.1 数值模拟进行施工优化
对于管线所在的sk3 + 355 断面, 采用平面弹塑性有限元模拟图8 的6 种施工工法对管线的沉降影响, 模拟结果( 见表2) 表明: ① 先开挖右线隧道(小洞) 后开挖左线隧道(大洞) 比先开挖左线隧道管线的沉降和内力影响更小; ② 左线隧道影响进行三维数值模拟、室内离心试验、现场监控量采用crd 法施工, 左右断面开挖比上下断面开挖对测, ③ 开挖左线隧道对近邻右线隧道及地层位移影响较为明显。综合考虑各种因素后, 最后确定采用工法2 为过管线段的施工方法。
表2 不同工法对管线沉降影响值mm
图8 不同工法示意图
4.2.2 模型试验模拟隧道开挖对煤气管线的影响采用离心模型试验, 对煤气管线所在的位置sk3 + 355 断面进行施工模拟试验, 试验结果表明, 采用水平旋喷桩和小导管注浆预加固技术进行施工, 地表沉降最大值为31.6mm , 管线最大沉降为29.5mm , 管线仍处于安全状态。
4.2.3 三维数值模拟隧道开挖对煤气管线的影响
基于著名的ansys 软件, 建立土体2支护结构2管线三维弹塑性耦合模型, 其中, 管线和隧道衬砌的位置关系及有限元模型见图9 。
通过对隧道的开挖过程进行仿真分析, 计算结果表明: (1) 右线隧道施工时, 管线最大沉降值为19.8mm , 左线隧道施工时, 最大沉降值为28.9mm ; (2) 地表最大沉降为29.8mm ; (3) 经过对管线的变形和受力进行验算, 管线满足强度和刚度要求, 施工期间管线是安全的。
4.2.3 施工监测隧道开挖对煤气管线的影响
图10 所示为sk3 + 355 断面(煤气管线) 左线隧道中线与地表交点的沉降随开挖掌子面距离的关系曲线, 量测结果表明施工期间管线是安全的。综上所述, 通过对隧道开挖过程中对煤气管线的后开挖右线隧道对管线的变形影响更大;
图9 管线和隧道衬砌的位置关系及有限元模型
图10 sk3 + 355 断面地面沉降与掌子面的关系图
的工程条件下, 管线在施工期间是安全的, 而且分析数据彼此吻合较好, 为施工提供了重要的理论依据和指导作用。
图11 sk3 + 355 断面地表沉降的数值模拟、离心试验和现场量测值比较
4.3 施工路线选择
渡线段位于1 号、3 号竖井中间, 经过相关的理论分析和综合考虑各种施工因素, 最后确定如下施工路线(图12) :
4.4 工法和主要技术措施
4.4.1 采用工法
本区间隧道掘进主要采取的工法是: ① 标准段采用上、下台阶法(图13a) , 下台围岩特别软弱时, 分三个台阶开挖(图13b) ; ② 开挖宽度10m , 高度8m 以下, 采用cd 或crd 工法( 图13c) ; ③ 开挖宽度10～12m , 高度10m 以下, 采用双侧壁导坑工法(图13d) ; ④ 双孔双线断面, 采用中洞法(图13e) ; ⑤ 三孔三线断面, 采用双中洞法(图13f) 。
4.4.2 主要技术措施
隧道掘进除采用超前预加固外, 还需根据围岩地质条件的变化, 采取如下技术措施:
(1) 如下台土体软弱, 增设临时仰拱( 见图13b) , 可有效减少拱部和地面下沉;
(2) 增设锁脚锚管, 每榀格栅在拱脚部位设2～ 4 根, 锚管长3m , 并及时注浆;
(3) 严格遵循短进尺, 小步距、快循环、强支护、早喷锚、紧封闭的原则施工, 缩小台阶距离, 尽早封闭;
(4) 及时对初支背后进行注浆。
5 结 束 语
大—科区间隧道工程现已顺利竣工, 施工期间隧道结构及周围环境没有出现安全隐患, 取得了良好的施工业绩, 获得了深圳市地铁建设单位的高度评价并授予施工优秀奖。现总结起来主要有以下几点。
(1) 水平旋喷桩和小导管补充注浆超前预加固改善了围岩的物理力学性能, 起到了较为显著的拱棚作用, 配合其它综合处理措施, 较好地解决了非降水条件下的施工安全, 通过深圳地铁大—科区间的施工实践、离心机模型实验、数值模拟理论分析得到了验证, 为这一工法的发展积累了经验和宝贵的数据。
(2) 在富水的软弱(砂土、流塑状粘土) 地层, 采用浅埋暗挖法施工地铁隧道, 在对围岩进行超前预加固和止水基础上, 应用合适的工法和技术措施, 施工安全、质量、工期都能予以保证。
(3) “ 地质预报—动态设计(模型试验、模拟理论分析) —合适的施工技术措施—监控量测” 是地下工程施工的重要环链, 特别是在通过重点管线地段。大—科区间重视每一环链, 取得了良好的施工效果。
(4) 水平旋喷施工在设备、工艺、浆液材料、参数等方面还须进一步加强研究, 以满足日益发展的施工需要。
图12 渡线段施工路线示意图
图13 开挖掘进工法示意图
参 考 文 献
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