城市地铁穿越软流塑地层段的设计施工技术

城市地铁穿越软流塑地层段的设计施工技术摘要:软流塑地段围岩自稳能力极差,易坍塌,严重时可能发生突水涌泥现象,地层加固难度较大。通过已经成功修建的工程实例重点剖析城市地铁在穿越软流塑地层时的设计施工技术,重点对洞内注浆加固、软弱围岩仰拱超前、水平旋喷加固、冻结加固法等施工辅助工法进行介绍和比选。同时对软流塑淤泥质粉质黏土地层进行劈裂注浆的原理、可行性、加固范围与扩散半行、注浆压力、注浆量、浆体材料和配比、注浆效果等进行了研究。关键词:城市地铁;软流塑地层;区间隧道;辅助施工工法;劈裂注浆0前言南京地铁南北线一期工程珠江路站~鼓楼站及鼓楼站~玄武门站区间隧道采用浅埋暗挖法施工,区间为双洞单线,线间距为15.2~17.2m,洞顶覆土厚约8~9m,隧道上部有多栋2~7层的居民楼,隧道下穿交通干线及多条市政管线。两隧道分别有200多m全断面穿越自稳能力极差的软流塑淤泥质粉质黏土地层,而在软流塑土层中修建矿山法隧道还没有成功的经验可以借鉴,如何保证道路、管线及建筑物的安全与正常使用是地铁建设面临的一个重大技术难题。因此南京地下铁道有限责任公司审批成立了科研组,专题研究软流塑淤泥质粉质黏土地层的浅埋暗挖区间隧道施工技术,历时一年半优质高效完成了科研任务。1软流塑地层矿山法隧道施工难点软流塑淤泥质粉质黏土具高压缩性、高灵敏度、低强度、易变形等特性,易产生蠕动现象。这种特性给隧道施工带来诸多困难。①开挖后自稳能力极差,易坍塌,严重时可能产生涌泥现象使施工无法进行。②施工过程中地面沉降难以控制,太大的沉降易引起路面开裂甚至塌陷而影响交通安全。③太大的沉降易造成地下管线破裂及建筑物开裂。综上所述,在该地层中用矿山法修建隧道必须对土体进行预加固,提高土体硬度及自稳能力方可进行隧道掘进。2结构设计方案科研组在进行了大量的数值计算和模型试验后,确定该区间隧道按施工过程中的信息反馈进行动态设计。施工图预设计确定结构为复合式衬砌,初期支护为锚喷支护,二次衬砌为模筑钢筋混凝土衬砌,过楼房段初期支护为模筑混凝土衬砌。3施工辅助工法的比选目前常用的辅助工法有:洞内注浆加固法、软弱围岩仰拱超前法、水平旋喷加固法、冻结加固法。3.1洞内注浆加固拱部土体加固:在隧道拱部150°范围静压顶入Ф108长管棚,注浆加固范围1.5m,大管棚搭接长度3m,环向间距0.35m;在大管棚之间不开孔直接顶入Ф32小导管并注浆,小导管环向间距0.35m,搭接长度1.5m。钢管打孔注入32.5级水泥-水玻璃双液浆;边墙采用Ф25中空锚管注浆加固。掌子面土体加固:采用13m长PVC中长管对隧道掌子面劈裂注浆,加固开挖轮廓线以内的地层,防止开挖过程中发生洞内突泥。注浆顺序应先四周后中间,中间检查孔兼排水孔,以利于软土地层中的孔隙水在注浆过程中受到挤压时能顺利排出。设计施工顺序见图1、2、3。最后在管棚与加固拱圈的保护下进行隧道掘进。该工法在软弱地层浅埋隧道施工中能有效控制地面沉降,技术成熟,施工简单,造价较低。3.2软弱围岩仰拱超前法先开挖隧道的下部,在隧道中部静压顶入Ф108长管棚并注浆,对下导坑拱部土体进行超前加固,同时施做下部初期支护,封闭下导坑,然后开挖上台阶。设计施工顺序见图4。该工法由于上部开挖形成的上拱圈可以落在下部的基础之上,在软弱地层浅埋隧道施工中能很好的控制地面沉降及拱顶下沉,较好的控制掌子面的位移,但工序复杂、工期长且施工组织难度大,工程造价较高。3.3水平旋喷加固法利用钻机钻孔,把带有钻头的喷浆管钻进地层的同时钻头上的喷浆孔开始喷浆,钻头旋转搅拌土体,将软土与浆液强制拌和,发生一系列物理、化学反应,凝结成整体性、水稳性都较好的高强度的浆液加固体,在固结体的保护下进行隧道的开挖与支护。设计施工顺序见图5、6。该工法能很好的控制地面沉降及拱顶下沉,但工法不成熟,属新工法,新工艺,且水平旋喷机工效低,工程造价较高。3.4冻结加固法在要开凿的隧道周围布置Ф108冻结钢管,采用机械压缩方法制冷,通过低温盐水在冻结器内循环,吸收松散含水地层的热量,使地层冰冻,逐渐形成封闭的具有一定强度和稳定性的人工冻结岩土壁。同时在冻结孔内插入Ф42钢管增加土体强度。然后在冻结壁的保护下进行隧道的开挖与支护。设计施工顺序见图7。冻结法作为一种特殊的施工技术,防水和加固地层能力强,又不污染水质,特别适用于涌水、流沙、淤泥等复杂不稳定地质条件下的土木工程施工。但冷冻需要大量氟利昂,会造成环境污染,且冷冻法工期长,造价昂贵,冻结过程中的冻胀现象与解冻过程中的融沉现象不易控制。3.5施工辅助工法的确定经过工期、造价、社会效益、施工可行性等方面的综合比较后,根据工程特点决定在软流塑地层段采用洞内注浆加固法,短台阶开挖;软流塑地层过楼房段采用软弱围岩仰拱超前法。4高压劈裂注浆工程施工前在软流塑淤泥质粉质黏土地层中注浆还没有成功的工程实例可供参考,科研组必须研究确定注浆加固的原理、可行性、加固范围与扩散半径、注浆压力、注浆量、浆体材料和配比、、注浆效果等。4.1注浆加固的原理对于有一定渗透性的地层,采用中低压力将浆液压注到地层中的裂隙、裂缝、空隙里凝固后将岩土和颗粒胶结为整体,称为渗透注浆。而该工程地层颗粒更细,属于不透水、渗透性差的淤泥质地层,可注性差,经过室内、室外注浆试验确定采用高压劈裂注浆。原理是高压将浆液强行挤压进地层,压密孔洞周围土体,使土层劈裂即土体内突然产生网状裂缝,吃浆量突然增加,使浆液填充并凝结于裂缝中达到挤压加固土体的目的。4.2注浆压力的确定根据地层条件、施工条件、涌水压力、理论计算和现场试验,确定注浆压力控制在1.0~1.5MPa。首先压力定在1.0MPa,如果注浆顺利且无地表隆起现象,则可适当调高注浆压力,否则应降低注浆压力。当注浆量达到设计注浆量的80%以上时可逐步降低压力,注浆终了压力应控制在1.0MPa。注浆压力理论计算公式为:pu≤γhtan2(45°+φ/2)+2ctan(45°+φ/2)式中:pu为劈裂注浆的极限压力,MPa;γ为土的重度,KN/m3;h为注浆孔的深度,m;c为土体黏聚力,KPa;φ为土的内摩擦角。计算得到大管棚注浆压力:pu=1.0~1.5MPa掌子面中长孔注浆压力:pu=0.5~1.5MPa,若进行二次注浆,则第一次注浆压力pu=0.6~0.8MPa,第二次注浆压力pu=1.0~1.5MPa。小导管注浆压力:pu=0.6~1.0MPa。4.3注浆加固范围与扩散半径浆液扩散半径理论计算公式:R=(0.6~0.7)L0,式中:L0为小导管之间的中心距离,m;R为扩散半径,m。计算得到R=0.42~0.49m,结合经验法确定隧道洞周单根注浆管扩散半径为0.5m,加固范围为开挖轮廓线外1.5m范围内土体,设计小导管长度为3.m,倾角14.5°,搭接长度1.5m。掌子面注浆加固范围为13m,每循环开挖9m,留4m作为止浆岩盘。4.4注浆量单管注浆量计算公式:Q=L×R2×π×v×η式中:Q为单孔注浆量,m3;L为注浆段长,m;R为浆液扩散半径,m;v为注浆段土层孔隙率;η为浆液损失率,取1.25。4.5浆体材料与配比根据注浆工程的需要,水泥-水玻璃浆液的作用可以分为加固和堵水两方面,两者对凝胶时间、抗压强度有不同的要求。该工程注浆的主要目的是加固地层。在科研阶段对不同注浆管采取了不同的注浆材料试验。大管棚:P·O3.25级水泥-非碱性水玻璃双液浆(亦称CS浆液),水玻璃浓度为25~40Be′,模数2.4~3.4,浆液水灰比0.631~0.831,水泥浆液与水玻璃的比例为131。这种浆液克服了单液水泥浆凝结时间长且不宜控制、结石率低等缺点,但需要将普通的水玻璃(呈碱性)用酸直接酸化使其成为酸性水玻璃或者进行脱钠处理制成硅溶胶才能使用。小导管及中长PVC管:采用HC-T凝胶时间可调超细单液浆,凝胶时间为40~60min,水泥标号42.5级。实验表明HC-T凝胶时间可调超细单液浆注浆效果明显好于水泥-水玻璃双液浆,但考虑工程造价因素在施工阶段大部分地段还是采用了双液浆。4.6注浆管施工软流塑土体中成孔困难,且在成孔过程中会造成土体的较大变形,根据软流塑土体的力学特性,采用液压顶进施工大管棚,土层不开洞,在大管棚之间顶入小导管。钢管在顶入过程中挤压周围土体,排出部分水分,起到加固土体的目的,同时对土体的扰动较小,管棚施工完毕地面变形在2~4mm,表明大管棚施工对地表影响很小。4.7注浆效果掌子面开挖情况表明劈裂注浆起到了加固土体的应有效果。浆脉分布明显,注浆孔周围有明显的挤密浆体,取样检测注浆加固体的抗压强度达到18.6MPa。5施工效果软流塑地段于2003年6月全部安全施工完毕,保证了地面建筑物及地下管线的正常使用。①地面建筑物除个别民国时期建的毛石基础的旧房子有小的裂缝外,其余建筑物均未出现裂缝,仅有小的倾斜,倾斜值满足规范允许值。②现场监控量测拱顶下沉值不超过30mm,表明施工工法有效的控制了地面沉降。③掌子面开挖过程中对浆脉网的观察表明,浆脉呈纵向和水平分布,与理论分析吻合,对加固土体取样测试,物理力学指标均达到了加固要求。6结论南京地铁南北线一期工程珠江路站-鼓楼站及鼓楼站-玄武门站区间隧道采用短台阶开挖法,辅以大管棚加小导管超前预注浆加掌子面注浆加固、改良地层,成功通过了软流塑淤泥质粉质黏土地段,拓宽了浅埋暗挖法的应用范围,可以为其它城市地下工程在类似地层的施工提供一些宝贵经验。参考文献:[1]中铁隧道勘测设计院有限公司.南京地铁软流塑地层浅埋暗挖隧道和大跨度浅埋暗挖隧道群穿越旧建筑物群施工技术总报告[R].洛阳:中铁隧道勘测设计院有限公司,2003.[2]邝建政.岩土注浆理论与工程实践[M].北京:科学出版社,2001.[3]夏明耀.地下工程设计施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1999.[4]梁炯鋆.中国锚固与注浆工程实录选[M].北京:科学出版社,1995.[5]陶龙光,巴肇轮.城市地下工程[M].北京:科学出版社,1999.文章来源：《隧道建设》原作者：李凤蓉