浅埋暗挖法修建地铁区间隧道施工技术及安全管理

浅埋暗挖法修建地铁区间隧道施工技术及安全管理一、前言北京地铁采用的浅埋暗挖法，是以加固、处理软弱底层为前提，采用足够刚性的复合衬砌为基本支护结构的一种用于软土地层近地表隧道的暗挖施工方法。它以施工监测为手段，指导设计与施工，控制地表沉降，保证安全施工。1986年浅埋暗挖法在北京地铁复兴门折返线工程中的应用取得成功，为北京地铁建设开辟了一条新途径。从此以后，浅埋暗挖法经过10多年的工程实践，有了很大发展。二、浅埋暗挖法的前提条件选用浅埋暗挖法应考虑的基本条件有：首先，浅埋暗挖法不允许带水作业。如果含水地层达不到疏干，带水作业是非常危险的。开挖面的稳定性时刻受到水的威胁，甚至发生塌方。把地下水，尤其是上层滞水处理好是非常关键的环节，它直接影响浅埋暗挖法的成败。第二，采用浅埋暗挖法要求开挖面具有一定的自立性和稳定性。1997年日本土木学会曾提出开挖工作面土体稳定的定量判别标准：土体中的细颗粒（小于74μm）含量小或等于10%，且均匀系数Uc小于或等于5的土体，不具备自立性。我国对于土体的自立性还未作出定量规定，但从定性上提出了要求：工作面土体的自立时间，应足以进行必要的初期支护作业。我们把开挖面前方对底层的预加固和预处理是为浅埋暗挖法的必要前提，目的就在于加强开挖面的稳定性，增加施工的安全性。三、浅埋暗挖法的基本经验铁道部隧道工程局就复兴门折返线工程总结的十八字诀，即管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测，基本上概括了浅埋暗挖法的施工工艺要求和施工经验。（1）底层的预加固和预处理开挖面土体稳定是采用浅埋暗挖法的基本条件。当土体难以达到所需的稳定条件时，必须通过地层预加固和预处理，来提高开挖面土体的自立性和稳定性。降低地下水位一方面可达到无水施工，另一方面可以改善土体的物理力学特性。经常采用的预加固和预处理的措施有超前小导管注浆、工作面前方深孔注浆和大管棚超前支护。视具体情况可单独使用，也可以配合使用。（2）隧道开挖和初期支护把“隧道开挖”和“初期支护”写成一个小标题，就是想强调“随开挖、随支护”的基本原则。如何利用土体有限的自立时间进行开挖和支护作业，使土体开挖后暴露的时间尽可能短，是初期支护尽早封闭成环。就这一意义上说，选择适当的开挖方法就显得十分重要。根据土体的稳定性和隧道断面大小可以选用短台阶法开挖，或带临时仰拱的长台阶法开挖。对于断面较大的隧道，考虑分部开挖、分部支护和封闭成环的需要，选择中隔壁法（CD法），交叉隔壁法（CRD法）和侧壁导坑法（眼镜法）等。每次开挖循环，以“短进尺”为原则。为了保持开挖面的稳定，采用弧形导坑留核心土的开挖方法，使开挖面得到核心土的支撑。浅埋暗挖法常用的初期支护形式是钢筋格栅、钢筋网和喷混凝土，浅埋暗挖法要求初期支护具有足够的强度和刚度。在技术、经济的合理范围内，尽可能减小初期支护的变形量，目的是控制土体位移，减少地表沉降。之所以广泛采用钢筋格栅，其原因一方面是因为钢筋格栅与喷混凝土能紧密结合，另一方面是因为钢筋格栅在拼装成环后，具有一定的强度和刚度，在喷混凝土尚未具备足够强度之前，钢筋格栅可以单独承担来自土层的一部分荷载。有的施工指南要求钢筋格栅承受2-4m的土柱压力，也是基于这方面的考虑。（3）二次衬砌浅埋暗挖法通常采用模筑混凝土作为二次衬砌材料，它既是提高初期支护强度和刚度，增加初期支护安全储备的需要，也是支撑中间的防水隔离层、承受水压力的需要，一般通过监控测量，证明初期支护基本稳定，防水层铺设完毕经隐蔽工程检查合格后，可以开始灌注二次衬砌。如果隧道断面较大，等待初期支护变形达到基本稳定需要很长时间，也可提前施做二次衬砌，这时的二次衬砌将要承受初期支护变形传来的压力。（4）监控测量利用监控量测获得的信息指导施工，这是浅埋暗挖法施工中必不可少的一个组成部分，地表位移、拱顶下沉、隧道周边收敛等量测项目常被选为监控量测的必测项目，而土压力土体位移、支护应力等可作为选侧项目。当测点的位移时间曲线变化率呈明显收敛趋势，隧道水平收敛变化率小于0.2mm/d，拱顶下沉变化率小于0.1mm/d，而且所测的位移值大于预计总位移值的80%以上时，可以认为隧道达到基本稳定。如果测点的位移时间曲线长时间不收敛，甚至有增大的趋势，或者发现初期支护有明显的开裂破坏痕迹，综合分析这些现象，可以将其作为隧道失稳前兆的依据，必须及时采取应急加固措施。量测数据对隧道支护的受力变形状态起着重要的监控作用，量测数据的及时性和准确性应予以足够重视。四、暗挖区间隧道标准断面施工方法及需注意的几个问题1.暗挖区间标准断面地铁区间隧道除个别特殊地段外，一般均采用单线马蹄形曲墙断面形式。2.超前支护施工结合具体地质条件和开挖面的稳定情况，一般选择小导管注浆（图2）作为主要的超前支护手段。小导管采用φ42mm，长2.5—3.5mm，外插角10—15°，环向间距为25—32cm，搭接1.5m。注浆浆液需根据具体地质条件选用，或用单液水泥注浆，或用水泥玻璃双液注浆，或用改性水玻璃浆注浆。注浆浆液的选择，配比、压力的确定必须经过现场试验决定。目前工程中常出现的问题有：（1）注浆浆液配比及参数既无控制，注浆效果又不作严格检查，甚至只设管不注浆，结果影响开挖后开挖面的土体稳定。（2）外插角过大，沿拱架内缘斜插下一拱架外缘，但外插角近30°--40°。小导管下方土体坍塌，影响开挖面的稳定。3.短台阶法开挖与支护隧道净高6.0m，净宽5.6m。对于一般地层常采用短阶法开挖，上台阶长不超过1倍洞径，并留有2m以上的核心土。后方开挖中层土，并施作仰拱。（1）留核心土的目的，一方面可以抑制开挖面的变形，保持土体稳定，另一方面可以压缩拱部开挖土方时间，尽早在有限空间架设拱部栅拱架，并喷射混凝土，尽早完成拱部初期支护。（2）采用台阶的目的，一方面利用台阶的土压力支挡前方工作面，保持开挖面稳定，另一方面利用台阶便于人工开挖。（3）采用短台阶的目的，一方面便于人工翻碴，另一方面可以尽快开挖中层土方，便于尽早施作边墙支护和封闭仰拱，尽早使初期支护形成封闭的稳定结构。但是目前有些工地施工存在的问题是：（1）格栅拱架制作不合规范要求。在开挖以后，土体自承稳定的时间极短，在喷射混凝土达到设计强度以前，格栅拱架是主要支撑结构，因此规范要求拱架能单独承受2—4m土体荷载并密贴土体。最早由德国引进的图纸，在四根钢筋之间用8字结连接，以后为了简化作成斜向连接，再以后斜向连接筋随便点焊上，把拱架作为构造钢筋处理。这是非常危险的。正是因为如此，规范对拱架作出严格要求。除此之外，拱架基础必须支牢，必要时设置斜向支撑注浆锚管。（2）喷射混凝土不密实。钢筋密集地段实施喷射混凝土是一件比较困难的事，回弹大，而且钢筋背后不密实。所以规范对双层钢筋网喷射混凝土必须喷完一层再挂第二层网喷第二层。挂在格栅表面喷混凝土要清除后再喷，不然钢筋背后是无法喷实的。不密实的初期支护存在严重隐患，而且地下水锈蚀钢筋，影响初期支护的寿命。（3）短台阶过长。前面已经介绍了用短台阶的理由，但是有些工地运土车上了台阶以后，取消了人工翻土的作用。为了便于布置人力，往往将台阶拉得过长，台阶拉得过长，结果是：①未封闭成环的初期支护是一个不稳定结构，长时间隧道处于不稳定支护体系是很危险的。②半拱初期支护基础支撑在土体上，土体不可能提供足够的支撑力。半拱处于悬臂状态，悬臂过长，端头下沉，悬臂过长将会造成拱部拉裂，这在国外曾发生过事故，造成严重后果。③台阶过长拖后了中层土体开挖，也拖后了封闭仰拱时间，结果至少将导致隧道变形过大，地表下沉量过大，由此，十八字诀中“短开挖，强支护，快封闭”就是这么出来的。4.小结①采用超前小导管注浆是防止工作面失稳及控制地面下沉的重要措施，小导管必须与钢拱架联结。②严格控制格栅钢架的安装质量，保证钢架平面垂直隧道中线，水平、高程、左右误差应符合设计要求和规范要求，在拱脚处应设置能注浆的锚管，这是防止拱部垂直位移的关键。③采用环形开挖，留核心土，可保证工作面稳定，核心土的尺寸在纵向要大于2m。对不良地层，要及时用喷射混凝土封闭工作面，做到开挖后，土体损失系数最小。④严格控制每循环的进尺，一般为0.5—0.75m，因为拱部局部的坍塌高度一般是进尺长度的1/2。⑤控制台阶长度，充分利用地层纵向承载拱的作用。量测证明：对于软弱地层，台阶长度超过1倍洞径，就要及时闭临时仰拱。⑥及时进行初期支护。当开挖完成以后，必须及时架立拱架。拱架与地层之间要紧密接触，以防地层松弛。随后挂网、焊接。从开挖到施喷混凝土的时间不应超过土体的自稳时间。工序的拖长、工序的衔接不紧，是造成塌方、下沉的最大隐患。⑦由于地层稳定性差，在喷层与地层间经常出现空隙。该空隙多发生在拱顶附近的拱脚处，所以背后充填注浆非常重要，该工序应紧跟工作面进行。⑧系统地进行初期周围2—3m土体的固结注浆，是克服土壤长期流变引起地表下沉的最好方法。五、平顶直墙浅埋暗挖施工技术虽然地下工程采用拱结构的手里条件最佳，但是区间隧道受顶部管路或地下构筑物的影响，无法采用拱结构，在“复一八”线工程开始研究采用平顶直墙矩形隧道结构，平顶直墙浅埋暗挖施工法。现通过“复一八”线热电厂到八王坟区间的283m的双跨矩形区间隧道工程为例，介绍这种工法的主要特点。1.工程概况该隧道外轮廓尺寸为10.87×6.22m。通过的地层为粘质粉土，粉砂，粘质粉土，结构在地下水位以下。隧道顶部横向有11条管路，沿隧道纵向10条管线，管线埋设较深无法采用拱形结构，地下管线又无法迁移拆除，被迫不得不采用平顶浅埋暗挖施工技术。2.平顶直墙浅埋暗挖施工技术和工艺（1）隧道的断面结构隧道采用双跨矩形隧道，中间为钢筋混凝土隔墙，设初期支护及二次衬砌，两层间设柔性防水层，如图3所示。（2）施工技术措施①隧道初期支护毛洞全断面分为3个洞室。为增大洞室立墙的侧向稳定，减小地表沉降，贯彻快封闭的暗挖原则，边洞的立墙中央增设水平中隔板，即初期支护断面由两个相距一定距离的“日”字形组成。施工时3个洞室相互错开15m（见图4）。施工顺序采取先边洞、后中洞的开挖步序；每洞的掘进均采用保留核心土的短台阶开挖方法；施工过程中严格遵循“小步距，快封闭”的准则。②隧道北侧靠热电厂循环渠段长约120m，施工期间水渠不能断流。因该侧土体长期受水浸泡，处于饱和状态，为确保施工期间该侧土体的稳定和隧道范围的安全并结合现场实际情况，采用深层搅拌桩加固邻河侧土体，并采用井点降水。降水是将降水井打在隧道范围内，待开挖到降水井时将其破除，从而控制地下水位低于结构底板；同时土方开挖前在掌子面施作前超前探孔，探测掌子面前方4-6m内土体的含水率和土质变化情况，及时采取措施消除安全隐患。③初期支护和二衬之间铺设柔性防水层。防水层材料选用抗拉强度大、延伸性、拉裂性、耐破损性和施工性良好的ECB防水卷材。吸取以往平顶直墙暗挖施工防水层未封闭成环造成结构渗漏的教训，采取先做中洞范围顶底板防水层并预留防水层的搭接长度，拆除初支临时结构时做好防水层的保护，施作边洞边水层是将预留的防水层搭接头展开与后敷设的防水层焊牢，从而实现防水层封闭成环（见图5）。施工时为保护ECB防水层级保证二衬钢筋搭接质量，二衬中隔墙顶、底板钢筋均采用锥螺纹连接，获得良好效果。④二衬施工（见图6），先做中洞范围内的中墙和顶底板结构钢筋混凝土，此时无力的转换，然后分档拆除中墙初期支护临时结构，完成初期支护和二衬力的转换。设计要求初期支护破除每段不超过6m，间隔进行。由于需给防水和二衬钢筋留下1.5m的搭接量，因而每段二衬混凝土施工只有4.5m长，工程进度缓慢、施工缝多。为此，在施工过程中做了试验，即逐渐增加每段初期支护破除的长度，同时密切监测钢格栅应力和地表沉降量。根据测试数据，一次破除6m、8m、10m、12m时，顶部钢筋应力分别为9.8kN、10.0kN、10.1kN、10.3kN，地表沉降差0.1mm。根据顶部钢筋应力设计允许值10.2kN的指标，确定每段初期支护破除长度为10m，大大的提高了工效。（3）