浅埋暗挖隧道工程技术应用实例.pdf

第三章!浅埋暗挖隧道工程技术应用完例 第一节! 南京地铁 “ 号线浅埋暗挖隧道概况 南京地铁南北线一期工程珠江路一鼓楼和鼓楼一玄武门区间隧道，为矿山法施工 区间，隧道断面为复合式衬砌结构。隧道穿越地层为：粉质粘土、残积土、淤泥质粉 质粘土、中 # 强化含砾砂岩、砂砾岩、强 # 微风化安山岩。区间地下水主要为浅层孔 隙水和基岩裂隙水。浅层孔隙水主要存在于人工填土层，水量不丰富，受大气降水和 地表水的渗入补给明显；中部弱承压水存于粉质粘土层中，该层属于粘性土，透水性 差，含水量不大，呈弱承压性；岩层裂隙水存在于浦口组含砾砂岩、砾砂岩层，透水 性及富水性较差，局部具有一定水量。地下水位在地面下“$ % #“$ ）“+ -“# ,7, ( “,%( “-% 压缩模量 )*（=?）, )-+ ;“%( $%(“ 水平渗透系数 ,0&%( %7（./ *） ( ,7) 第三节/ 工程难点及特点 一、软流塑地层区间隧道 珠江路站北端与玄武门站南端为软流塑粉质粘土、淤泥质粉质粘土，具有高压 +7+%地铁工程设计与施工新技术实用全书 缩性、高灵敏度、强度低的特点，易产生蠕动现象，开挖后自稳能力极差，易坍塌， 地面沉降控制难度大。其施工难点主要表现在以下几方面： !围岩自稳能力极差，开挖后易产生坍方，严重时可能发生涌泥现象。 “地面沉降控制难度大，在道路区，过大沉降易引起路面开裂，甚至坍陷，影响 交通安全；在管线和建筑物区，地面沉降过大，易造成地下管线破坏和建筑物开裂， 危及建筑物安全。 二、大跨度渡线隧道 隧道跨度大（最大跨度约 !“# $%&） ，相临隧道间距小，最小净间距 (# )&。围 岩自稳能力差，施工工序多，开挖易坍塌；地面建筑物多，沉降控制难度大。地铁施 工必须保证地铁结构和施工安全，同时避免施工对地面建筑物、地下构筑物、地下管 线造成破坏或留下安全隐患。其施工难度很大，主要表现在以下几方面： 图 !$ *$ *$+ 典型横断面图 !大跨度隧道施工对南北向道路隧道有影响，地铁施工必须保证南北向道路隧道 的正常运营，保证隧道结构的受力和变形在隧道原结构的允许范围之内。 “大跨度隧道施工对地面建筑物有影响，地铁施工必须保证建筑物的安全和正常 “,!第十三篇+ 地铁工程技术应用实例 使用，保证居民的正常生活。 !鼓楼一玄武门矿山法施工区间大跨度停车线段的结构复杂，隧道跨度大，施工 工序多，结构受力情况转换多。确定合理的施工方案是工程成败的关键。 设计结构为复合式衬砌结构，结构横断面和主要支护参数、措施如下图 !“ #“ # “ 所示。 第四节$ 工 法 选 择 一、盾构法与浅埋暗挖法的比较 南京鼓楼地区鼓楼为高岗地带，珠江路和玄武门方向地势较低，为池塘淤积和填 土。由于南京鼓楼地区的地形、地质特点，两区间在珠江路和玄武门两端地质条件极 差，隧道穿越地层多为淤泥质粉质粘土。靠近鼓楼段地质条件较好，隧道穿越地层多 为中风化岩，底部还有微风化岩石。由于每个区间地质差别太大，故选用盾构法施工 对盾构机的性能要求太高。且鼓楼一玄武门区间有 “%& 左右的渡线和停车线段，不 具备盾构法施工的条件。地面道路交通繁忙，建筑物多，在区间中部设盾构机掉头井 的条件也不具备，且不经济。因此，两区间采用浅埋暗挖法施工。 二、浅埋暗挖法的工法比选 ! 软流塑地层区间隧道施工技术 针对珠江路一鼓楼一玄武门区间 () * +,- . # () * /!% 和 (! * -) # (! * “,% 两段软流塑、淤泥质粉质粘土地层中采用矿山法施工的隧道，为保证施工过程的安全 和施工期间周边建筑物及地下管线的安全，必须确定合理的辅助施工方法。根据我国 地铁的施工经验和施工技术，可供选择的施工方法有：大管棚 * 小导管超前预注浆 法、软弱围岩仰拱超前法、水平旋喷法和冻结法，经过离心模型试验和数值模拟计算 分析，结合经济技术比较，冻结法造价高，冻涨融沉影响大，现浇混凝土施工困难； 水平旋喷法国内施工机械不很成熟。最终选定的施 “! 法为大管棚 * 小导管超前预注 浆法并结合掌子面全断面封闭注浆加固。施工示意图见图 !“ #“ #+。 “离心模型试验结果 图 !“ #“ #0 为大管棚 * 小导管施工离心试验结果照片，图 !“ #“ #. 为掌子面 ,/.!地铁工程设计与施工新技术实用全书 图 !“ #“ #$% 大管棚 & 小导管施工方法示意图 图 !“ #“ #% 大管棚 & 小导管施工离心试验结果 图 !“ #“ #(% 掌子面加固管棚法施工下台阶施工结束后地表沉降分布 )*(!第十三篇% 地铁工程技术应用实例 加固管棚法施工下台阶施工施工结束后地表沉降分布图。 !数值模拟计算结果 图 !“ #“ #$ 为开挖引起的地表沉降曲线，左洞开挖时，地面最大沉降点在左洞 洞顶附近，沉降主要在左洞中线左右各 %& 的范围；随着右洞的开挖，地面最大沉 降点逐渐向右洞靠近，沉降范围向右洞处扩展；当左、右洞全开挖完时，左边地面最 大沉降 %( )*+，右面 “( $+，沉降范围向右扩展 “；下台阶开挖对地面沉降的影响 较小。 图 !“ #“ #!&, 第一过渡断 面第四步开挖后的照片 图 !“ #“ #$, 地面沉随开挖步的变化图 图 !“ #“ #), 大管棚法施工的塑性区 图 !“ #“ #) 是每步开挖之后地层产生的塑性区，第一步开挖时软 # 流塑粉质粘 土层处于塑性屈服状态，随着开挖的进行，塑性区向洞周和地面发展，最后双洞的两 &)-!地铁工程设计与施工新技术实用全书 侧均塑性屈服。 左洞开挖完时，右边地面的倾斜度为 !“ !#$%；全部开挖完后，倾斜度有所减 小，为 !“ !#&；满足现行建筑地基基础设计规范要求。 (“ 建筑物下大跨度浅埋隧道施工技术 区间隧道渡线、停车线段为!类围岩，主要为残积土、强 ) 中分化安山岩。地表 环境苛刻，围岩自稳能力差，隧道断面复杂多变，施工工序多且干扰大，开挖易坍 塌，地面沉降难以控制，施工难度较大，因此该段地铁施工必须保证地表建筑物、构 筑物、管线等正常使用功能，保证居民正常生活，同时保证地铁隧道自身结构和施工 安全是该方案的重点，依据已建地铁大跨度停车线施工的成功经验，结合本区间停车 线地质情况和地面环境条件，加以理论分析和模型试验，确定采用“台阶法” 、 “*+, 工法”和“眼镜工法”施工。 根据停车渡线断面尺寸、围岩地质情况及地表环境的实际情况，结合其他地铁大 跨施工经验，参照理论分析和模型试验成果，确定施工方案为：左线从大断面隧道向 小断面隧道施工，右线从小断面向大断面隧道施工，待掘进到右线 -#! .&%/ 后，由 施工横通道反过来由小断面隧道向大断面隧道施工左线。施工顺序为：先施工大断面 隧道后施工小断面隧道，先左线后右线；采用工法依次为：台阶法、*+, 工法、眼 镜工法；辅助工法为小导管超前注浆加固、加固范围为拱部 #0!1。施工顺序图如图 # 2 2/ 所示。 图 # 2 2/3 大跨度停车线段施工顺序图 #$%#第十三篇3 地铁工程技术应用实例 !离心模型实验 离心模型试验就是利用离心机高速运转所产生的惯性力场来模拟结构的自重应力 场，根据相似条件，在试验时模型的几何尺寸缩小 ! 倍，离心加速度为 !“ #（# 为重 力加速度） ，模型中各点的 ! ! “ 关系与原型中对应点 !“ 关系完全相同，模型中介 质的 !、“ 发展变化过程就完全反映了原型中对应点处的 !、“ 发展过程。由于离心 模型试验能真实再现现场岩土结构所受到的应力水平，较其他模型试验具有很大的优 势，近年来获得了很大的发展，广泛应用于破坏机理研究，数值验证、工程预测、方 案论证等方面，并取得了很多有意义的成果。 主要实验结果如下。图 $% &% &$ 为最大隧道眼镜工法施工完成后的变形情况照 片。图 $% &% &$ 为地面沉降曲线，最大沉降值为 ()“ *+。图 $% &% &$( 为施工空 间效应对最大跨地面沉降最大点的变形影响，最终地面沉降值为 %*“ ,+。 “数值模拟计算 数值模拟计算目前是研究岩土工程产挖问题的有效分析手段。对该渡线进行了平 面有限元模拟计算和空间有限元模拟计算。图 $% &% &$% 为地面沉降随开挖步的变化 曲线。可以看出，大跨隧道双侧导坑的上台阶、核心土的上台阶、小跨隧道的上台阶 开挖引起的地面沉降较大，最终地面最大沉降可达 *-+。图 $% &% &$* 为施工完成后 的塑性区分布图。可见，开挖对两隧道中间土体的扰动较大，第一步开挖该部分土体 即塑性滑移，随着开挖的进行，塑性区的范围增大，开挖逐渐波及到地表，大跨隧道 核心土的上台阶开挖时在该隧道左侧拱腰处也出现塑性区。开挖过程中在隧道的左、 右地面均出现局部开裂区。 图 $% &% &$. 第一过渡断面第四步开挖地表沉降分布图 (/,$地铁工程设计与施工新技术实用全书 图 !“ #“ #!$% 第一过渡断面顶地表最大沉降与 各过渡断面施工的关系曲线 图 !“ #“ #!“% 地面沉降随开挖步的变化图 图 !“ #“ #!&% 施工完成后的塑性区分布图 “(!第十三篇% 地铁工程技术应用实例 第五节! 工 程 实 践 一、软流塑区间隧道 “# 注浆加固效果 通过现场原位注浆试验，在软流塑地层中采用劈裂注浆进行土体加固是可行的， 汪浆压力为 “# $ %“# &()，开挖后进行目测观察注浆加固范围，劈裂浆脉以垂直分布 为主，水平分布为辅，可以达到挤密土体、加固土体的作用；浆脉分布明显，注浆孔 周围有明显的挤密浆体。如图 “* +* +“& % 图 “* +* +“, 所示。 图 “* +* +“&! 注浆孔周围挤密浆体快 图 “* +* +“-! 浆脉分布图一 图 “* +* +“.! 浆脉分布图二 图 “* +* +“,! 浆脉分布图三 /,-“地铁工程设计与施工新技术实用全书 !“ 现场监控量测 现场监控量测的地面下沉，大多在 !#$ 左右，最大值为 %&“ $。 洞周变形，由于洞周量测的滞后性，量测数据均很小，但不能说明变形的实际 值，只能反应后期的变形是否收敛。从量测结果看，后期变形均收敛。从隧道净空断 面测量分析，洞周变形没有出现侵限情况。 现场监控量测的地面下沉和洞周变形满足了设计、施工和周围环境的要求，验证 了施工方法的合理性。进行的 ( 项量测数据表明土体水平位移、地下水位变化、初 期支护受力均满足规范和设计要求。 二、大跨度渡线隧道 从目前现场监控量测的数据分析， “眼镜工法”施工最大跨度断面地面沉降大多 控制在 !) *%)$ 之间，最大沉降为 %“ $，对沉降量贡献较大的工序为中心导坑 的开挖和拆除临时支撑，与理论计算和模型试验的结果相吻合。 隧道周围 + *,)$ 土体向隧道内水平位移为 )“ !# *)“ %$，南北向道路隧道距区 间隧道的净距约 ,&$，从土体水平位移和南北向道路隧道的监测数据分析，隧道施工 引起的南北向道路隧道的变形很小，保证了南北向道路隧道的安全。 该渡线隧道按照上面拟订的施工工序和工法施工，从实施情况分析，地面建筑物 和鼓楼南北向道路隧道没有出现异常反映。洞内初期支护稳定，拱顶下沉和洞周收敛 均在允许范围之内。地面监控量测的最大沉降值为 %“ $，其规律与离心模型实验 和数值模拟计算的结果一致。 第六节- 浅埋暗挖技术总结 ,“ 地面沉降控制标准 地面下沉总量由隧道施工引起的土体力学变化、地下水流失、施工误差等组成。 当隧道周围环境有建筑物和地下管线时，根据构筑物的位置和允许变形值，利用 隧道施工引起地面变形的横向变形规律曲线 ./01 曲线和纵向变形曲线，根据隧 道埋深和地质条件计算允许的最大沉降值。地面比较空旷时，地面最大下沉值可采用 &)$ 控制。“ !“ 地层变形的防治措施和建筑物、管线的保护措施 采用隧道洞内加强预支护和改良地层的方法，同时调整施工工序和开挖台阶长 度，防治地层变形。 #+2,第十三篇- 地铁工程技术应用实例 根据现场监控量测结果和构筑物的结构特点，当隧道施工引起的构筑物变形达到 警戒值时，进行跟踪注浆加固地层，抑制变形，同时调整注浆压力，使构筑物产生的 变形减小。对于重要的地下管线可以进行悬吊处理。 !“ 软流塑地层暗挖法施工技术 软流塑地层暗挖隧道施工必须对地层进行预加固。长管棚法、水平旋喷法的预支 护方案，可有效加固地层、控制地表沉降、建筑物倾斜。 隧道开挖采用台阶法施工，上台阶开挖每次 #“ $%，并进行初期支护，每 &“ #% 施工一次小导管注浆，开挖台阶长度 $ (%；下台阶开挖每次 #“ $%，进行初期支护； 上台阶施工时并设置临时仰拱和锁脚锚杆。下台阶施工时，对上部钢架拱脚处应采用 跳槽开挖，及时支撑开挖后的拱脚，钢拱架及时封闭成环。 根据软流塑地层特性采用大管棚液压顶进施工，土层不开洞，管棚挤人地层使土 层密实，对地层扰动极小，同时排出部分地下水，有效控制软流塑地层施工所引起的 地表沉降及掌子面位移，保证了地面建筑物的结构安全，便于施工，降低了工程造 价。 隧道开挖前掌子面采用全断面后退式劈裂注浆加固，浆液采用双液浆，凝结时间 为)# *+#%,-，注浆压力为 &“ # &“ $./0。 地面有建筑物时，先开挖邻近建筑物的隧道，同时采用洞内注浆对地层进行加 固。 +“ 建筑物下大跨度