砂卵石地层浅埋暗挖法快速施工技术

砂卵石地层浅埋暗挖隧道近桥桩施工注浆加固技术砂卵石地层浅埋暗挖隧道近桥桩施工注浆加固技术 即砂卵石地层浅埋暗挖法快速施工技术即砂卵石地层浅埋暗挖法快速施工技术 参考文献参考文献 References 1 黄树炉 砂卵石地层浅埋暗挖隧道近桥桩施工注浆加固技术 研究 D 北京 北京交通大学 2006 Huang Shanglu Research of Grouting Consolidation Technology of Shallow Cover Tunnel near Bridge Pile in Sandy Gravel Ground D Beijing Beijing Jiaotong University 2006 2 吴江滨 大粒径砂卵石地层小导管成孔技术试验研究 J 建 筑技术 2009 40 11 1018 1020 Wu Jiangbin Test and Research on Pore forming Techniques on Ductule Large Particle Sandy Cobble Stratum J ArchitecturTechnology 2009 40 11 1018 1020 3 杨本伟 砂卵石富水地层注浆加固技术 J 科技与生活 2010 12 56 57 Yang Benwei The Injecting Reinforcement Technique of Sandy Gravels Watery Strata J Technology and Life 2010 12 56 57 4 孔 恒 黄明利 李元晖 等 砂卵石地层浅埋暗挖隧道施工 关键技术研究 R 北京 北京市政建设集团有限责任公司 2009 Kong Heng Huang Mingli Li Yuanhui et Key Construction Technology of Shallow Excavation Tunnel in Sandy Gravel Strata R Beijing Beijing Municip AL Group 2009 5 刘 明 砂卵石地层浅埋暗挖地铁隧道施工关键技术 J 市 政技术 2011 29 2 82 83 86 Liu Ming Key Construction Technology of Shallow Subway Tunnel in Sandy Gravel Stratum J Municipal Engineering Technology 2011 29 2 82 83 86 1 依托工程情况依托工程情况 1 1 工程概况工程概况 北京地铁四号线三期土建工程第 12 标段由西直门车站改造 新街口车站 西直门站 动物园站区间 新街口站 西直门站区间 四部分组成 其中区间部分采用浅埋暗挖法施工 本工程起点为西 内大街与赵登禹大街丁字路口北侧 向西沿西内大街北侧至西直门 立交桥 正交下穿 2 号线西直门车站往西沿西外大街下方直至动 物园 本标段暗挖隧道工程左右线计大于 4 1 km 90 为穿越砂 卵石地层 并且要穿越西直门高粱桥等一级风险源 1 2 工程地质和水文地质条件工程地质和水文地质条件 1 地质条件 根据勘测资料 隧道所处地层为第四纪沉积层 区间隧道顶板 主要位于卵石圆砾 层中下部 砾石为亚圆形 级配较好 含细 砂约 30 含圆砾约 10 卵石部分粒径大于 9 cm 一般为 2 4 cm 砾石成份为辉绿岩 砂岩等 属于 级围岩 区间 隧道边墙穿过的岩土层上部主要为粉质粘土 层 粉土 2层 卵石 圆砾 层及中粗砂 1层 下部为卵石圆砾 层 中细砂 1层 均 属 级围岩 区间隧道底板主要位于饱和的卵石圆砾 层中部 局部为中细砂 1层 粉土 3层 粉质粘土 4层 属于 级 围岩 通过实验室筛分试验表明 隧道穿越地层为卵石 圆砾层 多 数粒径为 20 70 mm 最大粒径达到 150 mm 含砂率为 11 30 平均内摩擦角为 35 左右 N 值为 27 50 施工中 遇到过最大的卵石达 250 mm 2 水文条件 地下水主要分为三层 上层滞水 潜水和承压水 具体情况 见表 1 1 3 工程风险工程风险 1 隧道顶部以卵砾石地层为主 围岩稳定性差 在暗挖隧 道开挖时无法形成自然力拱 易发生塌落现象 2 隧道结构边墙下部以碎石土和粉砂类土为主 自稳能力差 且含有潜水赋存水 容易发生坍塌现象 隧道结构底部也需注意底 鼓和涌砂 3 区间沿线局部表层人工填土以下为新近沉积层 厚度为 0 5 7 3 m 位于结构顶板以上 5 7 m 土体尚未密实 施工时 的扰动可能会使尚未密实的土体发生自沉 变化大的甚至会波及到 地面 对地面及地表建筑物产生影响 特别是隧道上方西直门高粱 桥是交通主干道 施工过程必须控制高粱桥桥桩下沉和倾斜 确保 桥梁和道路的安全 2 砂卵石地层设计参数优化砂卵石地层设计参数优化 2 1 初始设计参数初始设计参数 本段工程初始设计没有考虑砂卵石特点 按一般地层进行设计 1 小导管初始设计参数 将 42 3 25 mm 无缝钢管按每 3 m 截成一段 在钢管的一 端做成 100 mm 长的圆锥状 以便于插打 在距另一端 100 mm 处焊接 6mm 钢筋箍 防止打设小导管时端部开裂 影响注浆管 路连接 距钢筋箍一端 800 mm 内不开孔 以防漏浆 剩余部分每 隔 200 mm 梅花型布设 8 mm 溢浆孔 以用于泄浆 防止注浆出 现死角 小导管加工成形见图 1 初始设计每 2 榀格栅一打 小导管沿开挖轮廓从格栅腹部穿 过 环向间距 300 mm 仰角及外插角 10 15 在拱形段范围 内布设 前后两排小导管搭接长度不小于 1 m 具体小导管注浆见图 2 2 注浆参数初始设计 注浆材料按以下原则选取 对于无水粗砂及砂砾 卵 石地层 选择单液水泥浆 对于有水的粗砂及砾石地层 选择水泥 水玻璃 双液浆 初始注浆参数如下 注浆初压 0 3MPa 注浆终压 0 5 MPa 浆液扩散半径 0 25 m 注浆速度 30 L min 2 2 遇到的困难和出现的问题遇到的困难和出现的问题 按以上设计参数加工小导管进行施工 遇到了以下困难 1 在砂卵石地层进行超前导管钻孔过程中 不易成孔 卵石 卡夹钻头 钻进难度很大 钻杆在取出时易发生塌孔 造成导管注 浆无法正常进行 2 在砂卵石地层中施工超前小导管由于成孔难度大 施工速 度慢 对地层扰动很大 常常塌方 1 3 由于导管打入深度达不到设计深度 常造成地层难以注 浆成拱 超挖量较大 工作面稳定性难以保证 4 由于小导管打设困难 一般需要一个工班才能完成全部小 导管打设 同时难以保证施工质量 导致工效非常低 每天有时只 能进行一个循环 常常进尺小于 1 m d 月进度为 20 30 m 2 3 设计参数的优化设计参数的优化 1 小导管设计参数优化 分析砂卵石地层按初始设计施工带来的困难 主要原因就是注 浆小导管参数设计不合理引起的 通过地层预加固机理和原则分析 对小导管参数提出了优化方案 2 小导管采用 32 3 25 mm 热轧无缝钢管 管长 L 1 8 m 环 向间距 250 mm 小导管采用一榀一打 仰角及外插角为 10 15 为了便于浆液扩散 溢浆孔采用 5 200 梅花形布 置的小孔 图 3 通过施工实践 优化设计可以满足施工安全 快速 经济的目标 2 注浆设计参数优化 注浆浆液采用水泥 水玻璃双液浆 注浆初压为 0 1 MPa 终 压为 0 2 0 3 MPa 注浆压力不宜超过 0 3 MPa 进浆速度控制 每根导管浆液总进量在 30 L min 以内 导管注浆采用定量注浆 可按地层吸浆量计算 如达不到定量浆液 但孔口压力已达到 0 5 MPa 时 即结束注浆 3 3 砂卵石地层区间隧道浅埋暗挖法施工砂卵石地层区间隧道浅埋暗挖法施工 3 1 砂卵石地层浅埋暗挖法施工原则砂卵石地层浅埋暗挖法施工原则 在区间隧道的开挖支护施工中 除应严格执行浅埋暗挖法 管 超前 严注浆 短开挖 强支护 早封闭 勤量测 的十八字施工原 则外 针对砂卵石地层中施工出现的困难情况 结合工程实践 提 出了在砂卵石地层中应遵循的原则 4 5 早封面 在打设注浆小导管前 首先喷射较薄混凝土层 以稳定工作面 避免小导管打设时震动坍塌 管细短 针对砂卵石地层小导管打设困难 相对一般地层 而言 超前注浆小导管参数选择时尽量选用 短 细 钢管 短 指的是在保证 1 m 重叠基础上每榀一打 榀距视小导管打设难易进 行调整 细 指的是小导管在保证刚度要求的前提下尽量减小管径 以减少打设摩擦阻力 方便打设 少扰动 在打设导管和开挖时尽量少扰动地层 防止卵石 滑塌 快凝固 因砂卵石地层浆液易于渗透 且有遇水易塌方特 点 在小导管注浆浆液选择时尽量选择早凝固型浆液 以凝固胶结 地层 促拱早形成 固拱脚 砂卵石地层一般在台阶法施工时 较粘土地层台 阶长度要稍长 因而成环相对滞后 对上部格栅一定要打设锁脚注 浆锚管 以稳固拱脚 改善受力条件 减小地层变形 中拉槽 由于砂卵石地层自稳性差 下部台阶很难像粘土 地层那样形成规则台阶 需要在台阶中部拉槽 以保证下台阶处于 稳定状态 确保施工安全 3 2 砂卵石地层暗挖地铁区间隧道施工工艺砂卵石地层暗挖地铁区间隧道施工工艺 3 2 1 工艺流程工艺流程 1 砂卵石地层浅埋暗挖施工流程见图 4 2 砂卵石地层浅埋暗挖施工方法概述 暗挖隧道共分为二步台阶进行施工 台阶长度取 3 5 m 上 下台阶的分界线在格栅连接点位置 先开挖上台阶土方并喷射混凝 土支护 再开挖下台阶土方并支护 支护封闭成环 上台阶开挖及支护 中间留核心土 开挖上台阶的弧形导洞 弧形导洞完成后即初 喷混凝土 3 5 cm 然后架立格栅钢架 挂钢筋网 喷混凝土至设 计厚度 核心土留成台状 上台阶开挖高度在 3 0 m 左右 核心 土高度 1 7 m 上口宽 1 5 m 左右 核心土沿掘进方向长度为 0 75 1 5 m 核心土的形状在保证维持掌子面稳定的前提下 兼作 为工作平台 以便于进行格栅安装 喷混凝土操作 图 5 格栅 设计间距 0 5 m 故循环开挖距离为 0 5 m 但在土体不稳定地段 格栅需加密 开挖步距相应减小 上台阶施工顺序 封闭掌子面 超前小导管打入 超前小导管 注浆加固地层 留核心土开挖上台阶土方 测量开挖断面轮廓 初 喷混凝土 3 5cm 安装格栅钢架 挂钢筋网 搭设注浆锁脚锚管 复喷混凝土至设计厚度 下台阶开挖及支护 下台阶采用边墙单侧交错方式开挖 先按倒圆台形式开挖中间 核心土 随后开挖一侧的边墙 开挖步距 0 5 m 即一个格栅间距 挖至设计轮廓后 立即安装格栅钢架 喷混凝土 该侧的边墙支 护完毕后再进行另一侧边墙的开挖及支护 两边墙均支护完毕后 开挖底板土方 安装仰拱格栅 喷射仰拱混凝土 封闭成环 图 6 之后再进行下一循环的施工 下台阶施工顺序 开挖中间核心土 左侧边墙土方开挖 测量 开挖断面轮廓 初喷混凝土 3 5cm 安装格栅钢架 挂钢筋网 复喷混凝土至设计厚度 右侧边墙土方开挖 测量开挖断面轮廓 初喷混凝土 3 5 cm 安装格栅钢架 挂钢筋网 复喷混凝土至设 计厚度 底板土方开挖 测量开挖断面轮廓 初喷混凝土 3 5 cm 安装格栅钢架 挂钢筋网 复喷混凝土至设计厚度 3 2 2 施工方法要点施工方法要点 1 超前小导管注浆施工 超前小导管施工工艺流程 图 7 在导洞作业面开挖前 喷混凝土封闭掌子面 沿结构拱部初期 支护内轮廓线通过已安装好的钢格栅腹部打入带孔小导管 然后通 过小导管向围岩压注浆 对砂层进行加固封堵 防止施工时涌水 涌砂 坍塌 并在结构轮廓线外形成一个 0 4 1 0 m 厚的弧型加 固圈 在此加固圈的保护下安全地进行开挖作业 注浆材料 施工时根据地质情况和试验确定施工配合比 注浆工艺 小导管安设采用引孔打入法 安设步骤如下 用 YT 28 风钻吹 孔 开孔直径为 60 mm 风压为 0 5 0 6 MPa 深度为 2 m 用带冲击的 YT 28 风锤将小导管顶入孔中 然后检查导管内有 无充填物 如有充填物 用吹管吹出或掏勾勾出 也可直接用锤击 插入钢管 用塑胶泥 40Be 水玻璃拌合 P32 5 水泥 封堵导管周围及孔 口 严格按设计要求打入导管 管端外露 20 cm 外露部分焊接在 钢格栅上 并可以安装注浆管路 2 注浆浆液配制 搅拌 水泥浆采用拌合机搅拌 根据拌合机容量大小 严格按要求 投料 根据地层情况和凝胶时间要求一般水泥浆和水玻璃比例为 0 8 1 1 5 1 搅拌水泥浆的投料顺序为 在加水的同时将缓凝剂一并加入 并搅拌 待水量加够后继续搅拌 1min 最后将水泥投入并搅拌 3 min 缓凝剂掺量根据所需凝胶时间而定 控制在水泥用量的 2 3 制备水泥浆时 严防水泥包装纸及其它杂物混入 注浆时设 置滤网过滤浆液 未经滤网的浆液不进入泵内 3 锁脚锚管施工 暗挖初期支护开挖的过程中 在拱脚部位打入两根锚管 可以 有效地减少初期支护拱顶下沉 从而减小地表沉降量 锁脚锚管采 用 42 钢管 长度 2 0 m 锁脚锚管施工步骤如下 用锚管钻机钻孔 将安装好锚头的锚管插入锚孔 用注浆接头将锚管体与注浆泵相连 开动注浆泵 使水泥浆充盈锚孔 为提高锚固效果 水泥浆水灰比为 0 5 1 注浆压力应为 0 15 MPa 锚管施工程序见图 8 3 2 3 施工效果分析施工效果分析 1 在砂卵石地层浅埋暗挖施工中 合理的选择小管径的超 前注浆小导管 控制打设长度及间距 与常规使用的 42 小导管相 比具有可操作性强 施工周期短等特点 有效地解决了砂卵石地层 暗挖施工的超前支护问题 2 下台阶反核心土开挖技术 有效地减小了台阶高度 3 与常规作法相比 本工法施工安全系数高 土层沉降数值 小 4 通过实践 依照本工法参数和原则进行施工 施工效率大