不同地质条件下竖井施工方法.doc

不同地质条件下竖井施工方法浅谈徐玉峰1 杨建华2（1.中铁隧道勘测设计院有限公司，天津红桥 300133；2.深圳市地铁有限公司，深圳 518000）1 China Railway Tunnel Survey Design Institute Co. , Ltd. Tianjin 300133,China 2 SHENZHEN METRO CO.,LTD. ShenZhen 518000,China摘 要 竖井是许多地下工程特别是隧道工程的重要组成部分，是施工的通道，有的竖井建成后也作为永久结构使用。但由于各个竖井地质条件的差别，针对不同地质条件下竖井的施工方法，也变成了隧道工程的一个重点、难点问题。本文结合已经施工完成的几个工程，针对不同地质条件下的竖井施工方法作了详细的阐述。 关键词 竖井 施工方法Discussin on silo construct measure in different geological conditionXu Yu Feng(China Railway Tunnel Survey Design Institute Co. , Ltd. Luoyang,Henna 471009,China)Abstract: Silos are important makeup in many underground engineerings especially tunnel engineerings,They are chunnels for construct, some of them are permanence engineerings after construct. Because the difference of geological condition on ervey silo, the silo construct measure become a key and difficulty problem of the tunnel engingeerings. The paper take some finished engineerings example to discuss the silo construct measure in different geological condition.Key words: silo construct measure1前言竖井是许多地下工程特别是隧道工程的重要组成部分，是施工的通道，有的竖井建成后也作为永久结构使用。但由于各个工程所处的地理位置的差别，也造成了各个竖井地质条件的差别，针对不同地质条件下竖井的施工方法，也变成了隧道工程的一个重点、难点问题。随着国民经济的发展及国家基础建设的大力进行，越来越多隧道及地下工程需要建设，因此针对竖井处不同的地质情况选择适合的施工方法会越来越受到关注。下面就一些具体工程实例进行阐述，以便后续类似工程借鉴。2各种地质情况下竖井的施工方法2.1均质软弱地层中的竖井施工方法本工程为深圳某过海管廊隧道工程的盾构始发井。本工程隧道从陆地到岛屿，采用盾构法和矿山法相结合的施工方法，两端设盾构井。工程建成后，两端盾构井作为管线进出管廊隧道的通道，为永久结构。该工程的两个竖井各有特点，盾构始发井位于软弱地层中，盾构接收井位于硬岩地层中。始发井所处的地质条件：竖井所在钻孔揭示地层主要有人工填土、淤泥、粉质粘土和粘土、2粗砾砂、残积层、基岩全风化层、基岩强风化层、基岩中风化层。人工填土，主要是粗砾砂，厚4.404.50m，松散，压缩性高，工程性质差；淤泥层，厚13.6014.50m，该层具有低强度、高压缩性、灵敏度较高等特点，开挖时，由于土体应力场的改变，容易产生流变，如果支护不及时容易造成边墙失稳，工程性质极差；粉质粘土粘土层，厚5.707.00m，软塑可塑，工程性一般；残积层为砂质粘性土，厚4.004.50m，硬塑为主，承载力较高，工程性质较好；、为基岩全风化强风化岩，承载力高，工程性质较好，可作为始发井基础持力层。总体上始发井的工程地质条件较差。根据航道等部门要求，盾构管廊在航道范围为顶标高不高于-24m，据此来进行隧道纵断面的设计，经多方案比较后，确定本始发井井底内标高为-18.5m附近。该处位于粉质粘土层，其下为全微风化花岗岩层。根据地层情况，始发井的可选施工方法有：沉井法、地下连续墙法及排桩围护结构等型式。后两种方法工程风险较大，工程难度大，且造价高。始发井所处地层从上到下具有利于沉井施工的良好地质条件，但地貌和水文地质条件较差，因此，宜采用不排水沉井方法施工，待竖井下沉到位后，采用水下混凝土封地后施做永久混凝土底板。经结构计算，沉井井壁厚采用1.2米，能够满足沉井下沉及受力的要求（竖井地质及结构形式见附图一 竖井结构图一）。为了满足抗浮要求，竖井二衬与上部井圈连接成整体。施工过程中通过控制竖井内水位的高度、加强监测纠偏等措施，保证了竖井的下沉顺利，并且竖井的水平和竖向偏位均能满足使用要求，目前，该竖井已投入使用。 附图一 竖井结构图一 附图二 竖井结构图一2.2硬质岩层中的竖井施工方法本竖井与上一竖井属同一工程，为盾构接收井，工程建成后，该竖井也是永久结构，作为管线进出管廊隧道的通道。本竖井所处的地层从上到下依次为人工填土、填石，中风化花岗岩，微风化层。人工填土、填石由漂石土和块石土组成，层厚约4.7米（至井口地面高程），松散，工程性质较差，基本位于地下水位以上；中风化花岗岩，节理较发育，岩体整体性较好，工程性质较好；微风化花岗，节理不发育，岩体整体性很好，工程性质良好。总体上该竖井口部工程地质条件较差，下部工程地质条件较好。根据井位处的工程地质条件，该竖井采用矿山法施工，采用复合式衬砌。竖井为内直径8.0m圆井,井深约32m。施工前，首先清理施工场地至最终地面高程（+8.0m），明挖口部人工填土、填石层，施做钢筋混凝土井圈，待井圈混凝土达到设计强度后，对其外面基坑进行回填。然后进行井圈内的竖井开挖施工，初期支护采用C20喷射混凝土，二衬为C30防水混凝土（或钢筋混凝土）结构，抗渗等级按地下工程防水技术规范执行。井壁厚度为0.5m，井底板厚1.2m。二衬与初期支护间设全包柔性防水层，防水材料为1.5mm厚的PVC防水板+350g/m2无纺布。为了满足抗浮要求，竖井二衬与上部井圈连接成整体（见附图二竖井结构图二）。对于有一定自稳能力的地层，并不一定要像本竖井基本全部在岩石地层中，均可采用矿山法施工，只不过需加强初期支护的强度，并采取一些配套施工措施。2.3上软下硬地层中的竖井施工方法2.3.1软硬岩交界面不平整本工程与上一工程为相邻工程，为从一个岛屿到另一个岛屿的过海隧道接收井。本工程隧道从岛屿到岛屿，采用盾构法和矿山法相结合的施工方法，两端设盾构井。工程建成后，两端盾构井作为管线进出管廊隧道的通道，为永久结构。该工程的两个竖井也各有特点一个位于上硬岩地层中，与上一个工程的盾构接收井类似，另一个所处的地层上软下硬，上部为填土、砾砂层、粉质粘土和淤泥质砂层，下部为中风化微风化花岗岩，且软硬岩交界面岩层起伏较大，在竖井范围内，中风化花岗岩面高差最大处相差约3.3米。该竖井深约36.9m，根据盾构机最大构件的尺寸吊出要求，竖井初支后内净空8.0m。该竖井从地表到地下约6.5m厚为碎石块填土，其下为第四系海象沉积地层：粗砾砂、粉质粘土、淤泥质砂土，再下为第四系残积层：砂质粘性土，下伏风化花岗岩，在深度18米左右处进入中风化花岗岩层。井底位于微风化花岗岩层。总的来说，接收井所处地层上部较差，下部较好。针对本竖井的地层特点，上部采用围护结构明挖法施工，下部采用钻爆法施工。（竖井地质及结构形式见附图三 竖井结构图三）附图三 竖井结构图三 上部基坑围护结构采用直径为1200冲孔桩。施工进度快，同时冲孔桩能进入岩层，施工风险小。为了满足施工需要，桩间需拉开，其净距为150mm左右。由于桩间拉开，竖井围护结构的截水效果是竖井施工成败的关键问题之一。由于基坑靠近海边，地层透水性好，含水量大，地下水补给快，为了防止桩间渗水，桩间土崩解，应在桩间做可靠的截水措施。根据竖井处的地层特点，在两个围护桩间采用1000的三重管旋喷桩止水，旋喷桩与冲孔桩之间搭接200mm，三重管旋喷桩进入强风化层不小于1.0米。根据以往的工程经验，旋喷桩在岩层中效果不容易保证，而强风化中风化等软硬地层交界面又是透水性较强的界面，因此在旋喷桩下部采用袖阀管注浆，袖阀管注浆与旋喷桩搭接长度不小于2.0米，针对本工程中风化花岗岩层中裂隙发育的特点，袖阀管下部应伸入微风化岩层不小于1.0米。施工过程中通过旋喷桩试喷和袖阀管试注浆等措施，调整施工参数，保证施工效果。竖井开挖过程中，在有渗漏水的地方通过钢插管注浆方式进行堵漏处理。竖井支护措施如下： 1）围护结构参数冲孔桩直径为1200，桩间净距为100150mm，混凝土等级为C25；由于竖井是圆井，内支撑系统采用钢筋混凝土环框梁。上部明挖基坑深17.7米，共设5道环框梁支撑。环框梁采用C30，S8钢筋混凝土结构，竖井开挖完成后，顺做井筒，与环框梁连接成整体。由于该竖井较深，上部竖井围护结构为吊脚桩形式，为了保证竖井施工的安全，在最下一道环框梁下设置一道预应力锚索。预应力锚索参数如下：2）接收井施工方法本竖井主要施工步序如下：（1） 明挖上部填土至地下水位以上不小于0.5米，坑中间设临时积水坑，明挖放坡坡率可按1：1.51：2，坑底应适当加宽，保证能使桩机就位施工；（2） 冲孔桩定位，开始间隔（至少间隔2根）施做冲孔桩；（3） 冲孔桩完成后，开始在桩间施做旋喷桩；（4） 旋喷桩达强度后，在旋喷桩桩位施做袖阀管注浆；（5） 模筑桩顶环框梁及上部井筒，待井筒达到设计强度后，回填井筒外部土至地面高程；（6） 顺做法施工上部竖井结构：开挖竖井，到环框梁处时施做环框梁；（7） 最下一道环框梁达强度后，进行下部矿山法竖井的开挖和支护；（8） 下部竖井挖到底后，待盾构机吊出后，自下而上顺做竖井内部衬砌混凝土结构；上部竖井围护结构平面布置图见附图六 冲孔桩及止水帷幕平面布置图。附图六 冲孔桩及止水帷幕平面布置图该竖井开挖后发现，由于岩层分界面倾斜严重，施工中没能采取有效措施控制好，有一根冲孔桩偏离设计桩位较远（约40cm），与其相邻桩间间距较大，该处桩间漏水较严重，后采取钢插管对该处桩间土进行注浆处理，控制住了渗漏水，该竖井上部基坑其它位置渗水量很小。目前该竖井也已投入使用，满足原定二级防水要求。2.3.2软硬岩交界面平整某输气管道工程穿越长江隧道工程的南北两岸的施工竖井均属于此类竖井。两个竖井上部地层为第四系覆盖层，覆盖层厚度为2235m，分别为粘土、粉质粘土、粉土与细砂互层、卵石等，下伏岩层为全微风化的绿泥石泥质板岩，岩层分界面较为平整。南岸竖井深约35.5米，北岸竖井深约67.5米，本次以南岸竖井为主进行介绍。本工程范围内地下水埋藏较浅，在地下水的浸泡作用下，粉质粘土自稳能力较差，竖井井壁易发生坍塌，局部有流土、涌水现象，井壁成型较差；砂性土松散，渗透系数k值为110-3cm/s，属中等透水层，渗透性较强，富含地下水，并具承压性，施工时会产生流土、管涌及大量涌水等现象，井壁不易成型。在施工穿过粉质粘土进入砂性土时，基坑会出现突涌现象。卵石渗透系数k值为110-2cm/s，属强透水层，施工穿过时可能出现大量涌水现象，难以抽排。全强风化带岩体质量属级，渗透系数k值为110-3cm/s，属中等透水，在地下水的作用下，施工中井壁会产生坍塌、涌水现象，井壁成型条件较差。该井段应特别作好防排水工作，井壁应及时衬砌支护。因此上部竖井采用抽水开挖法施工难度大，选用围护桩+截水帷幕或地下连续墙造价较高，经过比较，上部竖井采用沉井法施工较为适宜，即节省了工程造价，又保证了施工安全。中等风化带及微风化带岩体质量属、级，渗透系数k值为110-3cm/s，属弱中等透水，岩体较完整完整，井壁一般稳定性较好；但在断层、层间剪切带、裂隙发育处，多组结构面相互切割会形成块体或潜在不稳定区滑落；另外，由于岩层倾角较陡，岩层单层厚度较小，井壁易产生掉块现象。施工中，应及时根据实际情况进行针对性的支护。经比较分析，该竖井采用如下的施工方法：上部竖井采用沉井法施工，沉井刃脚沉入全强风化层不小于2米，并尽量下沉，沉井应采用不排水法施工，在沉井下沉过程中为了达到防止涌砂流砂，禁止井内降水迫沉，应使井内淹水水位高于地下水位12米，严格控制井内外水位的压差。当沉井到位并纠偏稳定后，进行水下混凝土封底，待封底混凝土达到设计强度后，在继续下部竖井施工前应通过刃脚段预埋注浆管及通过在封底混凝土上钻孔向周边及下部地层进行注浆加固，为下一步破底施工创造条件。下部竖井采用矿山法施工。在注浆达强度并钻孔取芯检验合格后，破除井底封底混凝土，进行下部竖井的施工（竖井结构见附图七 竖井结构图四，井底注浆见附图八 竖井注浆加固图）。附图七 竖井结构图四 附图八 竖井注浆加固图该竖井在施工过程中由于地质条件太差，造成了一些施工困难，比如注浆效果不理想等，经过二次注浆等补救措施，本竖井也安全施工完成，并达到了业主要求的防水等级，目前该竖井已投入使用近3年。3结论及体会本人参与了前面2个工程的设计，后一个工程也是我院的一个工点，这些工点地质情况有较大的差别，在设计过程中，我们对不同的施工方法进行了大量的对比分析，选用了与这些工点地质相适应的施工方法，最后取得了安全、经济的效果。在工程设计施工过程中，我们深刻地认识到，要使工程顺利完成需做好以下三方面：1）工程的设计与施工必须适应所处的地质条件，首先要对地质情况分析研究透彻，然后再选择与其相适应的施工方法，才能取得较好的效果。2）正确的施工方法确定之后，运用所掌握的科学技术和经验，采取各种技术措施来保证施工顺利进行。3）地质情况具有不确定性，在制定技术方案的同时，必须充分考虑到它所存在的风险，需要有应急预案。参考文献1 夏明耀等.地下工程设计施工手册.北京：中国建筑工业出版社，1999 Xia Mingyao Etc. Underground engineering design and construction handbook.Beijing: China Building Industry Press,19992 刘俊岩.深基坑工程.北京：中国建筑工业出版社，2001 Liu Junyan. Deep excavation works.Beijing: China Building Industry Press,200