深圳地铁区间隧道富水地层非降水施工技术研究

深圳地铁区间隧道富水地层非降水施工技术研究内容摘要:针对深圳大—科区间隧道软弱富水的地质条件、设计断面变化多样以及复杂而严格的界限限制等特点,全面地论述了大—科区间非降水施工的关键技术以及在现场试验、监测、离心模型试验和数值模仿分析指点下所采用的对策办法,并反映了实际工程所获得的良好施工效果。本文关键词语:区间隧道;暗挖;非降水;施工技术1工程大概情况1.1设计大概情况深圳地铁大剧院—科学馆站区间隧道,埋于深南中路解放路口至上步路段地面下10～19m,设计长1144.7m。分左右两条单线隧道,标准地段线间距为13.2～17.2m,基本与地面道路中线对称。区间隧道内设2号线联络线预留接口一处,缩短单渡线一处,设计断面变化多样,除单线段为单孔圆形断面外,联络线预留接口和单渡线设计有单孔双线、双孔双线、三孔三线断面,其开挖最大宽度分别为12.9m、12.6m和20.0m,隧道接口型式多,工法转换频繁。区间隧道原设计为2座竖井,后因工期需要增设一座3号竖井,竖井通过横通道与正线相连。1.2工程及水文地质条件隧道范围内上覆第四系全新统人工堆积层、海冲积层和第四系残积层,下伏燕山期花岗岩。洞身重要穿越残积层和风化花岗岩。有三处含水丰富的砂层位于隧道上部,部分侵入隧道断面,层厚度2～10m不等,长度近700m,占隧道全长达2/3。有一处流塑状饱和粘土层侵入隧道断面内,如此图1所示。本区间地下水为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水,重要补给为大气降水。根据勘测,地下水埋深1.93～5.73m。水位高程0.5～7.5m,水位变幅0.5～2.0m。隧道东端(靠近大剧院站地段)北侧的荔枝湖与本区间地下水存在水力联络。1.3地面和交通条件本区段为交通骨干道和商。地面交通繁忙,车行如梭;地下管线密集,纵横交织;道路两侧大厦林立,花红草绿,环境优美。途经市委、市,是深圳市政治、经济、文化中心地带。2技术特点和关键技术隧道穿越的第四系残积层和全(强)风化花岗岩,含水量丰富。除因南国多雨,补给充分外,并与荔枝湖水系相连,潺潺水流供应不断。据测,1#竖图1大剧院—科学馆区间隧道不良地质分布剖面图井24小时抽水量达410t以上。除此之外,地面由原沟谷成,西南交通大学、中铁四局集团公司、铁道第四勘山地回填而成,部分水囊空洞,还有地质钻孔,人工测设计院联合成立了科研技术攻关小组,在现场试洞穴,更给暗挖施工留下层层隐患,危机四伏。验、监控、室内离心模型试验、三维数值仿真分析等由于本标段地面交通繁忙,环境优美,不容许在多种手段综合应用情况下,获得了较好的施工效果,地面采用任何工程办法。这些界限条件界定了本工程多项施工指标达优。的技术特点是:在补给充足的富含水地层(砂层、流塑状粘土层)采用非降水的技术办法进行暗挖隧道施3超前预加固施工技术研究工,十分是渡线段的大断面暗挖施工。其需要解决的重要关键技术是:3.1方案比选与特征(1)超前地质预报与动态设计;(2)超前预加固和防水;(3)复杂断面隧道暗挖施工洞内超前预加固的目的是改善围岩土体物理力学工法研究;(4)软弱地层暗挖隧道施工控制地面下沉性能和止水防涌,以保证施工安全,减小地面下沉。技术(十分是在穿越特殊管线时)。在现场屡次试验的基础上,比选了三种桩体加固方鉴于本工程地质条件的复杂性、构造端面型式的案。(1)水平旋喷桩加固;(2)间隔水平搅拌桩与水多样性、施工工艺难度极大、四周环境限制条件特别平旋喷桩加固;(3)水平旋喷2化学灌浆加固。如此图2严格,深圳市地铁总公司把本标段工程列为深圳市地所示。其优缺点比较见表1。铁工程的重点和难点工程。为了保证工程得以顺利完图2洞内超前预加固方案示意图表1超前预加固方案比较表图3拱部土体水平旋喷加固示意图经在1#竖井横通道中组织的几次试验效果综合分析比较,确定采取第一方案。其重要特征是:仰角为5°的洞内水平旋喷桩超前预加固构成拱棚。开发掘进时,用42小导管注浆补充加固和止漏。3.2水平旋喷桩超前预加固3.2.1拱部土体加固水平旋喷桩在洞内以5°的仰角钻进旋喷成桩,因始端侵入隧道开挖断面,故在前端3.5m范围内不注浆,旋喷加固体搭接长1.7m。每一循环钻孔15m,旋喷长度11.5m,开发掘进10m(开挖时小导管注浆补充填塞桩间的空隙),如此图3所示。3.2.2掌子面加固防涌坍处于流塑状粘土层地段,掌子面缓慢顺淌而下引起拱手下沉和仰拱开挖困难。施以旋喷桩拱密和加固,获得了很好的效果(如此图4所示)。图4掌子面水平旋喷加固拱密示意图3.2.3边墙仰拱土体加固在sk3+240～280和sk3+960～990地段,拱部围岩为砂粘土,具有一定的自稳时间,足以开挖初支成型。但下台阶土层呈流塑状,边墙开挖困难,以至导致已施作好的喷射混凝土初支护外鼓开裂。以图5所示进行加固,成功通过。图5水平旋喷桩加固边墙及掌子面示意图3.3水平旋喷加固力学效果研究对于水平旋喷预加固效果的认识,由于我们国家在这方面起步较晚,当前,基本上还处在试验阶段或定性的描绘叙述上,而客观现实经常需要我们做出定量的分析,十分是在浅埋软弱的富水地层中进行城市地铁近邻开挖时尤其如此,为了研究水平旋喷预加固效果,在屡次现场试验的基础上,进行了离心模型试验和三维弹塑性数值模仿研究。试验和数值分析所得结论基本一致,重要有:(1)研究结果和现场测试数据吻合较好;(2)水平旋喷桩预加固对控制地表沉降的效果是非常明显的,与不施做水平旋喷桩相比,地表的最大沉降值可减小51%左右(如此图6、图7所示);(3)旋喷桩预加固对提升围岩的稳定性是非常有效的,相比之下,有旋喷桩时拱顶的最大沉降可降低53%左右,同时,洞四周岩塑性区的面积大大减小。图6无旋喷桩时地表沉降示意图图7有旋喷桩时地表沉降示意图g4渡线段施工技术研究4.1指点思想在含水丰富的浅埋软弱围岩(粘砂土和流塑状粘土层)中,由于环境所限,采取非降水的手段,进行渡线段大断面隧道的暗挖法施工,在国内外的地铁修建史上鲜见先例。本工程在这一特定条件下,以防坍保安全为重要目的,选取最佳的超前预支护方案和适宜的工法,同时谋求控制地面沉降,减小对管线的毁坏和影响又兼顾施工速度的技术办法。本区段隧道有诸多横穿管线,其中sk3+355有一条煤气管(300mm)横穿深南大道(地下埋深约1.5m,距拱顶11m),必需确保管线安全以防泄露。4.2隧道开挖对煤气管线的影响研究4.2.1数值模仿进行施工优化对于管线所在的sk3+355断面,采取平面弹塑性有限元模仿图8的6种施工工法对管线的沉降影响,模仿结果(见表2)表示清楚:①先开挖右线隧道(小洞)后开挖左线隧道(大洞)比先开挖左线隧道管线的沉降和内力影响更小;②左线隧道影响进行三维数值模仿、室内离心试验、现场监控量采取crd法施工,左右断面开挖比上下断面开挖对测,③开挖左线隧道对近邻右线隧道及地层位移影响较为明显。综合考虑各种因素后,最后确定采取工法2为过管线段的施工方法。表2不同工法对管线沉降影响值mm图8不同工法示意图4.2.2模型试验模仿隧道开挖对煤气管线的影响采取离心模型试验,对煤气管线所在的位置sk3+355断面进行施工模仿试验,试验结果表示清楚,采取水平旋喷桩和小导管注浆预加固技术进行施工,地表沉降最大值为31.6mm,管线最大沉降为29.5mm,管线仍处于安全状况。4.2.3三维数值模仿隧道开挖对煤气管线的影响基于有名的ansys软件,建立土体2支护构造2管线三维弹塑性耦合模型,其中,管线和隧道衬砌的位置关系及有限元模型见图9。通过对隧道的开挖经过进行仿真分析,计算结果表示清楚:(1)右线隧道施工时,管线最大沉降值为19.8mm,左线隧道施工时,最大沉降值为28.9mm;(2)地表最大沉降为29.8mm;(3)经过对管线的变形和受力进行验算,管线知足强度和刚度要求,施工期间管线是安全的。4.2.3施工监测隧道开挖对煤气管线的影响图10所示为sk3+355断面(煤气管线)左线隧道中线与地表交点的沉降随开挖掌子面间隔的关系曲线,量测结果表示清楚施工期间管线是安全的。综上所述,通过对隧道开挖经过中对煤气管线的后开挖右线隧道对管线的变形影响更大;图9管线和隧道衬砌的位置关系及有限元模型图10sk3+355断面地面沉降与掌子面的关系图的工程条件下,管线在施工期间是安全的,而且分析数据相互吻合较好,为施工提供了主要的理论根据和指点作用。图11sk3+355断面地表沉降的数值模仿、离心试验和现场量测值比较4.3施工路线选择渡线段位于1号、3号竖井中间,经过相关的理论分析和综合考虑各种施工因素,最后确定如下施工路线(图12):4.4工法和重要技术办法4.4.1采取工法本区间隧道掘进重要采用的工法是:①标准段采取上、下台阶法(图13a),下台围岩十分软弱时,分三个台阶开挖(图13b);②开挖宽度10m,高度8m下面,采取cd或crd工法(图13c);③开挖宽度10～12m,高度10m下面,采取双侧壁导坑工法(图13d);④双孔双线断面,采取中洞法(图13e);⑤三孔三线断面,采取双中洞法(图13f)。4.4.2重要技术办法隧道掘进除采取超前预加固外,还需根据围岩地质条件的变化,采用如下技术办法:(1)如下台土体软弱,增设临时仰拱(见图13b),可有效减少拱部和地面下沉;(2)增设锁脚锚管,每榀格栅在拱脚部位设2～4根,锚管长3m,并及时注浆;(3)严格遵守短进尺,小步距、快循环、强支护、早喷锚、紧封闭的原则施工,缩小台阶间隔,尽早封闭;(4)及时对初支背后进行注浆。5结束语大—科区间隧道工程现已顺利完工,施工期间隧道构造及四周环境没有出现安全隐患,获得了良好的施工业绩,获得了深圳市地铁建设单位的高度评价并授予施工优秀奖。现总结起来重要有下面几点。(1)水平旋喷桩和小导管补充注浆超前预加固改善了围岩的物理力学性能,起到了较为显著的拱棚作用,配合其它综合处理办法,较好地解决了非降水条件下的施工安全,通过深圳地铁大—科区间的施工理论、离心机模型实验、数值模仿理论分析得到了验证,为这一工法的发展积累了经历体验和难得珍贵的数据。(2)在富水的软弱(砂土、流塑状粘土)地层,采取浅埋暗挖法施工地铁隧道,在对围岩进行超前预加固和止水基础上,应用适宜的工法和技术办法,施工安全、质量、工期都能予以保证。(3)“地质预报—动态设计(模型试验、模仿理论分析)—适宜的施工技术办法—监控量测〞是地下工程施工的主要环链,十分是在通过重点管线地段。大—科区间看重每一环链,获得了良好的施工效果。(4)水平旋喷施工在设备、工艺、浆液材料、参数等方面还须进一步加强研究,以知足日益发展的施工需要。图12渡线段施工路线示意图图13开发掘进工法示意图参考文献[1]李远宁,段玉刚.浅埋软弱地层隧道旋喷预衬砌支护技术的研究[j].探矿工程,2001,(5):58～61[2]孙星亮,景诗庭.水平钻孔旋喷注浆加固地层效果研究[j].岩石力学与工程学报,1998,17(5):589～593