瀏陽河隧道下穿城市地面敏感建筑群施工關(guān)鍵技術(shù)

項志敏,袁仁愛,羅田郎

(中鐵一局集團有限公司,西安 710054)

1 工程概況

瀏陽河隧道為武廣鐵路客運專線重點控制性工程,也是我國第一條采用銑挖法與鉆爆法相結(jié)合穿越河流及城市的隧道。瀏陽河隧道南端淺埋穿越長沙市敏感建筑群區(qū)段位于瀏陽河兩岸一級階地上,DK1 568+468～DK1 568+630段埋深為32.68～32.01 m,DK1 569+080～DK1 569+547.5段埋深為24.62～15.99 m。主要地層自上而下依次為：人工填土，厚2～5 m；粉砂土(局部為淤泥層)，厚1～2 m；圓礫土，厚2～4 m,該圓礫土為富水層,略具承壓性,與瀏陽河具水力聯(lián)系；基巖主要為強～弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,地表至基巖面為6～8 m。隧道穿越地層均為Ⅳ、Ⅴ級圍巖,地表建筑物密集,均為1～2層磚混結(jié)構(gòu)民房,修建年代長,地基基礎(chǔ)薄弱,設(shè)計要求嚴(yán)。

2 地表沉降變形特征分析

設(shè)計要求穿越敏感建筑群時地面沉降值控制為20 mm,變形速率為3 mm/d,總水平位移為10 mm,地面房屋的傾斜率允許值為2‰。

根據(jù)施工前期的地表及洞內(nèi)監(jiān)控量測結(jié)果,采用隨機介質(zhì)理論對洞內(nèi)及地表變形趨勢進行分析。圖1、圖2為地表多點位移計監(jiān)測點布置示意,圖3為地表沉降分析曲線,圖4、圖5為洞內(nèi)收斂變形位移曲線。從分析結(jié)果看：瀏陽河隧道地表沉降值普遍比洞內(nèi)拱頂沉降較大,特別是洞頂有砂礫層的地段,沉降值一般為20 mm左右,最大預(yù)測值達36.1 mm；而洞內(nèi)拱頂沉降值及周邊收斂值相對較小,為20 mm以內(nèi)左右。

圖1 多點位移計埋深示意(單位：m)

圖2 地表多點位移計現(xiàn)場布置

圖3 DK1 569+261斷面地表沉降分析曲線

圖4 DK1 569+310洞內(nèi)拱頂收斂變形曲線

圖5 DK1 569+310洞內(nèi)上臺階收斂變形曲線

從圖6、圖7縱向沉降槽趨勢分析曲線來看,最大沉降處出現(xiàn)在開挖后離掌子面(1～1.5)D(隧道跨度)距離處,且開挖超前影響范圍一般約在3D左右；而對后方影響范圍為(4～5)D,仰拱施做后還不能穩(wěn)定,待二次襯砌完成后,隧道結(jié)構(gòu)才趨于穩(wěn)定。

圖6 上臺階通過DK1 569+260時地表沉降曲線

圖7 上臺階通過DK1 569+250時地表沉降曲線

3 地表沉降變形原因分析

3.1 地層損失

隧道開挖以后,打破了地層原有的應(yīng)力平衡,由于應(yīng)力重分布,隧道周邊地層向隧道凈空移動,因上覆地層向洞內(nèi)移動后發(fā)生缺失而造成地表沉降；此外由于局部存在滲水通道或局部發(fā)生涌水突泥,地下水帶走大量的細顆粒而引起地層顆粒損失,造成地表沉降。

3.2 地下水影響

隧道力學(xué)理論認為,淺埋暗挖隧道上覆地層已無自承載能力,荷載應(yīng)全部由隧道結(jié)構(gòu)來承擔(dān)。但實踐表明,不僅土層,即使是干砂,地層仍能形成自然載拱。砂礫石地層空隙比較大,失水后易造成超固結(jié),土體顆粒間有效應(yīng)力增加而引起較大沉降。瀏陽河隧道處于地下水位以下,開挖排水后地下水不斷滲出,形成多道滲水通道,使地層持續(xù)失水,土層空隙及節(jié)理裂隙固結(jié)收縮,引起地表超前、超大范圍沉降。從施工監(jiān)測情況看,地層持續(xù)失水是引起地表沉降最根本、最主要的原因。

3.3 地層擾動,地層應(yīng)力釋放

隧道開挖擾動后,引起開挖周邊土體松弛變形,出現(xiàn)潛在坍滑區(qū),尤其在砂層等多孔介質(zhì)土地段,隨地表下沉、地層應(yīng)力的釋放,坍滑面會漸次產(chǎn)生,伴隨著地表大范圍下沉,沉降槽寬度及下沉量均較大。故土的特性決定了地表影響范圍大,地表下沉值大于隧道拱頂下沉值,特別在砂層、礫砂層地段表現(xiàn)更為突出?？梢?控制地層應(yīng)力釋放度是解決下沉及波及范圍的關(guān)鍵。

4 關(guān)鍵施工技術(shù)

為確保下穿地面敏感建筑群施工安全,需要控制地表沉降及控制爆破振動對地面建筑的影響。其中關(guān)鍵是控制地表沉降,淺埋暗挖隧道原則上不允許地表出現(xiàn)超越規(guī)定值的下沉而換取最佳支護。地層預(yù)加固與及時支護且封閉成環(huán)是淺埋暗挖隧道的關(guān)鍵,嚴(yán)格掌握淺埋暗挖法施工的精髓：“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”是根本。但地表下沉是多因素綜合作用的結(jié)果,在地層條件一定的情況下,合理的設(shè)計與巧妙的施工乃是控制地表下沉的最為關(guān)鍵的手段。

4.1 實施動態(tài)信息化施工

4.1.1 詳細的地面建(構(gòu))物調(diào)查,加強監(jiān)控量測

為掌握地表情況,保證施工安全,施工前期對隧道中線兩側(cè)各50 m范圍內(nèi)地面建(構(gòu))筑物分布及其與隧道中線的關(guān)系進行調(diào)查。調(diào)查了隧道上部建筑物基礎(chǔ)的覆蓋層厚度、隧道埋深情況,并判明地表構(gòu)筑物及地形地貌對隧道施工的制約情況,同時制作相應(yīng)圖件以指導(dǎo)施工。同時在隧道兩側(cè)布設(shè)地面沉降觀測網(wǎng)(圖8)。地表監(jiān)測斷面應(yīng)與洞內(nèi)監(jiān)測斷面相對應(yīng),并保證在同一里程,以便掌握變形規(guī)律。觀測斷面設(shè)置應(yīng)超前隧道開挖掌子面進行,超前距離按太沙基理論計算而定,一般為20～30 m。

圖8 地表監(jiān)測點布置范圍示意

4.1.2 綜合超前地質(zhì)預(yù)報

在熟悉和掌握隧道處工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件下，為掌握隧道前方圍巖地質(zhì)情況,綜合采用TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)、30 m超前水平地質(zhì)鉆探、紅外探水、地質(zhì)素描等多種地質(zhì)預(yù)報手段,并據(jù)此采取有針對性的開挖及支護措施。這是是確保施工安全的千里眼。

4.1.3 建立沉降事故應(yīng)急響應(yīng)程序

以綜合超前地質(zhì)預(yù)報、監(jiān)控量測、施工管理等反饋信息為基礎(chǔ),建立沉降事故應(yīng)急響應(yīng)程序。應(yīng)急響應(yīng)程序的核心是：確定變形管理等級,并針對不同變形管理等級制定相應(yīng)措施。應(yīng)急預(yù)案在短時間內(nèi)全面協(xié)調(diào)地運作起來是事故處置效果的關(guān)鍵影響因素,它是一個系統(tǒng)工程,需要調(diào)動起人員、設(shè)備、物料等多方面因素。這需要有快捷的通訊聯(lián)絡(luò)技術(shù)、指揮者扎實的知識基礎(chǔ)和敏捷的處理能力、有效的人員協(xié)調(diào)機制。為此,針對制定的沉降事故應(yīng)急響應(yīng)程序,現(xiàn)場進行了應(yīng)急演練。

4.2 采用全包型防排水系統(tǒng),嚴(yán)控地下水排放

為防止因地下水流失而造成地表沉降超限,同時也為保護地下水資源,瀏陽河隧道淺埋地段均采用全包型防水,防水理念是“以防為主,多道設(shè)防”。其中初期支護防水為基礎(chǔ)、自粘型防水板材料防水為根本、細部結(jié)構(gòu)防水為關(guān)鍵、襯砌結(jié)構(gòu)自防水為保障。

4.2.1確保初期支護施作質(zhì)量,構(gòu)筑第一道防水屏障

開挖后應(yīng)及時支護,并封閉圍巖,防止因圍巖松弛變形而引起圍巖中張裂縫及細小裂隙的產(chǎn)生及發(fā)展,阻止?jié)B水通道的產(chǎn)生。對超挖部分,應(yīng)采用與初期支護同等級的混凝土回填密實,嚴(yán)禁用松散的洞渣回填或留有空洞,防止初期支護背后形成“水囊”,不僅危及隧道安全,而且不利于防水。

采用濕噴工藝,合理控制濕噴參數(shù)。提高濕噴工藝質(zhì)量,防止混凝土表面開裂,以提高防水能力。同時,保證鋼架與巖壁之間的空隙噴射到位,不留死角。

初支背后注漿堵水。根據(jù)初期支護質(zhì)量及表面滲漏水情況,分別選用初期支護背后回填注漿堵水或化學(xué)注漿堵水,進一步確保初期支護表面無明水。

4.2.2 采用全包型襯砌結(jié)構(gòu)

隧道全環(huán)鋪設(shè)自粘性防水板,自粘型防水板與二襯混凝土牢固粘接形成皮膚式防水,可以防止地下水竄流。自粘型防水板橫縱向搭接縫采用爬焊機焊接處理,然后再鋪貼一層雙面自粘型，防水板確保環(huán)縱向施工縫等細部結(jié)構(gòu)防水質(zhì)量,嚴(yán)格二襯高性能混凝土施工工藝,同時進行二襯分區(qū)防水,并預(yù)埋可維護注漿管進行襯砌背后回填注漿,達到襯砌表面“無濕漬”的一級防水標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 采用掌子面超前預(yù)加固技術(shù),選擇合理的施工方法

瀏陽河隧道穿越建筑群段圍巖為Ⅳ～Ⅴ級,巖石為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖,巖層近乎水平,中厚層狀,節(jié)理發(fā)育一般,該類圍巖受力以垂直方向為主,側(cè)壓力較少,巖石自立性較好。設(shè)計采用三臺階臨時仰拱法,三臺階法上臺階矢跨比較小,拱腳應(yīng)力集中,多次爆破開挖對圍巖擾動大,且難以發(fā)揮機械化優(yōu)勢,也不利于支護快速閉合成環(huán)。經(jīng)施工方案比選決定采用二臺階法施工。

雖然二臺階法是引起地表下沉較大的一種施工方法,但其具有操作簡單,成本低,工序循環(huán)快,支護結(jié)構(gòu)快速封閉成環(huán)等優(yōu)點。二臺階法施工的關(guān)鍵是保證開挖工作面的穩(wěn)定,通過采用大斷面隧道掌子面超前預(yù)加固技術(shù)后,瀏陽河隧道淺埋穿越敏感建筑群區(qū)及下穿河底段成功采用二臺階法施工,在圍巖特別軟弱地段,采用預(yù)留核心土環(huán)形開挖法。

施工實踐證明二臺階法是成功的,掌子面穩(wěn)定,并滿足安全快速的施工要求。因此,只要措施得當(dāng),二臺階法可滿足地表沉降要求。

4.4 選擇合理的開挖方法,保護圍巖

通過研究和施工實踐可知,采用銑挖法等機械法開挖,對圍巖擾動小,控制圍巖沉降變形最有效。但在該地段采用機械法時,施工進度及經(jīng)濟性稍遜于鉆爆法。因此,實際施工時采用以弱鉆爆法為主,銑挖法為輔。通過爆破振動監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變測試等先進的監(jiān)測手段,不斷優(yōu)化開挖方法,以減少對圍巖的擾動,避免產(chǎn)生貫通裂隙,從而最大限度地阻斷滲水通道。

4.5 合理控制開挖進尺

開挖進尺的大小實質(zhì)上是工作面無支護空間的大小,其值決定著地表下沉及拱頂沉降,也影響開挖面的穩(wěn)定性。

研究表明,開挖時工作面需支撐的壓力并不大,僅10 MPa就足以使工作面短期內(nèi)自穩(wěn),使開挖順利進行。軟弱地層、淺埋暗挖法施工的隧道,開挖進尺的控制十分重要,應(yīng)分析研究,有目的地控制。瀏陽河隧道鄰近敏感建筑群區(qū)淺埋且圍巖軟弱,開挖進尺應(yīng)盡量小。根據(jù)實踐經(jīng)驗,每循環(huán)進尺控制在1.5～1.8 m,即0.1D(D為開挖寬度)。

4.6 施工機械設(shè)備配套均衡快速施工

沉降具有時空效應(yīng)。工作面推進速度的加快,意味著各工序時間的縮短,隧道開挖裸露的空間亦小,其存在的時間亦短,利于控制地層變位的調(diào)整。加快工作面推進速度,關(guān)鍵是施工機械設(shè)備選型配套。施工機械設(shè)備選型除了考慮單機能力外更重要的應(yīng)放在配套上,如果配套不合理,生產(chǎn)能力高必然受能力低的限制,形成“木桶效應(yīng)”,最終還是一個低效率的配套,既不經(jīng)濟也不合理。管段內(nèi)隧道優(yōu)先選用臺階法或臺階法上臺階為預(yù)留核心土開挖,施工機械設(shè)備以此為依據(jù)進行優(yōu)化配置。

4.7 提高初期支護剛度

對于淺埋暗挖隧道,原則上不允許地表出現(xiàn)超越規(guī)定值的下沉而換取最佳支護,采用大剛度支護是控制地表下沉的有效措施。在總剛度一定的條件下,地層剛度小,勢必要增大初期支護的剛度。根據(jù)復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計的荷載分配,初期支護承擔(dān)施工期主要荷載,一般結(jié)構(gòu)二次襯砌不承擔(dān)施工期荷載。因此,適當(dāng)提高初期支護剛度對穩(wěn)定地層是有好處的。

此外,初期、超前支護施作后,本身有一個徐變過程。超前支護一般采取增大小導(dǎo)管直徑、減小布置間距、嚴(yán)格注漿等措施加強；鋼格柵在間距一定時,宜增大主筋直徑,增大支護初期剛度,以控制沉降。

4.8 嚴(yán)格管理,狠抓工序質(zhì)量達標(biāo)

嚴(yán)格按照設(shè)計要求的各項參數(shù)施作超前支護、初期支護、打設(shè)系統(tǒng)錨桿,嚴(yán)格工藝,嚴(yán)格管理,采取開挖支護及仰拱及時施作閉合成環(huán)等措施，均有效的控制了洞內(nèi)變形,也減少了地面沉降量。

4.9 優(yōu)化鉆爆設(shè)計,減少對地面建筑物的振動

4.9.1 爆破振動對建筑物影響的原理

由于地面建筑物主要為2層磚混結(jié)構(gòu)的民居,大部分基礎(chǔ)薄弱或無基礎(chǔ),基礎(chǔ)一有擾動,房屋極易產(chǎn)生不均勻沉降及開裂。評定爆破對周圍建筑物的影響是以爆破振動速度的大小來衡量的,爆破振動速度與地形、地質(zhì)條件及裝藥量(Q)有直接關(guān)系,爆破振速(V)對建筑物的影響計算目前普遍采用薩道夫斯基公式,即下式進行計算

式中，K、α為特征系數(shù)，與現(xiàn)場地形、地質(zhì)條件等因素相關(guān)的系數(shù)；R為至爆破中心的等效距離。在爆破振動監(jiān)測工作中,爆破作業(yè)引起的質(zhì)點振動速度三個方向中垂直方向分量較大,因此測定隧道內(nèi)爆破時地表垂直方向質(zhì)點振動速度,并用其峰值作為評價爆破地震效應(yīng)變化的依據(jù)。

《爆破安全規(guī)程》給出了一般磚房、非抗震的大型砌塊建筑安全允許振速(表1)。

表1 爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)

4.9.2 爆破振動監(jiān)測儀器與方法

為優(yōu)化調(diào)整循環(huán)進尺、裝藥量等爆破參數(shù),達到控制爆破振動對地面建筑物的影響,確保地面建筑物安全的目的。施工中委托專業(yè)工程檢測技術(shù)單位對隧道施工爆破振動參數(shù)進行監(jiān)測。

主要監(jiān)測儀器有：IDTS3850爆破振動自記儀,CD-1型和CDJ-1型速度傳感器,筆記本電腦等。根據(jù)實際情況分兩次進行現(xiàn)場監(jiān)測。

第一次沿隧道縱向距離掌子面前方50 m和60 m處,在地表布置測點1和測點2,設(shè)置3通道傳感器,在掌子面的隧道中線法線方向,距隧道中線50、60、70 m處,在地表布置測點3、測點4和測點5,設(shè)置2通道傳感器。該處隧道埋深36 m,測點布置如圖9所示。爆破振動監(jiān)測結(jié)果見表2。

圖9 第一次爆破振動監(jiān)測點布置示意(單位：m)

表2 爆破振動監(jiān)測結(jié)果

第二次沿隧道縱向距離掌子面前方地表布置7個測點,即測點1至測點7,在掌子面的線路法線方向,距隧道中線10 m處,在地表布置測點8,該處隧道埋深36 m,測點布置如圖10所示。爆破振動監(jiān)測結(jié)果見表3。

圖10 第二次爆破振動監(jiān)測點布置示意(單位：m)

表3 爆破振動監(jiān)測結(jié)果

在地表埋深垂直距離為39 m時,按1 cm/s的安全爆破振速進行計算,控制最大段位藥量為5.797 kg,實際最大段位裝藥量按6.0 kg控制,實測結(jié)果為0.802 cm/s,頻率為27 Hz,低于2.3～2.8 cm/s的允許標(biāo)準(zhǔn),說明理論計算與實測結(jié)果基本吻合。證明施工時所采用的鉆爆設(shè)計及藥量控制是安全的。至于居民反映的爆破產(chǎn)生的有感振動是正常的,爆破振速在允許振速范圍內(nèi),對建筑物沒有危害。

為保證施工效果,施工中需根據(jù)安全允許振速的要求及爆破源離建筑物的距離,反算最大段位控制裝藥量等爆破設(shè)計參數(shù)。實踐證明：一次起爆同段位藥量是控制施工爆破振速的重要因素。

5 施工效果分析

通過洞內(nèi)及地表監(jiān)控量測結(jié)果來看,拱頂下沉累計沉降值及水平收斂累計值均小于20 mm,地面沉降累計沉降值在豎井工區(qū)4～10 mm。井口部位出現(xiàn)沉降較大的主要原因是，豎井井身施工排水作用及地層顆粒的損失而引起。前期出口工區(qū)淺埋段地表個別監(jiān)測斷面累計沉降值最大達36 mm,大于20 mm的沉降控制值。但通過采取以上沉降措施后,洞內(nèi)及地表沉降均控制在允許范圍內(nèi)。造成地表沉降變形較大的主要原因如下。

(1)洞內(nèi)量測均是在爆破后8～10 h內(nèi)進行,即爆破完畢后到初期支護完成這段時間之后,在這段時間內(nèi)淺埋隧道已發(fā)生一定量的變形而未觀測到。

(2)上覆砂礫石富水含水層因開挖而引起地下水位下降或地層顆粒損失而造成地表沉降較大。

6 結(jié)語

對于下穿建筑物的淺埋暗挖大斷面隧道施工,控制沉降是首要而又關(guān)鍵的問題，同時要控制爆破產(chǎn)生的地振速度在建筑物允許的安全速度之內(nèi)。施工中應(yīng)堅持十八字方針——“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”。一方面通過采取分部開挖超前支護注漿加固的方法施工；另一方面加強監(jiān)控量測、及時反饋,做到信息化施工,就能很好地解決此類問題。

[1] 湖南中大建設(shè)工程監(jiān)測技術(shù)有限公司.隧道施工爆破震動檢測報告[R].長沙：2007.

[2] 呂 波.緊鄰建筑物淺埋暗挖大斷面隧道施工技術(shù)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2006(10).

[3] 陳建平.爆破裂隙的形成機制與發(fā)育規(guī)律[M].成都:成都科技大學(xué)出版社,1988

[4] 楊漢勇.武廣鐵路客運專線瀏陽河隧道綜合施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2009(S1).

[5] GB6722—2003，爆破安全規(guī)程[S].

[6] 張繼春.工程控制爆破[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2003.