益田路Ⅵ級圍巖富水隧道綜合施工技術(shù)

杜運(yùn)國

(中鐵十五局集團(tuán)有限公司,河南洛陽 471013)

1 工程概況

廣深港客運(yùn)專線益田路隧道位于新深圳站與福田站間、深圳市寶安區(qū)龍華街道梅林檢查站至福田區(qū)市民中心一帶,隧道全長 6236m。其中隧道進(jìn)口段DK104+810～DK105+014為Ⅵ級圍巖,開挖斷面142.1m2,下穿深圳市公安局警犬基地,101人防工程、深圳市公安局第二勞教所等,覆蓋層厚度薄,平均 14～20m。該段隧道通過地質(zhì)主要為填土層、沖積層、殘積層、含水砂土層、全風(fēng)化花崗巖,存在砂土液化、軟土震陷、孤石隱患,地下水富集,洞身涌水量 Q=5500 m3/d,易產(chǎn)生地表下沉、坍塌、冒頂、涌水、突泥等事故。

2 施工難點(diǎn)分析

(1)益田路隧道設(shè)計(jì)為雙線,斷面大,Ⅵ級圍巖段埋深淺,工程地質(zhì)復(fù)雜多變,有素填土、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、砂土、全風(fēng)化花崗巖,易坍方冒頂,軟化流泥、涌泥、涌沙,自穩(wěn)性較差,安全風(fēng)險(xiǎn)高。

(2)砂土層含水量高、孔隙比大、透水性差、強(qiáng)度低、壓縮性高、靈敏度高等特征,容易引起地表沉降和拱頂坍塌,注漿導(dǎo)管成孔較困難,注漿加固地層效果差。

(3)益田路隧道與廈深線梅林隧道左右線合建,三隧連體,間距小,安全風(fēng)險(xiǎn)高,施工難度大。

(4)工程位于城市中心區(qū),建筑物密集,工商業(yè)發(fā)達(dá),人口眾多,地表沉降控制要求嚴(yán)格,需要采用強(qiáng)有力措施,保證地面建筑物安全。

3 總體施工方案

針對進(jìn)口段埋深淺、圍巖差、富水等特性,經(jīng)專家多次會議論證,擬采取超長大管棚、小導(dǎo)管注漿進(jìn)行圍巖加固,采取井點(diǎn)降水,帷幕注漿截水疏干隧道內(nèi)地下水,采用 CRD法開挖、靜態(tài)爆破處理孤石等綜合施工技術(shù)。建立動(dòng)態(tài)信息化管理系統(tǒng),開挖前,用地質(zhì)雷達(dá)探測地層,用紅外線儀探測地層有無儲水,用地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔,進(jìn)行驗(yàn)證;制定相應(yīng)預(yù)案和對策,準(zhǔn)備相關(guān)材料和設(shè)備,以備應(yīng)急使用。隧道開挖先降水,及時(shí)支護(hù)、及時(shí)施作仰拱成環(huán)、及時(shí)二次襯砌,開挖后,加強(qiáng)圍巖量測和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,提高監(jiān)控量測密度,發(fā)現(xiàn)圍巖有變形或異狀,立即采取有效措施及時(shí)處理,確保隧道施工及周邊環(huán)境安全。

4 輔助施工技術(shù)

4.1 超長大管棚超前支護(hù)

(1)施工參數(shù)選定

①鋼管采用 φ159mm熱軋無縫鋼管,壁厚 8mm,節(jié)長 4～6m,以絲扣連接而成,鋼管及鋼花管同一截面內(nèi)的接頭不超過管數(shù)的 50%,大管棚布置如圖1所示。

圖1 超長大管棚布置

②管距:環(huán)向間距 30cm。

③鋼花管上鉆注漿孔,孔徑 10～16mm,孔間距 11cm,呈梅花形布置,尾部留不鉆孔的止?jié){段長110cm。

④傾角:隧道線路設(shè)計(jì)以 2.74%縱坡下行,經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)選定管棚施工傾角為 0.1°～0.15°時(shí),最有利于管棚施工。

⑤根據(jù)地表沉降控制要求,為了提高大管棚的抗彎能力,在鋼管及花鋼管內(nèi)設(shè)置鋼筋籠并灌注 M10砂漿。

⑥注漿參數(shù):在黏土中注超細(xì)水泥漿,摻入 8%～10%微膨脹劑,水灰比控制在 0.45～0.6,注漿壓力控制在 0.5～2.0MPa;在砂層中注入水泥 -水玻璃雙液漿,水泥采用強(qiáng)度 32.5普通硅酸鹽水泥,水玻璃為 28～35Be′,水泥漿液水灰比控制在 1∶1～1∶1.2,水泥漿液與水玻璃體積比為 1∶1。

(2)工藝流程

①導(dǎo)墻施工:在開挖廓線以外拱部 140°范圍內(nèi)施作導(dǎo)墻套拱,斷面尺寸為 1.0m×1.0m,導(dǎo)向墻內(nèi)設(shè) 2榀 I18型鋼,鋼架外緣設(shè) φ194mm壁厚 8mm導(dǎo)向鋼管,鋼管與鋼架焊接。在混凝土澆筑時(shí)將導(dǎo)向管口封堵保護(hù)。

②鉆機(jī)定位:移動(dòng)鉆機(jī)至鉆孔部位,調(diào)整鉆孔高度,將鉆頭放入導(dǎo)向管中,鉆進(jìn)時(shí)保證導(dǎo)向管、鉆機(jī)固定鉆桿的鉆軸和鉆桿在一條直線上,隨時(shí)監(jiān)控鉆進(jìn)的角度和方向。

③鉆孔、下管:鉆進(jìn)過程中要始終注意鉆桿角度的變化,并保證鉆機(jī)不移位。每鉆進(jìn) 5m要復(fù)核鉆孔的角度是否正確,以確保鉆孔方向。

④鋼筋籠安裝:每個(gè)孔打設(shè)完后,清洗孔內(nèi)殘積巖屑,待清理完畢后安裝鋼筋籠。

⑤注漿:注漿采用自內(nèi)向外分段注漿。即連接注漿裝置進(jìn)行壓力注漿,注漿過程中控制注漿流速。

⑥檢查:利用奇數(shù)編號鋼管作為檢查孔。在全部偶數(shù)孔完成注漿后,開始打設(shè)奇數(shù)孔,同時(shí)檢查注漿效果,改進(jìn)注漿配合比。

(3)幾點(diǎn)建議及體會

①在土中施作大管棚,由于土質(zhì)的黏性,柔性、易坍孔性,與管棚之間的摩阻大,增大了長管棚施工難度。在益田路隧道施工過程中,經(jīng)專家多次論證,選用意大利 CASAGRANDE公司 PG185型鉆機(jī),施鉆效果較好,每天能成管 3根。

②長大管棚施作前,如何控制管棚導(dǎo)向角度,非常重要,因?yàn)楦鞣N地質(zhì)有它的共性和特性,影響管棚施工的各種地質(zhì)參數(shù)都會不一樣,不能一概而論,需要反復(fù)試驗(yàn)才能確定,在益田路隧道管棚施工過程中,經(jīng)過先后 6次試驗(yàn),才到達(dá)最佳效果,控制管棚傾角為 0.1°～ 0.15°。

③大管棚施作過程中,需要加強(qiáng)管棚頂進(jìn)定位,隨時(shí)監(jiān)控管棚施作到達(dá)位置,一旦偏離,及時(shí)進(jìn)行糾偏,確保管棚不侵限。

④管棚施工完成后,及時(shí)進(jìn)行注漿,加固地層,封水,為下一根管棚施作創(chuàng)造條件。在注漿的過程中,需要加強(qiáng)監(jiān)控,控制注漿流量和注漿壓力,一旦出現(xiàn)異常,立即查找原因并進(jìn)行分析,調(diào)整漿液濃度、配合比以及外加劑摻量。

4.2 井點(diǎn)降水

(1)降水方案

根據(jù)益田路隧道地質(zhì)資料,隧道通過地層主要有上層滯水、潛水、承壓水,為了確保施工安全,暗挖隧道要做到無水作業(yè)。結(jié)合含水層特點(diǎn)、水位高程與隧道的關(guān)系,經(jīng)專家會議研究,地面采取井點(diǎn)降水方案,降水井直徑 700mm,濾水管直徑為 400mm,外包一層 40目尼龍網(wǎng),地面下 1m以下井深范圍內(nèi)回填 φ3～7mm濾料,孔頂 1.5m采用黏土填塞,井深較仰拱底低 2.0m。沿隧道兩側(cè)布置,間距為15m,距隧道側(cè)壁 1.5m,疏干上層滯水、潛水,降低承壓水頭到隧道仰拱下 1.0m。降水井井點(diǎn)布置見圖2。洞內(nèi)采取在掌子面打超前降水管,仰拱中間設(shè)臨時(shí)集水坑(集水坑底高程低于仰拱底高程1.0m),疏干隧道開挖區(qū)域內(nèi)地下水,增強(qiáng)土體強(qiáng)度,剩余少量殘余水,采取小導(dǎo)管注漿止水。

圖2 降水井井點(diǎn)布置(單位:mm)

(2)降水井施工技術(shù)要點(diǎn)

①嚴(yán)格按施工工藝進(jìn)行施工,控制井孔的垂直度(α≤1%),控制好孔徑、孔深,保證井孔孔徑上下一致。

②加強(qiáng)濾料回填控制,把孔內(nèi)泥漿適當(dāng)稀釋到比重 1.05左右,灌填高度符合設(shè)計(jì)要求,灌填量不小于計(jì)算值的 98%,良好的濾管和過濾層可以使出水量大,出水的泥砂含量小,反之,井管被泥沙淤塞,出水量小,影響降水效果。

③井點(diǎn)管口保護(hù),井點(diǎn)位置設(shè)有明顯的標(biāo)志,防止雜物掉入管內(nèi)及機(jī)械破壞井管。

④做好水位觀測,加強(qiáng)降水系統(tǒng)的維護(hù)檢查,確定專人負(fù)責(zé),做好降水記錄,保證抽水過程連續(xù)不斷,配備發(fā)電機(jī)和適量的備用泵,確保隧道無水作業(yè)。

⑤做好觀測井水位觀測、地表沉降觀測,一旦出現(xiàn)異常,立即停止降水,分析原因,必要時(shí)將觀測井改為回灌井,進(jìn)行地下水補(bǔ)充,隧道施工采取截水措施,確保施工安全。

4.3 帷幕注漿截水

隧道穿越深圳市警犬基地,覆蓋層厚僅有 14m,穿越地層主要為富水細(xì)砂層和中砂層。該區(qū)域房屋較多,均為磚混結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ),置于黏土層內(nèi)。為防隧道坍方冒頂、軟化流泥、冒水,控制地表沉降,保護(hù)既有建筑,采取帷幕注漿截水,加固地層,減少地下水損失。

(1)參數(shù)選定(表1)

表1 注漿截水帷幕設(shè)計(jì)參數(shù)

(2)注漿材料

為有效控制注漿的擴(kuò)散區(qū)域,確保漿液在地層中的凝膠,結(jié)合益田路隧道工程地質(zhì)和水文地質(zhì),經(jīng)專家研究討論,注漿采用普通水玻璃雙液漿,注漿材料及配合比見表2。

表2 注漿材料及配合比

(3)注漿參數(shù)

針對該段富水砂層地質(zhì),注漿參數(shù)經(jīng)現(xiàn)場多次試驗(yàn)、調(diào)整,選定現(xiàn)場注漿參數(shù)見表3。

表3 注漿參數(shù)

(4)注漿施工

注漿方式采用后退式分段注漿,采用袖管注漿工藝,注漿順序上采取約束發(fā)散性方式,即隔孔隔排,最后注中間排,從而有效地控制漿液擴(kuò)散區(qū)域,確保注漿后形成完整的截水帷幕。

(5)效果評定

截水帷幕施工結(jié)束后,測試地層滲透系數(shù)為 1.8×10-5～2.5×10-6cm/s,在隨后的隧道開挖中,僅有少量滲水,地下水位基本穩(wěn)定,地表沉降處于可控狀態(tài),隧道得以安全施工。

4.4 靜態(tài)爆破處理孤石

開挖過程中,存在孤石尚未完全風(fēng)化,不能采取常規(guī)爆破處理,以免振動(dòng)造成砂層液化、軟土震陷,造成周邊建構(gòu)物破壞。為此,孤石擬采用靜態(tài)爆破處理,人工風(fēng)鎬清除,減少對圍巖的擾動(dòng),控制地表沉降,保護(hù)周邊建(構(gòu))筑物。

(1)爆破參數(shù)選擇及施工工藝

①布眼

沿著需要開挖的部分周邊線,采用潛孔鉆機(jī)密鉆一排眼,形成隔離面,減少孤石靜態(tài)爆破對周邊圍巖的擾動(dòng),改善破碎劑的破碎效果。眼孔布置見圖3。

圖3 眼孔布置

②參數(shù)確定(表4)

表4 爆破參數(shù)

③鉆眼

采用 φ42mm的鉆頭水平或略向下傾斜鉆眼,鉆孔深度為破碎體厚度的 85%～90%,眼孔內(nèi)余水和余渣用高壓風(fēng)吹洗干凈。

④裝藥

向下方向的眼孔,將藥劑加 30%的水(質(zhì)量比)拌成流質(zhì)狀(充分?jǐn)嚢韬舐杂杏嗨?后,迅速倒入孔內(nèi)并用略小于鉆孔的捅桿捅緊,特別長的鉆孔,可多分段破碎,逐段捅實(shí),開裂后,立即向裂縫中加水,以支持藥劑持續(xù)反應(yīng)。

水平方向眼孔,可用與眼孔同直徑的錨桿紙袋裝入藥劑,集中浸泡,充分浸泡,逐條裝入,分別搗實(shí)。裝藥采用“由上到下,分層破碎”施工方法,以便工人操作。

(2)靜態(tài)爆破的關(guān)鍵技術(shù)和改進(jìn)設(shè)想

①每循環(huán)過程中每個(gè)工人負(fù)責(zé)裝藥孔數(shù)為 6～8個(gè),工人在取藥、加水、拌和、灌裝過程中爭取保持同步,確保每一個(gè)眼孔的最大膨脹壓保持同期出現(xiàn),提高巖石的破碎效果。

②每次裝填藥劑前需檢測炮眼孔壁,藥劑、拌和水、攪抖桶的溫度,控制在 30℃下,藥劑裝填過程中,已經(jīng)發(fā)燙和開始冒汽的藥劑不允許裝入孔內(nèi),以免發(fā)生沖孔,危及人身安全。

③為防止沖孔傷人,操作人員需戴防護(hù)眼鏡和橡膠手套進(jìn)行操作,不可將面部近距離對著已裝藥的炮眼;裝藥完成后,應(yīng)及時(shí)打進(jìn)鐵制的封口器,蓋上草墊和棕墊,遠(yuǎn)離裝灌點(diǎn);并在施工現(xiàn)場備好清水、毛巾,以免沖孔時(shí)能及時(shí)救治。

④加強(qiáng)藥劑反應(yīng)時(shí)間的控制,在益田路隧道施工中,控制藥劑反應(yīng)時(shí)間主要采用如下兩種方法:一種是在拌和水中加入抑制劑,加入量為拌和水的 5%～6%;另一種方法是嚴(yán)格控制巖石、干粉藥劑、拌和溫度。反應(yīng)時(shí)間控制在 15～30min。

5 中隔壁 CRD法施工

益田路Ⅵ級圍巖富水隧道施工嚴(yán)格遵循“先降水,管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測”的原則進(jìn)行施工。原設(shè)計(jì)該段軟弱圍巖采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工,后經(jīng)分析論證,擬定采用交叉中隔壁(CRD)法施工。中隔壁(CRD)法施工分塊見圖4及圖5,其施工工藝不再詳述。

圖4 中隔壁CRD法工序剖面

圖5 中隔壁CRD法工序平面(單位:m)

(1)CRD法施工的關(guān)鍵就是將大斷面隧道通過強(qiáng)支護(hù)臨時(shí)分塊,實(shí)現(xiàn)隧道周邊土體應(yīng)力逐步釋放,控制土體變形,減少周邊位移,減少地表沉降,因此隧道施工過程中“短、平、快”非常重要。施工前,應(yīng)制定詳細(xì)的施工方案和緊急預(yù)案,做好監(jiān)控量測點(diǎn)位的埋設(shè),做好隧道降水等輔助措施,確保隧道開挖時(shí)真正做到“短、平、快”,做到及時(shí)封閉成環(huán),確保隧道施工安全和周邊環(huán)境安全。

(2)CRD法需要根據(jù)周邊環(huán)境、工程地質(zhì)、水文條件決定斷面分塊、施工順序及進(jìn)尺,以減少隧道周邊圍巖變形,確保周邊環(huán)境安全。在益田路隧道Ⅵ級圍巖段 CRD法施工中,在常規(guī)的 CRD六部施工法基礎(chǔ)上進(jìn)行了技術(shù)上更改,5、6部開挖時(shí),先采用中洞法開挖中壁區(qū)域接長中壁撐致仰拱,然后同時(shí)進(jìn)行 5、6部開挖,及時(shí)封閉成環(huán),施作仰拱,加快了施工進(jìn)度,提高了設(shè)備利用率,確保周邊環(huán)境安全。

(3)CRD法工序繁多,組織復(fù)雜,進(jìn)度緩慢,如何做好工序銜接,加快施工進(jìn)度,是個(gè)新課題。在益田路隧道施工中,為了加快施工進(jìn)度,做好工序銜接,充分發(fā)揮機(jī)械設(shè)備工效,減少人員勞動(dòng)強(qiáng)度,每一分部間距為 10 m,采用小型反鏟挖掘機(jī)、皮帶運(yùn)輸機(jī)配合施工,并根據(jù)圍巖量測數(shù)據(jù),開展工法試驗(yàn),由CRD法轉(zhuǎn)序到 CD法,從 CD法再轉(zhuǎn)序到臺階法,逐步完善,由繁到簡,逐步實(shí)現(xiàn)工法轉(zhuǎn)換,提高設(shè)備利用率,加快施工進(jìn)度。

6 監(jiān)控量測

根據(jù)益田路隧道該段工程特點(diǎn),監(jiān)測的重點(diǎn)為地表沉降、建構(gòu)筑物周邊沉降、變化、拱頂下沉、地下水位變化。地表沉降測點(diǎn)橫向間距 2～5m,共布置地表沉降觀測點(diǎn) 215個(gè),周邊建(構(gòu))筑物 13棟,布置測點(diǎn) 130個(gè)。拱頂下沉、隧道周邊位移每 5～8m布置一斷面,共設(shè)計(jì)監(jiān)測斷面 35個(gè),在敏感建筑物附近設(shè)計(jì) 13處地下水位監(jiān)測井。做到了及時(shí)監(jiān)測,及時(shí)反饋,各項(xiàng)數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證,根據(jù)檢測數(shù)據(jù)預(yù)測發(fā)展趨勢,及時(shí)掌握施工結(jié)構(gòu)受力狀況以及對周邊環(huán)境的影響,及時(shí)調(diào)整施工參數(shù),施工方案,采取相應(yīng)措施,為施工現(xiàn)場提供服務(wù)。

7 結(jié)語

本段軟弱富水圍巖采用了井點(diǎn)降水、帷幕注漿止水、超前大管棚加固、小導(dǎo)管注漿、CRD法開挖等施工工藝。多種技術(shù)措施綜合應(yīng)用,各施工工法之間的協(xié)調(diào)管理、論證工作要具有前瞻性,在隧道施工前進(jìn)行了周邊房屋安全性評估,采取注漿保護(hù)現(xiàn)有的建構(gòu)筑物等措施。施工過程中加強(qiáng)監(jiān)控量測,根據(jù)現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)來掌握圍巖變化以及對周邊環(huán)境的影響,及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)進(jìn)尺和初期支護(hù)參數(shù),做到信息化施工。施工實(shí)踐證明,對于城市中心區(qū)大斷面淺埋隧道通過地表密集地區(qū),做好周邊房屋安全性評估,采取適當(dāng)?shù)氖┕ご胧┦欠浅１匾?行之有效的。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明:拱頂下沉最大為 4.8cm,遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)控制沉降量 15cm,隧道凈空收斂累計(jì)最大位移為 2.1cm,建構(gòu)筑物周邊地表沉降累計(jì)最大位移累計(jì)為 3.4cm,地下水位監(jiān)控未出現(xiàn)異常變化,整個(gè)施工過程做到了信息化,安全可控,確保隧道結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境安全。

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