軟弱富水地層隧道下穿燃?xì)夤艿雷冃慰刂萍夹g(shù)

譚信榮，陳壽根，王靖華

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031)

隨著城市地鐵建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地鐵區(qū)間隧道將不可避免穿越工程環(huán)境較差的地區(qū)，往往處于建筑物、道路和地下管道等設(shè)施的密集區(qū)，周圍環(huán)境復(fù)雜，施工干擾和施工難度大。保護(hù)周圍環(huán)境和降低施工風(fēng)險是地下工程設(shè)計(jì)與施工面臨的兩大難題［1］。

地鐵隧道開挖擾動了地層，改變了圍巖原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起圍巖的應(yīng)力重分布，而這種變化也將通過地層的傳播作用到鄰近既有管道從而導(dǎo)致其變形或破壞［2］。由于巖土工程本身的復(fù)雜性，對既有管道影響和變形研究尚處于發(fā)展階段，所以總結(jié)提煉管道保護(hù)設(shè)計(jì)與施工中的成功經(jīng)驗(yàn)，對探究和優(yōu)化管道的保護(hù)措施及城市地鐵建設(shè)具有重要意義。

1 工程概況

深圳地鐵4號線Ⅱ期工程上梅林～民樂區(qū)間隧道起于中康路東側(cè)上梅林站北端，終于地面民樂站南端，全長2 702.907 m。在此區(qū)間內(nèi)隧道穿越軟弱富水地層:里程K9+093處，鉆孔內(nèi)有大量清水涌出(最大涌水量2 000 m3/d);里程K9+112—K9+135穿越一條寬約20～30 m的斷層破碎帶，巖體十分破碎，地下水豐富，圍巖自穩(wěn)能力極差;里程K9+125—K9+255為軟弱富水地層，該段原始地貌屬低山及山間洼地，線路西側(cè)山體多年前為大型采石場，經(jīng)多年采石產(chǎn)生巖石碎塊堆積于山間洼地形成臺地，山體中匯水面積較大，富含地下水，隨時可能發(fā)生涌水、涌泥、坍塌的危險。隧道于里程K9+105—K9+135下穿一條φ508 mm×7.9 mm(外徑 ×厚度)次高壓燃?xì)夤艿?壓力 1.6 MPa)。該燃?xì)夤苈裨O(shè)于人工填土(石)層中，埋置深度約4.0 m，距離隧道拱頂約15.0 m。在如此軟弱富水地層中，如何控制圍巖沉降，保證地下管道安全是工程的重難點(diǎn)。

2 變形控制措施

隧道斜穿次高壓燃?xì)夤艿婪秶鷥?nèi)，采取地面帷幕分艙止水，洞外削土卸荷;洞內(nèi)全斷面注漿，大管棚導(dǎo)向跟進(jìn)等措施控制變形。

2.1 地面帷幕分艙止水

根據(jù)場地區(qū)域地下水實(shí)際分布情況及滲流方向，對斷層、破碎地帶尤其是燃?xì)夤艿烙绊懛秶鷥?nèi)采用地面旋噴分艙止水及艙內(nèi)袖閥管注漿處理措施。由于次高壓燃?xì)夤艿佬笨缢淼郎戏?，在隧道和管線交叉部位不能施作旋噴樁帷幕，故在交叉部位改用袖閥管注漿封閉，采用旋噴樁和袖閥管相結(jié)合阻斷地下水、加固隧道頂部地層。一方面，通過旋噴樁在隧道邊界沿隧道縱向，阻斷開挖時地下水向隧道的涌入;另一方面，在隧道與管道相交處使用袖閥管封閉，從而有效減少或消除掌子面開挖時地下水的流失，保證開挖的連續(xù)性。

帷幕分艙止水墻由3排φ500 mm高壓旋噴樁(樁間距0.35 m，排距0.375 m，錯開布置)組成。止水帷幕墻自地下水位以上至伸入中風(fēng)化巖面以下0.5 m，當(dāng)中風(fēng)化巖層位于隧道底板5 m以下時，止水帷幕墻底伸至隧道底板以下5 m即可。待止水幕墻施作完成后，在管道與旋噴樁止水墻相交處進(jìn)行袖閥管施工。袖閥管間距1.0 m×0.5 m，梅花形布置，終孔直徑φ2 000 mm，與旋噴樁連接徹底形成封閉的帷幕。地面帷幕分艙止水布置如圖1和圖2所示。

2.2 洞外削土卸荷

次高壓燃?xì)夤艿赖穆裆罴s為4.0 m，上覆土層為人工填土(填石)層，土壓力約為63 kPa，通過剝離管道上覆土層可以減小管道所受土壓力，降低管道的安全風(fēng)險。削土卸荷具體實(shí)施如下:①在原地貌高程以燃?xì)夤艿罏橹行?，對管道上的覆土進(jìn)行開挖放坡，坡度為1∶0.75，邊坡支護(hù)參數(shù):φ22 砂漿錨桿，L=3 m，間距1.2 m×1.2 m，梅花形布置;掛 φ6@150 mm×150 mm鋼筋網(wǎng)，噴射C20混凝土，混凝土噴射厚度為10 cm。②開挖至燃?xì)夤茼斏戏? m厚原狀土位置，保證該位置坡底寬度。坡底采用C15素混凝土硬化，厚度為10 cm。③在坡頂線兩端1 m處及坡底一端設(shè)置0.25 m×0.25 m磚砌截水溝，在坡底設(shè)置邊溝，每15～20 m設(shè)置集水井。削土斷面如圖3所示。

圖1 旋噴樁與袖閥管平面布置(單位:m)

圖2 不同斷面隧道帷幕止水墻位置(單位:m)

圖3 次高壓燃?xì)夤艿老魍翑嗝媸疽?單位:mm)

2.3 設(shè)置管道懸吊支架

管道支架由管托支座及支墩構(gòu)成。管托支座弧形鋼板與燃?xì)夤苤g應(yīng)設(shè)置橡膠墊，以保護(hù)燃?xì)夤艿陌踩?，管托支座底板與支墩之間應(yīng)完全分離，當(dāng)發(fā)現(xiàn)燃?xì)夤芟鲁吝_(dá)到預(yù)警值時，可采用手動葫蘆或小型千斤頂將燃?xì)夤苌吓_至初始高程，同時在管托支座與支墩之間加鋼楔墊塊，通過釋放管道拉應(yīng)力，確保燃?xì)夤艿腊踩?/p>

在隧道施工過程中，如發(fā)現(xiàn)次高壓燃?xì)夤艹两颠^大，必要時將管道挖開設(shè)置管道懸吊支架。沿管道走向每間隔10 m設(shè)置管道懸吊支架一個［3］。管道懸吊支架如圖4所示。

圖4 管道懸吊支架橫斷面(單位:mm)

2.4 洞內(nèi)全斷面注漿

為防止開挖面涌水或坍塌，注漿方式采用隧道全封閉深孔預(yù)注漿。即沿隧道全斷面開挖輪廓線軸向輻射狀布孔注漿，在開挖面中心適當(dāng)布孔注漿，漿液滲透擴(kuò)散到巖層(砂層)孔隙中并快速凝固，與周圍破碎巖塊結(jié)成具有一定強(qiáng)度的結(jié)石體。在隧道周邊及開挖面形成一個固結(jié)堵水帷幕(加固區(qū))，切斷地下水流通路，以此達(dá)到固結(jié)止水，保持圍巖的穩(wěn)定［4］。

根據(jù)現(xiàn)有引孔設(shè)備及操作水平，采用地質(zhì)水平鉆機(jī)，注漿有效長度25 m。注漿方式采用前進(jìn)式全控一次壓入式注漿。如果水量很大，采取鉆一段注一段的漸進(jìn)式注漿，直至鉆到設(shè)計(jì)有效樁長位置。注漿有效擴(kuò)散范圍為開挖輪廓線外4 m(人工填石層為5 m)。注漿壓力為地下水靜壓的2～3倍，考慮到巖層裂縫阻力，隧道富水?dāng)鄬映跏級毫? MPa，故注漿設(shè)計(jì)終壓4～5 MPa，單孔漿液擴(kuò)散半徑3 m。

2.5 洞內(nèi)大管棚導(dǎo)向跟進(jìn)

管棚由鋼管和鋼拱架組成，利用鋼拱架，沿著開挖輪廓線，以較小的外插角，在開挖面按一定間距打入一系列的鋼管組成管棚結(jié)構(gòu)，并在鋼管內(nèi)進(jìn)行壓力注漿;同時結(jié)合鋼拱架支撐，在開挖面前方形成環(huán)狀殼體的預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)，為開挖及支護(hù)作業(yè)提供了安全保障。管棚的作用主要表現(xiàn)為［5-7］:①拱效應(yīng)，由于鋼管先行設(shè)置，掘進(jìn)時在掌子面前方圍巖和鋼拱架的支撐下，形成拱結(jié)構(gòu)，有效提高圍巖的承載力及自穩(wěn)能力，減小圍巖的變形，防止圍巖坍塌和松弛;②加強(qiáng)效應(yīng)，通過鋼管的網(wǎng)狀孔向圍巖內(nèi)注入水泥砂漿或水玻璃雙液漿，提高巖層的力學(xué)參數(shù)和自穩(wěn)能力，保證掌子面穩(wěn)定。

打設(shè)管棚時導(dǎo)向鉆進(jìn)前應(yīng)對鉆機(jī)定位情況、方位、傾角情況，孔口管對中情況，沖洗液流通以及導(dǎo)向儀顯示情況進(jìn)行全面復(fù)檢。鉆進(jìn)前須先開泵，待沖洗液流通正常后，方可鉆進(jìn);鉆進(jìn)時，泵壓應(yīng)控制在0.4～0.8 MPa，泵量以20～50 L/min為宜。保持中低壓力，勻速中速鉆進(jìn);為防止水土流失，控制沉降，必要時需采用孔內(nèi)保壓措施。要始終保持回水量小于或等于進(jìn)水量。導(dǎo)向技術(shù)人員必須時刻觀察探頭角度變化情況，角度偏差＞0.3°時，應(yīng)及時糾偏。

3 數(shù)值模擬分析

為驗(yàn)證止水帷幕、大管棚等在隧道下穿燃?xì)夤艿罆r的支護(hù)效果，本文利用FLAC3D對地面旋噴樁袖閥管止水帷幕、洞內(nèi)大管棚支護(hù)及小導(dǎo)管注漿加固情況下隧道斜穿燃?xì)夤艿肋M(jìn)行了模擬，得到管道和地表下沉情況。

3.1 模型建立與參數(shù)確定

隧道埋深19 m，燃?xì)夤艿缆裆? m，隧道與管道斜交，旋噴樁頂部位于地表以下2 m。燃?xì)夤艿乐睆?08 mm，壁厚度7.9 mm，采用梁結(jié)構(gòu)單元模擬燃?xì)夤艿?。圍巖、襯砌、旋噴樁、大管棚及小導(dǎo)管注漿層均采用實(shí)體單元模擬?？紤]到加固范圍，計(jì)算模型尺寸確定為長60 m，寬70 m，高45 m。計(jì)算模型如圖5所示。根據(jù)本工程地勘資料和《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》選取材料參數(shù)，見表1。

圖5 計(jì)算模型

3.2 計(jì)算結(jié)果

燃?xì)夤艿莱两当O(jiān)測點(diǎn)布置如圖6所示。

表1 材料參數(shù)

圖6 燃?xì)夤艿莱两当O(jiān)測點(diǎn)布置

從圖7可以看出管道沉降變形均在30 mm內(nèi)，地面旋噴樁袖閥管止水帷幕、洞內(nèi)大管棚支護(hù)及小導(dǎo)管注漿加固等措施可有效控制管道沉降變形，保證施工順利進(jìn)行。圖8為燃?xì)夤艿辣O(jiān)測點(diǎn)3所在橫斷面地表沉降曲線，旋噴樁帷幕在止水的同時加固了地層。同時，帷幕墻的存在對燃?xì)夤艿榔鸬綉业鹾捅Ｗo(hù)作用。

圖7 燃?xì)夤艿莱两?/p>

圖8 監(jiān)測點(diǎn)3所在橫斷面地面沉降曲線

4 實(shí)際監(jiān)測結(jié)果

圖9為燃?xì)夤艿涝诓煌O(jiān)測點(diǎn)隨時間沉降曲線。由圖9可見，監(jiān)測點(diǎn)在7月下沉量較大，此時隧道施工至管道監(jiān)測點(diǎn)附近。比較圖7與圖9可知，管道實(shí)際沉降較數(shù)值模擬沉降大，這是由于數(shù)值模擬按照理想狀態(tài)考慮止水帷幕效果，而實(shí)際工程中很難做到完全止水，所以地下水的流失會引起較大的固結(jié)沉降。

圖9 燃?xì)夤艿莱两当O(jiān)測數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文對深圳地鐵4號線在軟弱富水地層下穿次高壓燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)和施工中采取的管道保護(hù)措施進(jìn)行全面總結(jié)，通過數(shù)值模擬對施工方案進(jìn)行驗(yàn)證，并且對比了實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果，主要得到以下結(jié)論:①根據(jù)本段工程特殊的施工環(huán)境，采取地面帷幕分艙止水、洞外削土卸荷;洞內(nèi)全斷面注漿、大管棚導(dǎo)向跟進(jìn)等措施控制燃?xì)夤艿雷冃问前踩尚械?。②帷幕墻的存在對燃?xì)夤艿榔鸬綉业鹾捅Ｗo(hù)作用。③控制地下水對減小管線沉降十分重要。

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