青島地鐵隧道礦山法下穿限制使用等級(jí)建筑物沉降控制技術(shù)

王偉

(北京建工土木工程有限公司，北京 100039)

0 引言

隨著地鐵建設(shè)的迅速發(fā)展，建設(shè)過(guò)程中的安全管理已成為全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)之一［1］。尤其在施工過(guò)程中遇到下穿建筑物等特殊情況，地質(zhì)條件及環(huán)境情況復(fù)雜，施工難度極大［2］。地質(zhì)條件復(fù)雜的青島地鐵一期工程隧道在下穿質(zhì)量狀況各異、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形式多樣的建筑群時(shí)，建筑物的安全成為決定隧道施工進(jìn)度和環(huán)境安全的關(guān)鍵［3］。地鐵礦山法隧道下穿建筑物施工面臨著控制建(構(gòu))筑物的沉降風(fēng)險(xiǎn)等重要問(wèn)題［4］。過(guò)大的地表沉降會(huì)引起地面建筑物的開裂和傾斜。如何預(yù)測(cè)并在施工中控制地表沉降，保證上部結(jié)構(gòu)的安全是隧道工程建設(shè)的重要任務(wù)［5］。青島地鐵為上軟下硬地層，在采用上下臺(tái)階法施工時(shí)，對(duì)地表建筑物的影響較大。注漿加固技術(shù)能夠較好地控制建筑物沉降，確保在隧道施工過(guò)程中其結(jié)構(gòu)的安全性［6］。

注漿技術(shù)作為一種有效的巖土工程施工方法，理論研究遠(yuǎn)落后于工程應(yīng)用［7］。超前管棚支護(hù)是隧道施工中穿越軟弱、破碎圍巖的一種有效的加固施工方法［8］。袖閥管廣泛應(yīng)用于不良地層的處理、地基的加固、控制樓房、橋梁、管線等建(構(gòu))筑物沉降等［9］。在隧道下穿的建筑物使用等級(jí)較差條件下，根據(jù)不同圍巖種類及對(duì)應(yīng)的建筑物狀況，采用不同的注漿加固方式，可保證隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，進(jìn)而保證建筑物的安全。本文以青島市地鐵一期工程(3號(hào)線)太平角公園站—延安三路站區(qū)間下穿伊美爾醫(yī)院段為例，綜合采用超前管棚、小導(dǎo)管、袖閥管注漿及帷幕注漿等方法，控制隧道下穿限制使用等級(jí)房屋沉降。

1 工程概況

1.1 太延區(qū)間隧道與地面建筑物關(guān)系

太平角公園站—延安三路站區(qū)間線路基本位于香港路下方，橫跨太平角四路和太平角六路，長(zhǎng)約1 294.9 m，采用礦山法施工。區(qū)間從太平角公園站出發(fā)，下穿伊美爾整形醫(yī)院、如家快捷酒店太平角店、湛山路3號(hào)居民房、濟(jì)軍一療理發(fā)店和濟(jì)軍一療口腔科等多棟建筑物后，轉(zhuǎn)到香港路下方，沿香港路向東前行，到達(dá)延安三路站。區(qū)間隧道與建筑物的位置關(guān)系平面見圖1。

圖1 太延區(qū)間下穿房屋段隧道與建筑物平面位置關(guān)系示意圖Fig.1 Plan sketch showing relationship between tunnel and existing surface buildings

1.2 建筑物狀況

伊美爾整形醫(yī)院建筑物始建于1990年，1996年進(jìn)行了擴(kuò)建，大樓為地上3層(局部6層、北側(cè)有一圓形單層)，地下1層，由于地面高差的原因，地上3層和6層間錯(cuò)層1.5 m，該建筑物整體呈三角形布置，三邊長(zhǎng)分別為56，50，50 m?，F(xiàn)該建筑物5，6層部分使用單位為青島市融商集團(tuán)有限公司，其余部分使用單位為伊美爾整形醫(yī)院，產(chǎn)權(quán)隸屬于青島市融商集團(tuán)有限公司。

根據(jù)青島市城建檔案館館藏的原始設(shè)計(jì)圖紙(1990年10月)和改建裝修工程施工圖紙(1996年11月)，該建筑物基礎(chǔ)形式為毛石條形基礎(chǔ)和柱下獨(dú)立基礎(chǔ)。建筑物結(jié)構(gòu)形式為框架砌體混合結(jié)構(gòu)，承重體系復(fù)雜，傳力體系不明確，抗震驗(yàn)算很難滿足國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范的承載力和構(gòu)造等要求。

材料強(qiáng)度低，其中砌筑砂漿抗壓強(qiáng)度推定為0.5 MPa，磚材的強(qiáng)度等級(jí)推定為MU10，混凝土強(qiáng)度推定為18.2 MPa。原始設(shè)計(jì)圖紙中地下室墻體為毛石砂漿砌筑，與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)所得的普通燒結(jié)磚砂漿砌筑不符。

承重墻體裂縫多為斜向裂縫，樓梯間和陽(yáng)臺(tái)部位出現(xiàn)貫通水平裂縫，最大長(zhǎng)度3 m，最大深度1.5 mm。構(gòu)造裂縫主要出現(xiàn)在預(yù)制樓板與墻和梁的搭接處、墻角搭接處、窗戶拐角處、隔墻自身以及與梁的連接處。

伊美爾整形醫(yī)院安全等級(jí)為Csu級(jí)，在整個(gè)結(jié)構(gòu)中承重墻體出現(xiàn)的貫通裂縫已顯著影響到建筑物的結(jié)構(gòu)安全。

建筑物與隧道的垂直位置關(guān)系見圖2所示。

1.3 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況

本段左線隧道所處地層由上至下分別為:雜(素)填土層、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中亞帶、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖下亞帶和中風(fēng)化花崗巖層。隧道穿越的地層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖下亞帶、中風(fēng)化花崗巖層，隧道結(jié)構(gòu)基本位于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖下亞帶，圍巖級(jí)別綜合判定為IV級(jí)。

本段右線隧道所處地層由上至下分別為:雜(素)填土層、粉質(zhì)黏土、含砂性黏土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中亞帶、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖下亞帶和中風(fēng)化花崗巖層。隧道結(jié)構(gòu)穿越強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中亞帶、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖下亞帶和中風(fēng)化花崗巖帶，圍巖級(jí)別綜合判定為V級(jí)。

場(chǎng)地內(nèi)主要含水地層為第四系填土層、粗礫砂。含水層厚度受地形、地貌影響，差異較大，平均厚度為

2.29 m左右。粗礫砂層條狀分布于山前沖洪積坡地，在本區(qū)局部分布;第四系填土層受人為因素的制約，分布不均、厚度不一;第四系填土層、粗礫砂層直接覆蓋于基巖之上，松散巖類孔隙水與下部的基巖裂隙水有一定的水力聯(lián)系。

圖2 伊美爾醫(yī)院與區(qū)間隧道縱剖面位置關(guān)系示意圖Fig.2 Profile showing relationship between Emei’er hospital and tunnel

本工作區(qū)內(nèi)強(qiáng)風(fēng)化帶發(fā)育厚度最大達(dá)10 m，基巖強(qiáng)風(fēng)化層平均厚度為6 m。據(jù)本區(qū)間的基巖水文孔抽水試驗(yàn)結(jié)果，強(qiáng)、中風(fēng)化巖層屬弱透水層。地下水在基巖中的賦存量較小，逕流條件也差，透水性弱。

為搞清楚房屋基礎(chǔ)的地質(zhì)情況，對(duì)伊美爾整形醫(yī)院房屋基礎(chǔ)層進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)挖探，挖探情況顯示:地基基礎(chǔ)處于富水的粉質(zhì)黏土層中，土層含水量較大。挖探情況如圖3所示。

1.4 設(shè)計(jì)概況

太延區(qū)間下穿伊美爾整形醫(yī)院施工段為隧道K4+ 780.51～+839(長(zhǎng)度為58.49 m)。開挖斷面尺寸為6.3 m×6.86 m(寬×高)，CD法施工。超前支護(hù)采用φ159大管棚+φ42小導(dǎo)管。初期支護(hù)為工20鋼架@ 0.5 m/榀+φ6.5雙層鋼筋網(wǎng)@150 mm×150 mm+ 300 mm厚C25噴射混凝土，邊墻設(shè)置φ22砂漿錨桿，間距1 m×1 m，梅花形布設(shè)。區(qū)間隧道下穿伊美爾整形醫(yī)院施工段平面位置及斷面形式分別如圖4和圖5所示。

圖3 伊美爾醫(yī)院基礎(chǔ)形式現(xiàn)場(chǎng)探挖情況Fig.3 Exploration cutting to investigate the foundation type of Emei’er hospital

圖4 區(qū)間下穿伊美爾醫(yī)院段平面位置示意圖Fig.4 Plan sketch showing relationship between Emei’er hospital and tunnel

圖5 區(qū)間下穿伊美爾醫(yī)院段設(shè)計(jì)支護(hù)形式斷面圖(單位:mm)Fig.5 Cross-section of tunnel passing underneath Emei’er hospital(mm)

1.5 沉降控制要求

太延區(qū)間下穿伊美爾整形醫(yī)院，原設(shè)計(jì)要求建筑物累計(jì)沉降不大于30 cm，沉降速率要求小于2 mm/ d，差異沉降要求小于10 mm，爆破振速控制值小于2 cm/s，建筑物監(jiān)測(cè)報(bào)警值為設(shè)計(jì)值的80%。由于伊美爾整形醫(yī)院屬于限制使用等級(jí)房屋，需重新調(diào)整監(jiān)測(cè)控制值，根據(jù)各方幾次開會(huì)討論，最終確定，建筑物累計(jì)沉降為15 mm，沉降速率為1 mm/d，差異沉降為5 mm，爆破振速在房屋普通段為1 cm/s，房屋加高段與電梯間按0.5 cm/s控制。

2 沉降控制措施

2.1 減震開挖措施

為盡早封閉成環(huán)，考慮到設(shè)備的操作空間，將CD法調(diào)整為臺(tái)階法施工。臺(tái)階法施工時(shí)，上臺(tái)階預(yù)留核心土開挖。爆破施工采用減震爆破的開挖方式，最大限度地減少爆破震動(dòng)對(duì)建筑物的影響。為保證爆破振速控制在要求范圍內(nèi)，采用高精度雷管起爆。

2.2 超前管棚與小導(dǎo)管施工

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際邊界條件，管棚為φ76超前管棚，拱部150°范圍內(nèi)施作，L=10 m，環(huán)向間距0.4 m，縱向間距6.0 m，外插角約18°;超前小導(dǎo)管在拱部150°范圍打設(shè)，長(zhǎng)度為3 m，環(huán)向間距0.3 m，縱向間距1.0 m，外插角18°。

根據(jù)前期左線施工情況，超前管棚及小導(dǎo)管在左線建筑物未加高段均注水泥漿液。右線施工過(guò)程中，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建筑物沉降變化速率較大，達(dá)到0.8 mm/d，由于超細(xì)水泥具有良好的滲透性與可灌性，因此，在右線建筑物局部加高段與電梯間位置采用600目超細(xì)水泥漿液，有效地將沉降速率控制在0.5 mm/d范圍內(nèi)，超前管棚與小導(dǎo)管布置橫斷面見圖6，縱斷面見圖7。

圖6 超前管棚與小導(dǎo)管布置橫斷面圖(單位:mm)Fig.6 Cross-section of tunnel showing layout of pipe roof and forepoling(mm)

圖7 超前管棚與小導(dǎo)管布置縱斷面圖(單位:mm)Fig.7 Longitudinal profile of tunnel showing layout of pipe roof and forepoling(mm)

2.3 袖閥管跟蹤注漿

避開超前小導(dǎo)管布置斜向前的袖閥管，初期支護(hù)封閉后，向房屋基礎(chǔ)持力層下方注漿加固，初期按0.1～0.3 MPa的注漿終壓控制。后期累計(jì)沉降超過(guò)10 mm或房屋差異沉降達(dá)到5 mm或沉降速率超過(guò)2 mm/d時(shí)，進(jìn)行二次注漿，注漿終壓按0.3～0.5 MPa控制，施工過(guò)程中結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。袖閥管鉆孔孔徑110 mm，袖閥管管徑50 mm，長(zhǎng)度6.5 m，環(huán)向間距1 m，縱向間距2 m，外插角35～40°。前期注漿試驗(yàn)過(guò)程中，曾發(fā)生建筑物地下室漿液滲出，引起建筑物權(quán)屬單位的極度不滿，因此，在注漿過(guò)程中，要密切監(jiān)測(cè)地面及建筑物的沉降情況，嚴(yán)格控制注漿前后建筑物的單次上抬量不得超過(guò)2 mm。袖閥管注漿現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況如下:

1)鉆孔。選用XY－100型鉆機(jī)，針對(duì)硬土層和破碎巖層采用風(fēng)動(dòng)潛孔錘沖擊鉆進(jìn)，該鉆機(jī)質(zhì)量輕，利于遷移，并有較高的鉆進(jìn)效率。孔位打設(shè)過(guò)程如圖8所示。

圖8 袖閥管孔位打設(shè)圖Fig.8 Drilling of Soletanche grouting holes

2)安裝袖閥管。鉆孔至設(shè)計(jì)深度并采用清水洗孔后，向孔內(nèi)下入注漿袖閥管。安裝袖閥管過(guò)程如圖9所示。

3)注入套殼料。用PW－150泥漿泵，向孔內(nèi)注入套殼料，注滿為止。套殼料質(zhì)量配比為水泥∶黏土∶水= 1∶1.5∶2(配方由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)最后確定)。套殼料主要用于封閉袖閥管與鉆孔孔壁之間的環(huán)狀空間，防止灌漿時(shí)漿液到處流竄，在橡膠套和止?jié){塞的作用下，迫使在灌漿段范圍內(nèi)擠破套殼料(即開環(huán))而進(jìn)入地層。

圖9 袖閥管安裝圖Fig.9 Installation of Soletanche grouting pipes

4)開環(huán)。套殼料凝固后(10～13 h)，即可開始注漿。灌漿的前期階段，使用稀漿(或清水)加壓開環(huán)。在加壓過(guò)程中，一旦出現(xiàn)壓力突降，進(jìn)漿量劇增，表示已經(jīng)“開環(huán)”。開環(huán)后即按配比開始正式注漿。

5)灌漿。采用雙栓塞芯管進(jìn)行灌漿。根據(jù)各組注漿參數(shù)要求，從孔底由里向外進(jìn)行注漿，每排孔眼作為一個(gè)灌漿段，其段長(zhǎng)為 500 mm。注漿液采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，注漿時(shí)按先灌入稀漿后灌入濃漿的原則逐漸調(diào)整水灰比。

由于前期施工，袖閥管作為常規(guī)注漿手段進(jìn)行沉降控制，在初支封閉后即進(jìn)行注漿，造成建筑物地下室出現(xiàn)小范圍的隆起，并且部分里程段施工偶有掉塊現(xiàn)象，根據(jù)分析，下穿段本身圍巖較差，在經(jīng)過(guò)超前管棚、小導(dǎo)管及袖閥管施工后，反而擾亂了原地層的穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)討論研究，在建筑物加高段與電梯間位置，開挖期間僅僅進(jìn)行打設(shè)，暫不注漿，在建筑物沉降發(fā)生較明顯變化時(shí)，再進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償注漿。在該方案實(shí)施以后，不僅明顯加快了施工進(jìn)度，同時(shí)也提高了建筑物沉降控制的穩(wěn)定性。

2.4 局部帷幕注漿

通過(guò)前期采用超前管棚、小導(dǎo)管及袖閥管注漿，太延區(qū)間左線隧道于2014年3月16日順利貫通，3月29日，在右線隧道即將到達(dá)電梯位置時(shí)，電梯間局部出現(xiàn)了裂縫，通過(guò)對(duì)裂縫出現(xiàn)的原因分析，一方面是靠近伊美爾醫(yī)院的的人防段上部施工過(guò)程中引起地層應(yīng)力重分布產(chǎn)生的差異沉降引起了電梯間的裂縫，另一方面是電梯間與整個(gè)建筑物結(jié)構(gòu)未形成整體結(jié)構(gòu)，自身抵抗變形能力較差。針對(duì)以上情況，在原注漿措施的基礎(chǔ)上，決定在電梯間位置增加局部帷幕注漿加固的措施，加固范圍為隧道開挖輪廓線外3 m，注漿材料選用水泥－水玻璃雙液漿，注漿順序按“由外到內(nèi)、由上到下、間隔跳孔”的原則進(jìn)行，以達(dá)到控域注漿、擠密加固的目的。帷幕注漿孔位布置見圖10。

圖10 帷幕注漿孔位布置圖Fig.10 Layout of curtain grouting holes

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化

下穿伊美爾醫(yī)院段共布設(shè)建筑物沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)11個(gè)，其中右線電梯間對(duì)應(yīng)的JC14－1點(diǎn)沉降變化情況最為明顯，現(xiàn)以JC14－1點(diǎn)為例，分析建筑物沉降的變化情況。伊美爾醫(yī)院段建筑物沉降監(jiān)測(cè)布點(diǎn)圖見圖11。

圖11 下穿伊美爾醫(yī)院段監(jiān)測(cè)布點(diǎn)圖Fig.11 Layout of monitoring points

JC14－1點(diǎn)是伊美爾醫(yī)院電梯間正下方對(duì)應(yīng)的點(diǎn)位，也是整座建筑物沉降變化最大的點(diǎn)位。根據(jù)每日監(jiān)測(cè)情況可知，自2014年3月2日開始，該點(diǎn)位沉降變化明顯，以平均0.4 mm/d的速率下沉，沉降速率最大達(dá)到0.8 mm/d，至3月28日，建筑物累計(jì)沉降已達(dá)10.74 mm，進(jìn)而導(dǎo)致電梯間出現(xiàn)裂縫。為保證建筑物安全，3月29日采用局部帷幕注漿墻加固措施以后，沉降速率明顯變緩，至帷幕注漿施工完成，累計(jì)沉降控制在13 mm以內(nèi)，滿足沉降控制要求。JC14－1點(diǎn)位監(jiān)測(cè)變化曲線見圖12。

圖12 2014年JC14－1點(diǎn)位監(jiān)測(cè)變化曲線分析圖Fig.12 Curve of settlement measured at JC14－1 point in 2014

4 結(jié)論與討論

通過(guò)采用超前管棚、小導(dǎo)管、袖閥管注漿及帷幕注漿等方法控制沉降，成功將下穿限制等級(jí)建筑物沉降控制在要求的范圍內(nèi)，得到結(jié)論如下:

1)針對(duì)不同里程段房屋狀況，采用不同的沉降控制措施。下穿段開挖均采用控制爆破的方式，下穿伊美爾醫(yī)院段左線對(duì)應(yīng)建筑物層高較低，僅采用超前管棚與小導(dǎo)管即順利貫通，右線由于建筑物后加高及增加了電梯間，且電梯間與主樓之間為分離結(jié)構(gòu)，又采用了袖閥管注漿與帷幕注漿進(jìn)行沉降控制。

2)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)情況，采取針對(duì)性的沉降控制措施，尤其是袖閥管洞內(nèi)注漿及帷幕注漿，成功穿越右線電梯間結(jié)構(gòu)，在沉降控制值比設(shè)計(jì)更加嚴(yán)格的基礎(chǔ)上，同樣控制在要求范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，通過(guò)與有關(guān)規(guī)范對(duì)比，認(rèn)為太延區(qū)間下穿伊美爾醫(yī)院段是安全的。

3)袖閥管注漿在實(shí)施過(guò)程中，由于建筑物地下室距離隧道拱頂埋深較小，注漿壓力極難精確控制，壓力達(dá)到0.4 MPa即出現(xiàn)地下室地板滲漏漿液的問(wèn)題，但壓力過(guò)低，進(jìn)漿效果較差，作用不明顯，選用合適的注漿設(shè)備實(shí)現(xiàn)注漿過(guò)程精細(xì)化控制仍需要進(jìn)一步研究。

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