砂層中地鐵暗挖隧道施工技術(shù)研究

周可璋 周浩 盧寧 何中聯(lián) 王偉

【摘要】沈陽(yáng)市地處第四系渾河沖洪積層，地層以中粗砂、礫砂層為主。青年大街站～懷遠(yuǎn)門(mén)站區(qū)間隧道主體結(jié)構(gòu)全部位于中粗砂、砂礫層中，結(jié)構(gòu)底板埋深23.5～17.5m，為沈陽(yáng)地鐵一號(hào)線暗挖區(qū)間隧道最深段之一。砂層由于其不穩(wěn)定性、極強(qiáng)的透水性，對(duì)地鐵暗挖施工提出了很高的要求。本文主要闡述地鐵區(qū)間隧道的施工方法及砂層的加固處理措施，對(duì)沈陽(yáng)地鐵的暗挖施工技術(shù)提出相關(guān)的意見(jiàn)與建議。

【關(guān)鍵詞】??砂層??暗挖隧道??注漿??沉降監(jiān)測(cè)

1、前言

隨著城市的發(fā)展，軌道交通成為了大中城市的重要交通手段。全國(guó)各大城市陸續(xù)進(jìn)行地鐵建設(shè)，但地質(zhì)情況卻各不相同。沈陽(yáng)地鐵由于其地質(zhì)的特殊性，在全國(guó)來(lái)說(shuō)，砂層地質(zhì)中進(jìn)行暗挖地鐵的施工也尚屬首次。青年大街站～懷遠(yuǎn)門(mén)站區(qū)間隧道位于沈陽(yáng)市老城區(qū)，地面交通繁忙，地下管線縱橫交錯(cuò)。在施工過(guò)程中如何保證管線不滲漏或者盡量降低滲漏水對(duì)隧道開(kāi)挖的影響，是砂層地鐵中安全施工的關(guān)鍵。

2、工程概況

2.1工程簡(jiǎn)介

沈陽(yáng)地鐵一號(hào)線十二合同段青年大街站～懷遠(yuǎn)門(mén)站區(qū)間工程位于大西路下方，向東北方向延伸，下穿杏林街路口、奉天街路口、萬(wàn)壽寺路口至懷遠(yuǎn)門(mén)站。隧道上方的大西路為城市交通主干道，交通流量繁重。區(qū)間全線長(zhǎng)1137.35雙線米，線間距13～17m。

由于受兩側(cè)車(chē)站結(jié)構(gòu)形式的影響，隧道結(jié)構(gòu)坡度變化較大。青年大街站為雙層暗挖結(jié)構(gòu)，并且是一號(hào)線與二號(hào)線的換乘站，一號(hào)線位于下方。懷遠(yuǎn)門(mén)站為明挖結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)埋深較淺。線路走勢(shì)為東高西低，單向坡，兩端高差達(dá)12.5m。從青年大街站向懷遠(yuǎn)門(mén)站方向，區(qū)間隧道一直為上坡結(jié)構(gòu)，最大坡度達(dá)25‰，增加了施工難度。

本區(qū)間隧道起始里程為DK15+411.65，終止里程為DK16+549，施工豎井及橫通道中心里程為DK15+870，通過(guò)橫通道進(jìn)行左右線的開(kāi)挖。區(qū)間在DK15+500處設(shè)一道強(qiáng)電電纜通道，在DK16+200處設(shè)一道聯(lián)絡(luò)通道，并分別與左右線相連。豎井、橫通道與區(qū)間正線位置關(guān)系見(jiàn)圖1所示。

2.2工程地質(zhì)

本區(qū)間地質(zhì)為渾河高漫灘及古河道，圍巖類別為Ⅰ～Ⅱ類，主要為中粗砂及礫砂層，見(jiàn)圖2所示。地形變化比較平緩，地面標(biāo)高介于44.67～49.63m，最大地面高差4.96m，區(qū)間隧道頂板埋深介于17.9～10.4m之間。

開(kāi)挖時(shí)砂層自穩(wěn)能力較差，當(dāng)遇到管線滲漏或上層滯水等情況時(shí)很容易產(chǎn)生流砂，開(kāi)挖時(shí)必須嚴(yán)格進(jìn)行超前支護(hù)及注漿，保證掌子面砂層的穩(wěn)定是安全施工的關(guān)鍵。

2.3水文地質(zhì)

該場(chǎng)地見(jiàn)地下水類型為孔隙潛水，穩(wěn)定水位埋深在5.0～8.6m，絕對(duì)標(biāo)高39.34～41.52m，含水層厚度為33.66～39.30m，區(qū)間結(jié)構(gòu)全部位于地下水位以下。

2.4結(jié)構(gòu)形式

區(qū)間隧道主體結(jié)構(gòu)為馬蹄型斷面復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，采用礦山法施工，初期支護(hù)采用C25噴射混凝土+格柵鋼架措施，厚度為25cm;二次襯砌采用C30、S10模筑鋼筋混凝土措施，厚度為35cm。初支與二襯之間設(shè)一道1.5mm厚的ECB柔性防水板進(jìn)行全包防水處理，見(jiàn)圖3所示。

區(qū)間隧道開(kāi)挖斷面高度為6.52m，開(kāi)挖寬度為6.32m，隧道斷面接近圓形，充分考慮了合理受力的因素。

2.5工程特點(diǎn)

1）工程環(huán)境復(fù)雜，管線眾多。本標(biāo)段地處沈陽(yáng)市老城區(qū)，地下管線縱橫交錯(cuò)，且老化嚴(yán)重。主要有污水、雨水、自來(lái)水、煤氣、電信電纜等各種管線，而其中1937年修建的磚砌污水暗渠方溝，縱穿于右線隧道正上方，對(duì)隧道開(kāi)挖產(chǎn)生著直接的影響。暗渠底部埋深3.8m，隧道拱頂埋深16m，暗渠斷面尺寸為0.9m（寬）*1.8m（高），施工年代久遠(yuǎn)，滲漏嚴(yán)重，在施工時(shí)必須采取加強(qiáng)處理措施。

2）水位埋深淺。向下開(kāi)挖5～8m即可見(jiàn)地下水，區(qū)間主體隧道全部位于地下水中，增大了施工難度。

3、施工方法

3.1區(qū)間隧道主要施工步序

本區(qū)間隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面采用上下臺(tái)階法進(jìn)行施工，上臺(tái)階施工時(shí)預(yù)留核心土，下臺(tái)階施工時(shí)做放坡處理，坡度不大于3：1。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，上下臺(tái)階長(zhǎng)度控制在3～5m為宜，見(jiàn)圖4所示。在區(qū)間靠近懷遠(yuǎn)門(mén)站一側(cè)，左右線分別設(shè)置一道人防，人防段長(zhǎng)13.2m，采用CRD工法施工，分四步進(jìn)行開(kāi)挖。人防斷面開(kāi)挖尺寸為高8.5m，寬8.24m。為保證由標(biāo)準(zhǔn)斷面向人防大斷面過(guò)渡時(shí)的開(kāi)挖安全，在變斷面處設(shè)置1m的漸變段，坡度為45°，逐漸進(jìn)入人防斷面。人防斷面施工步序如圖5所示。

由于砂層地質(zhì)穩(wěn)定性不好，很容易產(chǎn)生坍塌，除盾構(gòu)法采用機(jī)械施工外，暗挖施工基本全部采用人工進(jìn)行開(kāi)挖，及時(shí)噴射混凝土封閉成環(huán)，每施工0.5m為一個(gè)循環(huán)。主要工序?yàn)椋荷吓_(tái)階開(kāi)挖→格柵安裝→連接筋焊接→打設(shè)超前小導(dǎo)管→噴射混凝土→小導(dǎo)管注漿→下臺(tái)階開(kāi)挖→下一循環(huán)，每循環(huán)施工時(shí)間約為5～6小時(shí)。

由于有軌運(yùn)輸受限制較多，速度較慢，本區(qū)間采用無(wú)軌運(yùn)輸方式，每個(gè)掌子面配備2～3臺(tái)翻斗車(chē)，統(tǒng)一運(yùn)至豎井提升斗處，再由龍門(mén)架提升至地面臨時(shí)存土場(chǎng)。

3.2砂層地質(zhì)中初支施工方法

3.2.1超前大管棚

大管棚通常設(shè)置在斷面變化處及危險(xiǎn)性較大的地段。本區(qū)間在豎井進(jìn)橫通道馬頭門(mén)處、橫通道進(jìn)區(qū)間正線馬頭門(mén)處設(shè)置大管棚。大管棚采用Φ108mm、δ=5mm的熱軋無(wú)縫鋼管，橫通道馬頭門(mén)處管棚長(zhǎng)9m，區(qū)間正線馬頭門(mén)處管棚長(zhǎng)12m。管身上鉆6～8mm的眼孔，梅花型布置，孔距30cm，以保證管棚注漿時(shí)漿液的擴(kuò)散。管棚分節(jié)制作，受作業(yè)空間的限制，采用3m一節(jié)進(jìn)行施工，施工過(guò)程中逐節(jié)夯進(jìn)、接管。接頭采用坡口焊連接牢固。管棚沿拱部開(kāi)挖輪廓線外邊緣120°范圍布設(shè)，環(huán)向間距30cm，外插角2～2.5°。注漿液采用水泥砂漿，漿液配比為1：1：1，注漿壓力為0.2～0.3MPa。

大管棚在粘土層施工時(shí)一般采用夯管錘頂入法，但若在砂層中夯進(jìn)，容易造成砂層的擾動(dòng)，在開(kāi)挖時(shí)產(chǎn)生坍塌。本區(qū)間采用吹管頂入法，高壓風(fēng)管插入管棚內(nèi)，將砂子吹出，然后使用沖擊鉆頂入，頂進(jìn)30～50cm左右，重復(fù)進(jìn)行吹管，依次循環(huán)下去完成大管棚的打設(shè)。

3.2.2超前小導(dǎo)管

小導(dǎo)管采用Φ42熱軋鋼管，δ=3.5mm，一端做成尖狀。小導(dǎo)管長(zhǎng)L=2.5m，每?jī)砷駯糯蛟O(shè)一環(huán)。布置在拱部120°范圍，環(huán)向間距30cm。在管身上鉆φ5～φ8mm的孔，孔間距30cm，梅花型布置，末端1～1.5m不打孔，以防止注漿時(shí)漿液外溢。小導(dǎo)管示意圖如圖6所示。

由于本標(biāo)段地質(zhì)基本全部為中粗砂層，土層穩(wěn)定性不好，在滲漏水較大地段對(duì)超前小導(dǎo)管采取加強(qiáng)處理措施，L=1.8m，每榀格柵打設(shè)一環(huán)。

小導(dǎo)管打設(shè)方法：根據(jù)砂層地質(zhì)的特性，小導(dǎo)管采用引孔打入法。首先使用φ20mm高壓風(fēng)管進(jìn)行吹孔，然后將小導(dǎo)管直接插入，導(dǎo)管外露端用棉紗封堵，防止噴射混凝土?xí)r堵塞管口。外露長(zhǎng)度控制在10cm左右，以便于安裝管路。

注漿安排在噴射混凝土完成以后進(jìn)行，目的是防止?jié){液從開(kāi)挖輪廓面溢出，影響注漿效果及浪費(fèi)材料。注漿材料采用沈陽(yáng)市生產(chǎn)的THE-Ⅱ型固砂劑，其特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，凝結(jié)速度快，節(jié)約循環(huán)時(shí)間。配合比為：固砂劑：水=1：3～1：4，注漿壓力在0.3～0.6MPa之間，注漿完成后立即用棉紗封堵管口，盡量防止?jié){液外溢。

3.2.3初支背后回填注漿

由于混凝土的自重及噴射混凝土密實(shí)度等的影響，初支背后與土體之間不可避免的會(huì)出現(xiàn)空洞。為了有效減小由于空隙引起的地面沉降，在施工時(shí)預(yù)先埋設(shè)注漿鋼管，鋼管長(zhǎng)50cm左右，埋入砂層20cm，外露10cm，梅花型布置在拱頂及兩側(cè)拱腳位置，每3～5m設(shè)置一道。如圖7所示。

待仰拱成環(huán)10m左右后，便開(kāi)始進(jìn)行背后回填注漿。注漿液采用水泥-水玻璃雙液漿，注漿壓力控制在0.2～0.4MPa之間，采用間歇注漿的方式進(jìn)行，注漿與靜壓交替進(jìn)行，保證回填密實(shí)。

3.2.4重要地段的施工方法

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，在右線DK15+800～DK16+070里程段，由于管線滲漏嚴(yán)重，被確定為特殊處理地段。具體措施如下：

1）砂含水率監(jiān)測(cè)

在砂層中，砂的含水率為表征地表安全性的重要參數(shù)。在施工過(guò)程中每天對(duì)砂含水率監(jiān)測(cè)兩次，使用超前探管取出掌子面前方2～3m的原狀砂，使用酒精進(jìn)行烘烤。根據(jù)日常實(shí)驗(yàn)，測(cè)定砂的正常含水率為6%～9%，超出此范圍需給予高度重視，及時(shí)采取加強(qiáng)措施，同時(shí)加強(qiáng)拱頂及地表的沉降監(jiān)測(cè)。

2）超前支護(hù)

超前小導(dǎo)管由原來(lái)的兩榀一打改為每榀一打，長(zhǎng)度為1.8m/根，環(huán)向間距加密，調(diào)整為20cm/根，注漿液采用固砂劑，配合比為1：3～1：4。必要時(shí)對(duì)上臺(tái)階掌子面進(jìn)行全斷面注漿，此時(shí)采用L=3.0m的長(zhǎng)導(dǎo)管，每施工1.5m施做一次全斷面注漿，保證注漿體的搭接。

3.3區(qū)間隧道二襯施工技術(shù)

區(qū)間隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面采用定型模板臺(tái)車(chē)，考慮直線段的施工進(jìn)度及曲線段轉(zhuǎn)彎半徑的影響，臺(tái)車(chē)長(zhǎng)度設(shè)計(jì)成9m+3m的結(jié)構(gòu)形式。直線段使用12m進(jìn)行襯砌施工;在曲線段，將臺(tái)車(chē)3m段拆除，分9m為一個(gè)循環(huán)進(jìn)行施工。

1）施工布序

首先進(jìn)行仰拱二襯施工，然后在仰拱上綁扎拱部鋼筋，支立臺(tái)車(chē)，澆注拱部混凝土。

具體施工步驟如下：基面處理→仰拱防水層→仰拱鋼筋綁扎→仰拱混凝土→拱部防水層→拱部鋼筋綁扎→支立臺(tái)車(chē)→拱部混凝土澆注→下一循環(huán)。

2）施工方法

仰拱采用定型鋼模板進(jìn)行混凝土澆注，中間用絲杠連接，可以方便調(diào)節(jié)凈空尺寸。待仰拱混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，使用臺(tái)車(chē)進(jìn)行頂拱的混凝土澆注。

根據(jù)施工工序的要求，二襯將從兩端依次向橫通道方向進(jìn)行施工，這樣有利于運(yùn)輸及各個(gè)施工工序的順利開(kāi)展。

3）防水層施工

在初支與二襯之間，設(shè)置一道全包柔性防水層，防水材料采用ECB防水板，其參數(shù)為：厚度1.5mm，一般每幅長(zhǎng)度3m，寬度2m。在防水板與初支表面之間設(shè)置一道緩沖層，緩沖層采用單位重為350g/m2的無(wú)紡布，在緩沖層上每隔一定距離布設(shè)一個(gè)暗釘圈，防水板采用熱合焊接的方式焊接在暗釘圈上。防水板搭接采用雙焊縫進(jìn)行熱熔焊接，搭接長(zhǎng)度為10cm，焊接完成后采用檢漏器進(jìn)行沖氣檢測(cè)，充氣壓力為0.25MPa，保持壓力不小于15min。允許壓力下降10%，如壓力值下降超標(biāo)，應(yīng)檢查出漏氣位置并進(jìn)行手工補(bǔ)焊。

4）施工縫的預(yù)留

隧道結(jié)構(gòu)按施工順序與工藝設(shè)置縱向施工縫及環(huán)向施工縫。環(huán)向施工縫根據(jù)臺(tái)車(chē)的長(zhǎng)度確定，直線段每12m設(shè)置一道，曲線地段每9m設(shè)置一道。環(huán)向施工縫采用背貼式止水帶、一道20*10mm遇水膨脹止水條+中埋式注漿管進(jìn)行加強(qiáng)防水處理。

縱向施工縫設(shè)置在兩側(cè)軌面線位置，采用背貼式止水帶+35cm寬中埋式鋼邊橡膠止水帶進(jìn)行加強(qiáng)防水處理。

4、結(jié)論與建議

1）在砂層地質(zhì)中施工，保證開(kāi)挖時(shí)土體的穩(wěn)定，盡量不對(duì)土層造成擾動(dòng)是確保施工安全及控制沉降的重要前提。保證開(kāi)挖時(shí)土體的穩(wěn)定主要從超前小導(dǎo)管施工工藝、拱部開(kāi)挖時(shí)的先后順序、注漿液的選擇等幾方面著手。

2）盡量縮短各工序施工時(shí)間，把每環(huán)施工時(shí)間控制在5小時(shí)以內(nèi)，及時(shí)封閉成環(huán)。

3）對(duì)鎖腳錨管的施工必須給予足夠的重視，鎖腳錨管是拱部格柵未封閉成環(huán)之前有效控制隧道沉降的重要措施。在上臺(tái)階格柵的拱腳底部設(shè)置混凝土墊塊也是控制沉降的重要手段。

4）注意砂層含水率的變化，對(duì)含水率出現(xiàn)異常變化的部位必須給予足夠重視，拱部出現(xiàn)滲水等現(xiàn)象時(shí)很容易產(chǎn)生坍塌的危險(xiǎn)。

5）及時(shí)進(jìn)行背后回填注漿，及時(shí)填充由于噴射混凝土不密實(shí)或拱部土體剝落產(chǎn)生的空洞，盡量減小沉降。

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