富水圓礫地層聯(lián)絡(luò)通道加固選型及應(yīng)用

張曉鋒

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

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富水圓礫地層聯(lián)絡(luò)通道加固選型及應(yīng)用

張曉鋒

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

針對南寧市富水圓礫地層特性，對適應(yīng)該地層的盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道加固工法進(jìn)行比選分析，并對研究結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場實例驗證。結(jié)果表明，素砼連續(xù)墻帷幕加注漿加固工法和人工凍結(jié)法在風(fēng)險控制、環(huán)境保護(hù)方面有較好的優(yōu)勢，可為類似工程提供一定的借鑒經(jīng)驗。

圓礫地層；聯(lián)絡(luò)通道土體加固；素砼連續(xù)墻加注漿工法；人工凍結(jié)法

0 引言

盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道常采用豎井開挖或隧道內(nèi)暗挖施工，因加固質(zhì)量缺陷出事故的情況屢見不鮮，如2003年上海地鐵四號線聯(lián)絡(luò)通道事故造成兩條建成隧道和廢水泵房損壞，還造成地面其它建筑物破壞，直接損失高達(dá)十億元以上[1]；2005年高雄捷運橘線聯(lián)絡(luò)通道在開挖廢水泵房時發(fā)生涌砂，搶險無效后封閉整個隧道，在聯(lián)絡(luò)通道上方采用明挖和凍結(jié)法封閉接口，拆除破損管片后安裝新管片，最后回填恢復(fù)，造成了很大的經(jīng)濟損失和社會影響[2]。

國內(nèi)對聯(lián)絡(luò)通道加固及施工措施研究已經(jīng)不少，李慶禹等人對武漢地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工的地質(zhì)風(fēng)險和施工風(fēng)險進(jìn)行了研究，提出了有針對性的預(yù)防措施[3]；魏玉省對廣州地鐵某聯(lián)絡(luò)通道坍塌后的搶險加固方案進(jìn)行了探討[4]；袁風(fēng)波對上海地鐵盾構(gòu)機停機脫困加固技術(shù)進(jìn)行了闡述[5]；王暉等人對廣州地鐵富水砂層中聯(lián)絡(luò)通道加固及施工方法進(jìn)行了針對性分析[6]；楊超、岳豐田對上海軟土地層越江隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)設(shè)計優(yōu)化進(jìn)行研究，提出適應(yīng)該地層更佳的設(shè)計參數(shù)[7]；但對近江富水圓礫地層盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道加固及施工研究略有不足，以南寧地鐵1號線工程為例，對富水圓礫地層中聯(lián)絡(luò)通道加固技術(shù)進(jìn)行分析與實踐，希望為類似地層聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計與施工提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。

1 工程概況

南寧地鐵1號線民族大學(xué)站～清川站區(qū)間位于南寧市西鄉(xiāng)塘片區(qū)，沿大學(xué)西路敷設(shè)，采用盾構(gòu)法施工。

1.1 工程地質(zhì)及水文情況

盾構(gòu)隧道穿越地層主要為圓礫層，該地層以礫石為主，少部分卵石，粒徑2～20 mm顆粒平均含量為52.2%，粒間充填中、粗砂為主，成分以石英巖、硅質(zhì)巖為主。地下水主要賦存于圓礫、卵石層中，屬松散巖類孔隙水，具承壓性，水量豐富，與邕江水力聯(lián)系密切，地下水流速3～4 m/d。主要地層巖土參數(shù)見表1。

表1 主要地層巖土參數(shù)

1.2 聯(lián)絡(luò)通道設(shè)置情況

民族大學(xué)—清川區(qū)間長約1 950 m，設(shè)置3處聯(lián)絡(luò)通道，各通道處地質(zhì)、管線情況見表2。

表2 聯(lián)絡(luò)通道情況一覽表

2 加固工法比選

結(jié)合既有加固技術(shù)及工程實際情況，對目前常用加固工法進(jìn)行比選[8]，以確定既適合本工程環(huán)境又保證加固效果的方案，工法適用性及優(yōu)缺點比選見表3。

表3 聯(lián)絡(luò)通道常用加固工法綜合比較表

3 加固方案選擇

3.1 方案選擇的原則

結(jié)合聯(lián)絡(luò)通道地面環(huán)境、地質(zhì)條件，初步提出加固方案選擇原則：①聯(lián)絡(luò)通道范圍所處圓礫層厚度；②聯(lián)絡(luò)通道是否遠(yuǎn)離水源區(qū)；③加固區(qū)域內(nèi)有無控制性管線(如埋深較大剛性管線)；④通道周邊有無控制性建構(gòu)筑物。

3.2 各通道加固方案的選擇

結(jié)合各聯(lián)絡(luò)通道實際情況及選擇原則，對加固方案進(jìn)行如下選擇，見表4。

表4 聯(lián)絡(luò)通道加固方案選擇

4 加固實施情況及效果分析

4.1 素砼連續(xù)墻帷幕加注漿加固工法

4.1.1 土體縱向加固長度

結(jié)合該工法在廣州地鐵的成功經(jīng)驗，加固縱向長度主要考慮結(jié)構(gòu)尺寸、地質(zhì)條件、盾構(gòu)機選型等因素，且該地層中盾構(gòu)刀具磨損相對嚴(yán)重，加固區(qū)也可兼做換刀位置，故縱向加固長度應(yīng)不小于盾構(gòu)主機長度加1環(huán)管片寬度[9]。

4.1.2 土體橫向加固長度

考慮盾構(gòu)通過區(qū)域可能存在軟硬不均及盾構(gòu)換刀的因素，橫向加固長度為盾構(gòu)隧道外擴1 m，詳見圖1。

4.1.3 土體加固方案

加固采用0.6 m厚C20素砼地連墻帷幕加地面袖閥管注漿。連續(xù)墻深度18～30 m，接口處為鎖口管，袖閥管注漿采用直徑48 mm(PVC材質(zhì))的注漿管，注漿施工需在地下連續(xù)墻施做完成半月后進(jìn)行。

主要檢測指標(biāo)：注漿固結(jié)體無側(cè)限抗壓強度應(yīng)大于0.5 MPa，應(yīng)保證加固體均勻，不出現(xiàn)較大的松散未注漿區(qū)域；加固體滲透系數(shù)應(yīng)小于0.01 m/d。

4.1.4 加固效果

(1)加固體檢測。經(jīng)檢測連續(xù)墻墻身完整，但注漿加固體無法取出完整芯樣，未能進(jìn)行強度試驗；對取出芯樣進(jìn)行滲透性檢測，滲透系數(shù)為1～5 m/d(原土樣為60～80 m/d)，滲透性有顯著地降低。

(2)聯(lián)絡(luò)通道開挖效果。1#聯(lián)絡(luò)通道于2015年3月初開始礦山法施工，開挖前經(jīng)探孔檢測無涌水涌砂，掌子面加固土體自穩(wěn)性好，無滲漏水情況；3#聯(lián)絡(luò)通道于2015年8月打水平探孔觀測有水流出，隨即進(jìn)行洞內(nèi)水平全斷面注漿，于2015年11月再次打水平探孔觀測，無滲漏水，開挖后掌子面穩(wěn)定，開挖情況良好。

圖1 聯(lián)絡(luò)通道加固范圍平面圖

4.1.5 加固效果分析

1#聯(lián)絡(luò)通道經(jīng)地面加固后即可開挖，3#聯(lián)絡(luò)通道經(jīng)洞內(nèi)補充注漿后才開挖，原因分析如下：

(1)素砼連續(xù)墻接頭缺陷。①接口處理措施不當(dāng)。因南寧圓礫地層的特性，鎖口管處理措施為首次采用，施工方未掌握該地層條件下鎖口管施工操作流程，導(dǎo)致連續(xù)墻止水帷幕不能完全封閉。②墻體垂直度超限。因圓礫地層特性及連續(xù)墻施工隊伍水平問題，素砼連續(xù)墻在成槽施工時常發(fā)生垂直度超限的情況，且墻體深度越大偏差越明顯，導(dǎo)致接縫處不完全封閉。

(2)盾構(gòu)破除墻體時管片背后空隙過大。受盾構(gòu)刀具損壞程度、頂推力、掘進(jìn)速度的影響，破除墻體時切口環(huán)會比理論值要大，且可能會形成不規(guī)則的破壞，而單純的盾尾同步注漿系統(tǒng)及管片注漿孔的二次注漿是無法將切口環(huán)完全封閉的，進(jìn)而導(dǎo)致墻體出現(xiàn)薄弱位置。

(3)注漿效果不理想。①地層條件的影響。1#通道處圓礫層薄且埋深淺，素墻帷幕止水效果好，在封閉區(qū)域內(nèi)注漿易達(dá)到設(shè)計要求；3#通道圓礫層厚，且素墻帷幕的封閉性較差，注漿漿液不能充分在圓礫層固結(jié)，導(dǎo)致加固體固結(jié)效果差。②注漿參數(shù)與地層不適應(yīng)。南寧市富水圓礫地層中袖閥管注漿尚屬首次，施工中采用的注漿參數(shù)未能很好的與地層相匹配，出現(xiàn)地面返漿嚴(yán)重、漿液無法填充飽滿等問題，雖經(jīng)多次試驗后注漿工藝有一定改善，但仍無法達(dá)到預(yù)期要求。

4.2 凍結(jié)加固工法[10]

4.2.1 凍結(jié)加固方案

圖2 2#聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)孔布置剖面圖

(1)凍結(jié)設(shè)計參數(shù)。以民～清區(qū)間2#通道凍結(jié)方案為例，主要凍結(jié)設(shè)計參數(shù)為凍土帷幕設(shè)計厚度2.2 m;凍土平均溫度≤-10 ℃;交圈時間23～27 d;積極凍結(jié)時間48～52 d;最低鹽水溫度-28～-30 ℃;維護(hù)凍結(jié)溫度≤-28 ℃;單孔鹽水流量3～5 m3/h。

(2)凍結(jié)管布置。共布設(shè)凍結(jié)孔76個，其中凍結(jié)站側(cè)56個、凍結(jié)站對側(cè)20個，現(xiàn)場凍結(jié)孔布置形式如圖2所示。

4.2.2 凍結(jié)加固效果

(1)凍結(jié)帷幕厚度。①泄壓孔分析。從泄壓記錄來看，凍結(jié)28 d開始漲壓，33 d對泄壓孔進(jìn)行泄壓時僅有清水流出，關(guān)閉泄壓孔后壓力逐日增加，45 d后延長泄壓時間，壓力逐漸降低。②測溫孔溫度分析。對測溫孔進(jìn)行記錄分析，以降溫最慢的點為依據(jù)，測溫孔凍結(jié)發(fā)展速度分析見表5。

表5 測溫孔凍結(jié)發(fā)展速度一覽表

通過對泄壓孔壓力及測溫孔溫度分析，凍結(jié)壁最慢發(fā)展速度為37.4 mm/d，以該速度計算凍結(jié)40 d的凍土發(fā)展半徑R=1 496 mm，凍結(jié)帷幕最薄弱位置有效厚度為2 210 mm，滿足設(shè)計要求。

(2)凍土平均溫度。根據(jù)成冰經(jīng)驗公式估算，凍結(jié)40 d的凍土平均溫度達(dá)-10.3 ℃，已滿足設(shè)計不小于-10 ℃的要求。

(3)凍結(jié)效果分析。根據(jù)凍結(jié)帷幕厚度、凍土平均溫度、測溫數(shù)據(jù)分析，2#聯(lián)絡(luò)通道處凍結(jié)土體厚度及強度均已達(dá)到聯(lián)絡(luò)通道開挖條件，已順利完成積極凍結(jié)，該聯(lián)絡(luò)通道于2015年11月開挖，現(xiàn)已順利完工。

5 加固施工對周邊環(huán)境影響

聯(lián)絡(luò)通道地面加固及凍結(jié)加固期間，對地面及成型隧道進(jìn)行了監(jiān)測，如表6所示，結(jié)果表明這2種工法均對周邊環(huán)境及管片結(jié)構(gòu)無影響。

表6 施工期間周邊環(huán)境監(jiān)測情況 mm

6 結(jié)論與討論

以富水圓礫地層聯(lián)絡(luò)通道加固方案為研究對象，對不同加固方案及效果進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論和討論。

6.1 結(jié)論

(1) 當(dāng)聯(lián)絡(luò)通道所處地層為泥巖，且拱頂或拱底圓礫層厚度較小時，素砼連續(xù)墻加注漿加固工法在富水圓礫地層區(qū)域是可行的。

(2) 當(dāng)聯(lián)絡(luò)通道所處圓礫地層厚度大、地面控制性管線和建構(gòu)筑物密集影響地面加固時，可采用洞內(nèi)人工凍結(jié)加固。

6.2 討論

(1)連續(xù)墻接頭處理方式應(yīng)進(jìn)一步研究?？蓮脑黾舆B續(xù)墻厚度、采用工字鋼接頭處理方式、接頭處內(nèi)外側(cè)采用旋噴樁加強、接頭處外側(cè)增加注漿孔進(jìn)行補強注漿等幾個方面考慮，提高連續(xù)墻帷幕的止水封閉效果。

(2)盾構(gòu)通過后對連續(xù)墻造成了破壞，切口環(huán)形狀及大小均無法預(yù)判，需進(jìn)一步研究解決切口環(huán)封堵的措施，如管片增加注漿孔等。

(3)人工凍結(jié)法在南寧地鐵首次使用，目前仍按上海地區(qū)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計和施工，根據(jù)凍結(jié)效果分析，實際凍結(jié)體強度較高，開挖難度較大，凍結(jié)設(shè)計參數(shù)可進(jìn)行一定的優(yōu)化，如凍結(jié)孔布置間距可加大、積極凍結(jié)時間可縮短、凍土平均溫度可升高等，建議開展富水圓礫地層的凍結(jié)法技術(shù)研究，以便指導(dǎo)后續(xù)設(shè)計和施工。

(4)本文初步提出了圓礫地層中聯(lián)絡(luò)通道加固工法選擇原則，但仍需經(jīng)實踐檢驗后進(jìn)一步修正完善。

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Selection and Application of Soil Reinforcement Method for Connecting Aisle in Water-rich Round-gravel Stratum

Zhang Xiaofeng

(China Railway First Survey & Design Group Co. Ltd，Xi’an 710043，China)

According to the characteristics of Nanning water-rich round gravel stratum, comparison analysis is made of the reinforcement methods appropriate for the formation of the connecting passage of shield tunnel. The results of study showed that the plain concrete continuous wall curtain grouting reinforcement method and artificial freezing method have better advantages in the aspect of risk control and environmental protection, which may provide certain reference for similar projects.

gravel stratum；soil reinforcement of connecting aisle；method of plain concrete continuous wall and grouting；artificial freezing method

2016-06-22 責(zé)任編輯:車軒玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.02.10

張曉鋒(1984-)，男，工程師，主要從事地鐵隧道設(shè)計工作。E-mail: 58231105@qq.com

U455.4

A

2095-0373(2016)02-0050-06

張曉鋒.富水圓礫地層聯(lián)絡(luò)通道加固選型及應(yīng)用[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2016,29(2):50-55.