杭州市紫之隧道淺埋暗挖法穿越淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土段土體加固方法研究

【摘要】以杭州市紫之隧道土建Ⅰ標(biāo)淺埋暗挖段施工為例，探討穿越淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土段的土體加固措施及實(shí)踐過程，并客觀的分析、總結(jié)施工中出現(xiàn)的問題及應(yīng)對(duì)措施。

【關(guān)鍵詞】淺埋暗挖；淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土；土體加固

1、工程概況

1.1工程概況

紫之隧道工程土建第Ⅰ標(biāo)段，主要工程包括1#隧道明挖段、淺埋暗挖段及之浦路段道路施工。其中，淺埋暗挖穿越淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土段為西線K0+792.6～K1+043，計(jì)250.4m，東線K0+840～K1+083，計(jì)243m，總計(jì)493.4m。

該段隧道建設(shè)規(guī)模為雙向4車道，單洞開挖跨度12.8m，埋深約8～12m，以小角度下穿之江路。

1.2地質(zhì)概況

該區(qū)段隧道洞身主要穿越⑤層，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土：具有高壓縮性、高靈敏度、強(qiáng)度低，易產(chǎn)生蠕動(dòng)現(xiàn)象，開挖后自穩(wěn)能力差，易坍塌，地面沉降難以控制， 其主要物理參數(shù)如下表。

1.3工程周邊環(huán)境

淺埋暗挖段隧道需斜穿之江路，隧道洞頂距地面8-13m。之江路作為杭州西南面一個(gè)主要車輛出入口及貨運(yùn)通道，通過性的重載貨車、大型客車數(shù)量多?，F(xiàn)狀之江路（江涵路-之浦路）為機(jī)動(dòng)車雙向4車道，道路寬28m，而且道路下方管線非常復(fù)雜。

2、設(shè)計(jì)思路

淺埋暗挖法嚴(yán)格遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”18字方針。

2.1設(shè)計(jì)參數(shù)

隧道支護(hù)根據(jù)淺埋暗挖法原理和地形、地質(zhì)資料，結(jié)合相關(guān)規(guī)范、有限元計(jì)算分析和工程類比進(jìn)行設(shè)計(jì)：超前支護(hù)：φ108×6超前大管棚@30cm，φ42×4注漿小導(dǎo)管@30×300cm。

掌子面加固：13mPVC管全斷面注漿加固，注漿范圍為外輪廓3m。系統(tǒng)支護(hù)：采用復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)噴C25砼30m，雙層鋼筋網(wǎng)@20×20cm，I22a工字鋼@50cm，徑向系統(tǒng)小導(dǎo)管φ42×4@100×50，L=350cm；二次襯砌鋼筋混凝土60cm。

2.2作用機(jī)理

① 超前大管棚：因該種圍巖洞室無自穩(wěn)能力，使用超前大管棚，使隧道洞室成形，但由于管棚本身剛度低，長(zhǎng)度較長(zhǎng)，對(duì)變形控制作用有限；

② 超前洞周注漿加固：通過注漿的方式改良加固洞周土體，使著具備一定的土拱效應(yīng)；

③ 超前小導(dǎo)管：對(duì)洞周土體進(jìn)行二次加固，通過注漿管的注漿作用和土釘錨固加固土體；

④ 初期支護(hù)：能快速直接承受土壓力；

⑤ 系統(tǒng)注漿小導(dǎo)管：對(duì)洞周土體進(jìn)行三次加固；所有支護(hù)和措施，結(jié)合起來，形成強(qiáng)有力的支護(hù)系統(tǒng)，確保施工過程的變形和洞室穩(wěn)定。

2.3施工工法

本工程采用4部CRD法施工，如圖。

2.4 輔助工程措施

淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中淺埋暗挖隧道施工的關(guān)鍵是土體的加固改良，確保隧道前方掌子面的穩(wěn)定。

本工程采用拱部超前Ф108長(zhǎng)管棚+Ф42小導(dǎo)管，掌子面13m長(zhǎng)PVC中長(zhǎng)管對(duì)隧道掌子面劈裂注漿。

3、試驗(yàn)段實(shí)施情況及后續(xù)方案優(yōu)化

3.1 現(xiàn)場(chǎng)情況

現(xiàn)場(chǎng)于2014年4月25日開始淺埋暗挖段施工。I標(biāo)西線為先行洞，采用CRD法開挖，暗挖起點(diǎn)為K0+792.6m。4月30日，I標(biāo)西線1號(hào)導(dǎo)坑已開挖至K0+804m，2號(hào)導(dǎo)坑開挖至K0+802m，累計(jì)進(jìn)尺12m。當(dāng)天18：00，1號(hào)導(dǎo)坑K0+804掌子面發(fā)生塌方，K0+801處隧道中隔壁出現(xiàn)兩條豎向裂縫，其中一條貫通至上導(dǎo)坑底部。根據(jù)監(jiān)測(cè)情況，西線隧道地表累計(jì)沉降最大為141.95mm，拱頂累計(jì)沉降最大為14.5mm，變形較大。現(xiàn)場(chǎng)立刻停止施工，掌子面噴砼封閉，設(shè)置鋼管橫撐等應(yīng)急措施。

3.2 原因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)地查勘和注漿現(xiàn)場(chǎng)取芯，可以發(fā)現(xiàn)掌子面加固效果差，未能達(dá)到預(yù)期要求。通過深入分析，認(rèn)為主要有如下原因：

（1） 掌子面超前注漿，采用注漿芯管按后退式注漿，在施工過程中，注漿管管口的封閉不嚴(yán)實(shí)，發(fā)生孔口的漿液泄漏，注漿壓力上不去。

（2）注漿鈣塑管由于自身剛度較小，在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土成孔后易發(fā)生縮孔，導(dǎo)致鈣塑管無法頂推至設(shè)計(jì)深度。

（3）現(xiàn)場(chǎng)施工掌子面注漿工藝耗時(shí)長(zhǎng)，且導(dǎo)坑初期支護(hù)封閉需12h～24h，也是導(dǎo)致沉降變形過大的原因之一。

3.3方案優(yōu)化

（1）洞口30m 大管棚已施作段

東、西線洞口30m 范圍的超前大管棚已施做完成，該30m 范圍開挖輪廓線內(nèi)和拱底以下3m 范圍無法在地面通過垂直旋噴加固來實(shí)施，因此開挖輪廓線兩側(cè)和拱頂3m范圍內(nèi)的土體可在地面進(jìn)行垂直加固，其余部位則通過水平MJS工法樁進(jìn)行加固。水平MJS工法樁設(shè)計(jì)參數(shù)：

①樁徑為Ф600mm，樁長(zhǎng)L=18m；

②MJS工法樁體固化劑采用 42.5R 復(fù)合硅酸鹽水泥，水灰比0.8～1.0，水泥摻量350kg/m；

③樁位布置 1.0m×1.0m，梅花型布置，前后循環(huán)考慮搭接3m。

（2）隧道東線K0+870～K1+083m，西線K0+822.6～K1+043m 段

采用地表垂直高壓旋噴樁加固，加固范圍為隧道開挖輪廓線周邊3m。采用二重管高壓旋噴樁，樁徑為Φ600mm，樁長(zhǎng)L=16m，采用42.5R復(fù)合硅酸鹽水泥，水灰比0.8，Ⅱ區(qū)水泥摻量建議值400Kg/m3，Ⅰ、Ⅲ區(qū)水泥摻量建議值380Kg/m3。

樁位布置：Ⅰ區(qū)：旋噴樁間距800（橫）×900mm（縱），矩形布置，內(nèi)側(cè)緊貼Ⅱ區(qū)密排樁布置。其中靠近五浦河最外側(cè)一排旋噴樁，在西線K1+000～K1+043段采用搭接布置，搭接長(zhǎng)度20cm；Ⅱ區(qū)：旋噴樁間距600mm，樁間相切布置；Ⅲ區(qū)：旋噴樁間距800（橫）×900mm（縱），梅花形布置，外側(cè)緊貼Ⅱ區(qū)密排樁布置。

3.4施工要點(diǎn)

①施工過程中應(yīng)對(duì)附近防汛墻、地面、地下管線的標(biāo)高進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)標(biāo)高的變化值大于±10mm時(shí)，應(yīng)暫停施工，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整壓力參數(shù)后，再行施工。

②在樁底部邊旋轉(zhuǎn)邊噴射1min后，再進(jìn)行邊旋轉(zhuǎn)、邊提升、邊噴射。

③噴射時(shí)，先應(yīng)達(dá)到預(yù)定的噴射壓力和噴漿 量后再逐漸提升注漿管。中間發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)停止提升和旋噴，以防樁柱中斷，同時(shí)立即進(jìn)行檢查，排除故障；如發(fā)現(xiàn)有漿液噴射不足，影響樁體的設(shè)計(jì)直徑時(shí)，應(yīng)進(jìn)行復(fù)噴。

④旋噴過程中，對(duì)需要擴(kuò)大加固范圍或提高強(qiáng)度的工程可采取復(fù)噴措施，即再噴一遍或兩遍水泥漿。

⑤噴到樁高后應(yīng)迅速拔出漿管，用清水沖洗管路，防止凝固堵塞。

⑥質(zhì)量檢驗(yàn)：旋噴樁施工完成14天、28天，分別鉆孔取芯，作無側(cè)限強(qiáng)度檢驗(yàn)。

3.5土體加固效果總結(jié)

從對(duì)樁體強(qiáng)度的檢測(cè)、洞內(nèi)掌子面開挖的斷面情況及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，高壓旋噴樁地表加固能夠達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期效果。

4、施工中出現(xiàn)的問題及有效應(yīng)對(duì)措施

4.1加固薄弱區(qū)的存在

受地下管線的影響，管線下方的土體未得到加固，局部位置沉降較大，特別是大管徑管道。

應(yīng)對(duì)措施：①通過精確計(jì)算后調(diào)整旋噴鉆機(jī)施打角度，在該類管線周邊施作呈一定角度的高壓旋噴，同時(shí)，在穿越毗鄰管線后加大樁體直徑，以最大程度減小盲區(qū)面積；②洞內(nèi)采用小導(dǎo)管注漿進(jìn)行局部補(bǔ)加固。

4.2地下管線隆起

應(yīng)對(duì)措施：①將部分管線周邊土體加固調(diào)整為攪拌樁，以降低加固壓力；②在管線周圍打設(shè)2根Φ200的卸壓孔樁，使鉆機(jī)噴射過程中通過卸壓孔分散壓力；③跳孔施工④加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)。

4.3洞內(nèi)開挖面及初支面滲水較大

應(yīng)對(duì)措施：①沿開挖輪廓線外，五浦河一側(cè)打設(shè)兩排密排高壓旋噴樁止水帷幕②沿隧道橫斷面每隔20m施做一排密排攪拌樁③局部離五浦河較近位置采用雙排井點(diǎn)降水④開挖面滲水較大時(shí)，及時(shí)初噴掌子面，初期支護(hù)復(fù)噴前預(yù)留排水管⑤做好初期支護(hù)與二襯之間的防排水施工，防、排、截、引、堵相結(jié)合。

結(jié)語：

洞內(nèi)注漿加固費(fèi)用低，對(duì)地表構(gòu)筑物多、管線復(fù)雜地段以及埋深較深的土體加固尤為適用，但工序多、工藝要求嚴(yán)格、操作難度大、占用工期長(zhǎng)，往往加固效果不理想、安全風(fēng)險(xiǎn)大。

對(duì)于穿越淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土土層、大斷面、埋深淺的淺埋暗挖隧道，土體加固效果是確保安全掘進(jìn)的前提條件，實(shí)踐證明，地表高壓旋噴樁進(jìn)行土體加固的效果明顯，值得借鑒及推廣使用。