全國首次地下橋跨越煤炭采空區(qū)施工工藝及監(jiān)測分析

崔巍

摘要：本工程為全國地鐵首次采用“地下橋”結構跨越煤炭采空區(qū)。地質情況復雜，為了控制基坑自身及周邊建筑物的變形，施工采用“明挖圍護結構及地下橋基礎”的方案，根據最終監(jiān)測數據分析，該方案對結構的變形影響較低，施工風險可控，為以后列車長期運營提供了充足安全保障。本文主要介紹該工程施工工藝及監(jiān)測數據分析，為其他城市類似工程提供參考借鑒。

關鍵詞：煤炭采空區(qū)；地下橋；監(jiān)測

1 工程概況

1.1 設計情況

南湖北路站～王家梁站區(qū)間沿南湖北路轉向西，穿越王家梁村、六道灣村煤炭采空區(qū)后繼續(xù)穿越王家梁陶瓷建材市場建筑群至新醫(yī)路上，在新醫(yī)路和昆侖路北二巷交叉口前到達王家梁站。區(qū)間隧道穿越六道灣村煤炭采空區(qū)，在穿越采空區(qū)段采用明挖工法施工，明挖段長度為222m。其中跨越不良地層煤炭采空區(qū)“南大槽”與“北大槽”。首先施做明挖基坑圍護樁及地下橋承臺灌注樁，形成初步圍護形式；其次進行基坑開挖；最后跨南、北大槽施做地下橋承臺及限位板，對南、北大槽進行注漿加固。

1.2 工藝情況

區(qū)間主體基坑圍護結構采用鋼筋混凝土灌注樁。采空區(qū)圍護分為Z-A，Z-B，Z-C，Z-D四種型號樁，樁徑均為1m，采用C30水下混凝土。其中A型樁長22.45m，39根，B型樁長63.95m，170根，C型樁長26.45m，129根，D型樁長26.45m，64根，共計402根。地下橋跨結構設置5個承臺，承臺樁涉及3種樁型，分別為樁長40m，樁徑1500mm的Z-1型樁；樁長33m，樁徑1200mm的Z-2型樁和樁長25m，樁徑1200mm的Z-3型樁。

2 工程地質與水文地質

2.1 工程地質條件

場地位于烏魯木齊河東側二級階地上，由于受煤礦開采，地面塌陷及塌陷治理等影響，原始地貌已被人為改造，場地為第四系松散堆積物所覆蓋，第四系主要地層由沖積、洪積形成的圓礫、卵石層組成；表層多為人工堆積層，主要為建筑垃圾、生活垃圾以及煤渣等；在第四系松散沉積層下為侏羅系中侏羅統(tǒng)西山窯組（J2X）含煤地層。其巖性為粉砂巖和炭質泥巖夾煤層。場地含有2組特厚煤層。第一組煤層總厚度18～23m左右，稱為南大槽；第二組煤層總厚度38～45m，稱為北大槽。北大槽與南大槽之間的距離為89～92m。煤層產狀：走向64～66°，傾向334～336°，傾角70～75°。

2.2 水文地質條件

采空區(qū)明挖基坑分布于卵石層中，勘察中鉆孔鉆至17m附近發(fā)現(xiàn)地下水。隨著鉆探深度加深，由于鉆探鉆透該含水層，該層地下水迅速滲漏于地下。該層地下水為碎屑類裂隙孔隙水，上部的松散卵石、礫石、砂礫石以及南、北大槽塌陷回填層為透水層。碎屑巖類裂隙孔隙水分布于下伏侏羅系煤層頂底板的砂巖、粉砂巖裂隙孔隙中，含水層巖性主要為煤層頂底板砂巖和粉砂巖，富水性較差。鉆孔實測地下水埋深約88m。

2.3 主要風險

明挖基坑深度18.3～23.7m，采空區(qū)范圍內基坑底為雜填土、回填卵石、建筑垃圾、煤渣等，基坑跨越南、北大槽，地質情況復雜，需控制施工過程對高層建筑鴻基大廈變形的影響。采空區(qū)基坑國內首次采用地下橋跨越施工，施工難度大。

2.3.1 基坑跨越南、北大槽

基坑跨越南、北大槽，存在大量塌落煤體，巖層穩(wěn)定性差，施工難度大，不利于施工過程中沉降控制，對建成后的結構影響較大，采空區(qū)明挖基坑國內首次采用地下橋跨越施工。

2.3.2 基坑北端臨近高層建筑鴻基大廈

采空區(qū)基坑距鴻基大廈地下室5.2m，此風險源為一級環(huán)境風險源，鴻基大廈為框剪結構，地上19層，地下2層；鴻基大廈樁基位于中風化泥巖、砂巖層，基礎為Ф1200樁基礎（擴底墩），樁頂標高-8.5m，樁長不小于8m?；由?3.7m，距離鴻基大廈4層裙房10.58m。

3 施工工法

采空區(qū)施工采用“明挖圍護結構及地下橋基礎”的施工方案，即：首先施做明挖基坑圍護樁及地下橋承臺灌注樁，形成初步圍護形式；其次進行基坑開挖；最后跨南、北大槽施做地下橋承臺及限位板，對南、北大槽進行注漿加固。

地下橋結構承臺灌注樁剖面示意圖

3.1 基坑開挖

基坑位于砂卵石層，土方開挖采用機械開挖為主，人工清理基底、樁間及樁側的方式進行。開挖遵循“開槽支撐，先撐后挖，分層開挖。分成10個流水段進行，向下分層開挖，中間拉槽，橫向對稱擴邊，先撐后挖，坑內集水抽排。開槽寬度為4～7米。橫向對稱擴邊，即中槽縱向貫通后，由中槽向兩側橫跨向對稱開挖。先撐后挖，即鋼支撐先于開挖前完成，保證圍護樁結構的安全。

開挖步驟如下：

第一步：破除地面施做基坑兩側圍護結構、基礎樁、冠梁。基底注漿加固。第二步：開挖基坑至第一道支撐下，澆筑第一道混凝土支撐。第三步：繼續(xù)開挖基坑至第二道橫撐下400mm，架設第二道鋼管橫撐。第四步：繼續(xù)開挖基坑至第三道橫撐下400mm，架設第三道鋼管橫撐。第五步：繼續(xù)開挖基坑至第四道橫撐下400mm，架設第四道鋼管橫撐。第六步：繼續(xù)開挖基坑至設計坑底標高，完成基坑開挖。施做坑內排水溝及集水溝。第七步：澆筑承臺或限位板。第八步：待承臺或限位板砼達到強度后，拆除第四道橫撐。施作底板柔性防水層及保護層，澆筑底板及底部側墻。第九步：待底板砼達到強度后，施作側墻防水層，澆筑側墻至中板下，架設換撐。第十步：拆除第三道橫撐。施作側墻防水層，澆筑側墻、中墻及中板。待中板砼達到強度后拆除換撐。第十一步：待中板砼達到強度后，拆除第二道橫撐。施作側墻防水層，澆筑側墻、中墻及頂板。第十二步：待頂板砼達到強度后，拆除第一道橫撐。施作頂板防水層及保護層。回填并恢復路面。

3.2 地基加固

由于地下采空區(qū)的存在，不僅造成空體上部煤層和覆蓋層失穩(wěn)而冒落或沉陷，而且使煤層頂底板產生巖移和變形。因此需對基坑底以下回填土體進行注漿加固。

加固深度為南、北大槽采空區(qū)基坑底以下0～10m以及20～30m深度處土體。注漿加固前，應進行室內漿液配比試驗和現(xiàn)場注漿試驗，確定設計參數和設備。應采用多次注漿，間隔時間應按漿液初凝實驗結果確定且小于4小時，封閉泥漿7d后70.7mm×70.7mm×70.7mm立方體試塊的抗壓強度應不小于0.5Mpa。注漿鉆孔直徑100mm，間距1500mm，梅花形布置，深孔最小49m或進入巖層為止。注漿管徑50mm。注漿采用42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥漿液的水灰比1：1，參加5%水玻璃，水玻璃模數2.5～3.3，濃度40°Be。注漿壓力控制在0.5～1Mp。

注漿加固對施工要求：

1）施工場地應預先平整，并沿鉆孔位置開挖溝槽和集水坑。

2）注漿施工時宜采用自動流量和壓力記錄儀，并及時進行數據整理分析。

3）注漿孔垂直度允許偏差為±1%。

4）注漿流量可?。?～10）L/min，對填充型注漿，流量不宜大于20L/min。

5）當用花管注漿和帶活堵頭金屬管注漿時，每次上拔或下鉆高度宜為0.5m。

6）漿體應經過攪拌機拌勻后，方可壓注，注漿過程中應不停緩慢攪拌，攪拌時間應小于漿液初凝時間，漿液在泵送前應經過篩網過濾。

7）水溫不得超過30℃～35℃，氣溫過低或過高時，采取措施防止?jié){液凝固或凍結。

8）應采用跳孔間隔注漿，且先外圍后中間的注漿順序。

9）對滲透系數相同的土層，應先注漿封頂，后由下而上進行注漿，防止?jié){液上冒。如土層的滲透系數隨深度而增大，則應自下而上注漿。對互層地層，應先對滲透性或孔隙率大的地層進行注漿。

10）對冒漿、竄漿、饒塞返漿等現(xiàn)象根據相關規(guī)范準備預案并處理。

4 風險監(jiān)測

4.1 監(jiān)測目的

1）保證基坑支護的安全。支護結構在破壞前，往往會在基坑側向不同部位上出現(xiàn)較大的變形，或變形速率明顯增大。如有周密的監(jiān)測控制，有利于采取應急措施，在很大程度上避免或減輕破壞的后果。

2）驗證支護結構設計，指導基坑開挖和支護結構的施工。了解現(xiàn)場實際的應力和變形情況，與設計時采用值進行比較，必要時對設計方案或施工過程進行修正，從而實現(xiàn)動態(tài)設計及信息化施工。

4.2 測點控制值

為保證周邊環(huán)境安全和施工安全，應進行必要的現(xiàn)場監(jiān)測。當監(jiān)測顯示不正常情況時，應立即向各方報告?，F(xiàn)場監(jiān)測應實行預警、警戒、極限三級管理。

1、圍護結構監(jiān)測項目：

①樁頂水平位移：累計值25mm報警。②樁頂垂直位移：累計值25mm報警。③樁體水平位移：累計值30mm報警。④支撐軸力：設計軸力的80%。

2、周邊環(huán)境監(jiān)測項目：

①地表沉降測點：累計值30mm報警。②臨近建筑物位移：累計值10～60mm報警。③地下管線沉降測點：累計值10～30mm報警。④建筑物地表裂縫：建筑物裂縫寬1.5～3mm，地表裂縫寬10～15mm報警。

4.3 主測斷面分析

基坑共布設4個主測斷面，煤炭采空區(qū)南、北大槽各布設一個主測斷面，測點間距3m、5m、5m、5m，選取跨越北大槽主測斷面05斷面進行監(jiān)測數據分析。

基坑開挖過程中各階段分析如下：①基坑開挖第一層，地表監(jiān)測累計沉降逐漸增大；②基坑開挖第二層，地表監(jiān)測累計沉降因受鋼支撐架設及其他因素呈現(xiàn)出波動；③基坑開挖第三層，地表監(jiān)測累計沉降逐漸增大；④基坑開挖第四層，地表監(jiān)測累計沉降處于開挖階段最大值；⑤基坑開挖完成后對地層進行深孔注漿加固導致監(jiān)測數據回升；⑥注漿完成后進行基坑與地下橋結構施做，受施工影響導致監(jiān)測累計沉降增大；⑦基坑結構施做完成后，監(jiān)測數據處于穩(wěn)定。

4.4 監(jiān)測數據統(tǒng)計及分析

（1）地表沉降

各測點最終累積沉降值分區(qū)如下表所示?；庸膊荚O62個監(jiān)測點，沉降均控制在-25mm以內，按間距3mm劃分柱狀圖如下圖所示，可以看出呈單峰狀，在-7.0mm～2.0mm沉降范圍內的測點最多，共43個測點，占到所有沉降測點的69.3%，而-13.0mm ～-25.0mm沉降范圍內的測點只占所有統(tǒng)計測點的12.9%，表現(xiàn)出正態(tài)分布的特性。

（2）樁體水平位移

各階段的樁體水平位移最大水平位移基本是在開挖至一半后產生的，之前有未開挖的土體支撐約束，之后土體的支撐約束消失，水平水位增長較快，增長幅度占總變形的50%～60%；開挖至底后，開始拆撐做結構，此時由于鋼支撐的約束消失，水平位移又有一次增長，此次增長幅度占總變形的15%～20%左右。

（3）支撐軸力

開挖過程中，支撐軸力未發(fā)生預警。測點受基坑開挖深度增大而呈上升趨勢，基坑開挖至第三層時軸力明顯增大。

（4）環(huán)境風險

鴻基大廈的建筑物沉降未發(fā)生預警，最大累計沉降-3.88mm，其中基坑開挖到第二道鋼支撐至第三道鋼支撐時沉降變化量最大-2.23mm，占累計變化量58%，開挖第三道支撐及以下，沉降趨于穩(wěn)定。

（5）監(jiān)測總結

基坑從開挖到結構封頂共計150天，對地表沉降、樁體位移、支撐軸力、周邊建筑物等進行了監(jiān)測，各測項數據均未發(fā)生預警，基坑風險可控。

5 結語

本工程成功采用地下橋跨結構，跨越南、北大槽，使施工安全及結構穩(wěn)定得到了保障，施工過程中各測點變形無異常，地下橋跨結構施工在該工程得到了成功的應用?？梢钥闯鰧Υ嬖谒輩^(qū)，穩(wěn)定性不足的地層，選取地下橋跨結構跨越塌陷區(qū)，既降低了施工風險，又對既有的結構及以后列車運營提供了充足了安全保障。但由于地下橋跨結構所需圍護樁及承臺樁數量多，樁基深度大，底板結構復雜（承臺、限位板，結構底板），因此以后在類似工程籌劃過程中對于是否采用應科學分析，及早決策。