富水砂卵石地層先隧后井施工技術(shù)研究

王迎新

（中國中鐵六局集團(tuán)有限公司，北京100000）

1 引言

由于城市設(shè)施的配套性，盾構(gòu)法施工所需的工作井多位于城市道路、綠化帶或住宅商業(yè)區(qū)。進(jìn)行盾構(gòu)工作井施工時(shí)，必須進(jìn)行必要的拆遷、占地審批、管線遷改工作。而這些工作往往耗時(shí)長，很多情況下會(huì)成為制約工期的主要因素之一，這種現(xiàn)象在大中城市尤為明顯。為了避免工作井前期工作占用盾構(gòu)掘進(jìn)工期，保證洞通節(jié)點(diǎn)及人員設(shè)備力量的節(jié)約，這時(shí)往往需要進(jìn)行先隧后井施工，即盾構(gòu)先行掘進(jìn)通過，后進(jìn)行工作井施工。先行施工盾構(gòu)隧道后進(jìn)行工作井施工時(shí)，由于工序逆做，會(huì)遇到止水帷幕無法封閉、隧道上方圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度過低易失穩(wěn)、基坑開挖時(shí)隧道上方土方卸荷造成隧道上浮等一系列技術(shù)問題。為了從根本上解決這些問題，結(jié)合長沙市軌道交通5 號線人民路交叉節(jié)點(diǎn)工程實(shí)際案例，通過“1234”法，即“1 個(gè)加強(qiáng)”“2 個(gè)注漿”“3 個(gè)固定”“4 個(gè)措施”，有效解決了砂卵石層中先隧后井施工時(shí)遇到的帷幕不能封閉、圍護(hù)樁樁嵌固深度過淺、基坑開挖卸荷管片上浮的問題。

2 工程概況

高橋北站—芙蓉區(qū)政府站盾構(gòu)區(qū)間下穿人民路處規(guī)劃有下穿隧道1 條，節(jié)點(diǎn)主體結(jié)構(gòu)設(shè)置雙向4 車道，中間采用中隔墻分開。人民路下穿隧道節(jié)點(diǎn)平面尺寸30.4 m×22.4 m，本處節(jié)點(diǎn)跨越5 號線及后期規(guī)劃的6 號線其上下位置關(guān)系是：人民路下穿隧道、5 號線、6 號線，5 號線區(qū)間隧道與下穿隧道凈距約1.2 m。

該區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)拱頂?shù)貙又饕獮榛炷谅访妫?-2）和雜填土（1-2）；洞身地層主要為粉質(zhì)黏土（2-1），粉細(xì)砂（2-3）；結(jié)構(gòu)底板處地層主要為卵石（2-7）。本區(qū)間場地工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件均中等復(fù)雜。地下水類型主要為第四系松散層中的孔隙水，含水層厚度在1.8~5.6 m，以卵石為主，局部為粉細(xì)砂和圓礫。

3 方案比選

由于5 號線盾構(gòu)隧道下穿人民路交叉節(jié)點(diǎn)基坑，若采用常規(guī)工藝先施工工作井，待交叉節(jié)點(diǎn)隧道主體結(jié)構(gòu)施工完成且達(dá)到抗浮要求后再進(jìn)行盾構(gòu)下穿。此方法雖然安全系數(shù)高、施工方便，但由于人民路交叉節(jié)點(diǎn)位于長沙市萬家麗路與人民東路2 條主干道交叉口位置，如圖1 所示節(jié)點(diǎn)不遠(yuǎn)處還有繞城高架出入口，為長沙市城區(qū)主要交通擁堵點(diǎn)之一。節(jié)點(diǎn)基坑剛好位于交叉路口中央，圍擋封閉后會(huì)對原本就擁堵的交通雪上加霜，加之基坑范圍內(nèi)還有1 條現(xiàn)狀污水管涵。在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)施工前必須進(jìn)行占地審批管線改遷以及后續(xù)的基坑開挖、結(jié)構(gòu)施工，盾構(gòu)需停機(jī)待工長達(dá)18 個(gè)月之久。盾構(gòu)長時(shí)間停機(jī)在造成費(fèi)用巨大浪費(fèi)的同時(shí)還極具安全隱患。

圖1 人民路交叉節(jié)點(diǎn)位置示意圖

采取先隧道下穿后進(jìn)行節(jié)點(diǎn)施工后，可以在保證隧道洞通節(jié)點(diǎn)的同時(shí)極大地節(jié)約資源。但是，由于5 號線隧道距離節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)底板距離過近，如圖2 所示盾構(gòu)先行通過后再進(jìn)行節(jié)點(diǎn)施工時(shí)會(huì)遇到以下困難：

1）盾構(gòu)隧道正上方的圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度短為吊腳樁；

2）盾構(gòu)隧道正上方止水帷幕無法滲入止水層，基坑止水效果難易保證；

3）由于后期節(jié)點(diǎn)基坑的土方開挖卸荷，處于富水砂卵石層的盾構(gòu)隧道如何控制其上浮。

圖2 人民路交叉節(jié)點(diǎn)剖面圖

4 方案選擇

通過對工期、成本、安全等方面的綜合考慮，最終人民路節(jié)點(diǎn)采取先隧后井的逆做工序進(jìn)行。通過制定“1234”法，即“1個(gè)加強(qiáng)”“2 個(gè)注漿”“3 個(gè)固定”“4 個(gè)措施”最終成功、順利地完成了人民路節(jié)點(diǎn)的施工作業(yè)。

5 實(shí)施方案

結(jié)合人民路節(jié)點(diǎn)工程的周邊環(huán)境和工程特點(diǎn)，并結(jié)合國內(nèi)相關(guān)成功施工案例進(jìn)行探討分析，現(xiàn)對人民路節(jié)點(diǎn)工程提出先隧后井的施工方案，即盾構(gòu)隧道先行通過后再進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)及主體結(jié)構(gòu)的施工，先隧后井施工方案主要有以下重點(diǎn)和難點(diǎn)：

1）基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的保障及有效的截排水措施；

2）如何控制開挖過程中的管片上浮，保障成型隧道的質(zhì)量。

針對以上2 個(gè)重難點(diǎn)，制定了“1234”法予以解決應(yīng)對。

5.1 “1 個(gè)加強(qiáng)”

盾構(gòu)隧道先行施工，后進(jìn)行圍護(hù)樁施工則基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式為長短樁結(jié)合，隧道正上方的圍護(hù)樁為短樁，短樁樁底標(biāo)高按照依照設(shè)計(jì)圖紙按管片外徑進(jìn)行弧形布置。為保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，除頂部冠梁外，在后期開挖施工過程中加設(shè)2 道加強(qiáng)梁，第一道環(huán)梁中線位置為深度4.6 m 處，第二道環(huán)梁中線位置為深度6.6 m 處。2 道加強(qiáng)環(huán)梁結(jié)合頂部冠梁形成了“鎖頭、掐尾、箍腰”之勢將隧道范圍內(nèi)的短圍護(hù)樁與其周圍長圍護(hù)樁連接成整體。

5.2 “2 個(gè)注漿”

“2 個(gè)注漿”的具體內(nèi)容為：

1）洞內(nèi)環(huán)向注漿止洞門。隧道洞門處的止水采取洞內(nèi)環(huán)向注漿的方式，在基坑開挖前，由隧道內(nèi)管片向外注漿，注漿加固范圍為管片上部范圍外3.0 m，注漿范圍延伸至洞門短樁處基坑外10 m。洞內(nèi)徑向注漿既能阻隔地下水，又能加固洞門短樁處土體，保證基坑的整體穩(wěn)定性。

2）滿堂袖閥管注漿封基底。除了隧道內(nèi)的洞內(nèi)徑向注漿，地面上還同時(shí)對基底進(jìn)行滿堂袖閥管注漿的方式進(jìn)行基底加固，加固厚度為2.5 m。袖閥管注漿加固封底在阻隔了地下水，防止地下水滲流影響基坑的穩(wěn)定性，進(jìn)一步提高了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與基坑的安全的同時(shí)還穩(wěn)固了管片。

5.3 “3 個(gè)固定”

“3 個(gè)固定”的具體內(nèi)容為：

1）錨索固定短樁。在基坑的開挖過程中，為了保證基坑的穩(wěn)定性，加設(shè)了2 道加強(qiáng)環(huán)梁。但環(huán)梁的約束效應(yīng)有滯后性，即環(huán)梁的約束需在其施工完成并等強(qiáng)到設(shè)計(jì)要求后才能形成有效約束力。故而在第一道加強(qiáng)環(huán)梁施工等強(qiáng)完成繼續(xù)向下開挖到第二道加強(qiáng)環(huán)梁形成約束前是本工程中的最危險(xiǎn)工況，因?yàn)榇藭r(shí)短樁下部無支撐結(jié)構(gòu)，從而容易發(fā)生較大位移變形，威脅工程安全。

為了保證最危險(xiǎn)工況過程中短樁的穩(wěn)定性，在第一道加強(qiáng)環(huán)梁完成后的基坑開挖過程至施作底部加強(qiáng)環(huán)梁前，項(xiàng)目部在短樁處施作2 道錨索，從而保證短樁的穩(wěn)定性，確保短樁的位移及變形滿足規(guī)范及施工需求，保障安全。

2）板錨固定管片。土體卸荷時(shí)土體應(yīng)力應(yīng)變呈現(xiàn)瞬時(shí)彈性變化，在開挖到基坑底后，立即在管片上方施作板錨結(jié)構(gòu)，將土體殘余應(yīng)力作用在壓板上，從而使坑底土體受到約束，減小土體的回彈位移，因此，該方法可以有效控制基坑開挖后的土體回彈及隧道管片上浮位移。

3）抗拔樁固定底板。為了保證節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)的軌道在鋪裝完成后在進(jìn)行二次結(jié)構(gòu)施工過程中隧道不上浮。在基坑范圍內(nèi)設(shè)置12 根抗拔樁，樁徑1 m，樁長10 m，樁底約在隧道底標(biāo)高下2 m 位置，抗拔樁與圍護(hù)樁同期施工。

設(shè)置抗拔樁的作用主要有2 點(diǎn)：（1）抗拔樁在施工完成以后對基底有約束作用，限制了基底隆起與隧道上??；（2）抗拔樁后期與底板連成整體，從而使底板盡早具備抗浮能力?？商崆斑M(jìn)行鋪軌作業(yè)，從而不會(huì)滯后軌通節(jié)點(diǎn)要求?？拱螛逗笃谶€可以作為基礎(chǔ)樁，將節(jié)點(diǎn)荷載卸于基巖上，降低隧道上部荷載，保證隧道安全。

5.4 “4 個(gè)措施”

對于控制管片上浮，采取了如下4 個(gè)措施：

1）隧道內(nèi)支撐加強(qiáng)管片?；娱_挖前，在基坑范圍內(nèi)以及兩邊各延伸10 環(huán)管片內(nèi)架設(shè)雙拼的I25c@1 200 mm 工字鋼作為臨時(shí)支撐，并縱向拉緊，防止管片開裂、變形。

2）基坑內(nèi)降水保開挖。在基坑外四角及盾構(gòu)隧道兩側(cè)位置施打φ76 mm 測水孔，用以監(jiān)測地下水位。由于基坑內(nèi)部進(jìn)行了滿堂袖閥管注漿加固，圍護(hù)樁間有旋噴止水，洞門處有環(huán)向注漿，從而基坑內(nèi)外的地下水完全阻隔，從測水孔中觀測地下水，視地下水情況進(jìn)行井內(nèi)疏干。從而保證基坑開挖過程中不受地下水的影響，無水作業(yè)，便捷施工的同時(shí)保證基坑安全。

3）洞內(nèi)配重阻上浮。在基坑開挖卸荷過程中，逐步在隧道內(nèi)進(jìn)行加載配重，以平衡卸載的載荷，防止管片上浮。施工期間加強(qiáng)對管片的監(jiān)測，出現(xiàn)異常，立即停止施工，分析原因，采取措施后方可繼續(xù)進(jìn)行開挖。

4）分層開挖減變形。根據(jù)時(shí)空效應(yīng)原理，分層開挖可以減小由于土體一次卸荷引起的土體回彈位移，而且可以降低對土體的擾動(dòng)，從而減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)及基底的變形。開挖采用1∶1.5放坡開挖，開挖至基坑底部0.3 m 厚人工清除，由人工清底開挖至要求標(biāo)高，嚴(yán)防超挖。

6 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6.1 BIM 三維建模

由于人民路節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)到5 號線、6 號線互相上下穿，進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮各結(jié)構(gòu)的相對位置關(guān)系。常規(guī)CAD制圖的二維三視圖已不能滿足其設(shè)計(jì)深度，為了保證后期圍護(hù)樁、盾構(gòu)隧道不互相侵線從而造成后期的施工干擾，節(jié)點(diǎn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前必須利用BIM 技術(shù)進(jìn)行三維模擬，對其各構(gòu)件的位置關(guān)系進(jìn)行三維碰撞檢測。

6.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

BIM 模擬出最佳圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式以后，需要對圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性驗(yàn)算。利用理正深基坑、同濟(jì)啟明星等專業(yè)基坑設(shè)計(jì)軟件對圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行單元及有限元整體驗(yàn)算。

開挖至4.4 m 施作第一道連接加強(qiáng)環(huán)梁之前，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形較小，最大變形量為6.84 mm。

施作第一道連接加強(qiáng)環(huán)梁及第一道內(nèi)撐之后，繼續(xù)開挖至施作第二道連接加強(qiáng)環(huán)梁之前，若不施工錨索，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形最大位置在短圍護(hù)樁底，最大變形量為13.18 mm，在洞門短樁處施作錨索以后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形顯著降低，最大變形量為10.42 mm，短樁變形為4~7 mm。

施作第二道連接加強(qiáng)環(huán)梁及第二道內(nèi)撐之后，開挖至基坑底位置，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形最大位置在基坑長邊中心位置，最大變形量為8.18 mm，在可控范圍內(nèi)。

圍護(hù)樁彎矩最大值為439.1 kN·m，隧道頂短圍護(hù)樁底部彎矩較小，計(jì)算配筋合理。

環(huán)梁彎矩最大值為1 080 kN·m，位于第一道連接加強(qiáng)環(huán)梁四角與第二道連接梁中部，隧道頂短圍護(hù)樁范圍彎矩較小。

7 管片抗浮驗(yàn)算

7.1 浮力計(jì)算

為了限制管片上浮，在管片頂部采取了板錨抗浮裝置。隧道受到的上浮力極限狀態(tài)為隧道整體侵入水中所受到的浮力。隧道外徑6 m，管片環(huán)寬1.5 m。每環(huán)管片上均設(shè)置1 道板錨抗浮。故而驗(yàn)算時(shí)取一環(huán)管片與一道板錨進(jìn)行驗(yàn)算，分別驗(yàn)算錨桿與壓板的穩(wěn)定情況。

一環(huán)管片所用C50 混凝土8.05 m3，鋼筋與管片螺栓等總計(jì)1.5 t?；炷林囟热?0 kN/m3，所以，一環(huán)管片自重為8.05×20÷10+1.5=17.6 t。由于管片全部浸入水中，由阿基米德定律求得管片受到得浮力為3.14×32×1.5=42.39 t。則管片所受到的上浮力為42.39-17.6=24.79 t。

7.2 錨桿驗(yàn)算

1 個(gè)板錨抗浮裝置設(shè)置有4 根錨桿，則每根板錨的所承擔(dān)的荷載為 24.79÷4=6.2 t，即 62 kN。參照 GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡稱《設(shè)計(jì)規(guī)范》）中9.6.5，9.6.6 中的相關(guān)要求對錨桿進(jìn)行計(jì)算。

1）錨桿鋼筋拉斷驗(yàn)算

板錨裝置錨桿采用φ22 mmHRB400 級鋼筋，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為 360 N/mm2，φ22 mm 鋼筋界面面積為 380.1 mm2。由《設(shè)計(jì)規(guī)范》公式9.6.5 計(jì)算錨桿鋼筋截面面積A ≥1.35×62×1 000（/1×360）=232.5 mm2，即錨桿鋼筋截面面積必須大于或等于232.5 mm2，φ22 mm 鋼筋截面面積 380.1 mm2，安全系數(shù) 1.6，滿足要求。

2）錨固體拉出破壞（錨桿錨固長度）驗(yàn)算

抗浮錨桿錨固段處于中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層中，鉆孔直徑120 mm，錨固長度8 m。由地勘報(bào)告給出的參數(shù)可知中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖與錨固體極限摩擦阻力標(biāo)準(zhǔn)值為250 kPa。

由《設(shè)計(jì)規(guī)范》公式9.6.6 計(jì)算錨桿錨固長度Ln≥1.6×62/(3.14×0.12×250)=1.05 m，即錨桿錨固段長度大于或等于1.05 m即可，方案采用的8 m 長錨桿安全系數(shù)7.6，滿足要求。

3）錨桿鋼筋拉出破壞驗(yàn)算

本工程采用的藥包砂漿強(qiáng)度等級C25，其鋼筋與砂漿界面的黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值按經(jīng)驗(yàn)取2.1 MPa，依照公式Tx=πDLBτg驗(yàn)算錨桿鋼筋會(huì)不會(huì)發(fā)生拉出破壞（其中，D 為鋼筋直徑；τg為鋼筋與砂漿界面的黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；Tx為錨桿鋼筋與土層相交的受拉力），帶入數(shù)據(jù)：LB=1.35×62 kN/(3.14×22 mm×2.1 N/mm2)=576.45 mm，即錨固長度LB大于0.576 45 m 時(shí)，錨桿不會(huì)發(fā)生拉出破壞，實(shí)際施工采取的錨桿錨固長度8 m，安全系數(shù)13，滿足要求。

8 具體施工措施

8.1 圍護(hù)樁施工

8.1.1 橋下樁施工

橋下范圍內(nèi)的樁采用SWDM15HL 履帶式旋挖鉆機(jī)，具有5 997 mm 超低工作凈空施工的能力，180 kN·m 的超大動(dòng)力頭扭矩。其外形尺寸滿足橋下凈空9 m 的施工凈空作業(yè)條件，其動(dòng)力頭扭矩可在強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層中進(jìn)行施工。滿足圍護(hù)樁樁徑800 mm，樁深14.8 m 的施工需要。

8.1.2 隧道上方短樁及兩側(cè)樁施工

盾構(gòu)隧道成型穩(wěn)定以后，確定節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)每一環(huán)管片的實(shí)際中線位置、邊線位置、隧道外徑頂標(biāo)高等數(shù)據(jù)。保證相關(guān)數(shù)據(jù)的真實(shí)性與準(zhǔn)確性。

在施工前在鉆桿上標(biāo)示出長度，在施工過程中采取一鏟一測量的原則?？咨畹臏y量以丈量鉆桿長度為主，測繩輔助驗(yàn)證。

洞門兩側(cè)樁在定位時(shí)適當(dāng)外放，保證圍護(hù)樁與管片的凈空距離。每完成一鏟挖掘測一次垂直度，軟硬巖層交界面時(shí)控制速度及壓力等保證管片安全。

8.2 止水帷幕施工

止水帷幕施工中，應(yīng)采取以下措施：（1）旋噴樁施工前進(jìn)行試樁，尋求最佳施工參數(shù)；（2）在旋噴樁施工過程中，隨著地層的加深適當(dāng)提高旋噴壓力增加漿液噴射量以及調(diào)整速度；（3）旋噴樁施工完成到達(dá)齡期以后，及時(shí)對成樁效果進(jìn)行檢驗(yàn)，對成樁效果不佳處進(jìn)行深孔補(bǔ)注漿，保證止水帷幕的止水效果；（4）提前在隧道上方短樁處打設(shè)注漿管，后期基坑開挖時(shí)進(jìn)行注漿堵水作業(yè)。

8.3 滿堂袖閥管注漿

滿堂袖閥管注漿應(yīng)采取以下措施：（1）區(qū)分盾構(gòu)隧道區(qū)域與正常區(qū)域，防止打孔深度超標(biāo)，破壞管片；（2）在施工盾構(gòu)區(qū)域袖閥管時(shí)降低鉆進(jìn)速度，勤量鉆桿長度，嚴(yán)防鉆孔過深；（3）隧道區(qū)域袖閥管施工時(shí)適當(dāng)減小注漿壓力，防止?jié){壓對成型隧道的影響；（4）注漿效果檢測：加固體抗壓強(qiáng)度不小于0.8 MPa，滲透系數(shù) 1×10-5cm/s。

9 實(shí)施效果

通過采取“1234 法”，成功地完成了人民路節(jié)點(diǎn)的施工作業(yè)，使盾構(gòu)隧道按期完成洞通節(jié)點(diǎn)。并在節(jié)點(diǎn)基坑開挖過程中隧道上浮可控，也未對后期軌道鋪設(shè)產(chǎn)生影響，極大地節(jié)約了人力、機(jī)械及工期，得到了業(yè)主及各方的一致好評。

“1234”法在先隧后井施工中能起到了良好的效果，能有效解決基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、止水帷幕漏水等難題。為以后類似工程提供了寶貴的成功經(jīng)驗(yàn)。