富水砂卵石層平頂直墻CRD法施工技術及安全控制

張在晨 武建飛 杜子文 俞旺新

中國建筑第四工程局有限公司 廣東 廣州 510665

受工程地質條件及周邊環(huán)境影響，地鐵車站出入口通道往往不具備起拱條件，故平頂直墻結構已逐漸成為一種典型的解決方案。平頂直墻結構的受力特點特殊，與傳統(tǒng)拱形結構相比，土方開挖過程中難以形成土拱效應，自穩(wěn)能力差，易引發(fā)過大變形，甚至導致坍塌等事故。許多學者對平頂直墻工程施工展開研究并取得了一定成果，主要集中在設計方案比選及施工新技術、新工藝的應用方面：炊鵬飛[1]對暗挖平頂直墻后拆二次襯砌的操作要點及施工關鍵技術的應用進行了分析；姚海波等[2]對大斷面平頂直墻地下方廳的施工工藝及技術要求進行了總結；王志剛[3]利用數(shù)值計算模型進行正交試驗，并結合工程施工經(jīng)驗對不同施工方案進行了綜合比選；李冰等[4]提出平頂直墻暗挖隧道的設計及施工要求；楊威虎等[5]結合石榴莊路站的工程實踐，對雙層雙跨平頂直墻結構施工方案及二次襯砌關鍵技術進行了論述；李鐵生[6]對平頂直墻管幕洞樁法施工工序及工藝特點進行了分析，并結合監(jiān)測數(shù)據(jù)對周邊環(huán)境影響進行了闡述；李賀等[7]總結了暗挖施工下穿地鐵風險源的變形規(guī)律及安全控制措施。目前，對于富水砂卵石層等復雜地層條件下的平頂直墻施工關鍵技術及鄰近風險源的安全控制研究較為缺乏。

鑒于此，以長沙地鐵5號線馬王堆站3號出入口暗挖段工程為研究背景，闡述了施工實踐中的重難點及解決方案，并采用有限元數(shù)值模擬分析袖閥加固對鄰近管線變形控制的效果，提出類似工程施工安全控制的建議。

1 工程概況

長沙地鐵5號線馬王堆站位于萬家麗路與緯二路交會處，車站周邊建（構）筑物較多，地下管網(wǎng)縱橫交錯，周邊環(huán)境對施工影響較大。車站共設有2組風亭和3個出入口。其中，3號出入口通道位于道路西側，下穿萬家麗路，暗挖長度為35.79 m，結構凈高3.7 m，凈寬5.5 m。附屬結構平面位置及與現(xiàn)狀車站結構、交通道路關系如圖1所示。

圖1 馬王堆站平面布置示意

1.1工程地質及水文地質條件

馬王堆站場地原始地貌單元主要為湘江水系瀏陽河的Ⅱ—Ⅲ級侵蝕堆積階地。3號出入口的暗挖段地層從上至下依次為：素填土、粉質黏土、粉細砂、卵石、強風化礫巖、中風化礫巖。工程開挖斷面基本位于粉細砂層和卵石層，部分頂板位于粉質黏土層，圍巖自穩(wěn)能力差。

長沙地區(qū)含水層按其巖性、巖相、巖層結構、地貌及構造等條件可分為六大類，本工程場地包含松散巖層孔隙水及紅層孔隙裂縫水兩大類型。場地上層滯水局部分布，不形成穩(wěn)定水位，僅在5個鉆孔中揭露，其穩(wěn)定水位埋深1.0～2.8 m；孔隙承壓水水位較穩(wěn)定，其穩(wěn)定水位埋深2.6～5.5 m。場地內基巖為泥質粉砂巖及礫巖，裂隙呈閉合狀-微張開狀，裂隙水水量甚微，未形成穩(wěn)定水位。

1.2支護結構參數(shù)

馬王堆站3號出入口段暗挖段采用復合式襯砌，平頂直墻矩形斷面，支護參數(shù)為：超前支護采用φ108 mm管棚和φ42 mm超前小導管；初期支護采用厚30 cm的C25早強混凝土和間距50 cm的25a#工字鋼支撐；二次襯砌采用C35混凝土，側墻厚40 cm，頂?shù)装搴?0 cm。

1.3施工工序

3號出入口暗挖斷面采用交叉中隔墻（CRD）法，按照左右洞及上下臺階共分為4個分區(qū)開挖，其開挖工序為：全斷面注漿加固→大管棚、超前小導管及注漿加固→左洞上臺階開挖出土、噴射C25混凝土并架設左洞上臺階拱部及中隔壁型鋼支架，施作邊墻系統(tǒng)錨管及鎖腳錨管→左洞下臺階、右洞上臺階、右洞下臺階初支施工（施工方法與左洞上臺階相同）→分段拆除中間下部臨時豎向支撐，施作下部防水層和二次襯砌→逐段拆除剩余臨時支撐，施作剩余部分防水層和二次襯砌結構，使之封閉成環(huán)。

2 富水砂卵石層平頂直墻施工難點及對策

2.1注漿鉆孔大量涌水涌砂

3號出入口暗挖段處于富水砂卵石層，地下水有微承壓性，設計方案為采用鉆注一體機對全斷面及外擴3 m范圍進行注漿預加固，現(xiàn)場施工中出現(xiàn)大量涌水涌砂情況。為防止不良情況擴大，現(xiàn)場鉆孔采用雙管鉆桿＋雙活塞壓漿泵注經(jīng)稀釋的磷酸＋水玻璃漿，水∶水玻璃∶磷酸＝2∶1∶0.1；以產(chǎn)生酸堿中和化學反應形成固化物，控制圍巖穩(wěn)定性。

注漿孔間距按1.0 m布置，一循環(huán)共設42個注漿孔。注漿孔開孔直徑≥110 mm，終孔直徑≥91 mm；孔口管采用φ108 mm、壁厚5 mm的熱軋無縫鋼管，管長3 m。全斷面預加固注漿配合比按照水∶水泥∶水玻璃＝1.5∶1.0∶0.5，初凝時間為10 s，終凝時間為3 min。

2.2降水方案難以實施

工程位于瀏陽河古河道中，且距瀏陽河現(xiàn)河道僅1 km，全斷面注漿加固無法確保100%無水施工。設計方案采用降水井降水，但根據(jù)長沙地區(qū)其余標段項目施工經(jīng)驗，采用降水井降水施工對周邊近百米范圍內的建（構）筑物均會造成不利影響，故設計方案難以實施。

為減少掌子面水頭壓力，充分利用已成環(huán)初支的泄水孔進行泄水降壓，水流清澈無夾砂，掌子面滲水情況明顯減小?，F(xiàn)場掌子面初支施工時，若局部不穩(wěn)定，則及時支護并插管引流，盡快噴漿封閉。若掌子面極不穩(wěn)定，則直接掛網(wǎng)噴射混凝土封閉掌子面，待注漿止水后再開挖。

2.3型鋼鋼架施工困難

設計方案〔圖2（a）〕的型鋼支架主要采用25a#工字鋼，圖中A、B、D節(jié)點中工字鋼與厚10 mm鋼板均采用電弧焊焊接成形，按設計要求滿焊，焊縫高度≥8 mm。鋼板上預留φ24 mm螺栓孔，成型鋼架采用M24螺栓連接。C節(jié)點處，工字鋼焊接后采用2道20 mm×10 mm鋼板與工字鋼焊接補強，焊縫高度為8 mm。

若按設計方案加工，則工字鋼整體剛度大、質量重，不利于現(xiàn)場操作。故型鋼鋼架加工時，人為增設了2處連接盤〔圖2（b）〕，減小了單個部件的質量，便于人工搬運及組裝，加快了施工進度。

圖2 工字鋼加工方案對比

2.4平頂直墻中隔壁拆除風險大

初支施工完成后，二次襯砌施作前需將臨時中隔壁拆除，但平頂直墻結構土方開挖難以產(chǎn)生土拱效應，為保證施工安全，中隔墻現(xiàn)場拆除采用“拆二留一”方案，即在二次襯砌混凝土達到設計強度后，再將剩余工字鋼拆除。對于埋入二次襯砌的工字鋼，側面焊止水鋼板，預貼遇水膨脹的止水條?，F(xiàn)場施工時，通過對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進行分析，確定暗挖段拱頂沉降、凈空收斂等變形穩(wěn)定后，再拆除中隔壁。中隔壁每6 m分為一段，自上而下跳段拆除，根據(jù)監(jiān)測情況進行下一段中隔壁的拆除，且每3榀預留1榀作為臨時輔助支撐。在整個拆除過程中，對平頂直墻暗挖段拱頂下沉采取不間斷觀測，確保了施工安全。

3 穿越管線安全性分析

3.1管線變形控制標準

3號出入口暗挖段施工區(qū)域、結構上部覆土深度內存在2條分別為DN2 200及DN2 000的大直徑排水管，管道基礎與平頂直墻暗挖段初支頂部的最小距離為876 mm。平頂直墻CRD法暗挖施工時，不可避免地對鄰近既有管線產(chǎn)生一定的影響。根據(jù)相關規(guī)范確定的變形控制標準如表1所示。

表1 變形控制標準

3.2管線保護措施

在施工前，平頂直墻暗挖施工洞內采用全斷面注漿加固及大管棚、超前小導管等措施。同時，排水管基礎采用地面袖閥管注漿加固。袖閥管采用φ50 mm@1 000 mm，加固范圍分別在暗挖洞門外側1.0 m和管線保護兩側1.0m，深度為開挖面上下2.0 m范圍，高度9.6 m，如圖3所示。

圖3 地層加固剖面示意

3.3數(shù)值模擬分析

以3號出入口平頂直墻CRD法暗挖段為研究對象，建立三維有限元計算模型，考慮施工的影響范圍一般為3倍開挖斷面跨徑，故選定的模型尺寸為40.00 m×35.79 m×20.00 m，單元數(shù)量為226 556個。圍巖采用摩爾-庫侖本構模型，結構采用線彈性本構模型，以“生死單元”形式模擬平頂直墻CRD法掘進施工的全過程，每循環(huán)進尺長度為1 m，長下臺階的長度為4 m。模型四周約束法向位移，底部約束三向位移。網(wǎng)格模型如圖4、圖5所示，模型考慮地下水水位。根據(jù)地勘報告提供的巖土體物理力學指標建議值，結合實際情況及類似工程對比，選取的巖土體物理力學參數(shù)如表2所示，土層豎向變形云圖如圖6所示。

圖4 數(shù)值計算模型

圖5 主要結構網(wǎng)格模型

表2 土層物理力學參數(shù)

圖6 土層豎向變形云圖

針對馬王堆站3號出入口的具體情況布置監(jiān)測測點，如圖7所示，暗挖段共布置4條地表沉降測線及2條地下管線位移測線。為驗證數(shù)值計算模型的正確性，取地表沉降斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值計算結果進行對比，具體如圖8所示。

圖7 監(jiān)測平面布置示意

由圖8可知：對應監(jiān)測測線的地表沉降曲線基本符合Peck曲線規(guī)律。其中，地表沉降實測最大值為8.78 mm，計算最大值為8.25 mm，誤差為6.04%。數(shù)值計算曲線由于對計算進行了一定程度簡化，故其變形較實測值更為平滑。

圖8 地表沉降曲線

在上述建立的數(shù)值模型基礎上，對比有無袖閥加固措施等2種工況下（其余控制措施保持不變）既有管線變形情況，如圖9、圖10所示。

圖9 無加固管線變形云圖

圖10 袖閥加固管線變形云圖

由圖9、圖10可見，未加固下管線變形最大值為13.76 mm，已超過管線豎向位移報警值12.8 mm；袖閥加固下管線變形值最大值為7.56 mm，小于管線豎向位移的預警值10.5 mm，可見袖閥加固對于管線的變形控制有較大幫助。根據(jù)實際變形監(jiān)測，管線的最大變形穩(wěn)定值為7.83 mm，進一步驗證了加固措施的合理性。

4 結語

依托馬王堆站3號出入口工程實例，以現(xiàn)場實踐、數(shù)值分析及監(jiān)測成果對富水砂卵石層平頂直墻CRD施工難點及安全控制進行研究，得出如下主要結論：

1）全斷面注漿采用磷酸＋水玻璃漿進行酸堿中和化學反應，快速形成固化物，可及時控制富水砂卵石層注漿施工的涌水涌砂現(xiàn)象。

2）當砂卵石層性質穩(wěn)定、呈現(xiàn)出清水滲流時，可采用初支帶水作業(yè)，洞內降水泄壓的施工方式替代降水井等人工降排水方案。

3）平頂直墻下穿既有大直徑管線施工前，采用袖閥注漿加固模式可有效減小施工過程導致的管線變形發(fā)展，確保施工安全。

需要指出的是，富水砂卵石層平頂直墻施工存在較多難點，既要考慮自身施工的安全控制，又需統(tǒng)籌考慮施工對周邊環(huán)境的影響，目前仍尚未形成統(tǒng)一規(guī)范的做法。因此，類似工程仍需綜合考慮地層狀況、結構布置形式、注漿加固效果等因素耦合作用的影響，以更好地指導設計及施工。