富水軟弱地層淺埋暗挖大斷面隧道開挖步序調(diào)整研究

楊 寧 付 財 楊志剛魏可東

(1.北京中煤礦山工程有限公司,北京 100013;2.礦山深井建設技術(shù)國家工程研究中心,北京 100013)

0 引言

伴隨著我國城市地下軌道交通的快速發(fā)展,淺埋暗挖施工技術(shù)以其地面擾動小、無污染、無噪聲,兼顧開挖與澆筑等多種優(yōu)勢,在地下空間的開發(fā)中得到了越來越多的應用[1-3],但是,對于地下水豐富、水位較高、開挖斷面巨大的軟弱地層,淺埋暗挖法又存在著諸如涌水、涌砂、開挖面失穩(wěn)、變形較大等工程風險[4-6]。在此背景下,軟弱圍巖淺埋暗挖工程的加固與掘砌方法的選取顯得尤為重要[7-8]。

近年來,針對軟弱地層圍巖加固方法,相關(guān)專家學者進行了大量的探索研究,開發(fā)了包括超前小導管加密注漿、水平旋噴樁、人工凍結(jié)等一系列技術(shù)對富水軟弱地層進行加固[9-13]。但注漿與旋噴樁技術(shù)不能保證無滲水風險,且在開挖過程中,開挖面的穩(wěn)定性也難以得到有效保證。人工凍結(jié)技術(shù)以其優(yōu)異的止水效果與地層加固功能,目前已成為我國大部分地區(qū)施工淺埋隧道穿越富水地層的重要方法之一[14-16]。

本文以廣州地鐵11號線云大區(qū)間二期道岔渡線段52 m 暗挖主隧道工程為研究對象,綜合考慮多方面因素后對現(xiàn)場開挖步序?qū)嵤┱{(diào)整,并加強施工過程中的變形數(shù)據(jù)監(jiān)測,順利完成了該工程的開挖構(gòu)筑工作,大大縮短了工期,為后續(xù)類似條件下淺埋暗挖工程的推廣應用起到了較好的借鑒作用。

1 工程簡況與地質(zhì)條件

廣州地鐵11號線云大區(qū)間二期道岔渡線段是在原有云大一期施工完成的1#橫通道進行主隧道的凍結(jié)、暗挖構(gòu)筑工作,隧道沿東西走向分為兩個部分,分別為道岔渡線段73 m 暗挖主隧道和52 m 暗挖主隧道,隧道平面布置如圖1所示。本文研究的對象為道岔渡線段52 m 暗挖主隧道部分。

圖1 道岔渡線段主隧道平面布置

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)資料顯示,道岔渡線段52 m暗挖主隧道主要穿越素填土＜1-2＞、可塑狀砂質(zhì)黏性土＜5Z-1＞、硬塑狀砂質(zhì)黏性土層＜5Z-2＞、全風化混合花崗巖＜6Z＞等。穿越地層主要為可塑狀砂質(zhì)黏性土和硬塑狀砂質(zhì)黏性土,全風化且呈堅硬土狀,遇水易崩解,工程水理性質(zhì)差,圍巖穩(wěn)定性較差。隧道頂覆土厚度為11.4～14.8 m,相應地質(zhì)縱斷面如圖2所示。

圖2 廣州云大區(qū)間道岔渡線段地質(zhì)縱斷面

本工程范圍勘察揭露的地下水位埋深為1.80～18.10 m,其變化與地下水的賦存、補給及排泄關(guān)系密切,并受季節(jié)變化影響。每年4～9月是地下水的補給期,水位會明顯上升,10月到次年3月為地下水消耗期和排泄期,地下水位隨之下降,年變化幅度為2.5～3.0 m。

據(jù)此,經(jīng)反復論證后,主隧道暗挖工作采用水平凍結(jié)加固圍巖土體后,再進行相應的暗挖施工。

2 施工方案

根據(jù)設計要求,隧道施工采用水平凍結(jié)加固外圈圍巖后,進行后續(xù)開挖及結(jié)構(gòu)施工,其中腰線以上凍結(jié)壁設計厚度為3.0 m,腰線以下凍結(jié)壁設計厚度為2.0 m,隧道采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu),隧道結(jié)構(gòu)根據(jù)截面尺寸不同,分為A 型斷面和B型斷面,尺寸大小分別為:11.80 m×15.40 m(高×寬)、12.15 m×16.50 m(高×寬),結(jié)構(gòu)厚度分別為650 mm、700 mm,具體的結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示。

圖3 道岔渡線段大斷面暗挖段結(jié)構(gòu)斷面

2.1 施工難點分析

(1)暗挖主隧道水文地質(zhì)條件復雜。沿線穿越花崗巖殘積土、斷裂破碎帶等不良地質(zhì)層,地下水水位較淺,水位埋深為1.80～18.10 m,并且地下水位的變化與其賦存、補給及排泄關(guān)系密切,開挖過程中可能會出現(xiàn)涌水、涌砂及開挖面失穩(wěn)的情況。

(2)隧道淺埋暗挖安全風險高,變形控制要求嚴苛。道岔渡線段主隧道拱頂覆土厚度11.4～14.8 m,工點緊鄰白云山5A 風景區(qū)及廣園城市快速主干道,在整個凍結(jié)和開挖過程中需要嚴格控制變形發(fā)展,避免對地面環(huán)境造成惡劣影響。

(3)工期要求緊張。根據(jù)項目工期安排,廣州云大區(qū)間道岔渡線段52 m 暗挖主隧道原定2021-07-22開挖,但由于現(xiàn)場前期準備不足,實際開挖日期為2021-08-22,工期較原計劃壓縮了1個月,完成既定的開挖任務面臨著較大的工期壓力。

2.2 原設計開挖方案

根據(jù)原設計要求,廣州云大區(qū)間道岔渡線段52 m 暗挖主隧道,在冷凍法外圈支護加固達到預期條件后,通過一期施工完成的1#橫通道進行主隧道的開挖構(gòu)筑工作。原設計工序采用CRD法開挖,將開挖斷面分為4個洞室開挖,設計施工步序為:一洞室→二洞室→三洞室→四洞室,各洞室錯開10 m 進行開挖施工,相應的設計開挖步序圖如圖4所示。

圖4 道岔渡線段設計開挖步序

但是,在隧道實際開挖過程中,一期完成的1#橫通道作為材料與渣土的主要運輸通道,其原始標高難以滿足一、三洞室的開挖施工要求,需在原有施工平臺上標高基礎上澆筑2.2 m 高混凝土以滿足進洞要求,而開挖下部二、四洞室又需將回填混凝土鑿除。因此,按照原“一洞室→二洞室→三洞室→四洞室”開挖步序,需反復澆筑鑿除混凝土平臺,工序交替繁瑣,造成不必要的人力、物力浪費。此外,各洞室只能單洞室作業(yè),不能同步實施,現(xiàn)場的出土及開挖工作也受到較大限制,嚴重制約工期。

2.3 開挖工序調(diào)整

為了有效減少各洞室間干擾,現(xiàn)場對道岔渡線段52 m 暗挖主隧道開挖施工步序進行了相應調(diào)整,調(diào)整后的開挖步序為:一洞室→三洞室→二洞室→四洞室,一洞室初支閉合超前15 m 后,進行三洞室的開挖。步序調(diào)整后及時進行初支閉合施工,加密開挖過程中的監(jiān)控量測,綜合分析監(jiān)測數(shù)據(jù)和開挖情況,實時調(diào)整開挖過程。調(diào)整后的開挖步序圖如圖5所示。

圖5 調(diào)整后道岔渡線段開挖步序

2.4 計算分析對比

為了確保開挖工序調(diào)整的可行性,運用數(shù)值模擬軟件進行開挖步序調(diào)整前后通道豎向位移和水平位移的預測發(fā)展情況,相應計算參數(shù)選取如下:

(1)土體和凍結(jié)加固土均為各向同性體;

(2)土體本構(gòu)關(guān)系都為線彈性;

(3)凍土帷幕形成后取厚度為3.0 m;

(4)平均溫度為-10 ℃的等溫體。在-10 ℃時的強度參數(shù)取:單軸抗壓強度不小于3.6 MPa,彎折抗拉強度不小于2.0 MPa,抗剪強度不小于1.5 MPa。凍土物理力學指標模擬參數(shù):彈性模量統(tǒng)一取值為150 MPa,泊松比為0.25;

(5)前期橫通道在開挖過程中,凍土的溫度恒定,即不考慮開挖對凍土溫度的影響。

底面土采用固定約束,兩個側(cè)面為法向約束,縱向側(cè)面也為法向約束,上表面為自由約束。在模擬施工過程時,土層凍結(jié)、初支澆筑均通過材料改變屬性的完成。模擬時技術(shù)參數(shù)見表1 和表2。荷載包括水土壓力、結(jié)構(gòu)自重和地面超載,水土壓力、結(jié)構(gòu)自重由程序自動生成,計算結(jié)果中相應的位移云圖如圖6所示。

表1 地層計算參數(shù)

表2 其他結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

由圖6水平位移云圖可以看出,采用設計開挖步序情況下,在開挖過程中,土體的最大水平位移發(fā)生在中隔墻位置,進行2導洞開挖時大小為18.5 mm,進行3導洞開挖時,最大水平位移值為-14.80 mm;而調(diào)整開挖步序后,開挖過程中,土體的最大水平位移發(fā)生在左上角位置,進行3導洞開挖時大小為11.6 mm,進行2導洞開挖時,最大水平位移值為-13.6 mm。相較于原始設計開挖步序,水平位移相對減小。

圖6 52 m 暗挖主隧道開挖步序調(diào)整前后水平位移云圖對比

圖7為暗挖主隧道開挖步序調(diào)整前后豎向位移云圖對比。由圖7豎向位移云圖可以看出,步序調(diào)整后,在豎直方向上,拱頂沉降和拱底隆起相較于原開挖步序均發(fā)生了一定程度的增大,尤其是在施工2導洞過程中,下臺階開挖對中隔壁豎撐角點擾動,開挖過程造成每2～3榀進尺中隔壁角點支撐土體懸空,使上半斷面拱架內(nèi)力突變,拱頂沉降明顯加大。

圖7 52 m 暗挖主隧道開挖步序調(diào)整前后豎向位移云圖對比

2.5 開挖步序調(diào)整優(yōu)化

由計算結(jié)果可以看出,開挖步序調(diào)整后,拱頂沉降和拱底隆起均相應地增大。為了保證開挖過程的安全,對中隔壁附近臨時仰拱采取相應的加固措施,以提高聯(lián)合承載能力,具體措施如下:

(1)中隔壁臨時仰拱節(jié)點分布采用φ25@200 mm 聯(lián)接鋼筋加密布置;

(2)下臺階插打φ42 mm注漿鋼花管,對側(cè)向土體加固,同時對中隔壁臨時仰拱節(jié)點提供承載力;

(3)Ⅲ序開挖要求保持一榀的進尺,每榀進尺需及時架立中隔壁型鋼;

(4)對中隔壁關(guān)鍵受力部位埋深監(jiān)測軸力計,以便進一步驗證豎撐受力特征,用以指導施工,以及建立預警應急機制。

具體加固方案如圖8所示。

圖8 調(diào)整開挖步序后節(jié)點加固措施

3 變形監(jiān)測分析

3.1 主要監(jiān)測項目及方案

3.1.1 拱頂沉降監(jiān)測

拱頂沉降監(jiān)測結(jié)果是隧道拱頂內(nèi)壁的絕對下沉值。拱頂下沉量測屬位移量測,其量測數(shù)據(jù)是判斷支護效果、指導施工工序、驗證施工質(zhì)量和施工安全的最基本的資料。拱頂下沉量測應與凈空收斂量測布置于同一斷面上,每隔5 m 布置一個測點,監(jiān)測頻率由原先2天1次,加密為1天1次。

3.1.2 水平凈空收斂監(jiān)測

根據(jù)地質(zhì)條件、圍巖應力大小、施工方法、支護形式及圍巖的時間和空間效應等因素,確定觀測斷面和測點位置。觀測斷面間距應小于洞徑的2倍;初測觀測斷面應靠近開挖掌子面,距離小于1.0 m;測點布置應優(yōu)先考慮拱頂、拱座和邊墻,若遇軟弱層應在其上下盤設測點。具體隧道斷面測點布置如圖9所示,主要的監(jiān)測項目及監(jiān)測參數(shù)如表3所示。

圖9 隧道斷面測點布置

表3 主要監(jiān)測項目及相應參數(shù)

3.2 監(jiān)測結(jié)果分析

道岔渡線段52 m 暗挖主隧道于2021-08-22至2021-12-24進行開挖及初支構(gòu)筑工作,在整個開挖過程中全程進行監(jiān)控量測,未出現(xiàn)涌水、涌砂、開挖斷面失穩(wěn)等情況發(fā)生,相應的拱頂沉降及凈空收斂監(jiān)測結(jié)果如圖10所示。

圖10 隧道開挖過程變形監(jiān)測曲線

由監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出,在整個開挖過程中,隧道的拱頂沉降、凈空收斂數(shù)據(jù)受不均勻凍脹影響存在一定的波動,但是,變形發(fā)展速率和累計變形量均小于相應的設計預警值,未出現(xiàn)變形速率發(fā)展加劇和累計變形值過高的情況,進一步驗證了開挖過程的安全性。

4 工期對比

對開挖步序調(diào)整前后的開挖周期進行對比,繪制工期對比直方圖,如圖11所示。

由圖11可知,開挖工序調(diào)整后,在整個開挖過程中橫通道回填平臺無需反復澆筑鑿除,出土順暢,減少了工序轉(zhuǎn)化所帶來的工期延誤,總開挖工期提前了約21%。

圖11 實際開挖工期與設計工期對比

5 結(jié)論

(1)廣州云大區(qū)間道岔渡線段52 m 暗挖主隧道按照設計開挖工序,1#通道回填混凝土需經(jīng)歷反復回填鑿除,工序轉(zhuǎn)換繁瑣,人力物力浪費嚴重,現(xiàn)場出土效率低,在現(xiàn)場開挖工期壓縮1個月的情況下,難以按時完成暗挖施工任務。開挖工序調(diào)整后,上述問題均得到了較好的解決,能夠?qū)崿F(xiàn)效益最大化,并且開挖工期較原設計工期提前了約21%。

(2)開挖工序方案調(diào)整后,利用數(shù)值分析軟件對開挖過程進行預測分析,結(jié)果顯示:開挖工序調(diào)整前后隧道水平位移受影響較小,但是在豎直方向上,在2導洞開挖過程中,下臺階開挖對中隔壁豎撐角點擾動,使得上半斷面拱架內(nèi)力突變,拱頂沉降和拱底隆起相較于原開挖步序均發(fā)生了一定程度的增大。因此,在現(xiàn)場開挖過程中對中隔壁附近臨時仰拱采取了相應的加固措施,根據(jù)后續(xù)開挖監(jiān)測結(jié)果顯示,在整個開挖過程中變形控制效果良好,未出現(xiàn)監(jiān)測值超限的情況,加固措施起到了較好的抑制變形作用。

(3)為了保證開挖過程的安全,開挖步序調(diào)整后,現(xiàn)場加密了相關(guān)變形數(shù)據(jù)的采集頻率,根據(jù)現(xiàn)場實測變形數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出,在整個開挖過程中,拱頂沉降和凈空收斂值均處于變形預警值范圍之內(nèi),變形曲線趨勢基本一致,未出現(xiàn)變形快速發(fā)展的情況,整個開挖過程安全可控,順利完成了廣州云大區(qū)間道岔渡線段52 m 暗挖主隧道的開挖施工任務。