台阶法在地铁隧道施工中的应用.pdf

台阶法在地铁隧道施工中的应用张记龙*(中铁二局第二工程有限公司,四川 成都 610031)摘?要:主要阐述北京地铁四号线黄庄?中关村段区间隧道台阶法开挖施工技术要点、施工步序、施工方法及监控量测措施,重点阐述了台阶法开挖施工步序、监控量测的方法、量测数据处理及效果等,对类似工程具有参考价值。关键词:地铁区间隧道;台阶法开挖;预留核心土;监控量测中图分类号:U455.4?文献标识码:B?文章编号:1004?5716(2011)03?0178?051?工程概况北京地铁四号线黄庄-中关村区间位于北京市北三环与北四环之间的中关村大街主路下方,线路呈南北走向。本段隧道全长 682m,设计为单线双洞马蹄形结构,隧道中心间距 16.8m,开挖跨度5.96m、高度 6.36m,洞顶埋深 9.0 16.0m。隧道采用正台阶法预留核心土开挖。隧道超前支护采用?32 小导管拱部周壁预注浆;初期支护采用格栅钢架+喷射混凝土。勘察揭露黄庄-中关村区间地层土质自上而下依次为:杂填土、粉土填土、粉质粘土、中粗砂、卵石圆砾、粉土、粉质粘土、中粗砂、卵石圆砾。隧道结构范围存在三层地下水,上层滞水、潜水和承压水。上层滞水赋存于人工填土、粉土层的孔隙之中,水位不稳定,水量大小不一,在地面下 3 5m 位置,补给来源主要为大气降水及管线渗漏水;潜水主要赋存于粉土、细砂透镜体、中粗砂孔隙之中,大部分位于隧道底板以上 2m 位置,是直接影响隧道开挖的地下水类型;承压水赋存于下部砂土、圆砾、卵石层中,均位于隧道结构底板 2m 以下,对隧道开挖无影响。潜水与承压水以侧向径流和越流方式补给为主,只能采用侧向径流和人工抽取方式排泄,为此区间隧道沿线打设辐射井,通过水平井管引流上层滞水和潜水至辐射井位置集中抽排,降水在隧道开挖前 30d 完成。隧道横断面及地质剖面详见图 1。2?施工方案隧道按新奥法组织施工,严格遵循 管超前、严注浆、短开挖、强支护,快封闭、勤量测!的原则,开挖时采用上下台阶预留核心土法,左右掌子面错开 30m。隧道内均采用无轨运输;洞外变压器供电;空压机供风;压入式通风。图 1?隧道横断面及地质剖面图3?施工方法3.1?超前小导管开挖前先打设超前小导管对土体进行预注浆加固。超前小导管长度 3.0m,在隧道拱部 150 范围内布设,环向间距 0.33m,纵向间距 1.0 1.5m(保证两排导管搭接长度大于 1m)。导管采用?32 钢管加工成花管,先用风钻或电煤钻钻孔,再用风镐顶入或锤击打入安装。打设完成后立即进行注浆,注浆采用注浆压力和注浆量双控,注浆后及时检查注浆效果。小导管施工包括钻孔、布管、封孔、注浆等工序。178?西部探矿工程?2011 年第 3 期*收稿日期:2010?08?13作者简介:张记龙(1976?),男(汉族),四川绵竹人,工程师,现从事工程施工组织管理工作。小导管施工流程详见图 2。图 2?超前小导管施工工艺流程图3.1.1?小导管加工小导管采用?32 热轧钢管工厂加工,顶部加工成尖锥状,沿管身钻间距 0.15m 的溢浆孔,孔眼布设范围为管尾部 0.8m 至管顶部全长范围,尾部采用钢筋焊制管箍,防止打设时尾部破坏。导管加工详见图 3。3.1.2?钻孔布管钻孔在粉土和粘土层中采用电煤钻成孔,在砂卵石地层中采用高压风吹孔,在岩层或孤石中采用风钻成孔。成孔后立即安装小导管,安装采用人工铁锤打入或风镐平顺顶入,导管尾部置于格栅钢架上并与格栅钢架焊接成整体,导管就位后立即封闭管口压浆。3.1.3?注浆先根据现场土质试验确定使用泥浆及浆液扩散半径,以确定注浆量控制指标。一般细砂层注改性水玻璃浆液,中粗砂注水泥加水玻璃双液浆,粘土层和粉土层注水泥浆。注浆采用注浆量和注浆压力两项指标控制,顺序由下至上,注浆压力一般控制在 0.3 0.5MPa,注浆量可采用下式计算:Q=?R2LnK式中:R?浆液扩散半径,由试验效果确定;L?小导管长度;n?岩体孔隙率,粉土按 0.4,中粗砂按 0.35,卵石圆砾按 0.35;K?充填系数,粉土按 0.4,中粗砂按 0.6,卵石圆砾按 0.8。注浆结束标准为采用定压注浆,注浆压力达到设计压力,稳定 5min 以上可以停止注浆。注浆完成后及时检查。图 3?小导管加工图3.2?隧道开挖支护3.2.1?格栅钢架施工格栅钢架在加工场制作,按 1#1 胎膜比例放样设立工作台,钢架按开挖上下台阶的高度分单元分段制作,加工完成并试拼检查合格后,运至现场安装。格栅钢架安装时首先测量确定高程及其横向位置,要求每榀钢架在同一铅垂面上,偏斜、扭曲不能超过规范要求,两榀钢架间沿周边每隔 1m 用纵向钢筋连接,形成纵向连接体系。钢架各单元间采用螺栓连接。钢架安装完成后立即挂网喷射混凝土。各单元格栅采用螺栓连接牢固,初期支护达到设计强度 70%后立即进行初期支护背后压浆填充,填满初期支护背后孔隙和孔洞,让初期支护与背后土体充分接触。3.2.2?隧道开挖开挖前,先沿隧道拱部打设?32 超前注浆小导管,然后在小导管支护下进行开挖。开挖采用上下台阶预留核心土法,分三步进行(步骤见图 4),每部开挖完成立即安装格栅钢架喷射混凝土支护。?第一步:开挖上台阶拱部 。采用从上至下顺序开挖拱部周边,中间预留核心土,开挖进尺不大于钢架间距。核心土台阶一般长度为 2 3m,开挖完成后及时架立拱部格栅钢架、喷射混凝土支护,拱脚位置打设锁脚锚杆以稳固钢架。第二步:开挖下台阶两侧边墙%。采用从上至下顺序开挖,中间预留核心土,开挖进尺不大于钢架间距。1792011 年第 3期?西部探矿工程?开挖完成后及时架立边墙处格栅钢架并与拱部格栅钢架连接、喷射混凝土支护,拱脚位置打设锁脚锚杆以稳固钢架。图 4?隧道施工步序图?第三步:开挖核心土及仰拱&。采用从上至下顺序开挖,开挖进尺不大于钢架间距。开挖完成后及时架立仰拱处格栅钢架并与边墙处格栅钢架连接、喷射混凝土支护。开挖均采用风镐、风铲和镐锄人工开挖,手推车或小型拖拉机洞内运输,竖井电动葫芦垂直提渣至地面,自卸汽车运渣至弃土场弃渣。3.2.3?初期支护背后注浆施工为了保证初期支护和围岩紧贴密实,防止围岩变形,初期支护喷射前沿隧道纵向每 3m 设置一环注浆管(每环预设 3 根),初期支护达设计强度 70%即进行初期支护背后注浆,注浆采用注浆泵注 1#3 水泥砂浆。凡出现滴漏和湿渍处,均反复压注浆液,直至无湿渍,以封闭水路。注浆参数按设计控制,如无设计可按此控制:P=0.3 0.5MPa。当地层可注性差时,可选择超细水泥浆注浆。4?监控量测黄庄-中关村区间位于中关村大街主路下方,沿线街道两侧为企事业单位及电脑商城等高层建筑物,但建筑物离地铁线路的水平距离均不小于 30m;虽然路面地下管线众多,但埋深均在 5m 以内,离隧道拱顶距离较大,因此地铁区间隧道的施工对建筑物和管线不会产生过大的影响。隧道沿线有两座人行天桥在隧道结构左上方,施工会影响到天桥基础桩基的稳定。因此,本标区间隧道的监控量测重点为:隧洞内净空收敛观测、地表沉降观测及天桥沉降观测。4.1?测点布置与监测方法4.1.1?洞内净空收敛观测洞内净空收敛观测包括拱顶下沉监测、水平收敛监测、隧底隆起监测。(1)拱顶下沉监测:拱顶下沉监测在开挖后 12h 内和下次开挖之前设点,在拱顶中线处埋入钢筋(一般测点纵向间距 3 5m,本次采用 5m),采用精密水准仪和铟钢尺进行初始数值的采集。(2)隧道内水平收敛监测:在上部初期支护完成后,在边墙起拱线处和隧道底板 1.2m 处各设一组收敛点(一般测点纵向间距 3 5m,本次采用 5m);将钢筋挂钩焊接在同一榀隔栅拱架两侧,并采集初始读数。(3)隧底隆起观测:在隧道中线处每 10m 设一个点,采用精密水准仪和铟钢尺进行水准测量。拱顶下沉、水平收敛及隧底隆起观测点设在同一断面上,使几项观测指标能反映同一断面净空收敛情况。监测点布设详见图 5。图 5?监控量测观测点布设图(单位:m)180?西部探矿工程?2011 年第 3 期4.1.2?地表沉降观测测点布置:沿隧道走向上每 20m 布设一个地面沉降观测断面,中线点处的观测点加密,每 5m 布置一个,位置与洞内拱顶下沉监测点位对应。点位位置尽量能反映监测对象的变化特征,避开由于地面车流量大不便于观测的地方和有利于的保护不易受破坏的地方。根据施工进度应预先布置好各种观测点,以保证点位在观测之前有较长时间的稳固性。如果观测点在施工中受破坏,尽快在原来位置或较近位置补设测点,以保证该测点观测的连续性。4.1.3?天桥沉降观测隧道上方有两座横跨人行天桥,天桥桩基底面距隧道结构层最小仅 2m,施工前先在天桥每个桥墩上布设沉降观测点,布设后在降水前先观测读取原始值,当隧道开挖距天桥 30m 外开始加大量测频率。4.2?监测数据处理与信息反馈4.2.1?监测数据的分析和预测取得监测数据后,及时进行整理,绘制位移随时间或空间的变化曲线图。本次采用位移?空间曲线,即监测结果随工作面与洞室跨度比值的关系散点图。在取得足够的数据后,根据散点图的数据分布状况,选择合适的函数,对监测结果进行回归分析,以预测该测点可能出现的最终位移值,预测结构和建筑物的安全性,据此确定施工对策。4.2.2?监测数据的反馈信息化施工要求以监测结果评价施工方法、确定工程技术措施,因此,观测完成后及时分析,对每一测点的监测结果进行管理基准和位移变化速度(mm/d)等指标综合指标分析,判断结构和建筑物的安全状况。4.2.3?监测数据管理一般开挖施工工期长,监测后对各种监测数据应及时进行整理分析,判断其稳定性并及时反馈到施工中去指导施工。采用监测数据与基准值比较法确定施工控制对策,当监测数据达到管理基准值的 70%时,定为境界警戒值,须加强监测频率;当监测数据达到或超过管理基准值时,应停止施工,修正支护参数后方能继续施工。位移控制标准及控制对策详见表 1。4.3?监测效果4.3.1?地表沉降地表沉降一般在开挖后 7 10d 后趋于稳定,沉降量最大的点为隧道顶部正上方2 和 2点,其最大总沉降值达-12.3mm,地表沉降随拱顶埋深加大而逐渐减小。地表沉降监测统计数据详见表 2。表 1?位移控制标准及控制对策序号监测项目位移速率(mm/d)施工控制状态与对策3可正常施工1地表下沉5施工中应注意8加强支护或采取特殊措施5可正常施工2拱顶下沉8施工中应注意10加强支护或采取特殊措施表 2?地表沉降监测数据序号拱顶埋深总沉降量(mm)54321 0123451152.763.464.394.74.344.325.475.336.725.394.392145.216.866.728.018.637.027.168.98.717.626.853135.116.287.388.978.338.599.39.299.177.467.534124.016.568.059.938.987.669.839.589.138.025.535113.828.898.378.219.728.656.537.149.224.193.876102.027.639.2111.39.9110.110.312.312.18.223.294.3.2?拱顶下沉、水平收敛和隧底隆起水平收敛和隧底隆起一般在掌子面后 30m 左右趋于稳定,起拱线位置水平收敛大于墙脚上 1.2m 位置水平收敛,起拱线水平收敛平 均 4.08mm、最大值为5.44mm,底 板 墙 脚 上 1.2m 位 置 水 平 收 敛平 均1.58mm、最大值为 2.04mm,隧底隆起量平均2.03mm,其最大值为 3.11mm。拱顶下沉一般在开挖后 5 7d 趋于稳定,平均下沉9.44mm,最大下沉 16mm。4.3.3?人行天桥沉降位于隧道左上方的人行天桥,其桩基基底位于粉土层和卵石层中。开挖前先对桩基周围 10m 范围内、隧道拱部 180范围的土体进行超前注浆加固,同时缩短(下转第 190页)1812011 年第 3期?西部探矿工程?=85MPa。2.2.4?栈桥钢管桩稳定性验算(1)栈桥钢管桩单桩桩顶最大荷载(横桥向中间根,其分配系数 0.428:N=367.5kN。(2)钢管桩采用?820mm(10mm 螺旋钢管,钢管桩最大深度 27m,从剪刀撑下端到河床最大高度按20m,按 20m 偏心受压杆件计算(两端绞支)。则 =!A+M/W=51.3MPa =145MPa。2.2.5?桥面框架整体计算当横向分配工字钢和纵向主梁工字钢通过焊缝连接为整体后,桥面上的荷载在纵向主梁工字钢 I32b 上的分配不是简单的通过几根承受,这时可将该 5.5m 桥跨结构用梁格模拟进行计算(注意:横向分配梁必须与纵向主梁焊接),计算模型如图 4 所示。图 4?框架结构模型?整体计算,单桩最不利状态是履带吊的一侧作用在桩顶时,此时单桩最大组合内力为 Pmax=654kN。2.2.5?钢管桩整体结构检算将用槽钢相连的钢管桩作为一个整体进行计算,桩长取为 27m(按最深桩计算),下端铰接,上端通过型钢连接,每根桩顶作用 Pmax=654kN 的荷载,计算模型如图 5 所示。图 5?钢管桩结构模型?计算结果显示,最大应力为 33.3MPa。3?施工工艺栈桥施工主要由基础螺旋管振打、纵横梁架设、桥面铺装及栏杆施工几部分。采用履带吊(或 50t 吊车)逐跨插打法、钓鱼法施工。4?施工安全(1)制定栈桥交通管理办法,加强日常维护。(2)栈桥严格按设计间距及钢管桩入土深度施作,纵横向采用剪刀撑焊接成整体并定期检查焊接。(3)长期观测栈桥基础钢管桩的冲刷情况,尤其是洪水过后,对于超过栈桥设计参数警戒位置的区域采取抛砂袋或片石进行维护。(4)严禁两辆重车在同一跨行驶。(5)水位达到 344m 时,停止一切作业。5?结束语本栈桥在使用过程中,经历了 8.2!20 年一遇洪水,个别焊接槽钢、螺旋管被冲毁,其栈桥主体未受到影响,在类似工程中,应特别注意构件焊接质量。(上接第 181 页)开挖进尺和格栅拱架纵向间距,起拱线位置设置一道工字钢临时横撑,开挖后及时封闭隧道,进行初期支护背后充填注浆,有效控制了桥基沉降。开挖通过后天桥最大沉降仅为 9.62mm。5?结束语通过北京地铁四号线黄庄-中关村区间隧道施工的实践证明,在中粗砂、卵石、粉土及粉质粘土等地层中施工地铁暗挖隧道时,采用上下台阶预留核心土法开挖施工具有技术成熟、经济性好、安全性高、质量易控制、监控简易快捷有效等优点,值得在同类地质条件下的地铁暗挖隧道施工中进行推广。190?西部探矿工程?2011 年第 3 期