砂卵石地层浅埋暗挖法快速施工技术样本.doc

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砂卵石地层浅埋暗挖隧道近桥桩施工注浆加固技术
----即砂卵石地层浅埋暗挖法快速施工技术

参考文献
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1依托工程情况
1.1 工程概况
      北京地铁四号线三期土建工程第12#标段由西直门车站改造、 新街口车站、 西直门站—动物园站区间、 新街口站—西直门站区间四部分组成, 其中区间部分采用浅埋暗挖法施工。 本工程起点为西内大街与赵登禹大街丁字路口北侧, 向西沿西内大街北侧至西直门立交桥, 正交下穿 2 号线西直门车站往西沿西外大街下方直至动物园。 本标段暗挖隧道工程左右线计大于4.1 km, 90％为穿越砂卵石地层, 而且要穿越西直门高粱桥等一级风险源。
1.2 工程地质和水文地质条件
      ( 1) 地质条件
      根据勘测资料, 隧道所处地层为第四纪沉积层。区间隧道顶板主要位于卵石圆砾⑤层中下部, 砾石为亚圆形, 级配较好 含细砂约 30％, 含圆砾约10％。 卵石部分粒径大于 9 cm, 一般为 2～4 cm; 砾石成份为辉绿岩、 砂岩等, 属于Ⅴ～Ⅵ级围岩。 区间隧道边墙穿过的岩土层上部主要为粉质粘土⑥层、 粉土⑥2层、 卵石圆砾⑤层及中粗砂⑤1层; 下部为卵石圆砾⑦层、 中细砂⑦1层, 均属Ⅴ～Ⅵ级围岩。 区间隧道底板主要位于饱和的卵石圆砾⑦层中部、 局部为中细砂⑦1层、 粉土⑦3层、 粉质粘土⑦4层, 属于Ⅴ～Ⅵ级围岩。
      经过实验室筛分试验表明, 隧道穿越地层为卵石—圆砾层, 多数粒径为 20~70 mm, 最大粒径达到150 mm, 含砂率为 11%~30%, 平均内摩擦角为 35°左右, N 值为 27~50, 施工中遇到过最大的卵石达250 mm。
      ( 2) 水文条件
      地下水主要分为三层: 上层滞水、 潜水和承压水, 具体情况见表 1。

1.3 工程风险
      ( 1) 隧道顶部以卵砾石地层为主, 围岩稳定性差, 在暗挖隧道开挖时无法形成自然力拱, 易发生塌落现象。
      ( 2) 隧道结构边墙下部以碎石土和粉砂类土为主, 自稳能力差, 且含有潜水赋存水, 容易发生坍塌现象, 隧道结构底部也需注意底鼓和涌砂。
      ( 3) 区间沿线局部表层人工填土以下为新近沉积层, 厚度为0.5～7.3 m, 位于结构顶板以上 5～7 m, 土体尚未密实, 施工时的扰动可能会使尚未密实的土体发生自沉, 变化大的甚至会波及到地面, 对地面及地表建筑物产生影响, 特别是隧道上方西直门高粱桥是交通主干道, 施工过程必须控制高粱桥桥桩下沉和倾斜, 确保桥梁和道路的安全。

2砂卵石地层设计参数优化
2.1 初始设计参数
      本段工程初始设计没有考虑砂卵石特点, 按一般地层进行设计。
      ( 1) 小导管初始设计参数
      将φ42×3.25 mm 无缝钢管按每 3 m 截成一段, 在钢管的一端做成 100 mm 长的圆锥状, 以便于插打。 在距另一端 100 mm 处焊接 φ6mm 钢筋箍, 防止打设小导管时端部开裂, 影响注浆管路连接。距钢筋箍一端800 mm 内不开孔, 以防漏浆, 剩余部分每隔200 mm 梅花型布设 φ8 mm 溢浆孔, 以用于泄浆, 防止注浆出现死角。
      小导管加工成形见图1。

      初始设计每2 榀格栅一打。 小导管沿开挖轮廓从格栅腹部穿过, 环向间距300 mm, 仰角及外插角10°～15°, 在拱形段范围内布设 , 前后两排小导管搭接长度不小于1 m。
      具体小导管注浆见图2。

      ( 2) 注浆参数初始设计
      注浆材料按以下原则选取: 对于无水粗砂及砂砾 卵) 石地层选择单液水泥浆; 对于有水的粗砂及砾石地层, 选择水泥－水玻璃双液浆。 初始注浆参数如下: 注浆初压 0.3MPa, 注浆终压 0.5 MPa; 浆液扩散半径0.25 m; 注浆速度≤30 L/min。
2.2 遇到的困难和出现的问题
      按以上设计参数加工小导管进行施工, 遇到了以下困难:
      ( 1) 在砂卵石地层进行超前导管钻孔过程中, 不易成孔, 卵石卡夹钻头, 钻进难度很大; 钻杆在取出时易发生塌孔, 造成导管注浆无法正常进行。
      ( 2) 在砂卵石地层中施工超前小导管由于成孔难度大, 施工速度慢, 对地层扰动很大, 常常塌方 [1]。
      ( 3) 由于导管打入深度达不到设计深度, 常造成地层难以注浆成拱, 超挖量较大, 工作面稳定性难以保证。
      ( 4) 由于小导管打设困难, 一般需要一个工班才能完成全部小导管打设, 同时难以保证施工质量, 导致工效非常低, 每天有时只能进行一个循环, 常常进尺小于1 m/d, 月进度为 20~30 m。
2.3 设计参数的优化
      ( 1) 小导管设计参数优化
      分析砂卵石地层按初始设计施工带来的困难, 主要原因就是注浆小导管参数设计不合理引起的。经过地层预加固机理和原则分析, 对小导管参数提出了优化方案[2]。
      小导管采用φ32×3. 25 mm 热轧无缝钢管, 管长L=1.8 m, 环向间距 250 mm。 小导管采用一榀一打, 仰角及外插角为 10°～15°。 为了便于浆液扩散, 溢浆孔采用φ5@200、 梅花形布置的小孔( 图 3) 。 经过施工实践, 优化设计能够满足施工安全、 快速、 经济的目标。

      ( 2) 注浆设计参数优化
      注浆浆液采用水泥-水玻璃双液浆, 注浆初压为0.1 MPa, 终压为 0.2～0.3 MPa, 注浆压力不宜超过0.3 MPa。 进浆速度控制每根导管浆液总进量在30 L/min 以内。 导管注浆采用定量注浆, 可按地层吸浆量计算, 如达不到定量浆液, 但孔口压力已达到0.5 MPa 时, 即结束注浆[3]。

3砂卵石地层区间隧道浅埋暗挖法施工
3.1 砂卵石地层浅埋暗挖法施工原则
      在区间隧道的开挖支护施工中, 除应严格执行浅埋暗挖法”管超前、 严注浆、 短开挖、 强支护、 早封闭、 勤量测”的十八字施工原则外, 针对砂卵石地层中施工出现的困难情况, 结合工程实践, 提出了在砂卵石地层中应遵循的原则[4,5]:
      早封面———在打设注浆小导管前, 首先喷射较薄混凝土层, 以稳定工作面, 避免小导管打设时震动坍塌。
      管细短———针对砂卵石地层小导管打设困难, 相对一般地层而言, 超前注浆小导管参数选择时尽量选用”短”、 ”细”钢管。 ”短”指的是在保证1 m 重叠基础上每榀一打, 榀距视小导管打设难易进行调整; ”细” 指的是小导管在保证刚度要求的前提下尽量减小管径, 以减少打设摩擦阻力, 方便打设。
      少扰动———在打设导管和开挖时尽量少扰动地层, 防止卵石滑塌。
      快凝固———因砂卵石地层浆液易于渗透, 且有遇水易塌方特点, 在小导管注浆浆液选择时尽量选择早凝固型浆液, 以凝固胶结地层, 促拱早形成。
      固拱脚———砂卵石地层一般在台阶法施工时, 较粘土地层台阶长度要稍长, 因而成环相对滞后, 对上部格栅一定要打设锁脚注浆锚管, 以稳固拱脚, 改进受力条件, 减小地层变形。
      中拉槽———由于砂卵石地层自稳性差, 下部台阶很难像粘土地层那样形成规则台阶, 需要在台阶中部拉槽, 以保证下台阶处于稳定状态, 确保施工安全。
3.2 砂卵石地层暗挖地铁区间隧道施工工艺
3.2.1 工艺流程
      ( 1) 砂卵石地层浅埋暗挖施工流程见图4。

      ( 2) 砂卵石地层浅埋暗挖施工方法概述
      暗挖隧道共分为二步台阶进行施工, 台阶长度取3～5 m。 上下台阶的分界线在格栅连接点位置, 先开挖上台阶土方并喷射混凝土支护, 再开挖下台阶土方并支护, 支护封闭成环。
      ① 上台阶开挖及支护
      中间留核心土, 开挖上台阶的弧形导洞, 弧形导洞完成后即初喷混凝土3～5 cm, 然后架立格栅钢架, 挂钢筋网, 喷混凝土至设计厚度。 核心土留成台状, 上台阶开挖高度在3.0 m 左右, 核心土高度 1.7 m, 上口宽1.5 m 左右, 核心土沿掘进方向长度为 0.75～1.5 m, 核心土的形状在保证维持掌子面稳定的前提下, 兼作为工作平台, 以便于进行格栅安装、 喷混凝土操作( 图 5) 。 格栅设计间距 0.5 m, 故循环开挖距离为0.5 m, 但在土体不稳定地段格栅需加密, 开挖步距相应减小。

      上台阶施工顺序: 封闭掌子面→超前小导管打入→超前小导管注浆加固地层→留核心土开挖上台阶土方→测量开挖断面轮廓→初喷混凝土 3～5cm→安装格栅钢架→挂钢筋网→搭设注浆锁脚锚管→复喷混凝土至设计厚度。
      ② 下台阶开挖及支护
      下台阶采用边墙单侧交错方式开挖, 先按倒圆台形式开挖中间核心土, 随后开挖一侧的边墙, 开挖步距0.5 m, 即一个格栅间距 ; 挖至设计轮廓后 , 立即安装格栅钢架、 喷混凝土; 该侧的边墙支护完毕后再进行另一侧边墙的开挖及支护。两边墙均支护完毕后, 开挖底板土方, 安装仰拱格栅, 喷射仰拱混凝土, 封闭成环( 图 6) 。 之后再进行下一循环的施工。

      下台阶施工顺序: 开挖中间核心土→左侧边墙土方开挖→测量开挖断面轮廓→初喷混凝土 3～5cm→安装格栅钢架→挂钢筋网→复喷混凝土至设计厚度→右侧边墙土方开挖→测量开挖断面轮廓→初喷混凝土3～5 cm→安装格栅钢架→挂钢筋网→复喷混凝土至设计厚度→底板土方开挖→ 测量开挖断面轮廓→初喷混凝土 3～5 cm→安装格栅钢架→挂钢筋网→复喷混凝土至设计厚度。
3.2.2 施工方法要点
      ( 1) 超前小导管注浆施工
      ① 超前小导管施工工艺流程( 图 7)

      在导洞作业面开挖前, 喷混凝土封闭掌子面, 沿结构拱部初期支护内轮廓线经过已安装好的钢格栅腹部打入带孔小导管, 然后经过小导管向围岩压注浆, 对砂层进行加固封堵, 防止施工时涌水、 涌砂、 坍塌, 并在结构轮廓线外形成一个 0.4～1.0 m 厚的弧型加固圈, 在此加固圈的保护下安全地进行开挖作业。
      ② 注浆材料
      施工时根据地质情况和试验确定施工配合比。
      ③ 注浆工艺
      小导管安设采用引孔打入法, 安设步骤如下: 用YT-28 风钻吹孔 , 开孔直径为 60 mm, 风压为0.5～0.6 MPa, 深度为 2 m。
      用带冲击的YT-28 风锤将小导管顶入孔中, 然后检查导管内有无充填物, 如有充填物, 用吹管吹出或掏勾勾出, 也可直接用锤击插入钢管。
      用塑胶泥( 40Be’水玻璃拌合P32.5 水泥 ) 封堵导管周围及孔口。
      严格按设计要求打入导管, 管端外露 20 cm, 外露部分焊接在钢格栅上, 并能够安装注浆管路。
      ( 2) 注浆浆液配制、 搅拌
      ① 水泥浆采用拌合机搅拌, 根据拌合机容量大小, 严格按要求投料, 根据地层情况和凝胶时间要求一般水泥浆和水玻璃比例为0.8∶1～1.5∶1。
      ② 搅拌水泥浆的投料顺序为: 在加水的同时将缓凝剂一并加入并搅拌, 待水量加够后继续搅拌 1min, 最后将水泥投入并搅拌 3 min。
      ③ 缓凝剂掺量根据所需凝胶时间而定,控制在水泥用量的2%～3%。
      ④ 制备水泥浆时, 严防水泥包装纸及其它杂物混入, 注浆时设置滤网过滤浆液, 未经滤网的浆液不进入泵内。
      ( 3) 锁脚锚管施工
      暗挖初期支护开挖的过程中, 在拱脚部位打入两根锚管, 能够有效地减少初期支护拱顶下沉, 从而减小地表沉降量。锁脚锚管采用φ42 钢管, 长度2.0 m。
      锁脚锚管施工步骤如下:
      ① 用锚管钻机钻孔。
      ② 将安装好锚头的锚管插入锚孔。
      ③ 用注浆接头将锚管体与注浆泵相连
      ④ 开动注浆泵, 使水泥浆充盈锚孔。
      为提高锚固效果, 水泥浆水灰比为 0.5～1, 注浆压力应为0.15 MPa。 锚管施工程序见图 8。

3.2.3 施工效果分析
      ( 1) 在砂卵石地层浅埋暗挖施工中, 合理的选择小管径的超前注浆小导管,控制打设长度及间距, 与常规使用的φ42 小导管相比具有可操作性强、 施工周期短等特点, 有效地解决了砂卵石地层暗挖施工的超前支护问题。
      ( 2) 下台阶反核心土开挖技术, 有效地减小了台阶高度。
      ( 3) 与常规作法相比, 本工法施工安全系数高、 土层沉降数值小。
      ( 4) 经过实践, 依照本工法参数和原则进行施工, 施工效率大为提高, 可使每天进尺达到 2～2.4 m/d, 月进度达到60～70 m。

4结 论
      本文针对北京西直门地区砂卵石地层区间隧道施工, 实现了一系列的创新, 总结出了一套适合于砂卵石地层的浅埋暗挖快速施工技术。 这项技术满足安全、 快速、 经济的目标。
      ( 1) 对设计参数 进行了优化 , 小导管采用φ32×3.25 mm 热轧无缝钢管, 管长 L=1.8 m, 环向间距250 mm; 小导管采用一榀一打, 实现了安全快速施工。
      ( 2) 总结提出了砂卵石地层浅埋暗挖施工技术原则, 即”早封面”、 ”管细短”、 ”少扰动”、 ”快凝固”、 ”固拱脚”、 ”中拉槽”。
      ( 3) 提出了一套适合于砂卵石地层的浅埋暗挖台阶法施工工艺, 创新性地采用了下台阶反核心土施工技术。
      ( 4) 详细介绍了砂卵石地层小导管注浆和锁脚锚管的施工工艺。
      ( 5) 在砂卵石地层中采用创新的浅埋暗挖法施工技术, 效果明显, 每天进尺达到 2～2.4 m/d,月进度达到60～70 m。

摘  要 北京地铁四号线三期区间隧道穿越砂卵石地层, 存在围岩易塌落、 隧道底部起鼓和涌砂、 顶板上方土体沉降, 影响道路和桥梁安全等施工风险, 而且不易钻孔注浆, 工效较低。 针对以上问题, 改进了小导管设计参数和注浆参数, 提出了砂卵石地层浅埋暗挖法”早封面、 管细短、 少扰动、 快凝固、 固拱脚、 中拉槽”施工原则 , 施工效果较好, 月进度达 60~70 m。 文章介绍了砂卵石地层台阶法施工工艺, 提出了下台阶反核心土开挖, 以及小导管注浆和锁
脚锚管施工要点。
关键词 地铁隧道 砂卵石 浅埋暗挖法 施工技术