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活塞风道矿山法过林和西路技术
一、 工程项目概况
( 一) 工程概述
广州地铁三号线林和西站北端活塞风井位于广州火车东站站前广场内, 风道与地铁左右线暗挖隧道在DK1+349处正交, 风道下穿林和西路( 详见图一) , 风井及风道主体结构分为负一、 负二上下两层, 风道全长26.8m, 开挖断面为高13.6米宽6.6米开挖面积接近90平方米的圆端形大断面( 详见图二) 。风道拱顶覆盖层厚度为4.9m, 在拱顶位置附近有厚约0.6～1.2米呈松散饱和状的冲～洪积砂层。林和西路是火车东站的主要交通要道, 交通繁忙、 车流量很大 无法进行交通疏解。林和西路下排污管、 雨水管、 高压电缆、 通讯光缆等管线密集。因此大断面风道如何在拱顶处遇富水砂层的情况下安全地穿过林和西路是控制本工程施工安全的重点与难点。
广林区间起讫里程为: Z(Y)CK0＋598.796～Z(Y)CK1＋439.9, 左线短链长度为6.506米, 单线长度1675.702延米, 其中左线短链长度为6.506米, 单线长度1675.702延米。
广林区间的概算价为: 74944900元, 工程合同价为: 30930000元, 为概算价的41.27%。
( 二) 工程地质
风道处为第四系土层和全风化带潜水型孔隙水, 相互间具有水力联系的孔隙水主要赋存在第四系杂填土层、 陆相冲积～洪积砂层中, 赋存条件属于中等富水地层。冲～洪积砂层为饱水层, 且透水性强, 渗透系数5.0m/d。基岩裂隙水主要赋存于红层强风化带和中风化带中, 裂隙水较大。
涌水量为Q=254.5m3/d。地下水位位于地表以下1.5米, 地下水的补给主要靠大气降水, 在风道位置还有地下排水管道的泄漏。岩土层分类及厚度( 见图二) 为:
1、 人工填土层〈1〉厚约1.6～2.1米, 灰色、 灰褐、 灰黑色, 呈松散( 软) 状, 透水性强。
2、 冲～洪积粉质砂粘土或粘土〈4-1〉厚约2.5～3.4米, 杂色, 以粘粒为主, 含少量砂粒, 呈可塑状, 透水性差。
3、 冲积～洪积砂层〈3-2〉厚约0.6～1.2米, 灰白、 浅黄、 灰黑等色, 以中粗砂为主, 呈松散状, 夹杂全风化成粉状物质较多。
4、 冲～洪积粉质粘土〈4-1〉厚约1.1米, 杂色, 以粘粒为主, 含少量砂粒, 呈可塑状, 透水性差。
5、 红层可塑状的残积土〈5-1〉厚约1.5米, 粉质粘土, 棕红色, 为粉砂岩风化残积物, 土质较均匀, 呈可塑状。
6、 红层硬塑～坚硬状的残积土层〈5-2〉厚约2.5米, 粉质粘土, 棕红色, 为粉砂岩风化残积物, 土质较均匀, 局部含粉土, 呈硬塑状。
7、 红层强风化岩层〈7〉、 中风化及微风化粉砂岩互层〈8、 9〉。
( 三) 施工方案的制订
由于风道开挖高度较高, 拟分四层按台阶法进行开挖, 先分上下两层按正台阶法开挖初支负一层, 贯通以后再分上下两层按正台阶法进行负二层开挖支护。负一层的开挖主要是在冲～洪积粉质砂粘土或粘土、 冲～洪积砂层和红层可塑、 硬塑残积土层中进行。
风道采用复合式衬砌结构形式。初期支护措施有: ( 拱顶150°范围以内) 纵向设置双层超前小导管注浆加固土层; (拱顶150°范围以外) 设置长3米、 环向间距0.8米纵向间距0.5米的Φ22砂浆锚杆; 全环设间距为0.5米的主筋为Φ22的格栅钢架; 间距为0.2米X0.2米的φ6.5单层钢筋网; 全环喷射30厘米厚C20S6细石混凝土; 负一层底板以上设置间距为0.5米的Φ22格栅钢架及30厘米喷射混凝土临时仰拱, 取代原设计的Φ22格栅钢架对撑。临时仰拱在中板浇注完成以后才能拆除, 换为Φ250毫米钢支撑。设计要求地面沉降宜控制在30mm以内, 地面隆起量控制在10mm以内。
按照原设计支护方案进行施工, 在负一层上半断面掘进至7米时, 拱顶出现涌水与流砂, 经过及时抢险, 虽然控制住了流砂, 可是地表沉降值已经较大。此时立即改变注浆工艺, 采用超前小导管定位注浆, 形成隔水围幕, 超前进行分区降水、 分区注浆措施。在负一层底部增设临时仰拱来进一步控制拱顶的沉降。
二、 工程重点、 难点
( 一) 林和西路交通繁忙, 地下管线密集
活塞风道的上方是交通极其繁忙的林和西路, 双向四车道, 由于地铁三号线林和西路站围蔽施工, 林和西路临时改为单向四车道, 交通状况更为紧张。林和西路路面至隧道开挖面的5米高度范围内有正在使用的电力管囊、 通信管囊、 煤气铸铁管道、 给水铸铁管道、 路灯电缆、 供水管及三条排水管。由于无法再进行管线迁移, 因此由施工导致的地表严重沉降, 将严重威胁林和西路的行车安全, 也将严重威胁各种地下管线的安全。因此, 地表沉降控制将是工程成败的关键所在, 我们争取将极限沉降控制在30毫米。
( 二) 大断面、 超浅埋
风道开挖宽度为6.6米, 高度为13.55米, 开挖面积68.33平方米, 埋深仅5米, 为典型的大断面超浅埋暗挖隧道, 隧道上半断面基本为〈5-1〉、 〈5-2〉地层, 拱顶为〈1〉、 〈3-2〉、 〈4-1〉地层。开挖后由于应力重新分布, 拱顶的软弱地层会慢慢流变, 甚至局部失稳, 引起拱顶的坍塌及地表较大的沉降, 存在坍方冒顶的可能性。因此要采取留核心土、 喷射混凝土封闭掌子面, 以及及时支护等措施, 控制围岩的变形。
( 三) 拱顶富水砂层
在隧道拱顶开挖线的上面有0.6-1.2米的冲积～洪积砂层, 以微小的斜度穿入拱部, 冲～洪积砂层为饱水层, 同时由于前期影响造成开工滞后, 施工季节正是雨季, 再加上三条排水管道漏水进行补给, 因此地下水非常丰富。因此砂层形成流砂的可能性极大。虽然施工前采取了定位超前注浆, 开挖过程中还是多次出现了流砂现象。可是由于高度重视, 承包商所有领导和技术部门24小时轮流值班, 再加上沙袋等应急物资准备充分, 最终没有酿成大的流砂和坍方。
( 四) 涌水量大
在工程施工和建筑物的耐久性中, 水是几乎所有工程病害的根源。风道所处地层地下水丰富, 地下水位位于地表以下1.5米, 地下水的补给主要靠大气降水, 在风道位置还有地下排水管道的泄漏。施工中, 大量的地下水涌出, 使所流经的工作环境的土层迅速软化成泥浆, 施工环境异常恶劣; 同时几次对流沙的抢险也是因为丰富的地下水造成的; 也造成初支及二衬完成以后的长时间注浆。实践证明, 注浆工艺虽然取得了一定的效果, 而且使得安全顺利经过砂层, 可是还有必要继续提高注浆质量和效果。特别是在有条件的情况下采取地表加固注浆, 会极大地遏制住地下水的渗入。

三、 主要施工技术措施
( 一) 、 超前注浆
1、 超前小导管( 如图3所示)
定位注浆管: 注浆管采用外径为42mm壁厚为3.5mm的无缝钢管, 管长6.0m。 A型导管前端80cm范围钻φ8mm的圆孔, B型导管前端4.0m范围设置φ8mm的圆孔, 孔心距20cm, 呈梅花型设置, 尾部5cm范围内设螺纹丝扣, 以便与注浆管连接。管头用氧炔焰切割成四个尖角状,锤拢焊接成圆锥形。在砂层中纵向每4m设置1环。
结合砂层的位置, 确定定位注浆管打设角度。采用YT－28风动凿岩机, 直接顶入土层。用管套将钻机与小导管连接, 以免损伤管头的丝扣。有喷射混凝土的地方采用凿岩机钻透喷射混凝土层。砂层在拱顶外1.0m范围内时, 可根据打小导管过程中导管内水流的颜色及所含物质即可确定砂层的高度, 若流出白浆状水并夹有砂砾, 说明小导管已经进入砂层。推算拱顶导管的打设角度, 两侧拱腰( 拱顶90°范围以外) 布设B型导管, 拱顶布设A型导管。
系统注浆管: 管长4.0m, 前端3m范围内钻设φ8mm圆孔。环向间距300mm, 纵向每2.0m连续设置2环, 外插角10°～15°。砂层侵入拱部时, 可根据浆液扩散固结情况和开挖后观察判断砂层厚度及走向, 直接确定导管打设角度。在拟定注浆区域从掌子面打设超前小导管释放砂层局部水压力, 同时对系统注浆小导管压注纯水泥浆进行填充固结注浆, 将砂层固结。仅留1～2根管不注浆, 作为随时都能够封堵的排水降压管, 在开挖过去以后进行填充止水注浆。
辅助小导管: 砂层在开挖轮廓上方时, 增设辅助开挖超前小导管, 管长1.5m, 环向间距300mm, 纵向间距0.5m。对于检查中发现注浆薄弱处, 或开挖以后发现砂层固结效果不好, 以辅助小导管纵向间隔0.5m设置一环进行补强注浆。
打设完后立即封堵管口, 并用水泥袋包扎导管尾部, 以防形成出水通路, 及时进行喷射混凝土形成止浆墙。小导管紧贴格栅钢架外层主筋设置, 并将其焊在格栅钢架上。
2、 喷射混凝土封闭掌子面
砂层位于拱顶开挖轮廓线以上时, 注浆时浆液顺管壁压开砂粘土土体漏浆, 同时引起砂层水顺管壁外流, 引起随掌子面大量出水侵蚀后易引起掌子面正面坍塌; 砂层位于开挖轮廓线处时, 由于注浆固结的整体性差, 注浆流失较大。因此在打设超前小导管前后, 在掌子面喷射15cm厚的混凝土封闭掌子面, 与洞身周壁喷射砼连成一体, 形成止水围幕, 使掌子面处的水位升高, 减少掌子面正前方砂层内的渗水, 便于注浆时浆液向导管四周均匀扩散。

3、 注浆
定位注浆采用水泥－水玻璃双液浆, 调整胶凝时间( 60－120s) 确保浆液在扩散范围不大的情况下胶凝固结砂层。施工中采用的水灰比为0.8, 按要配制的水泥浆的体积, 根据水灰比和缓凝剂掺量计算出所需要的水泥、 水和缓凝剂的用量。先在存浆池中加入饮用水和1~2%缓凝剂 Na2HPO4并搅拌使缓凝剂完全溶解以后, 再加入525#普通硅酸盐水泥水泥并搅拌使其混合均匀呈悬浮状。将浓度为51Be’的水玻璃原浆稀释成35Be’使用。将水泥浆和水玻璃分别按施工配合比配好后,设定注浆机压力值, 开始注浆。双液浆按体积比为1:1经过混合器混合方式, 从两侧向拱顶注浆。
注浆结束标准根据注浆压力值( 1.0－1.2Mpa) 判定, 或根据单段注浆量判定, 即按式Q=ΠR2·h·n·α·( 1+β) 进行计算确定。式中: Q指注浆量( m3) ; R指浆液扩散半径( m) ; h指注浆段长( m) ; n指地层孔隙率; α指地层孔隙充填率; β指浆液损失率, 一般取10－30﹪。
系统注浆采用425#普通硅酸盐水泥, 水灰比为W: C=0.8:1, 根据要配制的水泥浆的体积, 按水灰比计算出所需要的水泥、 水用量, 在存浆池中加入水泥, 然后加水搅拌使其混合均匀。
采用全孔一次性注浆方式, 采取间隔孔进行注浆, 即先沿周边隔孔进行单号注浆, 单号注完毕以后, 再注双号孔。单号孔采取定量、 定压( 1.2Mpa) 相结合方式作为注浆结束标准, 双号孔采取定压方式作为注浆结束标准。注浆结束后, 经过浆液填充率反算和钻检查孔法进行注浆效果检查。
( 二) 、 掘进施工
1、 负一层上半断面施工( 详见图四)
上半断面采用分部开挖法, 先人工持风镐开挖两侧拱腰部位①, 每一进尺为0.5m。
初期支护②: 拱脚位置按照设计高度整平夯实支垫方木后架设格栅钢架, 格栅钢架上部用临时支撑支撑于核心土上, 使格栅钢架与土层密贴。与上一榀格栅钢架焊接间距为1m的Φ22连接钢筋, 并伸入掌子面土层20cm, 以便与下一环格栅钢架焊接起来。在格栅钢架下部两侧拱脚1m范围内打3根长35m的锁脚锚管, 锁脚锚管向下30~45°倾斜, 并与格栅钢架焊接起来。锁角锚管注入水灰比为0.8～1.0水泥浆, 注浆压力1.5～2.0MPa。在格栅钢架下部夯填10cm砂层, 确保节点不被喷射混凝土覆盖, 便于中层开挖后钢拱架的连接。打设注浆管后喷射C20S6混凝土5cm厚的钢筋保护层, 挂φ6.5间距为20cmX20cm的钢筋网,及时喷射混凝土至30cm厚, 并将掌子面喷射15cm厚的混凝土封闭。
人工持风镐开挖拱顶部位③。
安装顶部格栅钢架④, 确保格栅钢架与围岩密贴, 及与两侧拱腰格栅钢架节点良好联结。格栅钢架与拱顶不能密贴处用预制混凝土块嵌紧。及时分层喷射30cm厚的C20S6喷射混凝土, 并将掌子面喷射15cm厚的混凝土封闭。
核心土⑤纵向保留2m左右, 多余部分用挖掘机挖除。核心土成楔形, 靠近掌子面处面积大, 尾部面积小, 以确保开挖面锚杆、 喷射混凝土等施工有足够的空间。
2、 负一层下半断面施工:
上半断面掘进4m以后开始下半断面开挖。下半断面仍采用分部开挖法, 先人工持风镐左右交替开挖边墙两侧部位⑥、 ⑧, 不能同时开挖, 以防拱部初支急剧下沉, 甚至掉拱。只能待一侧喷射混凝土完成以后, 才能开挖另一侧。每开挖进尺仍为0.5m。
初期支护⑦、 ⑨, 拱脚整平夯实支垫方木后架设格栅钢架, 格栅钢架上部与拱脚格栅钢架节点板栓接后并焊接牢固。焊接间距为1m的Φ22连接钢筋。在格栅钢架下部两侧拱脚1m范围内打3根长3.5m的锁脚锚管, 与格栅钢架焊接起来, 并注入水泥浆。在格栅钢架下部夯填10cm砂层。打设Φ22的环向间距为0.8m纵向间距为0.5m长为3.5m锚杆。然后及时初喷5cm厚混凝土, 安装钢筋网, 继续喷射混凝土至30cm厚, 并将掌子面喷射15cm厚的混凝土进行封闭。
两侧边墙支护以后, 能够用挖掘机挖除核心土⑩, 可是至少与上半断面的核心土之间保留1m的平台, 不能影响上半断面的核心土的稳定。喷射15cm厚的混凝土对开挖面进行封闭。临时仰拱部位不能超挖。
人工捡底, 确保临时仰拱的弧度, 安装临时仰拱⑾格栅钢架, 并与边墙格栅钢架预留节点连接起来。纵向焊接连接钢筋。喷射30cm厚的C20S6混凝土。终凝以后方可搭跳板过人, 强度达到70%以前不能经过任何车辆。
3、 负二层施工:
由于受场地狭窄出土量小的限制, 以及为保证负一层以最快的速度贯通及闭合成环, 负二层的开挖必须等到负一层贯通以后, 才能进行。洞口一米内开挖进尺为0.5m,其余开挖进尺为1m, 仰拱单独开挖。
4、 初衬背后注浆
由于喷射混凝土时喷射方位受限, 喷射混凝土层与围岩之间存在空隙, 为更好的控制地表下沉和初支渗漏, 当临时仰拱施作完毕后, 利用在拱顶、 起拱线处每2m预埋的3根注管进行回填止水注浆。回填注浆采用普通水泥浆, 水灰比0.8:1, 注浆压力为0.5MPa。
5、 施工效果
施工中有效地克服了涌水和流砂现象, 由原来的大面积涌水转为个别点集中出水, 保证了初支喷射混凝土的质量, 改进了作业环境, 减小了下一步防水堵漏施工的压力。采用超前定位注浆形成隔水围幕, 虽不能有效地将水隔断, 但防止了分段降水时引起砂层大范围的液化流动而引起的地面下陷。负一层上半断面平均开挖速度为每天0. 5米, 负一层挖支结束时, 地表最大累计下沉控制在39mm。

四、 工程重大记事及主要工序工期汇总
1、 9月15日施工人员进场;
2、 10月26日正线隧道开工时间;
3、 1月19日风井场地围蔽;
4、 11月10日左线隧道接近暗挖风道, 暂停施工;
5、 3月10日风井场地拆迁完, 施工人员进场;
6、 3月13日临时供水到场;
7、 3月25日活塞风井挖孔桩开工;
8、 6月18日风井场地临时用电到场;
9、 6月18日活塞风井挖孔桩终孔验收;
10、 8月16日开始基坑开挖;
11、 9月21日开始暗挖风道施工;
12、 11月13日基坑开始爆破开挖;
13、 11月20日暗挖风道完成负一层挖支;
14、 1月暗挖风道完成全部挖支;
15、 1月8日风井基坑开挖到位, 并经过验收;
16、 1月9日风井底板垫层施工;
17、 1月20日风井底板钢筋及防水样板工序验收;
18、 5月31日活塞风井顶板钢筋工序验收会;
19、 6月10日完成风井顶板混凝土浇注;
20、 8月25日完成风井顶板防水施工, 并回填风井基坑;
21、 9月26日完成所有土建工程;
22、 3月20日二次衬砌、 防水、 附属分步工程验收, 评定为优良。