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暗挖工程超前支护及注浆加固技术

摘　要:超前支护及注浆加固是暗挖工程施工中非常关键的环节,本文主要介绍北京地铁五号线4个暗挖标段超前支护及注浆加固实施情况,以期为类似城市暗挖工程施工提供参考。
关键词:暗挖;超前支护;注浆加固

1工程概况
      北京地铁五号线02标(刘家窑站～蒲黄榆站区间、 蒲黄榆车站)、 03标(蒲黄榆站～天坛东门站区间、 天坛东门站)、 04标(天坛东门站～磁器口站区间、 磁器口站)、 05标(崇文门站)采用浅埋暗挖法施工。其中蒲黄榆站采用22.6m宽大跨度单拱单柱双层暗挖结构,天坛东门站采用23.87m宽大跨度三拱两柱双层暗挖结构,磁器口站采用21.87m宽大跨度三拱两柱双层暗挖结构,崇文门站采用24.2m宽大跨度三拱两柱双层暗挖结构,车站覆土厚度4～9m;区间采用5.8m×6.3m马蹄形断面结构,区间覆土厚度12～15m。
      车站开挖采用中洞法分块开挖,区间采用上下台阶法开挖。工程经过地层包括粉质粘土、 粉细砂、 中粗砂、 砂卵石层。由于暗挖工程均处于闹市区,沉降控制非常关键。
2 超前支护及注浆加固技术
2.1 现场实施情况
2.1.1 超前地质探测
      全线暗挖车站及区间开挖施工过程中为提前探测前方地质及渗水情况,均进行超前地质探测。探测采用的方法见表1。

2.1.2 超前管棚
      暗挖地铁开挖洞室跨度相对较大,施工中超前支护采用多样化的超前管棚支护,采用的超前管棚主要类型如下。
      02标采用Ф114mm单根长146.6m管棚,共103根;03标采用Ф108mm单根长18m管棚;04标采用Ф108mm单根长10m和18m管棚;05标采用Ф108mm单根长27m管棚, Ф600mm单根长36m管幕, Ф377mm单根长36m管棚。
2.2 超前管栅施工技术
      举例:单根长146mФ114mm超前长管棚。
(1)设计参数。
      02标段超前长管棚沿蒲黄榆车站拱部环向布置,环向间距0.3m,纵向贯通车站拱部,单根长146m,共103根,管棚采用Ф114×5mm钢管。
(2)工艺流程。
      工艺流程见图1。

(3)施工方法。
      采用水平定向钻机从东南结合部往东北结合部一次性施做导向孔,从东北往东南回扩孔拖管,钢管单节长6m,接头采用丝扣连接。为防止施工管棚串管,施工时从拱顶往下间隔施工。
(4)使用设备、 仪器。
      超前长管棚施工主要设备、 仪器:FDP-15D水平定向钻机、 ECLIPSE无线导向系统和地磁地下定位系统、 UB-8型砂浆泵。
(5)工效。
      由于蒲黄榆车站拱部超前长管棚位于交通繁忙的蒲黄榆主路下,导向孔钻进采用无线导向系统时必须在晚间23点到第二天7点之间;施工速度根据地层及管棚埋深不同施工效率不同。
      当管棚埋深在10m内,采用无线导向系统时,粘土层中钻进一根管棚(L=146m)需24h左右;砂层中钻进一根管棚需33h左右。
      当管棚埋深在10m以下,采用地磁地下定位系统时,管棚位于中粗砂层中,钻进一根管棚(L=146.6m)需38h左右。
(6)管棚注浆。
      管棚注浆设备:UB-8型砂浆泵,最大工作压力6MPa,最大排量8m3/h,最大水平输送距离250m。
      注浆方向:东南车站结合部往东北车站结合部,一次性灌注。
      管棚钢管浆液扩散孔布置:纵向300mm间距梅花型钻Ф10mm浆液扩散孔,环向3排。
      浆液:水泥浆,外掺少量微膨胀剂,配合比水泥∶水∶膨润土∶铝粉=1∶0.8∶0.05∶0.001;注浆压力在1.5MPa左右。
(7)效果。
      施工管棚设计注浆数量2.9m3,实际注浆数量基本在3.5m3左右。
2.3 超前导管施工
      超前小导管设置在车站、 风道、 区间、 出入口通道拱部,区间拱部超前小导管单根长L=3m,其余拱部超前小导管单根长L=2.5m。
(1)工艺流程(见图2)。

      首先按设计测量定位,然后采用煤电钻孔,成孔检查后采用风钻顶进钢管,喷射5cm厚混凝土封闭掌子面,最后进行浆液压注。
(2)使用设备。
      钻孔采用煤电钻或气动风镐、 吹管(自制25mm钢管),注浆采用UB-8型砂浆泵及KBY-50/70双液注浆泵。
(3)工效。
      车站2.5m长小导管施工一根需6min,区间3m长小导管施工需7min。
      压注一根小导管需6min。
(4)管的布设参数。
      车站超前小导管沿起拱线上按0.3m间距环向布置,每环104根;纵向每两榀钢架布设一排,即每排小导管纵向间距1m。
      风道、 出入口、 通道沿拱部120°范围环向按0.3m间距布置,风道拱部每环43根,结合部每环37根,纵向每两榀钢架布设一排,即每排小导管纵向间距1m。
      区间在拱部环向按0.3m间距布置,每环25根,纵向每两榀钢架布设一排,即每排小导管纵向间距1.5m。
小导管采用Ф32×3.25mm钢管,钢管上纵向孔眼间距15cm,孔眼直径8mm,顶部制作成锥型,尾部焊箍;上仰角控制在7°～10°。
(5)小导管注浆。
      区间砂层压注化学浆液,配合比:稀硫酸∶水玻璃=1∶6～8。
      车站水泥砂浆配合比:水泥∶砂∶水=1∶0.5∶0.7。车站水泥～水玻璃双液浆∶水泥浆水灰比1.25∶1～0.5∶1,水玻璃模数2.4～2.8,水玻璃浓度使用范围30～45,水泥∶水玻璃=1∶1(体积比)。
注浆压力:0.5～0.8MPa。
(6) 注浆效果。
      拱部小导管注浆完成后,在拱部形成一个固结保护层,延长围岩自稳时间。保证下一循环开挖支护施工过程中不出现坍塌,使围岩自稳时间在4h以上。
      地面注浆起到填充加固地层不密实土体的作用,对掌子面封闭注浆起到加固围岩的作用,保证在开挖时不发生坍塌,延长围岩自稳能力。
2.4 拱背回填注浆
       拱背回填注浆主要对初期支护背后土体进行回填加固;回填注浆管采用Ф32×3.25mm钢管。在距开挖封闭成环掌子面3m后进行拱背回填注浆。
(1)工艺流程(见图3)。

(2)使用设备。
      UB-8型砂浆泵。
(3)工效。
      浆液压注时间为10～60min不等。
(4)管布设参数。
      拱背回填注浆管采用Ф32×3.25mm钢管,钢管深入初期支护背后。
      区间每环设3根,L=0.5m,纵向间距6m,梅花型布置。
      风道每环设7根,L=0.6m,纵向间距1m,拱部3根,两侧各2根。
      结合部每环设9根,L=0.6m,纵向间距1m,拱部3根,两侧各3根。
      车站每环设6根,L=0.9m,纵向间距1m。
      出入口及通道设5根,L=0.6m,纵向间距3m,拱部1根,两侧各2根,梅花型布置。
(5)回填注浆。
      采用1∶1水泥砂浆;拱部注浆压力0.8MPa,边墙注浆压力0.5MPa。
(6)注浆效果。
      拱背回填注浆后相应地段地表沉降及拱顶沉降明显减缓。
3 体会
3.1 超前支护及注浆加固存在的问题
      (1)现场地质探测布孔不规范,不能充分反映前方地质情况;对前方地质定性分析不足,不能充分指导后续施工。
      (2)管棚注浆工艺落后,浆液扩散情况差,砂层中易发生溜空现象;传统施作管棚的方式精度较差,单次施作长度太短,设备对现场环境要求高,在施作过程中,每次均须上挑形成工作室,存在较大的风险。
      (3)车站部分施工过程中,小导管的仰角普遍过大,小导管的作用发挥不充分;现场动态管理不够理想,超前支护不能因地质情况的改变而改变,常造成资源浪费;注浆工艺落后,浆液扩散不均匀,对注浆效果缺乏控制及验证。
      (4)注浆管的布设缺乏统一标准;现场回填注浆存在不够及时的现象;注浆压力无统一标准,个别注浆压力过高,易造成结构破坏。
3.2 建议
      (1)从现场实际情况看来,对于北京这种地质情况,采用洛阳铲进行超前地质探测是一种简便可行且十分有效的方法。
      布孔:每工作面布置3个孔,拱顶一处,两侧拱脚以上1m拱腰各布置一处。
      打孔:采用洛阳铲。
      探测长度:每次探测长度5m,每开挖3m探测一次。
      分析:采取定性分析。
(2)超前管棚。
      从管棚施工情况分析,对于受力情况复杂部位,经过重要建构筑物时,对沉降要求较高的地方,超前长大管棚是一种十分有效的支护手段。
      1进一步研究改进长大管棚的注浆工艺,改进浆液的扩散效果,提高长大管棚对不同地层的适应性;2推广应用新的先进的管棚施工工艺,提高管棚施工精度;3对车站等大断面施工,由于其沉降较难控制,可推广采用长管棚的支护方式;4有条件时管棚宜一次性贯通拱部,避免施工过程中多次挑高;5从经济角度考虑,150mm以上的大管棚应慎用,150mm以下的管棚,其成本较为适中,可广泛采用。
(3)超前导管。
      各标施作小导管情况基本相同,小导管各项指标建议如下:1小导管宜采用Ф32×3.25mm钢管; 2拱部小导管布置间距一般为环向0.3m,纵向搭接1～1.5m;3钢管前端制作成锥形(长10cm),尾部焊箍,钢管从尾部0.8m开始钻Ф6～8的梅花型孔,孔眼间距0.15m;4注浆前宜先喷5cm厚喷射混凝土封闭掌子面,并在管口设止浆塞;5超前导管在砂层中宜压注化学浆液;6注浆压力宜控制在0.2～0.5MPa之间;7粘土层中可不施作注浆小导管,或改为施作钢钎;8对于北京的地质情况,采用煤电钻和吹管施作小导管是合适的选择。
(4)拱背回填注浆。
      拱背回填注浆是十分必要的,各项指标建议如下:1拱背回填注浆管宜采用Ф32×3.25mm钢管,钢管可不钻孔;2回填注浆管不宜深入初期支护背后土体,仅深入土体0.05～0.1m即可;3回填注浆浆液首选水泥砂浆,当有渗水的情况下,可考虑采用水泥水玻璃双液浆;4回填注浆压力不应太大,应控制在0.2～0.3MPa左右;5拱背回填注浆应及时,当初期支护成环3～5m时,就应进行第一次拱背回填注浆,同时应结合监测资料确定二次注浆时间;6拱背回填注浆应重复进行,二次注浆必须重新打设注浆管;7回填注浆管的布设可考虑纵向间距3m左右,梅花形布置。
文章来源: 《公路》原作者: 陈永模