益田路Ⅵ级围岩富水隧道综合施工技术

杜运国

(中铁十五局集团有限公司,河南洛阳 471013)

1 工程概况

广深港客运专线益田路隧道位于新深圳站与福田站间、深圳市宝安区龙华街道梅林检查站至福田区市民中心一带,隧道全长 6236m。其中隧道进口段DK104+810～DK105+014为Ⅵ级围岩,开挖断面142.1m2,下穿深圳市公安局警犬基地,101人防工程、深圳市公安局第二劳教所等,覆盖层厚度薄,平均 14～20m。该段隧道通过地质主要为填土层、冲积层、残积层、含水砂土层、全风化花岗岩,存在砂土液化、软土震陷、孤石隐患,地下水富集,洞身涌水量 Q=5500 m3/d,易产生地表下沉、坍塌、冒顶、涌水、突泥等事故。

2 施工难点分析

(1)益田路隧道设计为双线,断面大,Ⅵ级围岩段埋深浅,工程地质复杂多变,有素填土、淤泥质黏土、粉质黏土、砂土、全风化花岗岩,易坍方冒顶,软化流泥、涌泥、涌沙,自稳性较差,安全风险高。

(2)砂土层含水量高、孔隙比大、透水性差、强度低、压缩性高、灵敏度高等特征,容易引起地表沉降和拱顶坍塌,注浆导管成孔较困难,注浆加固地层效果差。

(3)益田路隧道与厦深线梅林隧道左右线合建,三隧连体,间距小,安全风险高,施工难度大。

(4)工程位于城市中心区,建筑物密集,工商业发达,人口众多,地表沉降控制要求严格,需要采用强有力措施,保证地面建筑物安全。

3 总体施工方案

针对进口段埋深浅、围岩差、富水等特性,经专家多次会议论证,拟采取超长大管棚、小导管注浆进行围岩加固,采取井点降水,帷幕注浆截水疏干隧道内地下水,采用 CRD法开挖、静态爆破处理孤石等综合施工技术。建立动态信息化管理系统,开挖前,用地质雷达探测地层,用红外线仪探测地层有无储水,用地质钻机钻孔,进行验证;制定相应预案和对策,准备相关材料和设备,以备应急使用。隧道开挖先降水,及时支护、及时施作仰拱成环、及时二次衬砌,开挖后,加强围岩量测和数据的统计分析,提高监控量测密度,发现围岩有变形或异状,立即采取有效措施及时处理,确保隧道施工及周边环境安全。

4 辅助施工技术

4.1 超长大管棚超前支护

(1)施工参数选定

①钢管采用 φ159mm热轧无缝钢管,壁厚 8mm,节长 4～6m,以丝扣连接而成,钢管及钢花管同一截面内的接头不超过管数的 50%,大管棚布置如图1所示。

图1 超长大管棚布置

②管距:环向间距 30cm。

③钢花管上钻注浆孔,孔径 10～16mm,孔间距 11cm,呈梅花形布置,尾部留不钻孔的止浆段长110cm。

④倾角:隧道线路设计以 2.74%纵坡下行,经现场试验选定管棚施工倾角为 0.1°～0.15°时,最有利于管棚施工。

⑤根据地表沉降控制要求,为了提高大管棚的抗弯能力,在钢管及花钢管内设置钢筋笼并灌注 M10砂浆。

⑥注浆参数:在黏土中注超细水泥浆,掺入 8%～10%微膨胀剂,水灰比控制在 0.45～0.6,注浆压力控制在 0.5～2.0MPa;在砂层中注入水泥 -水玻璃双液浆,水泥采用强度 32.5普通硅酸盐水泥,水玻璃为 28～35Be′,水泥浆液水灰比控制在 1∶1～1∶1.2,水泥浆液与水玻璃体积比为 1∶1。

(2)工艺流程

①导墙施工:在开挖廓线以外拱部 140°范围内施作导墙套拱,断面尺寸为 1.0m×1.0m,导向墙内设 2榀 I18型钢,钢架外缘设 φ194mm壁厚 8mm导向钢管,钢管与钢架焊接。在混凝土浇筑时将导向管口封堵保护。

②钻机定位:移动钻机至钻孔部位,调整钻孔高度,将钻头放入导向管中,钻进时保证导向管、钻机固定钻杆的钻轴和钻杆在一条直线上,随时监控钻进的角度和方向。

③钻孔、下管:钻进过程中要始终注意钻杆角度的变化,并保证钻机不移位。每钻进 5m要复核钻孔的角度是否正确,以确保钻孔方向。

④钢筋笼安装:每个孔打设完后,清洗孔内残积岩屑,待清理完毕后安装钢筋笼。

⑤注浆:注浆采用自内向外分段注浆。即连接注浆装置进行压力注浆,注浆过程中控制注浆流速。

⑥检查:利用奇数编号钢管作为检查孔。在全部偶数孔完成注浆后,开始打设奇数孔,同时检查注浆效果,改进注浆配合比。

(3)几点建议及体会

①在土中施作大管棚,由于土质的黏性,柔性、易坍孔性,与管棚之间的摩阻大,增大了长管棚施工难度。在益田路隧道施工过程中,经专家多次论证,选用意大利 CASAGRANDE公司 PG185型钻机,施钻效果较好,每天能成管 3根。

②长大管棚施作前,如何控制管棚导向角度,非常重要,因为各种地质有它的共性和特性,影响管棚施工的各种地质参数都会不一样,不能一概而论,需要反复试验才能确定,在益田路隧道管棚施工过程中,经过先后 6次试验,才到达最佳效果,控制管棚倾角为 0.1°～ 0.15°。

③大管棚施作过程中,需要加强管棚顶进定位,随时监控管棚施作到达位置,一旦偏离,及时进行纠偏,确保管棚不侵限。

④管棚施工完成后,及时进行注浆,加固地层,封水,为下一根管棚施作创造条件。在注浆的过程中,需要加强监控,控制注浆流量和注浆压力,一旦出现异常,立即查找原因并进行分析,调整浆液浓度、配合比以及外加剂掺量。

4.2 井点降水

(1)降水方案

根据益田路隧道地质资料,隧道通过地层主要有上层滞水、潜水、承压水,为了确保施工安全,暗挖隧道要做到无水作业。结合含水层特点、水位高程与隧道的关系,经专家会议研究,地面采取井点降水方案,降水井直径 700mm,滤水管直径为 400mm,外包一层 40目尼龙网,地面下 1m以下井深范围内回填 φ3～7mm滤料,孔顶 1.5m采用黏土填塞,井深较仰拱底低 2.0m。沿隧道两侧布置,间距为15m,距隧道侧壁 1.5m,疏干上层滞水、潜水,降低承压水头到隧道仰拱下 1.0m。降水井井点布置见图2。洞内采取在掌子面打超前降水管,仰拱中间设临时集水坑(集水坑底高程低于仰拱底高程1.0m),疏干隧道开挖区域内地下水,增强土体强度,剩余少量残余水,采取小导管注浆止水。

图2 降水井井点布置(单位:mm)

(2)降水井施工技术要点

①严格按施工工艺进行施工,控制井孔的垂直度(α≤1%),控制好孔径、孔深,保证井孔孔径上下一致。

②加强滤料回填控制,把孔内泥浆适当稀释到比重 1.05左右,灌填高度符合设计要求,灌填量不小于计算值的 98%,良好的滤管和过滤层可以使出水量大,出水的泥砂含量小,反之,井管被泥沙淤塞,出水量小,影响降水效果。

③井点管口保护,井点位置设有明显的标志,防止杂物掉入管内及机械破坏井管。

④做好水位观测,加强降水系统的维护检查,确定专人负责,做好降水记录,保证抽水过程连续不断,配备发电机和适量的备用泵,确保隧道无水作业。

⑤做好观测井水位观测、地表沉降观测,一旦出现异常,立即停止降水,分析原因,必要时将观测井改为回灌井,进行地下水补充,隧道施工采取截水措施,确保施工安全。

4.3 帷幕注浆截水

隧道穿越深圳市警犬基地,覆盖层厚仅有 14m,穿越地层主要为富水细砂层和中砂层。该区域房屋较多,均为砖混结构,基础为扩大基础,置于黏土层内。为防隧道坍方冒顶、软化流泥、冒水,控制地表沉降,保护既有建筑,采取帷幕注浆截水,加固地层,减少地下水损失。

(1)参数选定(表1)

表1 注浆截水帷幕设计参数

(2)注浆材料

为有效控制注浆的扩散区域,确保浆液在地层中的凝胶,结合益田路隧道工程地质和水文地质,经专家研究讨论,注浆采用普通水玻璃双液浆,注浆材料及配合比见表2。

表2 注浆材料及配合比

(3)注浆参数

针对该段富水砂层地质,注浆参数经现场多次试验、调整,选定现场注浆参数见表3。

表3 注浆参数

(4)注浆施工

注浆方式采用后退式分段注浆,采用袖管注浆工艺,注浆顺序上采取约束发散性方式,即隔孔隔排,最后注中间排,从而有效地控制浆液扩散区域,确保注浆后形成完整的截水帷幕。

(5)效果评定

截水帷幕施工结束后,测试地层渗透系数为 1.8×10-5～2.5×10-6cm/s,在随后的隧道开挖中,仅有少量渗水,地下水位基本稳定,地表沉降处于可控状态,隧道得以安全施工。

4.4 静态爆破处理孤石

开挖过程中,存在孤石尚未完全风化,不能采取常规爆破处理,以免振动造成砂层液化、软土震陷,造成周边建构物破坏。为此,孤石拟采用静态爆破处理,人工风镐清除,减少对围岩的扰动,控制地表沉降,保护周边建(构)筑物。

(1)爆破参数选择及施工工艺

①布眼

沿着需要开挖的部分周边线,采用潜孔钻机密钻一排眼,形成隔离面,减少孤石静态爆破对周边围岩的扰动,改善破碎剂的破碎效果。眼孔布置见图3。

图3 眼孔布置

②参数确定(表4)

表4 爆破参数

③钻眼

采用 φ42mm的钻头水平或略向下倾斜钻眼,钻孔深度为破碎体厚度的 85%～90%,眼孔内余水和余渣用高压风吹洗干净。

④装药

向下方向的眼孔,将药剂加 30%的水(质量比)拌成流质状(充分搅拌后略有余水)后,迅速倒入孔内并用略小于钻孔的捅杆捅紧,特别长的钻孔,可多分段破碎,逐段捅实,开裂后,立即向裂缝中加水,以支持药剂持续反应。

水平方向眼孔,可用与眼孔同直径的锚杆纸袋装入药剂,集中浸泡,充分浸泡,逐条装入,分别捣实。装药采用“由上到下,分层破碎”施工方法,以便工人操作。

(2)静态爆破的关键技术和改进设想

①每循环过程中每个工人负责装药孔数为 6～8个,工人在取药、加水、拌和、灌装过程中争取保持同步,确保每一个眼孔的最大膨胀压保持同期出现,提高岩石的破碎效果。

②每次装填药剂前需检测炮眼孔壁,药剂、拌和水、搅抖桶的温度,控制在 30℃下,药剂装填过程中,已经发烫和开始冒汽的药剂不允许装入孔内,以免发生冲孔,危及人身安全。

③为防止冲孔伤人,操作人员需戴防护眼镜和橡胶手套进行操作,不可将面部近距离对着已装药的炮眼;装药完成后,应及时打进铁制的封口器,盖上草垫和棕垫,远离装灌点;并在施工现场备好清水、毛巾,以免冲孔时能及时救治。

④加强药剂反应时间的控制,在益田路隧道施工中,控制药剂反应时间主要采用如下两种方法:一种是在拌和水中加入抑制剂,加入量为拌和水的 5%～6%;另一种方法是严格控制岩石、干粉药剂、拌和温度。反应时间控制在 15～30min。

5 中隔壁 CRD法施工

益田路Ⅵ级围岩富水隧道施工严格遵循“先降水,管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的原则进行施工。原设计该段软弱围岩采用双侧壁导坑法施工,后经分析论证,拟定采用交叉中隔壁(CRD)法施工。中隔壁(CRD)法施工分块见图4及图5,其施工工艺不再详述。

图4 中隔壁CRD法工序剖面

图5 中隔壁CRD法工序平面(单位:m)

(1)CRD法施工的关键就是将大断面隧道通过强支护临时分块,实现隧道周边土体应力逐步释放,控制土体变形,减少周边位移,减少地表沉降,因此隧道施工过程中“短、平、快”非常重要。施工前,应制定详细的施工方案和紧急预案,做好监控量测点位的埋设,做好隧道降水等辅助措施,确保隧道开挖时真正做到“短、平、快”,做到及时封闭成环,确保隧道施工安全和周边环境安全。

(2)CRD法需要根据周边环境、工程地质、水文条件决定断面分块、施工顺序及进尺,以减少隧道周边围岩变形,确保周边环境安全。在益田路隧道Ⅵ级围岩段 CRD法施工中,在常规的 CRD六部施工法基础上进行了技术上更改,5、6部开挖时,先采用中洞法开挖中壁区域接长中壁撑致仰拱,然后同时进行 5、6部开挖,及时封闭成环,施作仰拱,加快了施工进度,提高了设备利用率,确保周边环境安全。

(3)CRD法工序繁多,组织复杂,进度缓慢,如何做好工序衔接,加快施工进度,是个新课题。在益田路隧道施工中,为了加快施工进度,做好工序衔接,充分发挥机械设备工效,减少人员劳动强度,每一分部间距为 10 m,采用小型反铲挖掘机、皮带运输机配合施工,并根据围岩量测数据,开展工法试验,由CRD法转序到 CD法,从 CD法再转序到台阶法,逐步完善,由繁到简,逐步实现工法转换,提高设备利用率,加快施工进度。

6 监控量测

根据益田路隧道该段工程特点,监测的重点为地表沉降、建构筑物周边沉降、变化、拱顶下沉、地下水位变化。地表沉降测点横向间距 2～5m,共布置地表沉降观测点 215个,周边建(构)筑物 13栋,布置测点 130个。拱顶下沉、隧道周边位移每 5～8m布置一断面,共设计监测断面 35个,在敏感建筑物附近设计 13处地下水位监测井。做到了及时监测,及时反馈,各项数据相互验证,根据检测数据预测发展趋势,及时掌握施工结构受力状况以及对周边环境的影响,及时调整施工参数,施工方案,采取相应措施,为施工现场提供服务。

7 结语

本段软弱富水围岩采用了井点降水、帷幕注浆止水、超前大管棚加固、小导管注浆、CRD法开挖等施工工艺。多种技术措施综合应用,各施工工法之间的协调管理、论证工作要具有前瞻性,在隧道施工前进行了周边房屋安全性评估,采取注浆保护现有的建构筑物等措施。施工过程中加强监控量测,根据现场的监测数据来掌握围岩变化以及对周边环境的影响,及时调整掘进进尺和初期支护参数,做到信息化施工。施工实践证明,对于城市中心区大断面浅埋隧道通过地表密集地区,做好周边房屋安全性评估,采取适当的施工措施是非常必要,行之有效的。监测数据表明:拱顶下沉最大为 4.8cm,远小于设计控制沉降量 15cm,隧道净空收敛累计最大位移为 2.1cm,建构筑物周边地表沉降累计最大位移累计为 3.4cm,地下水位监控未出现异常变化,整个施工过程做到了信息化,安全可控,确保隧道结构和周边环境安全。

[1] 铁道部工程设计鉴定中心.高速铁路隧道[M].北京.中国铁道出版社,2006.

[2] 陈豪雄,殷 杰.隧道工程[M].北京:中国铁道出版社,1996.

[3] 刘殿中.工程爆破实用手册[M].北京:冶金工业出版社,1999.

[4] 成守军.富水软土地区深基坑降水施工技术[J].铁道建筑技术,2009(2).

[5] 铁道部第二工程局.铁路工程施工手册◦隧道[M].北京:中国铁道出版社,1995.