岩石地区地铁竖井施工技术和监测分析

王春苗 宋宏伟

(1.中国矿业大学力学与建筑工程学院,江苏 徐州 221116;2.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏 徐州 221116)

竖井是许多地下工程特别是隧道工程的重要组成部分,它方便人员和机械进入地下开展施工作业,是首要完成的分项工程.在整个施工过程中必须充分保证竖井结构具有足够的安全度.同时,对周边地表沉降进行监测,通过将监测数据与预测值比较,判断上步施工工艺和施工参数是否合理或达到预期效果,实现对下步施工工艺和施工进度控制,从而切实实现信息化施工[1-2],才能确保工程质量和工程的顺利进行.

1 地铁竖井研究进展

很多学者对竖井开挖存在的一些关键技术问题进行了研究,了解并探求其本质和机理,并不断验证新提出来的理论,以期能解决工程实际问题.目前,结合现场工程的实测数据,采用理论分析的方法进行对比研究取得了较好的发展,并在工程中得到广泛应用.

2005年高成雷和朱永全[3]以广州地铁番禹折返线施工竖井为研究对象,采用空间有限元对其在水平向主动土压力作用下的应力分布规律及变形情况进行分析,得到:竖井井壁和圈梁为压弯受力,井壁内侧的受拉区范围略大于受压区,圈梁内侧的受拉区与受压区范围基本相等,中隔墙和底板以受压为主,可近似按照轴心受压处理,井壁的水平位移均指向竖井内部,自上而下位移量逐渐增大,长边和短边的最大位移量均发生在竖井下部的对称中心处,深度基本相同,长边中跨的水平位移量最大,竖井各部位的一些相交处存在着明显的应力集中现象.

2007年赵辉、吴红云和岳德金[4]对北京地铁竖井施工引起的地表沉降数据进行分析,分析表明,竖井周壁经支护加固后,其开挖过程的影响范围大约在0.4H(H为竖井开挖深度)左右,开挖对长短边的影响基本一致,竖井开挖过程中,周边地表的沉降槽曲线形状随着开挖深度的增加由向上凸变为直线,最后转变为向上凹的曲线.开挖完成后,竖井周边地表沉降槽可由二次多项式曲线来表示,施工过程中应对竖井周边3.5m范围内的区域进行重点监测.

2009年徐玉峰和杨建华[5]结合实际工程探讨不同地质条件下竖井采用的不同方法,均质软弱地层采用沉井法施工,硬质岩层采用矿山法施工,上软下硬地层中采用明挖和矿山法相结合施工,对于交界面地层采用沉井法和矿山法相结合施工.

2010年郭亚宇和王庆国[6]针对深圳地铁5号线暗挖隧道施工的特点,介绍了不同地质岩层段竖井施工方法,详细阐述了竖井锁口段、井身、马头门及竖井封底施工方法,对马头门施工进行了重点分析.同年,赖展超[7]通过对广州地铁三号线某区间竖井结构设计分析,介绍有别于一般矩形竖井的圆形竖井设计思路,详细介绍了其计算模型及内力计算,赖展超认为地铁区间施工竖井在满足使用要求条件下,应优先选用圆形竖井,因为圆形竖井在受力及经济性上远胜于矩形竖井.

目前,大多数地铁竖井研究是考虑结构与土的关系.随着内陆岩石地区地铁建设的发展,考虑结构与岩石的关系将是竖井开挖施工技术和监测分析研究的重点.并且,由于赋存介质不同,土质地区竖井与岩石地区竖井的施工和设计必然不尽相同,所以用来研究土质地区的理论不能照搬过来研究岩石地区竖井开挖施工技术,需要形成一套与岩石地区相结合的理论与方法.

2 竖井施工技术

2.1 工程概况

青岛地铁某施工竖井为矩形,净空为9m×4.8 m,井深为26.41 m(含集水井深2 m).竖井周边围岩级别为III、IV 围岩,井身自上而下穿过:素填土、普通粘土、强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩.竖井采用矿山法施工,支护结构为复合式衬砌,初期支护为锚、喷、网、钢架,二次衬砌为模筑钢筋混凝土.考虑全线通风要求,施工竖井永久保留,运营期间作为活塞风井.

2.2 竖井施工方案

区间竖井的总体施工顺序是:开挖锁口段及灌注锁口段→竖井井身开挖支护→马头门段开挖支护→井底开挖支护.

(1)竖井锁口段施工.锁口段为2 m×1 m高的C25钢筋混凝土倒台阶结构,台阶宽度为0.75m,锁口段高度为2 m,分二层开挖.基坑最大开挖平面尺寸12.4m×8.2m.井口设置C15混凝土挡水埝,高出地表30cm.

(2)井身段开挖与初期支护.锁口圈梁砼达到强度后,竖井土方开挖采用全断面法开挖,格栅钢架随挖随支.井身标准段平面开挖尺寸10.6m×6.4m,采用钢支撑和注浆花管的联合支护形式.钢支撑的竖向间距为2 m,共设置5道,与短边平行,支撑点位于竖井长边中部.竖井每循环下挖进尺为一榀钢筋格栅间距(0.5～0.75 m),中间设置集水坑,集水坑先行施工,然后向井壁扩挖,修边成形.开挖成型后先初喷约5 cm厚混凝土封闭围岩,然后挂 Φ 8@200×200钢筋网片,布设L=3.0m,Φ 25的砂浆锚杆,与水平面夹角是10°,环向间距1m,梅花型布置.环形架立“8”字型格栅钢架,复喷C25混凝土至设计厚度30 cm,完成初期支护.

开挖至岩层采用爆破法全断面开挖,爆破按以下流程进行:测量放样→风动凿岩机钻眼→清孔→装药→引爆→通风排烟→出渣→断面测量(欠挖处理)→格栅安装、初期支护→下一循环.

(3)马头门段开挖支护.竖井进入横通道处俗称“马头门”,是施工开挖的薄弱点.由于马头门范围井身段为强风化花岗岩,地质条件较好.拱顶采用 Φ 32的小导管超前注浆,长度为3.5 m,间距@400mm,外插角14°,压注水泥-水玻璃双液浆.待水泥-水玻璃双液浆压注结束4h后,破除马头门上半断面井壁初期支护,进尺50cm,立即进行上台阶初期支护,架立格栅钢架,打设 Φ 22锁脚小导管并严格注浆,网喷至设计厚度.如此循环,进尺单榀格栅钢架间距,马头门处要并立两榀格栅钢架加强支护,待上台阶进尺5 m后,喷混凝土封闭上台阶子面,破除下台阶井壁初期支护,接长上台钢格栅,及时封闭马头门初期支护,在完成马头门并立两榀格栅钢架后,即正式形成横通道施工工作面.

3 竖井监控量测

为保证竖井开挖的安全,尽可能降低施工对周围环境的影响,根据国家有关技术规范[8-9]对基坑开挖和支护设计的要求,在竖井周围布置了一定数量的地表沉降监测点对施工过程中各监测点的沉降情况进行观测,具体的点位布置如图1所示.

图1 地表沉降监测点平面布设图

竖井周围地表沉降监测点的沉降是采用精密电子水准仪和铟钢尺进行的,水准仪的精度为0.5mm/km.各监测点均在竖井开挖前一周埋设完毕,并在埋设后进行了两次初始基准值的测量,取两次测量值的平均值作为相应测点的初始基准值.竖井开挖过程中到开挖完成后的15d内,每天进行1～2次观测;开挖完成后的15～30 d,每两天进行1次观测;开挖完成后的30d直至稳定,每周进行1～2次观测.

图2 监测数据

该曲线反映的是自锁口圈浇注完成至施工至马头门上台阶开挖期间地表累计沉降量.从上述曲线可以得出以下规律:

(1)第Ⅰ阶段为竖井在土层和强风化花岗岩中开挖,沉降量较大.

(2)第Ⅱ阶段为马头门及横通道施工,沉降曲线波动比较明显,与该阶段进行的超前小导管注浆有关,表明注浆可使地表微微隆起.

(3)第Ⅲ阶段竖井在微风化花岗岩中施工,沉降曲线较平稳.

(4)地表沉降测点DC03、DC04的总沉降量均大于其它部位的沉降测点,主要与该侧渗水量较大,地质条件较差有关;根据监测情况,施工时采取了局部降排水措施,后期沉降量减少.

(5)累计沉降量最大值为-10.04 mm,日均变化速率为-0.26mm/d,日最大变化速率为-1.45mm/d,均在警戒值之内.

通过对竖井开挖过程实测数据的分析,表明此竖井支护结构设计合理,施工技术稳定可靠,同时根据监测数据,采取有效的控制措施,保证了该竖井处在安全可控的状态.

4 结 论

通过将监测数据与预测值比较,判断上步竖井施工工艺和施工参数是合理的,同时指导下步竖井的施工工艺,控制施工进度,切实实现信息化施工.针对局部渗水沉降较大情况,可提请施工单位及时、有效地采取措施,根据现场实时工况,进一步优化方案.

[1］夏才初,李永盛.地下工程测试理论与监测技术[M].上海:同济大学出版社,1999.

[2］林 鸣,徐 伟.深基坑工程信息化施工技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.

[3］高成雷,朱永全.考虑空间效应的大型竖井结构力学行为分析[J].西部探矿工程,2005(3):124-127.

[4］赵 辉,吴红云,岳德金.竖井施工引起的地表沉降数据分析[J].建筑技术,2007,38(6):449-451.

[5］徐玉峰,杨建华.不同地质条件下竖井施工方法[J].施工技术,2009,38(1):55-57.

[6］郭亚宇,王庆国.深圳地铁5号线竖井施工技术[J].北方交通,2010(4):157-159.

[7］赖展超.广州地铁三号线北延段某区间竖井结构设计[J].甘肃科技,2010,26(18):138-140.

[8］GB 50308-1999.地下铁道轻轨交通工程测量规范[S].

[9］JGJ 120-99.建筑基坑支护技术规程[S].