大断面浅埋隧道穿越软弱土层加固方法研究

付顺义,陈龙飞,王 哲

(1.浙江天成项目管理有限公司,浙江 杭州 310006;2.浙江工业大学建筑工程学院,浙江 杭州 310014)

大断面浅埋隧道穿越软弱土层加固方法研究

付顺义1,陈龙飞1,王 哲2

(1.浙江天成项目管理有限公司,浙江 杭州 310006;2.浙江工业大学建筑工程学院,浙江 杭州 310014)

浅埋暗挖法施工技术在地铁、小型过街通道及山岭隧道浅埋段被大量应用,但对于地表水位高、覆盖层浅、隧道断面大等仍存在很多需要解决的问题。今以杭州市紫之隧道深厚软土地区浅埋暗挖法工程案例为背景,重点介绍了紫之隧道浅埋暗挖段穿越较厚的淤泥质粉质黏土层的土体加固方法的探索与实践过程,并客观地分析、总结了施工中出现的问题和应对措施及经验教训。

浅埋暗挖；软弱土层；土体加固方法；有效措施

随着社会的不断发展进步,浅埋暗挖法施工技术在地铁、小型过街通道及山岭隧道浅埋段得到了大量应用[1-2],但是,杭州市紫之隧道浅埋暗挖段完全穿越⑤号淤泥质粉质黏土层,且地表水位高、覆盖层浅、隧道断面大、距离长、地下管线复杂而且设计采用CRD 4部法进行开挖支护,这类案例在全国实属少见,基本无成功经验可以套用。试验段实施过程中经常出现较大的沉降变形,甚至多次发生险情,一波三折,施工难度和工期压力极大。该工程的关键和挑战在于土体加固效果,它是工程能否顺利推进的前提条件,参建各方在土体加固方法方面做了积极的探索和抉择,希望能为类似工程的参建各方尤其是决策者提供土体加固方法的典型案例。

1 工程概况

杭州市紫之隧道(紫金港路—之浦路)工程隧道全长约13.9 km,道路等级为城市机动车主干道,其中浅埋暗挖段完全穿越⑤号淤泥质粉质黏土软弱土层,西线与东线分别长250.4 m和243 m,覆土厚度8～12 m,洞身开挖跨径12.8 m，高度9.7 m,覆跨比为0.625～0.937。

1.1 工程地质条件

⑤层：淤泥质粉质黏土,灰色,流塑,饱和,厚层状,含有少量有机质,稍有光泽,韧性中等,干强度高,无摇震反应,属软土类,具有低强度、高触变性和高压缩性及无自稳性等特点,地质划分为Ⅵ级围岩,属于不良地质中的软土类。见表1。

1.2 水文地质条件

施工区域处钱塘江河谷和山谷交汇处,地下水埋深1～1.5 m,主要接受大气降水和地下侧向径流的补给,地下水位受降雨量影响变化较大。

表1 淤泥质粉质黏土物理力学指标

1.3 周边环境及地下管线分布

侧穿五浦河,距河边8～12 m,明水位为2.5～4 m,有充足的补给水源；下穿现状交通繁忙的之江路,地下管线有燃气、电力、自来水、污水、军用通信光缆、雨水等管道,不具备明挖施工条件。

1.4 软弱土层浅埋暗挖隧道施工难点

围岩自稳能力极差,土体加固达不到设计预期效果时,开挖后易产生坍方,洞内初期支护沉降变形大,安全风险高,使施工难以进行；同时,地表沉降难以控制,易引起地面道路开裂甚至坍塌,危及相邻地表建筑物安全及地下管线安全运营。

2 设计思路

设置30 m试验段,探索适当的加固设备和加固方式,使高压水泥浆或水泥-水玻璃双液浆通过渗透、扩散、劈裂、挤密和胶结作用,对洞身开挖轮廓线上下3 m范围内土体进行改良加固,改善周边土体物理力学性能,增加土体自稳性并形成“土拱”效应,并结合注浆大管棚及小导管超前联合支护形式,起到控制地表与洞内沉降变形及止水帷幕的作用。

先加固、后开挖,取得理想的土体加固效果是该类隧道顺利推进的基本前提条件,以施工过程中的监控量测信息反馈指导施工和设计,确保施工安全。

3 30 m试验段实施情况

3.1 土体加固方法

3.1.1 洞口6 m段土体加固方法

对洞身开挖线周边3 m范围内区域土质采用Φ800 mm密排三轴水泥搅拌桩进行加固,障碍物处采用二重管高压水泥旋喷桩进行补强。

3.1.2 6～12 m段土体加固方法

采用全断面后退式分层劈裂注浆加固(图1),注浆主要参数：钙塑聚丙烯花管Φ48 mm×4 mm@500 mm×500 mm,L=13 m,止浆墙4 m,梅花形布置,内侧钙塑管水平布置,周边注浆管带一定外插角对洞身开挖线外围3 m进行加固,注浆压力1～1.8 MPa,扩散半径0.9 m,注浆材料采用超细水泥-水玻璃双液浆,水灰比0.8～1,C∶S为1∶(0.6～1)(体积比),水玻璃模数2.6～2.8,水玻璃浓度35BE′,凝结时间50～80 min,每孔平均注浆量约0.33 m3。

图1 隧道全断面注浆孔立面

3.2 12～30 m段设计调整情况

取得理想的土体加固效果是该类隧道顺利推进的基本前提条件。上导洞推进至12 m后,根据监控量测反馈的信息及现场实际情况,设计单位及时做了部分方案调整和尝试,将钙塑管注浆改为Φ48 mm、L=7 m的小导管注浆,同时上导坑高度由5.2 m调整为3.7 m,4部法调整为6部法；但是，土体加固仍未取得明显效果,地表沉降多达400 mm多,洞内多处出现因初期支护侵限而换拱问题,一度出现险情,历时4个月上导洞才掘进至21 m。为了从根本上控制沉降变形并消除安全隐患,30 m段试验段加固方案最终调整为：在管棚外侧打设竖向双排MJS工法桩(定向水泥桩),洞内打设水平MJS桩,开挖工法由6部法又调整回4部法,30 m试验段从2014年4月初进洞至10月初历时6个多月,工期延误较大。

4 试验段土体加固方案的比选及后续段落实施情况

4.1 土体加固方案的比选

土体加固方案的定性分析指标见表2。

综合考虑试验段土体加固效果、沉降变形、安全风险、工期要求、费用及可操作性等因素, 经反复比选,参建各方一致认同地表垂直加固,考虑到地表加固对管线运营影响较大及侧向五浦河高水位的渗透水对施工的影响后,设计对加固方案进行了重大调整：在地表采用高压旋喷桩对洞身开挖线周边3 m内区域进行垂直加固,并沿洞身左右两侧3 m线密排打设高压旋喷桩止水帷幕,管线位置影响旋喷桩加固的区域采用洞内小导管补注浆加固。

表2 土体加固方案的定性分析指标

4.2 高压旋喷桩地表加固实施情况

4.2.1 高压旋喷桩施工参数

1)加固方式及范围：地表垂直高压旋喷桩加固,隧道开挖轮廓线周边3m内区域。见图2、图3。

2)主要设计参数：

①采用二重管旋喷加固处理；②桩径为Φ600 mm,平均桩长L=16 m；③采用42.5R复合硅酸盐水泥,水灰比1.0,Ⅱ区水泥掺量为400 kg/m3,Ⅰ、Ⅲ区水泥掺量为380 kg/m3；④桩位布置是Ⅰ、Ⅲ区为旋喷桩间距800(横)mm×900 mm(纵),矩形布置；Ⅱ区为旋喷桩间距600 mm,桩间相切布置。

图2 高压旋喷桩地表加固平面布置示意图

图3 高压旋喷桩地表加固断面布置示意图

4.2.2 土体加固效果总结

从对桩体取芯检测结果、洞内掌子面开挖揭示的断面情况及监控量测结果来看,高压旋喷桩地表加固能够达到设计预期效果,隧道能够持续掘进,安全风险总体可控。

高压旋喷桩工艺成熟,可操作性强,注浆压力大,能有效改良土体,大幅提高土体力学性能。

5 施工中出现的问题及有效应对措施

5.1 对地下管线运营影响较大

管线保护应对措施(图4)：

1)对影响民生、安全隐患较大的自来水和燃气等压力管道进行临时迁改；

2)将污水管内污水进行截流并强制排放；

3)其他敏感的通讯管线进行开挖裸露后悬吊,防止浆液堵管；

4)将管线周边土体加固调整为搅拌桩,以降低加固压力,减小土体隆起；

5)加强监测,做好与产权管理单位的协调工作,确保管线安全运营。

5.2 加固薄弱区的存在

受地下管线位置影响,弱电、污水管等管线下方土体未得到加固局部位置沉降较大。

应对措施：1)将管线位置的桩位调整至管线周边,即在管线周边打设密排旋喷桩或搅拌桩；2)洞内采用小导管注浆、WSS注浆进行局部辅助补加固。

5.3 受高水位影响较大

五浦河侧向径流及地下水对旋喷桩形成浸泡,影响桩体成型和强度,洞内开挖面和初支面渗水较大。应对措施：

图4 污水强排、悬吊保护示意图

1)沿开挖轮廓线左右两侧3 m打设密排高压旋喷桩或水泥搅拌桩止水帷幕；

2)地表井点降水；

3)洞内勤排水；

4)加强初期支护及二衬防排水,防、排、截、引、堵相结合。

5.4 洞内局部沉降变形大

应对措施：

1)加强支护措施,拱架连接采用工字钢；

2)临时仰拱拱架提高一个规格；

3)增加锁脚小导管数量；

4)拱架落底采用木块、混凝土块支垫,以增加承载受力能力；

5)加强工序衔接,提高工效,以减少围岩裸露时间,及时支护；

6)控制好各施工步距,仰拱及二衬紧跟；

7)初支背后空洞注浆；

8)加强监控量测,做好应急预案,将安全隐患消除在萌芽状态。

6 结 语

1)对于穿越淤泥质粉质黏土软弱土层、高水位、覆盖层浅、大断面、长距离的浅埋暗挖隧道,良好的土体加固效果是控制沉降变形及确保安全顺利掘进的基本及必要的前提条件,采用地表高压旋喷桩进行土体加固的效果立竿见影,有效解决了上述问题,值得借鉴和推广使用。

2)洞内加固不论是采取钙塑管还是小导管,乃至WSS等注浆工艺的,对注浆的专业化程度要求很高,对其工艺要求非常严格,尤其是要根本解决注浆管内橡胶密封圈以及管外壁防止反串浆的密封效果的问题,才能确保注浆液在一定的压力下在土体的充分扩散从而取得良好的改良效果。目前行业内隧道注浆大多流于形式,给隧道掘进带来了极大的困难和安全隐患,需要从事隧道的施工单位及专业注浆单位潜心研究、反复试验,在行业内整体提升注浆水平。

3)洞内注浆加固费用低,因注浆压力小对地表及洞内影响小,对地表构筑物多和管线复杂地段，以及地表覆盖层厚尤其是短距离小范围的土体加固尤为适用,但工序多、工艺操作难度大,往往加固效果不理想、占用工期时间长、施工风险大；地表竖向加固工艺成熟、形式多样、运用广泛,对地表构筑物和管线少的地段和地表覆盖层浅以及长距离大范围加固尤为适用,加固效果较好、沉降变形可控、且占用工期时间短,因注浆压力大对既有构筑物及管线影响较大,可适当减小注浆压力,控制好水泥总用量。实施过程中要根据现场具体条件,灵活选择洞内和地表等土体加固方式,也可配合运用。

4)土体加固后要充分运用取芯检测、超前地质预报、钻孔探水、目测观察等多种形式对加固效果及渗水情况进行预判,开挖支护时要少扰动、快封闭,并应用监控量测信息反馈和优化设计方法,实现少塌方、少沉降、安全施工。

[1] 王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].合肥：安徽教育出版社,2004.

[2] 孙恒.城市地下工程浅埋暗挖地层预加固理论与实践[M].北京：中国建筑工业出版社,2009.

Study on the Reinforcement Method of Shallow Buried Tunnel which through the Soft Soil Layer

FUShunyi1,CHENLongfei1,WANGZhe2

2016-11-29

付顺义(1967—),男，陕西西安人，高级工程师，从事交通工程、市政工程的管理工作。

U455.4

B

1008-3707(2017)02-0039-04