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1、城市地鐵穿越軟流塑地層段的設計施工技術摘要:軟流塑地段圍巖自穩能力極差,易坍塌,嚴重時可能發生突水涌泥現象,地層加固難度較大。通過已經成功修建的工程實例重點剖析城市地鐵在穿越軟流塑地層時的設計施工技術,重點對洞內注漿加固、軟弱圍巖仰拱超前、水平旋噴加固、凍結加固法等施工輔助工法進行介紹和比選。同時對軟流塑淤泥質粉質黏土地層進行劈裂注漿的原理、可行性、加固范圍與擴散半行、注漿壓力、注漿量、漿體材料和配比、注漿效果等進行了研究。關鍵詞:城市地鐵;軟流塑地層;區間隧道;輔助施工工法;劈裂注漿0 前言 南京地鐵南北線一期工程珠江路站鼓樓站及鼓樓站玄武門站區間隧道采用淺埋暗挖法施工,區間為雙洞單線,線間2、距為15.217.2m,洞頂覆土厚約89m,隧道上部有多棟27層的居民樓,隧道下穿交通干線及多條市政管線。兩隧道分別有200多m全斷面穿越自穩能力極差的軟流塑淤泥質粉質黏土地層,而在軟流塑土層中修建礦山法隧道還沒有成功的經驗可以借鑒,如何保證道路、管線及建筑物的安全與正常使用是地鐵建設面臨的一個重大技術難題。因此南京地下鐵道有限責任公司審批成立了科研組,專題研究軟流塑淤泥質粉質黏土地層的淺埋暗挖區間隧道施工技術,歷時一年半優質高效完成了科研任務。1 軟流塑地層礦山法隧道施工難點 軟流塑淤泥質粉質黏土具高壓縮性、高靈敏度、低強度、易變形等特性,易產生蠕動現象。這種特性給隧道施工帶來諸多困難。 開3、挖后自穩能力極差,易坍塌,嚴重時可能產生涌泥現象使施工無法進行。 施工過程中地面沉降難以控制,太大的沉降易引起路面開裂甚至塌陷而影響交通安全。 太大的沉降易造成地下管線破裂及建筑物開裂。綜上所述,在該地層中用礦山法修建隧道必須對土體進行預加固,提高土體硬度及自穩能力方可進行隧道掘進。2 結構設計方案 科研組在進行了大量的數值計算和模型試驗后, 確定該區間隧道按施工過程中的信息反饋進行動態設計。施工圖預設計確定結構為復合式襯砌,初期支護為錨噴支護,二次襯砌為模筑鋼筋混凝土襯砌,過樓房段初期支護為模筑混凝土襯砌。3 施工輔助工法的比選 目前常用的輔助工法有:洞內注漿加固法、軟弱圍巖仰拱超前法、水平4、旋噴加固法、凍結加固法。3.1 洞內注漿加固 拱部土體加固:在隧道拱部150范圍靜壓頂入108長管棚,注漿加固范圍1.5m,大管棚搭接長度3m,環向間距0.35m;在大管棚之間不開孔直接頂入32小導管并注漿,小導管環向間距0.35m,搭接長度1.5m。鋼管打孔注入32.5級水泥-水玻璃雙液漿;邊墻采用25中空錨管注漿加固。 掌子面土體加固:采用13m長PVC中長管對隧道掌子面劈裂注漿,加固開挖輪廓線以內的地層,防止開挖過程中發生洞內突泥。注漿順序應先四周后中間,中間檢查孔兼排水孔,以利于軟土地層中的孔隙水在注漿過程中受到擠壓時能順利排出。設計施工順序見圖1、2、3。 最后在管棚與加固拱圈的保護5、下進行隧道掘進。 該工法在軟弱地層淺埋隧道施工中能有效控制地面沉降,技術成熟,施工簡單,造價較低。3.2 軟弱圍巖仰拱超前法 先開挖隧道的下部,在隧道中部靜壓頂入108長管棚并注漿,對下導坑拱部土體進行超前加固,同時施做下部初期支護,封閉下導坑,然后開挖上臺階。設計施工順序見圖4。 該工法由于上部開挖形成的上拱圈可以落在下部的基礎之上,在軟弱地層淺埋隧道施工中能很好的控制地面沉降及拱頂下沉,較好的控制掌子面的位移,但工序復雜、工期長且施工組織難度大,工程造價較高。3.3 水平旋噴加固法 利用鉆機鉆孔,把帶有鉆頭的噴漿管鉆進地層的同時鉆頭上的噴漿孔開始噴漿,鉆頭旋轉攪拌土體,將軟土與漿液強制拌和6、,發生一系列物理、化學反應,凝結成整體性、水穩性都較好的高強度的漿液加固體,在固結體的保護下進行隧道的開挖與支護。設計施工順序見圖5、6。 該工法能很好的控制地面沉降及拱頂下沉,但工法不成熟,屬新工法,新工藝,且水平旋噴機工效低,工程造價較高。3.4 凍結加固法 在要開鑿的隧道周圍布置108凍結鋼管,采用機械壓縮方法制冷,通過低溫鹽水在凍結器內循環,吸收松散含水地層的熱量,使地層冰凍,逐漸形成封閉的具有一定強度和穩定性的人工凍結巖土壁。同時在凍結孔內插入42鋼管增加土體強度。然后在凍結壁的保護下進行隧道的開挖與支護。設計施工順序見圖7。 凍結法作為一種特殊的施工技術,防水和加固地層能力強,又不7、污染水質,特別適用于涌水、流沙、淤泥等復雜不穩定地質條件下的土木工程施工。但冷凍需要大量氟利昂,會造成環境污染,且冷凍法工期長,造價昂貴,凍結過程中的凍脹現象與解凍過程中的融沉現象不易控制。3.5 施工輔助工法的確定 經過工期、造價、社會效益、施工可行性等方面的綜合比較后,根據工程特點決定在軟流塑地層段采用洞內注漿加固法,短臺階開挖;軟流塑地層過樓房段采用軟弱圍巖仰拱超前法。4 高壓劈裂注漿 工程施工前在軟流塑淤泥質粉質黏土地層中注漿還沒有成功的工程實例可供參考,科研組必須研究確定注漿加固的原理、可行性、加固范圍與擴散半徑、注漿壓力、注漿量、漿體材料和配比、注漿效果等。4.1 注漿加固的原理 8、對于有一定滲透性的地層,采用中低壓力將漿液壓注到地層中的裂隙、裂縫、空隙里凝固后將巖土和顆粒膠結為整體,稱為滲透注漿。而該工程地層顆粒更細,屬于不透水、滲透性差的淤泥質地層,可注性差,經過室內、室外注漿試驗確定采用高壓劈裂注漿。原理是高壓將漿液強行擠壓進地層,壓密孔洞周圍土體,使土層劈裂即土體內突然產生網狀裂縫,吃漿量突然增加,使漿液填充并凝結于裂縫中達到擠壓加固土體的目的。4.2 注漿壓力的確定 根據地層條件、施工條件、涌水壓力、理論計算和現場試驗,確定注漿壓力控制在1.01.5MPa。首先壓力定在1.0MPa,如果注漿順利且無地表隆起現象,則可適當調高注漿壓力,否則應降低注漿壓力。當注漿量9、達到設計注漿量的80%以上時可逐步降低壓力,注漿終了壓力應控制在1.0MPa。 注漿壓力理論計算公式為:puhtan2(45+/2)+2ctan(45+/2) 式中:pu為劈裂注漿的極限壓力,MPa;為土的重度,KN/m3;h為注漿孔的深度,m;c為土體黏聚力,KPa;為土的內摩擦角。 計算得到大管棚注漿壓力:pu=1.01.5MPa 掌子面中長孔注漿壓力:pu=0.51.5MPa,若進行二次注漿,則第一次注漿壓力pu=0.60.8MPa,第二次注漿壓力pu=1.01.5MPa。小導管注漿壓力:pu=0.61.0MPa。4.3 注漿加固范圍與擴散半徑 漿液擴散半徑理論計算公式:R=(0.60.10、7)L0,式中:L0為小導管之間的中心距離,m;R為擴散半徑,m。 計算得到R=0.420.49m,結合經驗法確定隧道洞周單根注漿管擴散半徑為0.5m,加固范圍為開挖輪廓線外1.5m范圍內土體,設計小導管長度為3.m,傾角14.5,搭接長度1.5m。掌子面注漿加固范圍為13m,每循環開挖9m,留4m作為止漿巖盤。4.4 注漿量 單管注漿量計算公式:Q=LR2v式中:Q為單孔注漿量,m3;L為注漿段長,m;R為漿液擴散半徑,m;v為注漿段土層孔隙率;為漿液損失率,取1.25。4.5 漿體材料與配比 根據注漿工程的需要,水泥-水玻璃漿液的作用可以分為加固和堵水兩方面,兩者對凝膠時間、抗壓強度有不同11、的要求。該工程注漿的主要目的是加固地層。在科研階段對不同注漿管采取了不同的注漿材料試驗。 大管棚:PO3.25級水泥-非堿性水玻璃雙液漿(亦稱CS漿液),水玻璃濃度為2540Be,模數2.43.4,漿液水灰比0.6310.831,水泥漿液與水玻璃的比例為131。這種漿液克服了單液水泥漿凝結時間長且不宜控制、結石率低等缺點,但需要將普通的水玻璃(呈堿性)用酸直接酸化使其成為酸性水玻璃或者進行脫鈉處理制成硅溶膠才能使用。 小導管及中長PVC管:采用HC-T凝膠時間可調超細單液漿,凝膠時間為4060min,水泥標號42.5級。實驗表明HC-T凝膠時間可調超細單液漿注漿效果明顯好于水泥-水玻璃雙液漿,12、但考慮工程造價因素在施工階段大部分地段還是采用了雙液漿。4.6 注漿管施工 軟流塑土體中成孔困難,且在成孔過程中會造成土體的較大變形,根據軟流塑土體的力學特性,采用液壓頂進施工大管棚,土層不開洞,在大管棚之間頂入小導管。鋼管在頂入過程中擠壓周圍土體,排出部分水分,起到加固土體的目的,同時對土體的擾動較小,管棚施工完畢地面變形在24mm,表明大管棚施工對地表影響很小。4.7 注漿效果 掌子面開挖情況表明劈裂注漿起到了加固土體的應有效果。漿脈分布明顯,注漿孔周圍有明顯的擠密漿體,取樣檢測注漿加固體的抗壓強度達到18.6MPa。5 施工效果 軟流塑地段于2003年6月全部安全施工完畢,保證了地面建筑13、物及地下管線的正常使用。 地面建筑物除個別民國時期建的毛石基礎的舊房子有小的裂縫外,其余建筑物均未出現裂縫,僅有小的傾斜,傾斜值滿足規范允許值。 現場監控量測拱頂下沉值不超過30mm,表明施工工法有效的控制了地面沉降。 掌子面開挖過程中對漿脈網的觀察表明,漿脈呈縱向和水平分布,與理論分析吻合,對加固土體取樣測試,物理力學指標均達到了加固要求。6 結論 南京地鐵南北線一期工程珠江路站-鼓樓站及鼓樓站-玄武門站區間隧道采用短臺階開挖法,輔以大管棚加小導管超前預注漿加掌子面注漿加固、改良地層,成功通過了軟流塑淤泥質粉質黏土地段,拓寬了淺埋暗挖法的應用范圍,可以為其它城市地下工程在類似地層的施工提供一些寶貴經驗。參考文獻:1中鐵隧道勘測設計院有限公司.南京地鐵軟流塑地層淺埋暗挖隧道和大跨度淺埋暗挖隧道群穿越舊建筑物群施工技術總報告R.洛陽:中鐵隧道勘測設計院有限公司,2003.2鄺建政.巖土注漿理論與工程實踐M.北京:科學出版社,2001.3夏明耀.地下工程設計施工手冊M.北京:中國建筑工業出版社,1999.4梁炯鋆.中國錨固與注漿工程實錄選M.北京:科學出版社,1995.5陶龍光,巴肇輪.城市地下工程M.北京:科學出版社,1999.