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[摘要]以北京地铁奥运支线奥体中心站~奥林匹克公园站区间隧道通过砂层的实例,主要介绍浅埋暗挖地铁区间隧道遇砂层时采用矿山法施工时开挖及初期支护的施工工艺。
[关键词]地铁 开挖 安全 施工工艺
中图分类号:TU9 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2008)0510036-02
城市地下铁路区间隧道,具有浅埋暗挖和地层软弱的特点,特别是遇砂层时围岩直立性差,易产生坍塌现象。为确保开挖及初期支护过程的施工安全,本文结合奥支线现场情况对过砂层从超前加固、开挖方式及初期支护等施工工艺方面做简要的概述:
一、工程概况
北京地铁奥运支线奥体中心站~奥林匹克公园站区间在K2+650~K2+840段穿越砂层段,该段为双线双洞隧道,结构覆土厚度16~10m左右,区间隧道左右线间距17m,由粉质粘土向粉细砂层过渡地段,粘土、粉细砂以及粉土交错分布,工程地质较为复杂。
二、具体的施工工艺
(一)总体思路
区间隧道在施工中必须以严格控制沉降防止坍塌,确保隧道过粉细砂层底部滞水层的安全为施工重点,过粉细砂层的核心是拱顶围岩的固结控制。
(1)根据区间隧道地层的特点,结合掌子面开挖的围岩变化与渗漏水情况,按照量测监控的数据,认真分析并及时反馈于现场,对开挖方法、支护方式及支护参数,随时进行调整;
(2)针对粉细砂层自稳性较差的特点,开挖采用“先注浆,后开挖,注浆一段,开挖一段”的原则;
(3)坚持“十八字”施工原则
采用“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”十八字原则,并坚持“先勘探,后开挖”的指导思想。
(二)施工工艺
依据地质剖面图,结合现场掌子面的围岩状况,该段地质状况较为复杂,在现场施工中必须严格按照设计要求,同时结合量测监控数据及时调整开挖步距、增设临时仰拱,增强支护参数,确保安全顺利通过。
1.施工管理过程
过程控制主要按照以下程序图,在动态中进行优化,确保施工安全、质量,具体程序见下图:
2.具体的施工方法
(1)预探、预警
为客观了解开挖前方地质水文、管道渗漏等情况,采取超前预探方法。在隧道开挖前用YT28重型风钻或洛阳铲施作3个5m深的探水孔。探水孔分别布设在拱部及两侧拱腰。探孔可能会出现以下几种情况,针对不同情况,分别采取措施:
a、水囊:根据探孔中水的流量、压力,判断水囊的大小。对于较大的水囊,扩大探测范围。在范围明确的前提下,一方面限量排放,同时注入与排放同等量的双液浆或TGRM特种浆液,直至将水囊中水排放完毕。小水囊采取直接排放,排放结束后利用探孔进行浆液填充。同时对设计降水井进行优化,积极与降水设计和降水施工进行联系。
b、空穴:采用1:2:0.3比例的水泥砂浆填充密实后再行开挖作业。初支施作完毕后及时回填注浆,回填注浆管采取预埋φ32无缝钢管,环向布设,根据空穴大小决定纵向间距,浆液采用结石率较高的材料,注浆压力控制在0.2~0.5MPa。
c、涌泥涌砂:根据已施工段揭露的地质情况,该段处于粉细砂层。由于渗漏水和上层滞水的影响,粘土层上部的细砂土体非常容易液化,可能会出现涌泥涌砂现象,造成较大沉降。因此,首先采取封堵的方法控制泥砂流失,然后用预设的钢管注入水泥浆,起到加固土体,提高土体的自稳能力。
(2)超前长短导管预注浆
超前长短导管,既可作为注浆导管,超前注浆加固土层,又可起到超前锚杆(小管棚)支护的作用。
超前小导管注浆施工包括施工准备、钻孔、安设小导管、掌子面封闭、注浆、效果检验等主要工序。一般采用φ32无缝钢管,长度1.5m,在拱部180°范围内布设,外插角控制在20°左右,管间距环向330mm,纵向间距1.0m,开挖步距按@=0.5m即每一榀施工一次超前小导管,搭接长度为0.5m。同时采用3m长超前导管预注浆加固,主要设在滞水界面上侧,两侧各2~3根,环向间距30cm。软弱地层采用风镐直接将导管顶入,较硬地层采用重型TUX-75型钻机钻孔,专用顶头顶入。
注浆采用双液注浆泵,浆液材料初步一般采用改性水玻璃双液浆,注浆压力一般控制在0.7Mpa左右,注浆材料、注浆方式及注浆压力在实际操作时将根据现场实际暴露的土体情况进行反复研究,及时进行调整。注浆结束程度以控制两侧不流砂为前提,如开挖时两侧出现涌砂,要立即用砂袋封填并用钢管、钢筋网片与喷射混凝土及时封堵相结合,使涌砂不能继续扩大,做到只流水不流砂。
具体情况见下图:
(3)临时仰拱法开挖
采用上下分别开挖方法,将大断面化成小断面施工,步步封闭成环,开挖顺序是每层开挖后再挖下一层,上下错开不小于5m。循环进尺0.5m,每个小洞室上半断面环形开挖留核心土,开挖后及时施作格栅钢架支撑并进行喷锚支护。
当上断面钢格栅立设完成后,及时施工临时仰拱,一般采用I20工字钢,间距同开挖步距与钢格栅间距一致,其主要作用为及时封闭上断面,使上断面形成一个整体,能够在开挖后最短的时间内进行初支背后注浆,最大限度减小开挖后的下沉,确保区间隧道的稳定。
拱部土方环形开挖,核心土距离拱顶约1.0m,施工上断面核心土保持在满足施工的最短长度1.5m。仰拱封闭的距离根据土体的稳定程度而定,稳定的可以短一些,不稳定的长一些,一般距掌子面2米左右为宜。
台阶法施工剖面图
开挖顺序如下:
(4)格栅钢架
钢格栅安装、挂网在隧道开挖并初喷3~5cm混凝土后进行。在施工过程中渗水极易造成流砂、坍塌,造成格栅拱脚下沉,引起整体结构沉降,为控制整个上拱的下沉量,施工过程应增设锁脚锚管并进行注浆。
采取增设锁脚锚管注浆,加大每部拱脚的承载力。锁脚锚管采用φ32钢管,L=2.5m,每部拱脚布设,根据现场地质情况选择注射水泥砂浆或水泥浆加固。
(5)初支背后回填注浆
初期支护完成2~3m左右,即可进行上拱初支背后回填注浆,以固结拱背后松散地层及充填可能存在的空隙,并最大限度地减少地层松动和地表沉降。
背后回填注浆管每断面布置三根,分别设于拱顶和两侧拱肩部位,纵向间距2~3m。注浆管采用φ42小导管,长度50cm,在喷射混凝土前预埋,并与格栅钢架焊接在一起,内端用牛皮纸包裹,外端露出支护表面10cm,用棉纱封堵加以保护。用0.3~0.5mpa压力注水泥浆(1∶1)。过程中采用反复注浆,第一次压浆时应封掌子面,待掌子面浆液流出时可停止,掘至6米时后再次进行注浆。
(6)掌子面内注浆加固
如果掌子面渗水严重,施工过程中为防止土体坍塌和水土流失,造成地表沉降。采用掌子面注浆加固:掌子面采用φ32钢管@1000,L=3m,梅花型布设,注浆前先用厚10cm C20喷射混凝土+φ6@150×150钢筋网封闭掌子面,注水泥-水玻璃双液浆。
(7)整治开挖面两侧墙水流时所使用的加固措施
区间隧道边墙两侧层间滞水是造成隧道坍塌的重要隐蔽之一,在处理此项工作应非常小心谨慎,不得马虎,应严格按以下几个步骤进行:
①边墙两侧预埋或施作3米长注浆管。
②一侧一侧开挖并及时进行封堵,封堵时可以采取麻袋装砂方法,原则是通过注浆可以固化全部回填物。
③封堵时采用钢管、钢筋和网片。
④通过预埋或施作的注浆管进行进行注浆固结。
⑤封堵时应尽可能做到边堵边喷,目的做到只流水不流砂。
⑥封闭抑拱后,应尽快进行注浆处理。
三、监控量测
在洞内加强拱顶和收敛监测外,同时加强对地表监测。沉降量测值是反映地表安全和稳定的重要数据,是隧道安全与否最直接、最明显的反映,易于实现量测信息的反馈。施工过程中要根据量测数据及时调整施工方案和支护参数。
四、结束语
结合现场施工的实际情况,采用矿山法通过砂层的重点与特点如下:
(1)过砂层核心是通过超前注浆将洞顶围岩固化,确保在开挖过程中拱顶的砂层不坍塌。
(2)本工程难点是拱顶围岩固化的有效程度。
(3)施工过程要严格进行地表沉降控制。
虽然该段区间隧道地表为空地,仅有中一路横向上穿,但必须以严格控制地表沉降作为施工控制的重点,严防塌方冒顶事故发生。
(4)地层中残留水的处理。
有效预防这种局部异常水给工程带来损失,是该隧道工程顺利施工的难点,同时控制流砂、涌砂,防止土体严重流失是该段暗挖隧道控制重点。
(5)过砂层特点是控制粘土与粉细砂界面的滞水。
(6)结合该段粉细砂的注浆效果,根据现场的实际情况要反复进行试验,及时调整浆液种类、注浆压力,进行动态施工。
作者简介:
王宁,工作单位:中铁电化局集团西安铁路工程公司有限公司安质部,职称:工程师。
[关键词]地铁 开挖 安全 施工工艺
中图分类号:TU9 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2008)0510036-02
城市地下铁路区间隧道,具有浅埋暗挖和地层软弱的特点,特别是遇砂层时围岩直立性差,易产生坍塌现象。为确保开挖及初期支护过程的施工安全,本文结合奥支线现场情况对过砂层从超前加固、开挖方式及初期支护等施工工艺方面做简要的概述:
一、工程概况
北京地铁奥运支线奥体中心站~奥林匹克公园站区间在K2+650~K2+840段穿越砂层段,该段为双线双洞隧道,结构覆土厚度16~10m左右,区间隧道左右线间距17m,由粉质粘土向粉细砂层过渡地段,粘土、粉细砂以及粉土交错分布,工程地质较为复杂。
二、具体的施工工艺
(一)总体思路
区间隧道在施工中必须以严格控制沉降防止坍塌,确保隧道过粉细砂层底部滞水层的安全为施工重点,过粉细砂层的核心是拱顶围岩的固结控制。
(1)根据区间隧道地层的特点,结合掌子面开挖的围岩变化与渗漏水情况,按照量测监控的数据,认真分析并及时反馈于现场,对开挖方法、支护方式及支护参数,随时进行调整;
(2)针对粉细砂层自稳性较差的特点,开挖采用“先注浆,后开挖,注浆一段,开挖一段”的原则;
(3)坚持“十八字”施工原则
采用“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”十八字原则,并坚持“先勘探,后开挖”的指导思想。
(二)施工工艺
依据地质剖面图,结合现场掌子面的围岩状况,该段地质状况较为复杂,在现场施工中必须严格按照设计要求,同时结合量测监控数据及时调整开挖步距、增设临时仰拱,增强支护参数,确保安全顺利通过。
1.施工管理过程
过程控制主要按照以下程序图,在动态中进行优化,确保施工安全、质量,具体程序见下图:
2.具体的施工方法
(1)预探、预警
为客观了解开挖前方地质水文、管道渗漏等情况,采取超前预探方法。在隧道开挖前用YT28重型风钻或洛阳铲施作3个5m深的探水孔。探水孔分别布设在拱部及两侧拱腰。探孔可能会出现以下几种情况,针对不同情况,分别采取措施:
a、水囊:根据探孔中水的流量、压力,判断水囊的大小。对于较大的水囊,扩大探测范围。在范围明确的前提下,一方面限量排放,同时注入与排放同等量的双液浆或TGRM特种浆液,直至将水囊中水排放完毕。小水囊采取直接排放,排放结束后利用探孔进行浆液填充。同时对设计降水井进行优化,积极与降水设计和降水施工进行联系。
b、空穴:采用1:2:0.3比例的水泥砂浆填充密实后再行开挖作业。初支施作完毕后及时回填注浆,回填注浆管采取预埋φ32无缝钢管,环向布设,根据空穴大小决定纵向间距,浆液采用结石率较高的材料,注浆压力控制在0.2~0.5MPa。
c、涌泥涌砂:根据已施工段揭露的地质情况,该段处于粉细砂层。由于渗漏水和上层滞水的影响,粘土层上部的细砂土体非常容易液化,可能会出现涌泥涌砂现象,造成较大沉降。因此,首先采取封堵的方法控制泥砂流失,然后用预设的钢管注入水泥浆,起到加固土体,提高土体的自稳能力。
(2)超前长短导管预注浆
超前长短导管,既可作为注浆导管,超前注浆加固土层,又可起到超前锚杆(小管棚)支护的作用。
超前小导管注浆施工包括施工准备、钻孔、安设小导管、掌子面封闭、注浆、效果检验等主要工序。一般采用φ32无缝钢管,长度1.5m,在拱部180°范围内布设,外插角控制在20°左右,管间距环向330mm,纵向间距1.0m,开挖步距按@=0.5m即每一榀施工一次超前小导管,搭接长度为0.5m。同时采用3m长超前导管预注浆加固,主要设在滞水界面上侧,两侧各2~3根,环向间距30cm。软弱地层采用风镐直接将导管顶入,较硬地层采用重型TUX-75型钻机钻孔,专用顶头顶入。
注浆采用双液注浆泵,浆液材料初步一般采用改性水玻璃双液浆,注浆压力一般控制在0.7Mpa左右,注浆材料、注浆方式及注浆压力在实际操作时将根据现场实际暴露的土体情况进行反复研究,及时进行调整。注浆结束程度以控制两侧不流砂为前提,如开挖时两侧出现涌砂,要立即用砂袋封填并用钢管、钢筋网片与喷射混凝土及时封堵相结合,使涌砂不能继续扩大,做到只流水不流砂。
具体情况见下图:
(3)临时仰拱法开挖
采用上下分别开挖方法,将大断面化成小断面施工,步步封闭成环,开挖顺序是每层开挖后再挖下一层,上下错开不小于5m。循环进尺0.5m,每个小洞室上半断面环形开挖留核心土,开挖后及时施作格栅钢架支撑并进行喷锚支护。
当上断面钢格栅立设完成后,及时施工临时仰拱,一般采用I20工字钢,间距同开挖步距与钢格栅间距一致,其主要作用为及时封闭上断面,使上断面形成一个整体,能够在开挖后最短的时间内进行初支背后注浆,最大限度减小开挖后的下沉,确保区间隧道的稳定。
拱部土方环形开挖,核心土距离拱顶约1.0m,施工上断面核心土保持在满足施工的最短长度1.5m。仰拱封闭的距离根据土体的稳定程度而定,稳定的可以短一些,不稳定的长一些,一般距掌子面2米左右为宜。
台阶法施工剖面图
开挖顺序如下:
(4)格栅钢架
钢格栅安装、挂网在隧道开挖并初喷3~5cm混凝土后进行。在施工过程中渗水极易造成流砂、坍塌,造成格栅拱脚下沉,引起整体结构沉降,为控制整个上拱的下沉量,施工过程应增设锁脚锚管并进行注浆。
采取增设锁脚锚管注浆,加大每部拱脚的承载力。锁脚锚管采用φ32钢管,L=2.5m,每部拱脚布设,根据现场地质情况选择注射水泥砂浆或水泥浆加固。
(5)初支背后回填注浆
初期支护完成2~3m左右,即可进行上拱初支背后回填注浆,以固结拱背后松散地层及充填可能存在的空隙,并最大限度地减少地层松动和地表沉降。
背后回填注浆管每断面布置三根,分别设于拱顶和两侧拱肩部位,纵向间距2~3m。注浆管采用φ42小导管,长度50cm,在喷射混凝土前预埋,并与格栅钢架焊接在一起,内端用牛皮纸包裹,外端露出支护表面10cm,用棉纱封堵加以保护。用0.3~0.5mpa压力注水泥浆(1∶1)。过程中采用反复注浆,第一次压浆时应封掌子面,待掌子面浆液流出时可停止,掘至6米时后再次进行注浆。
(6)掌子面内注浆加固
如果掌子面渗水严重,施工过程中为防止土体坍塌和水土流失,造成地表沉降。采用掌子面注浆加固:掌子面采用φ32钢管@1000,L=3m,梅花型布设,注浆前先用厚10cm C20喷射混凝土+φ6@150×150钢筋网封闭掌子面,注水泥-水玻璃双液浆。
(7)整治开挖面两侧墙水流时所使用的加固措施
区间隧道边墙两侧层间滞水是造成隧道坍塌的重要隐蔽之一,在处理此项工作应非常小心谨慎,不得马虎,应严格按以下几个步骤进行:
①边墙两侧预埋或施作3米长注浆管。
②一侧一侧开挖并及时进行封堵,封堵时可以采取麻袋装砂方法,原则是通过注浆可以固化全部回填物。
③封堵时采用钢管、钢筋和网片。
④通过预埋或施作的注浆管进行进行注浆固结。
⑤封堵时应尽可能做到边堵边喷,目的做到只流水不流砂。
⑥封闭抑拱后,应尽快进行注浆处理。
三、监控量测
在洞内加强拱顶和收敛监测外,同时加强对地表监测。沉降量测值是反映地表安全和稳定的重要数据,是隧道安全与否最直接、最明显的反映,易于实现量测信息的反馈。施工过程中要根据量测数据及时调整施工方案和支护参数。
四、结束语
结合现场施工的实际情况,采用矿山法通过砂层的重点与特点如下:
(1)过砂层核心是通过超前注浆将洞顶围岩固化,确保在开挖过程中拱顶的砂层不坍塌。
(2)本工程难点是拱顶围岩固化的有效程度。
(3)施工过程要严格进行地表沉降控制。
虽然该段区间隧道地表为空地,仅有中一路横向上穿,但必须以严格控制地表沉降作为施工控制的重点,严防塌方冒顶事故发生。
(4)地层中残留水的处理。
有效预防这种局部异常水给工程带来损失,是该隧道工程顺利施工的难点,同时控制流砂、涌砂,防止土体严重流失是该段暗挖隧道控制重点。
(5)过砂层特点是控制粘土与粉细砂界面的滞水。
(6)结合该段粉细砂的注浆效果,根据现场的实际情况要反复进行试验,及时调整浆液种类、注浆压力,进行动态施工。
作者简介:
王宁,工作单位:中铁电化局集团西安铁路工程公司有限公司安质部,职称:工程师。