浅谈富水软弱地层地铁隧道施工沉降控制技术

2022-09-11

地下空间作为城市的重要资源, 随着我国经济的快速发展, 城市地下空间的开发利用已经受到广泛重视, 特别是城市地下轨道工程的兴建已经成为一种趋势。然而, 在地铁工程的施工过中, 地表沉降事故发生的概率很高。在施工工期内, 地面沉降对工程周围的建筑物以及地下管线产生了较大的社会影响, 同时也影响了工程的进度, 增加了工程的费用。所以, 地铁施工对地表沉降控制要有足够的重视, 重点从施工方法、技术措施方面着手来控制地面沉降, 减少因地表沉降带来损失和影响。

1 地表沉降的主要危害

(1) 城市地铁工程一般位于城市的繁华地段, 周围建筑物密集、各种地下管线纵横交错, 一旦沉降控制不好, 将可能造成地表建筑物开裂、倾斜, 地下管线断裂等事故, 影响当地居民的正常生活, 造成各种纠纷, 也影响工程的正常施工, 还增加工程的费用。

(2) 由于沉降过大引起支护变形、失效, 造成地下隧道下沉或坍塌, 严重者造成施工现场的人员伤亡、设备损坏等。

2 地铁隧道工程施工沉降分析

2.1 地面沉降发生的机理

地下岩层或土层在自然状态下, 一般处于应力平衡的稳定状态。由于隧道施工, 必然会打破原有地层的应力平衡状态, 使之处于非平衡状态, 同时地下水的长期排出。这种状态可以在短时间内或者较长的时间效应变化之后表现出来, 导致支护变形、地面沉陷。

2.2 地铁隧道施工引起地面沉降发生的主要原因分析

(1) 土层自身的特点:天然土体一般是由矿物颗粒构成骨架体, 孔隙水和气体填充骨架体而组成的三相体系。当隧道开挖、地下水流必然破坏原有土体的平衡, 引起土体孔隙流体及气体体积减小、土颗粒空间的重新排列、颗粒间距离缩短, 骨架体发生错动, 从而发生土体变形。地下水总是在土层透水面先排出, 使孔隙水压力降低, 然后向土层内部传递。这种孔隙水压力降低的过程, 一方面取决于土层的渗透性, 另一方面取决于在土层中的位置。

(2) 施工方法的选择是否得当, 对预防沉降的发生是十分重要的。当施工方法、支护方法不当或者失效的时候, 难以使土层处于稳定状态, 隧道坑壁周围土层的松驰导至地层快速沉降。因此施工方法得当, 初支及时跟进, 可以快速限制坑壁周围土体松驰范围, 减少地表沉降量。

2.3 沉降控制技术的机理

隧道开挖洞壁周边土体产生松驰, 特别是隧道周围土体失水固结, 土体长时间的蠕变, 施工中必然会造成地层原始应力状态变化, 应力要重新分布, 同时还可能因长时间土体的蠕变, 使初期支护结构体系发生变形。因此对地层沉降控制, 其首要出发点是保持或者加强原有地层的稳定性, 减小或缩短土体变形过程, 及早维持其稳定的应力平衡状态是关键。另一方面是控制开挖之后长时间地下水流失带来的地层次生固结引起的地表沉降。

3 实例

3.1 工程概况

3.1.1 工程概况

深圳地铁5号线上水径站~下水径站的矿山法区间隧道段, 起讫里程右DK28+634.3~右DK28+790.0, 长155.7m, 左DK28+634.3~左DK28+792.785, 长158.485m。单洞马蹄型断面, 开挖断面积约38m2, 左右线线间距13.2m。

另外, 在左右线之间DK28+722.7处设有施工竖井一座, 竖井净空断面尺寸为5m×6m, 竖井深21.6m, 左右线之间通过横通道联系, 横通道为圆拱直边墙断面, 净宽5m, 净高8.4m, 面积约47.8m2。

3.1.2 工程地质及水文

区间暗挖隧道从上到下主要为素填土、粉质粘土、少量粉土、全风化角岩、强风化角岩, 隧道洞身主要在粉质粘土、全风化、强风化角岩中通过, 围岩等级为Ⅵ类。

隧道范围地下水主要为孔隙水及基岩裂隙水。孔隙水主要赋存在冲洪积砂层、圆砾层和残积层、全风化角岩中, 基岩裂隙水赋存于强风化及中等风化角岩中。地下水位埋深1.6m~3.63m, 水位变幅0.50m~2.00m。

3.1.3 隧道周边环境

(1) 在右线侧右D K 2 8+6 4 5~右DK28+700 (长度55m) 范围右侧基础侧穿17栋居民住宅楼, 楼层3~4层, 房屋基础为挖孔桩+钢筋混凝土圈梁基础, 基础埋深约2~3m, 基础所处地层为素填土、粉质粘土, 隧道拱顶埋深9~11m, 隧道处于粉质粘土、全风化、强风化角岩中。

(2) 线路在DK28+722.7~DK28+790 (左DK28+792.785) 段下穿或部分侧穿污水管、雨水管、燃气管、电缆电信等重要管线, 埋深在1.5m~3.0m。

3.2 主要施工方法、措施

3.2.1 主要施工方法

由于隧道穿过软弱土层地质、含水丰富, 地下水位较高, 洞身开挖面自身难以稳定, 在这样的地层条件下必须采取辅助措施, 才能保证洞内开挖能正常、安全的进行。其次, 是尽量做到隧道开挖过程中, 控制地下水的长期流失而造成地表沉降引起地面建筑物、管线沉降破坏。然而隧道开挖施工过程中不可避免会造成地下水流失, 但要尽量做到减少水量损失。

经过多方论证, 采取在隧道边线两侧打双排旋喷桩隔水帷幕, 之后帷幕内先进行回罐降水, 降低洞身开挖范围地下水位, 再按短台阶预留核心土进行开挖, 台阶长3m~5m, 进尺控制在一榀格栅 (50cm/榀) 左右, 拱部辅以超前注将小导管, 小导管环向间距30cm;以短循环, 快封闭、及时成环, 减少坑壁周围土体松驰变形, 并加强监测。

3.2.2 主要沉降控制措施

(1) 旋喷桩止水帷幕施工。

由于隧道开挖施工过程中、以及降水期间始终要引起地下水流失, 造成地表沉降, 为了减少地下水流失, 保证洞身能正常开挖, 在隧道 (右) DK28+645~右DK28+700 (长度55m) 、 (左) DK28+635~DK28+710 (长度75m) 段范围, 沿隧道边线两侧施工双层旋喷桩止水帷幕, 旋喷桩进入隧底2m~3m, 在帷幕框内, 两隧道间打降水井降水。

在隧道轮廓线外2m处施工双排φ600旋喷桩隔断墙, 间距45cm, 排距45cm, 减小隧道开挖对房屋的影响。旋喷桩桩底深入隧道底板以下, 桩长17m。旋喷桩平面布置见图1。

(2) 回罐降水施工。

降水是为了隧道能正常进行开挖。一般情况下要控制地表下沉是不宜进行降水施工, 采取措施后在有限范围内降水是可以控制地面沉降的。沿两隧道之间打设一排降水井进行降水, 降水井深度以地下水位控制在隧底下1.0m~2.0m, 降水深度为地面下15m~20m。降水井纵向间距以相邻降水井降水半径共同作用计算, 结合以往施工经验确定, 一般10m~12m。降水一般提前开挖15~25天, 且是距开挖面最近的1~2口井作业, 随开挖不断调整, 以减少降水影响范围。同时为了保证降水后周边建筑物地下水位基本不变, 采取在旋喷桩靠近房屋附近与降水井相对应设回罐井, 回罐清水, 以保证降水后房屋范围的地下水位基本不变。回罐井施工与降水井相同。

管井降水系统由潜水泵和管井组成, 本工程选用的潜水泵的扬程为h>30m, 流量为Q=6m3/h。井孔直径采用Ф700mm, 井管采用直径400mm的钢筋笼骨架, 由5×5铁丝网、1×1度锌铅丝网和尼龙丝网包裹钢筋笼构成。

(3) 地表注浆加固处措施。

降水及隧道开挖后始终要引起地下水流失, 造成地表沉降, 在降水施工前, 先对隧道附近房屋地基土进行注浆加固, 注浆一方面可提前将土层颗粒间空隙水排走, 用水泥浆或双液浆泥充填置换, 从而达到固结土层, 提高地基土的承载力, 另一方面也减少了土层的含水量, 从而减少隧道开挖过程中的失水量, 达到控制地表过大的沉降量;另外根据施工过程中的地表、房屋沉降监测情况, 对房屋地基土适时采取跟踪注浆或补偿注浆, 以进一步控制地表房屋沉降。

根据以往类似工程经验及本工程地质情况, 注浆加固方式采取垂直后退式袖阀管注浆方式, 注浆加固深度5m~7m。

1) 袖阀管注浆参数。

注浆点根据降水影响半径和类似工程降水施工经验确定, 本工点房屋距隧道边线只2m~4m, 因此, 对最近的第一排房屋四周进行注浆加固, 沿房屋基础外侧1.5m布置2排15~20度斜孔, 注浆孔间距1.5m, 孔深度7m, 孔径75mm;袖阀管直径50mm, 加固深度为房屋基础下5m~7m。袖阀管注浆见图2。

单液浆配合比为水泥浆水灰比1∶1。浆液注入率为不小于20%, 注浆压力控制在0.15MPa~0.2MPa。

单孔浆液扩散半径1.5m~2.0m范围的土体。

浆液注入流量:为防止浆液流失和孔位窜浆, 提高注浆孔位的约束性, 严格控制浆液注入率在7L/s~10L/s, 对填充型灌注亦不宜大于20L/s。

2) 注浆工艺顺序要求。

注浆次序按跳孔间隔注浆施工方法, 即按照先1, 3, 5……号点;其次2, 4, 6……号点。主要注浆工艺是: (1) 钻孔; (2) 下放塑料硬花管, 填放套壳料, 并封口; (3) 分段注浆。并根据地表沉降监测情况进行跟踪注浆, 跟踪注浆量按初步注浆量的20%考虑。

3) 洞内初支后面及时注浆措施。

洞内开挖初支成环后, 要初支背后进行注浆堵水。一方面由于开挖后扰动了周边土体, 破坏了原有土层应力平衡, 使初支背后不密实存在空隙, 注浆对其填充固结加固使初支尽早起到限制土体变形发展;另一方面可以起到堵水作用, 减少开挖后地下水的大量流失, 注浆管一般50cm~70cm。这个工序要根据初支渗漏水情况反复进行堵水, 最好使用双液浆。

3.2.3 施工监测

在开工前布好地面沉降监测点, 一般沿隧道轴线每10m布一个断面, 每个断面布5~6个点, 另外在房屋四周承重柱上布设监测点。特殊地段放宽监测范围, 地面房屋布在承重柱上, 监测初始值必须在降水进行前取得, 一般在抽水作业井 (或开挖面) 前30m~50m, 否则初始值不真实;洞内拱顶下沉、收敛点在初支成环后立即布设, 并及时取得初始值。根该区间隧道实际监测数据可以知道抽水期间地表沉降量较大, 特别是旋喷桩止水帷幕内的点沉降量明显较大, 帷幕外的点沉降量较小;以及下部开挖到成环期间沉降速率又有一次突变现象, 其后在初支背后注浆后沉降速率相对稳定。监测位置见图3, 监测数据见沉降监测数据表。