富水軟弱地層淺埋暗挖大斷面隧道開挖步序調整研究

楊 寧 付 財 楊志剛魏可東

(1.北京中煤礦山工程有限公司,北京 100013;2.礦山深井建設技術國家工程研究中心,北京 100013)

0 引言

伴隨著我國城市地下軌道交通的快速發展,淺埋暗挖施工技術以其地面擾動小、無污染、無噪聲,兼顧開挖與澆筑等多種優勢,在地下空間的開發中得到了越來越多的應用[1-3],但是,對于地下水豐富、水位較高、開挖斷面巨大的軟弱地層,淺埋暗挖法又存在著諸如涌水、涌砂、開挖面失穩、變形較大等工程風險[4-6]。在此背景下,軟弱圍巖淺埋暗挖工程的加固與掘砌方法的選取顯得尤為重要[7-8]。

近年來,針對軟弱地層圍巖加固方法,相關專家學者進行了大量的探索研究,開發了包括超前小導管加密注漿、水平旋噴樁、人工凍結等一系列技術對富水軟弱地層進行加固[9-13]。但注漿與旋噴樁技術不能保證無滲水風險,且在開挖過程中,開挖面的穩定性也難以得到有效保證。人工凍結技術以其優異的止水效果與地層加固功能,目前已成為我國大部分地區施工淺埋隧道穿越富水地層的重要方法之一[14-16]。

本文以廣州地鐵11號線云大區間二期道岔渡線段52 m 暗挖主隧道工程為研究對象,綜合考慮多方面因素后對現場開挖步序實施調整,并加強施工過程中的變形數據監測,順利完成了該工程的開挖構筑工作,大大縮短了工期,為后續類似條件下淺埋暗挖工程的推廣應用起到了較好的借鑒作用。

1 工程簡況與地質條件

廣州地鐵11號線云大區間二期道岔渡線段是在原有云大一期施工完成的1#橫通道進行主隧道的凍結、暗挖構筑工作,隧道沿東西走向分為兩個部分,分別為道岔渡線段73 m 暗挖主隧道和52 m 暗挖主隧道,隧道平面布置如圖1所示。本文研究的對象為道岔渡線段52 m 暗挖主隧道部分。

圖1 道岔渡線段主隧道平面布置

根據現場地質資料顯示,道岔渡線段52 m暗挖主隧道主要穿越素填土＜1-2＞、可塑狀砂質黏性土＜5Z-1＞、硬塑狀砂質黏性土層＜5Z-2＞、全風化混合花崗巖＜6Z＞等。穿越地層主要為可塑狀砂質黏性土和硬塑狀砂質黏性土,全風化且呈堅硬土狀,遇水易崩解,工程水理性質差,圍巖穩定性較差。隧道頂覆土厚度為11.4～14.8 m,相應地質縱斷面如圖2所示。

圖2 廣州云大區間道岔渡線段地質縱斷面

本工程范圍勘察揭露的地下水位埋深為1.80～18.10 m,其變化與地下水的賦存、補給及排泄關系密切,并受季節變化影響。每年4～9月是地下水的補給期,水位會明顯上升,10月到次年3月為地下水消耗期和排泄期,地下水位隨之下降,年變化幅度為2.5～3.0 m。

據此,經反復論證后,主隧道暗挖工作采用水平凍結加固圍巖土體后,再進行相應的暗挖施工。

2 施工方案

根據設計要求,隧道施工采用水平凍結加固外圈圍巖后,進行后續開挖及結構施工,其中腰線以上凍結壁設計厚度為3.0 m,腰線以下凍結壁設計厚度為2.0 m,隧道采用現澆混凝土結構,隧道結構根據截面尺寸不同,分為A 型斷面和B型斷面,尺寸大小分別為:11.80 m×15.40 m(高×寬)、12.15 m×16.50 m(高×寬),結構厚度分別為650 mm、700 mm,具體的結構尺寸如圖3所示。

圖3 道岔渡線段大斷面暗挖段結構斷面

2.1 施工難點分析

(1)暗挖主隧道水文地質條件復雜。沿線穿越花崗巖殘積土、斷裂破碎帶等不良地質層,地下水水位較淺,水位埋深為1.80～18.10 m,并且地下水位的變化與其賦存、補給及排泄關系密切,開挖過程中可能會出現涌水、涌砂及開挖面失穩的情況。

(2)隧道淺埋暗挖安全風險高,變形控制要求嚴苛。道岔渡線段主隧道拱頂覆土厚度11.4～14.8 m,工點緊鄰白云山5A 風景區及廣園城市快速主干道,在整個凍結和開挖過程中需要嚴格控制變形發展,避免對地面環境造成惡劣影響。

(3)工期要求緊張。根據項目工期安排,廣州云大區間道岔渡線段52 m 暗挖主隧道原定2021-07-22開挖,但由于現場前期準備不足,實際開挖日期為2021-08-22,工期較原計劃壓縮了1個月,完成既定的開挖任務面臨著較大的工期壓力。

2.2 原設計開挖方案

根據原設計要求,廣州云大區間道岔渡線段52 m 暗挖主隧道,在冷凍法外圈支護加固達到預期條件后,通過一期施工完成的1#橫通道進行主隧道的開挖構筑工作。原設計工序采用CRD法開挖,將開挖斷面分為4個洞室開挖,設計施工步序為:一洞室→二洞室→三洞室→四洞室,各洞室錯開10 m 進行開挖施工,相應的設計開挖步序圖如圖4所示。

圖4 道岔渡線段設計開挖步序

但是,在隧道實際開挖過程中,一期完成的1#橫通道作為材料與渣土的主要運輸通道,其原始標高難以滿足一、三洞室的開挖施工要求,需在原有施工平臺上標高基礎上澆筑2.2 m 高混凝土以滿足進洞要求,而開挖下部二、四洞室又需將回填混凝土鑿除。因此,按照原“一洞室→二洞室→三洞室→四洞室”開挖步序,需反復澆筑鑿除混凝土平臺,工序交替繁瑣,造成不必要的人力、物力浪費。此外,各洞室只能單洞室作業,不能同步實施,現場的出土及開挖工作也受到較大限制,嚴重制約工期。

2.3 開挖工序調整

為了有效減少各洞室間干擾,現場對道岔渡線段52 m 暗挖主隧道開挖施工步序進行了相應調整,調整后的開挖步序為:一洞室→三洞室→二洞室→四洞室,一洞室初支閉合超前15 m 后,進行三洞室的開挖。步序調整后及時進行初支閉合施工,加密開挖過程中的監控量測,綜合分析監測數據和開挖情況,實時調整開挖過程。調整后的開挖步序圖如圖5所示。

圖5 調整后道岔渡線段開挖步序

2.4 計算分析對比

為了確保開挖工序調整的可行性,運用數值模擬軟件進行開挖步序調整前后通道豎向位移和水平位移的預測發展情況,相應計算參數選取如下:

(1)土體和凍結加固土均為各向同性體;

(2)土體本構關系都為線彈性;

(3)凍土帷幕形成后取厚度為3.0 m;

(4)平均溫度為-10 ℃的等溫體。在-10 ℃時的強度參數取:單軸抗壓強度不小于3.6 MPa,彎折抗拉強度不小于2.0 MPa,抗剪強度不小于1.5 MPa。凍土物理力學指標模擬參數:彈性模量統一取值為150 MPa,泊松比為0.25;

(5)前期橫通道在開挖過程中,凍土的溫度恒定,即不考慮開挖對凍土溫度的影響。

底面土采用固定約束,兩個側面為法向約束,縱向側面也為法向約束,上表面為自由約束。在模擬施工過程時,土層凍結、初支澆筑均通過材料改變屬性的完成。模擬時技術參數見表1 和表2。荷載包括水土壓力、結構自重和地面超載,水土壓力、結構自重由程序自動生成,計算結果中相應的位移云圖如圖6所示。

表1 地層計算參數

表2 其他結構計算參數

由圖6水平位移云圖可以看出,采用設計開挖步序情況下,在開挖過程中,土體的最大水平位移發生在中隔墻位置,進行2導洞開挖時大小為18.5 mm,進行3導洞開挖時,最大水平位移值為-14.80 mm;而調整開挖步序后,開挖過程中,土體的最大水平位移發生在左上角位置,進行3導洞開挖時大小為11.6 mm,進行2導洞開挖時,最大水平位移值為-13.6 mm。相較于原始設計開挖步序,水平位移相對減小。

圖6 52 m 暗挖主隧道開挖步序調整前后水平位移云圖對比

圖7為暗挖主隧道開挖步序調整前后豎向位移云圖對比。由圖7豎向位移云圖可以看出,步序調整后,在豎直方向上,拱頂沉降和拱底隆起相較于原開挖步序均發生了一定程度的增大,尤其是在施工2導洞過程中,下臺階開挖對中隔壁豎撐角點擾動,開挖過程造成每2～3榀進尺中隔壁角點支撐土體懸空,使上半斷面拱架內力突變,拱頂沉降明顯加大。

圖7 52 m 暗挖主隧道開挖步序調整前后豎向位移云圖對比

2.5 開挖步序調整優化

由計算結果可以看出,開挖步序調整后,拱頂沉降和拱底隆起均相應地增大。為了保證開挖過程的安全,對中隔壁附近臨時仰拱采取相應的加固措施,以提高聯合承載能力,具體措施如下:

(1)中隔壁臨時仰拱節點分布采用φ25@200 mm 聯接鋼筋加密布置;

(2)下臺階插打φ42 mm注漿鋼花管,對側向土體加固,同時對中隔壁臨時仰拱節點提供承載力;

(3)Ⅲ序開挖要求保持一榀的進尺,每榀進尺需及時架立中隔壁型鋼;

(4)對中隔壁關鍵受力部位埋深監測軸力計,以便進一步驗證豎撐受力特征,用以指導施工,以及建立預警應急機制。

具體加固方案如圖8所示。

圖8 調整開挖步序后節點加固措施

3 變形監測分析

3.1 主要監測項目及方案

3.1.1 拱頂沉降監測

拱頂沉降監測結果是隧道拱頂內壁的絕對下沉值。拱頂下沉量測屬位移量測,其量測數據是判斷支護效果、指導施工工序、驗證施工質量和施工安全的最基本的資料。拱頂下沉量測應與凈空收斂量測布置于同一斷面上,每隔5 m 布置一個測點,監測頻率由原先2天1次,加密為1天1次。

3.1.2 水平凈空收斂監測

根據地質條件、圍巖應力大小、施工方法、支護形式及圍巖的時間和空間效應等因素,確定觀測斷面和測點位置。觀測斷面間距應小于洞徑的2倍;初測觀測斷面應靠近開挖掌子面,距離小于1.0 m;測點布置應優先考慮拱頂、拱座和邊墻,若遇軟弱層應在其上下盤設測點。具體隧道斷面測點布置如圖9所示,主要的監測項目及監測參數如表3所示。

圖9 隧道斷面測點布置

表3 主要監測項目及相應參數

3.2 監測結果分析

道岔渡線段52 m 暗挖主隧道于2021-08-22至2021-12-24進行開挖及初支構筑工作,在整個開挖過程中全程進行監控量測,未出現涌水、涌砂、開挖斷面失穩等情況發生,相應的拱頂沉降及凈空收斂監測結果如圖10所示。

圖10 隧道開挖過程變形監測曲線

由監測數據可以看出,在整個開挖過程中,隧道的拱頂沉降、凈空收斂數據受不均勻凍脹影響存在一定的波動,但是,變形發展速率和累計變形量均小于相應的設計預警值,未出現變形速率發展加劇和累計變形值過高的情況,進一步驗證了開挖過程的安全性。

4 工期對比

對開挖步序調整前后的開挖周期進行對比,繪制工期對比直方圖,如圖11所示。

由圖11可知,開挖工序調整后,在整個開挖過程中橫通道回填平臺無需反復澆筑鑿除,出土順暢,減少了工序轉化所帶來的工期延誤,總開挖工期提前了約21%。

圖11 實際開挖工期與設計工期對比

5 結論

(1)廣州云大區間道岔渡線段52 m 暗挖主隧道按照設計開挖工序,1#通道回填混凝土需經歷反復回填鑿除,工序轉換繁瑣,人力物力浪費嚴重,現場出土效率低,在現場開挖工期壓縮1個月的情況下,難以按時完成暗挖施工任務。開挖工序調整后,上述問題均得到了較好的解決,能夠實現效益最大化,并且開挖工期較原設計工期提前了約21%。

(2)開挖工序方案調整后,利用數值分析軟件對開挖過程進行預測分析,結果顯示:開挖工序調整前后隧道水平位移受影響較小,但是在豎直方向上,在2導洞開挖過程中,下臺階開挖對中隔壁豎撐角點擾動,使得上半斷面拱架內力突變,拱頂沉降和拱底隆起相較于原開挖步序均發生了一定程度的增大。因此,在現場開挖過程中對中隔壁附近臨時仰拱采取了相應的加固措施,根據后續開挖監測結果顯示,在整個開挖過程中變形控制效果良好,未出現監測值超限的情況,加固措施起到了較好的抑制變形作用。

(3)為了保證開挖過程的安全,開挖步序調整后,現場加密了相關變形數據的采集頻率,根據現場實測變形數據結果可以看出,在整個開挖過程中,拱頂沉降和凈空收斂值均處于變形預警值范圍之內,變形曲線趨勢基本一致,未出現變形快速發展的情況,整個開挖過程安全可控,順利完成了廣州云大區間道岔渡線段52 m 暗挖主隧道的開挖施工任務。