复合地层盾构隧道联络通道涌水处置方案研究
复合地层盾构隧道联络通道涌水处置方案研究 复合地层盾构隧道联络通道涌水处置方案研究
詹 涛1,樊祥喜2
(1.南昌轨道交通集团有限公司,南昌 330038; 2.中南大学土木工程学院,长沙 410075)
摘 要:依托南昌地铁1号线盾构隧道联络通道工程,对富水复合地层条件下采用旋喷桩加固施工方案进行总结,并对联络通道施工发生的涌水、涌砂问题进行分析,提出针对性土体注浆加固结合降水井降水的处置方案。根据现场施工情况以及现场地表监控结果,处置方案能够保证该地层条件下联络通道施工安全顺利进行。
关键词:地铁;盾构隧道;联络通道;旋喷桩加固;涌水、涌砂;降水井;处置方案
地铁作为城市现代化轨道交通工具,承担着越来越重要的短程大客流运输任务。地铁结构对于外部的灾害防御能力比较好,但是对来自内部的灾害抵御能力较差。在地下狭小的空间里,一旦发生灾害,救援与疏散十分困难[1]。《地铁设计规范》(GB50157—2013)明确规定,城市地铁隧道修建过程中,当隧道连贯长度大于600 m时,为确保运营期间安全,需在两条隧道之间设置联络通道[2]。在富水条件下采用矿山法进行联络通道施工,容易造成流砂、管涌等事故。联络通道施工一直是地铁施工事故的多发点。如2003年7月1日上海轨道交通四号线发生的重大安全事故就是一个例子,由于联络通道的开挖而造成主隧道的破坏,直接经济损失达1.5亿人民币,整条线路延迟开通3~4年[3]。富水条件下联络通道施工的风险以及相应的研究越来越引起人们的重视。
富水砂砾复合地层条件下,由于地层的富水性以及砂层的强渗透性,施工时极易引发涌水、涌砂事故。近些年来,联络通道施工工法有所创新,主要有竖井与矿山法结合、隧道洞内矿山法、土体冻结法、顶管法等[4-5]。王晖[6]等通过对4种联络通道施工方法的特点、风险性等方面的分析与比较,提出富水砂层联络通道施工的优选方案为冻结法。张伟[7]对南昌地铁1号线越湖区间采用冻结法施工进行了介绍总结,并结合施工实践,进一步指出了冻结法在南昌地层条件下联络通道设计、施工中需注意的若干问题,为冻结法在南昌地铁后续联络通道设计施工中的应用提供借鉴。由于冻结法造价高,且土体冻胀及融沉及容易造成地层变形,甚至引发地表路面以及盾构隧道结构变形,应用方面具有一定局限性[8]。若采用其他针对性的隔水措施,由于施工经验以及地勘的不准确,地层中仍可能存在水路通道而引发涌水事故。在现场发生涌水事故后,能够第一时间应对,防止事态进一步恶化,同时提出针对性的处置方案显得尤为重要。
南昌市轨道交通1号线中~子区间前期采用旋喷桩加固并采用隧道内矿山法开挖,施工时发生涌水、涌砂事故。现场第一时间对涌水掌子面进行封堵并关闭安全门,并提出土体注浆加固结合降水井降水的处置方案。现场后续施工安全顺利进行,该处置方案具有一定的实践性,可为类似工程提供一定参考。
1 工程概况
南昌市轨道交通1号线中山西路站~子固路站盾构区间起止里程为SK13+016~SK13+681,区间隧道长665 m。区间设置1处联络通道,中心里程为SK13+289。
联络通道采用喷锚构筑法进行设计施工,衬砌采用复合式衬砌结构,即以钢筋网、喷射混凝土和钢架为初期支护,以模筑钢筋混凝土衬砌为二次衬砌,初期支护与二次衬砌之间设全封闭防水隔离层。联络通道为直墙半拱结构,净宽2 100 mm,净高2 750 mm,二衬400 mm;废水泵房净宽2 100 mm,净长3 100 mm,二衬400 mm,采用矿山法施工[9]。联络通道二衬采用C40模筑混凝土。联络通道设计衬砌结构见图1。
图1 联络通道衬砌结构断面(单位:mm)
1.1 工程地质概况
根据地质勘查报告,联络通道处地层层序自上而下依次为杂填土、淤泥质黏土、砂砾层、中风化泥质粉砂岩。联络通道处隧道埋深为15.9 m,联络通道开挖面顶部埋深为16.5 m。联络通道兼废水泵房基本上位于中风化泥质粉砂岩中。联络通道洞身开挖面从上往下依次为淤泥质黏土(0.2 m)、砂砾层(0.4 m)、中风化泥质粉砂岩(3.55 m)[10]。见图2。
图2 沿地铁方向地质纵断面(单位:m)
联络通道地表处于新洲路与中山西路交叉路口,东临抚河,西邻赣江,三面环水,地下水较丰富,区域地下水为第四系松散岩类孔隙水,局部为承压水,主要赋存于全新统(Q4al)冲积砂砾卵石层中,现场抽水试验显示该含水层综合渗透系数为110 m/d。联络通道处地面高程21.5 m,区域常年地下水位在地表以下7.5 m左右,主要接受赣江及抚河地表水体的侧向补给[10]。联络通道周边位置情况见图 3。
图3 联络通道周边位置情况
1.2 原设计施工方案
(1) 旋喷桩加固
针对联络通道实际情况及设计要求,联络通道地基加固采用φ600@450 mm二重管高压旋喷桩进行加固,其设计无侧限抗压强度≥1.5 MPa,渗透系数≤1×10-7 cm/s。根据联络通道位置条件,加固区域具体示意见图4、图5。
图4 联络通道加固平面(单位:mm)
图5 联络通道加固横剖面(单位:mm)
联络通道设计采用φ600@450 mm二重管高压旋喷桩对施工区域进行预加固,加固区域长度为两条隧道中线之间14 m,加固宽度为联络通道中线左右各5.5 m,加固深度范围为地表面以下17 m,加固嵌入岩层1 m。现场加固采用水灰比为1.5∶1的硅酸盐水泥,当旋喷桩插入预定深度时,按15~20 r/min的转速旋转旋喷管,实桩区以20~30 MPa压力输入水泥浆,空桩区水泥浆压力降低至5~10 MPa,同时以10~30 cm/min速度提升旋喷管。
(2) 联络通道开挖步骤
在完成旋喷桩加固后,联络通道施工采用矿山法进行设计施工。联络通道的施工步骤是:在区间隧道与联络通道接口处6环管片内采用内支撑加强,再以下行线盾构隧道为工作面,拆除正线盾构钢管片;采用台阶法开挖联络通道并及时施作初期支护,向另一侧正线隧道施工,在通道进洞以后对在盾构管片位置的土体进行反挑施工;待联络通道贯通后,立即施做联络通道二衬(含洞门环框梁二衬),待达到设计强度70%后,再开挖废水泵房,铺设联络通道和废水泵房的防水板,浇筑泵房的二衬;最后施作防火门。
2 现场涌水问题及分析
现场在联络通道开挖至1.0 m进尺时,掌子面左上角和右上角有少量清水流出,对掌子面上方钻设小导管并注浆后,渗水已封堵,无其他异常情况后,现场继续开挖。继续开挖过程中,发现开挖面砂砾层至少为1.5 m。在开挖至2.1 m进尺(第五榀格栅处),在开挖面靠右侧上部砂层与风化岩层交界面处突遇涌水,水量较大,中间夹杂泥沙(图6)。
图6 掌子面涌水、涌砂
根据现场情况,现场产生涌水、涌砂原因主要有以下几点。
(1)地勘显示联络通道开挖面砂砾层只有0.2 m,实际开挖时开挖面处砂砾层至少1.5 m,且具有极强的透水性。实际开挖情况与原地勘有明显出入,导致此处旋喷桩加固没有覆盖完全,加固效果不理想。尤其是砂砾层与风化岩交界面处,是整个注浆加固的最薄弱的部位。
(2)旋喷桩在钻进施工时,由于工人熟练度及操作方法原因,桩间垂直度存在偏差,桩与桩之间没有完全咬合,旋喷桩成桩效果不理想,桩与桩之间产生空隙,形成水路通道。
(3)开挖期间,正逢暴雨天气,地下水位升高,造成涌水、涌砂的进一步加剧。
3 现场处理方案及效果
3.1 现场应急方案
针对现场出现的涌水、涌砂情况,现场立即进行应急处理,对涌水、涌砂处采用棉被封填,埋设导流管,对整个掌子面采用沙袋进行封堵,掌子面未发生坍塌。为预防进一步的突发险情,现场决定启用安全门,在关闭安全门前,对已开挖的区域全部采用沙袋进行了堆填;安全门关闭后,只有少量清水从安全门缝隙流出,无漏砂情况。
联络通道地表处于新洲路与中山西路交叉路口,现场对通道地表可能发生沉降的区域进行临时围挡。联络通道掌子面涌水、涌砂后第一时间应对,且临近的新建中山桥正在养护,地面基本无行人及车辆通过,联络通道处地表未见裂缝等明显损坏。为排查潜在空洞情况,现场根据实际情况在围挡内共钻设19个垂直路面探孔进行探查;探孔深度均为8 m,除18号孔4 m位置有约30 cm空洞外,其他孔均无发现空洞现象,由此可以判定现场已初步控制影响范围内的风险。地表探孔平面布置如图7所示。
图7 地表探孔平面布置(单位:mm)
3.2 现场处置方案
联络通道开挖面上部约有1.5 m厚砾砂层,透水性极强,施工时容易发生涌水、涌砂事故。为确保开挖面稳定,防止产生涌水、涌砂事故,现场处置方案主要采取土体注浆加固并结合降水井降水的措施。
(1)土体注浆加固
现场对原有的19个地表探孔采用静压注浆的方式加固联络通道上方砂层,在联络通道下行线隧道采用洞内前进式注浆加固。通过注浆加固,提高开挖区域土体参数,防止由于联络通道涌水产生地表塌陷,同时对开挖面上部及前方的水路通道进行加固封堵。
(2)降水井降水
在原设计已完成旋喷加固区外设置6口深层井点降水井降水,使水位降低到地表以下16~17 m,确保联络通道在低压力水环境下,且具有一定自稳性、固结状态下的砂层条件下进行开挖。联络通道降水井平面布置如图8所示。
图8 降水井平面布置(单位:mm)
在降水井水位降水后,降水井中水位深度达到不超过中风化泥质粉砂岩与砾砂层交界面以上1 m位置时,检查安全门无漏水漏砂情况后,打开安全门后,在原开挖掌子面前1.0 m处打设3个3 m长地质探孔,确保无涌水、涌砂情况才可向前开挖。
4 现场处置施工效果
现场在完成上述处置方案后,对联络通道继续开挖。现场联络通道施工时开挖面稳定,开挖时只有点滴状渗水,未见漏砂情况。现场施工顺利进行。
降水井降水时,地层中孔隙水压力减小,有效应力增加,降水势必引起地表沉降;另一方面联络通道开挖引起地层应力重分布,地层产生沉降[12]。现场在降水井降水及开挖过程中,对联络通道进行地表沉降监测。测点布置以及现场监测结果如图9、图10。
图9 地表测点平面布置(单位:mm)
由图示可以看出,降水井降水后,地表测点都有明显沉降,由于前期旋喷桩加固及注浆加固的效果,地层参数提高,因此沉降值均不大;测点 1降水时沉降最大,为4.5 mm,推测可能是由于已开挖区域封堵不密实而引起沉降;联络通道下台阶开挖后,测点总体沉降均较小,其中最大值为测点2,最大沉降为10.5 mm,满足沉降控制标准30 mm[13]。地表沉降结果表明,后期处理方案能够保证联络通道地层开挖变形要求。
图10 地表沉降现场监测曲线
5 结论
(1) 联络通道涌水事故后,现场第一时间对开挖面进行应急封堵,避免了事态进一步恶化。采取土体注浆加固结合降水井降水的处置方案,继续开挖后开挖面稳定,开挖时只有点滴状渗水,无漏砂情况,说明后续施工方案能较好应对该富水砂层条件下涌水、涌砂事故。
(2) 针对联络通道降水以及开挖可能引起的地表沉降问题,现场监控结果表明,由于前期旋喷桩加固以及处理时土体注浆加固作用,降水以及开挖引起的沉降均较小;联络通道开挖后最大沉降为10.5 mm,满足地表沉降控制标准30 mm,说明该处置方案能够满足地层沉降变形要求。
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Study on Disposal of Water Inflow in Connected Aisle of Shield Tunnel in Complex Strata
ZHAN Tao1, FAN Xiang-xi2
(1.Nanchang Rail Transit Group Limited Corporation, Nanchang 330038, China;2.School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)
Abstract:Based on the construction of connected aisle of shield tunnel in Nanchang rail transit line 1, construction schemes of grouting pile reinforcement in watery complex strata are summarized. Problems of water inflow and sand inflow during the construction of connected aisle are analyzed and corresponding disposal program is put forward, which includes grouting reinforcement of soil and dewatering with dewatering well. Actual status and earth’s surface monitoring results of the construction site show that such disposal program can ensure the safe and smooth construction of connected aisle under this strata condition.
Key words:Subway; Shield tunnel; Connected aisle; Grouting pile reinforcement; Water inflow and Sand inflow; Dewatering well; Disposal program
收稿日期:2015-05-14;
修回日期:2015-06-03
作者简介:詹 涛(1981—),男,高级工程师,工程硕士,E-mail:[email protected]。
通信作者:樊祥喜(1990—),男,硕士研究生,E-mail:[email protected]。
文章编号:1004-2954(2015)12-0068-04
中图分类号:U231+.3
文献标识码:A
DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.12.016