论地铁建设中软流塑地层隧道暗挖技术

所属栏目：公路工程类论文
发布时间：2012-11-15 09:50:26  更新时间：2012-11-15 09:49:19

摘要：本文作者主要叙述某地铁1号线施工采用暗挖法，从隧道暗挖方法，离心模型试验两个方面阐述了自己的观念，供同行参考!

关键词：隧道暗挖地铁施工方案设计

工程概述

某地铁1号线东西贯穿市中心，由于地处主干道，建筑物、地下管线多，区间均采用浅埋暗挖法施工。该地区地质条件恶劣，地下有厚度不等的淤泥质软土，开挖后呈流状或塑状，成为软流塑淤泥质地层。软流塑淤泥质地层是在静水或缓慢的流水环境中沉积形成并含有有机质的细颗粒土，具有高压缩性、高灵敏度、低强度等特点，易产生蠕动现象，开挖后自稳能力极差，通常认为是不能注浆或注浆施工非常困难的地层。在这种地层采用浅埋暗挖法施工难度非常大，必须研究安全、可靠、合理的施工辅助方法，才能保证在开挖过程中隧道本身和地面建筑物和管线的安全。在我国常用的有：大管棚+小导管超前预注浆法、水平旋喷法、软弱围岩仰拱超前法、冻结法等，这些辅助工法都是通过注浆或冷冻，预先改善隧道开挖段土体的性质，增加土层的稳定性，保持隧道开挖过程中的安全和稳定。

1隧道暗挖方法

1.1人管棚+小导管超前预注浆法

1.1.1暗挖法施工的大管棚注浆辅助工法

管棚法是指软弱围岩隧道施工时，在工作面开掘前沿隧道顶部轮廓以一定的间距，沿洞轴以一定的外插角成外插状布置水平扩散孔，成孔后推入钢管，并通过向钢管压注水泥浆、砂浆或设钢筋笼注入水泥砂浆，形成孔系管棚作为超前支护，在超前支护条件下边开挖边做初期支护及永久衬砌。管棚法作为隧道和地下工程施工中的一种辅助支护手段，在我国和日本等工程界广泛应用，我国主要应用小直径管棚(直径108mm最常见)。

1.12大管棚工作机理

大管棚一般均安设住隧道顶部轮廓线外的0.5m处，属于传力结构为主、局部受弯为辅的传弯结构，是放在弹塑性地层一个半柔，半刚性的梁。通过大管棚进行注浆，改变周围上层性质，与大管棚成为一个整体，将地层荷载传给管棚下面的地层。管棚在施工中主要起到加固土体、与注浆后的土层联合承载和扩散和传递开挖释放荷载的作用。软流塑地层开挖过程中，释放的荷载通过管棚作用主要传递到支护结构上，任支护体系中，管棚的承载能力小是体系的控制性因素。

1.2暗挖法施工的小导管汁浆辅助工法

小导管是沿隧道纵向、住拱上部开挖轮廓线外一定范围内向前上方倾斜一定角度，或者沿隧道横向，在拱脚附近向下方倾斜一定角度密排的注浆花管。注浆花管的外露端通常支于开挖面后方的格栅钢架上，共同组成预支护系统。

小导管的工作机理：小导管沿隧道开挖轮廓线打入后，以一定的注浆压力向管内注入浆液，使松散破碎岩体和软弱高含水量土层胶结成整体，在隧道周边形成一加固层，提高围岩的自承能力。小导管和注浆加固后土层能起到梁效应、加固效应、隔断效应等作用。小导管注浆浆液一般采用水泥浆液、水泥水玻璃浆液和其他水泥类、化学类浆液。

1.3水平旋喷法

水平钻孔旋喷法是以高压泵为动力源，通过水平钻机钻杆、喷嘴把配制好的浆液喷射到土体内，喷射流以巨大的能量将一定范围内的土体射穿，并在喷嘴缓慢旋转和进退的同时切割土体，强制土颗粒与浆液混合。部分土体被喷射浆液置换，另一部分土体与水泥浆混合形成水泥土，其余土体在喷射动压、离心力和重力共同作用下，在横断面上重新排列，从而形成一个由水泥和岩土组成的固结桩体，固结体周围地层也因挤压渗透作用得到一定的加固。水平钻孔旋喷法可以在旋喷后插入钢筋以增强固结体的抗弯、抗剪强度。

1.4软弱围岩仰拱超前法

仰拱超前法加固机理：采用浅埋暗挖法施工时，为了避免出现软弱围岩开挖造成底部塑性区上鼓现象，必须采取尽早修筑初期支护仰拱的做法，使支护及时成环，可以拟制开挖断面底部的位移，缩小对围岩的扰动范围，改善结构受力情况，提高施工阶段的稳定性，大大减少对地面的影响。

软弱围岩仰拱超前法先开挖隧道的下部，在隧道中部打设长管棚和小导管注浆，对下导坑拱部进行加固和超前支护，并对隧道掌子面的地层进行注浆改良，开挖、施作下部初期支护;然后在隧道拱部打设长管棚和小导管注浆，开挖、支护隧道上部。软弱围岩仰拱超前法理论上将软弱围岩大断面开挖分割成2个断面进行开挖，先开挖埋深较深的下断面，下断面封闭成拱后再开挖上断面，避免一次开挖初期支护拱脚产生沉降。

1.5冻结法

冻结法是利用人工制冷技术，在地下开挖体周围需要加固的含水软弱地层中钻孔铺管，安装冻结器，然后利用制冷压缩机提供冷气，通过低温盐水在冻结器内循环，带走地层热量，使地层中的水结冰，使天然土变成冻土，形成完整性好、强度高、不透水的临时加固体，加固地层、隔绝地下水的目的，然后在冻结体的保护下进行隧道开挖，待衬砌支护完成后，冻结地层逐步解冻，最终恢复到原始状态。人工制冷以盐水、液氮和干冰直接在冻结器内汽化降温冻结。

冻结技术一般只是应用于规模较小的局部工程，冻结技术在很多方面还需要进一步的研究，如冻融过程中产生的附加应力、岩土材料的冻融弱化、冻胀融缩与地表移动、混凝土的低温冻害等工程难题。

2离心模型试验

软流塑淤泥质粉质粘土层区间隧道取模型率为100，利用同济大学离心实验室土工离心模拟试验机，对2种辅助工法下的隧道开挖进行室内模拟试验，试验数据2组，试验研究的目的为：

(1)软流塑淤泥质粉质粘土层区间隧道管棚法施工引起的地层移动规律及移动量(主要是地面沉降量、掌子面位移量)。

(2)软流塑淤泥质粉质粘土层区间隧道水平旋喷法施工引起的地层移动规律及移动量(主要是地面沉降量、掌子面位移量)。

2.1试验方案设计

2.1.1工程地质断面选取

针对地铁1号线某区间隧道K13+062.500～Kl3+502.650软流塑、淤泥质粉质粘土层的实际情况，选定2个地质断面进行试验。里程K13+468左线处淤泥质粘土层最厚，隧道断面大部分位于该地层中，施工中可能遇到的困难最大。

2.1.2模型率的确定

根据模拟的工程对象情况，结合几方面因素，确定试验模拟范围和试验的模型率。

(1)区间隧道横向土体的影响范围，按(45°-Q/2)的滑动体估算。

(2)模型箱的净空尺寸和离心机的最佳运行状态。

(3)尽可能减少模型率，以便使变形测量精度提高。

为此，拟定的试验模拟范围为40m，试验的模型率为100。

2.1.3支护材料的模拟

选择支护材料主要考虑支护结构在围岩变形压力、松弛压力作用下产生弯曲变形或压缩变形。实验中根据支护结构起的作用，按照等效刚度相似性原则及钢筋混凝土密度、泊松比，用物性稳定的LY2型铝材作为替代材料。

2.2试验结果

2.2.1试验1(断面1管棚施工)

试验1是模拟大管棚辅助工法下断面1的隧道开挖的变形和沉降。具体施工过程为：施工大管棚→超前小导管→开挖弧形导坑→拱部支护→下部开挖→边墙锚管注浆加固→下部初期支护→铺防水层、施工仰拱→铺防水层、模筑二衬混凝土。每步进尺0.5～1m。

在上台阶施工过程中，离心加速度达到5Og时，地表最大沉降为8.4Cm;离心加速度达到100g时，地表最大沉降为21.6cm;当下台阶施工结束时，地表最大沉降为29.4cm，隧道拱顶产生l4.0cm的竖向变形，且地表沉降的影响范围有所扩大。

在试验过程中，隧道边墙采用锚管注浆加固，边墙的侧向变形获得有效控制，但掌子面土体出现坍塌现象。因此，在设计和施工中要重视掌子面的加固。

2.2.2试验2(断面1水平旋喷法施工)

试验2是模拟水平旋喷法辅助工法下断面1的隧道开挖的变形和沉降。具体施工过程为超前水平旋喷法加固掌子面→开挖弧形导坑→拱部支护→核心土、中部开挖→两侧边墙、墙角水平旋喷法预加固→下部开挖→下部初期支护→浇筑仰拱→铺防水层、模筑二衬混凝土。每步进尺2m。

在上台阶施工过程中，离心加速度达到50g时，地表最大沉降为7.2cm;离心加速度达到lOOg时，地表最大沉降为18.0cm;当下台阶施工结束时，地表最大沉降为22.2cm，隧道拱顶产生9.0cm的竖向变形，且地表沉降的影响范围有所扩大。

由于隧道两侧、墙脚处进行了加固，隧道的侧向变形得到了有效控制，在试验过程中，掌子面土体出现坍塌现象。因此，在设计和施工中要重视掌子面的加固。

2.2.3试验3(断面2管棚施工)

试验3是模拟大管棚辅助工法下断面2的隧道开挖的变形和沉降。具体施工过程为：施工大管棚→超前小导管→开挖弧形导坑→拱部支护→下部开挖→边墙锚管注浆加固→下部初期支护→铺防水层、施工仰拱→铺防水层、模筑二衬混凝土。每步进尺0.5～1m。

在上台阶施工过程中，离心加速度达到50g时，地表最大沉降为7.8cm;离心加速度达到100g时，地表最大沉降为18.6cm;当下台阶施工结束时，地表最大沉降为23.4cm，隧道拱顶产生8.3cm的竖向变形，且地表沉降的影响范围有所扩大。

在试验过程中，隧道边墙采用锚管注浆加固，边墙的侧向变形获得有效控制，但掌子面土体出现坍塌现象。因此，在设计和施工中要重视掌子面的加固。

2.2.4试验4(断面2水平旋喷法施工)

试验4是模拟水平旋喷法辅助工法下断面2的隧道开挖的变形和沉降。具体施工过程为超前水平旋喷法加固掌子面→开挖弧形导坑→拱部支护→核心土、中部开挖→两侧边墙、墙角水平旋喷法预加固→下部开挖→下部初期支护→浇筑仰拱→铺防水层、模筑二衬混凝土。每步进尺2m。

在上台阶施工过程中，离心加速度达到50g时，地表最大沉降为7.1cm;离心加速度达到l00g时，地表最大沉降为l5.6cm;当下台阶施工结束时，地表最大沉降为20.1cm，隧道拱顶产生7.2cm的竖向变形，且地表沉降的影响范围有所扩大。

由于隧道两侧、墙脚处进行了加固，隧道的侧向变形得到了有效控制，在试验过程中，掌子面土体出现坍塌现象。因此在设计和施工中要重视掌子面的加固。

2.3验结论及建议

(1)根据4个试验情况，隧道变形主要表现为拱顶上覆土的下沉，在施工中要加固拱部的支护强度。

(2)在试验模拟条件下，水平旋喷的加固效果略优于大管棚法，但室内试验无法模拟水平旋喷施工对地层的影响。

(3)当掌子面用水泥浆加液态速凝剂进行加固后，从管棚法施工试验模拟的结果看，掌子面在整个开挖过程中都能稳定，地表的沉降也相应的大为减少，由此可见掌了面加固对施工和环境安全很重要。

(4)从力学指标看，断面l和断面2土层比较接近，断面2抗剪强度略大，自稳性强，侧向压力较小。类软流塑土是引起施工产生沉降和影响施工安全的主要因素，施工中要采取适当的预加固措施，改善土体性质。