城市轨道交通穿越高水位欠固结大孔隙率回填弃土区暗挖隧道设计与施工技术--中国期刊网

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城市轨道交通穿越高水位欠固结大孔隙率回填弃土区暗挖隧道设计与施工技术

发表时间：2021/5/17 来源：《基层建设》2021年第2期作者：姜建国

[导读] 摘要：本文以重庆轨道交通十号线工程上湾路站～环山公园站区间穿越欠固结回填弃土区隧道为载体，介绍城市轨道交通回填弃土区暗挖隧道设计与施工相关技术，并对施工过程中存在的问题提出了施工工艺优化建议，旨在为类似工程设计与施工提供参考与借鉴。

        中铁八局集团第一工程有限公司重庆 400053
        摘要：本文以重庆轨道交通十号线工程上湾路站～环山公园站区间穿越欠固结回填弃土区隧道为载体，介绍城市轨道交通回填弃土区暗挖隧道设计与施工相关技术，并对施工过程中存在的问题提出了施工工艺优化建议，旨在为类似工程设计与施工提供参考与借鉴。
        关键词：轨道交通暗挖隧道地下水欠固结回填弃土大孔隙率设计施工
        一、引言：
        穿越回填弃土区暗挖隧道目前传统施工技术主要利用帷幕注浆地下堵水，隧底软弱土层采用基底注浆及桩基托梁进行基底加固，控制基地下沉，隧道施工主要监测地表沉降、洞内净空收敛与拱顶沉降、初支应力等单项指标，总体利用新奥法原理进行隧道施工。

                         图2.1隧道周边环境平面
        针对穿越高水位欠固结大孔隙率回填弃土区暗挖隧道，传统单层初支难以有效抵抗变形。隧道净空狭窄，采用传统的钻机难以在洞内施作。实际施工中，大孔隙率欠固结回填土区隧道监控量测仅将地表沉降、洞内净空收敛及拱顶沉降作为控制值，不能满足《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911-2013）监测限值要求而引发造成隧道无法正常开展施工问题突出。
        二、工程概况：
        重庆轨道交通十号线工程上湾路站～环山公园站区间隧道位于渝北区回兴物流中心，全长1450.794m。其中区间隧道穿越回填土段长度约为185m，回填土区填土厚度最厚达61.7m，隧顶以上填土厚度约为31m。该段为双洞单线隧道，单洞宽度6.30～7.27m，高度6.60～7.60m。勘察资料表明，勘察期间（4～5月）填方区内存在地下水，水位标高在拟建隧道之上5～8m，勘察期间为平水期，而一旦到了雨季地下水必将更为丰富。该隧道施工区域地面较为平整，地面标高为270.3～277.6m，属于回填土区深埋隧道。

                             图2.2隧道地质剖面图
        回填土区域回填时间较短（4～5年），土体未完全固结，且土石多为无序的抛填，围岩级别超V级，极易发生坍塌、沉降，导致初支沉降变形大，施工过程中容易超过预警值、初支侵限、初支损坏，收敛不稳定，影响二衬施工。回填堆积体位于原始河流沟谷上，地下水量较大（13052.04<m3/d>），隧道主体结构位于常年枯水位线以下5m，洪水期达8m，隧道施工过程容易发生突泥、涌水等情况，施工安全控制及防水处理难度大。
        三、总体技术方案：
        隧道下穿回填土段及过渡段地质条件较差，设计采用φ76自进式管棚、φ42小导管进行超前支护，其中过渡段采用型钢钢架初期支护，回填土段采用型钢钢架与格栅拱架双层初期支护，回填土段洞底采用钢管桩加固地基处理。

        图3.1回填土段地下水位及隧道设计结构
        施工期间存在着塌方、冒顶、突水等工程风险，为降低施工安全风险，首先设置降水井进行降水施工。主要施工步序为：①、超前管棚、超前小导管施工；②、孤形导坑开挖，施作径向注浆管并注浆，施作第一层初期支护，打设锁脚锚管，施做下台阶超前小导管；③、开挖下台阶，施作径向注浆管并注浆，施作下台阶第一层初期支护，钢架全环封闭，打设锁脚锚管；架设格栅拱架，施作第二层初期支护；④、施作隧底桩基础；⑤、铺设防水层，施作仰拱；⑥、铺设防水层，施作拱部及曲墙二次衬砌。
        结合类似工程经验及节点工期要求初步拟定下穿回填土段施工步距，在施工过程中根据施工监测数据及时进行优化调整：①、上、下台阶的步距：采用微台阶法，上台阶超前5～10榀钢架间距（钢架间距0.65m），立即进行下台阶施工，钢架及时封闭成环；②、掌子面与桩基的步距：掌子面超前桩基区1环超前大管棚（即管棚每环的纵向间距10m），开挖与双层初支10m后，暂停掌子面施工，及时施作桩基础、仰拱；③、拱墙二衬与仰拱的步距：在变形收敛稳定的前提下，拱墙二衬紧跟仰拱施工，拱墙二衬滞后仰拱不超过2个衬砌施工循环长度（衬砌台车长度为7.5m）。

步序①、超前施工步序②、上台阶施工，下台阶超前施工

步序③、下台阶、第二层初支施工步序④、隧底桩基施工

        步序⑤、仰拱施工                 步序⑥、拱墙二衬施工
        回填区隧道利用“拱顶与拱腰沉降收敛变形相对值”指标监测控制理论，作为一项主要监测项；通过改良后的岩芯钻机进行隧底基础桩施作，解决了隧道内常规大型设备无法作业、工作面极易受阻的施工难题；研发了“桩基+二衬混凝土”刚性组合结构型式，承受列车运行的主要荷载，使初支及回填土不再承受此部分荷载，改变了传统二衬结构荷载传递方式，保证围岩及隧道的稳定性。
        四、关键工艺技术：
        4.1拱顶与拱腰沉降收敛变形相对值监测控制
        根据既有监测规范《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911-2013）规定：采用矿山法施工隧道支护结构变形、地表沉降控制值应根据工程地质条件、隧道设计参数、工程监测等级及当地工程经验等确定，无地方经验时，本工程属于一级监测区间隧道按以下数值确定：①拱顶沉降累计值10～20mm，变化速率按3mm/d；②净空收敛按累计值10mm，变化速率2mm/d；③地表沉降累计值20～30mm，变化速率按3mm/d。现行规范进行监测，但现场根据设计要求开挖支护后，各项监测指标均远大于规范控制值，并出现了红色预警，无法正常开展施工。
        在现有规范基础上，引入拱顶和周边沉降收敛的相对变形量作为一项主要监测指标。该理论阐述为：回填土区范围内，隧道开挖支护后，由于降水原因回填土区自身处于固结下沉状态，隧道会随同下沉，但只要初支不出现混凝土开裂、掉块、钢架不变形等破坏，这将不影响隧道结构自身安全，因此，不能仅依靠单项的监测值超限来判别隧道的安全，提出了靠拱顶和拱腰的沉降收敛变形的相对值，根据经验值相对变形不大于20mm/d，累计相对变形不大于30mm，并结合初支不出现混凝土开裂、掉块、钢架不变形等，即可判定隧道处于安全稳定状态。
        竖向位移监测采用水准测量的方法实施，沉降观测利用沿线附近已有的水准控制点，将基准点、工作基点按二等水准要求进行联测，组成沉降监测控制网。
        由于回填区土体未完全固结，前期降水后地表会继续发生沉降。在施工过程中也进行了地表沉降量的测量，以监测隧道下沉，作为判断隧道顶部围岩稳定性的参考之一。
        实施过程中，回填区范围内的地表沉降、隧道内净空收敛和拱顶沉降单项值均大于了现行规范预警控制值，而初支应力及差异沉降均小于控制值，结合现场排查情况，洞内初支未出现混凝土开裂、掉块，钢架未发生变形等现象，综合判定初支处于安全稳定状态，可进行洞内正常施工作业。
        采用相对沉降收敛理论以此来指导双层初支分层施作时间、桩基及二衬施作时间，采用相对沉降理论监测控制技术，解决了按常规理论监测经常会出现预警无法正常开展施工的难题。经实践检验，运用该理论安全可靠地通过了本回填土区隧道施工，对类似工程具有一定借鉴意义。
        4.2双层组合初支结构设计与实施
        考虑到回填土区隧道开挖后会发生较大沉降变形，无该地区类似回填土区隧道开挖预留沉降量的相关经验，预留沉降量不足会导致初支侵界，影响二衬施工，预留沉降量过大，不经济。同时初支施工完成后，隧底桩基施工将会继续扰动围岩造成沉降变形，采用两层初期支护的方式进行深回填区隧道的初期支护。
        待开挖完成后先施作第一层（型钢拱架+大锁脚锚管+超长普通锚杆挂网喷射混凝土）初期支护，再施作锁脚锚管，待下台阶仰拱开挖后及时将初支封闭成环，并根据监测情况调整第二层（格栅钢架+普通锚杆+挂网喷射钢纤维混凝土）初期支护跟进施作的时间。
        回填土段断面拱架每榀间距0.65m（过渡段B断面拱架每榀间距0.5m）、上台阶一榀一开挖，下台阶两榀一开挖。
        隧道采用机械破碎锤凿岩，根据断面大小分上下台阶预留核心土法开挖，隧道周边围岩辅以适当的人工手持风镐凿岩开挖。上台阶超前下台阶6～13m。
        初支闭合成环一定长度（约10m）后，对衬砌背后进行回填注浆加固。初期支护施工时在拱部180°范围及底部预埋Φ42注浆管，壁厚3.5mm，长800mm，环、纵向间距为1.5m×3m，注浆液采用1:1水泥浆，注浆压力控制在0.5～1MPa之间。同时对局部渗漏水处进行堵水注浆，注浆液以普通水泥浆为主，辅以水泥-水玻璃浆液。
        4.3隧底低净空小型旋挖钻机钻孔施工
        受隧道净空条件所限，双层初支完成后隧道净空高8m、宽7m，一般的钻机在洞内无法操作，必须对现有钻机进行改良，现场根据场地的布置，采用经地质钻机改良而成的岩芯钻孔成桩装置施钻。改良后该装置包括液压岩芯钻机、球铰和支腿，还包括移位装置，由驱动机构、起吊机构和悬挂机构组成，用于对放置在地面上的液压岩芯钻机实施起吊，所述驱动机构放置在地面上，且与所述起吊机构相连，该起吊机构安装在所述球铰的下方，且与所述球铰上下对应，该悬挂机构安装在所述起吊机构的下方，且与所述起吊机构上下对应，其在远离起吊机构的一端与液压岩芯钻机相连；所述支腿为三个，均与所述球铰相连，共同构成一个三角架支撑结构，用于对起吊在空中的液压岩芯钻机实施支撑和摆动。
        改装后，每台钻机功率为22KW，钻筒采用Φ500mm钢套筒，硬质岩层配以Φ300mm钢套筒辅助成孔，钢套筒长度根据起钻高度取1.5～2.0m。该装置能够很好的适用于低矮空间内的钻孔成桩作业，具有体积小，高度低，可拆卸成若干个小零件，随时组装使用，便于携带运输的优点；钻孔成桩装置通过球铰上的接头可自由转动方便在低矮空间内与支腿构建不同高度的三角架支撑液压岩芯钻机的起吊作业；还通过具有伸缩功能的支撑杆，使得支撑杆的角度可调，来优化该三角架支撑，具有适用范围较广，可用于各种洞径隧道的优点；该钻孔成桩装置通过移位装置可有效节省人力，操作方便，效率高。
        区间隧道隧底钢管桩施工位于隧道穿越回填段，根据现场地质情况，采用桩基加固地基础处理。桩基沿线路方向3根+2根梅花型布置，横向间距2.45m，纵向间距0.65m，桩径为φ500mm钢管桩。钢管采用φ502mm，壁厚6mm，采用全钢护筒跟进，钢管四周留有φ100mm开孔，间距750mm，梅花形布置，内设6 22钢筋笼，钢管桩嵌岩深度为3m，桩基混凝土采用C40水下钢筋混凝土。

图4-1第一层初支横断面钢架布置图

图4-2第二层初支格栅钢架图

                      图4-4桩布置横断面图（mm）                                           图4-5隧底桩平面布置图（mm）

                            图4-3洞内钻桩
        采用经改良的XY-2B岩芯钻机进行隧底桩基施钻，其工艺主要为：先对仰拱场地平整；根据隧道里程结合仰拱拱架进行桩位放样；架设三脚架钻机就位；泥浆护壁钢护筒跟进成孔；成孔验收。
        4.4“桩基+二衬混凝土”组合的刚性结构设计与实施
        该结构采用桩基+二衬组合刚性结构，通过在隧底设置Φ500×6mm的钢管砼桩基，崁岩深度3m，按隧道横向1225mm×纵向650mm呈梅花形布置，桩基锚入二衬底板50cm进行刚性连接。在结合部位进行防水处理。
        采用“桩基+二衬混凝土”的组合刚性结构型式，在运营期间可承受列车运行的主要荷载，将列车产生的各类振动荷载和冲击力，通过二衬传递至桩基，分散至基岩，让初支及回填土部分不受此部分荷载，而让组合初支继续承担稳定围岩的作用。同时，在地下水上升时，基地桩基和二衬还起到了防止隧道上浮的作用。
        1）隧底清渣，人工配合机械破除桩头，桩头标高破至隧道底板标高以上10cm，需测量放出底标高标识于墙上。
        2）清除隧底仰拱垫层表面虚土、杂物后，对超挖部分用C25砼进行回填；在桩头及周围20cm范围内位置涂刷水泥基渗透结晶防水材料，用量为2kg/㎡；
        3）敷设无纺土工布及自粘式防水板，将防水板在桩头位置裁断；对桩周高出底板10cm部分用聚合物水泥砂浆作圆顺处理，并于桩周涂刷密封胶，使防水板与桩头紧密相连；桩顶钢筋伸入底板，并用止水胶涂刷在桩头钢筋冒出桩顶砼处；
        4）浇筑50mm厚C20细石混凝土保护层；
        5）绑扎仰拱钢筋，预埋拱墙钢筋，立设仰拱堵头板，堵头板上安置止水带；
        6）灌注仰拱C40，P12砼，砼浇筑采用从前到后一次浇注成型，人工摊铺，振捣器捣固，初凝之前抹平压光。为保证仰拱曲率，采用纵向挂线控制。
        五、结束语
        综上所述，穿越高水位欠固结大孔隙率回填弃土区暗挖隧道施工安全风险较大，传统单层初支难以有效抵抗变形实际施工中。大孔隙率欠固结回填土区隧道监控量测仅将地表沉降、洞内净空收敛及拱顶沉降作为控制值，不能满足《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911-2013）监测限值要求而引发造成隧道无法正常开展施工问题突出。隧道净空狭窄，采用传统的钻机难以在洞内施作，本文旨在为同类型隧道在设计与施工技术提供一些参考。

                          图4-6基底防水处理
        由于编者水平有限，不当之处，欢迎继续研究讨论，以期该类工程技术工艺臻于完善。
        参考文献
        [1]《复杂地质条件隧道施工技术》
        [2]《铁路隧道设计规范》TB10003－2016
        [3]《铁路隧道监控量测技术规程》.Q/CR9218-2015。
        [4]《铁路隧道工程施工技术》（上下册）