行业要闻

 

【摘　要】广东地区地层复杂多样,地质均匀性差。通常情况下,建设隧道采用的是矿山法与盾构法并存的工法。结合深圳地铁2号线东角头站—湾厦站区间隧道的设计和施工,介绍一些在复合地层中实施暗挖隧道的方法及相关经验。

【关键词】隧道;复合地层;地质均匀性;矿山法;盾构法;设计与施工

 

     复合地层中的隧道施工方法一般有矿山法和盾构法,两种暗挖工法各有其优缺点和适用范围。矿山法适用于中、微风化等较高强度岩层中的施工,特点是效率高、造价低。盾构法适用于在软土及强度不高(<100MPa)的岩层中的施工,特点是振动小、噪声低、施工速度快、安全可靠,对沿线居民生活、地下和地面建(构)筑物影响较小。

1、工程概况

      深圳地铁2号线东角头站—湾厦站区间隧道采用盾构法和矿山法并存施工。隧道位于新近填海造地区域的蛇口新街,地面上有众多住宅建筑(无桩基侵入隧道范围),地表以下3~9 m范围内分布有块径(0. 3~2 m)不等的填石(并夹带一定量的建筑垃圾及生活垃圾)。隧道施工采用全新德国海瑞克公司提供的盾构,刀盘直径为6. 28 m,开口率为19% ~32%,配置26把滚刀(其中8把为双刃刀, 18把为单刃刀),其余为刮刀。盾构管片环外径为6m,内径为5. 4 m,环宽为1. 2 m。隧道局部范围内的下部有高强度微风化花岗岩(抗压强度平均为85. 6MPa,最高为178 MPa),隧道顶部覆土厚度为7. 8~12. 7 m。

     

      由于该盾构挖掘硬岩能力有限,在单轴抗压强度超过100MPa的岩层中,掘进已十分困难,即使是最先进的复合盾构,其破岩能力的极限也约在120MPa左右。在高强岩层中进行长距离掘进,滚刀磨损异常严重,经常需要开舱换刀。由于该隧道的上部为富水软弱地层,甚至局部处于砂层区及填石区,使得开舱极为困难。为了在上软下硬的地层中实施隧道施工,根据当地类似工程的经验,决定对局部高强岩石区域先采用矿山法构筑初衬,待破除高强岩石后,再在初衬内使盾构通过(推进的同时拼装管片环)的设计、施工方案。图3为微风化花岗岩已侵入隧道下部的具体施工场景。

2、工程难点

      1)采用矿山法区段的隧道拱顶局部处于富水砂层及填石层中,在开挖过程中易发生涌水涌砂现象,引起初衬钢架变形,从而导致隧道坍塌,地面沉降较大。

      2)为破除下部岩石,必须采用爆破施工,这会对上部已施工的初衬钢架造成影响,地面沉降较难控制。

      3)隧道要下穿已建住宅小区(如澳城花园),施工过程对已建楼房可能会有影响。

      4)地下岩面线高低起伏不均,上部软弱地层夹杂各类土层,洞内超前预加固的效果难以控制。

      5)爆破施工容易产生超挖或欠挖现象。

3、设计方案

      该隧道处于典型的深圳地区复合地层,若采用矿山法施工隧道上部,会有较多的施工风险。隧道所处区域地面交通繁忙或建筑物众多。因此,对软弱地层的加固只能从洞内进行。为避免施工对地面沉降及人员安全的影响,最初考虑采用“长管棚+洞内软弱地层全断面深孔注浆”的设计方案。待超前预加固达到设计要求后,再采用CRD工法进行开挖。但该方案仅片面地考虑了隧道施工时拱顶Ⅳ级围岩软弱地层的坍塌,而对于隧道下部的硬岩如何排除未进行深入分析。另外,由于此处隧道左右线均处于小半径曲线上,导致管棚无法一次性打设,为此又必须每隔一段距离就要设置管棚工作室。工程开工后,下部硬岩需要爆破开挖。由于隧洞施工空间小,爆破后会导致采用CRD工法的先期钢架变形。同时,采用CRD工法后的施工步骤繁杂,洞内作业速度缓慢,直接影响到初衬封闭成环的速度,并导致地面沉降超标。

      根据试验段发生的上述情况,对设计方案及时进行了调整:首先,取消了大管棚支护及管棚工作室,改用超前双排小导管,以此避免因施工管棚工作室而扩大隧道断面;其次,对剩余的隧道采用短台阶法施工,以加快初衬施工及封闭成环。最后决定,为避免爆破施工对房屋桩基产生影响,采用人工凿除的破岩方式进行开挖。为确保隧道掌子面的稳定,防止拱顶软弱地层坍塌,将原来考虑隧道全断面注浆采用水泥-水玻璃双液浆改为超细水泥-水玻璃双液浆。同时,缩小了注浆孔的间距。根据现场实际情况调整了注浆压力参数,以尽可能保证注浆加固的效果。经过上述调整,虽然局部减少了隧道的支护措施,却也加快了初衬封闭成环的速度。根据后续隧道施工的结果,采用台阶法施工是合理可行的。调整后的隧道设计断面见图4。

      由于各种暗挖工法的施工工艺差别较大,即使在同一种工法中,若采用不同施工步骤也会导致不同的结果,设计计算的沉降或变形数值与实际数值有时并不相符。导致上述问题产生的主要原因有:

      1)现阶段土力学对土性的研究仍为宏观的划分与定义,而在复合地层中即使被划分为同一级的土层,土性也往往存在较大的差异。

      2)与盾构法相比,矿山法受人为因素的影响较大。地质围岩的好坏、施工人员的现场处置经验以及施工工期等均会对隧道的施工质量产生影响。

      因此,矿山法隧道施工必须按照信息化施工的原理,根据施工现场的实际地质条件,结合施工单位的经验,对施工方案、设计参数进行调整。另外,根据目前的施工经验,CRD工法适用于较大断面隧道的开挖,如果隧道采用该法施工就会明显影响隧道的掘进速度,爆破后容易引起初衬的变形。

4、施工阶段采取的技术措施

4. 1　对隧道上部软弱地层的处理

      该工程的地质条件是整个工程的难点。根据监测数据的统计,隧道拱顶最终沉降最大值达到20. 4cm。此外,在施工过程中地面上还出现过3~4次意外沉陷(最大沉陷超过50 cm,引起地面开裂,见图5)。地面沉陷及坍塌的一个重要原因是地表新近填石层中夹带过多的建筑垃圾与生活垃圾,施工中超前注浆预加固效果差。在填石层侵入隧道断面的位置处,隧道上方的地面容易引起塌陷(系地下水、填石及垃圾向已开挖的隧道中涌入所致)。由于在隧道内采用了深孔注浆加固的措施,对凝固拱顶砂层取得了明显的效果。但在填石层、砾质黏性土(残积层)中的加固效果不佳,填石层中由于石块与石块间的间隙太大,浆液无法迅速凝固形成加固体;其次,在填石层中注浆钻孔很难打设,时常出现偏位。对残积层,由于该土层渗透系数小,注浆浆液基本无法扩散。同时,考虑到隧道所处位置地下水与外海海水联系充分,洞内注浆加固的效果视隧道所处地层有较大差异,最主要的原因是无法做到完全隔水。因此,在地面想方设法寻找位置打设降水井,在隧道开挖前提前降水。隧道开挖至填石层时,须用人工将隧道范围内的大石块取出或击碎,然后安装初衬钢

架。在喷射混凝土初衬封闭后,还须对拱顶初衬背后2~3m范围内压浆,以确保隧道初衬背后的密实性。

     

      以上措施对控制隧道变形起到了较好的作用。施工结束时,隧道初衬的变形均能控制在允许范围内。在施工过程中,还需不断地对隧道背后的漏点进行注浆堵漏。但即便如此,隧道拱顶仍然有大量地下水渗出,造成施工作业环境恶劣(见图6)。由于在隧道开挖过程中对上部的软弱地层造成了扰动,尤其是拱顶范围内有砂层、填石层的情况,开挖时地层内失水速度快,导致地面沉降较大(普遍都超过了10 cm)。对于此类地层中的隧道施工,目前仅依靠洞内注浆加固施工风险极高,也容易造成安全事故的频发。

4. 2　隧道爆破施工及超、欠挖控制

      在较坚硬的岩层中使用爆破辅助开挖施工,可以有效地提高开挖效率。然而不同的炸药种类及一次性装药量的多少在不同岩层中的效果也不同。由于矿山法施工中需要设法加强围岩的自支护能力,因此必须控制隧道爆破的用药量,避免爆破后对遗留岩体产生过度损伤。然而一旦岩体发生过度损伤就会产生超、欠挖现象,它会影响到隧道施工速度和成本。在超、欠挖严重的情况下,对坑道的稳定性也会产生一定影响。

      在该工程中,为了减少对原状岩层的扰动,同时避免上部软弱地层及地面建筑受爆破影响发生下陷及开裂,在软岩区尽量采用非爆破的机械开挖或人工开挖,不得已时才使用爆力和爆速较低的炸药,采用微爆方式。本工程爆破时还采用了光面爆破和预裂爆破技术,控制爆破振动速度。在后建隧道的施工爆破中,还制定了详细的施工方案以控制爆破质量和效果。由于下穿澳城花园的隧道段原则上不允许进行爆破(主要担心对建筑桩基产生影响),导致人工凿除开挖掘进隧道时的速度极其缓慢。在具体施工中,个别区域仍旧采用了爆破施工以加快隧道掘进速度,以使初衬尽早封闭成环。

      为了尽量减少爆破后产生的超欠挖,施工时必须严格控制钻孔精度,重点是要控制周边孔眼的外插角、开口误差以及炮眼在断面分布的均匀性;要根据现场花岗岩地层,选择合适的爆破方式、装药量,以及优化爆破参数;需要做到及时监测和反馈;还要控制好开挖轮廓线的精度,确保中线及标高的准确。目前的爆破设计主要是根据经验、类比或现场试验,而地质条件又随着掘进而不断变化,因此爆破施工必须结合信息化施工的原则,根据岩层节理裂隙状态进行预测,据此调整爆破参数和施工方法或局部内移炮眼、局部空孔不装药、加密炮眼、局部调整起爆顺序等辅助措施。

4. 3　控制初衬变形及地表沉降的关键措施

      本工程中由于地下水水力联系非常紧密,结合以往工程的经验,向地层作开挖轮廓外一定范围的全断面深孔注浆超前预加固以及向衬砌背后更深围岩进行注浆止水,以改善支护结构的受力条件。根据现场实际情况,采用了短台阶留核心土加临时仰拱的施工方法。上台阶钢架安装完毕后,为控制钢架变形须在拱脚两端打设锁脚锚杆。当加强初支和施作临时仰拱后,围岩仍不能趋于稳定或拱顶沉降较大时,则应施作临时水平支撑,并继续向初衬外侧压浆。施工中应严格遵循“短进尺,弱爆破,强支护,快封闭,勤测量,速反馈”的原则,开挖后应及时支护和封闭成环。掌子面稳定性较差时,应随时喷射混凝土封闭工作面,同时在施工中加强对隧道的监测,并应及时反馈监测数据指导施工。根据施工的情况来看,每个导坑内的台阶长度应控制在5 m左右,以避免掌子面坍塌对围岩一次性扰动太多,无法控制拱顶沉降。

5、结语

      1)在广东地区上软下硬的复合地层中,对局部硬岩地层,往往采用先矿山法(仅设初衬)破除隧洞范围内的硬岩,然后使盾构在初衬中通过(推进的同时拼装管片环)的方法进行施工。由于预先根据地质资料及已有施工经验对盾构掘进的风险进行了分析,同时也制订了相应的对策,从而有效避免了盾构施工的风险。所以,该方案被认为是行之有效的。

      2)当矿山法隧道拱顶处于高渗透性地层中时,洞内施工风险较大,作业环境较差。在洞内即使采用了超前预加固措施仍不能完全避免施工风险,隧道开挖后会引起地表较大沉降。截至目前,能够有效地隔水、止水的措施仍以地面加固处理的方式为首选,洞内加固的措施及技术还有待进一步提高。

      3)必须采取微爆等施工技术破除强度较高的岩层,为此应制定严格的施工方案,结合实际地质情况控制一次性装药量,尽量避免出现超欠挖现象,以减小对地面和周边房屋的影响。