地铁隧道浅埋暗挖法穿越软流塑地层施工工法.docx
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地铁隧道浅埋暗挖法穿越软流塑地层施工工法
地铁隧道穿越软～流塑地层浅埋暗挖法
施工工法
1.前言
南京地铁鼓楼站～玄武门站区间隧道采用浅埋暗挖法施工，隧道穿越软～流塑地质段，该段土层具有高压缩性、高灵敏度、强度低，易产生蠕动现象，开挖后自稳能力极差，易坍塌，地面沉降难以控制。
隧道经过地段的地面上有市政道路、多幢楼房和给水、雨水、污水、电力、电信等多种地下管线，隧道开挖过程中，地面容易产生过大沉降，会造成地下管线破坏和建筑物开裂，危及建筑物及地面交通安全。
经多方论证比较，我项目部采用大管棚结合小导管超前预注浆和掌子面注浆施工方案，其施工方法简单，方便快捷，投资少，顺利的完成了隧道开挖的施工，为后续主体结构的施工争取了时间，经总结形成了本工法。
2.工法特点
2.1施工基本不产生环境污染，且能有效的控制地面沉降，工期短，社会效益好。
2.2施工机械设备简单，施工人员少，技术要求低，施工周期短。
2.3施工的关键工序是注浆，其施工工艺简单，造价较低。
3.适用范围
本工法特别适用于隧道穿越地面上有楼房和各种地下管线、且地层为软~流塑状淤泥质粉质粘土，隧道采用浅埋暗挖法施工。
4.工艺原理
在隧道拱部打设长管棚和小导管注浆，对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，然后在管棚和加固拱圈的保护下进行开挖、支护，该方法在软弱地层浅埋隧道施工中能有效地控制地面沉降。
5.工艺流程与操作要点
5.1 工艺流程
施工工艺流程图
5.2 操作要点
隧道开挖施工时采用台阶分步法开挖，长管棚结合小导管注浆和掌子面超前预注浆法，是在隧道拱部打设长管棚和小导管注浆，对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，然后在管棚和加固拱圈的保护下进行开挖、支护与衬砌，该方法在软弱地层浅埋隧道施工中能有效地控制地面沉降。
初期支护采用格栅＋锚杆＋钢筋网＋喷砼进行联合支护，初支完成后及时进行背后回填注浆。
拱部150°范围设立管棚支护，注浆加固范围1.5m，大管棚采用40m长φ108钢管，钢管打孔注浆，浆液采用水泥—水玻璃双液浆，大管棚搭接长度3m，环向间距0.35m。
短导管3m长φ32普通水煤气管，搭接长度1.5m，环向间距0.35m，浆液采用HC-T凝胶时间可调注浆材料单液浆。
长导管采用13m长、直径φ42PVC劈裂注浆管，搭接长度4m，间距0.5×0.5m。
边墙采用中空锚管注浆。
开挖采用台阶法施工，台阶长度2~3m，上台阶施工时并设置临时仰拱封闭，临时仰拱采用16工字钢，喷20cm厚C20混凝土，两侧各设置2根φ32普通水煤气管长2.5m锁脚锚杆，锁脚锚杆置入角度60°。
下台阶施工时，对上部钢架拱脚处，应采用跳槽开挖，及时支撑开挖后的拱脚，先开挖一侧设置2根φ32普通水煤气管长2.5m锁脚锚杆，锁脚锚杆置入角度60°。
施工方法示意图如5-1。
图5-1大管棚+小导管施工方法示意图
5.2.1超前预支护大管棚施工
5.2.1.1大管棚具体参数
超前预支护采用Φ108大管棚，长40米，环向间距0.35m,拱部150O范围内布设，管棚搭接3~4m，管棚采用花管注浆，浆液采用水泥—水玻璃双浆。
5.2.1.2大管棚施工工艺及操作要点
5.2.1.2.1大管棚施工流程
图5-2长管棚施工工艺流程图
5.2.1.2.2开挖管棚工作室
①在软弱围岩中开挖工作室,要加强支护,进行混凝土衬砌；管棚工作室长6m。
为便于架设钻机，安设钢管，工作室应挖至隧道开挖线以外0.8m。
导向管是控制成孔方向使之不偏斜的主要手段，导向管长度不小于2.0m，经精确测量后焊接在钢拱架上并喷浆固定。
②由于I类围岩段隧道较长且为弧线，根据现有水平孔钻进技术条件，隧道分段施作管棚。
首先施工第一段管棚工作室，施作第一段管棚，注浆后进行隧道掘进。
第一段管棚段开挖31.6m后，进行第二段管棚工作室施工及钻孔，纵向管棚搭接长度3.0m。
以此类推，完成管棚超前支护施工。
5.2.1.2.3搭设平台、安装钻机、测定孔位
图5-3管棚施工示意图
5.2.1.2.4管棚孔钻进施工
①管棚孔开孔
开孔前必须检查设备，保证设备状况良好，对组合好的钻具要检查丝扣联接是否紧密。
由于考虑到钻孔时钻具下沉、线路曲线的影响及为后续管棚工作室预留出空间，必须计算管棚打设的仰角及外插角，在架好钻机、调整好孔位的水平偏角及仰角后，用翼片式螺旋钻进法钻进。
每个钻孔安装孔口管，孔口管用ф133mm无缝钢管加工。
钻进时，孔口管安装孔口密封装置。
②管棚孔钻进
a.按管棚孔设计方位要求固定钻机，跟管钻进放入管棚钢管。
b.为了保证钻孔精度，开孔段钻进是关键。
钻进前10～20m时，要反复校核钻杆方向，调整钻机位置，并用罗盘及挂线检测偏斜无问题后方可继续钻进。
c.管棚管下入孔内前要先配管，保证管棚管的同心度。
d.加接钻杆和钢套管：
当跟管钻进至钢套末端导向墙孔口约30cm时停钻，然后钻机反转收偏退钻、卸杆，动力头后退至末端加接钻杆或钢套管，此时应先拧紧钻杆，然后再拧紧联接套管。
5.2.1.2.5大管棚顶入法施工
软流塑土管棚施工成孔困难，且在成孔过程中会造成土层的变形。
根据软流塑土的力学特性，采用静压顶入法施工。
大管棚采用40m长φ108钢管，钢管打孔注浆，浆液采用水泥—水玻璃双液浆，大管棚搭接长度3m，环向间距0.35m。
大管棚静压顶入法施工，可以挤压软流塑土体，排出部分含水，起到加固土体的目的。
同时对土体的扰动较小，施工表明，大管棚施工地表基本无变形。
静压顶入法施工示意图如下图5-3。
图5-4大管棚静压顶入法施工示意图
图5-5大管棚静压顶入法施工现场照片图
（一）
图5-6大管棚静压顶入法施工现场照片图
（二）
5.2.1.2.6注浆
①注浆采用前进式注浆，利用自制的注浆套管与管棚用套丝连接，注浆套管上准备由出气管与进浆管，由阀门来控制开关，如图5-6所示。
然后安装20mm塑料管作为排气管，连接注浆管等各种管路，利用锚固剂加固掌子面与管碰见的孔隙，防止漏浆。
图5-7管棚注浆施工示意图
②注浆参数如下：
水泥采用32.5#普硅水泥
水玻璃模数2.6，25～35BeO
水灰比0.6~0.8
水泥水玻璃体积比1：
1
注浆压力0.8～1.5MPa
③关闭孔口阀门，开启注浆泵进行管路压水试验，如有泄漏及时检修，试验压力等于注浆终压。
④注浆时，采取低压力中流量注入，注浆过程中压力逐步上升，流量逐渐减少，当压力升至注浆终压时，继续压注10分钟，才结束注浆。
5.2.1.2.7注浆结束标准及效果检查
①单孔注浆结束标准：
每段注浆都正常进行，符合P—QPT曲线，注浆终压达到设计终压，注浆量达到设计注浆量的80％，或虽未达到设计终压，但注浆量已达到设计注浆量，即可结束本孔注浆。
②全段结束标准：
设计的所有注浆孔均达到结束标准，无漏注现象，注（压）水试验地层吸水率小于0.05L／min，粘土固结强度σ＞0.4MPa。
③注浆效果检查：
采用分析法，注（压）水试验，开挖取样等方法进行。
④达不到结束标准，应补充重新注浆直到满足要求为止。
5.2.1.2.8管棚施工注意事项
①根据施工基准点，按管棚施工图布置管棚孔；孔位偏差不应大于100mm；管棚孔钻进深度误差为-0.2～+0.3m；钻孔偏斜率控制在0.8%以内。
②钻孔应由高孔位向低孔位进行。
③钻孔孔径应比钢管直径大30～40mm。
④遇卡钻、坍孔时应注浆后重钻。
⑤钻孔合格后及时安装钢管，其接长时连接必须牢固。
⑥管棚采用的钢管纵向连接丝扣长度不小150mm，管箍长200mm，并均采用厚壁钢管制作。
⑦注浆浆液必须充满钢管及周围空隙，其注浆量和压力应根据试验确定。
5.3.2超前预支护小导管施工
5.3.2.1小导管参数
Φ32小导管长3m,环向间距0.35m,拱部150O范围内布设,插入大管棚之间，每排小导管搭接1.5～2.0m，采用水泥—水玻璃双浆液进行劈裂注浆。
5.3.2.2小导管施工
5.3.2.2.1小导管制作
超前小导管采用φ32×3.25mm普通钢管，管长4.0m，注浆管一端做成尖形，另一端焊接上铁箍，在距铁箍端1.0～1.5m处开始钻孔，钻孔沿管壁间隔200mm，呈梅花型布设，孔位互成90°，孔径8～10mm。
如图5-7所示。
图5-8小导管加工示意图
5.3.2.2.2小导管施工
通过在隧道拱部超前打入带孔眼的导管，并注浆。
其施工工艺程序如下图5-8所示。
小导管采用3.0m长φ32普通水煤气管，搭接长度2.0m，环向间距0.30m，浆液采用HC-T凝胶时间可调注浆材料（超细）单液浆或水泥—水玻璃双浆液。
小导管采用不开孔直接顶入地层施工。
图5-9小导管施工工艺程序图
图5-10小导管顶入法施工现场照片图
5.3.2.2.3小导管超前注浆
注浆参数如下：
水泥采用32.5#普硅水泥
水玻璃模数2.6，25～35BeO
水泥浆水玻璃浆液体积比1：
1
水灰比0.6~0.8
注浆压力0.8～1.5MPa
小导管注浆工艺示意如图5-10所示
图5-11小导管注浆工艺示意图
5.3.2.2.4注浆要点
①注浆之前，清理注浆孔，安装好注浆管，保证其畅通，必要时应进行压水试验。
②注浆必须连续作业，不得任意停泵，以防浆液沉淀，堵塞管路，影响注浆效果。
③注浆顺序
注浆应由低处向高处，由无水向有水处依次压注，以利充填密实，避免浆液被水稀释离析。
④注浆时，必须严格控制注浆压力，以防大量跑浆和使结构产生裂缝。
⑤在注浆过程中，如发现从施工缝、混凝土裂缝少量跑浆可以采用快凝砂浆钩缝后继续注浆，当冒浆或跑浆严重时，应关泵停压，待浆液凝固后进行第二次注浆。
⑥注浆结束标准
当注浆压力稳定上升，达到设计终压；浆压注入量达到计算值80%以上并持续稳定10分钟（土层中要适当延长时间）后，不进浆或进浆量很少时，即可停止注浆，进行封孔作业。
⑦停浆后，立即关闭孔口阀门，然后拆除和清洗管路，待浆液初凝后，再拆卸注浆管，并用高标号水泥砂浆将注浆孔填满捣实。
⑧注浆管理
a、为了确实地获取注入浆液质量和数量，必须保管好全部证明书及测量数据等。
b、施工中应经常监视注入量、注浆压力及地面建筑地下管线和二衬结构状况，必要时应变换注浆参数。
c、根据注浆情况，事先应计算出注浆量，并与实际注浆量进行对照，及时跟踪、变更施工参数。
5.3.3掌子面加固施工
5.3.3.1掌子面加固施工参数
掌子面采用L=10m小导管进行注浆加固，掌子面注浆加固如图7所示，导管间距1.0×0.75m,梅花型布置，小导管为Φ42PVC劈裂注浆管,采用水泥—水玻璃双浆液劈裂注浆，注浆参数如下：
水泥采用32.5#普硅水泥
水玻璃模数2.6，25～35BeO，水泥浆水玻璃浆液体积比1：
1
水灰比0.6~0.8，注浆压力0.5～1.0MPa.
止浆墙为25cm厚C20网喷砼。
如注浆效果不理想，我们将采用流动性大、注浆效果较好的新型材料，如HC-T凝结时间可调注浆材料。
5.3.3.2掌子面加固施工
注浆孔的布置采用等边三角形全断面布置，注浆的先后顺序：
先四周，后中间，中间布置一排水孔，以利于软土地层中的滞水在注浆过程中受到挤压时顺利排出。
主要施工步骤为：
a采用钻机钻孔，钻孔的垂直度误差控制在1%以内。
b孔内灌封闭泥浆，待钻孔到设计深度后从孔内灌入封闭水泥浆，其作用是封闭单向阀管和钻孔壁之间的孔隙，迫使从管浆孔内开环，压出的浆液挤破套壳料注入四周土层。
c在封闭泥浆达到一定的强度后，在单向阀管内插入双向密封注浆芯管进行分层注浆。
首先增大压力使浆液顶开橡皮套，挤破套壳料，在土体产生劈裂，并沿着裂缝扩散，扩散范围受注浆压力、时间、浆液配比、土层特征等因素的影响。
一般从底部向上注浆，达到一定压力后，提起一段再注浆，这样重复进行。
注浆完成后，清洗管内残留浆液，以便于第二次重复注浆（单向阀塑料管即留在注浆后的土层中）。
5.3.4开挖及初期支护
为保证施工安全，开挖采用台阶分部法施工。
上台阶环形开挖，预留核心土，及时进行挂网初喷，架立格栅钢架，每个拱脚施作两根锁脚锚杆，锁脚锚杆为Φ25中空锚杆，L=2.0m,施作边墙3.5m长、环纵向间距1.0m的置入式中空注浆锚杆、注浆，及时架设I16工字钢临时仰拱。
根据土体情况，必要时对临时仰拱网喷砼封闭。
下台阶开挖后及时架设格栅钢架，每个拱脚施作两根锁脚锚杆，锁脚锚杆为Φ25中空锚杆，L=2.0m施作边墙3.5m长、环纵向间距1.0m的置入式中空注浆锚杆、注浆。
如地质条件不好，开挖时如掌子面不稳，则每次开挖后均采用网喷砼封闭掌子面。
喷砼均采用双快（硫铝酸盐）水泥。
初期支护施工完成后,立即对初期支护背后进行回填注浆加固。
5.3.5基底加固
在进行仰拱初期支护喷砼之前，打设Φ42钢管，钢管间距50×50cm,待施作完初期支护喷砼之后，进行劈裂注浆加固。
浆液为水泥—水玻璃双浆液，注浆参数如下：
水泥采用32.5#普硅水泥
水玻璃模数2.6，25～35BeO，水泥浆水玻璃浆液体积比1：
1
水灰比0.6~0.8，注浆压力1.0～1.5Mpa
5.3.5防水与二次衬砌
防水层和二次衬砌施工在开挖完成，初期支护结构稳定后施工。
施工先施工仰拱，边墙和拱部一次浇筑成型，混凝土采用商品混凝土。
6.机具设备
表2软流塑地层矿山法施工投入的主要机械设备表
序号
设备名称
数量
规格型号
主要性能指标
1
水平钻机
2
MKD-5S
37.5KW
2
注浆泵
4
KBY50-50/70
11KW,10.5MPa
3
搅浆机
机机
4
QV-300/50
300l/盘,25KW
4
砼喷射机
4
PZ-5B
5m3/h,5.5KW
5
风枪
8
7655
6
千斤顶
4
100t
8
电动空压机
5
4L-20/8
20m3/min,120KW
8、劳动组织
8.1 组织指挥2人，全面负责组织施工；
8.2 技术组4人，其中工程师2人，测工2人，全面负责技术测量工作；
8.3 施工组36人，其中管棚组10人，负责大管棚的钻进、成孔、下管、注浆等工作；开挖组12人，负责隧道土体的开挖与运输等工作；喷锚支护组10人，负责拱架安装、小导管安装、注浆、初支喷锚等工作；电工1人，起重机司机2人，杂工1人。
9.安全措施
9.1安全防范的要点
9.1.1加强全过程的开挖、支护工作，做好监控量测，控制地表沉降，避免隧道塌方。
9.1.2加强对既有建筑物的保护，避免出现变形、开裂、倒塌事故，重点防护右线K11+225~K11+401.3段地面建筑物和地下污水管线。
9.1.3防止机械伤害、触电、高处坠落事故。
9.1.4注意交通安全，避免交通事故。
9.2安全保证措施
建立健全安全生产保证体系，成立安全工作领导小组，项目经理为安全生产第一责任人，主管安全施工生产的项目副经理为安全生产的直接责任人，项目总工程师全质量室，各班组设安全员，配齐配强专业技术为劳动保护和安全生产的技术负责人。
经理部设安全质量部，各施工队设安人员。
10.质量控制
10.1建立质量管理领导小组
项目经理部成立质量管理领导小组，项目经理任组长，总工程师任副组长，成员由各业务部门人员组成。
10.2建立质量组织管理体系
在项目经理部内部，实行三级质量管理制。
项目经理部设质量安全部，每个施工队配专职质检工程师，工班设质量检查员。
质量安全部是负责现场质量监督和管理的机构，直接对分管质量工作的总工程师负责，行使监督权、检查权和质量否决权。
施工队专职质检工程师在质量安全部的领导下，负责本队的质量检查和监控工作。
工班质检员在队质检工程师的领导下，负责本班组的质量检查和监控工作。
10.3组建工地试验室和测量队，配备先进的仪器设备
试验和测量是对工程质量进行监测和控制的主要方法，试验是从物理、力学指标上确保工程质量的控制手段，测量则是从位置、高程和几何尺寸上确保工程质量的控制手段。
因此，试验室和测量队的建立，在质量管理体系中具有关键性的作用。
在经理部设试验室，经理部和施工队分设测量队，根据需要配齐相应仪器设备。
10.4对生产的全过程进行质量监控，从施工的各个环节上严把质量关
在施工过程中，对工程的质量起决定性影响的因素有以下几个：
熟练的操作人员；先进的机械设备；优质的工程材料；科学的工艺参数；正确的加工工艺；有效的监控手段；严格的检查验收等。
人员和设备可以在上场之前确定，就施工过程本身而言，应该抓住材料、工艺参数、加工工艺、过程监控、检查验收等关键环节，制定切实可行的质量控制措施。
10.5成立TQC质量攻关
针对工程重难点开展TQC活动，通过TQC活动，解决了工程质量问题。
11.效益分析
11.1采用本工法施工环境好，施工造成的污染小，采用的措施保证了建筑物和地下管线安全，对周围环境影响小；保证了建筑物和地下管线安全，施工对周围居民和企事业单位生活生产无影响；保证了工期，保证了地铁的按期运营。
11.2 采用本工法降低了工程成本，提高了工效，和原定的冻结法方案相比，减少了投入。
11.3 总结了一套浅埋暗挖地铁隧道穿越软～流塑地层的施工工艺，积累了施工经验。
12.工程实例
南京地铁南北线一期工程鼓楼站～玄武门站区间隧道为浅埋暗挖法施工，区间隧道右线全长1063.6m；左线隧道全长1064.094m双洞单线，线间距17.2～13.0m，埋深约8m。
玄武门站南端有380.6m的软～流塑地质段，该段土体具有高压缩性，高灵敏度，易产生土体流动、开挖面不稳现象，且地面上3～7层的楼房有21幢，道路下方有给水、雨水、污水、电力、电信等多种管线。
采用本工法，克服了上述不利条件，保证了施工进度和安全，得到了各级专家的一致好评。
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