富水砂卵石地层暗挖技术.docx

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富水砂卵石地层暗挖技术

技术总结、论文申报评审表

题目

8-富水砂卵石地层暗挖技术

申报单位

中铁十四局集团第二工程有限公司

作者

姓名

工作单位

职称、职务

张思林

北京地铁四号备用站台项目部

技术主管

论文依托项目背景

北京地铁四号备用站台项目隧道穿越砂卵石地层

工程完

工时间

论文发表及获奖记录

论文

摘要

北京地铁四号备用站台项目隧道穿越砂卵石地层，存在围岩易塌落、隧道底部起鼓和涌砂、顶板上方土体沉降，影响道路和桥梁安全等施工风险，并且不易钻孔注浆，工效较低。

针对以上问题，改进了小导管设计参数和注浆参数，提出了砂卵石地层浅埋暗挖法“早封面、管细短、少扰动、快凝固、固拱脚、中拉槽”施工原则，施工效果较好。

文章介绍了砂卵石地层台阶法施工工艺，提出了下台阶反核心土开挖，以及小导管注浆施工要点。

申报单位

对论文的

综合评价

北京地铁四号备用站台隧道施工地质情况非常复杂，作者结合工程实际总结施工经验，供类似工程借鉴。

单位评审

上报意见及

申报等级

推荐申报集团公司优秀论文一等奖。

（盖章）

2014年12月15日

集团公司

评审意见

（盖章）

年月日

填报部门：

工程管理部填报人：

刘秀芝

富水砂卵石地层暗挖技术

中铁十四局集团第二工程有限公司张思林

摘要北京地铁四号备用站台项目隧道穿越砂卵石地层，存在围岩易塌落、隧道底部起鼓和涌砂、顶板上方土体沉降，影响道路和桥梁安全等施工风险，并且不易钻孔注浆，工效较低。

针对以上问题，改进了小导管设计参数和注浆参数，提出了砂卵石地层浅埋暗挖法“早封面、管细短、少扰动、快凝固、固拱脚、中拉槽”施工原则，施工效果较好。

文章介绍了砂卵石地层台阶法施工工艺，提出了下台阶反核心土开挖，以及小导管注浆施工要点。

关键词地铁隧道砂卵石浅埋暗挖法施工技术

1.工程背景

1.1.工程概况

北京地铁四号线备用站台工程位于颐和园北宫门站西北清河东侧，毗邻四号线盾构接收井。

备用站台工程所有分部工程包括：

连接通道、备用站台、汽车通道。

连接通道是连接四号线盾构井的通道；备用站台为四层地下矩形结构，平面尺寸为20*15m；汽车通道总里程为250m，主要依次下穿小清河、京密引水渠、五环路高架桥。

1.2.工程特征

该段穿越的地层主要为强-弱风化砾岩层、弱-微风化砾岩层及第四系卵石层。

上部地层多为第四系松散层，空隙大，富含第四系孔隙潜水；在小清河和京密引水渠的河底下方（15.9）m的位置穿过，与河道走向“T”形交叉，隧道拱、墙部位处于古河道沉积形成的砂卵石层内，含砂量45%，为中细砂，卵石直径Dmax=12-15cm，Dav=2-5cm，＞2cm颗粒质量约占全重的55%；地层富含孔隙潜水，地下常水位高于隧道拱顶（7.265）m。

1.3.工程风险

（1）DK0+135——DK0+170段隧道顶部以强-弱风化砂岩层，局部为全风化砂岩，节理发育，岩体破碎，围岩稳定性差，在暗挖隧道开挖时无法形成自然力拱，易发生塌落现象。

（2）隧道结构边墙下部以砂卵石地层为主，且含有潜水赋存水，容易发生坍塌现象，隧道结构底部易出现底涌和涌砂。

（3）备用通道从五环路高架桥南桥48号墩和北桥7号桥台之间穿过。

通道距桥台基础的水平最近距离为1.7m，竖向最近距离为19.8m，通道全断面位于砂岩地层中，一旦施工不当。

引起下沉及坍塌，将会造成极大影响。

备用站台施工平面图及地质剖面图见图1、图2。

图1备用站台项目施工平面图

图2备用站台地质剖面图

2.地层注浆设计参数优化

2.1.初始设计参数

本段地层初始设计时没有考虑地层特点，按照一般地层进行设计。

（1）小导管初始设计参数

将Ø42×3.25mm无缝钢管按每3.5m截成一段，钢管的一端做成100mm长的圆锥状，以便于插打。

在距另一端100mm处焊接Ø6mm钢筋箍，防止打设小导管时端部遭到破坏。

距钢筋箍一端800mm内不开孔，剩余部分每隔200mm梅花形布置Ø8溢浆孔，便于浆液的均匀扩散。

小导管加工成型图见图3。

图3小导管构造示意图

初始设计每2榀格栅打设一次小导管。

小导管沿开挖轮廓线从格栅腹部穿过，环向间距40cm，仰角及外插角为10°～15°，在拱形范围内布设，前后两排小导管的搭接长度不小于1m。

小导管注浆施工见图4。

图4小导管注浆施工

（3）注浆参数设计

注浆材料按一下原则选取：

对于无水砂卵石地层选择单液水泥浆；对于有水的的砂卵石地层选择水泥-水玻璃双液浆。

注浆参数如下：

注浆初压0.3MPa，注浆终压0.5MPa；浆液扩散半径控制在0.3m～0.5m即可；注浆速度≤30L/min。

2.2遇到的困难和出现的问题

按照以上设计参数加工小导管进行施工，遇到以下困难：

（1）在砂卵石地层进行超前小导管钻孔施工过程中，不易成孔，卵石卡夹钻头，钻进难度很大；钻杆在取出时易发生塌孔，造成导管注浆无法正常进行。

（2）小导管加工长度过长，由于砂卵石地层孔隙率较大，造成远端注浆不理想，注浆死角较多。

（3）由于导管打入深度达不到设计深度，造成地层难以注浆成拱，形不成搭接区域。

超挖量比较大，工作面稳定性难以保证。

（4）小导管施工耗费工时过大，且不见成果。

2.3设计参数优化

（1）小导管设计参数优化

分析砂卵石地层按初始设计施工带来的困难，主要原因就是注浆小导管参数设计不合理引起的。

通过地层预加固机理和原则分析，对小导管参数提出了优化方案。

小导管采用φ32×3.25mm热轧无缝钢管，管长L=2m，环向间距300mm。

小导管采用一榀一打。

溢浆孔采用φ5@200、梅花形布置的小孔（图5）。

通过施工实践，优化设计可以满足施工安全、快速、经济的目标。

图5优化后小导管参数

（2）注浆设计参数优化

注浆浆液采用水泥-水玻璃双液浆，注浆初压为0.1MPa，终压为0.2～0.3MPa，注浆压力不宜超过0.3MPa。

进浆速度控制每根导管浆液总进量在30L/min以内。

导管注浆采用定量注浆，可按地层吸浆量计算，如达不到定量浆液，但孔口压力已达到0.5MPa时，即结束注浆。

3.砂卵石地层区间隧道浅埋暗挖法施工

3.1砂卵石地层浅埋暗挖法施工原则

在区间隧道的开挖支护施工中，除应严格执行浅埋暗挖法“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”的十八字施工原则外，针对砂卵石地层中施工出现的困难情况，结合工程实践，提出了在砂卵石地层中应遵循的原则：

早封面———在打设注浆小导管前，首先喷射较薄混凝土层，以稳定工作面，避免小导管打设时震动坍塌。

管细短———针对砂卵石地层小导管打设困难，相对一般地层而言，超前注浆小导管参数选择时尽量选用“短”、“细”钢管。

“短”指的是在保证1m重叠基础上每榀一打，榀距视小导管打设难易进行调整；“细”指的是小导管在保证刚度要求的前提下尽量减小管径，以减少打设摩擦阻力，方便打设。

少扰动———在打设导管和开挖时尽量少扰动地层，防止卵石滑塌。

快凝固———因砂卵石地层浆液易于渗透，且有遇水易塌方特点，在小导管注浆浆液选择时尽量选择早凝固型浆液，以凝固胶结地层，促拱早形成。

固拱脚———砂卵石地层一般在台阶法施工时，较粘土地层台阶长度要稍长，因而成环相对滞后，对上部格栅一定要打设锁脚注浆锚管，以稳固拱脚，改善受力条件，减小地层变形。

中拉槽———由于砂卵石地层自稳性差，下部台阶很难像粘土地层那样形成规则台阶，需要在台阶中部拉槽，以保证下台阶处于稳定状态，确保施工安全。

3.2砂卵石地层暗挖隧道施工工艺

3.2.1隧道开挖方法

（1）砂卵石地层浅埋暗挖施工方法概述

暗挖隧道采用台阶法结合CRD法进行施工，上下台阶的分界线在格栅连接点位置，先分左右导洞开挖上台阶土方并喷射混凝土支护，再开挖下台阶土方并支护，支护封闭成环。

①上台阶开挖及支护

中间留核心土，开挖上台阶的左侧导洞，左侧导洞完成后即初喷混凝土3～5cm，然后架立拱部及中隔墙格栅挂钢筋网，喷混凝土至设计厚度。

待喷射混凝土达到设计强度后，挖除核心土，并架设临时仰拱，导洞及时封闭成环，保障安全。

左侧导洞开挖支护完成后，开挖右侧导洞，方法同左侧导洞。

核心土留成台状，上台阶开挖高度在3.0m左右，核心土高度1.7m，上口宽1.5m左右，核心土沿掘进方向长度为0.75～1.5m，核心土的形状在保证维持掌子面稳定的前提下，兼作为工作平台，以便于进行格栅安装、喷混凝土操作。

格栅设计间距0.5m，故循环开挖距离为0.5m，但在土体不稳定地段格栅需加密，开挖步距相应减小。

上台阶施工示意图及左侧导洞施工图见图6、图7。

图6上台阶施工示意图

图7左侧导洞施工

上台阶施工顺序：

封闭掌子面→超前小导管打入→超前小导管注浆加固地层→留核心土分开挖左侧导洞→测量开挖断面轮廓→初喷混凝土3～5cm→安装格栅钢架→挂钢筋网→搭设注浆锁脚锚管→复喷混凝土至设计厚度→清除核心土并架设临时仰拱→开挖右侧导洞→测量开挖断面轮廓→初喷混凝土3～5cm→安装格栅钢架→挂钢筋网→搭设注浆锁脚锚管→复喷混凝土至设计厚度→清除核心土并架设临时仰拱。

至此上台阶开挖完成并临时封闭成环。

②下台阶开挖及支护

下台阶采用边墙单侧交错方式开挖，先按倒圆台形式开挖中间核心土，随后开挖一侧的边墙，开挖步距0.5m，即一个格栅间距；挖至设计轮廓后，立即安装格栅钢架、喷混凝土；该侧的边墙支护完毕后再进行另一侧边墙的开挖及支护。

两边墙均支护完毕后，开挖底板土方，安装仰拱格栅，喷射仰拱混凝土，封闭成环，之后再进行下一循环的施工。

施工示意图及下台阶施工见图8、图9。

图8下台阶施工示意图

图9下台阶反核心土法施工

下台阶施工顺序：

开挖中间核心土→左侧边墙土方开挖→测量开挖断面轮廓→初喷混凝土3～5cm→安装格栅钢架→挂钢筋网→复喷混凝土至设计厚度→右侧边墙土方开挖→测量开挖断面轮廓→初喷混凝土3～5cm→安装格栅钢架→挂钢筋网→复喷混凝土至设计厚度→底板土方开挖→测量开挖断面轮廓→初喷混凝土3～5cm→安装格栅钢架→挂钢筋网→复喷混凝土至设计厚度。

3.2.2锁脚锚管施工

暗挖初期支护开挖的过程中，在拱脚部位打入两根锚管，可以有效地减少初期支护拱顶下沉，从而减小地表沉降量。

锁脚锚管采用φ42钢管，长度2.0m。

锁脚锚管施工步骤如下：

①用锚管钻机钻孔。

②将安装好锚头的锚管插入锚孔。

③用注浆接头将锚管体与注浆泵相连。

④开动注浆泵，使水泥浆充盈锚孔。

为提高锚固效果，水泥浆水灰比为0.5～1，注浆压力应为0.15MPa。

锁脚锚杆施工见图10。

图10锁脚锚杆施工

3.2.2施工效果分析

（1）在砂卵石地层浅埋暗挖施工中，合理的选择小管径的超前注浆小导管,控制打设长度及间距，与常规使用的φ42小导管相比具有可操作性强、施工周期短等特点，有效地解决了砂卵石地层暗挖施工的超前支护问题。

（2）上台阶分左右侧导洞开挖，减少围岩暴露，提高安全系数。

下台阶反核心土开挖技术，有效地减小了台阶高度。

（3）与常规作法相比，本工法施工安全系数高、土层沉降数值小。

（4）通过实践，依照本工法参数和原则进行施工，施工效率大为提高，可使每天进尺达到2～2.4m/d，月进度达到60～70m。

4.结论

本文针对北京地铁四号线备用站台项目汽车通道下穿砂卵石地层隧道施工，实现了一系列的创新，总结出了一套适合于砂卵石地层的浅埋暗挖快速施工技术。

这项技术满足安全、快速、经济的目标。

（1）对设计参数进行了优化，小导管采用φ42×3.25mm热轧无缝钢管，管长L=2m，环向间距300mm；小导管采用一榀一打，实现了安全快速施工。

（2）总结提出了砂卵石地层浅埋暗挖施工技术原则，即“早封面”、“管细短”、“少扰动”、“快凝固”、“固拱脚”、“中拉槽”。

（3）提出了一套适合于砂卵石地层的浅埋暗挖台阶法施工工艺，总体采用台阶法结合CRD法施工，下台阶反核心土施工技术。

（4）详细介绍了砂卵石地层小导管注浆和锁脚锚管的施工工艺。

（5）在砂卵石地层中采用创新的浅埋暗挖法施工技术，效果明显，每天进尺达到1～1.5m/d,月进度达到40m。

参考文献

[1]黄树炉.砂卵石地层浅埋暗挖隧道近桥桩施工注浆加固技术研究。

[2]吴江滨.大粒径砂卵石地层小导管成孔技术试验研究。

[3]杨本伟.砂卵石富水地层注浆加固技术。

[4]孔恒,黄明利,李元晖,等.砂卵石地层浅埋暗挖隧道施工关键技术研究。

[5]刘明.砂卵石地层浅埋暗挖地铁隧道施工关键技术。