富水软弱地层浅埋暗挖大断面隧道开挖步序调整研究

杨 宁 付 财 杨志刚魏可东

(1.北京中煤矿山工程有限公司,北京 100013;2.矿山深井建设技术国家工程研究中心,北京 100013)

伴随着我国城市地下轨道交通的快速发展,浅埋暗挖施工技术以其地面扰动小、无污染、无噪声,兼顾开挖与浇筑等多种优势,在地下空间的开发中得到了越来越多的应用[1-3],但是,对于地下水丰富、水位较高、开挖断面巨大的软弱地层,浅埋暗挖法又存在着诸如涌水、涌砂、开挖面失稳、变形较大等工程风险[4-6]。在此背景下,软弱围岩浅埋暗挖工程的加固与掘砌方法的选取显得尤为重要[7-8]。

近年来,针对软弱地层围岩加固方法,相关专家学者进行了大量的探索研究,开发了包括超前小导管加密注浆、水平旋喷桩、人工冻结等一系列技术对富水软弱地层进行加固[9-13]。但注浆与旋喷桩技术不能保证无渗水风险,且在开挖过程中,开挖面的稳定性也难以得到有效保证。人工冻结技术以其优异的止水效果与地层加固功能,目前已成为我国大部分地区施工浅埋隧道穿越富水地层的重要方法之一[14-16]。

本文以广州地铁11号线云大区间二期道岔渡线段52 m 暗挖主隧道工程为研究对象,综合考虑多方面因素后对现场开挖步序实施调整,并加强施工过程中的变形数据监测,顺利完成了该工程的开挖构筑工作,大大缩短了工期,为后续类似条件下浅埋暗挖工程的推广应用起到了较好的借鉴作用。

广州地铁11号线云大区间二期道岔渡线段是在原有云大一期施工完成的1#横通道进行主隧道的冻结、暗挖构筑工作,隧道沿东西走向分为两个部分,分别为道岔渡线段73 m 暗挖主隧道和52 m 暗挖主隧道,隧道平面布置如图1所示。本文研究的对象为道岔渡线段52 m 暗挖主隧道部分。

图1 道岔渡线段主隧道平面布置

根据现场地质资料显示,道岔渡线段52 m暗挖主隧道主要穿越素填土＜1-2＞、可塑状砂质黏性土＜5Z-1＞、硬塑状砂质黏性土层＜5Z-2＞、全风化混合花岗岩＜6Z＞等。穿越地层主要为可塑状砂质黏性土和硬塑状砂质黏性土,全风化且呈坚硬土状,遇水易崩解,工程水理性质差,围岩稳定性较差。隧道顶覆土厚度为11.4～14.8 m,相应地质纵断面如图2所示。

图2 广州云大区间道岔渡线段地质纵断面

本工程范围勘察揭露的地下水位埋深为1.80～18.10 m,其变化与地下水的赋存、补给及排泄关系密切,并受季节变化影响。每年4～9月是地下水的补给期,水位会明显上升,10月到次年3月为地下水消耗期和排泄期,地下水位随之下降,年变化幅度为2.5～3.0 m。

据此,经反复论证后,主隧道暗挖工作采用水平冻结加固围岩土体后,再进行相应的暗挖施工。

根据设计要求,隧道施工采用水平冻结加固外圈围岩后,进行后续开挖及结构施工,其中腰线以上冻结壁设计厚度为3.0 m,腰线以下冻结壁设计厚度为2.0 m,隧道采用现浇混凝土结构,隧道结构根据截面尺寸不同,分为A 型断面和B型断面,尺寸大小分别为:11.80 m×15.40 m(高×宽)、12.15 m×16.50 m(高×宽),结构厚度分别为650 mm、700 mm,具体的结构尺寸如图3所示。

图3 道岔渡线段大断面暗挖段结构断面

2.1 施工难点分析

(1)暗挖主隧道水文地质条件复杂。沿线穿越花岗岩残积土、断裂破碎带等不良地质层,地下水水位较浅,水位埋深为1.80～18.10 m,并且地下水位的变化与其赋存、补给及排泄关系密切,开挖过程中可能会出现涌水、涌砂及开挖面失稳的情况。

(2)隧道浅埋暗挖安全风险高,变形控制要求严苛。道岔渡线段主隧道拱顶覆土厚度11.4～14.8 m,工点紧邻白云山5A 风景区及广园城市快速主干道,在整个冻结和开挖过程中需要严格控制变形发展,避免对地面环境造成恶劣影响。

(3)工期要求紧张。根据项目工期安排,广州云大区间道岔渡线段52 m 暗挖主隧道原定2021-07-22开挖,但由于现场前期准备不足,实际开挖日期为2021-08-22,工期较原计划压缩了1个月,完成既定的开挖任务面临着较大的工期压力。

2.2 原设计开挖方案

根据原设计要求,广州云大区间道岔渡线段52 m 暗挖主隧道,在冷冻法外圈支护加固达到预期条件后,通过一期施工完成的1#横通道进行主隧道的开挖构筑工作。原设计工序采用CRD法开挖,将开挖断面分为4个洞室开挖,设计施工步序为:一洞室→二洞室→三洞室→四洞室,各洞室错开10 m 进行开挖施工,相应的设计开挖步序图如图4所示。

图4 道岔渡线段设计开挖步序

但是,在隧道实际开挖过程中,一期完成的1#横通道作为材料与渣土的主要运输通道,其原始标高难以满足一、三洞室的开挖施工要求,需在原有施工平台上标高基础上浇筑2.2 m 高混凝土以满足进洞要求,而开挖下部二、四洞室又需将回填混凝土凿除。因此,按照原“一洞室→二洞室→三洞室→四洞室”开挖步序,需反复浇筑凿除混凝土平台,工序交替繁琐,造成不必要的人力、物力浪费。此外,各洞室只能单洞室作业,不能同步实施,现场的出土及开挖工作也受到较大限制,严重制约工期。

2.3 开挖工序调整

为了有效减少各洞室间干扰,现场对道岔渡线段52 m 暗挖主隧道开挖施工步序进行了相应调整,调整后的开挖步序为:一洞室→三洞室→二洞室→四洞室,一洞室初支闭合超前15 m 后,进行三洞室的开挖。步序调整后及时进行初支闭合施工,加密开挖过程中的监控量测,综合分析监测数据和开挖情况,实时调整开挖过程。调整后的开挖步序图如图5所示。

图5 调整后道岔渡线段开挖步序

2.4 计算分析对比

为了确保开挖工序调整的可行性,运用数值模拟软件进行开挖步序调整前后通道竖向位移和水平位移的预测发展情况,相应计算参数选取如下:

(1)土体和冻结加固土均为各向同性体;

(2)土体本构关系都为线弹性;

(3)冻土帷幕形成后取厚度为3.0 m;

(4)平均温度为-10 ℃的等温体。在-10 ℃时的强度参数取:单轴抗压强度不小于3.6 MPa,弯折抗拉强度不小于2.0 MPa,抗剪强度不小于1.5 MPa。冻土物理力学指标模拟参数:弹性模量统一取值为150 MPa,泊松比为0.25;

(5)前期横通道在开挖过程中,冻土的温度恒定,即不考虑开挖对冻土温度的影响。

底面土采用固定约束,两个侧面为法向约束,纵向侧面也为法向约束,上表面为自由约束。在模拟施工过程时,土层冻结、初支浇筑均通过材料改变属性的完成。模拟时技术参数见表1 和表2。荷载包括水土压力、结构自重和地面超载,水土压力、结构自重由程序自动生成,计算结果中相应的位移云图如图6所示。

表1 地层计算参数

表2 其他结构计算参数

由图6水平位移云图可以看出,采用设计开挖步序情况下,在开挖过程中,土体的最大水平位移发生在中隔墙位置,进行2导洞开挖时大小为18.5 mm,进行3导洞开挖时,最大水平位移值为-14.80 mm;而调整开挖步序后,开挖过程中,土体的最大水平位移发生在左上角位置,进行3导洞开挖时大小为11.6 mm,进行2导洞开挖时,最大水平位移值为-13.6 mm。相较于原始设计开挖步序,水平位移相对减小。

图6 52 m 暗挖主隧道开挖步序调整前后水平位移云图对比

图7为暗挖主隧道开挖步序调整前后竖向位移云图对比。由图7竖向位移云图可以看出,步序调整后,在竖直方向上,拱顶沉降和拱底隆起相较于原开挖步序均发生了一定程度的增大,尤其是在施工2导洞过程中,下台阶开挖对中隔壁竖撑角点扰动,开挖过程造成每2～3榀进尺中隔壁角点支撑土体悬空,使上半断面拱架内力突变,拱顶沉降明显加大。

图7 52 m 暗挖主隧道开挖步序调整前后竖向位移云图对比

2.5 开挖步序调整优化

由计算结果可以看出,开挖步序调整后,拱顶沉降和拱底隆起均相应地增大。为了保证开挖过程的安全,对中隔壁附近临时仰拱采取相应的加固措施,以提高联合承载能力,具体措施如下:

(1)中隔壁临时仰拱节点分布采用φ25@200 mm 联接钢筋加密布置;

(2)下台阶插打φ42 mm注浆钢花管,对侧向土体加固,同时对中隔壁临时仰拱节点提供承载力;

(3)Ⅲ序开挖要求保持一榀的进尺,每榀进尺需及时架立中隔壁型钢;

(4)对中隔壁关键受力部位埋深监测轴力计,以便进一步验证竖撑受力特征,用以指导施工,以及建立预警应急机制。

具体加固方案如图8所示。

图8 调整开挖步序后节点加固措施

3.1 主要监测项目及方案

3.1.1 拱顶沉降监测

拱顶沉降监测结果是隧道拱顶内壁的绝对下沉值。拱顶下沉量测属位移量测,其量测数据是判断支护效果、指导施工工序、验证施工质量和施工安全的最基本的资料。拱顶下沉量测应与净空收敛量测布置于同一断面上,每隔5 m 布置一个测点,监测频率由原先2天1次,加密为1天1次。

3.1.2 水平净空收敛监测

根据地质条件、围岩应力大小、施工方法、支护形式及围岩的时间和空间效应等因素,确定观测断面和测点位置。观测断面间距应小于洞径的2倍;初测观测断面应靠近开挖掌子面,距离小于1.0 m;测点布置应优先考虑拱顶、拱座和边墙,若遇软弱层应在其上下盘设测点。具体隧道断面测点布置如图9所示,主要的监测项目及监测参数如表3所示。

图9 隧道断面测点布置

表3 主要监测项目及相应参数

3.2 监测结果分析

道岔渡线段52 m 暗挖主隧道于2021-08-22至2021-12-24进行开挖及初支构筑工作,在整个开挖过程中全程进行监控量测,未出现涌水、涌砂、开挖断面失稳等情况发生,相应的拱顶沉降及净空收敛监测结果如图10所示。

图10 隧道开挖过程变形监测曲线

由监测数据可以看出,在整个开挖过程中,隧道的拱顶沉降、净空收敛数据受不均匀冻胀影响存在一定的波动,但是,变形发展速率和累计变形量均小于相应的设计预警值,未出现变形速率发展加剧和累计变形值过高的情况,进一步验证了开挖过程的安全性。

对开挖步序调整前后的开挖周期进行对比,绘制工期对比直方图,如图11所示。

由图11可知,开挖工序调整后,在整个开挖过程中横通道回填平台无需反复浇筑凿除,出土顺畅,减少了工序转化所带来的工期延误,总开挖工期提前了约21%。

图11 实际开挖工期与设计工期对比

(1)广州云大区间道岔渡线段52 m 暗挖主隧道按照设计开挖工序,1#通道回填混凝土需经历反复回填凿除,工序转换繁琐,人力物力浪费严重,现场出土效率低,在现场开挖工期压缩1个月的情况下,难以按时完成暗挖施工任务。开挖工序调整后,上述问题均得到了较好的解决,能够实现效益最大化,并且开挖工期较原设计工期提前了约21%。

(2)开挖工序方案调整后,利用数值分析软件对开挖过程进行预测分析,结果显示:开挖工序调整前后隧道水平位移受影响较小,但是在竖直方向上,在2导洞开挖过程中,下台阶开挖对中隔壁竖撑角点扰动,使得上半断面拱架内力突变,拱顶沉降和拱底隆起相较于原开挖步序均发生了一定程度的增大。因此,在现场开挖过程中对中隔壁附近临时仰拱采取了相应的加固措施,根据后续开挖监测结果显示,在整个开挖过程中变形控制效果良好,未出现监测值超限的情况,加固措施起到了较好的抑制变形作用。

(3)为了保证开挖过程的安全,开挖步序调整后,现场加密了相关变形数据的采集频率,根据现场实测变形数据结果可以看出,在整个开挖过程中,拱顶沉降和净空收敛值均处于变形预警值范围之内,变形曲线趋势基本一致,未出现变形快速发展的情况,整个开挖过程安全可控,顺利完成了广州云大区间道岔渡线段52 m 暗挖主隧道的开挖施工任务。

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