地铁区间隧道浅埋暗挖穿越软流塑地层施工技术.doc

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城市地铁区间隧道浅埋暗挖穿越软流塑地层施工技术

内容提要：

本文结合工程实例介绍了城市地铁区间隧道浅埋暗挖穿越软流塑地层施工技术。

从方案的比选到施工工艺、参数的选择和确定以及施工方案的实施效果做了较细致介绍。

关键词：

浅埋暗挖城市地铁软流塑地层

1工程概况

南京地铁南北线一期工程鼓楼站~玄武门站区间隧道在软流塑淤泥质粉质粘土层中采用矿山法修建隧道，在玄武门站南端（K11+225~K11+401.3）段，隧道穿过地层为软~流塑状淤泥质粉质粘土，覆土厚度约8m，地面上有2幢2层楼房、3幢5层楼房和一条φ900污水管。

1.1结构设计

设计结构为复合式衬砌结构，初期支护为锚喷支护，二次衬砌为模筑钢筋混凝土衬砌。

软流塑地层过楼房段初期支护为模筑混凝土衬砌。

设计结构横断面如图1所示，结构内力图如图2所示，初期支护和二次衬砌按刚度分担荷载。

根据工程特点，施工方案软流塑地层采用大管棚+小导管超前预注浆+掌子面封闭注浆，采用短台阶开挖；软流塑地层过楼房段采用“冻结法”施工。

整个施工根据现场监控量测结果进行调整。

图1软流塑地层区间隧道横断面图

图2软流塑地层区间隧道结构内力（K11+390）图

1.2软~流塑状淤泥质粉质粘土地层情况和土体物理力学指标及分布

图3断面1的地质剖面图

软~流塑状淤泥质粉质粘土土体物理力学指标见下表1：

软流塑地层物理力学指标表1

参数

②-2b3~4

②-2b4

③-1-2b3~4

③-2-2b3~4

含水率W（%）

32.6

39.1

29.0

36.7

湿密度ρ（g/cm3）

1.81

1.82

1.91

1.87

导热系数λ（W/m·k）

1.633

1.762

1.825

1.726

比热容（KJ/Kg·K）

1.804

1.804

1.641

1.77

导温系数α×10-3（m2/h）

1.78

1.93

2.09

1.88

含水量（%）

37.5

33.5

36.9

土重度γ（KN/m3）

18.4

18.9

18.4

孔隙比e

1.04

0.92

1.03

塑性指数IP

10~24

13.6

14~25

液性指数IL

1.07

1.04

0.98

压缩系数α1-2（MPa）

0.54

0.31

0.40

压缩模量Es（MPa）

3.77

6.19

5.08

固快粘聚力C（Kpa）

13.4

18.6

29.3

固快内摩擦角φ（度）

20.6

23.5

13.4

泊松比μ

0.34

0.31

0.35

0.33

垂直渗透系数Kv×10-7（cm/s）

61.28

1.15

水平渗透系数Kh×10-7（cm/s）

59.0

1.53

1.3软流塑地层暗挖隧道施工难点

以上软~流塑粉质粘土、淤泥质粉质粘土，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。

在软流塑地层中施工浅埋暗挖城市地铁区间隧道施工难点主要表现在以下几方面：

⑴围岩自稳能力极差，开挖后易产生坍方，严重时可能发生涌泥现象，使施工无法进行；

⑵地面沉降难以控制，在道路区，过大沉降易引起路面开裂，甚至坍陷，影响交通安全；在管线和建筑物区，地面沉降过大，易造成地下管线破坏和建筑物开裂，危及建筑物安全。

2软流塑地层隧道施工方案

2.1施工方案确定

软流塑地层隧道施工拟采用台阶分步开挖法，但必须采用适当的辅助工法加固地层。

常用的辅助工法有注浆加固（小导管超前注浆、大管棚+小导管超前预注浆、密排大管棚注浆）、软弱围岩仰拱超前法、旋喷或搅拌加固、冻结加固等。

结合现场实际情况进行了方案比选如下表，根据比较结果决定采用大管棚+小导管超前预注浆加固方案。

为分析开挖过程中洞周塑性区、开挖对地面沉降、地面既有建筑物的影响，采用平面有限元对开挖过程进行模拟分析。

分析及综合比较结果如表2，施工中采用大管棚+小导管超前预注浆方案

8

施工方案的综合比较表表2

项目

施工方法一

施工方法二

施工方法三

施工方法四

工法名称

大管棚+小导管超前预注浆+掌子面注浆加固

软弱围岩仰拱超前法

水平旋喷法

冻结法

工法

特点

与

原理

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。

软弱围岩仰拱超前法是先开挖隧道的下部，在隧道中部打设长管棚和小导管注浆，对下导坑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，开挖、施作下部初期支护；然后在隧道拱部打设长管棚和小导管注浆，开挖、支护隧道上部，主要是为了避免初期支护拱脚落拱产生的沉降。

水平旋喷是将钻杆水平钻进进行旋喷注浆。

它利用钻机钻孔，然后把带有喷头的喷浆管放至地层预定的位置，用从喷嘴出口喷出的射流（浆或水）冲击和破坏地层。

剥离的土颗粒的细小部分随着浆液排除，其余土粒在喷射流的冲击力、离心力、和重力的作用下，与注入的浆液掺搅混合，并按一定的浆土比例和质量大小有规律地重新排列，在土体中形成固结体。

冻结法是在洞周土层中降温，形成一个封闭的具有一定强度和稳定性的冻土帷幕，然后在冻土帷幕的保护下进行隧道开挖、支护与衬砌，该方法在软弱地层浅埋隧道中防塌、防沉效果好。

施工

难点

1．小导管和掌子面的注浆参数与工艺；

2．注浆加固效果；

3．浆液的配比。

1．小导管和掌子面的注浆参数与工艺；

2．注浆加固效果；

3．浆液的配比；

4．施工组织。

1．水平旋喷机；

2．水平旋喷的施工工艺、参数；

3．浆液的配比；

4．高压旋喷跑浆和废浆的处理。

1．冻结的参数；

2．冻结管的施工精度；

3．后期低温混凝土结构施作困难；

4．解冻后对地层和结构影响。

地面

沉降

计算

最大值：

37.7mm；

最大值：

14.7mm；

最大值：

10.7mm；

最大值：

18.9mm；

试验

最大值：

136mm

实测

25~30mm，最大50mm左右。

拱顶

下沉

计算

最大值：

48.2mm

最大值：

15.73mm

最大值：

45.3mm；

试验

实测

20~25mm

掌子面位移

计算

最大值：

154.2mm

最大值：

85.7mm

试验

实测

塑性区

域分布

塑性区分布范围稍大

塑性区分布范围稍小

塑性区分布范围稍小

塑性区分布范围稍小

施工机械

水平钻机、注浆机

水平钻机、注浆机

水平旋喷机、高压注浆机

水平钻机、冻结机械

施工工期

每个掌子面每月综合成洞15m（不包括二衬）

每个掌子面每月综合成洞8~10m（不包括二衬）

每个掌子面每月综合成洞m（不包括二衬）

工期长，每个掌子面每月综合成洞

施工造价

每延米综合造价5.35元

每延米综合造价6.04万元

每延米综合造价5.39万元

造价昂贵，每延米综合造价7.02万元

社会效益

本工法除产生地面变形和引起周围构筑物变形较大外，基本不产生环境污染，造价低，工期短，社会效益好。

本工法除产生地面变形和引起周围构筑物变形较大外，基本不产生环境污染，造价低，工期稍长，社会效益好。

本工法除产生地面变形和引起周围构筑物变形较大外，基本不产生环境污染，造价低，工期短，社会效益好。

冷冻需要大量的氟立昂，会产生环境污染；冻结施工时冻胀和融沉不良影响大，造价高，工期长，社会效益差。

综合评价

对软流塑淤泥质粘土而言，本工法的关键是注浆，控制地面沉降和拱顶下沉的关键是注浆效果，控制变形略差于其它工法。

本工法施工简单，造价较低。

控制地面沉降和拱顶下沉效果好，但工期长，工序复杂，施工组织难度大，工程造价较高。

控制地面沉降和拱顶下沉效果好，但工法不很成熟，属新工法、新工艺，水平旋喷机工效低，工程造价较高。

本工法工期长、造价昂贵，施工期间控制地面沉降和拱顶下沉较好。

但解冻对地层的影响和对混凝土结构的影响较大。

2.2大管棚+小导管超前预注浆方案

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。

设计拱部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，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。

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，浆液采用水泥—水玻璃双液浆。

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1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3。

图4大管棚+小导管施工方法示意图

2.3施工工艺及参数

2.3.1超前预支护大管棚施工

2.3.1.1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。

2.3.1.2大管棚施工工艺及操作要点

管棚的施工根据地质情况采用顶进施工方法

⑴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。

⑵搭设平台、安装钻机、测定孔位

⑶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6。

图6大管棚静压顶入法施工示意图

（4）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7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8管棚注浆施工示意图

②注浆参数：

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）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。

2.3.2超前预支护小导管施工

2.3.2.1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。

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

2.3.3掌子面加固施工

2.3.3.1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。

2.3.3.2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：

（1）采用钻机钻孔，钻孔的垂直度误差控制在1%以内。

（2）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。

（3）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）。

2.3.4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。

开挖顺序示意图如附图所示。

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。

2.3.5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

3施工效果

采用上述方案，顺利地通过了该段软弱地层，地表沉降均不超过30mm，其他监测数据均正常。