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隧道施工方法之浅埋暗挖法

工程君们还记得去年的“隧道测量之盖挖法”吗?今天小编给大家说说另一种常见方法--浅埋暗挖法。

浅埋暗挖法是在距离地表较近的地下进行各种类型地下洞室暗挖施工的一种方法。继1984年王梦恕院士在军都山隧道黄土段试验成功的基础上,又于1986年在具有开拓性、风险性、复杂性的北京复兴门地铁折返线工程中应用,在拆迁少、不扰民、不破坏环境下获得成功。同时,结合中国特点及水文地质系统,创造了小导管超前支护技术、8字型网构钢拱架设计、制造技术、正台阶环形开挖留核心土施工技术和变位进行反分析计算的方法,提出了“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测” 18字方针,突出时空效应对防塌的重要作用,提出在软弱地层快速施工的理念。由此形成了浅埋暗挖法,创立了适用于软弱地层的地下工程设计、施工方法。


   浅埋暗挖法沿用新奥法 (New Austrian Tunneling Method)基本原理,初次支护按承担全部基本荷载设计,二次模筑衬砌作为安全储备;初次支护和二次衬砌共同承担特殊荷载。应用浅埋暗挖法设计、施工时,同时采用多种辅助工法,超前支护,改善加固围岩,调动部分围岩的自承能力;并采用不同的开挖方法及时支护、封闭成环,使其与围岩共同作用形成联合支护体系;在施工过程中应用监控量测、信息反馈和优化设计,实现不塌方、少沉降、安全施工等,并形成多种综合配套技术。

    浅埋暗挖法是以加固和处理软弱地层为前提,采用足够刚性的复合式衬砌结构,选用合理的开挖方式,应用信息化测量反馈设计和施工,以保证施工安全,控制地面沉降。

工艺流程图:

适用条件:

   1、浅埋暗挖法不允许带水作业。如果含水地层达不到疏干,带水作业是非常危险的。开挖面的稳定性时刻受到水的威胁,甚至发生塌方。把地下水,尤其是上层滞水处理好是非常关键的环节,它直接影响浅埋暗挖法的成败。大范围的淤泥质软土、粉细砂地层,降水有困难或者经济上不合算的地层,不适宜采用浅埋暗挖法。

   2、采用浅埋暗挖法要求开挖面具有一定的自立性和稳定性。1997年日本学会曾提出开挖工作面土体稳定的定量判别标准:土壤中的细颗粒(<74µ)含量≤10%, 且均匀系数Uc≤5%的突然不具备自立性.我国对土壤自立性提出了定性要求:工作面土体的自立时间,应足以进行必要的初期支护作业。 因此开挖面前方对地层的预加固和预处理,是浅埋暗挖法的必要前提,目的在于加强开挖面的稳定性,增加施工的安全性。

(1)浅埋暗挖法的十八子方针“管超前、严注浆、短开挖、强支护,快封闭、勤量测”。

1、地层的预加固和预处理(超前小导管和超前长管棚)

2、隧道开挖和初期支护 强调“随开挖、随支护”的基本原则,选择适当的开挖方法,做到利用土体有限的自立时间进行开挖和支护,使土体开挖后暴露的时间尽可能短,使初期支护尽早封闭成环。 开挖方法:短台阶法、带临时仰拱的长台阶法、中隔壁法(CD法)、交叉隔壁法(CRD法)、侧壁导坑法(眼镜法)、弧形导坑留核心土等。 初期支护:具有足够的强度和刚度,主要采用钢筋格栅,主要有以下原因: (1)、钢筋格栅与喷射混凝土能紧密结合; (2)、钢筋格栅在拼装成环后,具有一定的强度和刚度,在喷射混凝土尚未具备足够强度前,钢筋格栅可以单独承担来自土层的一部分荷载

3、二次衬砌 作用:提高初期支护强度和刚度、增强初期支护安全储备的需要,也是支撑中间的防水隔离层、承受水压力的需要。

4、监控量测 量测数据对隧道支护的受力变形状态其者重要的监控作用,量测数据的及时性和准确性应高度重视。 监控量测的项目: 地表位移、拱顶下沉、隧道周边收敛(必测项目)、土压力、土体位移、支护应力(选测项目)。

隧道稳定判据: 当测点位移时间曲线变化率呈明显收敛趋势,隧道水平收敛变化率下于0.2mm/d,拱顶下沉变化率小于0.1 mm/d,而且所测的位移值大于预计总位移值的80%以上

(2)浅埋暗挖法隧道施工技术。

浅埋暗挖法施工步骤是:先将钢管打入地层,然后注入水泥或化学浆液,使地层加固。开挖面土体稳定是采用浅埋暗挖法的基本条件。地层加固后,进行短进尺开挖。一般每循环在0.5-1.0米左右。随后即作初期支护。第三步,施作防水层。开挖面的稳定性时刻受到水的危胁,严重时可导致塌方。处理好地下水是非常关键的环节。最后,完成二次支护。一般情况下,可注入混凝土,特殊情况下要进行钢筋设计。当然,浅埋暗挖法的施工需利用监控测量获得的信息进行指导,这对施工的安全与质量都是重要的。

施工技术:


1 超前大管棚施工 隧道拱部采用超前大管棚进行注浆加固。管棚沿隧道开挖线外200mm布设, 管棚采用Φ108mm壁厚8mm无缝钢管, 外插角小于1°, 环向间距为400mm,。

   管棚施工的主要施工工序有: (1) 南北站厅明挖围护桩施工完成后, 开挖基坑, 边挖边撑。基坑开挖至适当位置施工管棚导向墙并预埋好管棚导向管。根据钻机型式及工艺设备的需要, 在适当位置施工钻机工作平台然后施工大管棚。(2)从管棚导向管按设计钻孔, 采用间隔钻孔, 先两侧后中间的顺序, 利用钻杆的柔性在导向系统的监测下沿设计线路轨迹钻进, 到达目的地, 卸下钻头换上回扩器进行回扩孔, 拖管时将钢管随钻头一起钻入地层内, 当达到设计深度后停机。(3) 管棚安装完成后,安放钢筋笼, 在管棚钢管孔口用法兰盘连结上孔口管(Φ42mm壁厚4mm, 长500mm)。(4) 向管棚钢管内注浆, 注浆顺序先下后上, 全孔可采用一次性注浆。注浆浆液采用水泥浆,浆液水灰比: 0.6:1~1:1; 注浆压力拟采用0.6~1.0MPa。 为使钻孔定位准确, 在拱部设置导向墙, 导向墙中预埋!133mm、壁厚8mm、长120cm管棚导向管。钢管采用分节安装。管棚的分节长度为: 5.4m共5节, 每两节之间用丝扣连接, 丝扣螺纹段长大于150mm。相邻两根钢花管的接头要错接, 其错接长度不小于1.0m。注浆钢管上钻注浆孔, 孔径Φ10mm,孔间距200mm, 呈梅花型布置。钢管尾部( 孔口段)2.0m不钻花孔作为止浆段。为提高钢管的刚度和强度, 钢管内增设由4根Φ16mm螺纹钢筋和固定短环组成的钢筋笼, 固定环采用外径Φ42mm,壁厚8mm,长60mm的短管环,短管间距1m。 本工程管棚施工的关键控制环节为钻孔质量控制, 由于地下有管线、人防洞和排污涵等, 角度控制稍有差错将铸成事故, 此外由于钻进通过砂层容易出现塌孔及涌水现象, 因此必须做好泥浆系统、导向系统。  

(1)泥浆系统

本工程地层为砂层、土层, 自稳能力稍差, 导向孔钻进及钢管回拖成功与否泥浆起到关键作用, 泥浆采用易钻膨润土, 并在膨润土内掺少量的聚合物, 粘度在40秒左右, PH值控制在8.5~10, 泥浆采用机械搅拌, 并进行二次回收利用。  

(2)导向系统  

   本工程钻孔线路沿线有管线、混凝土基础等,对导向系统信号发射有一定干扰, 施工中采用美国DCI公司生产的ECLIPSE无线地下定位系统, 加强型探棒, 探棒发射信号强, 探测深度为19.8m,加强型探棒电池采用DCI公司生产的专用锂电池。导向系统确保了钻孔不破坏人防洞、混凝土排水涵。


2 超前小导管及边墙注浆管施工

超前小导管施工: 隧道采用的超前小导管为Φ42无缝钢管, 小导管单根长度为3.0m, 壁厚3.5mm, 布设于拱部和边墙上部范围, 外插角10°, 环向间距0.4m, 纵向间距为1.8m超前小导管注浆施工工序包括: 封闭掌子面、钻孔、安设小导管、注浆、效果检查等。小导管采用手持式凿岩机钻孔。插管时采用风动锤振入, 注浆采用注浆泵。边墙注浆管施工与超前小导管施工方法基本相同。


3 全断面注浆施工 本站站厅联络通道施工时, 对<3- 2>淤泥质砂、<4- 1>冲洪积土层、<5- 1>残积土层作全断面注浆加固处理。

全断面注浆加固利用全断面打设超前注浆管进行注浆, 注浆前利用喷射砼封闭掌子面, 浆液采用水泥- 水玻璃浆液, 水灰比1∶0.75~1∶1, 水玻璃浓度为35°, Be′模数为2.6。注浆范围为隧道开挖轮廓线外1.5m以内的<3- 2>、<4- 1>、<5- 1>地层。浆液扩散半径: R=0.65m, 注浆孔孔底间距为1m, 梅花型布置。注浆采用长套管护壁后退式注浆工艺, 注浆顺序为先隧道周边后中间, 隔孔交替注浆。注浆方法为在砂层中采用渗透注浆, 在土层中采用劈裂注浆。


4 隧道施工 超前大管棚施工完成后, 即可进行正常的隧道施工, 隧道采用CD法开挖。CD法施工工序及步骤包括: 打设小导管、加固注浆、分区土方开挖、型钢支撑和钢格栅架设( 包括连接钢筋的焊接, 网片的搭接)、喷射混凝土、封闭后回填注浆。

根据地质条件及相关国内经验拟订设计原则:

(1) 超前支护是设计中的关键, 此工程地层属于淤泥质地层, 而该地道相对埋深较大, 土体自承能力优于福州路工程。福州的经验表明采用<108 大管棚施作拱部, 辅以<32 小导管超前预支护可有效地控制沉降; 由于软土层较厚, 仰拱隆起在设计中也应重视, 因此在该过街地道支护设计中, 隧道拱顶及仰拱都采用<108 大管棚超前支护, 并辅以<32 小导管超前注浆。比较拱部与仰拱, 侧壁由于土压力相对较小, 采用了<32 小导管密排方案。这样就使得地道周围形成了一个具备一定刚度密闭的壳体, 可有效地控制开挖过程中引起的水土流失及开挖应力释放所导致的土体位移

(2) 该设计为减小开挖对周围土体的扰动, 采用小断面短进尺的CRD 工法开挖, 并及时采用

(3)   采用有效的掌子面加固措施, 限制掌子面位移及水土流失。具体设计参数如下: 竖撑与横撑增大支护刚度, 并根据经验选取格栅刚架间距为50 cm

(4)了解浅埋暗挖法设计施工中的动态设计管理办法以及最新的浅埋暗挖法地下工程风险评估体系的建立和各个阶段风险评估指标的计算方法。

(5)了解利用有限元对浅埋暗挖法施工方案可行性分析的方法,及对有限元软件计算成果的分析应用。