软弱地层中地铁暗挖区间的横风道动态设计

闫朝涛

(北京市市政工程设计研究总院有限公司,100082,北京∥高级工程师)



软弱地层中地铁暗挖区间的横风道动态设计

闫朝涛

(北京市市政工程设计研究总院有限公司,100082,北京∥高级工程师)

富水细砂层是北京地区常见的土层,且常常与不透水层形成一种互层的构造形式。这种地层结构往往给地下工程的施工带来较大的工程风险,尤其以暗挖法施工的大断面结构更为危险。以北京地铁暗挖横风道为例,介绍了软弱地层中的暗挖区间风道动态设计的依据、原理以及实际施工现场的响应,同时通过过程优化管理最终实现工程的顺利实施。对于工程设计者而言,坚持理论与现场实际相结合、坚持动态设计与管理是保证暗挖工程顺利实施的关键。

地铁； 暗挖施工； 软弱底层； 地层变形

Author′s address Beijing Municipal Engineering Design & Research Institute Co.,Ltd.,100082,Beijing,China

1 工程概况

北京地铁15号线是北京市区连通顺义的郊区线,一期工程全长38.3 km。15号线在顺义城区的线路全长约7.3 km,东西走向,线路沿顺义府前西街、府前东街地下敷设,然后通过潮白河,到达河东俸伯站；线路均为地下线,共设有四座车站,一座为半地下站,其余三座为地下站。15号线东段工程望京西—顺义段已于2011年底开通运营。

南法信站—石门站区间是15号线到达顺义城区的第一段区间,区间全长约2.5 km,盾构法施工。根据通风专业需要,区间需要设置一处风道,以满足区间排风和事故排烟等需要。本段区间沿顺义府前西街地下敷设,府前西街是顺义城区东西向的主要交通干道,穿过最繁华的城区商业街,道路交通流量大。根据区间沿线周边条件,风井选择在顺鑫石门农产品市场东边、七分干渠西边道路南侧的绿地内。

2 工程地质及水文条件

工程范围内的地层为人工堆积层、新近沉积层、第四纪全新世冲洪积层、第四纪晚更新世冲洪积层,由上而下依次为①1杂填土、①粉土填土层、②1粉质黏土层、②粉土、②3细中砂层、④粉质黏土层、④1黏土层、④2粉土、⑥粉质黏土层。从图1中可以看出,暗挖结构大部分位于新近沉积土中。新近沉积土沉积时间短,土体固结度不高,力学特性差,对暗挖施工十分不利。其中对工程有重要影响的是新近沉积土②3细中砂层,在风道洞身范围内有两层分布,第一层厚度4.7～6.5 m,底部埋深9.8～12.2 m;第二层厚度2～3.3 m,底部埋深15.3～16 m。根据地勘报告,该细中砂层含水饱和,内聚力c=0 kPa,内摩擦角φ=15°

拟建场地在勘察深度范围内,发现四层地下水,其中在结构洞身范围内有三层地下水,分别为潜水(二)、层间水(三)、层间水(四)。

3 工程设计

根据通风专业需求以及尽可能降低风道施工风险,风道采用了5种结构断面,均为拱顶直墙加仰拱型式,最大结构尺寸高18.05 m,宽12.3 m,结构埋深7 m。风井结构长13.0 m,宽6.6 m,风井结构深23.4 m。考虑到地下管线以及府前西街的交通情况,风道采用双侧壁导坑和CRD(交叉中隔壁)暗挖法施工,风井采用倒挂井壁法施工,兼作主体风道施工通道。采用降水方式解决地下水问题。本工程最大的风险来自于暗挖风道的洞室开挖与支护。本文就控制风道施工引起的地层变形所采取的技术措施进行论述。

洞室在软弱土层中开挖引起的应力重分布促使围岩发生弹、塑性变形,一旦施工方法和工程措施不当,洞室会发生初期支护变形侵限或者坍塌等工程灾害。通常,洞室围岩变形主要由开挖面前方先行位移、开挖面挤出位移以及开挖面后方变形等组成。风道支护体系分别从上述的几方面变形控制入手设计。

(1) 控制开挖面先行位移。先行位移是随着开挖面的推进而发生的,先行位移的最大值是在开挖面处,在一般围岩条件下,其值约占总位移的20%～30%左右,围岩条件越差,其值越大。开挖通常采取超前预支护以控制先行位移,设计采用了小导管注浆预支护方式进行拱部土体的加固。注浆材料的选用以快速固结砂层为主要原则。考虑到暗挖施工提前疏干地下水,对于无水砂层的注浆材料选用改性水玻璃,有水时则改用水泥水玻璃双液浆,以加固砂层提高整体性能,避免拱部砂层塌落或失稳。

(2) 控制开挖面挤出变形。控制开挖面挤出位移的技术主要有:改变开挖面形状、预留核心土、开挖面喷射混凝土、开挖面前方注浆加固等。预留核心土是控制开挖面挤出位移、防止开挖面坍塌的最有效的方法之一,也是我国软弱地层进行暗挖施工通常采取的必要开挖方式。本工程控制开挖面挤出变形的主要措施是预留核心土和开挖面超前注浆加固。由于本工程洞身位于细中砂、粉土及粉黏土等细粒料层中,刻意追求开挖面形状不太现实,开挖以满足开挖面稳定、早封闭、便于施工为准。预留核心土即以弧形开挖,核心土上部宽度2～3 m,下部宽度3～5 m。超前开挖面注浆以WSS(无吸缩)注浆方式进行,对砂层进行全断面加固,注浆达到挤压、密实开挖面前方土体的目的,每次加固深度为10 m,以覆盖开挖面前方挤出变形的影响深度。

(3) 控制开挖面后方变形。开挖面后方变形约占总变形量的60%～70%,控制初期位移速度的发展至关重要。初期支护设计主要是控制这部分变形,该部分变形量不仅取决于初期支护的刚度、强度,同时也受初期支护施作方式以及时间的影响。本工程初期支护采用300 mm厚C20混凝土,φ25 mm格栅钢架以及双层钢筋网。风道的二衬采用700 mm厚C40抗渗混凝土,在完成开挖支护后尽早施作。

(4) 快速施工是软弱围岩隧道修建的核心,也是浅埋暗挖法技术发展的目标。因为软弱围岩的蠕变特性使其变形持续时间长,如果施工速度缓慢,支护形成封闭时间长,就很容易出现大的变形,甚至过度松驰而塌方。本工程根据风道跨度采用双侧壁导坑和CRD暗挖施工、多部开挖,达到快速封闭目的,以减少围岩收敛、变形。

(5) 科学管理是落实设计意图关键环节。根据工程经验,出现工程事故的现场总是暴露出施工管理方面问题,分析原因,很大部分在于管理人员不了解设计意图和专业素养不足,放任现场的违规操作,埋下工程隐患。例如,初期支护中喷射混凝土须满足以下要求:及时、分层、密贴(围岩)、密实。每一项要求都影响着喷射混凝土作用的发挥,其中,密贴的作用是保证混凝土与围岩间产生剪切力,该剪切力以切向应力传递给围岩,有助于围岩内形成拱状的压力带,促使洞周围岩体的稳定。而在现场施作中能达到上述四点要求的很少,这就降低了初期支护承载及抗变形能力,因而在施工过程中经常出现变形过大、沉降超标现象。

4 施工中出现的问题

本风道工程的风井采用倒挂井壁法施工,利用风井作为施工竖井下挖,然后破马头门,进行主体风道暗挖施工。

施工前提前进行了降水作业,以尽量保证无水开挖土方。开挖至第一层②3细中砂层时地下水出现疏不干现象,导致水土流失严重,侧壁局部坍塌失稳,存在工程风险。根据专家意见,加强地层降水、强化降水管理,以确保施降效果,同时结合坑内排水等进行综合处理。但在随后的施工中,特别在第二层②3细中砂层,上述问题仍然存在,使竖井下挖困难。根据施工过程中地层出现的情况,推断其原因主要为七分干渠河道长期作用下,河道周边已形成许多疏松的地下过水暗道,使拟建风道受其影响严重；其次是新近沉积土②3细中砂层沉积固结不足,物理力学性能差,对地层扰动敏感。

5 动态设计管理

考虑到之后的横风道大断面开挖面临的流砂坍塌情况,风道的设计有必要进行适当的优化。根据工程特点和施工中暴露的问题,本工程主要进行了开挖断面和开挖步序这两方面的优化。

5.1 单洞大断面优化为双洞小断面

地下洞室开挖断面大小对围岩变形区域和量值影响显著,随着断面尺寸加大,围岩的地质模式可能改变,实质上围岩的级别可能发生了改变,在城市土质地层中,主要表现为隧洞的稳定性及地层松动变形范围发生变化。

对于开挖跨度的影响,通常的做法是改变围岩级别或改变开挖、支护模式。而改变开挖、支护模式是处理跨度影响的常用方法,通常有全断面开挖、分层开挖以及分部开挖等三种开挖方法,支护类型分柔性支护和刚性支护。

北京地层以粉土、粉黏土、砂土以及砂卵石地层为主,对于大断面暗挖施工通常采用洞桩法或分部开挖法。洞桩法最早应用于北京地铁暗挖车站,其原理是先通过施工小导洞,形成桩柱体系,然后开挖主体大断面的拱部,拱部二衬支撑于桩柱体系上,完成对上部土体的支护,然后再进行下部土体的开挖以及剩余主体结构的施工。

与分部开挖法相比,该方法通过扣拱体系提前完成对地层土体的支护,有利于控制地层沉降、保护周边(构)建筑物,其设计理念先进,暗挖断面越大,优势也越明显。但洞桩法也存在较多缺点:节点质量难保证、工序转换多、结构渗漏、施工技术要求高以及工程造价高等。分部开挖法是一种比较常用的暗挖施工方法,多应用于跨度7～16 m暗挖工程中,对于地层变形要求比较严格的环境,可适当增加支护刚度。大断面隧道开挖分部越多,每部开挖的断面就越小,闭合时间就越短,开挖引起的沉降也就越小,但每一部的开挖对拱顶都将引起沉降变形。

一般来说,开挖分部越多,在同样的地质条件下,拱顶发生的总位移变形越大。因此,大断面分部开挖不仅要考虑地层变形的限制,还要结合施工条件、满足单部开挖的可实施性，以及早封闭的要求，来合理划分开挖分部。

本风道原设计单洞断面最大开挖面积205.5 m2,采用15分部开挖,平均每部开挖断面约14 m2。这在穿越地下管线时很难控制在限值要求内,故在开挖过程中必须结合实时跟踪补偿注浆以补偿地层损失,满足管线对变形的要求。根据风井开挖的经验来看,风道施工遇到细中砂时出现流砂、局部坍塌现象将不可避免,这无疑会加剧地层的变形,使工程实施风险加大。基于此,风道断面的优化显得尤为重要与必要。原风道结构平面见图2。

图2 原风道结构平面图

(1) 经过对现场的踏勘、与相关专业的配合,最终将风道由大断面单洞优化为分离式的双洞方案,既保证了使用功能,又达到降低工程风险的目的。优化后的最大断面宽7.6 m,高14.32 m,总开挖面积104 m2,设计采用8部开挖(见图3)。优化后的最大断面尺寸减少了近50%(见图4),开挖分部也减少了7部,该项优化给其它控制措施提供了基础,对地层变形控制贡献很大。

图3 优化后风道结构平面图

图4 优化前与优化后结构最大横断面图

(2) 风道优化对地层变形的贡献。采用midas GTS软件对优化前后的两种断面进行数值模拟计算(地层变形见图5),相同条件下,优化后的断面不仅影响的地层范围小,而且对地层的扰动变形也小。根据计算的结果,优化前大断面引起拱顶地表沉降最大值约70 mm,优化后则仅为27 mm。

图5 优化前与优化后风道开挖引起的地层变形模拟情况

(3) 工程投资及工程风险控制。优化后的风道增加一处风井并增设一处纵向连接风道,投资概算增加约260万(不含施工过程中同步补偿注浆等控制地层变形措施)。从工程实施效果看,风道下穿管线及府前西街等重要部位的地表沉降处于可控状态,满足管线及道路沉降限值要求。

5.2 变换分部开挖步序

优化后风道宽7.6 m,高14.32 m,采用CRD 4层8部开挖。对于开挖的顺序,国内研究已经很多,针对第2步开挖哪个部位有两种观点：在宝兰二线新曲儿岔双线施工中,文献[3]认为第2步开挖第二层分部时可以较好控制隧道变形。在施工洋碰隧道时,文献[4]认为第2步开挖第一层另一分部时可以较好控制隧道变形。在厦门翔安海底隧道施工中,文献[5]分别对两种开挖顺序进行了现场试验研究,从统计资料显示,第2步开挖第一层另一分部比开挖第二层分部控制拱顶变形能力强。文献[6]在对北京地铁10号线光华路站侧洞施工进行数值模拟

分析中认为,第2步开挖第二层分部控制地层变形能力强。综合分析上述工程施工条件以及其它类似工程,具体施工分部开挖顺序不仅与施工便利性有关,而且与地质条件密切相关。数值分析在工程实施前起到了很好的参考指导作用,但众多的实例证明,由于模拟计算无法考虑土质的不均匀性、各向异性以及施工水土流失、超欠挖、时空效应等,其结果往往与实际相差较大。本工程原设计方案参考了北京地区类似工程的常用开挖步序,选用了第2步开挖第二层的方式,具体步序见图6。在施工过程中出现了问题,由于第二层顶部位于细中砂层中,第2步开挖时出现了顶部坍塌现象,风道拱部沉降严重,因此,开挖步序及时进行了调整,第2步开挖调整为第一层另一分部,具体调整见图7。同时通过上部空间对第二层外侧砂层进行超前土体加固,对比发现,此调整更有效地控制了风道顶部整体下沉变形。

图6 调整前开挖步序图

图7 调整后开挖步序图

6 结语

本暗挖工程所处地质条件较差,但通过各方努力已顺利完工并交付使用。暗挖工程能否顺利快速完成,取决于参建各方对暗挖工程的认识与管理。对于工程设计者而言,坚持理论与现场实际相结合、坚持动态设计与管理是保证暗挖工程顺利实施的关键。

[1] 关宝树,赵勇.软弱围岩隧道施工技术[M].北京：人民交通出版社,2011.

[2] 关宝树.隧道与地下工程喷混凝土支护技术[M].北京：人民交通出版社,2009.

[3] 赵源林，姜玉松.既有铁路路基下软岩隧道的CRD法施工技术[J].安徽理工大学学报,2005(2):29.

[4] 徐林生，孙钧，蒋树屏.洋碰隧道CRD工法施工过程的动态仿真数值模拟研究[J].地质灾害与环境保护,2001(1)：58.

[5] 傅洪贤，刘永胜，郭衍敬，等.厦门翔安海底隧道施工关键技术研究[J].中国工程科学，2009(7):30.

[6] 刘惠敏，赵月.CRD法不同施工工序的比较与分析[J].隧道建设,2005(5):6.

Dynamic Design of Metro Wind Passage for Excavation Tunnel in Soft Geological LayersYAN Chaotao

Water-rich fine sand layer is usually seen in the stratum area of Beijing. When combined with the impermeable layers, it often forms an interbeded formation that will bring great engineering risks to the underground project construction, especially to the large cross-section structure in excavation construction projects.Taking the excavation of wind passage in Beijing metro as an example, the design basis, principle and responses in the actual construction are introduced. Meanwhile, an optimized process management is introduced to ensure the smooth implementation of the project. For the engineering designers, the key to ensure the construction quality of the project is to combine theory with the actual situation, and insist on the dynamic design and management at the same time.

metro; excavation construction; soft geological layer; stratum deformation

U 231.5

10.16037/j.1007-869x.2016.05.023

2014-12-15)