淤泥地层暗挖矩形隧道密贴雨水箱涵施工关键技术

许俊伟

(中铁隧道勘察设计研究院有限公司， 广东 广州　511400)

0　引言

淤泥质地层具有土体软弱、含水量高、易发生较大变形和稳定性差等特点，在该类土层中应用浅埋暗挖法修建地铁隧道和地下通道，不仅要考虑上方及周边建(构)筑物的安全，又要保证自身结构的稳定，大大增加了施工难度和风险。在该类地层中进行浅埋暗挖隧道施工时，为保证施工和环境安全，施工前必须预先进行有效的地层改良和加固，增加地层的稳定性。

对于淤泥质地层，目前常用的预加固方法有大管棚+小导管注浆、帷幕注浆、掌子面注浆、水平旋喷桩(加筋)和搅拌桩(深层、水平)等，同时也有可重复高压灌浆锚杆和压密注浆等方法被应用于实际工程，取得了较好的效果。况勇等[1]介绍了在上海含水淤泥质地层条件下,地铁隧道，采用的管幕超前预支护、掌子面深孔注浆加固、短开挖、强支护等综合浅埋暗挖施工技术； 杨世武[2]结合福州市地下人行通道，介绍了软弱淤泥质地层条件下的地层加固和施工方法； 文献[3-4]介绍了大管棚辅以小导管超前支护、掌子面深孔注浆和多分部法等综合施工技术； 文献[5-7]介绍了在软流塑淤泥质粉质黏土层修建隧道采用高压水平旋喷注浆加固地层的原理、浆体材料和配比、注浆压力、注浆量、施工方法及注浆效果检测等； 邓建林[8]介绍了一种适合淤泥质地层的新型土体加固技术——水平搅拌，克服了在地面上无作业条件的难题,而且能够通过监测和控制孔口的返浆量以达到有效控制地面沉降的目的； 胡建林[9]论述了可重复高压灌浆锚杆的结构构造及其独特的灌浆工艺，探讨了该类锚杆的承载能力特性； 曹伟[10]以苏州工业园区处理淤泥质地层的方案及效果为例，探讨了压密注浆在淤泥质地层中的应用； 陶连金等[11]介绍了大跨径矩形暗挖车站密贴下穿既有地铁车站的施工技术，通过增加临时立柱和千斤顶、型钢钢架基底处理、超细水泥浆初期支护背后回填注浆、多台千斤顶同时加力顶升等措施有效控制了既有地铁车站的沉降； 孙旭东[12]以北京地铁6号线东四站—朝阳门站区间下穿既有5号线东四站为例,介绍了超前注浆加固及止水技术、CRD+千斤顶支护法、辅助深孔注浆及背后回填和补偿注浆技术等暗挖隧道下穿既有车站施工技术； 吴昊[13]以青岛地铁为例，介绍了上下断面差异性较大地质条件下，综合采用深孔注浆地层预加固、超长管棚与支护和减震爆破及实时监测技术，顺利完成近距离下穿地下商业街； 孙国庆[14]以深圳地铁7号线和9号线区间盾构接收为例，根据工程所处的环境，对静压循环注浆控制技术和扩散性好、凝胶时间可控的新型材料应用进行研究, 最终盾构端头井加固达到了要求，确保了盾构安全出洞，还使邻近既有线变形量控制在规范要求的范围内； 文献[15-16]根据深圳某地下通道的施工实践，认为开挖阶段支护整体下沉量和拆撑阶段中隔墙受力的变大是导致地表沉降量迅速增加的主要原因。然而，在工程实际中除了采取必要的地层改良和加固措施外，选择合适的开挖工法并控制开挖和支护施工影响也是工程安全顺利完成的必要条件。

本文依托深圳某车站换乘通道暗挖段工程，针对其沉降控制要求高和周边地层环境复杂等特点，采取水平旋喷桩和全断面帷幕注浆相结合的超前预加固措施，提高了围岩的强度和刚度。矩形隧道采用6步开挖，支撑拆除和二次衬砌施作阶段采取分段的方式，全过程利用监测信息指导施工，取得了软弱富水淤泥质地层和复杂环境中大跨径矩形通道暗挖施工的成功经验。

1　工程概况

1.1　地质条件

暗挖隧道上覆地层主要为第四系全新统素填土，换乘通道暗挖段隧道主要穿越地层为淤泥质黏性土②2、粉质黏土③4、粗砂③8，暗挖隧道下方地层依次为较厚粗砂层、砂质黏性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩，基岩为中风化花岗岩，隧道地质剖面见图1。换乘通道暗挖段地表水不发育，地表水主要为坑洼地带的积水。

图1　暗挖隧道地质剖面图 (单位： mm)

1.2　工程概况

换乘通道位于车站西南侧，呈东西走向，暗挖隧道位于换乘通道靠近7号线车站一侧。暗挖段为矩形断面，开挖尺寸宽10.4 m，高4.866～5.112 m，长16 m，采用分步开挖法，分上下、左中右6步开挖。换乘通道暗挖段上方密贴有皇岗河雨水箱涵，箱涵为单箱双室形式，钢筋混凝土结构，宽12.3 m，高6.15 m，顶板厚450 mm，外侧墙厚450 mm，中隔墙厚400 mm，底板厚500 mm，底板下垫层厚300 mm。暗挖段加固区下方为地铁7号线右线隧道(隧道直径为6 000 mm,管片厚300 mm)，加固区底至区间隧道管片顶约7～8 m，隧道平面和剖面见图2。

(a) 暗挖隧道平面图

(b) 暗挖隧道剖面图

箱涵顶板上方覆盖约0.9 m厚素填土，箱涵上半段位于素填土层，下半段位于淤泥质黏性土层，整个暗挖隧道均位于软弱土层中，遇水易软化，开挖易引起雨水箱涵和地表较大沉降，暗挖段降水受周边条件限制而无法进行，施工风险较大。经综合研究对比分析，暗挖通道分6步开挖，采用复合式衬砌结构； 超前支护方面，土体加固和止水采用水平旋喷桩和全断面帷幕注浆补充加固止水，并采用φ42 mm×3.5 mm小导管辅助注浆加固土体。

2　暗挖换乘通道施工

暗挖隧道总体施工步骤为： 水平旋喷桩注浆加固土体—全断面帷幕注浆加固土体—暗挖隧道初期支护施工—暗挖隧道支撑拆除和二次衬砌施工。

2.1　超前加固方案

隧道开挖前采取水平旋喷桩和全断面注浆措施对隧道及周边土体进行加固，以提高围岩自稳能力，降低施工风险。

2.1.1加固参数及工艺

1)水平旋喷加固。对隧道开挖影响范围进行裙边加固和抽条水平加固，加固深度为16 m，覆盖整个暗挖隧道，共施工224根直径600 mm、间隔450 mm的水平旋喷桩，孔位布置见图3。现场钻孔设备采用2台型号为HTG-200的水平钻机，浆液材料采用P·O 42.5R水泥，水灰比为1∶1。水平旋喷桩正式施工前，先进行洞内水平旋喷桩试验，根据实际地层水平旋喷桩旋喷加固效果，初步确定现场旋喷桩施工主要技术参数见表1。

图3　水平旋喷桩加固孔位布置情况

　　　施工参数参数值桩型/mmϕ600@450喷嘴个数2喷嘴直径/mm2.2～2.4射水压力/MPa25～32泥浆压力/MPa1.0～1.5空气压力/MPa0.3～0.7喷杆提升速度/(cm/min)15～20喷嘴旋喷速度/(r/min)10～20水灰比1∶1喷射流量/(L/min)50～100水泥用量/(kg/m)350搭接长度/mm150

2)全断面注浆。加固范围为暗挖隧道轮廓线内及下部初期支护轮廓线外3 m，每循环纵向加固长度为9 m，开挖6 m，预留3 m作为下循环止浆岩盘。为了便于过程控制及保证加固效果，采用分段后退式注浆工艺，按照“多孔少注”的原则，浆液扩散半径为1.2 m，共计布设336个注浆孔，注浆材料采用P·O 42.5水泥，水灰比为0.8∶1～1∶1，注浆压力为0.3～0.6 MPa。全断面注浆布置见图4。

图4　全断面注浆布置情况 (单位： mm)

2.1.2加固施工过程控制

水平旋喷桩施工过程中，巨大的喷射压力导致箱涵结构出现了快速隆起现象，最大隆起量约27 mm。针对此现象，现场及时采取了以下措施来控制隆起： 1)降低水平旋喷压力，从32 MPa降低至25 MPa； 2)在箱涵下方1 m处水平均匀布置1排泄压孔，对水平旋喷加固土体进行泄压。现场实施后，箱涵隆起得到控制，隆起量不再增加，且出现了少量回落现象，说明处理措施得当。同时，水平旋喷桩施工造成的箱涵隆起为后期隧道施工引起的箱涵沉降提供了缓冲，一定程度上降低了换乘通道暗挖施工对周边环境的影响。

2.1.3加固效果评价

暗挖隧道土体加固施工从2016年10月2日开始，到2016年11月12日结束，共施工水平旋喷桩224根，施工完成后的成桩效果见图5。选取9根水平旋喷桩进行钻孔取芯，并将芯样送检，进行桩身强度、桩身完整性、桩长和桩底沉渣检测，芯样情况见图6。检测结果显示，单个芯样抗压强度范围为3.8～9.2 MPa(设计强度为4 MPa)，芯样呈短柱状、碎块状、块状，胶结良好。

图5　水平旋喷桩成桩效果

图6　现场水平旋喷桩钻孔芯

水平旋喷桩施工完成2 d后，进行全断面注浆加固施工，结果显示后期芯样较完整，可知全断面帷幕注浆加固对水平旋喷桩的影响较小。由现场加固情况和取芯送检结果分析，暗挖隧道土体加固效果较好，加固完成后，围岩自稳能力有较大的提高，隧道开挖风险进一步降低。

2.2　暗挖隧道开挖和初期支护

暗挖矩形隧道开挖和初期支护以“化整为零、减小一次开挖跨径，及时形成封闭体系”为原则，上部以中导洞先行，左右导洞以安全距离紧跟，将下部加固体作为承载基础，利用钢架和锁脚锚管及时形成临时封闭体系，控制箱涵和隧道初期支护的变形； 下部施工同样以中导洞先行，左右导洞以安全距离紧跟，及时形成永久封闭体系。初期支护设计参数见表2，初期支护的结构及导洞施工顺序见图7。

表2　初期支护设计参数

2.3　暗挖隧道结构施工

暗挖隧道结构施工总体思路： 保留部分临时支撑，对其进行有效的防水处理后进行二次衬砌施工，控制体系转换造成的箱涵及隧道初期支护变形。结构底板一次浇筑成型，分2段(每段8 m)拆除临时横向支撑，施工侧墙结构，最后施工顶板结构，待结构混凝土强度达到设计要求后，拆除临时竖向支撑，侧墙处设置2道水平向施工缝，沿结构纵向设置1道环向施工缝。结构施工示意图见图8。

图7　初期支护结构及开挖工序图 (单位： mm)

Fig. 7Structure of primary support and process of excavation (unit: mm)

图8结构施工示意图(单位： mm)

Fig. 8Sketch of structure construction (unit: mm)

2.3.1底板施工

暗挖隧道底板结构一次性施工。首先破除竖向临时中隔墙底板高度范围的混凝土，然后焊接法兰盘，铺设防水卷材，绑扎底板及水平施工缝上部50 cm范围内的钢筋，最后浇筑混凝土。

2.3.2第1段结构施工

结构施工流程如图9所示。顶板浇筑采用附着式振捣器，底部布设6个附着式振捣器，边浇筑边振捣，使混凝土振捣密实。

第1段结构施工过程中上方箱涵结构监测数据稳定，但现场仍存在一些问题： 1)支撑拆除过程中，少量竖向支撑中间对接位置未完全对齐，存在失稳风险，现场及时补焊架设了支撑结构； 2)顶板混凝土浇筑先进行水平浇筑，引起竖向浇筑口堵塞，竖向混凝土浇筑困难，现场通过加压浇筑和后期补充注浆措施进行处理。

图9　结构施工流程图

2.3.3第2段结构施工

第2段结构施工一次性拆除两侧导洞的横向支撑，保留中洞横向支撑，相较于第1段结构支撑的拆除方式，增强了抗失稳能力。侧墙和顶板防水铺设、钢筋绑扎和混凝土浇筑过程与第1段基本相同，顶板浇筑时先通过竖向浇筑口进行混凝土浇筑，避免出现浇筑口堵塞的情况，顺利完成了顶板浇筑工作。

3　监测结果分析

依据设计要求，在施工过程中主要监测项目及控制指标见表3。

表3　监测项目及控制指标

3.1　箱涵沉降监测分析

在雨水箱涵结构上布置箱涵沉降监测点，箱涵沉降监测点位布置和各施工阶段监测结果见图10和图11。

JHGH01—JHGH09为监测点编号。

图10箱涵沉降监测点位布设图

Fig. 10Layout of settlement monitoring points on box culvert

图11　暗挖隧道上方箱涵沉降曲线

由图11可知，水平旋喷桩施工期间，暗挖隧道上方箱涵产生了约15～27 mm的隆起量，接近控制值，应及时暂停施工并研究对策。通过设置泄压孔和控制注浆压力，隆起量得到有效控制并有少量回落，至全断面注浆加固结束，箱涵沉降数值保持稳定，最大隆起值约为25 mm。注浆加固结束后，受到浆液收缩等影响，开挖准备阶段至隧道开挖前，箱涵最大隆起量(JHGH02监测点处)下降至约20 mm； 暗挖隧道开挖和初期支护施作期间，测点变化呈稳定状态，至初期支护施工完成，箱涵最大隆起量约为19 mm； 二次衬砌施工完成后，箱涵最终最大隆起值约为16 mm，在设计要求范围内。

3.2　拱顶沉降和周边收敛监测分析

暗挖隧道开挖时，自西向东每3 m设置1个监测断面，共设置5个监测断面，每个监测断面设置3个拱顶沉降测点和4个周边收敛测点，如图12所示。拱顶沉降和周边收敛测点在二次衬砌施作前进行拆除，其监测结果见图13和图14。

由图13和图14可知，从隧道开挖到二次衬砌施工期间，隧道拱顶最大产生了6.8 mm的沉降，小于10 mm的控制值； 隧道初期支护周边收敛最大值为6.2 mm，小于10 mm的控制值。根据总体监测结果可以得出，水平旋喷桩施工引起箱涵产生较大的隆起变形，隧道暗挖过程中，围岩稳定、箱涵沉降变化较小，开挖引起的隧道拱顶沉降和周边收敛均小于控制值，最终上方雨水箱涵在施工过程中变形未超过控制指标，未出现漏水和开裂现象。以上结果说明，换乘通道暗挖隧道施工过程中采取的水平旋喷桩加固、全断面帷幕注浆和开挖支护及二次衬砌施工措施是安全可靠的。

(a) 监测断面内监测点布设图

(b) 监测断面布设图

SL和GD表示监测点编号。

图12拱顶沉降和周边收敛监测点布设(单位： mm)

Fig. 12Layout of monitoring points for crown top settlement and surrounding convergence (unit: mm)

图13　暗挖隧道拱顶沉降曲线

图14　暗挖隧道周边收敛曲线

4　结论与讨论

本文通过介绍深圳某车站暗挖矩形换乘通道在软弱淤泥层中密贴下穿雨水箱涵的施工控制技术，针对软弱地层加固、初期支护及二次衬砌施工采取主动控制措施，安全顺利地完成了暗挖换乘通道的施工，箱涵和隧道变形均在控制范围之内，对后续隧道施工有一定的借鉴意义，并得出如下主要结论。

1)在软弱淤泥层中密贴下穿雨水箱涵施工，采用水平旋喷桩和全断面帷幕注浆超前加固软弱土体和封水堵水，可以有效改良地层，提高地层整体刚度，减少施工对周边环境的影响； 在水平旋喷桩加固过程中，采取降低旋喷压力和设置泄压孔的措施，可以有效减小箱涵的隆起。

2)矩形大断面通道初期支护采用分步开挖，分上下、左中右6步施工，化整为零，减小了一次开挖跨径； 二次衬砌结构施工过程中采取了分段施工及中间临时支撑不拆除,待二次衬砌混凝土达到设计强度后再拆除中间临时支撑的措施，可以有效地控制地层应力的释放，保证了隧道施工及周边环境的安全。

3)在本工程的旋喷桩施工过程中，箱涵隆起值较大，易引起箱涵结构产生裂缝、破坏或在接缝处由于不均匀变形引起渗漏水。后续类似工程注浆施工时建议优化注浆材料，可优先选取中(超)细水泥或者硫铝酸盐快硬水泥，它们均具有凝结时间可控、早期强度高、可注性好等特点，既能满足富水条件下软弱地层注浆加固效果要求，又便于控制，避免注浆引起邻近建(构)筑物变形或开裂，虽然材料价格相对较高，但避免了建(构)筑物开裂引起的不良社会影响和高额的修复费用。