复杂地质条件下采用浅埋暗挖工艺施工的城市地下道路设计要点

刘 泉

(中国市政工程华北设计研究总院有限公司,天津 300000)

1 概 况

城市道路设计应保证安全性及科学性,道路的合理设计可以有效纾解城市交通压力、拓展城市空间、连接周边地市进而带动区域经济发展。同时,也应该考虑施工过程中城市建筑的结构安全、与环境的审美融合等综合因素。根据复杂程度,地质条件可以分为三种,即简单、中等及复杂,城市地下道路地形地貌类型复杂,岩土体工程地质及水文地质条件较差,其复杂程度一般可达到中等程度,一些沿海地区甚至可达到复杂程度。因此,在复杂地质条件下进行城市地下道路施工存在一定程度的困难。

2014年王仕传等[1]分析地下通道浅埋暗挖法施工会导致地层变形和地表沉降,通用Abaqus数值模拟结合现场实测数据,长管棚超前预支护能够减小地层损失,控制路表沉降,并减小引起的路面结构附加弯拉应力。2016年郑世佳等[2]研究隧道下穿城市道路实例,讨论采用浅埋暗挖法设计隧道下穿城市道路,为类似工程提供设计思路。2022年刘石磊[3]采用Abaqus计算分析浅埋暗挖隧道支护结构和围岩的受力变形规律,隧道开挖与实测值差距较小,证明该施工方法的安全性。刘宜全等[4]同时模拟浅埋暗挖法施工的加固变形,证明该方法能显著提升围岩的承载能力。在浅埋暗挖法地下施工过程中,杨帆[5]建立监测变形网,证明其在软弱地质施工中的优越性。江慧元[6]结合浅埋暗挖法与小导管超前支护法,将其应用在隧道施工中。

本依托项目场地内填土层厚,下有软弱土层,基坑开挖时易造成地面沉降。通过分析项目概况,采用浅埋暗挖施工技术较为适宜[7]。浅埋暗挖法类似挖掘地下室的施工方法,适用于软弱底层的地下设计施工,符合本依托项目工程实际情况。

1.1 依托项目概况

海府路地下联络通道是深圳宝安中心区“滨海文化公园”项目的一部分,海府路大致走向与海岸线平行,二者间距在270 m左右。该路段全长921.1 m,地下通道进口布置在路东侧,地下通道单向布置,设计行车时速20 km/h,按城市支路设计,仅限通行小汽车。本项目主要采用明挖施工,浅埋暗挖有两段,长度分别为12 m和18.1 m,之所以采用浅埋暗挖进行施工,主要是为了下穿现状雨水箱涵。

因此针对复杂地质条件下的道路设计要进行全面勘探,根据岩土层勘测参数详细分析岩土层实际情况,查明场地地质构造及可能影响施工的不良地质作用,查清地下水位等现场情况。

1.2 岩土层的工程性质评价

浅埋暗挖段的标高上限高程为-3 m,下限高程为-12 m,主要含有淤泥、粉质粘土及粘性砂砾土。

(1)淤泥:淤泥里的水的含量较高,淤泥的压缩性能以及灵敏度也高,然而强度却相对较低。在淤泥上进行填土,从而加固淤泥,便可以改善并提升淤泥的物理力学性能。但改良后的淤泥性能仍不满足要求,其固结能力不强,属于饱和软土。若有荷载附加作用其上,加固的淤泥仍有沉降,导致固结沉降现象的发生。

(2)粉质粘土:粉质粘土层为全场地分布,该项目中粘土的颜色多为褐黄色和黄色,粉质粘土具有可塑性。项目场地内土层中的粘土存在局部掺杂,掺杂物为高岭土团块,或是砾砂。

(3)含粘性土砾砂:均是乳白色和浅黄色,含粘性土砂砾的局部密实且饱和,砂砾的级配不良,但砂砾分选性好。

1.3 地层渗透性与地下水补给排泄

浅埋暗挖段存在丰富的地下孔隙水,与海水间存在相应的水力联系。素填土(填石)层为中-强透水层,含粘性土砾砂层属强透水层,主要接受南侧海水及北侧地下水补给,排泄方式主要以蒸发、径流为主,水质分析结果表明地下水中C1-含量偏高,说明地下水与海水尚有水力联系。场地地下水水位受大气降水及地形控制,整体由北向南往大海方向排泄。

2 项目设计要素分析

(1)要确保排水箱涵在地下道路施工时能正常运营,避免浅埋暗挖段的施工时箱涵出现下沉或者结构破坏的情况;(2)预加固处理也要及时进行;(3)含粘性土砂砾的透水系数k=15 m/d,该岩土层具有中-强透水层,该种强度的透水性对浅埋暗挖施工是非常不利的,需要对本岩土层进行以阻水为主要目的的辅助措施。

3 辅助措施

3.1 地面预加固

隧道洞身顶部位于淤泥质土层中,中部处在粉质粘土层,底部则为砂砾层,地质条件对暗挖施工影响极为不利,因此需采用地面预加固[8]。需要考虑各方面因素,综合分析地质特点、施工的工期、加固的效果、工程造价等因素,暗挖区段内地层采用旋喷桩进行改良及加固,并确定旋喷桩的平面布置形式及其加固深度。加固平面布置方式为沿暗挖初支边线3 m及进出洞口位置处布置3排,旋喷桩桩径600 mm,咬合200 mm。最终确定从箱涵开山石基础底开始加固垂直旋喷桩,长度为5 m,透隧道底板,平均加固深度约13.2 m。

(1)旋喷桩初拟施工参数主要为:P·O 42.5型号的普通硅酸盐水泥≥280 kg/m3,水泥的水灰比为1∶1,提升速度为10～25 cm/min,填石层须复喷。

(2)二重管法进行高压喷射注浆,高压喷射的压力应>20 MPa,低压喷射的压力宜>1.0 MPa,气流压力宜取0.7 MPa。

(3)水泥注浆可加入适量的外加剂,相对密度保持在1.5～1.6之间,返浆相对密度保持在1.2～1.3之间。

(4)施工结束后的14 d,进行开钻孔取芯检验;钻孔取芯点数量与总桩数(孔数)的比例不得少于0.5%,且不宜少于3个点。试验中采取的芯样直径应>80 mm,应对芯样依次进行抗压强度>1 MPa的单轴极限抗压强度试验,及渗透系数≤10-6cm/s的室内渗透试验。

(5)检验点应布置在下列部位:旋喷桩中心线上、有代表性的桩位、施工中存在异常现象的部位。

(6)旋喷桩的钻孔在试验后应立即用水泥浆或水泥砂浆填充。

3.2 全断面注浆

采用全断面注浆的加固方式[9,10]。加固范围从上为开挖面顶开始,下至箱涵片石基础底为止。侧向从开挖线外3 m开始,纵向为箱涵底部区域。

(1)长注浆与短注浆管相结合,采用后退式分段的注浆方式。

(2)注浆浆液采用双液浆,水泥及水玻璃混合配比(体积比)为1∶1;水泥强度等级为32.5 MPa的普通硅酸盐水泥;水玻璃模数2.6～3.0,水玻璃浓度为30～40 Be。初始注浆压力0.2～0.4 MPa,稳定压力0.8～1.0 MPa。达到最终压力后,继续注浆,时间大于10 min,同时保证浆液扩散半径应≥1 m。

(3)加固前,进行预先试验,以确定注浆各项参数。

(4)钻孔检查和红外线探测应在每循环注浆结束后及时进行。

(5)注浆过程中的记录内容包括:注浆压力、注浆量、凝胶时间,监测掌子面及附近支护状况,根据勘探报告中场地内的地质变化情况及注浆现状,调整注浆参数。

(6)注浆后效果检查和评定项目包括:注浆压力、注浆量的变化、注浆后强度、孔内涌水量以及加固体强度是否符合设计,且满足施工要求。

(7)施工单位应根据现场情况适当调整避开管线及其他建筑物。

(8)在施工下一循环的注浆之前,需要对止浆墙表面喷射≥200 mm的C25混凝土进行封闭。

(9)帷幕注浆的钻孔以及注浆管的位置必须避开大管棚及拱部的超前小导管位置。

3.3 超前长管棚

隧道下穿存在现状雨水箱涵,因此项目施工时,应严格控制地面沉降,故设计时布设长管棚,采用钻孔跟进法打入技术。管棚管径为108 mm,环向间距30 cm,对管棚进行注浆处理。

(1)钢管采用壁厚为6 mm的前端为锥状的热轧无缝钢壁,主要节长分别为2 m或4 m。

(2)施工时最大径向误差为200 mm,相邻钢 管方向最大误差为100 mm。

(3)设置导向墙,墙中预埋φ127钢筋,壁厚6 mm,长1.7 m管棚导向管。

(4)钢管接头采用丝扣连接,丝扣螺纹段长>150 mm。相邻的接头错开≥1.0 m连接,钢花管上开口,布置成梅花型,开孔直径φ10 mm,孔间距150 mm,尾部2 m用作止浆段。

(5)大管棚由暗挖段一端搭设。

(6)防护工程包括:导向墙施工、管棚导向管预埋及工作平台平整工程。管棚导向管应按照设计图纸进行钻孔,钻机立轴方向必须准确控制,精准定位。管棚钻进过程中应采用水平测斜仪量测并监测管棚的偏斜度,一旦发生偏斜值超出设计要求时,应及时纠偏。管棚经过区域主要为夯填碎石与围护桩,采用钻孔跟进工艺,严格控制角度。

(7)大管棚注浆的灌注浆液P·O 42.5号普通硅酸盐水泥,水灰比为1∶0.38～1∶0.45,砂灰比宜为1∶1～1∶2(重量比)。注浆压力:初始压力0.5～1.0 MPa,终止压力为1.0～1.5 MPa。

3.4 超前小导管

超前小导管是一种支撑辅助开挖的施工方式,在软弱岩层、地下水丰富的场地施工优点突出,因此该施工技术被普遍采用。但注浆量及注浆种类对工程影响差别很大,因此要严格控制工艺流程避免工程质量缺陷。超前小导管具体施工工艺如下。

(1)超前小导管的参数设计:φ42 mm,长3 m,壁厚为3.5 mm,搭接小导管长度至少1 m,环向间距30 cm,间隔1 m逐根施工。施工时,钢管布置应平行于衬砌中线,并以设计仰角打入拱部围岩。

(2)浆液特性:采用注浆材料为水泥-水玻璃浆液,双液注浆的止水效果更佳。注浆参数建议如下。

①泥浆水灰比:0.5∶1～1∶1。

②水玻璃浓度:35 e;模数:2.4;掺量为水泥用量的5%。

③注浆压力:0.5～1.0 MPa。

(3)分阶段注浆,保证注浆压力是不是缓慢升高,升高至设计的最终压力后,持续注浆时间是不是>10 min,当前注入量与设计注入量大致接近时,此时注浆结束时的进浆量控制在20～30 L/min以下。

(4)超前小导管可以从型钢钢拱架腹部穿过,或者焊接于钢拱架上部,从而与钢拱架连接成整体。

同时,为避免施工过程中发生事故,应在施工前对导管进行密封性连接测试避免进水,若灌注浆液时发现漏液应及时提出导管并更换。导管在插入混凝土时应边灌注边振动导管,密切观察灌注情况。

4 施工监测数据对设计的验证

自2020年3月13日开始至2020年6月30日结束,监测单位对海府路浅埋暗挖段进行了全过程监测,监测数据的累计变化范围:地表沉降监测为5.7～11.7 mm;土层压力为-179.72～-36.46 kPa;钢筋内力为-68.45～-38.72 kN;水平收敛为4.24～21.2 mm;拱顶下沉为2.2～5.7 mm;底板隆起为0.1～2.9 mm。详见表1和表2。

表1 监测数据表

表2 监控量测安全值 单位:mm

表1监测成果表出自宝安海滨文化公园海府路浅埋暗挖工程变形监测报告。

通过表1和表2中数据的对比可以看出,所有监测数据均处于合理的范围内,进而可以得出结论,设计中采用的所有辅助措施都是有效的。

5 结 论

针对深圳下穿道路的实际情况,为满足施工要求,进行地面预加固改善土层强度,达到了安全施工的目的。提出采用全断面注浆方式,并通过施工前预试验验证浆液配合比的合理性,现场钻芯取样强度及渗透系数的结果均满足规范要求。此外,现场开挖掌子面基本无滴水情况,周围围岩完整度较好。排水箱涵在地下道路施工时始终保持正常运营,浅埋暗挖段的施工时箱涵未出现下沉或者结构破坏的情况。

该地下城市道路项目目前已完成施工,施工过程中监测地表沉降变化<0.3 mm,累计变化范围处于5.7～11.7 mm,<30 mm;地板隆起本期变化<0.2 mm,累计变化范围在0.1～2.9 mm之间,<10 mm,均在施工安全值范围内。由此得出,复杂地质条件下采用浅埋暗挖工艺施工高效适宜,项目设计科学合理,为今后复杂地质条件下的道路设计提供参照。