穿越工程超前支护优化与安全控制技术研究

蔡根森，梁粤华

(1.新疆交通投资(集团)有限责任公司,新疆 乌鲁木齐 830006;2.广州地铁设计研究院股份有限公司,广东 广州 510010)

管幕、管棚超前支护技术作为加固软弱地层、减少地层沉降、保护隧道支护结构的辅助施工工法,已广泛应用于地铁工程建设项目中。特别是对施工引起的沉降有严格要求的隧道施工中如穿越既有公路、铁路及地铁隧道和其他结构物,管幕及大管棚超前支护技术能有效地提高地层的稳定性,控制地层与既有结构沉降。

目前,国内外有关隧道超前预加固技术方面的研究较多,闫振虎[1]分析了多种超前支护工况下地表沉降、围岩变形以及初支内力等力学特性的变化规律。钟放平[2]采用双层管棚有效地控制地面沉降,保证了隧道施工安全。陈浩等[3]研究大管棚超前支护施工的主要技术措施和控制地层沉降的方法,得出管棚超前支护结构对保护既有线的结构和运营安全起了重要的作用。苟德明等[4]对双层管棚在下穿公路连拱隧道施工中的加固作用进行分析评价。朱国伟[5]通过计算分析,采用导向跟管钻进法两侧相向对打施工,一次性施作超前支护,确保结构安全和地面道路正常通行。吴昊[6]研究近距离下穿条件下合适的支护参数和技术措施,提出综合采用深孔注浆地层预加固、一次性打设90 m超长管棚预支护和自动化实时监测等综合技术手段,可有效控制地下商业街及其周边软弱地层沉降。王海涛等[7]基于Pasternak弹性地基梁理论对管棚预支护体系的力学行为进行研究,并对不同管棚长度、钢管直径及搭接长度条件下管棚的加固效果进行了分析。李沛莹[8]讨论了在不同管棚直径和不同土体刚度下超前管棚支护对围岩结构稳定性的控制能力。

既有研究表明,采取管棚超前预加固技术将减少矿山法隧道下穿施工过程中地层与既有结构变形与沉降,保证隧道下穿施工安全。但针对富水全风化花岗岩地层管棚支护参数及管棚钻进施工方法的研究较少,因此依托本工程针对下穿工况下富水地层管棚支护参数展开优化设计及新型管棚施工方法的研究十分重要,以提高管棚参数设计和施工工法的合理性与有效性,保证既有地铁结构的稳定性与安全性。

1 工程概况

广州地铁某新线区间矿山法隧道大致呈南北向布设,南起盾构段北端,通过临时竖井进入正线开挖,全长约278 m,拱顶埋深约25 m～30 m。为满足新线车站越行快慢线分岔要求,下穿运营地铁段设计为单向双线隧道,左线跨度15.6 m,高13.756 m,断面面积184 m2,属于特大跨度断面,隧道下穿7号线盾构区间段,相交长度约48.6 m,竖向净距5.1 m;右线跨度12.0 m,高11.6 m,断面面积118 m2,属于大跨度断面,隧道下穿7号线区间明挖段,相交长度约50.9 m,竖向净距4.6 m。两线路立面关系如图1所示。

新建左线隧道采用双侧壁导坑法施工,超前支护为带锁扣φ402 mm×16 mm管幕,全长47 m,从新线车站基坑一次打设;初支35 cm厚,采用C25喷混凝土配以型钢钢架及边墙锚杆;二衬70 cm厚,采用C35,P12模筑钢筋混凝土。新建右线隧道采用CRD法施工,与高层商业区5根桩基冲突,施工中需对其进行托换[9],超前支护为双层φ108 mm×6 mm管棚;初支35 cm厚,采用C25喷混凝土配以格栅钢架及边墙锚杆;二衬55 cm厚,采用C35,P12模筑钢筋混凝土。新线隧道具体设计参数如表1所示。

表1 新线隧道超前支护设计参数表

2 超前支护现场试验

为勘探下穿既有线段地质条件,确保超前支护施工的安全与顺利,预先按设计位置在左线隧道轮廓线外0.455 m处施作大管幕支护,通过试验优化施工参数和工艺控制流程。通过试验,发现超前管幕实际钻进过程中,存在以下施工技术难题:1)管幕钻进施工过程中,多次遇到孤石及中风化岩体,管幕孔径大,受施工设备限制,导致管幕顶进压力达到极限值仍长时间难以顶进,大大降低了管幕施工效率;2)管幕施工地层为富水全/强风化花岗岩地层,水压力高,管幕钻进施工中渗水量大,导致地下水及管幕周边土体严重流失,易对地层与既有线结构产生较大扰动,不利于既有隧道结构变形控制;3)部分管幕穿过既有建筑物围护桩结构等障碍物,传统工艺无法实现破除施工,加大施工难度。管幕试验异常情况记录见表2,现场管幕钻进异常施工图如图2所示。

表2 管幕试做异常情况记录表

3 超前支护结构参数优化

受到施工工艺限制,带锁扣管幕无法穿透硬质的孤石或中/微风化夹层,或打穿地下含水层无法有效控制涌水。故结合工程的特点、施工过程中的重难点对超前支护方案进行适用性分析,选用双层管棚代替管幕,合理设计支护参数,优化施工工艺,以实现管棚钻进施工中控水保压,解决穿越地层孤石、围护桩等障碍物难题。超前支护方案对比分析见表3。

表3 超前支护方案对比表

管棚支护的设计参数主要包括管棚长度、管径、间距、仰角及导向管长度等。目前相关的设计研究中,确定管棚参数应依据具体工程条件,按工程类比法及规律性研究获得参数设计取值。

1)管棚布置形式:新线隧道小间距下穿运营中的既有地铁隧道,地层变形及既有线结构沉降控制严格,故选取双层管棚支护,布置范围为拱部130°。

2)管棚长度:新线隧道加固范围包含全部下穿区间,从新建车站南端施作,选用单根总长为47 m的长管棚,在隧道下穿施工前一次性施作,提高下穿施工效率。

3)管径:通过文献[10]可知管径φ79 mm～φ108 mm为位移敏感度的急剧变化范围,管径大于φ108 mm小于φ159 mm,管棚直径的增大对管棚挠度的减小有限,当管径大于φ159 mm,对挠度控制几乎没有影响。苟德明[11]通过双参数的地基梁模型计算也得出相似结论,并提出隧道设计中宜选用φ89 mm～φ150 mm直径的钢管,钢管壁厚为5 mm～8 mm的建议。石钰峰[12]指出在分部开挖的大断面隧道中,应优先选用大直径管棚,以严格控制地层沉降。故左线管棚支护钢管直径定为159 mm,钢管壁厚取8 mm。

4)管棚间距:管棚钢管的最小间距由下式来计算:

d1=kL

(1)

d2=d1+D

(2)

其中,d1为钢管最小间距;k为钢管的施工精度,一般为钢管施工长度的1/600～1/250;L为钢管长度,m;d2为钢管最小中心间距,m;D为钢管外径,mm。

根据本次选用管棚的长度为47 m,钢管外径为159 mm,取施工精度1/400,得到钢管最小间距为0.188 m;钢管最小中心间距为 0.347 m。故在管棚布置间距最小取35 cm。

5)管棚仰角:考虑选用47 m长管棚进行施工,管棚仰角过大会导致管棚偏离隧道周边太远,使得管棚支护效果减弱甚至完全消失,故管棚仰角初步设置为0°～3°之间,施工中及时调整角度进行纠偏。

6)长管棚工作室设计:工作室设置在隧道出洞位置新建基坑南端,基坑地下连续墙提供有效的起始固定端,并在隧道轮廓外地下连续墙定位安装导向管,控制管棚的打入方向。针对长管棚孔口导向管的角度根据管棚布置仰角进行设置,φ159管棚导向孔开设孔径φ200 mm。根据上述管棚支护设计,具体参数如表4所示。

表4 新建左线隧道超前支护优化设计参数表

4 超前支护结构工艺优化

针对管棚钻进施工时出水量大,水压力高,多根管棚钻进施工穿过既有建筑物围护桩结构、孤石等问题,通过改进管棚装置,安装管棚保压结构,分情况采用管棚钻进方式,有效解决了管棚施工难题,管棚具体施工工艺流程见图3。

4.1 管棚钻进渗漏水安全控制

优化后管棚钻进施工配套设备,重点放在管棚施工过程中出水量的控制,即通过设置单向止水阀、密封盒、球阀等装置实现钢管内外侧出水控制,以及特殊情况下(钢管断裂、损坏)的止水控制,保证管棚安全顺利施工。穿越富水原状地层管棚施工方式如图4所示。

管棚施工过程中钢管内、外侧出水控制:管外水沿钢管外壁进入孔口管内(孔口管外侧与地连墙已封闭),在进入阀门后方密封盒时被阻挡,只能沿孔口管下方设置的旁通阀溢流,通过旁通阀阀门开启的大小进行水流和钻进渣土的可控排放;管棚钻进时由后台泵送大于孔内水压力的钻进循环水,外部水流进入钢管内部受阻,拆接钢管时地下水通过端部楔形板设置的输水孔进入钢管内部,管口部位设置单向逆止阀门来自动关闭进水,实现作业期间的管内止水要求。管棚钻进中易受顶进压力及钢管壁厚影响,发生钢管断裂现象。在管棚钢管内间隔5 m～8 m循环安装逆止阀,可确保钢管在任何位置断裂都会有相应的逆止阀或孔口管进行控制,有效防止地下水会沿着钢管断裂处涌入管内。管棚止水阀布置见图5。

4.2 穿越孤石、障碍物及围护结构破除安全控制

当管棚在穿越围护桩结构施工时,原楔形板钻头更换为φ110 mm金刚石取芯钻头,第一节管棚钢管长度大于4 m,便于安装止水措施(管口金刚石钻头后部3.8 m位置处安装第一道逆止阀),后续逆止阀安装位置按水循环跟管钻进方式5 m～8 m依次安装,孔口管及密封结构安装参照控向水循环跟管钻进方法。采用金刚石取芯跟管钻进施工方法,大大加强了管棚钻孔精度控制,钢管轨迹偏差较小,总体精度均控制在30 cm以内。

管棚钢管端头安装金刚石取芯钻头,采用水循环置换方式旋转管棚钢管至围护结构或孤石,通过金刚石钻头的旋转切削破除钢筋混凝土、孤石等障碍物,必要时要从管内送入小口径潜孔锤,破碎管内芯样,循环接管取芯破碎完成管棚施工。管棚施工过程中不回撤管,第一道围护桩钢筋混凝土芯样保留在管内,连续钻进作业,直至完成设计长度。连续取芯跟管钻进施工方式见图6。

4.3 超前支护结构施工中既有线安全控制

在管棚施工过程中,通过既有地铁线洞内静力水准自动化监测反馈的既有隧道结构沉降变化情况,采用水平跟踪补偿注浆方法对管棚上方土体进行注浆,以抬升既有地铁七号线,减小既有结构整体沉降,并结合监测数据,实时调控注浆压力与注浆用量。隧道上方水平跟踪补偿注浆施工如图7所示,管棚施工阶段既有线道床最大沉降监测曲线见图8。

从图8可知,超前大管幕支护施作施工过程中,既有线道床持续产生沉降,最大累计沉降值达5 mm;通过优化设计后,有效解决了管棚钻进过程中无法穿越孤石、围护桩结构等障碍物难题,根据部分既有线监测结果,可知既有线沉降变化不明显,沉降曲线趋于平缓,采用水平跟踪补偿注浆措施,将既有线道床抬升约3 mm,从而有效控制既有线结构沉降。

5 结论

本文依托广州地铁某新线区间矿山法隧道下穿地铁线隧道工程,为解决超前支护结构施工过程中,大口径管幕钻进困难及渗漏水严重等问题,通过优化设计超前支护结构形式,研究选用控水保压的超前管棚施工方法,运用既有线抬升注浆控制措施,保证了管棚施工过程中地层与既有线的稳定,并验证了优化后的超前支护施工技术的有效性与合理性。得到主要结论如下:

1)按工程类比法及规律性研究获得的相关参考公式拟定,采用双层管棚替换管幕进行超前支护,合理设计支护参数。2)通过优化管棚施工工艺,采用水循环置换方式旋转钻进管棚钢管,有效地控制了水流和钻进渣土的排放,更好地控制了地层与既有线的沉降。3)结合优化后的管棚施工方法,选取金刚石取芯钻头,通过其旋转切削作用有效破除了管棚钻进时遇到的钢筋混凝土、孤石等障碍物,极大地提高了工作效率,保障管棚顺利施工。4)运用水平跟踪补偿注浆措施,使管棚施工阶段引起的既有线最大沉降变形量维持在3 mm内,大大减轻了管棚施工阶段失水流泥对周围土体及既有地铁线的扰动,有效控制了地层变形和既有线结构沉降,保障了既有地铁线路的安全运营。