暗挖通道下穿立交桥地层加固施工关键技术及监测分析*

邢雨蒙

(中铁十八局集团第三工程有限公司,河北 涿州 072750)

0 引言

随着城市化进程的不断推进,地下交通工程的规模和数量不断增加,其中地铁系统作为一种高效的交通方式,在城市交通体系中扮演着愈发重要的角色[1]。然而,地铁车站建设往往面临着复杂的施工环境,例如与地面交通结构的交叉影响、地下空间挖掘与交通运营协调等[2]。其中地铁车站暗挖通道下穿立交桥便属于复杂的施工工况[3],不仅涉及地下结构建设,更需要兼顾地面交通结构,以确保城市交通体系的持续运行。为保障相关工程的顺利实施,需要采取全面、高效而可靠的地层加固技术,这对下穿隧道施工时确保既有建筑物的安全具有重要意义。

此外,监测技术在地铁车站施工中具有不可或缺的重要性[4-5]。通过实时监测地下结构变化、地面沉降、环境影响等关键参数,监测技术确保了施工过程中的安全、高质量和环保[6]。其在工程质量控制、施工进度管控、安全保障、环境保护以及对地面交通结构的交叉影响防控等方面发挥着关键作用,为地铁车站建设提供科学的决策支持,促进了城市地下交通系统的可持续发展。

针对济南地铁4号线某车站暗挖通道下穿立交桥的工程案例,分析了工程面临的主要风险,提出了超前深孔注浆地层加固技术,对地表沉降、工程结构变形及周边建筑沉降等重点监测项目的监测数据进行了分析,为相关工程提供参考。

1 工程概况

1.1 项目概况

济南市轨道交通4号线一期工程07工区燕山立交桥东站位于经十路与燕山立交桥交叉口东侧,沿经十路东西向设置,车站位于经十路北侧辅路和绿化带上。其中D出入口位于车站南侧,下穿经十路后,从经十路南侧地块内顶出,具体位置如图1所示。

图1 工程位置Fig.1 Project location

下穿经十路段为暗挖段,采用矿山法,自明挖段向车站主体方向始发施工,暗挖标准段结构形式为直墙起拱结构,净宽为8m,净高为4.35m。周边建(构)筑物燕山立交桥E匝道38号墩位于D出入口西侧,最近处距离暗挖横通道约5.82m;39号墩位于D出入口东侧,最近处距离暗挖横通道约6.23m,相对位置如图2所示。

图2 相对位置剖面Fig.2 Profile of relative position

1.2 主要施工风险及监测重难点

基于暗挖通道自身施工特点及周围环境因素,其主要存在的工程风险如表1所示。这些风险因素导致施工监测存在一定困难,因此设计可靠的监测方案至关重要,具体监测重难点如下。

表1 风险源分析Table 1 Risk source analysis

1)浅埋隧道监测

采用CD法施工,对隧道的支护结构及隧道周边重要的地下、地面建(构)筑物、地面道路等实施监测,为施工提供及时、可靠的信息,确保隧道支护结构和周边环境的安全。

2)外业作业难度大

工程下穿经十路,大部分监测点位于经十路上,经十路车流量较大,车速较快,给监测工作的实施及监测人员的安全带来影响,如何减少环璄对监测数据的干扰,保证监测人员的安全是难点。

2 超前深孔注浆施工技术

通道结构范围部分位于断层破碎带,围岩受地质构造作用影响极严重,需采取必要措施进行地层加固,使用“长、短结合注浆”方法保障围岩具有足够的承载力,即:首先进行长管全断面超前预注浆,长管注浆结束后进行短管补充注浆,以固结围岩,同时起到支护作用,钻孔内外圈按梅花形排列,如图3所示,同时洞内采取拱部断面帷幕注浆进行保护。

图3 长短管注浆孔布置Fig.3 Layout of long and short pipe grouting holes

2.1 工艺流程与技术参数

长短管深孔注浆工艺流程如图4所示。

图4 长短管注浆孔工艺流程Fig.4 Process flow of long and short pipe grouting holes

2.1.1长管注浆参数

1)注浆加固范围 暗挖通道断面加固至开挖轮廓线外2m,内1m,距离管线外壁≥0.5m。

2)止浆墙厚0.5m。

3)注浆孔采用平行钻孔定位布设,孔距0.8m,行距0.4m,浆液扩散半径0.7m。

4)注浆终压0.2MPa,持续20min,吸浆量很少或不吸浆时,可结束本孔注浆。该结束标准为参考值,实际结束标准应通过现场试验最后确定,注浆分段长0.6m。

2.1.2短管注浆参数

注浆范围为开挖轮廓线外2m至轮廓线内1m,并距离管线外壁≥0.5m,扩散半径0.3～0.5m,注浆终压≤0.2MPa。

2.2 主要施工方法

1)施工准备

注浆材料采用单液水泥浆,长管采用PC塑料单向阀管和PRC或PBH双向密封注浆芯管,L=12m,短管用φ42,L=4m/6m,t=3.5mm钢花管。根据现场场地情况及钻孔和注浆要求,选择的机械设备有钻机、注浆泵、制浆搅拌机、储料搅拌机及逆止阀等。

2)定孔位

长管注浆孔采用平行钻孔定位布设,孔距0.8m,行距0.4m。长管打设角度6°～8°,短管打设角度20°～30°,以保证加固厚度为原则适当调整。根据设计要求,对准孔位,不同入射角钻进。要求孔位偏差为±3cm,入射角偏差≤1°。

3)钻机成孔

钻机按指定位置就位,调整钻杆的垂直度,对准孔位后,钻机不得移位,也不得随意起降。第1孔施工时,要慢速运转,掌握地层对钻机的影响情况,以确定在该地层条件下的钻进参数。每钻进一段,检查一段,及时纠偏,孔底位置偏差<3cm。钻孔和注浆顺序由外向内,先做外环注浆形成帷幕后,再进行内环孔注浆加固围岩,同一圈孔间隔施工。

4)长管注浆

长管注浆采用后退式分段注浆。将带有花管和止浆塞的注浆芯管先插入注浆管孔底,接上注浆管路,向孔内注浆(1.6～1.2m/次),第1段注浆完成后,将芯管后退,进行第2段注浆,如此下去,直到完成整个注浆段。注浆终压0.2MPa,持续20min,吸浆量很少或不吸浆时,可结束本孔注浆。该结束标准为参考值,实际结束标准应通过现场试验最后确定,注浆分段长0.6m。

分段后退式注浆要特别注意花管两端的止浆塞,如果发现止浆塞损坏,应立即更换,以免引起注浆管堵塞,芯管无法拔出。

5)短管注浆

长管注浆结束后进行短管补充注浆,以固结围岩,同时起到支护作用。短管用φ42,L=4m/6m,t=3.5mm钢管加工焊接制作,注浆管前端加工成圆锥状并封死,管尾采用两道φ6mm的圆形钢筋焊箍。注浆扩散半径0.3～0.5m,注浆终压≤0.2MPa。

2.3 施工要求及注意事项

1)作业顺序为先外圈、后内圈,间隔钻孔注浆,并注意不要将浆液溢出地表,施工时可根据实际情况调整。

2)注浆段的注浆孔全部注完后,在工作面钻2～3个检查孔并取岩芯,观察浆液填充情况,要求注浆加固后土体渗透系数达到0.01m/d量级,粘结力≥50kPa。

3)开挖前应检查掌子面土体加固强度,不得低于0.5MPa。

4)长短管的注浆压力、注浆量及配合比应根据现场试验进行调整,注浆压力不宜过大。断面注浆范围可根据实际地质情况进行相应调整。

3 监测控制及分析

3.1 危险源监控方案

针对工程环境特点及主要危险源,制定详细的监测方案,加强对工程结构变形、地表沉降、下穿管线沉降及周边建(构)筑物沉降的监测,对监测数据及时分析处理、预测与反馈,用以指导施工。具体监测项目及控制标准如表2所示。

表2 监测控制值Table 2 Monitoring control value

3.2 监控预警

通过对监测数据的控制和预警能够确保施工安全,提高工程质量,有助于及时纠正潜在问题。同时,监测数据的应用在施工进度管控及与地面交通结构交叉影响的预防等方面,充当着不可或缺的决策工具,对促进工程的顺利进行和城市交通系统的可持续发展有着重要意义。基于此,结合相关监测项目控制界限值对比监测结果对其进行数据预警判断,具体判别标准如下。

1)黄色监测预警 累计变形值、变形速率实测值均达到相应监测对象及项目控制值的70%(含)以上或两者之一达到控制值85%(含)以上,此时施工安全风险状态评价为存在风险。

2)橙色监测预警 累计变形值、变形速率实测值均达到相应监测对象及项目控制值的85%(含)以上或两者之一达到控制值(含)以上,此时施工安全风险状态评价为存在较高风险,严重程度或影响范围较小。

3)红色监测预警 累计变形值、变形速率实测值均达到相应监测对象及项目的控制值(含)以上,或两者之一超过控制值(含),且实测数据持续未收敛,此时施工安全风险状态评价为存在较高风险,严重程度或影响范围大。

3.3 实测数据分析

根据监测技术方案及控制指标,对济南地铁4号线燕山立交桥东站暗挖通道下穿立交桥的监测结果进行分析。

1)地表沉降

4个断面的地表沉降累计变化曲线如图5所示,每个断面设置7个监测点。由图5可知,该时间段内最大累计变形绝对值为9.87mm,为控制值的32.9%;最大变形速率为0.82mm/d,为控制值的41%,说明该施工阶段安全风险状态良好,对地表沉降影响较小。

图5 地表沉降累计变化曲线Fig.5 Cumulative change curve of land surface settlement

2)地下管线沉降

3个断面的地下管线沉降累计变化曲线如图6所示,每个断面设置5个监测点。由图6可知,该时间段内最大累计变形绝对值为9.83mm,为控制值的49.15%;最大变形速率为0.86mm/d,为控制值的43%,说明该施工阶段安全风险状态良好,对地下管线沉降影响较小。

图6 管线沉降累计变化曲线Fig.6 Cumulative change curve of pipeline settlement

3)建(构)筑物沉降

燕山立交桥38号和39号桥墩沉降累计变化曲线如图7所示,每个桥墩设置4个监测点。由图7可知,该时间段内最大累计变形绝对值为5.73mm,为控制值的57.3%;最大变形速率为1.78mm/d,为控制值的89%,说明该施工阶段安全风险为黄色预警状态,需要采取补偿注浆或控制掘进速度等措施进行周边建(构)筑物沉降控制。

图7 建筑物沉降累计变化曲线Fig.7 Cumulative change curve of building settlement

4)净空收敛

4个断面的隧道管片净空收敛累计变化曲线如图8所示,每个断面设置2个监测点。由图8可知,该时间段内最大累计变形绝对值为7.5mm,为控制值的37.5%;最大变形速率为0.6mm/d,为控制值的60%,说明该施工阶段安全风险状态良好,对隧道管片净空收敛影响较小。

图8 净空收敛累计变化曲线Fig.8 Cumulative change curve of headroom convergence

5)拱顶沉降

4个断面的隧道拱顶沉降累计变化曲线如图9所示。由图9可知,该时间段内最大累计变形绝对值为5.9mm,为控制值的19.7%;最大变形速率为0.5mm/d,为控制值的25%,说明该施工阶段安全风险状态良好,对隧道拱顶下沉影响较小。

图9 拱顶沉降累计变化曲线Fig.9 Cumulative change curve of arch roof settlement

3.4 应急预案

工程出现紧急情况或监测数据超过预警值时,应采取如下应急措施实施工程应急监测工作。

1)组建应急监测工作小组,启动监测应急预案,向主管部门报告现场情况。

2)增加监测人员和监测仪器设备。一般将根据现场情况,配备2组以上监测人员,并为现场监测提供多套监测仪器,以保证现场监测工作的需要。

3)增加监测对象或项目、监测点和监测频率。

4)做好紧急情况或监测数据超过预警值时工程现场的各种文字、影像记录。

4 结语

本文针对地铁车站暗挖通道下穿立交桥这一复杂工况,依托实际工程案例,分析工程重难点,提出了监测实施技术方案,并将工程结构变形、地表沉降、下穿管线沉降及周边建(构)筑物沉降等监测数据与控制界限值进行对比,做出预警判断分析,并提出应急预案。相关研究成果能够为类似地下工程施工提供有效参考,具有重要的实际意义。