地铁隧道浅埋暗挖法穿越软～流塑地层施工工法

'2005年度参评三级工法　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　地铁隧道穿越软～流塑地层浅埋暗挖法施工工法地铁隧道穿越软～流塑地层浅埋暗挖法施工工法1.前言南京地铁鼓楼站～玄武门站区间隧道采用浅埋暗挖法施工，隧道穿越软～流塑地质段，该段土层具有高压缩性、高灵敏度、强度低，易产生蠕动现象，开挖后自稳能力极差，易坍塌，地面沉降难以控制。隧道经过地段的地面上有市政道路、多幢楼房和给水、雨水、污水、电力、电信等多种地下管线，隧道开挖过程中，地面容易产生过大沉降，会造成地下管线破坏和建筑物开裂，危及建筑物及地面交通安全。经多方论证比较，我项目部采用大管棚结合小导管超前预注浆和掌子面注浆施工方案，其施工方法简单，方便快捷，投资少，顺利的完成了隧道开挖的施工，为后续主体结构的施工争取了时间，经总结形成了本工法。2.工法特点2.1施工基本不产生环境污染，且能有效的控制地面沉降，工期短，社会效益好。2.2施工机械设备简单，施工人员少，技术要求低，施工周期短。2.3施工的关键工序是注浆，其施工工艺简单，造价较低。3.适用范围本工法特别适用于隧道穿越地面上有楼房和各种地下管线、且地层为软~流塑状淤泥质粉质粘土，隧道采用浅埋暗挖法施工。4.工艺原理在隧道拱部打设长管棚和小导管注浆，对拱部进行加固和超前支护，并对隧道掌子面的地层进行注浆改良，然后在管棚和加固拱圈的保护下进行开挖、支护，该方法在软弱地层浅埋隧道施工中能有效地控制地面沉降。5.工艺流程与操作要点5.1　工艺流程　　防二次衬水砌基底加固土初方期开支挖护掌施子面加固工施工准备超小前导预管支施护工超大前管预棚支施护工施工工艺流程图5.2　操作要点　　　第12页共12页 2005年度参评三级工法　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　地铁隧道穿越软～流塑地层浅埋暗挖法施工工法隧道开挖施工时采用台阶分步法开挖，长管棚结合小导管注浆和掌子面超前预注浆法，是在隧道拱部打设长管棚和小导管注浆，对拱部进行加固和超前支护，并对隧道掌子面的地层进行注浆改良，然后在管棚和加固拱圈的保护下进行开挖、支护与衬砌，该方法在软弱地层浅埋隧道施工中能有效地控制地面沉降。初期支护采用格栅＋锚杆＋钢筋网＋喷砼进行联合支护，初支完成后及时进行背后回填注浆。拱部150°范围设立管棚支护，注浆加固范围1.5m，大管棚采用40m长φ108钢管，钢管打孔注浆，浆液采用水泥—水玻璃双液浆，大管棚搭接长度3m，环向间距0.35m。短导管3m长φ32普通水煤气管，搭接长度1.5m，环向间距0.35m，浆液采用HC-T凝胶时间可调注浆材料单液浆。长导管采用13m长、直径φ42PVC劈裂注浆管，搭接长度4m，间距0.5×0.5m。边墙采用中空锚管注浆。开挖采用台阶法施工，台阶长度2~3m，上台阶施工时并设置临时仰拱封闭，临时仰拱采用16工字钢，喷20cm厚C20混凝土，两侧各设置2根φ32普通水煤气管长2.5m锁脚锚杆，锁脚锚杆置入角度60°。下台阶施工时，对上部钢架拱脚处，应采用跳槽开挖，及时支撑开挖后的拱脚，先开挖一侧设置2根φ32普通水煤气管长2.5m锁脚锚杆，锁脚锚杆置入角度60°。施工方法示意图如5-1。图5-1大管棚+小导管施工方法示意图5.2.1超前预支护大管棚施工5.2.1.1大管棚具体参数超前预支护采用Φ108大管棚，长40米，环向间距0.35m,拱部150O范围内布设，管棚搭接3~4m，管棚采用花管注浆，浆液采用水泥—水玻璃双浆。5.2.1.2大管棚施工工艺及操作要点5.2.1.2.1大管棚施工流程　　　第12页共12页 2005年度参评三级工法　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　地铁隧道穿越软～流塑地层浅埋暗挖法施工工法图5-2长管棚施工工艺流程图5.2.1.2.2开挖管棚工作室①在软弱围岩中开挖工作室,要加强支护,进行混凝土衬砌；管棚工作室长6m。为便于架设钻机，安设钢管，工作室应挖至隧道开挖线以外0.8m。导向管是控制成孔方向使之不偏斜的主要手段，导向管长度不小于2.0m，经精确测量后焊接在钢拱架上并喷浆固定。②由于I类围岩段隧道较长且为弧线，根据现有水平孔钻进技术条件，隧道分段施作管棚。首先施工第一段管棚工作室，施作第一段管棚，注浆后进行隧道掘进。第一段管棚段开挖31.6m后，进行第二段管棚工作室施工及钻孔，纵向管棚搭接长度3.0m。以此类推，完成管棚超前支护施工。5.2.1.2.3搭设平台、安装钻机、测定孔位　　　第12页共12页 2005年度参评三级工法　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　地铁隧道穿越软～流塑地层浅埋暗挖法施工工法图5-3管棚施工示意图5.2.1.2.4管棚孔钻进施工①管棚孔开孔开孔前必须检查设备，保证设备状况良好，对组合好的钻具要检查丝扣联接是否紧密。由于考虑到钻孔时钻具下沉、线路曲线的影响及为后续管棚工作室预留出空间，必须计算管棚打设的仰角及外插角，在架好钻机、调整好孔位的水平偏角及仰角后，用翼片式螺旋钻进法钻进。每个钻孔安装孔口管，孔口管用ф133mm无缝钢管加工。钻进时，孔口管安装孔口密封装置。②管棚孔钻进a.按管棚孔设计方位要求固定钻机，跟管钻进放入管棚钢管。b.为了保证钻孔精度，开孔段钻进是关键。钻进前10～20m时，要反复校核钻杆方向，调整钻机位置，并用罗盘及挂线检测偏斜无问题后方可继续钻进。c.管棚管下入孔内前要先配管，保证管棚管的同心度。d.加接钻杆和钢套管：当跟管钻进至钢套末端导向墙孔口约30cm时停钻，然后钻机反转收偏退钻、卸杆，动力头后退至末端加接钻杆或钢套管，此时应先拧紧钻杆，然后再拧紧联接套管。5.2.1.2.5大管棚顶入法施工软流塑土管棚施工成孔困难，且在成孔过程中会造成土层的变形。根据软流塑土的力学特性，采用静压顶入法施工。大管棚采用40m长φ108钢管，钢管打孔注浆，浆液采用水泥—水玻璃双液浆，大管棚搭接长度3m，环向间距0.35m。大管棚静压顶入法施工，可以挤压软流塑土体，排出部分含水，起到加固土体的目的。同时对土体的扰动较小，施工表明，大管棚施工地表基本无变形。静压顶入法施工示意图如下图5-3。　　　第12页共12页 2005年度参评三级工法　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　地铁隧道穿越软～流塑地层浅埋暗挖法施工工法图5-4大管棚静压顶入法施工示意图图5-5大管棚静压顶入法施工现场照片图（一）图5-6大管棚静压顶入法施工现场照片图（二）5.2.1.2.6注浆①注浆采用前进式注浆，利用自制的注浆套管与管棚用套丝连接，注浆套管上准备由出气管与进浆管，由阀门来控制开关，如图5-6所示。然后安装20mm塑料管作为排气管，连接注浆管等各种管路，利用锚固剂加固掌子面与管碰见的孔隙，防止漏浆。　　　第12页共12页 2005年度参评三级工法　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　地铁隧道穿越软～流塑地层浅埋暗挖法施工工法图5-7管棚注浆施工示意图②注浆参数如下：水泥采用32.5#普硅水泥水玻璃模数2.6，25～35BeO水灰比0.6~0.8水泥水玻璃体积比1：1注浆压力0.8～1.5MPa③关闭孔口阀门，开启注浆泵进行管路压水试验，如有泄漏及时检修，试验压力等于注浆终压。④注浆时，采取低压力中流量注入，注浆过程中压力逐步上升，流量逐渐减少，当压力升至注浆终压时，继续压注10分钟，才结束注浆。5.2.1.2.7注浆结束标准及效果检查①单孔注浆结束标准：每段注浆都正常进行，符合P—QPT曲线，注浆终压达到设计终压，注浆量达到设计注浆量的80％，或虽未达到设计终压，但注浆量已达到设计注浆量，即可结束本孔注浆。②全段结束标准：设计的所有注浆孔均达到结束标准，无漏注现象，注(压)水试验地层吸水率小于0.05L／min，粘土固结强度σ＞0.4MPa。③注浆效果检查：采用分析法，注(压)水试验，开挖取样等方法进行。④达不到结束标准，应补充重新注浆直到满足要求为止。5.2.1.2.8管棚施工注意事项①根据施工基准点，按管棚施工图布置管棚孔；孔位偏差不应大于100mm；管棚孔钻进深度误差为-0.2～+0.3m；钻孔偏斜率控制在0.8%以内。②钻孔应由高孔位向低孔位进行。③钻孔孔径应比钢管直径大30～40mm。④遇卡钻、坍孔时应注浆后重钻。⑤钻孔合格后及时安装钢管，其接长时连接必须牢固。⑥管棚采用的钢管纵向连接丝扣长度不小150mm，管箍长200mm，并均采用厚壁钢管制作。　　　第12页共12页 2005年度参评三级工法　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　地铁隧道穿越软～流塑地层浅埋暗挖法施工工法⑦注浆浆液必须充满钢管及周围空隙，其注浆量和压力应根据试验确定。5.3.2超前预支护小导管施工5.3.2.1小导管参数Φ32小导管长3m,环向间距0.35m,拱部150O范围内布设,插入大管棚之间，每排小导管搭接1.5～2.0m，采用水泥—水玻璃双浆液进行劈裂注浆。5.3.2.2小导管施工5.3.2.2.1小导管制作超前小导管采用φ32×3.25mm普通钢管，管长4.0m，注浆管一端做成尖形，另一端焊接上铁箍，在距铁箍端1.0～1.5m处开始钻孔，钻孔沿管壁间隔200mm，呈梅花型布设，孔位互成90°，孔径8～10mm。如图5-7所示。图5-8小导管加工示意图5.3.2.2.2小导管施工通过在隧道拱部超前打入带孔眼的导管，并注浆。其施工工艺程序如下图5-8所示。小导管采用3.0m长φ32普通水煤气管，搭接长度2.0m，环向间距0.30m，浆液采用HC-T凝胶时间可调注浆材料（超细）单液浆或水泥—水玻璃双浆液。小导管采用不开孔直接顶入地层施工。施工准备注浆喷砼封闭开挖面钻孔与打入小导管测量、放线、定位图5-9小导管施工工艺程序图　　　第12页共12页 2005年度参评三级工法　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　地铁隧道穿越软～流塑地层浅埋暗挖法施工工法图5-10小导管顶入法施工现场照片图5.3.2.2.3小导管超前注浆注浆参数如下：水泥采用32.5#普硅水泥水玻璃模数2.6，25～35BeO水泥浆水玻璃浆液体积比1：1水灰比0.6~0.8注浆压力0.8～1.5MPa小导管注浆工艺示意如图5-10所示图5-11小导管注浆工艺示意图5.3.2.2.4注浆要点①注浆之前，清理注浆孔，安装好注浆管，保证其畅通，必要时应进行压水试验。②注浆必须连续作业，不得任意停泵，以防浆液沉淀，堵塞管路，影响注浆效果。③注浆顺序注浆应由低处向高处，由无水向有水处依次压注，以利充填密实，避免浆液被水稀释离析。　　　第12页共12页 2005年度参评三级工法　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　地铁隧道穿越软～流塑地层浅埋暗挖法施工工法④注浆时，必须严格控制注浆压力，以防大量跑浆和使结构产生裂缝。⑤在注浆过程中，如发现从施工缝、混凝土裂缝少量跑浆可以采用快凝砂浆钩缝后继续注浆，当冒浆或跑浆严重时，应关泵停压，待浆液凝固后进行第二次注浆。⑥注浆结束标准当注浆压力稳定上升，达到设计终压；浆压注入量达到计算值80%以上并持续稳定10分钟（土层中要适当延长时间）后，不进浆或进浆量很少时，即可停止注浆，进行封孔作业。⑦停浆后，立即关闭孔口阀门，然后拆除和清洗管路，待浆液初凝后，再拆卸注浆管，并用高标号水泥砂浆将注浆孔填满捣实。⑧注浆管理a、为了确实地获取注入浆液质量和数量，必须保管好全部证明书及测量数据等。b、施工中应经常监视注入量、注浆压力及地面建筑地下管线和二衬结构状况，必要时应变换注浆参数。c、根据注浆情况，事先应计算出注浆量，并与实际注浆量进行对照，及时跟踪、变更施工参数。5.3.3掌子面加固施工5.3.3.1掌子面加固施工参数掌子面采用L=10m小导管进行注浆加固，掌子面注浆加固如图7所示，导管间距1.0×0.75m,梅花型布置，小导管为Φ42PVC劈裂注浆管,采用水泥—水玻璃双浆液劈裂注浆，注浆参数如下：水泥采用32.5#普硅水泥水玻璃模数2.6，25～35BeO，水泥浆水玻璃浆液体积比1：1水灰比0.6~0.8，注浆压力0.5～1.0MPa.止浆墙为25cm厚C20网喷砼。如注浆效果不理想，我们将采用流动性大、注浆效果较好的新型材料，如HC-T凝结时间可调注浆材料。5.3.3.2掌子面加固施工注浆孔的布置采用等边三角形全断面布置，注浆的先后顺序：先四周，后中间，中间布置一排水孔，以利于软土地层中的滞水在注浆过程中受到挤压时顺利排出。主要施工步骤为：a采用钻机钻孔，钻孔的垂直度误差控制在1%以内。b孔内灌封闭泥浆，待钻孔到设计深度后从孔内灌入封闭水泥浆，其作用是封闭单向阀管和钻孔壁之间的孔隙，迫使从管浆孔内开环，压出的浆液挤破套壳料注入四周土层。c　　　第12页共12页 2005年度参评三级工法　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　地铁隧道穿越软～流塑地层浅埋暗挖法施工工法在封闭泥浆达到一定的强度后，在单向阀管内插入双向密封注浆芯管进行分层注浆。首先增大压力使浆液顶开橡皮套，挤破套壳料，在土体产生劈裂，并沿着裂缝扩散，扩散范围受注浆压力、时间、浆液配比、土层特征等因素的影响。一般从底部向上注浆，达到一定压力后，提起一段再注浆，这样重复进行。注浆完成后，清洗管内残留浆液，以便于第二次重复注浆（单向阀塑料管即留在注浆后的土层中）。5.3.4开挖及初期支护为保证施工安全，开挖采用台阶分部法施工。上台阶环形开挖，预留核心土，及时进行挂网初喷，架立格栅钢架，每个拱脚施作两根锁脚锚杆，锁脚锚杆为Φ25中空锚杆，L=2.0m,施作边墙3.5m长、环纵向间距1.0m的置入式中空注浆锚杆、注浆，及时架设I16工字钢临时仰拱。根据土体情况，必要时对临时仰拱网喷砼封闭。下台阶开挖后及时架设格栅钢架，每个拱脚施作两根锁脚锚杆，锁脚锚杆为Φ25中空锚杆，L=2.0m施作边墙3.5m长、环纵向间距1.0m的置入式中空注浆锚杆、注浆。如地质条件不好，开挖时如掌子面不稳，则每次开挖后均采用网喷砼封闭掌子面。喷砼均采用双快（硫铝酸盐）水泥。初期支护施工完成后,立即对初期支护背后进行回填注浆加固。5.3.5基底加固在进行仰拱初期支护喷砼之前，打设Φ42钢管，钢管间距50×50cm,待施作完初期支护喷砼之后，进行劈裂注浆加固。浆液为水泥—水玻璃双浆液，注浆参数如下：水泥采用32.5#普硅水泥水玻璃模数2.6，25～35BeO，水泥浆水玻璃浆液体积比1：1水灰比0.6~0.8，注浆压力1.0～1.5Mpa5.3.5防水与二次衬砌防水层和二次衬砌施工在开挖完成，初期支护结构稳定后施工。施工先施工仰拱，边墙和拱部一次浇筑成型，混凝土采用商品混凝土。6.机具设备表2软流塑地层矿山法施工投入的主要机械设备表序号设备名称数量规格型号主要性能指标1水平钻机2MKD-5S37.5KW2注浆泵4KBY50-50/7011KW,10.5MPa3搅浆机机机4QV-300/50300l/盘,25KW4砼喷射机4PZ-5B5m3/h,5.5KW5风枪876556千斤顶4100t8电动空压机54L-20/820m3/min,120KW8、劳动组织　　　第12页共12页 2005年度参评三级工法　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　地铁隧道穿越软～流塑地层浅埋暗挖法施工工法8.1　组织指挥2人，全面负责组织施工；8.2　技术组4人，其中工程师2人，测工2人，全面负责技术测量工作；8.3　施工组36人，其中管棚组10人，负责大管棚的钻进、成孔、下管、注浆等工作；开挖组12人，负责隧道土体的开挖与运输等工作；喷锚支护组10人，负责拱架安装、小导管安装、注浆、初支喷锚等工作；电工1人，起重机司机2人，杂工1人。9.安全措施9.1安全防范的要点9.1.1加强全过程的开挖、支护工作，做好监控量测，控制地表沉降，避免隧道塌方。9.1.2加强对既有建筑物的保护，避免出现变形、开裂、倒塌事故，重点防护右线K11+225~K11+401.3段地面建筑物和地下污水管线。9.1.3防止机械伤害、触电、高处坠落事故。9.1.4注意交通安全，避免交通事故。9.2安全保证措施建立健全安全生产保证体系，成立安全工作领导小组，项目经理为安全生产第一责任人，主管安全施工生产的项目副经理为安全生产的直接责任人，项目总工程师全质量室，各班组设安全员，配齐配强专业技术为劳动保护和安全生产的技术负责人。经理部设安全质量部，各施工队设安人员。10.质量控制10.1建立质量管理领导小组项目经理部成立质量管理领导小组，项目经理任组长，总工程师任副组长，成员由各业务部门人员组成。10.2建立质量组织管理体系在项目经理部内部，实行三级质量管理制。项目经理部设质量安全部，每个施工队配专职质检工程师，工班设质量检查员。质量安全部是负责现场质量监督和管理的机构，直接对分管质量工作的总工程师负责，行使监督权、检查权和质量否决权。施工队专职质检工程师在质量安全部的领导下，负责本队的质量检查和监控工作。工班质检员在队质检工程师的领导下，负责本班组的质量检查和监控工作。10.3组建工地试验室和测量队，配备先进的仪器设备试验和测量是对工程质量进行监测和控制的主要方法，试验是从物理、力学指标上确保工程质量的控制手段，测量则是从位置、高程和几何尺寸上确保工程质量的控制手段。因此，试验室和测量队的建立，在质量管理体系中具有关键性的作用。在经理部设试验室，经理部和施工队分设测量队，根据需要配齐相应仪器设备。　　　第12页共12页 2005年度参评三级工法　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　地铁隧道穿越软～流塑地层浅埋暗挖法施工工法10.4对生产的全过程进行质量监控，从施工的各个环节上严把质量关在施工过程中，对工程的质量起决定性影响的因素有以下几个：熟练的操作人员；先进的机械设备；优质的工程材料；科学的工艺参数；正确的加工工艺；有效的监控手段；严格的检查验收等。人员和设备可以在上场之前确定，就施工过程本身而言，应该抓住材料、工艺参数、加工工艺、过程监控、检查验收等关键环节，制定切实可行的质量控制措施。10.5成立TQC质量攻关针对工程重难点开展TQC活动，通过TQC活动，解决了工程质量问题。11.效益分析11.1采用本工法施工环境好，施工造成的污染小，采用的措施保证了建筑物和地下管线安全，对周围环境影响小；保证了建筑物和地下管线安全，施工对周围居民和企事业单位生活生产无影响；保证了工期，保证了地铁的按期运营。11.2　采用本工法降低了工程成本，提高了工效，和原定的冻结法方案相比，减少了投入。11.3　总结了一套浅埋暗挖地铁隧道穿越软～流塑地层的施工工艺，积累了施工经验。12.工程实例南京地铁南北线一期工程鼓楼站～玄武门站区间隧道为浅埋暗挖法施工，区间隧道右线全长1063.6m；左线隧道全长1064.094m双洞单线，线间距17.2～13.0m，埋深约8m。玄武门站南端有380.6m的软～流塑地质段，该段土体具有高压缩性，高灵敏度，易产生土体流动、开挖面不稳现象，且地面上3～7层的楼房有21幢，道路下方有给水、雨水、污水、电力、电信等多种管线。采用本工法，克服了上述不利条件，保证了施工进度和安全，得到了各级专家的一致好评。　　　第12页共12页'