暗挖工程超前支護及注漿加固技術(shù)摘 要:超前支護及注漿加固是暗挖工程施工中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié),本文主要介紹北京地鐵五號線4個暗挖標段超前支護及注漿加固實施情況,以期為類似城市暗挖工程施工提供參考。關(guān)鍵詞:暗挖;超前支護;注漿加固1工程概況 北京地鐵五號線02標(劉家窯站～蒲黃榆站區(qū)間、蒲黃榆車站)、03標(蒲黃榆站～天壇東門站區(qū)間、天壇東門站)、04標(天壇東門站～磁器口站區(qū)間、磁器口站)、05標(崇文門站)采用淺埋暗挖法施工。其中蒲黃榆站采用22.6m寬大跨度單拱單柱雙層暗挖結(jié)構(gòu),天壇東門站采用23.87m寬大跨度三拱兩柱雙層暗挖結(jié)構(gòu),磁器口站采用21.87m寬大跨度三拱兩柱雙層暗挖結(jié)構(gòu),崇文門站采用24.2m寬大跨度三拱兩柱雙層暗挖結(jié)構(gòu),車站覆土厚度4～9m;區(qū)間采用5.8m×6.3m馬蹄形斷面結(jié)構(gòu),區(qū)間覆土厚度12～15m。 車站開挖采用中洞法分塊開挖,區(qū)間采用上下臺階法開挖。工程經(jīng)過地層包括粉質(zhì)粘土、粉細砂、中粗砂、砂卵石層。由于暗挖工程均處于鬧市區(qū),沉降控制非常關(guān)鍵。2 超前支護及注漿加固技術(shù)2.1 現(xiàn)場實施情況2.1.1 超前地質(zhì)探測 全線暗挖車站及區(qū)間開挖施工過程中為提前探測前方地質(zhì)及滲水情況,均進行超前地質(zhì)探測。探測采用的方法見表1。
2.1.2超前管棚 暗挖地鐵開挖洞室跨度相對較大,施工中超前支護采用多樣化的超前管棚支護,采用的超前管棚主要類型如下。 02標采用Ф114mm單根長146.6m管棚,共103根;03標采用Ф108mm單根長18m管棚;04標采用Ф108mm單根長10m和18m管棚;05標采用Ф108mm單根長27m管棚, Ф600mm單根長36m管幕, Ф377mm單根長36m管棚。2.2超前管柵施工技術(shù) 舉例:單根長146mФ114mm超前長管棚。(1)設(shè)計參數(shù)。 02標段超前長管棚沿蒲黃榆車站拱部環(huán)向布置,環(huán)向間距0.3m,縱向貫通車站拱部,單根長146m,共103根,管棚采用Ф114×5mm鋼管。(2)工藝流程。 工藝流程見圖1。(3)施工方法。 采用水平定向鉆機從東南結(jié)合部往東北結(jié)合部一次性施做導(dǎo)向孔,從東北往東南回擴孔拖管,鋼管單節(jié)長6m,接頭采用絲扣連接。為防止施工管棚串管,施工時從拱頂往下間隔施工。(4)使用設(shè)備、儀器。 超前長管棚施工主要設(shè)備、儀器:FDP-15D水平定向鉆機、ECLIPSE無線導(dǎo)向系統(tǒng)和地磁地下定位系統(tǒng)、UB-8型砂漿泵。(5)工效。 由于蒲黃榆車站拱部超前長管棚位于交通繁忙的蒲黃榆主路下,導(dǎo)向孔鉆進采用無線導(dǎo)向系統(tǒng)時必須在晚間23點到第二天7點之間;施工速度根據(jù)地層及管棚埋深不同施工效率不同。 當管棚埋深在10m內(nèi),采用無線導(dǎo)向系統(tǒng)時,粘土層中鉆進一根管棚(L=146m)需24h左右;砂層中鉆進一根管棚需33h左右。 當管棚埋深在10m以下,采用地磁地下定位系統(tǒng)時,管棚位于中粗砂層中,鉆進一根管棚(L=146.6m)需38h左右。(6)管棚注漿。 管棚注漿設(shè)備:UB-8型砂漿泵,最大工作壓力6MPa,最大排量8m3/h,最大水平輸送距離250m。 注漿方向:東南車站結(jié)合部往東北車站結(jié)合部,一次性灌注。 管棚鋼管漿液擴散孔布置:縱向300mm間距梅花型鉆Ф10mm漿液擴散孔,環(huán)向3排。 漿液:水泥漿,外摻少量微膨脹劑,配合比水泥∶水∶膨潤土∶鋁粉=1∶0.8∶0.05∶0.001;注漿壓力在1.5MPa左右。(7)效果。 施工管棚設(shè)計注漿數(shù)量2.9m3,實際注漿數(shù)量基本在3.5m3左右。2.3超前導(dǎo)管施工 超前小導(dǎo)管設(shè)置在車站、風道、區(qū)間、出入口通道拱部,區(qū)間拱部超前小導(dǎo)管單根長L=3m,其余拱部超前小導(dǎo)管單根長L=2.5m。(1)工藝流程(見圖2)。 首先按設(shè)計測量定位,然后采用煤電鉆孔,成孔檢查后采用風鉆頂進鋼管,噴射5cm厚混凝土封閉掌子面,最后進行漿液壓注。(2)使用設(shè)備。 鉆孔采用煤電鉆或氣動風鎬、吹管(自制25mm鋼管),注漿采用UB-8型砂漿泵及KBY-50/70雙液注漿泵。(3)工效。 車站2.5m長小導(dǎo)管施工一根需6min,區(qū)間3m長小導(dǎo)管施工需7min。 壓注一根小導(dǎo)管需6min。(4)管的布設(shè)參數(shù)。 車站超前小導(dǎo)管沿起拱線上按0.3m間距環(huán)向布置,每環(huán)104根;縱向每兩榀鋼架布設(shè)一排,即每排小導(dǎo)管縱向間距1m。 風道、出入口、通道沿拱部120°范圍環(huán)向按0.3m間距布置,風道拱部每環(huán)43根,結(jié)合部每環(huán)37根,縱向每兩榀鋼架布設(shè)一排,即每排小導(dǎo)管縱向間距1m。 區(qū)間在拱部環(huán)向按0.3m間距布置,每環(huán)25根,縱向每兩榀鋼架布設(shè)一排,即每排小導(dǎo)管縱向間距1.5m。小導(dǎo)管采用Ф32×3.25mm鋼管,鋼管上縱向孔眼間距15cm,孔眼直徑8mm,頂部制作成錐型,尾部焊箍;上仰角控制在7°～10°。(5)小導(dǎo)管注漿。 區(qū)間砂層壓注化學漿液,配合比:稀硫酸∶水玻璃=1∶6～8。 車站水泥砂漿配合比:水泥∶砂∶水=1∶0.5∶0.7。車站水泥～水玻璃雙液漿∶水泥漿水灰比1.25∶1～0.5∶1,水玻璃模數(shù)2.4～2.8,水玻璃濃度使用范圍30～45,水泥∶水玻璃=1∶1(體積比)。注漿壓力:0.5～0.8MPa。(6) 注漿效果。 拱部小導(dǎo)管注漿完成后,在拱部形成一個固結(jié)保護層,延長圍巖自穩(wěn)時間。保證下一循環(huán)開挖支護施工過程中不出現(xiàn)坍塌,使圍巖自穩(wěn)時間在4h以上。 地面注漿起到填充加固地層不密實土體的作用,對掌子面封閉注漿起到加固圍巖的作用,保證在開挖時不發(fā)生坍塌,延長圍巖自穩(wěn)能力。2.4拱背回填注漿 拱背回填注漿主要對初期支護背后土體進行回填加固;回填注漿管采用Ф32×3.25mm鋼管。在距開挖封閉成環(huán)掌子面3m后進行拱背回填注漿。(1)工藝流程(見圖3)。(2)使用設(shè)備。 UB-8型砂漿泵。(3)工效。 漿液壓注時間為10～60min不等。(4)管布設(shè)參數(shù)。 拱背回填注漿管采用Ф32×3.25mm鋼管,鋼管深入初期支護背后。 區(qū)間每環(huán)設(shè)3根,L=0.5m,縱向間距6m,梅花型布置。 風道每環(huán)設(shè)7根,L=0.6m,縱向間距1m,拱部3根,兩側(cè)各2根。 結(jié)合部每環(huán)設(shè)9根,L=0.6m,縱向間距1m,拱部3根,兩側(cè)各3根。 車站每環(huán)設(shè)6根,L=0.9m,縱向間距1m。 出入口及通道設(shè)5根,L=0.6m,縱向間距3m,拱部1根,兩側(cè)各2根,梅花型布置。(5)回填注漿。 采用1∶1水泥砂漿;拱部注漿壓力0.8MPa,邊墻注漿壓力0.5MPa。(6)注漿效果。 拱背回填注漿后相應(yīng)地段地表沉降及拱頂沉降明顯減緩。3 體會3.1 超前支護及注漿加固存在的問題 (1)現(xiàn)場地質(zhì)探測布孔不規(guī)范,不能充分反映前方地質(zhì)情況;對前方地質(zhì)定性分析不足,不能充分指導(dǎo)后續(xù)施工。 (2)管棚注漿工藝落后,漿液擴散情況差,砂層中易發(fā)生溜空現(xiàn)象;傳統(tǒng)施作管棚的方式精度較差,單次施作長度太短,設(shè)備對現(xiàn)場環(huán)境要求高,在施作過程中,每次均須上挑形成工作室,存在較大的風險。 (3)車站部分施工過程中,小導(dǎo)管的仰角普遍過大,小導(dǎo)管的作用發(fā)揮不充分;現(xiàn)場動態(tài)管理不夠理想,超前支護不能因地質(zhì)情況的改變而改變,常造成資源浪費;注漿工藝落后,漿液擴散不均勻,對注漿效果缺乏控制及驗證。 (4)注漿管的布設(shè)缺乏統(tǒng)一標準;現(xiàn)場回填注漿存在不夠及時的現(xiàn)象;注漿壓力無統(tǒng)一標準,個別注漿壓力過高,易造成結(jié)構(gòu)破壞。3.2 建議 (1)從現(xiàn)場實際情況看來,對于北京這種地質(zhì)情況,采用洛陽鏟進行超前地質(zhì)探測是一種簡便可行且十分有效的方法。 布孔:每工作面布置3個孔,拱頂一處,兩側(cè)拱腳以上1m拱腰各布置一處。 打孔:采用洛陽鏟。 探測長度:每次探測長度5m,每開挖3m探測一次。 分析:采取定性分析。(2)超前管棚。 從管棚施工情況分析,對于受力情況復(fù)雜部位,通過重要建構(gòu)筑物時,對沉降要求較高的地方,超前長大管棚是一種十分有效的支護手段。 1進一步研究改進長大管棚的注漿工藝,改善漿液的擴散效果,提高長大管棚對不同地層的適應(yīng)性;2推廣應(yīng)用新的先進的管棚施工工藝,提高管棚施工精度;3對車站等大斷面施工,由于其沉降較難控制,可推廣采用長管棚的支護方式;4有條件時管棚宜一次性貫通拱部,避免施工過程中多次挑高;5從經(jīng)濟角度考慮,150mm以上的大管棚應(yīng)慎用,150mm以下的管棚,其成本較為適中,可廣泛采用。(3)超前導(dǎo)管。各標施作小導(dǎo)管情況基本相同,小導(dǎo)管各項指標建議如下:1小導(dǎo)管宜采用Ф32×3.25mm鋼管; 2拱部小導(dǎo)管布置間距通常為環(huán)向0.3m,縱向搭接1～1.5m;3鋼管前端制作成錐形(長10cm),尾部焊箍,鋼管從尾部0.8m開始鉆Ф6～8的梅花型孔,孔眼間距0.15m;4注漿前宜先噴5cm厚噴射混凝土封閉掌子面,并在管口設(shè)止?jié){塞;5超前導(dǎo)管在砂層中宜壓注化學漿液;6注漿壓力宜控制在0.2～0.5MPa之間;7粘土層中可不施作注漿小導(dǎo)管,或改為施作鋼釬;8對于北京的地質(zhì)情況,采用煤電鉆和吹管施作小導(dǎo)管是合適的選擇。(4)拱背回填注漿。 拱背回填注漿是十分必要的,各項指標建議如下:1拱背回填注漿管宜采用Ф32×3.25mm鋼管,鋼管可不鉆孔;2回填注漿管不宜深入初期支護背后土體,僅深入土體0.05～0.1m即可;3回填注漿漿液首選水泥砂漿,當有滲水的情況下,可考慮采用水泥水玻璃雙液漿;4回填注漿壓力不應(yīng)太大,應(yīng)控制在0.2～0.3MPa左右;5拱背回填注漿應(yīng)及時,當初期支護成環(huán)3～5m時,就應(yīng)進行第一次拱背回填注漿,同時應(yīng)結(jié)合監(jiān)測資料確定二次注漿時間;6拱背回填注漿應(yīng)反復(fù)進行,二次注漿必須重新打設(shè)注漿管;7回填注漿管的布設(shè)可考慮縱向間距3m左右,梅花形布置。
2.1.2超前管棚 暗挖地鐵開挖洞室跨度相對較大,施工中超前支護采用多樣化的超前管棚支護,采用的超前管棚主要類型如下。 02標采用Ф114mm單根長146.6m管棚,共103根;03標采用Ф108mm單根長18m管棚;04標采用Ф108mm單根長10m和18m管棚;05標采用Ф108mm單根長27m管棚, Ф600mm單根長36m管幕, Ф377mm單根長36m管棚。2.2超前管柵施工技術(shù) 舉例:單根長146mФ114mm超前長管棚。(1)設(shè)計參數(shù)。 02標段超前長管棚沿蒲黃榆車站拱部環(huán)向布置,環(huán)向間距0.3m,縱向貫通車站拱部,單根長146m,共103根,管棚采用Ф114×5mm鋼管。(2)工藝流程。 工藝流程見圖1。(3)施工方法。 采用水平定向鉆機從東南結(jié)合部往東北結(jié)合部一次性施做導(dǎo)向孔,從東北往東南回擴孔拖管,鋼管單節(jié)長6m,接頭采用絲扣連接。為防止施工管棚串管,施工時從拱頂往下間隔施工。(4)使用設(shè)備、儀器。 超前長管棚施工主要設(shè)備、儀器:FDP-15D水平定向鉆機、ECLIPSE無線導(dǎo)向系統(tǒng)和地磁地下定位系統(tǒng)、UB-8型砂漿泵。(5)工效。 由于蒲黃榆車站拱部超前長管棚位于交通繁忙的蒲黃榆主路下,導(dǎo)向孔鉆進采用無線導(dǎo)向系統(tǒng)時必須在晚間23點到第二天7點之間;施工速度根據(jù)地層及管棚埋深不同施工效率不同。 當管棚埋深在10m內(nèi),采用無線導(dǎo)向系統(tǒng)時,粘土層中鉆進一根管棚(L=146m)需24h左右;砂層中鉆進一根管棚需33h左右。 當管棚埋深在10m以下,采用地磁地下定位系統(tǒng)時,管棚位于中粗砂層中,鉆進一根管棚(L=146.6m)需38h左右。(6)管棚注漿。 管棚注漿設(shè)備:UB-8型砂漿泵,最大工作壓力6MPa,最大排量8m3/h,最大水平輸送距離250m。 注漿方向:東南車站結(jié)合部往東北車站結(jié)合部,一次性灌注。 管棚鋼管漿液擴散孔布置:縱向300mm間距梅花型鉆Ф10mm漿液擴散孔,環(huán)向3排。 漿液:水泥漿,外摻少量微膨脹劑,配合比水泥∶水∶膨潤土∶鋁粉=1∶0.8∶0.05∶0.001;注漿壓力在1.5MPa左右。(7)效果。 施工管棚設(shè)計注漿數(shù)量2.9m3,實際注漿數(shù)量基本在3.5m3左右。2.3超前導(dǎo)管施工 超前小導(dǎo)管設(shè)置在車站、風道、區(qū)間、出入口通道拱部,區(qū)間拱部超前小導(dǎo)管單根長L=3m,其余拱部超前小導(dǎo)管單根長L=2.5m。(1)工藝流程(見圖2)。 首先按設(shè)計測量定位,然后采用煤電鉆孔,成孔檢查后采用風鉆頂進鋼管,噴射5cm厚混凝土封閉掌子面,最后進行漿液壓注。(2)使用設(shè)備。 鉆孔采用煤電鉆或氣動風鎬、吹管(自制25mm鋼管),注漿采用UB-8型砂漿泵及KBY-50/70雙液注漿泵。(3)工效。 車站2.5m長小導(dǎo)管施工一根需6min,區(qū)間3m長小導(dǎo)管施工需7min。 壓注一根小導(dǎo)管需6min。(4)管的布設(shè)參數(shù)。 車站超前小導(dǎo)管沿起拱線上按0.3m間距環(huán)向布置,每環(huán)104根;縱向每兩榀鋼架布設(shè)一排,即每排小導(dǎo)管縱向間距1m。 風道、出入口、通道沿拱部120°范圍環(huán)向按0.3m間距布置,風道拱部每環(huán)43根,結(jié)合部每環(huán)37根,縱向每兩榀鋼架布設(shè)一排,即每排小導(dǎo)管縱向間距1m。 區(qū)間在拱部環(huán)向按0.3m間距布置,每環(huán)25根,縱向每兩榀鋼架布設(shè)一排,即每排小導(dǎo)管縱向間距1.5m。小導(dǎo)管采用Ф32×3.25mm鋼管,鋼管上縱向孔眼間距15cm,孔眼直徑8mm,頂部制作成錐型,尾部焊箍;上仰角控制在7°～10°。(5)小導(dǎo)管注漿。 區(qū)間砂層壓注化學漿液,配合比:稀硫酸∶水玻璃=1∶6～8。 車站水泥砂漿配合比:水泥∶砂∶水=1∶0.5∶0.7。車站水泥～水玻璃雙液漿∶水泥漿水灰比1.25∶1～0.5∶1,水玻璃模數(shù)2.4～2.8,水玻璃濃度使用范圍30～45,水泥∶水玻璃=1∶1(體積比)。注漿壓力:0.5～0.8MPa。(6) 注漿效果。 拱部小導(dǎo)管注漿完成后,在拱部形成一個固結(jié)保護層,延長圍巖自穩(wěn)時間。保證下一循環(huán)開挖支護施工過程中不出現(xiàn)坍塌,使圍巖自穩(wěn)時間在4h以上。 地面注漿起到填充加固地層不密實土體的作用,對掌子面封閉注漿起到加固圍巖的作用,保證在開挖時不發(fā)生坍塌,延長圍巖自穩(wěn)能力。2.4拱背回填注漿 拱背回填注漿主要對初期支護背后土體進行回填加固;回填注漿管采用Ф32×3.25mm鋼管。在距開挖封閉成環(huán)掌子面3m后進行拱背回填注漿。(1)工藝流程(見圖3)。(2)使用設(shè)備。 UB-8型砂漿泵。(3)工效。 漿液壓注時間為10～60min不等。(4)管布設(shè)參數(shù)。 拱背回填注漿管采用Ф32×3.25mm鋼管,鋼管深入初期支護背后。 區(qū)間每環(huán)設(shè)3根,L=0.5m,縱向間距6m,梅花型布置。 風道每環(huán)設(shè)7根,L=0.6m,縱向間距1m,拱部3根,兩側(cè)各2根。 結(jié)合部每環(huán)設(shè)9根,L=0.6m,縱向間距1m,拱部3根,兩側(cè)各3根。 車站每環(huán)設(shè)6根,L=0.9m,縱向間距1m。 出入口及通道設(shè)5根,L=0.6m,縱向間距3m,拱部1根,兩側(cè)各2根,梅花型布置。(5)回填注漿。 采用1∶1水泥砂漿;拱部注漿壓力0.8MPa,邊墻注漿壓力0.5MPa。(6)注漿效果。 拱背回填注漿后相應(yīng)地段地表沉降及拱頂沉降明顯減緩。3 體會3.1 超前支護及注漿加固存在的問題 (1)現(xiàn)場地質(zhì)探測布孔不規(guī)范,不能充分反映前方地質(zhì)情況;對前方地質(zhì)定性分析不足,不能充分指導(dǎo)后續(xù)施工。 (2)管棚注漿工藝落后,漿液擴散情況差,砂層中易發(fā)生溜空現(xiàn)象;傳統(tǒng)施作管棚的方式精度較差,單次施作長度太短,設(shè)備對現(xiàn)場環(huán)境要求高,在施作過程中,每次均須上挑形成工作室,存在較大的風險。 (3)車站部分施工過程中,小導(dǎo)管的仰角普遍過大,小導(dǎo)管的作用發(fā)揮不充分;現(xiàn)場動態(tài)管理不夠理想,超前支護不能因地質(zhì)情況的改變而改變,常造成資源浪費;注漿工藝落后,漿液擴散不均勻,對注漿效果缺乏控制及驗證。 (4)注漿管的布設(shè)缺乏統(tǒng)一標準;現(xiàn)場回填注漿存在不夠及時的現(xiàn)象;注漿壓力無統(tǒng)一標準,個別注漿壓力過高,易造成結(jié)構(gòu)破壞。3.2 建議 (1)從現(xiàn)場實際情況看來,對于北京這種地質(zhì)情況,采用洛陽鏟進行超前地質(zhì)探測是一種簡便可行且十分有效的方法。 布孔:每工作面布置3個孔,拱頂一處,兩側(cè)拱腳以上1m拱腰各布置一處。 打孔:采用洛陽鏟。 探測長度:每次探測長度5m,每開挖3m探測一次。 分析:采取定性分析。(2)超前管棚。 從管棚施工情況分析,對于受力情況復(fù)雜部位,通過重要建構(gòu)筑物時,對沉降要求較高的地方,超前長大管棚是一種十分有效的支護手段。 1進一步研究改進長大管棚的注漿工藝,改善漿液的擴散效果,提高長大管棚對不同地層的適應(yīng)性;2推廣應(yīng)用新的先進的管棚施工工藝,提高管棚施工精度;3對車站等大斷面施工,由于其沉降較難控制,可推廣采用長管棚的支護方式;4有條件時管棚宜一次性貫通拱部,避免施工過程中多次挑高;5從經(jīng)濟角度考慮,150mm以上的大管棚應(yīng)慎用,150mm以下的管棚,其成本較為適中,可廣泛采用。(3)超前導(dǎo)管。各標施作小導(dǎo)管情況基本相同,小導(dǎo)管各項指標建議如下:1小導(dǎo)管宜采用Ф32×3.25mm鋼管; 2拱部小導(dǎo)管布置間距通常為環(huán)向0.3m,縱向搭接1～1.5m;3鋼管前端制作成錐形(長10cm),尾部焊箍,鋼管從尾部0.8m開始鉆Ф6～8的梅花型孔,孔眼間距0.15m;4注漿前宜先噴5cm厚噴射混凝土封閉掌子面,并在管口設(shè)止?jié){塞;5超前導(dǎo)管在砂層中宜壓注化學漿液;6注漿壓力宜控制在0.2～0.5MPa之間;7粘土層中可不施作注漿小導(dǎo)管,或改為施作鋼釬;8對于北京的地質(zhì)情況,采用煤電鉆和吹管施作小導(dǎo)管是合適的選擇。(4)拱背回填注漿。 拱背回填注漿是十分必要的,各項指標建議如下:1拱背回填注漿管宜采用Ф32×3.25mm鋼管,鋼管可不鉆孔;2回填注漿管不宜深入初期支護背后土體,僅深入土體0.05～0.1m即可;3回填注漿漿液首選水泥砂漿,當有滲水的情況下,可考慮采用水泥水玻璃雙液漿;4回填注漿壓力不應(yīng)太大,應(yīng)控制在0.2～0.3MPa左右;5拱背回填注漿應(yīng)及時,當初期支護成環(huán)3～5m時,就應(yīng)進行第一次拱背回填注漿,同時應(yīng)結(jié)合監(jiān)測資料確定二次注漿時間;6拱背回填注漿應(yīng)反復(fù)進行,二次注漿必須重新打設(shè)注漿管;7回填注漿管的布設(shè)可考慮縱向間距3m左右,梅花形布置。
