緊鄰建筑物淺埋暗挖大斷面隧道施工技術研究摘 要:北京地鐵光華路車站西北風道為淺埋暗挖大斷面隧道,采用CRD工法施工。由于緊鄰地面建筑物,為保證建筑物和施工安全,采取分部開挖、增設臨時仰拱的同時,輔以隔離樁和小導管注漿加固的方法,施工中實行全過程的監控量測。對該工點的施工技術進行介紹和分析。關鍵詞:地鐵;地面建筑物;CRD法;隔離樁;注漿加固;監控量測 作為城市交通的一個重要部分,地鐵大多修建在繁華市區和人流量較大的地方,為滿足城市的整體規劃,地鐵線路經常不可避免的從既有建筑物附近甚至是正下方的地層中穿過,施工過程中保護既有建筑物的安全就成為一個需要處理好的課題。本文針對北京地鐵光華路車站西北風道開挖斷面大、緊臨地面建筑物的特點,詳述有關施工技術,并對隧道開挖對地面建筑物的影響作了分析研究。1 工程概況1.1 結構概況 北京地鐵光華路車站位于東三環路京廣橋引橋南側規劃的商務中心街與東三環路的交叉路口上,為單跨三洞地下局部雙層分離島式結構,南北向布置,共設有東南、西北兩個風道。 西北風道埋深9.5m,開挖寬度11.8m,高度14.1m,為大斷面淺埋暗挖結構,采用CRD工法(交叉中隔壁法)分為3層6個導洞施工,初支采用鋼格柵+小導管+網噴混凝土結構,厚度350mm。1.2 結構與地面建筑物的關系 西北風道在K0+19處需要從北京3501廠一座5層建筑物的側下方暗挖通過。該建筑建成于1982年,采用框架結構,地上5層,地下1層,平面呈L形,南側長54m,東側長30m,寬15m。經實際調查,該建筑物1、2層為門市、3~5層為辦公室,地下室為職工宿舍,處于正常使用狀態。基礎形式為鋼筋混凝土獨立擴大基礎,基礎埋深約4m,基礎底距隧道拱頂約5.4m,其南側距西北風道平面最近距離僅6.0m,且地下管線密集,詳見圖1。因此,在該段地鐵風道施工過程中,必須嚴格控制沉降,確保建筑物的結構安全。
1.3 工程地質與水文地質 西北風道主要通過第四紀全新世沖洪積層和第四紀晚更新世沖洪積層,地層從上至下依次為填土①、粉土③、粉質黏土③1、粉細砂③3、中粗砂④4、圓卵礫石⑤、粉質黏土⑥。風道拱部、底部為粉質黏土,邊墻為砂卵層。勘察雖未測到上層滯水,但由于地下管線滲漏可形成上層滯水,分布極為不均勻,對暗挖施工的影響很大。潛水埋深16.94~18.61m,賦存于圓礫卵石⑤層和中粗砂⑤1中,潛水含水層位于結構中部,對暗挖施工有影響。承壓水埋深23.83~25.58m,位于結構底板附近,局部侵入結構底板。承壓水頂面處的砂質粉土⑥2層,受水位變化的影響,施工時極易喪失強度,形成水土流失。2 工程難點分析 (1)3501廠大樓位于西北風道側上方,且采用獨立擴大基礎,風道暗挖通過時整體呈現偏壓狀態,建筑物受不均勻沉降影響明顯。 (2)西北風道斷面較大,采用CRD工法施工,分部多、跨度大,施工中應力轉換頻繁,對地層造成多次擾動,對地面建筑物不利。 (3)由于地下管線滲漏水嚴重,導致上層滯水有豐富且穩定的補給,風道結構范圍內土體長期受滲漏水影響已呈飽和狀,部分地層中存在水囊、空洞。 (4)由于降水工作滯后的影響,對風道開挖造成不利影響,導洞的施工順序不利于地層的穩定,增加了工程風險。 (5)該區域內地下管線密集,地面臨舍較多,且臨近東三環路,施工場地狹小,增加了施工難度。3 施工方法3.1 總體思路 根據以上分析,該段風道施工的關鍵是必須嚴格控制沉降,保證地面建筑物的安全,同時保證暗挖風道自身結構以及施工的安全。在充分考慮工程所處的環境和地質條件的基礎上,為使本工程能順利完成,施工方案的總體思路如下。 (1)風道采用CRD法施工,并增設臨時仰拱達到“小分塊、快封閉”的目的,減小沉降。 (2)在風道和建筑物之間設置隔離樁,達到隔離地層的目的,減小相互影響。 (3)通過小導管注漿加固達到改良地層、抑制水患的目的,控制地層變形。 (4)加強監控量測,強化信息化施工,及時全面掌握暗挖隧道在施工過程中對周圍環境的影響范圍、影響程度以及支護結構的變形狀況。3.2 風道初支施工 西北風道為大斷面淺埋暗挖隧道,采用CRD工法分為3層6個導洞施工,初支施工時應嚴格遵守“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”基本原則。由于先期降水不到位,導洞施工順序改為先1號、3號后2號、4號、5號、6號的順序,為減少拱部大面積開挖后對地層的影響,施工采取分部開挖、化大為小,增設臨時仰拱、及時封閉的方法,詳見圖2。 具體施工措施如下。 (1)開挖前拱部130°范圍內打超前小導管預注漿加固地層,超前小導管為Φ32(壁厚3.25mm)鋼花管,環向間距0.3m,長度2.5m, 并與格柵拱腳焊牢。超前預注漿采用水泥水玻璃雙液漿,注漿壓力0.3~0.5MPa。 (2)鋼格柵間距500mm,拱腳打設2根Φ32(壁厚3.25mm)鎖腳錨管,長度2.5m,并與格柵拱腳焊牢。 (3)1號、3號導洞采用臺階法開挖,上臺階開挖后立即安裝鋼格柵和臨時仰拱,使上斷面支護能夠及早封閉成環,減少沉降。臨時仰拱采用I25a工字鋼,兩端通過連接板與鋼格柵栓接。 (4)鋼格柵、鋼筋網安裝好后,采用縱向連接筋將每榀鋼格柵連成一體,保證整體受力,然后噴設C25混凝土至設計厚度。 (5)施工中加強工序銜接,盡量縮短開挖與支護的時間。臺階長度控制在3~5m,初期支護及時封閉成環,初支完成達到一定強度后,及時進行初支背后回填注漿,漿液采用1∶1水泥漿,注漿壓力控制在0.3MPa左右。 (6)為減少地層的沉降,減少對地層的擾動范圍,相鄰各導洞工作面必須錯開10m以上,且施工過程中應加強監控量測,根據監測數據,指導施工。3.3 隔離樁施工 西北風道外側距3501廠大樓南側墻最小水平距離僅6m,為減小風道開挖對建筑物的影響,在風道外側壁與樓房之間、距大樓1m處、沿大樓東南角設計了1排隔離樁對其進行保護。隔離樁采用Φ800@1200mm鉆孔灌注樁,樁長28m,共設置15根。由于受地下室影響(南側地下室結構向外挑出),大樓南側隔離樁無法施工,實際僅在東側施作11根。鉆孔樁采用反循環鉆機成孔、地面綁扎鋼筋籠、水下灌注樁身混凝土工藝施工。3.4 小導管注漿加固 在西北風道初支施工時,靠3501廠大樓一側風道邊墻采用超前小導管進行預注漿加固。其作用是通過帶孔眼的導管將各種適應不同地層的漿液注入滲透至地層的有效范圍內,以達到改變地層參數,提高地層自身承載能力的目的。小導管采用Φ32(壁厚3.25mm)鋼花管,長度3.5m,間距0.3m,縱向2榀格柵1環。加固范圍從西北風井到風道第二個轉彎處。漿液選取,粉土采用30Be′的水玻璃;中粗砂、卵石、礫石層采用1∶1水泥水玻璃雙液漿;大顆粒含量較多、孔隙較大的地層可采用水灰比1∶1水泥漿液,施工中根據地層變化進行調整,注漿壓力0.3~0.5MPa。4 監控量測4.1沉降分析 為提供及時可靠的沉降監測數據,用以評定風道施工對3501廠大樓的影響,以確保該建筑物的結構安全,在該建筑物南側布置了4個沉降監測點,對其進行連續的沉降觀察。各點的沉降監測時間及累計沉降值如表1所示。 由表1可以看出,3501廠大樓監測到的累計沉降值最大為-32.12mm,平均沉降速率為-0.08mm/d,差異沉降最大為-35.92mm。下面對沉降最大的CJ1-2點進行分析研究,CJ1-2點的沉降曲線如圖3所示。 由圖3可見,3501廠大樓CJ1-2點的沉降大體分為4個階段:(1)ab段,此段對應西北風道1、3號導洞施工,由于導洞的開挖,沉降迅速發展;(2)bc段,由于降水未啟動,西北風道暫停開挖,沉降僅隨初支背后注漿上下波動;(3)ce段,此段對應西北風道2、4、5、6號導洞施工,由于導洞的開挖,沉降繼續發展;(4)ef段,此段對應風道開挖完成,斷面封閉成環,測點CJ1-2的監測數據隨之穩定下來,且一直處于穩定狀態。由沉降曲線的變化規律可見,沉降隨西北風道的施工而變化,ab段的變化速率明顯大于ce段,說明建筑物的沉降受上層導洞的影響非常大,施工必須嚴格控制開挖尺寸與步距、盡量縮短封閉時間;bc段的波動說明背后注漿可有效的抑制沉降的發展,施工中應堅持多次反復注漿,但應注意控制注漿壓力。總之,3501廠大樓CJ1-2點的沉降符合正常的沉降規律。從整體來看,大樓略微向東南角傾斜,說明該處防護還有薄弱環節,究其原因可能與隔離樁未能提早完成有關;平面上地層土體在該段雙面開挖臨空,地層應力放散大。4.2 建筑物安全性評價 根據《建筑地基基礎設計規范》(GB50007—2002)的有關規定,西北風道旁的3501廠大樓其不均勻沉降允許值為0.004(沉點沉降差與距離之比)。 該建筑物的最大沉降值為-32.12mm,最小沉降為3.80mm,最大差異沉降為35.92mm,距離為54m,由此計算3501廠的不均勻沉降為:35.92/54000=0.000665<0.004。 由此可見,該建筑物的沉降在設計允許范圍內,建筑物是安全的。5 結語 對于緊鄰建筑物的淺埋暗挖大斷面隧道施工,控制沉降是首要而又關鍵的問題。施工中應堅持“早封閉,勤量測”的原則,一方面通過采取分部開挖、增設臨時仰拱、設置隔離樁和小導管注漿加固的方法施工;另一方面加強監控量測、及時反饋,做到信息化施工,就能很好地解決此類問題。參考文獻:[1] GB50007—2002,建筑地基基礎設計規范[S].[2] GB50299—1999,地下鐵道工程施工及驗收規范[S].[3] 徐治中,等.鄰近建筑物暗挖地鐵車站采用洞樁法的技術探討[J].鐵道標準設計,2004(4).
1.3 工程地質與水文地質 西北風道主要通過第四紀全新世沖洪積層和第四紀晚更新世沖洪積層,地層從上至下依次為填土①、粉土③、粉質黏土③1、粉細砂③3、中粗砂④4、圓卵礫石⑤、粉質黏土⑥。風道拱部、底部為粉質黏土,邊墻為砂卵層。勘察雖未測到上層滯水,但由于地下管線滲漏可形成上層滯水,分布極為不均勻,對暗挖施工的影響很大。潛水埋深16.94~18.61m,賦存于圓礫卵石⑤層和中粗砂⑤1中,潛水含水層位于結構中部,對暗挖施工有影響。承壓水埋深23.83~25.58m,位于結構底板附近,局部侵入結構底板。承壓水頂面處的砂質粉土⑥2層,受水位變化的影響,施工時極易喪失強度,形成水土流失。2 工程難點分析 (1)3501廠大樓位于西北風道側上方,且采用獨立擴大基礎,風道暗挖通過時整體呈現偏壓狀態,建筑物受不均勻沉降影響明顯。 (2)西北風道斷面較大,采用CRD工法施工,分部多、跨度大,施工中應力轉換頻繁,對地層造成多次擾動,對地面建筑物不利。 (3)由于地下管線滲漏水嚴重,導致上層滯水有豐富且穩定的補給,風道結構范圍內土體長期受滲漏水影響已呈飽和狀,部分地層中存在水囊、空洞。 (4)由于降水工作滯后的影響,對風道開挖造成不利影響,導洞的施工順序不利于地層的穩定,增加了工程風險。 (5)該區域內地下管線密集,地面臨舍較多,且臨近東三環路,施工場地狹小,增加了施工難度。3 施工方法3.1 總體思路 根據以上分析,該段風道施工的關鍵是必須嚴格控制沉降,保證地面建筑物的安全,同時保證暗挖風道自身結構以及施工的安全。在充分考慮工程所處的環境和地質條件的基礎上,為使本工程能順利完成,施工方案的總體思路如下。 (1)風道采用CRD法施工,并增設臨時仰拱達到“小分塊、快封閉”的目的,減小沉降。 (2)在風道和建筑物之間設置隔離樁,達到隔離地層的目的,減小相互影響。 (3)通過小導管注漿加固達到改良地層、抑制水患的目的,控制地層變形。 (4)加強監控量測,強化信息化施工,及時全面掌握暗挖隧道在施工過程中對周圍環境的影響范圍、影響程度以及支護結構的變形狀況。3.2 風道初支施工 西北風道為大斷面淺埋暗挖隧道,采用CRD工法分為3層6個導洞施工,初支施工時應嚴格遵守“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”基本原則。由于先期降水不到位,導洞施工順序改為先1號、3號后2號、4號、5號、6號的順序,為減少拱部大面積開挖后對地層的影響,施工采取分部開挖、化大為小,增設臨時仰拱、及時封閉的方法,詳見圖2。 具體施工措施如下。 (1)開挖前拱部130°范圍內打超前小導管預注漿加固地層,超前小導管為Φ32(壁厚3.25mm)鋼花管,環向間距0.3m,長度2.5m, 并與格柵拱腳焊牢。超前預注漿采用水泥水玻璃雙液漿,注漿壓力0.3~0.5MPa。 (2)鋼格柵間距500mm,拱腳打設2根Φ32(壁厚3.25mm)鎖腳錨管,長度2.5m,并與格柵拱腳焊牢。 (3)1號、3號導洞采用臺階法開挖,上臺階開挖后立即安裝鋼格柵和臨時仰拱,使上斷面支護能夠及早封閉成環,減少沉降。臨時仰拱采用I25a工字鋼,兩端通過連接板與鋼格柵栓接。 (4)鋼格柵、鋼筋網安裝好后,采用縱向連接筋將每榀鋼格柵連成一體,保證整體受力,然后噴設C25混凝土至設計厚度。 (5)施工中加強工序銜接,盡量縮短開挖與支護的時間。臺階長度控制在3~5m,初期支護及時封閉成環,初支完成達到一定強度后,及時進行初支背后回填注漿,漿液采用1∶1水泥漿,注漿壓力控制在0.3MPa左右。 (6)為減少地層的沉降,減少對地層的擾動范圍,相鄰各導洞工作面必須錯開10m以上,且施工過程中應加強監控量測,根據監測數據,指導施工。3.3 隔離樁施工 西北風道外側距3501廠大樓南側墻最小水平距離僅6m,為減小風道開挖對建筑物的影響,在風道外側壁與樓房之間、距大樓1m處、沿大樓東南角設計了1排隔離樁對其進行保護。隔離樁采用Φ800@1200mm鉆孔灌注樁,樁長28m,共設置15根。由于受地下室影響(南側地下室結構向外挑出),大樓南側隔離樁無法施工,實際僅在東側施作11根。鉆孔樁采用反循環鉆機成孔、地面綁扎鋼筋籠、水下灌注樁身混凝土工藝施工。3.4 小導管注漿加固 在西北風道初支施工時,靠3501廠大樓一側風道邊墻采用超前小導管進行預注漿加固。其作用是通過帶孔眼的導管將各種適應不同地層的漿液注入滲透至地層的有效范圍內,以達到改變地層參數,提高地層自身承載能力的目的。小導管采用Φ32(壁厚3.25mm)鋼花管,長度3.5m,間距0.3m,縱向2榀格柵1環。加固范圍從西北風井到風道第二個轉彎處。漿液選取,粉土采用30Be′的水玻璃;中粗砂、卵石、礫石層采用1∶1水泥水玻璃雙液漿;大顆粒含量較多、孔隙較大的地層可采用水灰比1∶1水泥漿液,施工中根據地層變化進行調整,注漿壓力0.3~0.5MPa。4 監控量測4.1沉降分析 為提供及時可靠的沉降監測數據,用以評定風道施工對3501廠大樓的影響,以確保該建筑物的結構安全,在該建筑物南側布置了4個沉降監測點,對其進行連續的沉降觀察。各點的沉降監測時間及累計沉降值如表1所示。 由表1可以看出,3501廠大樓監測到的累計沉降值最大為-32.12mm,平均沉降速率為-0.08mm/d,差異沉降最大為-35.92mm。下面對沉降最大的CJ1-2點進行分析研究,CJ1-2點的沉降曲線如圖3所示。 由圖3可見,3501廠大樓CJ1-2點的沉降大體分為4個階段:(1)ab段,此段對應西北風道1、3號導洞施工,由于導洞的開挖,沉降迅速發展;(2)bc段,由于降水未啟動,西北風道暫停開挖,沉降僅隨初支背后注漿上下波動;(3)ce段,此段對應西北風道2、4、5、6號導洞施工,由于導洞的開挖,沉降繼續發展;(4)ef段,此段對應風道開挖完成,斷面封閉成環,測點CJ1-2的監測數據隨之穩定下來,且一直處于穩定狀態。由沉降曲線的變化規律可見,沉降隨西北風道的施工而變化,ab段的變化速率明顯大于ce段,說明建筑物的沉降受上層導洞的影響非常大,施工必須嚴格控制開挖尺寸與步距、盡量縮短封閉時間;bc段的波動說明背后注漿可有效的抑制沉降的發展,施工中應堅持多次反復注漿,但應注意控制注漿壓力。總之,3501廠大樓CJ1-2點的沉降符合正常的沉降規律。從整體來看,大樓略微向東南角傾斜,說明該處防護還有薄弱環節,究其原因可能與隔離樁未能提早完成有關;平面上地層土體在該段雙面開挖臨空,地層應力放散大。4.2 建筑物安全性評價 根據《建筑地基基礎設計規范》(GB50007—2002)的有關規定,西北風道旁的3501廠大樓其不均勻沉降允許值為0.004(沉點沉降差與距離之比)。 該建筑物的最大沉降值為-32.12mm,最小沉降為3.80mm,最大差異沉降為35.92mm,距離為54m,由此計算3501廠的不均勻沉降為:35.92/54000=0.000665<0.004。 由此可見,該建筑物的沉降在設計允許范圍內,建筑物是安全的。5 結語 對于緊鄰建筑物的淺埋暗挖大斷面隧道施工,控制沉降是首要而又關鍵的問題。施工中應堅持“早封閉,勤量測”的原則,一方面通過采取分部開挖、增設臨時仰拱、設置隔離樁和小導管注漿加固的方法施工;另一方面加強監控量測、及時反饋,做到信息化施工,就能很好地解決此類問題。參考文獻:[1] GB50007—2002,建筑地基基礎設計規范[S].[2] GB50299—1999,地下鐵道工程施工及驗收規范[S].[3] 徐治中,等.鄰近建筑物暗挖地鐵車站采用洞樁法的技術探討[J].鐵道標準設計,2004(4).