土岩组合地区富水砂层隧道施工关键技术研究

2017-12-05 10:44  来源:岩土网  阅读:2671
本文已经发表于《工程地质学报》2017, Vol. 25 Issue (5): 1351-1356 ,欢迎大家一起探讨。

土岩组合地区富水砂层隧道施工关键技术研究[1]

司小东1 李宏哲2张建国1何传锋3

1 山东正元建设工程有限责任公司济南250100 2 中交公路规划设计院有限公司北京  1000883 中铁四局集团有限公司合肥 230000

摘要针对青岛土岩组合地区富水砂层特点,对比分析超前深孔注浆和帷幕注浆加固技术在上软下硬地层施工关键技术,通过现场监测及开挖取样对比分析其在土岩组合地层适用性。研究结果表明:当富水砂层位于隧道拱顶范围内,采用超前深孔注浆,注浆效果较难控制,拱顶离砂层越近,注浆效果越难把握,隧道渗漏水问题越严重;施工容易对地层产生隆起,且隧道内渗漏水较多;当砂层位于拱顶以上采用帷幕注浆,跟踪监测表明,洞内变形、地表沉降能控制在有效范围内;注浆效果与工人技术要求较高;土岩组合富水砂层段,开挖采用松动爆破,使加固地层中重新形成部分漏水通道。

关键词土岩组合地层富水砂层超前深孔注浆帷幕注浆

中图分类号O319.56                文献标识码A          文章编号1673–0836(2015)02–1000–03

Summary of Key Technologies and Construction in Water Rich Sand Tunnel in Rockand Soil Areas

SI Xiao-dong1   LI Hong-zhe2  ZHANG Jian-guoHE Chuan-feng3

1ShangdongZhengyuan Construction Engineering Co. LtdJinan 250100 2 CCCC Highway Consultants CO.,Ltd.

Beijing 1000883 China Railway 14th Construction Bureau Co., LtdHefei 230000China

AbstractFor Qingdao soil water rich sand rock combination area characteristics, analysis of advanced deep hole grouting and curtain grouting reinforcement technique in the soft hard formation under construction, through field monitoring and excavation sampling analysis of its applicability in soil formation rock combination. The results show that when water rich sand layer in the tunnel vault, USES the advanced deep hole grouting, the grouting effect is difficult to control, the vaults, the nearer the sand grouting effect is more difficult to master, the more serious the tunnel leakage; Construction easy bulge on the formation and the tunnel seepage more; When the sand layer in the vault above by curtain grouting, monitoring showed that hole deformation, surface subsidence can control within the effective range; Grouting effect and workers technology demand is higher; Rock combination rich water sand, soil excavation with loose blasting, make reinforcement strata to form part of the leaking channels.

Keywordsrock and soil areaswater rich sanddeep hole grouting in advancecurtain grouting

0 引言

富水砂层在北京、深圳、沈阳、成都等城市都有分布,但因其地质成因、沉积年代不同,其物理力学性质差异很大。北京、沈阳、成都主要坐落在是山前冲洪积扇上,北京砂层主要为中等密实饱和状的砂砾石及砂卵石,偶含粉细砂。广州、南京、武汉等坐落在三角洲或冲积平原上,地层主要以粉细砂为主(党红章,2007;吉小明等,2009;苏秀婷,2012)。由于砂层富水,有些地段甚至饱水,因此砂间胶结力差,强度低,施工过程中造成地表较大沉降、裂缝、地下水位骤降严重环境影响,严重时会诱发涌砂、涌水、流沙等现象,甚至会发生掌子面坍塌、地面塌陷等严重事故,施工难度大(Pietro L2000;朱新华等,2005;吴生金等,2007;张旭东,2009Jiang H et al.2011)。当下针对富水砂层问题的应对办法是超前预加固封堵掌子面止水,包括地面高压旋喷桩、洞内水平旋喷桩、洞内超前注浆和地层冻结等技术。洪三金针对全断面富水砂层复杂地质条件,研究了超前分段后退式双液注浆、围壁注浆等施工技术(洪三金等,2010);刘敏,陈志国,黄俊等通过采用地表降水、旋喷止水帷幕等措施,总结了穿越富水砂层的施工技术(黄俊等,2004;陈志国等,2010;刘敏等,2010);张建华,张云星,刘娟等研究了水平旋喷超前支护技术,并得到了很好的应用(张建华等,2002;张云星等,2004;刘娟等,2009)。

青岛地区总体地质情况是土岩复合的二元地层结构,青岛地铁部分区间穿越富水砂层,隧道在开挖过程中岩土分界面逐渐变化,本文根据土岩组合富水砂层的地质特性,分析了青岛地铁3号线万年泉站~李村站(以下简称泉李区间)超前深孔注浆和青岛地铁3号线君峰路站~西流庄站(以下简称君西区间)帷幕注浆在土岩组合地层中应用,并对比分析其施工效果和对周边环境影响。

1 典型土岩组合富水砂层地质特性

青岛富水流砂层主要分布在冲洪积平原及河流(李村河、张村河、大村河等)两岸,砂层主要由中砂、中砂~粗砂、粗砂、 eq \o\ac(○,12)12粗砂组成(苏秀婷,2012。通过室内试验结合地质勘察报告得到青岛各砂层物理力学参数见图1

图1 

1 青岛典型富水砂层隧道地层参数图

Fig.1 Soil profile along with the measured soil properties of typical Qingdao water rich sand stratum tunnel

青岛地下砂层与其他城市地下砂层差异在于粘聚力(c)、内摩擦角(φ)较大,产生这种现象是由于地下砂层中含有大量粘粒,总量大约为11.4%26.3%。砂层中大量粘粒的存在,使其工程性质明显提高,但也使地层注浆加固机理更为复杂。

1.1 泉李区间砂层工程地质特性

泉李区间整体由万年泉路向北,到达青岛农科院后再穿过河南村与九水路交界处,由此拐向西北方向穿越李村河至书院路接入李村站。

根据地质报告,富水砂层为隧道拱顶以及拱顶以上部分,但下台阶处于中风化岩层中,地质条件较差。隧道掘进过程中,砂岩交界面不断变化,另外,该段下穿李村河建筑物群,施工不当将对建筑物产生较大影响。

图2 万李区间砂层段地质纵断面图

2 万李区间砂层段地质纵断面图

Fig. 2 Sand geological profile in wan-li interval

1.2 君西区间砂层工程地质特性

君西区间线路设计为出君峰路站后,沿京口路向西北方向穿越大河村后,进入西流庄站。区间长度784.401m,左右线线间距1313.4m,隧道埋深1016m,隧道洞身需穿越多种地层,如粗砾砂及强风化至中等风化花岗岩地层。以里程ZK21+597.000为起点,隧道向西进入岩土分界点,拱顶地质条件复杂,为含地下水的粗砂层,具体情况见图3所示。

图3 君西区间砂层段地质纵断面

3 君西区间砂层段地质纵断面

Fig. 3 Sand geological profile in jun-xi interval

2 注浆施工关键技术

泉李区间拱部遇富水砂层,砂层厚度约8m,地面建筑物密集,且建筑年代久远,若进行隧道开挖,容易引起该地区地下水散失导致建筑物的不均匀沉降,风险极大。地层进入砂层直至掌子面拱顶进入砂层后采用洞内超前注浆技术加固地层。

君西区间部分地段拱顶地质条件为含大量地下水的粗砂层,施工条件较差,此外,该区段地下有12条上水管线及其它一些市政管线。经过方案比选,最终确定采用超前帷幕注浆,对上半断面开挖轮廓线范围进行深层注浆加固和止水,防止隧道开挖施工中出现涌砂涌泥涌水和坍方问题。现就两种注浆方案进行对比分析。

2.1 注浆工艺

2.1.1 超前深孔注浆施工

每循环注浆区域为掌子面周边3m区域内,每部分注浆长度定为13m,设计采用1.0m厚喷混凝土止浆墙在注浆工作面上对初始注浆进行封堵,每部分注浆段均包括预留的5.0m已注段,其作用相当于止浆岩盘,在每一部分注浆开始前,在掌子面上扇形布置注浆孔,见图4。初始注浆孔相互之间距离控制在0.4m左右,同时确定注浆孔的末端间距在1m的范围内,注浆施工时要确保每一断面拱部、侧墙以外3.0m以内的砂层被全部加固,加固范围的底部分界线为砂层岩层交界面以下0.5m。单孔浆液扩散半径为600mm,注浆加固空布置及效果见图5。施工过程中需要随时根据现场情况进行施工调整,坚决杜绝出现未注浆区域。

图4

4 放射型注浆加固方案

Fig.4 Radial grouting reinforcement scheme

图5

5 注浆加固孔位布置与注浆效果图

Fig.5 Grouting holes layout and grouting effect chart

2.1.2 帷幕注浆施工

采用潜孔钻机成孔,正洞标准循环注浆长度为14m,开挖10m,最后一循环为非标准段,注浆完成开挖贯通。在进行正式钻孔之前先对超前钻孔进行注浆施工,顺序为弱水孔在前,强水孔在后。根据超前探孔确定该区域为弱水区或强水区以确定钻注顺序(弱水区在前,强水区在后);进行钻孔和注浆时,首先进行内圈施工再进行外圈施工,在同一圈则进行跳孔施工;以上为进行钻孔注浆的排序原则,实际施工中以此进行先后排序。本文中单孔扩散半径为1.5m,加固区域为轮廓线外3m,具体见图6

图6

6 帷幕注浆设计方案

Fig. 6 curtain grouting design scheme

注浆压力1.01.5Mpa。在进行弱水孔注浆时需要进行压力控制,措施为开始注浆后在短时间内将压力提升至1Mpa,在整个注浆过程中保持压力不变,实时监控进浆速度,注浆结束的标准为进浆量小于20/分钟。

2.2 注浆材料与参数对比分析

将超前深孔注浆与帷幕注浆所用材料及注浆参数进行对比,具体见表1

1)泉李区间注浆方式为超前深孔注浆(后退式分段注浆),长度为13m,开挖10m,预留3m作为下一循环止浆岩盘。初始注浆孔间距400mm,单孔浆液扩散半径为600mm,注水泥-水玻璃双液浆,同时采用水玻璃和磷酸混合液用于堵水和封口,压力控制在0.8~1.5Map

1 超前深孔注浆与帷幕注浆参数对比

Table 1 advanced deep hole grouting and curtain grouting parameters

注浆区间

注浆方式

注浆长度/开挖长度m

钻机孔径/mm

单孔扩散半径/mm

注浆材料

注浆压力/MPa

超前孔注浆

后退式分段注浆

13/10

50

600

水泥-水玻璃、磷酸

0.8~1.5

帷幕注浆

全孔一次注浆与前进式分段注浆结合

14/10

80

1500

地层均匀注硫铝酸盐水泥单液浆,破碎地层注注水泥-水玻璃双液浆

1.0~1.5

2)君西区间采用帷幕注浆施工,注浆范围为轮廓线外3m,每一循环注浆长度14m,开挖长度为10m,预留4m止浆岩盘。孔口直径80mm,单孔扩散半径1500mm,浆液优先采用水灰比为11的单液浆,地层破碎是注水泥-水玻璃双液浆,注浆压力1.0~1.5MPa

3 加固效果及对周边环境影响分析

3.1 地表沉降

7为泉李区间帷幕注浆引起地表沉降历时曲线。由图可知,超前深孔注浆对地层扰动较大,地层隆起明显(约44.9mm)。随着隧道开挖,距掌子面-3DD为隧道洞径)地表出现沉降趋势,-3D~-2D范围内沉降明显,至-2D时沉降趋于稳定。最终沉降量控制在25~35mm

图7

7 超前深孔注浆地表沉降时程曲线

Fig.7 The surface settlement time curve

图8

8 帷幕注浆地表沉降时程曲线

Fig.8 The surface settlement time curve

8为君西区间帷幕注浆引起地表沉降历时曲线图。由图可知,帷幕注浆对地层扰动较小,地层隆起最大约3mm,随着开挖的进行,地表呈沉降趋势。由于隧道所穿地层主要为强风化、中风化花岗岩,松动爆破会导致地层引起部分沉降。

3.2 隧道洞内变形

9为超前深孔注浆引起拱顶沉降、洞内净空收敛时程曲线。

图9

9 超前深孔注浆洞内变形时程曲线

Fig. 9 Advanced deep hole grouting hole deformation curve

在软弱地层条件下,采用深孔注浆进行超前核心土的超前预加固,有效的改善了围岩的强度性质,从而实现了隧道收敛变形的控制。累计拱顶沉降约-16mm,累计净空收敛约10mm。洞内变形控制效果明显;监测断面后长度为两到三个洞泾部分变形趋于稳定。

图10

10 帷幕注浆洞内变形历时曲线

Fig. 10 Heavy curtain grouting hole deformation duration curve

10为帷幕注浆施工洞内拱顶沉降与净空收敛时程曲线。由图可知,帷幕注浆对地层加固效果较好,洞内变形量很小。

4 讨论

对比分析超前深孔注浆与帷幕注浆这两种方案效果可知:对于泉李区间超前深孔注浆,效果较难把握。拱顶与砂层越近,注浆效果越难把握,隧道防水问题越大;施工容易对地层产生隆起,开挖采用松动爆破,会使已加固地层中重新形成部分漏水通道,隧道内渗漏水较多。

对于帷幕注浆,采用全孔一次注浆配合前进式分段注浆可以取得较好效果,跟踪监测表明,洞内变形、地表沉降能控制在有效范围内;注浆效果与工人技术要求较高,在更换了技术熟练的工人之后,注浆效果及注浆效率都得到明显提高;开挖采用松动爆破,使加固地层中重新形成部分漏水通道,对隧道内存在的渗漏水点采用回填注浆取得较好效果。

参考文献

Chen Z G,Wu Y B. The continuous wall of water stop curtain across the shallow water rich sand in tunnel application and analysis of [J]. Industrial Construction, 2010, 40:671-673.

Dang H Z. A tentative analysis on the engineering geological features compact sandy-pebble ground and construction methods in Chengdu metro[J].Modern Tunnelling Technology, 2007, 44(5): 7-11.

Huang J, Zhang D L, Chen L S. In water rich soft ground tunnel construction technology of shallow underground excavation method [J]. Rock and Soil Engineering, 2004, 18 (6): 295-298.

Hong S J,Jiang X W,Wu J. Construction technology for shallow bored tunnel with full cross- section of water- rich in sandy stratum [J]. Building Construction 2010, 32 (10): 1060-1063.

Ji X M, Lü W. Review of research on instability failure mechanism and stability control of tunnel surrounding rock in water-bearing sandy ground[J].Rock and Soil Mechanics,2009,30291-296.

Jiang H, Jiang Y S, Huang M L, et al. Study on soil improvement of TBM’s commencement and arrival in water-rich sand stratum[J]. Applied Mechanics & Materials, 2011, 90-93:2119-2124.

Liu J, Wang H J. The horizontal rotary jet grouting in Suancigou tunnel support in the application of [J]. Shanxi Architecture, 2009, 35 (28): 318-319.

Liu M, Li J. The underground continuous wall through the thick water rich sand slurry trenching technology [J]. Building Science, 2010, 1:77-78.

Pietro L. The design and construction of tunnels using the approach based on the analysis of controlled deformation in rocks and soils [J]. Tunnels & Tunneling International ADECO - RS Approach, 2000, (5): 3-30.

Su X T. Research of tunnel excavation risk and settlement in water-enriched soil layers of Qingdao Metro[D].QingdaoOcean University of China,2012.

Wu J S,Tang H Q,Meng W X,et al.Construction technology of Xiamen Xiang’an subsea tunnel across water-enriched sandy stratum[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(s2):3816-3822.

ZhangJ H, Liang J Z. The horizontal rotary jet grouting pile technology in Guangzhou Metro Line 2 Construction in the application of [J]. Water Transport Engineering, 2002, 8:72-75.

Zhang Y X, Cui J Y. Horizontal rotary jet grouting pile in Chang'an Avenue double heat pipe application [J]. West China Exploration Engineering, 2004, 10:4-5.

Zhu X H,ShiL,Ma Y Q.Application of medium-depth bore grouting technology in subsurface-excavation shallow tunneling in water-rich saturate sand stratum[J]. Railway Standard Design, 2005(4):56-58.

Zhang X D.Construction technology of earth pressure balance shield in watery sandy stratum[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2009, 31(9):1445-1449.

陈志国,吴毅彬.连续墙止水帷幕在海底隧道穿越浅滩富水砂层段的应用及分析[J].工业建筑,2010,40:671-673.

党红章.成都地铁密实砂卵石地层工程地质特性及施工方法浅析[J]. 现代隧道技术, 2007, 44(5): 7-11.

黄俊,张顶立,陈来生.富水软弱地层地铁隧道浅埋暗挖施工技术[J].岩土工程技术,2004,18(6):295-298.

洪三金,蒋学文,邬疆.全断面富水砂层浅埋暗挖隧道施工技术[J].建筑施工,2010,32(10):1060-1063.

吉小明,吕纬.含水砂层隧道围岩失稳破坏机制及控制研究现状综述[J].岩土力学,2009,30:291-296.

刘娟,王海江.水平旋喷在酸刺沟隧道拱顶支护中应用[J].山西建筑,2009,35(28):318-319.

刘敏,李剑.地下连续墙穿越超厚富水砂层的泥浆护壁成槽技术[J].建筑科学,2010,1:77-78.

苏秀婷.青岛地铁富水砂层隧道开挖施工风险与变形规律研究[D].青岛:中国海洋大学,2012.

吴生金,唐和青,孟维孝,.厦门翔安海底隧道穿越富水砂层施工技术[J].岩石力学与工程学报,2007, 26(s2):3816-3822.

张建华,梁杰忠.水平旋喷桩工艺在广州地铁2号线工程施工中的应用[J].水运工程,2002,8:72-75.

张云星,崔江余.水平旋喷桩在长安街复线热力管线中的应用[J].西部探矿工程,2004,10:4-5.

朱新华,石雷,马义庆.中深孔注浆技术在饱和富水砂层浅埋暗挖地道中的应用[J].铁道标准设计,2005(4):56-58.

张旭东.土压平衡盾构穿越富水砂层施工技术探讨[J]. 岩土工程学报, 2009, 31(9):1445-1449.

 



[1]收稿日期:;收到修改稿日期:.

基金项目:

第一作者简介:司小东(1987-),男,学士,高级工程师,主要从事城市轨道交通工程施工及安全风险管理研究.Email530205461@qq.com


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  • jiajialing发表于 12月14日 20:59这家伙很懒,没有个性签名!
  • 87年就高工啊,他们做管线调查做的很好
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  • 岩土木子发表于 12月06日 14:29这家伙很懒,没有个性签名!
  • 87年的就高级工程师了?
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司小东

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