暗挖工程超前支護及注漿加固技術摘 要:超前支護及注漿加固是暗挖工程施工中非常關鍵的環節,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～蒲黃榆站區間、蒲黃榆車站)、03標(蒲黃榆站～天壇東門站區間、天壇東門站)、04標(天壇東門站～磁器口站區間、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構,天壇東門站采用23.87m寬大跨度三拱兩柱雙層暗挖結構,磁器口站采用21.87m寬大跨度三拱兩柱雙層暗挖結構,崇文門站采用24.2m寬大跨度三拱兩柱雙層暗挖結構,車站覆土厚度4～9m;區間采用5.8m×6.3m馬蹄形斷面結構,區間覆土厚度12～15m。 車站開挖采用中洞法分塊開挖,區間采用上下臺階法開挖。工程經過地層包括粉質粘土、粉細砂、中粗砂、砂卵石層。由于暗挖工程均處于鬧市區,沉降控制非常關鍵。2 超前支護及注漿加固技術2.1 現場實施情況2.1.1 超前地質探測 全線暗挖車站及區間開挖施工過程中為提前探測前方地質及滲水情況,均進行超前地質探測。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 舉例:單根長146mФ114mm超前長管棚。(1)設計參數。 02標段超前長管棚沿蒲黃榆車站拱部環向布置,環向間距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合部往東北結合部一次性施做導向孔,從東北往東南回擴孔拖管,鋼管單節長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)使用設備、儀器。 超前長管棚施工主要設備、儀器:FDP-15D水平定向鉆機、ECLIPSE無線導向系統和地磁地下定位系統、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,導向孔鉆進采用無線導向系統時必須在晚間23點到第二天7點之間;施工速度根據地層及管棚埋深不同施工效率不同。 當管棚埋深在10m內,采用無線導向系統時,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:東南車站結合部往東北車站結合部,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。 施工管棚設計注漿數量2.9m3,實際注漿數量基本在3.5m3左右。2.3超前導管施工 超前小導管設置在車站、風道、區間、出入口通道拱部,區間拱部超前小導管單根長L=3m,其余拱部超前小導管單根長L=2.5m。(1)工藝流程(見圖2)。 首先按設計測量定位,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長小導管施工一根需6min,區間3m長小導管施工需7min。 壓注一根小導管需6min。(4)管的布設參數。 車站超前小導管沿起拱線上按0.3m間距環向布置,每環104根;縱向每兩榀鋼架布設一排,即每排小導管縱向間距1m。 風道、出入口、通道沿拱部120°范圍環向按0.3m間距布置,風道拱部每環43根,結合部每環37根,縱向每兩榀鋼架布設一排,即每排小導管縱向間距1m。 區間在拱部環向按0.3m間距布置,每環25根,縱向每兩榀鋼架布設一排,即每排小導管縱向間距1.5m。小導管采用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)小導管注漿。 區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。 拱部小導管注漿完成后,在拱部形成一個固結保護層,延長圍巖自穩時間。保證下一循環開挖支護施工過程中不出現坍塌,使圍巖自穩時間在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,保證在開挖時不發生坍塌,延長圍巖自穩能力。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)管布設參數。 拱背回填注漿管采用Ф32×3.25mm鋼管,鋼管深入初期支護背后。 區間每環設3根,L=0.5m,縱向間距6m,梅花型布置。 風道每環設7根,L=0.6m,縱向間距1m,拱部3根,兩側各2根。 結合部每環設9根,L=0.6m,縱向間距1m,拱部3根,兩側各3根。 車站每環設6根,L=0.9m,縱向間距1m。 出入口及通道設5根,L=0.6m,縱向間距3m,拱部1根,兩側各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)現場地質探測布孔不規范,不能充分反映前方地質情況;對前方地質定性分析不足,不能充分指導后續施工。 (2)管棚注漿工藝落后,漿液擴散情況差,砂層中易發生溜空現象;傳統施作管棚的方式精度較差,單次施作長度太短,設備對現場環境要求高,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,小導管的仰角普遍過大,小導管的作用發揮不充分;現場動態管理不夠理想,超前支護不能因地質情況的改變而改變,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)注漿管的布設缺乏統一標準;現場回填注漿存在不夠及時的現象;注漿壓力無統一標準,個別注漿壓力過高,易造成結構破壞。3.2 建議 (1)從現場實際情況看來,對于北京這種地質情況,采用洛陽鏟進行超前地質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,對于受力情況復雜部位,通過重要建構筑物時,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性;2推廣應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從經濟角度考慮,150mm以上的大管棚應慎用,150mm以下的管棚,其成本較為適中,可廣泛采用。(3)超前導管。各標施作小導管情況基本相同,小導管各項指標建議如下:1小導管宜采用Ф32×3.25mm鋼管; 2拱部小導管布置間距通常為環向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,并在管口設止漿塞;5超前導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管,或改為施作鋼釬;8對于北京的地質情況,采用煤電鉆和吹管施作小導管是合適的選擇。(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回填注漿壓力不應太大,應控制在0.2～0.3MPa左右;5拱背回填注漿應及時,當初期支護成環3～5m時,就應進行第一次拱背回填注漿,同時應結合監測資料確定二次注漿時間;6拱背回填注漿應反復進行,二次注漿必須重新打設注漿管;7回填注漿管的布設可考慮縱向間距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 舉例:單根長146mФ114mm超前長管棚。(1)設計參數。 02標段超前長管棚沿蒲黃榆車站拱部環向布置,環向間距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合部往東北結合部一次性施做導向孔,從東北往東南回擴孔拖管,鋼管單節長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)使用設備、儀器。 超前長管棚施工主要設備、儀器:FDP-15D水平定向鉆機、ECLIPSE無線導向系統和地磁地下定位系統、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,導向孔鉆進采用無線導向系統時必須在晚間23點到第二天7點之間;施工速度根據地層及管棚埋深不同施工效率不同。 當管棚埋深在10m內,采用無線導向系統時,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:東南車站結合部往東北車站結合部,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。 施工管棚設計注漿數量2.9m3,實際注漿數量基本在3.5m3左右。2.3超前導管施工 超前小導管設置在車站、風道、區間、出入口通道拱部,區間拱部超前小導管單根長L=3m,其余拱部超前小導管單根長L=2.5m。(1)工藝流程(見圖2)。 首先按設計測量定位,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長小導管施工一根需6min,區間3m長小導管施工需7min。 壓注一根小導管需6min。(4)管的布設參數。 車站超前小導管沿起拱線上按0.3m間距環向布置,每環104根;縱向每兩榀鋼架布設一排,即每排小導管縱向間距1m。 風道、出入口、通道沿拱部120°范圍環向按0.3m間距布置,風道拱部每環43根,結合部每環37根,縱向每兩榀鋼架布設一排,即每排小導管縱向間距1m。 區間在拱部環向按0.3m間距布置,每環25根,縱向每兩榀鋼架布設一排,即每排小導管縱向間距1.5m。小導管采用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)小導管注漿。 區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。 拱部小導管注漿完成后,在拱部形成一個固結保護層,延長圍巖自穩時間。保證下一循環開挖支護施工過程中不出現坍塌,使圍巖自穩時間在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,保證在開挖時不發生坍塌,延長圍巖自穩能力。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)管布設參數。 拱背回填注漿管采用Ф32×3.25mm鋼管,鋼管深入初期支護背后。 區間每環設3根,L=0.5m,縱向間距6m,梅花型布置。 風道每環設7根,L=0.6m,縱向間距1m,拱部3根,兩側各2根。 結合部每環設9根,L=0.6m,縱向間距1m,拱部3根,兩側各3根。 車站每環設6根,L=0.9m,縱向間距1m。 出入口及通道設5根,L=0.6m,縱向間距3m,拱部1根,兩側各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)現場地質探測布孔不規范,不能充分反映前方地質情況;對前方地質定性分析不足,不能充分指導后續施工。 (2)管棚注漿工藝落后,漿液擴散情況差,砂層中易發生溜空現象;傳統施作管棚的方式精度較差,單次施作長度太短,設備對現場環境要求高,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,小導管的仰角普遍過大,小導管的作用發揮不充分;現場動態管理不夠理想,超前支護不能因地質情況的改變而改變,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)注漿管的布設缺乏統一標準;現場回填注漿存在不夠及時的現象;注漿壓力無統一標準,個別注漿壓力過高,易造成結構破壞。3.2 建議 (1)從現場實際情況看來,對于北京這種地質情況,采用洛陽鏟進行超前地質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,對于受力情況復雜部位,通過重要建構筑物時,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性;2推廣應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從經濟角度考慮,150mm以上的大管棚應慎用,150mm以下的管棚,其成本較為適中,可廣泛采用。(3)超前導管。各標施作小導管情況基本相同,小導管各項指標建議如下:1小導管宜采用Ф32×3.25mm鋼管; 2拱部小導管布置間距通常為環向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,并在管口設止漿塞;5超前導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管,或改為施作鋼釬;8對于北京的地質情況,采用煤電鉆和吹管施作小導管是合適的選擇。(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回填注漿壓力不應太大,應控制在0.2～0.3MPa左右;5拱背回填注漿應及時,當初期支護成環3～5m時,就應進行第一次拱背回填注漿,同時應結合監測資料確定二次注漿時間;6拱背回填注漿應反復進行,二次注漿必須重新打設注漿管;7回填注漿管的布設可考慮縱向間距3m左右,梅花形布置。