地铁暗挖隧道穿越地裂缝和建筑施工技术

地铁暗挖隧道穿越地裂缝和建筑施工技术摘要：以西安地铁一号线太吉暗挖隧道区间在地裂缝区域穿越建筑物为例，介绍在地裂缝特殊地质条件下，下穿建设年代较远的建筑物，通过暗挖工法选择，采用浅埋暗挖CRD工法及其辅助措施的条件下控制建筑物沉降变形的施工技术。以期相同或相近工况条件下对地铁建设起到借鉴作用。关键词：地铁地裂缝CRD工法建筑物沉降前言：目前随着盾构施工工法在国内地铁建设中的广泛应用，浅埋暗挖法在地铁隧道施工中逐渐减少，但是由于受到建设条件的限制，局部仍在采用。特别是在西安地铁建设过程中由于地裂缝的存在隧道采用浅埋暗挖法（矿山法）施工不可避免。施工中降水、暗挖施工对土体的扰动以及水土流失将造成地面沉降、加上地裂缝活动等引起地面沉降，沉降过大将直接危及地面建筑物，产生施工安全风险和环境风险，如何采取设计、施工技术措施控制沉降是矿山法隧道施工的关键点也是防止上部建筑物变形的基础。1、工程概况：西安地铁3号线太白南路～吉祥村区间隧道，采用矿山法施工。区间YDK19+865~YDK20+050先后穿越区探矿机械厂混3层和中交二公局两栋混4层房屋建筑；区间YDK19+881~YDK19+971为f7地裂缝范围。此段历程范围区间隧道和上部建筑物位于f7地裂缝强烈影响区。暗挖隧道与建筑物、地裂缝关系见图1。探矿机械厂三层商铺中交二公局四层家属楼图1：暗挖隧道与建筑物、地裂缝关系:根据详勘地质剖面显示本区段自上而下的地层为：素填土、新黄土、古壤土、中砂、粉质粘土，其中中砂层埋深13.20米至15.70米。该区段隧道暗挖初期支护拱顶埋深约14.4米，开挖断面主要位于砂层和粉质粘土层内。本区段水文地质：场地内地下水属潜水类型，稳定水位埋深9.69m-12.60m。本区段因设置减震道床和预留地裂缝沉降变形隧道初支开挖为马蹄形断面，最大尺寸8333mm×8020mm；初支格栅间距500mm，喷射C20混凝土厚度250mm。洞外降水，降水井打设深度40m，降水深度30m。2、沉降产生因素及对建筑物影响分析：（1）施工降水引起的沉降：暗挖隧道在施工前期和施工过程中存在井点降水的主动降水过程和开挖以及初期支护完成后的洞内渗漏的别动降水工程且降水周期较长一般在4个月以上，施工降水期间含水层失水压缩变形和粘土层失水固结引起的地表沉降。通过监测数据分析降水引起的沉降一般较小，且均匀缓慢，对建筑物影响较小。（2）特殊地质条件下引起的沉降：地裂缝具有统一的三维空间变形特征。即南倾南降的垂直位移、水平引张和水平扭动。多年来由于西安市近郊区过量抽汲地下水，致使承压水位大幅度下降，导致地层释水压密，引发了大面积地面沉降。由于地裂缝两侧粘性土层厚度差异与土体松动破裂程度不同，使地裂缝两侧释水压密变形沉降程度不同，进而加剧了地裂缝的垂向活动。本区域通过监测地裂缝活动趋缓，沉降较大但总体为均匀沉降对建筑物变形短期影响较小。（3）矿山法施工引起的土体位移应力损失产生的地面沉降：暗挖施工过程中洞内土体移除、土层空隙水排出、砂层开挖可能形成的塌方等，必然会改变地层的应力状态，使之处于非平衡状体，这种状态可能在一定时间内体现出来导致地面沉降。此原因产生的沉降一般为非均匀沉降、沉降值控制不易对建筑物变形影响较大。为使地表沉降变形得到控制，保证建筑物安全不允许地表沉降超过建筑物许可变形值，必须选取最佳的支护方式、地层加固措施、施工降水控制措施以及施工工序之间的及时有效衔接。3、暗挖隧道沉降控制的关键要素：如何控制沉降是暗挖隧道的施工难点和关键点，只有有效的控制沉降才能确保施工安全。矿山法隧道施工过程中土体固结、土体位移是引起地面沉降的主要因素，保持或加强原有地层的稳定性是控制沉降的基础，对开挖中渗漏水的控制和防止掌子面塌方是成败的关键。地面沉降控制必须从支护设计和施工质量控制两个方面考虑，并应根据现场实际不断优化、调整来实现。在设计方面应考虑降水方案、初期支护形式、超前加固措施、开挖方式；在施工控制中应控制掌子面与封闭环的间距、初期支护的及时性和质量、初期支护背后注浆的及时性和有效性、以及二衬施工的时间安排。4、穿越建筑物区段设计、施工方案的选择：（1）建筑物情况及控制要求：西安机械探矿厂3层商铺楼和中交二公局家属区4层住宅楼，两栋建筑物修建于上世纪六、七十年代，均为砖混结构、条形浅埋基础，结构刚度和抗变形能力差，结构健康程度差。本区间建筑物要求累计沉降量报警值为20mm。（2）相邻区段已完工程不同设计、施工方案产生地面沉降监测对比分析：通过对不同开挖施工方法和加固措施的已完工程监测数据收集和整理，主要断面的沉降值如下：1）、采用全断面WSS注浆止水加固、台阶法开挖：地下水丰富地段，注浆压力0.4-0.7MPa，地表沉降值累计-23.8mm；2）、采用大管棚超前支护、CRD法开挖，地裂缝位置，监测断面最大沉降值为-62.3mm；测点差异沉降-30.7mm；3）、采用小导管超前注浆加固、台阶法开挖，非地裂缝位置、土层含水量较小，监测断面最大沉降值为-39.3mm；测点差异沉降-28.7mm；通过监测数据对比采取超前注浆加固措施能够有效控制地面沉降。（3）洞体开挖方案优缺点分析：方案优缺点分析方案优点缺点方案一台阶法+小导管注浆1、施工方法简单，有利于提高施工进度；2、能够有效的控制地面沉降。1.当暗挖区间上部存在建筑物时，对沉降要求较高，无法确保建筑物安全。方案二CRD+大管棚注浆1、能够较好好的控制沉降；2、大管棚一次施工可达40m，有利于提高施工进度。1、当暗挖区间上部存在建筑物时，同时地质条件恶劣时，无法确保建筑物安全；2、CRD开挖施工工序较多，对施工水平要求较高，对施工工期也有一定影响。方案优点缺点方案三洞内全断面WSS注浆+CRD施工1、洞内注浆对掌子面附近的土体加固范围较大，对建筑沉降控制效果尤为显著；2、WSS注浆完成后，会在隧道外围形成一个闭合圈，对隧道止水和沉降都非常有利。1、CRD开挖施工工序较多，对施工水平要求较高，对施工工期也有一定影响；2、因注浆范围较大，成本花费较高。3、可减少降水时间，同时可有效封闭地下水通道间隙减少地下水流失。（4）方案确定：通过对建筑结构可抵抗变形能力、不同方案对地面沉降的影响、施工安全性、施工工期和经济性分析结合西安地铁的施工经验，经过专家论证确定采用洞内全断面WSS注浆加固、CRD工法开挖施工的穿越建筑物施工方案。5、施工参数选择及方案实施控制：（1）建筑物沉降监测点布设及监测频率：1)满足国家水准二等精度要求,每个测点的测站高差中误差不大于0.5mm。所用仪器经检验满足规范要求。2）周边建（构）筑物沉降监测点设置:建筑四周、沿外墙每10m-15m处或每个根柱基上，且每侧不少于三个检测点,离地面不得小于20㎝，且避开雨水管、窗台线、电路开关等有碍设标与观测的障碍物，并应视立尺需要离开墙（柱）面一定距离；不同地基或基础的分界处；变形缝、抗震缝或严重开裂处的两侧。3）沉降监测工作基点埋设后根据监测点的分布情况，首先沿监测点规划一条水准线路，采用闭合水准路线，观测时应满足变形监测路线固定、仪器固定、人员固定的“三定”要求。4）依据水准控制线路，观测周围的各建（构）筑物沉降点、支撑立柱沉降点、采用闭合水准线路测量各沉降点高程。为保证高程基点的可靠性，每次观测前应对基准点进行检测，并作出分析判断，以保证观测成果的可靠性。5）建筑物倾斜观测的方法是通过测量建筑物基础相对沉陷的方法来确定建筑物的倾斜，利用沉降观测数据进行建筑物倾斜计算。6）在掌子面开挖前的降水期每天监测一次，开挖期间每天不少于2次。建筑物监测点布置图（2）WSS洞内注浆加固参数的选择：根据地质详勘报告和相邻施工段实际揭示的地层情况，本区段砂层透镜体较厚，且位于隧道开挖面中上部，层间含水量较大，为保证掌子面稳定，请采用全断面注浆加固。为保证注浆止水和加固效果在下穿建筑物前施做试验段，根据试验确定注浆参数。1）注浆长度每10m一循环，打设时最外侧三排间距为1.0m沿开挖面轮廓环向布置，按照14°、12°、9°外插角施做，加固开挖轮廓线外2m范围内的土体，其余垂直打设间距为1m*1m梅花型布置，搭接长度2m。2）、注浆管采用DN52的PVC管和∮18镀锌管作注浆内管，长度10m，注浆扩散半径按照0.5m预测。3）、注浆压力严格控制在0.8-1.0MPa；每立方土体注浆量为36立方米至42立方米。4）、注浆采用水泥水玻璃浆液，体积比为1:1，水玻璃浓度为35Be,水泥浆水灰比采用1:1。5）、注浆顺序由外向内，并间隔注浆，严格控制注浆压力和注浆量，过程中采取双控措施。注浆完成后封堵注浆孔，保证注入的浆液不跑不溢。（3）掌子面开挖施工过程控制：CRD法施工应遵循“管超前、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则进行。各台阶断面开挖均预留核心土，以发挥掌子面的三维支撑作用。台阶长度控制在2-3米，严格控制上下台阶之间的距离，施工中做到快封闭、早成环。再上台阶开挖时切实做好拱架拱脚处理，保证锁脚锚管的打设深度和注浆质量。隧道左右线对于工作面的施工纵向间距保证在30m以上，开挖面不得欠挖，超挖时用C25混凝土回填，做好施工安排保证各分布各台阶的监督协调；严格控制每循环进尺长度在0.5m以内。及时对初支背后进行回填注浆，填充初支背后出现的空隙。6、效果分析：通过施工监测数据分析，除去因地裂缝原因产生的区域性沉降因素，前期降水产生的建筑物沉降大约在6mm，开挖阶段产生的沉降为接近14mm，两者累加不超过20mm,探矿机械厂最大不均匀沉降为8.5mm，达到了控制要求。通过对楼体的直接观察和专业房屋鉴定机构在施工前和施工后的鉴定建筑物的变形不大，施工过程对建筑物影响较小。探矿机械厂三层商铺沉降历时曲线图中交二公局家属楼沉降历时曲线图7结束语：矿山法地铁隧道施工地面沉降控制是施工难点和关键点，必须从设计、施工等各个环节采取有效措施才能有效控制地面沉降，防止建筑物安全事故的发生，采取全断面注浆止水加固和合理的开挖方式是控制沉降的有效措施。在施工中必须遵循“严治水、超前探、管超前、短开挖、严注浆、强支护、快封闭、勤测量”的原则。参考文献:1、王梦恕，隧道工程浅埋暗挖法施工要求点【J】，隧道建设，2006年10月2、范增国、冯超等，WSS工法注浆止水在富水黄土隧道中的应用【J】城市轨道交通，2011-3