地铁暗挖隧道塌陷原因分析及处理措施研究
随着我国经济的增长，城市轨道交通建设得到了飞速的发展， 同时，在地铁工程建设中，相关的地下工程也不断增多；暗挖隧道工程对周边环境均有不同程度的影响,特别是地表塌陷、邻近固有建(构)筑物的变形开裂现象频繁出现。如何有效的进行技术防范和抢险处理显得非常重要。地铁暗挖隧道 地表塌陷 注浆加固对策
1工程地质及水文地质
某城市地铁区间隧道位于主干道下方, 交通繁忙,车流量大。隧道上方覆土厚10. 0~ 11. 0m, 隧道通过围岩主要有中砂、圆砾、砾(砂)质黏性土、砾(砂)质黏性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩6种地层。本区间范围地下水主要有四系孔隙水、基岩裂隙水。四系孔隙潜水主要赋存于冲洪积砂层及沿线砂(砾)质黏土层中, 地下水位埋深2. 6~ 5. 3m, 以孔隙潜水为主,主要由大气降水补给。岩层裂隙水较发育, 但广泛分布在花岗岩的中，强风化带及构造节理裂隙密集带中, 主要由大气降水、孔隙潜水补给, 局部具有承压性。隧道上方主要有电力管沟、污水管、给水管、雨水箱涵、通信管道等管线。本区间采用矿山法暗挖施工。
2 隧道地表塌陷概况
2009年6月15日21: 05, 暗挖隧道右线上台阶正在进行拱部喷混凝土作业。下台阶( ydk 11+ 525)进行仰拱开挖时, 突然下台阶右侧侧墙脚涌水涌砂。施工单位采取应急措施进行处理, 并派人在涌水点对地表进行观察。由于涌水量大, 难以控制, 16日5:30地面坍塌形成宽约11m、长约14m、深约6m的深坑。隧道上方dn800污水管断裂, 污水不断流入陷坑内, φ 400给水管线和11 kv 高压电力电缆悬空。隧道内涌水量约2 600m3、涌泥量约450m3。隧道ydk11+ 525处上台阶2 榀钢架严重变形, 下台阶4榀钢架变形, 上台阶及下台阶洞内现状见图1, 2。
3险情控制
险情发生后, 施工单位本着“防止险情扩大、预防次生灾害的发生”来进行抢险工作。
1)污水管截流。污水管破裂后大量污水灌入隧道会引起塌陷范围的进一步扩大, 为此, 在上下游采用沙袋封堵, 切断污水来源。并采用污水泵将污水临时导排至其附近的雨水管网中, 确保污水不再渗流入隧道。
2)塌坑回填。在污水管截流后立即用砂袋、加气砖和混凝土进行塌坑回填。考虑到后期管线恢复的便利, 混凝土回填灌注高度至污水管底部, 最后地面剩余宽约11m、长约14m、深约3m 的基坑。
3)塌坑周护。在回填混凝土达到一定强度后, 对基坑边采取了挂网喷混凝土(厚10 cm )防护, 防止基坑两侧的土体垮塌。并在陷坑周边修筑30 cm高的挡墙, 防止雨水回灌入塌坑内。
4)管线处理。对悬空的电力管线, 采用2排28m长军便梁进行悬吊保护。军便梁两端架设在塌坑两侧原电力管沟稳固的位置上, 对其进行悬吊保护; 用加气砖垫至dn400的给水管线底部, 并用砂袋填充给水管与加气砖之间的缝隙, 防止给水管下坠断裂。
5)接通污水管。将污水重新引入活水管中, 防止污水对雨水管网产生严重性的污染。
6)加强地表监测。基坑周边10m范围内加密地表沉降观测点, 并加强周边建筑物的沉降观测。
4 地表塌陷原因分析
地表塌陷的原因可归纳为主观施工因素和客观外部管线因素。
4. 1 施工因素
1)隧道开挖引起地层沉降值过大
本隧道采用台阶法施工, 涌水点位置距上台阶掌子面距离为8. 5m, 上台阶开挖时涌水点前后5m范围的对应地表沉降值达50 ~ 85mm, 已远**过设计控制值30mm。隧道上方土层已产生不均匀沉降, 污水管底部垫层也会随土层下沉而产生不均匀沉降, 造成污水管相连的承插口逐步脱离, 污水不断渗入隧道上方土体中, 形成水囊, 隧道开挖时, 使岩壁安全墙厚度减弱, 地层中的水通过薄弱缝隙渗入隧道, 地层的逐渐损失导致缝隙扩大, 从而产生了涌水涌泥险情。
2)隧道**前预注浆工艺不达标
原设计洞内采用全断面深孔注浆(每循环20m )进行**前预加固, 注浆加固范围: 隧道开挖轮廓线外3m(拱部和边墙)、1. 5m(仰拱) , 而现场施工中, 因下台阶注浆布孔数量不足、注浆压力偏小, 边墙和仰拱部位未达到加固效果, 没有形成足够的安全墙厚度, 为带压
水囊外涌创造了有利条件。
4. 2 客观因素
地下管沟多为20世纪80年代所施工, 管沟已陈旧, 污水管为承插式预制混凝土管, 接缝不严, 且受地层不均匀沉降脱口; 电力管沟为素混凝土结构, 底板厚仅10 cm, 断裂。
3 坍塌部位横断面
据以析, 地表塌陷的原因为: 由于隧道上方管线陈旧, 隧道上台阶开挖引起地层沉降过大, 污水管受地层沉降变形开裂, 污水逐渐渗入隧道上方地层中而形成水囊, 下台阶施工时由于**前注浆未达要求,周边土体加固效果不好, 行成通道后造成压力水携带土体涌入隧道, 水土流失过多, 从而造成地表塌陷。坍塌部位横
5洞内外处理技术
按照“先洞内、后洞外”的处理原则, 初期支护加固——上台阶掌子面封闭——坍体加固——地表注浆加固——洞内径向补充注浆——换拱——临时支撑拆除——管线及道路恢复施工的总体实施方案。
5. 1 初期支护加固
1)加固范围。上台阶掌子面后退32m范围, 下台阶涌水点后退约15m范围。
2)加固方法。上台阶采用i 18工字钢临时横撑+100 cm ×100 cm 的方木扇形支撑体系。扇形支撑底梁在原有临时仰拱上加设i 18工字钢与原初支格栅钢架连接。扇形支撑纵向间距1m (对应隧道初支钢架设置)。下台阶采用一排中间竖向φ 100钢管支撑, 竖向钢管撑尽量与上台阶竖向木撑在同一断面。支撑布置形式见图4, 5所示。
4 隧道初期支护加固纵断面
5 隧道初期支护加固横断面
5. 2 上台阶掌子面封闭上台阶掌子面土上方采用i 16工字钢横向与初支钢架相连, 两侧拱脚部分用φ 28钢筋斜向与格栅钢架和i 16工钢横撑连接, 挂φ 8@ 150 cm ×150 cm钢筋网并喷射200mm厚c20混凝土。土部分直接挂φ 8@ 150 cm ×150 cm 钢筋网并喷射200mm 厚c20混凝土封闭。
5. 3 坍体分割与加固
1)下台阶坍体竖向分割封堵
下台阶ydk 11+ 520处凿除上台阶临时仰拱钢架间喷射混凝土, 通过临时仰拱间孔隙从上向下打设间距30 cmφ42钢花管, 并与临时仰拱焊接作为挡板, 在钢花管填设砂袋, 对钢花管进行压注普通水泥浆,固结其周边软弱土体, 以形成封堵墙。
2)对坍体进行注浆加固
对上台阶坍体下部采用砂袋反压堆砌, 并对整个坍体表面采用网喷混凝土封闭( 300mm 厚c20混凝土+ φ 8@ 100 cm ×100 cm 钢筋网片) , 然后从上台阶斜插打设2~ 6m 长φ 42钢花管(见图6) , 采用间隔注浆方式对坍体进行注浆加固, 注浆压力以塌体上表面不冒浆为准, 注浆材料采用双液浆。
6 坍体封闭注浆加固
5. 4 地表注浆加固为了确保回填料及滑移面以外土体的稳定, 坍塌体内不留空洞, 在洞内坍体注浆加固后, 对地表陷坑及周边土体进行注浆加固, 减少洞内处理的风险, 防止后期灾害的发生。
1)加固范围及孔位布置
地表注浆加固主要是加固坍穴回填区以下的坍塌体及坍穴滑移面以外的土体。平面加固范围为坍陷坑及滑移面以外2m; 竖向加固范围为右线隧道拱上方及隧道周边仰拱下2m。注浆孔坍穴内布置2排, 坍穴周边布置2排, 环向间距1. 5m, 排距1. 0m。
2)加固方法及工艺参数
主要采用灌浆填充和袖阀管注浆2种方式。
灌浆填充。在坍穴素混凝土回填时, 已经预留了3根φ 108钢管作为灌浆孔, 采用砂浆泵泥砂浆。水泥砂浆常用的质量配比为水︰水泥︰砂=( 0. 5~ 0. 6)︰ 1︰ 0. 3, 砂粒粒径一般不大于0. 5mm。注浆压力可控制在0. 3~ 0. 5mpa。
袖阀管注浆。袖阀管注浆加固采用地质钻直径为90~ 110mm, 孔下袖阀管后退式注浆。注浆顺序为由外向里, 先周边后坑内。注浆材料为水泥- 水玻璃双液浆, 浆液凝结时间控制在35~ 40 s, 注浆压力控制在0. 8~ 1. 5mpa。
5. 5 洞内清淤
在洞内加固及地面深孔注浆加固结束后开始进行洞内淤泥清理, 由外向内依次清理右线、左线。
5. 6 洞内径向补充注浆
由于地表坍塌可能对坍塌前后范围隧道周边原状土扰动, 同时地表注浆可能存在盲区, 为确保隧道换拱施工安全, 需通过洞内径向注浆对隧道开挖轮廓线外3m范围补充加固。
1)加固范围
出水点后退5m至掌子面。
2)设计参数
沿隧道环向设置φ42 注浆锚管, 锚管长3m,间距为0. 8m ( 纵向) × 1m (环向) , 受洞内空间影响, 锚管位置可适当调整, 但总体布置密度应予。注浆材料选用单液水泥浆, w︰c = ( 0. 8~ 1)︰ 1, 掺加0. 5% 的磷酸氢二钠减水剂。
3)施工工艺
注浆锚管采用yt - 28 手持式风动凿岩机成孔,人工推送或风镐进锚管入孔。注浆顺序一般先上后下, 再中间, 以间隔对称注浆为宜, 注浆压力控制在1. 5mpa以下。注浆过程中要随时巡查初期支护结构与临时支撑, 同时加强隧道监测, 确保结构的稳定性。
5. 7 换拱
换拱应遵循“先上后下、逐榀换”的原则。
1)上台阶换拱。上台阶坍体清除完后, 开始逐步割除已变形的2榀格栅钢架, 开挖顺序由拱脚向上开挖, 每开挖垂直高度1m, 挂网初喷以后才能继续开挖。侵限部分凿除完成后开始换拱, 拱架连接筋要焊接牢固, 新换拱架拱脚处要打入3根3m 长的锁脚锚管, 打入角度为水平向下450 , 拱架架设完后及时进行喷混凝土, 喷混凝土完成以后恢复上台阶临时仰拱。
2)下台阶换拱。下台阶换拱主要是换已变形的4榀钢架, 换方法与上台阶基本一致。
3)上下台阶换拱完成后即开始仰拱开挖施作仰拱格栅, 并喷混凝土及时封闭。
5. 8 临时支撑拆除
洞内临时支撑拆除应遵循“先支后拆, 先上后下”的原则, 从两端向中间进行拆除, 拆除速度根据初支变形的观测结果是以不大于3~ 5m /d为宜。上台阶拆除后未出现异常即可对下台阶临时竖撑进行拆除。
5. 9 管线及道路恢复
污水管在原位接通后恢复排污。修筑好电力管沟后拆除原悬吊电力管线的军便梁, 使高压电缆复位。道路恢复分期进行, 首先恢复车行道, 然后是人行道。
6 结论与讨论
城市暗挖隧道施工环境复杂, 施工中应本着“严查、严测、严控、严防”的“四严”指导思想进行施工。
1)严格进行地表管线及建(构)物调查
施工前应对隧道上方及附近管线和建(构)物进行调查, 摸清其位置、埋深、材质、产权单位、建设年代等。针对每种管线、每个建(构)物因施工引起变形而产生的风险进行充分评估。
2)严格进行监控量测
监控量测点应按规范要求布置, 对每一风险点都不能遗漏, 量测数据要真实并及时反馈。技术管理人员要及时掌握监测数据的变化情况, 做到及时分析原因, 加强施工措施, 建立良好的反馈机制。
3)严控施工工艺
施工工艺是否达标是施工安全控制的关键点, 施工中应加强**前预注浆和开挖支护工艺控制, 做到预注浆未达到效果不开挖, 开挖一榀支护一榀, 及时封闭成环。
4)严格落实应急预案
建立应急预防制度后应严格落实到位, 应急指挥、联络、物质、救援等措施都要时刻体现在施工现场, 不能只重视演练而不重视落实。
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