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1、人民北路4b出入口通道工程浅埋暗挖加固措施方案一、编制依据1、成都地铁1号线一期工程人民北路站4b出入口通道工程施工合同2、成都地铁1号线一期工程人民北路站4b出入口通道工程施工招标文件3、成都地铁1号线一期工程人民北路站4b出入口通道工程施工设计图纸4、成都地铁1号线一期工程人民北路站4b出入口通道工程实施性施工组织设计5、成都地铁1号线一期工程人民北路站主体结构施工图6、人民北路站建筑 第二册 附属建筑第一分册 1、4号出入口及1、2号风道施工图7、现场踏勘调查所获得的工程地质、水文地质、当地资源、交通状况及施工环境等调查资料。二、工程概况及现场施工环境2.1 工程简介成都地铁1号线一期工
2、程人民北路站4b出入口通道工程跨过一环，连通成都地铁1号线人民北路结构原4号出入口与万达广场地下一层，同时出地面而增加一出入口。通道北端埋于万达广场下方，增设的的出入口设置在一环路北侧广场以内，南端紧临地矿大厦金麒麟大酒店。通道平面布置与人民北路站接口示意图2.2 设计概况4b出入口通道明挖主体结构设计为单层矩形结构，其中北段明挖段主体结构（万达广场侧）总长123m，暗挖结构62.8m（穿越一环路）,盖挖结构（南段接人民北路站）20米。明挖段通道净宽分别为4.0m、6.0米、3.0米和4.5米（出土竖井处）。暗挖及盖挖段净宽均为6.0米，主通道拱顶3.5米及2.38米处分别有DN1600雨水管
3、及DN800污水管一根。主通道顶板距地面7.3米，采用矩形断面，采用CRD法暗挖施工。即通道暗挖前对通道进行大管棚超前支护，然后分段开挖暗挖土方；各暗挖施工段施工前首先对拟开挖上半断面进行超前小导管护顶（隧道轮廓顶及上半断面轮廓侧向土体）注浆加固。暗挖通道纵断面图2.3 施工环境4b号出入口通道横跨一环路北三段，出地面部分设置于一环路北侧。4b号出入口通道北侧为在建成都金牛万达广场商业综合楼，南侧为金麒麟酒店。4b出入口周边规划为：二类住宅用地，商业用地，公共服务设施用地。为了不影响万达广场的正常营业，本工程围挡范围仅限于结构内，临时加工场地就近外租，施工材料需导运入场。2.4水文地质本区间地
4、下水主要有两种类型：一是是砂卵石层中的孔隙潜水，二是基岩裂隙水。第四系孔隙水主要赋存于全新统（Q4）的卵石土中，具微承压性，卵石层含水丰富，含水层厚度5.0-8.8m。根据成都地区工程经验，场地内卵石土综合含水层渗透系数k取18m/d，为强透水层。本工程主体结构基本位于卵石土中，受地下水影响很大。地质构造图2.4.1地下水动态特征场地内地下水具有埋藏深，季节性变化明显，受降水影响大，水位西北高东南低。成都平原区地下水具有明显季节变化特征，潜水位一般从4、5月开始上升至8月下旬最，高峰出现在7、8月，最低在13月、12月中交替出现，动态曲线上峰谷起伏，动态变化明显，该区地下水埋深枯期24m，洪季
5、1m3m，年变幅1m3m。在本工程详勘阶段，测得地下水位埋深为45米，相当于绝对标高499.45500.45地下水位浅，对降水要求较高。2.4.2不良地质与特殊岩土场地内无不良地质作用，特殊性岩土为杂填土和膨胀土。1）杂填土本工程范围内的杂填土以卵石土和碎石土为主，充填大量建筑垃圾和生活垃圾，连续分布于地表，厚度1.2-2.5m。该层土人为随意性大，均匀性差，多为欠压密土，结构疏松，多具强度较低，压缩性高，受压易变形的特点。2）膨胀土场地范围内的膨胀土为上覆的第四系上更新统冲洪积层的粘土，灰黄色，硬塑，裂隙较发育；具有遇水软化、膨胀、崩解，失水开裂、收缩的特点。该层分布于人工填土之下，在场地内
6、普遍分布，顶面埋深1.2-2.0m，厚度1.0-1.6m。该层地基位于主体范围内，对主体有影响。25工程特点与难点 1)隧道覆跨比小于0.5,为超浅埋隧道,施工中如无应对措施,极易造成地表沉降过大或工作面塌坍。 2)隧道为平顶直墙的矩形断面结构,此种结构形式对控制地表沉降及工作面的安全开挖极为不利。 3)隧道开挖过程中,如何保证上方管线的安全,尤其是确保有压上水管线的安全运行是该工程的关键控制点。 4)隧道上方的2条管线铺设时间较长可能均存在不同程度的渗漏,管线下方为饱和含水软、流塑状地层,地层无任何自稳性,因此,在隧道开挖过程中采取何种地层改良措施防止隧道涌泥、塌方事故,是该工程需要解决的关
7、键难点。 5)一环路为重要的交通干线,重载车辆通过频繁,对隧道初期支护有较大的影响,特别是对未成环结构冲击较大,如何在交通不改道、不限行的情况下保证隧道初期结构的安全,也是该工程的难点之一。2.6 影响沉降的因素分析 依据大量的工程实践以及理论分析1-2,浅埋暗挖法沉降影响因素按对沉降的影响程度大小依次为:隧道拱顶土体性状覆跨比土体渗透性系数穿越土体性状垂直邻近度(与管线、构筑物等的间距)环向超前预加固隧道上覆地层性状分部多导洞法直线型正面超前预加固初支背后注浆质量拱部超前预加固开挖步距分部拆除二衬施作时机跳仓方式正台阶长度二衬一次施作长度水平导洞错距二衬背后注浆质量上下导洞错距。三、加固施工
8、方案3.1自钻式管棚施工施工方法及技术：采用R51N型迈式管棚作为杆体，使用SP50型钻机钻进安装，用SDW型或其它相应泵进行注浆。钻头、管棚杆体、连接套、止浆塞一次性进入土体中构成管棚体。3.1.1.自进式管棚支护参数自进式管棚主要参数表项目编号技术参数施工标准及技术要求1管棚设计长度L=7m2材料材标准R51N型迈式管棚，管内径为51mm、壁厚8mm，全长左旋螺纹。3布设范围J0+29.764 J0+39.764南侧边墙（仰拱底上3.0m至起拱线范围内）。4管棚外插角305方向水平向前6管棚与结构关系螺纹管尾端中心沿结构外轮廓尺寸线施工7环向布设间距500mm8纵向布设间距3m（管线与车站
9、平行时纵向间距）9管节长度2m和3m10施工误差锚管孔距偏差150mm11管节联结方式管棚连接套连接12注浆压力不大于5.0MPa 13浆液类型纯水泥浆，水灰比1：13.1.2.施工工艺流程图R51N型迈式管棚施工工艺流程图见图3所示。施工准备设备就位测量放点设备调试安装管棚及钻头开始钻进停钻接长管棚钻进一节管棚长度继续钻进管棚到位撤掉钻机接通注浆管路及注浆泵注浆至达到设计要求配置浆液下一循环图3 自进式管棚施工流程图3.1.3单根管棚施做及注浆量计算 管棚施做见图4所示，钻机布置示意见图5所示。 图4 单根7m长管棚施做示意图单根7m长管棚注浆量计算： 浆液扩散半径 r=0.45m； 管棚长
10、度 L=7m 砂层孔隙率 a=0.2 注浆量 V=*r2*L*a*k=3.14*0.452*7*0.2=0.86m3共计56根管棚的总注浆量为48.16m3 ，水泥用量为38.53T。受洞内施工空间限制，管棚节长不能超过3m,单根7m长管棚分成两根2m长管节和一根3m长管节施工。. 图5 掌子面钻机布置示意图3.1.4施工方法（1）测量放出管棚位置，同时指导钻机就位。（2）根据自进式管棚直径和长度，采用SP50型钻机钻进。依据每根管棚的中心线及高程及管棚的角度，安装导轨及钻机。（3）安装管棚及钻头：钻机定位完成后，将专用钻头和管棚连接好，并连接好钻机上的风水管。（4）管棚钻进：为了确保管棚的方
11、向、坡度和精度，在进行钻进前，测量人员对管棚位置进行放样，放样完成后，调整好钻机角度开始钻进。（5）管棚接长：7m长的管棚由两节2m和一节3m连接而成。在第一节2m管棚钻到位后，使用迈式管棚专用连接套连接第二节2m长管棚，继续钻进到位后用连接套连接第三节3m长管棚继续完成钻进。（6）撤掉钻机：管棚钻进到位后，锁紧卡钎器，反转钻机，将管棚从钻机连接套卸下，移开钻机。继续钻进安装下根管棚。（7）连接注浆设备开始注浆：在管棚尾部旋转上注浆接头，连接注浆管路及注浆泵，配制浆液（纯水泥浆，水灰比1：1）开始注浆。3.2 TGRM分段前进式超前深孔注浆改良地层 原设计仅采用超前小导管注双液浆的拱部超前预加
12、固措施,但由于拱顶管线渗漏水严重,地层变为流塑状,开挖时掌子面及拱顶多次出现流泥、坍塌,严重影响道路及隧道上方运行管线的安全,因此,依据影响沉降的要素分析,必须对隧道开挖实施环向超前预加固和正面超前预加固措施。 为确保地层改良的效果,决定选择超前深孔注浆对地层进行预加固。深孔注浆依浆液的选择不同有2种方式:分段后退式双液深孔注浆和分段前进式单液深孔注浆。考虑到分段后退式深孔注浆存在:湿式钻孔,必然会加剧地层的劣化程度;双液浆加固地层仅起临时加固作用,水玻璃的离析对控制道路和管线的沉降不利的问题。基于此,决定采用强度更高的TGRM深孔注浆工艺超前预加固隧道前方地层,以保证隧道的开挖安全。3.2.
13、1 加固范围 超前注浆加固范围为:隧道拱顶上方环向超前加固1.5 m,正面超前加固0.5 m,拱顶边角环向超前加固1 m。如图1所示。3.2.3 施工工艺 钻孔布置如图1所示。在钻孔施工过程中先进行外圈A排8个孔钻孔注浆施工;后进行内圈B排9个孔钻孔注浆施工;最后进行C排2个孔施工。每循环累计钻孔数19个,采用间隔钻孔注浆。钻孔施工每循环进尺14 m,后序注浆段均预留4 m已注浆段作为止浆岩盘,循环长度如图2所示。3.2.4 注浆材料 注浆材料采用TGRM水泥基特种灌浆料。设计配比参数(水灰比11)配制浆液进行室内试验,以便在注浆施工中合理使用。试验结果如表1所示。3.2.5 注浆参数(见表2
14、)3.3 隧道多导洞开挖参数优化 为使沉降能得到有效控制,对隧道开挖与初支参数进行了如下优化: 1)各导洞开挖分部顺序与错距。各导洞开挖分部顺序严格按图1中顺序执行,根据施工步序,为减少变形叠加效应,各导洞开挖错距必须保证不小于15 m。 2)下台阶开挖面形式与台阶参数。由于此段暗挖结构所处地层为粉质黏土、黏质粉土及粉细砂互层,开挖暴露后容易产生块状剥落。为防止土体剥落,在开挖导洞下部土体时,采取了如下控制措施:开挖面要留有一定的坡度,坡度控制在80;下部导洞土体分台阶开挖。为避免扰动上台阶土体,上台阶高度控制为1.3 m,分台阶长度控制为1.52 m。具体见图3。3.4二衬施工优化 依据地层
15、变位的分部、分阶段控制原理,二衬施工时,采取了如下沉降控制措施: 1)隧道结构断面分、,4次浇筑完成(见图4),这样可避免因过早拆除临时仰拱和中隔墙,而引起的沉降。 2)浇筑必须拆除临时仰拱时,应及时用模板脚手架进行支撑。 3)浇筑时,及时用型钢对中隔墙下部交错拆除的格栅进行替换,并与结构浇筑成为一体。 4)结构断面浇筑的每一步的应力转换均有不拆除的满堂红支架来承担。3.5 管线保护措施 1)施工前先对管线位置进行确认,使用雷达进行探测准确定位。合理安排每循环钻孔位置,避开管线。 2)在钻孔施工时,钻孔位置要与管线保持一定距离。如有钻孔位置与管线位置发生冲突,可调整实施方案,取消这个钻孔,同时
16、在附近位置进行补孔,以保证管线安全及施工质量。 3)工作面正面土体近拱顶上方0.5 m范围进行深孔注浆,可确保管线地基土的稳定,从而确保管线的安全,另外也可降低渗漏水对隧道开挖的影响。 4)在注浆过程中,要严格控制注浆压力,避免出现注浆压力过大对管线造成影响。3.6钢便桥泄压考虑到暗挖主通道为上方为成都市主干道，车流及人流量都加大，为减轻动载对下部结构影响特采用在暗挖主通道上方布设钢便桥。钢便桥架设后荷载计算按覆土6.0m考虑，采用全包防水且在防水层外侧采取在隧道环向设置排水盲管及拱脚设盲沟的排水处理措施，水压取至拱顶；顶板上土荷载：DingTu=6*20=120kN/m2；底板水压力：DiS
17、=105.4=54kN/m2；对应顶板部位侧土压力：DingCetu=6200.4=48kN/m2；对应底板部位侧土压力：DiCetu =（620+5.4（21-10）0.4=71.8kN/m2；地面超载qm=20kN/m；超载引起的侧压力：200.4=8kN/m2；分别取各个构件的不同工况的内力包络进行配筋计算，表中弯矩值为基本组合、准永久组合和人防组合的弯矩值，剪力及轴力均为承载能力极限状态的内力值。最大剪力Fv=536kN， 考虑拱脚腋角作用0.7hftbh0=0.71.01.571000（500+200-62）=811kNFv， 抗剪满足要求，且土体自稳能力加强。3.7地表注浆加固3.
18、7.1注浆材料注浆材料采用水泥单液浆和水泥水玻璃双液浆两种，即外围周边孔采用双液浆，内部采用水泥单液浆。当内部的地下水丰富，地下水活动较强，吸浆量大，注浆压力不上升的情况下内外均采用双液浆。其中，注浆用水泥采用活性高，出厂日期不超过3个月的42.5R.以上普通硅酸盐水泥；水玻璃采用出厂浓度45 Be(波美度)，模数2.83.4的水玻璃原浆，使用时用水稀释成35 Be。为了选择适合广福隧道地表注浆的最佳浆液配合比，对各配合比的浆液性能作了几组有代表性的现场试验，重点比较其凝结时间、抗拉强度及抗折强度。具体试验结果见表1。根据试验结果及设备所能达到的要求，决定单浆液水灰比为0.51，双浆液水灰比为
19、0.81，而水玻璃和水泥的质量比为320。表1 现场配合比试验结果3.7.2 注浆范围注浆范围可根据地质情况、地下水压力大小和隧道施工方法等因素综合确定。一般来说，注浆加固半径为隧道开挖半径的23倍，当地下水压力过大或在水下施工时，应为隧道开挖半径的46倍。本次地表注浆加固的竖向范围为开挖轮廓拱顶以上8m至仰拱底以下2m；横向范围为开挖轮廓以外3.8m。注浆加固范围如图l所示。图1 注浆加固范围图(单位：cm)3.7.3 注浆孔布设根据注浆试验确定注浆的扩散半径为1.5m，并通过现场对注浆压力、注入能力和注浆时间等情况确定其孔位布设如图2所示。注浆时，先行钻孔，钻孔孔径为ø91m
20、m；之后在钻孔内放入ø32mm的钢管，钢管下半段钻设孔径10mm、间距40mm、呈梅花型布置的花孔；最后通过钢管向围岩注浆。图2 地表注浆孔位布设图(单位：cm)3.7.4 注浆压力注浆压力是给予浆液在土层中渗透、扩散、劈裂及压实的能量，其大小决定着注浆效果的好坏和费用的高低。本次注浆岩性属于弱风化裂隙岩石、无大裂隙但有层理的沉积岩，经按有关规定计算得到注浆容许压力为13MPa。3.7.5 注浆次序在设计注浆孔的排列时，一般原则是从外围进行围、堵、截，内部进行填、压，以获得良好的注浆效果。本段注浆顺序为：整体注浆时先外围后内部，并采取隔孔注浆方式；分段注浆先注沟侧周边孔，后注山侧
21、周边孔。每孔又采取分节注浆的方式，每次注浆结束后及时清孔，以便保证下次顺利压注。注浆结束标准以注浆终压和注浆量进行综合判定。3.7.6 注浆效果分析3.7.6.1 数值模拟计算分析4.1.1 计算模型及施工过程模拟(1) 计算模型计算模拟采用ANSYS大型通用有限元软件，计算模型中用隧道与地层共同作用的受力模式模拟分析隧道结构的受力与变形，用四节点等参平面实体单元(PLANE42)模拟围岩(包括注浆段)；用二节点等参平面梁单元(BEAM3)模拟初期支护结构(其模量为格栅钢架和喷射混凝土的综合模量，即将喷射混凝土的模量提高到1.2倍)，用四节点等参平面实体单元(PLANE42)模拟二次衬砌，锚杆
22、未作模拟即视锚杆对围岩的加固作用与施工扰动对围岩的破坏相抵。在计算过程中假定：岩体的变形是各向同性的；隧道的受力和变形是平面应变问题。(2) 施工步骤由于计算重在分析注浆效果，所以计算分析采用全断面开挖，开挖后假定洞周围岩释放40%应力，施作初期支护后释放40%应力，施作二次衬砌后再释放20%应力。整个模拟过程分为4个载荷步完成。具体步骤如下：计算模型的初始应力；全断面开挖；激活初期支护结构；激活二次衬砌。注浆段的模拟采用在计算过程中变换材料属性的方法实现。4.1.2 材料计算参数选取有限元数值分析中，隧道围岩材料特性按均质弹塑性体考虑，材料力学特性假定遵循Drucker-Prager屈服准则
23、，当材料进入塑性状态后，其应力应变关系由塑性理论中的增量法求解。衬砌材料因其力学特性远较V级围岩好，计算中视为弹性体。2种材料的物理力学参数见表2。表2 围岩与结构的物理力学参数 4.1.3 计算结果分析 (1) 初期支护计算结果分析图3，4分别为注浆前后初期支护的弯矩和轴力图。从图3可以看出：注浆前后，初期支护在埋深较大一侧拱脚处负弯矩值最大，未注浆时最大负弯矩值达14948Nm；注浆之后弯矩值降为7535Nm，减小了近一半。初期支护在埋深较大一侧仰拱靠近拱脚处正弯矩值最大，未注浆时最大正弯矩值达10674Nm；注浆后最大正弯矩值降为4761Nm，减小了一半以上。从初期支护弯矩值在注浆前后的
24、变化可以看出注浆增加了围岩的强度，改善了其成拱作用，从而大大减小了初期支护的受力。从图4可以看出：注浆前后，初期支护在埋深较小一侧拱腰处轴向压力值最大，未注浆时最大值达842084N；注浆后最大值降为771612N，减小了近10%，另外，未注浆时，仰拱两侧的轴向压力也较大，注浆后该部位轴向压力明显减小。注浆前初期支护在埋深较大一侧拱脚处轴向拉力值最大，达443208N；注浆后初期支护仅在仰拱中央出现较小的拉力，而注浆前轴力最大的部位由拉力变为压力，受力特征明显改善。从初期支护的轴力值在注浆前后的变化可以看出注浆加固围岩后，初期支护轴向压力减小幅度虽然不大，仅10%左右，但轴向拉力却大大减小，这
25、使得抗压能力远大于抗拉能力的支护结构整体受力特征得到很善。(2)二次衬砌计算结果分析表3列出了注浆前后二次衬砌所受最大拉、压应力值。从表3可以看出：注浆前后，二次衬砌拉应力最大值均出现在拱顶内侧，未注浆时最大值达2.26MPa，该值已超过混凝土的极限抗拉强度；注浆后最大值降为0.91MPa，减小了近60%。注浆前后，二次衬砌压应力最大值均出现在拱脚内侧，未注浆时最大值达15.30MPa，该值也接近混凝土的极限抗压强度；注浆后最大值降为9.64MPa，减小了近36%。从二次衬砌拉、压应力值在注浆前后的变化可以看出：注浆加固围岩后，二次衬砌拉应力大大减小，另外，压应力值也有较大幅度降低，二次衬砌整体受力特征得到很大改善，注浆效果非常明显。图3 初期支护弯矩图(单位：Nm)图4 初期支护轴力图(单位：N)表3 二次衬砌受力分析比较表
