采用浅埋暗挖修建市政工程的几点体会和建议.docx
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采用浅埋暗挖修建市政工程的几点体会和建议
采用浅埋暗挖修建市政工程的几点体会和建议
洛阳市东干渠排水工程为梯形断面,下底宽12m,上宽13m,高3m。
该干渠需下穿洛界高速公路路基,若以桥梁或明挖隧道和盖挖隧道通过,均需中断高速公路的交通和干扰周围环境,因此,经技术经济比较,穿越高速公路路基采用暗挖隧道通过。
但是,在浅埋暗挖法施工中,如何因地制宜地、合理地选择隧道支护结构形式及施工方法;如何处理好地面沉陷、结构防排水、开挖防坍、喷射混凝土作业以及监控量测等是需要解决的关键问题。
据此,本文就以上问题谈几点体会与建议。
1、工程概况
1.1暗挖隧道平、纵断面
洛阳市东干渠排水工程下穿洛界高速公路隧道工程长50m,隧道轴线与高速公路斜交角113度;隧道范围内渠面从西向东(从隧道进口向出口),设1.8‰下坡;隧道顶部覆盖厚1.0~2.8m,属超浅埋隧道。
1.2浅埋隧道横断面
隧道横断面采用三心圆拱直边墙结构,底部设仰拱。
断面净宽11米,最大净高6米,支护结构采用复合式衬砌。
1.3隧道洞门
洞门按斜交正做设计,满足最小进洞条件而定出进出口明暗交界里程。
隧道洞门端墙、翼墙按挡土墙考虑,采取沿竖向取窄条方法计算,作用于洞门墙的水平土压力按库仑理论计算,荷载考虑汽车活荷载的影响,并结合工程类比确定洞门端墙和翼墙的厚度。
端墙外露部分用石灰岩块石镶面。
1.4支护结构
1.4.1支护形式
本隧道为超浅埋大跨结构,采用浅埋暗挖法设计施工,支护结构采取复合式衬砌;初期支护为超前管棚、格栅钢架网喷混凝土,二次衬砌为模筑钢筋混凝土。
1.4.2支护参数
隧道支护参数采用工程类比和结构计算相结合的方法确定。
首先按照相关工程的实践经验,以工程类比的拟定支护参数,然后进行结构分析与计算,最后根据计算结果调整和确定支护参数。
结构计算荷载考虑了垂直土压力、水平土压力、汽车活载(汽超-20)、衬砌自重、温度应力、注浆压力、弹性抗力等,对上述荷载分施工期间和运行期间进行分析与计算。
1.5防排水
隧道结构为混凝土自防水,模注混凝土抗渗标号为S6;隧道不设变形缝,施工缝设两道膨胀橡胶止水条,做防水处理。
1.6施工方法
隧道属浅埋暗挖结构,采用CRD工法开挖施工,人工分步开挖,分步支护。
施工中应严格按照“管超前、严注浆、短开挖、强支护、勤量测、早封闭”的施工原则进行,以确保高速公路正常运营和施工安全。
1.7监控测量
现场监控量测是采取浅埋暗挖法设计与施工必不可少的手段,应贯穿于整个施工全过程,及时掌握施工过程中地表沉降和隧道拱顶下沉量,分析二者之间的相互关系,了解支护结构的稳定性和安全度,并根据测量结果,对高速公路采取必要的保护措施,以策安全。
2.工程地质和水文地质条件
2.1工程地质
隧道洞身从洛界公路路基中穿过,工程场地内分布的地层为第四系全新统,自上而下依次由人工填筑土、冲洪积形成的粉质粘土、砂和卵石组成。
2.1.1填筑土
该层层厚4.56~4.62米,由卵石土、灰砂等混合土组成。
土石等级为III级硬土。
2.1.2粉质粘土
该层层厚2.36~2.50米,为中压缩土。
土石等级为II级普通土。
2.1.3卵石灰砂岩
该层层厚1.36~2.43米,卵石含量约为55%,充填物主要为砂粘土;砂层为中砂、潮湿、松散。
土石等级为I级松土。
2.1.4卵石
该层为最底层,层厚>11.52米。
卵石粒间充填中细砂,局部存在砂透镜体。
土石等级为III级硬土。
2.2水文地质
测区地表水发育,地下水丰富,为孔隙潜水,主要含水地层为卵石夹砂层和卵石层。
地下水受水渠和附近河流以及大气降水补给,水位随季节、大气降水及河水水位升降变化显著,水位埋深约10米,水位变化幅度约2米。
3.浅埋暗挖法施工的几点体会和建议
同明挖法相比,浅埋暗挖法具有以下几点优点:
(1)不受施工气候、场地影响,不干扰交通及不影响城市周边环境;
(2)不会造成房屋拆迁、管线、道路等的改移,对于本工程而主,不影响隧道上方高速公路的正常运行;
(3)减少扰民,社会效益显著。
由于浅埋暗挖法是在实践基础上总结形成的工法,也必定会在实践中不断完善和提高。
因此,在设计和施工中应注意以下几个问题:
3.1开挖防坍
对于上面有动荷载的超浅埋隧道来讲,掌子面开挖防止坍方至关重要,通过工程实例的总结,对于防坍,可采用以下几种方法:
(4)缩小开挖断面。
如全断面开挖预留核心土,台阶法开挖,台阶法开挖留核心土,小导洞超前等开挖方法。
(5)超前支护。
如安超提导管、锚杆、钢插板管棚,超前导管注浆、掌子面帷幕注浆,开挖后顶喷混凝土等方法。
(6)水的治理。
如采用降水、排水以及城市施工中首先排除地表水的方法。
(7)取得地质超前预报和监控量测资料,以便及时修改设计,指导施工。
防坍的处理原则是在保证土体自稳情况下优先选用简便易行、快速施工的方法。
3.2过大型重载货车的路面沉降
在地层中掘进,造成地面下沉是必然的,绝对不下沉是不可能的,关键是如何控制地表下沉在安全限度内。
按一般经验,隧道拱顶下沉应大于或等于地表下沉,但在洛阳东干渠隧道工程的施工监测中发现,这种经验并非绝对的,地表下沉有时要大于拱顶下沉,如该工程的量测资料显示,地表下沉极限值为12mm,而拱顶下沉极限值为10mm。
分析原因有以下几点:
(1)地面为高速公路,有川流不息的重吨位货车通过;
(2)隧道顶部覆盖层厚度太薄,最不利处不足1m;
(3)不合理的开挖方法造成土体的不均匀扰动,破坏土体的整体性,使土体不均匀下沉等。
由此可见,市政工程中隧道穿行于公(道)路或建筑物下的地表下沉显得错综复杂,而且这种现象随地面埋深变化而变化,埋深越浅,表现愈明显。
一般来讲,控制地表下沉的方法有以下几种:
(1)缩短开挖进尺,快速封闭;
(2)提高支护强度;
(3)控制隧道结构的整体下沉;
(4)超前预注浆;
(5)地表预注浆;
(6)公(道)路路面及建筑物基础加固。
对于浅埋隧道,持力层多为软弱土体,有效控制下沉的方法应该是保证围岩稳定下全断面开挖支护,缩短开挖进尺,快速封闭,但是短尺开挖由于扰动次数增多使掌子面前方的纵向效应增强,延长围岩稳定时间。
因此,如何按照具体情况合理地选用施工进尺和施工方法至关重要。
施工进尺和施工方法的确定应按信息反馈,根据监测数据控制地表下沉极值小于地面建筑沉降限值,然后确定施工进尺和施工方法。
对于隧道结构整体下沉,可采取如下处理方法:
(1)增加仰拱的喷射混凝土厚度,加大支撑面积;
(2)边墙与仰拱的回填注浆加固;
(3)改变断面型式,如将平仰拱改为曲仰拱,或做大边墙脚,改善结构的内力分布。
对于本工程属于超浅埋暗挖隧道,且上方高速公路有超重荷载,在施工中采用大管棚配合小导管的钢拱架强支护,短进尺开挖,快速封闭及超前预注浆的方法控制拱顶下沉小于20mm,同时,为了安全起见,还在局部不利地段进行路面预注浆,以加固地层,改善围岩状态,效果良好。
3.3防排水
浅埋隧道特别是土质的浅埋隧道,水对施工的危害相当大,水的作用有以下两种方式:
(1)地面水:
主要是大气降水引起的地表积水。
雨天,地面排水不畅,积水顺回填土中的通道渗漏,沿原状土的毛细孔道渗入土体内,软化土体,降低承载能力,使掌子面开挖扰动土体产生剥落,沉降量增大。
喷射砼后,由于砼喷射不密实,地表水仍有从拱顶渗漏的现象。
(2)地下水:
表现为上层滞水、潜水、承压水三种形式。
地下水位过高,开挖后掌子面遭浸泡,自然剥落,甚至造成塌方,支护后因喷射砼不密实,地下水浸入砼体中,使砼配筋锈蚀,长期作用,降低钢混强度,仰拱基面有水,喷射砼后质量较差,基底不稳,整体下沉得不到有效控制,支护成型后,拱顶潮湿、滴水,影响隧道使用。
对水的处理大致有以下几种方法:
(1)消除地面积水,健全排水设施,修补下水通道;
(2)地面注浆截堵地表水;
(3)采用合理的降水方法降低地下水作用环境;
(4)超前注浆加固地层,改变地下水作用环境;
(5)喷射砼掺加防水材料;
(6)利用防水材料抹面或复合衬砌加柔性防水材料;
(7)结构的外防水;
(8)施工缝、沉降缝的防水。
3.4喷射砼作为永久支护的可能性
从地下工程发展来看,喷射砼作为永久支护是发展方向,据新奥法理论,初期(锚喷)支护是结构受力的主要承担者,二次衬砌仅作强度储备。
从本工程的量测资料和使用情况以及相关工程的实践来看,如果解决以下问题,喷射砼作为永久支护在强度上是有保证的。
3.4.1喷射砼密实度及施工逢
为了增强喷砼密度,可以从以下几方面改进:
(1)喷射手岗位培训,严格执行操作规程;
(2)待初支稳定后安设物件,背后注浆以及回填注浆前补打;
(3)背后回填注浆距掌子面2~3M为宜。
对于喷射砼裂缝问题,在本工程中表现比较突出,裂缝一般发生在前一循环架立的拱架与后一循环喷射砼的接缝处,裂缝沿拱圈环向分布。
经分析该现象大致有以下几个原因:
(1)该部位是施工中的死角,因排管影响成为不易清理干净的三角地带,加之喷射空间回旋余地小,使得该部位支护厚度不足,易发生应力集中;
(2)钢拱架外包砼与两榀拱架间砼刚度不同,若二者沉降不均,则易形成受拉开裂;
(3)由于防水材料掺加不当,改变砼的各项异性;
(4)渗漏水的侵蚀;
(5)未加养护或养护不当;
(6)单位水泥用量过大。
初期支护砼作为永久支护,应当考虑施工缝(沉降缝)的问题。
但由于网构钢架喷混凝土结构采用循环施工,整体性大打折扣,使得沉降缝的设置成为难题。
若设在两榀架中间的混凝土上,沉降缝要断开,素混凝土的强度难以保障;若设在两榀并立拱中间,由于节点板的存在使得沉降缝过宽,止水条等不能阻止水内渗,为此沉降缝施工时两榀拱架节点板应特殊处理,且沉降缝一侧喷混凝土平齐,缝宽不宜大于30mm。
3.4.2防水问题
喷射混凝土的结构防水可参考以下建议:
(1)混凝土喷射密实,无空洞,以防出现厚度不够等薄弱环节,坚持背后回填注浆;
(2)不提倡使用内掺VEA的防水混凝土实施喷射。
3.4.3适用范围及要求
(1)浅埋(埋深小于10米)市政工程,如排水通道、电力管道、煤气管道、通讯管道、人防工程等多种小型地下空间利用工程以及大型厂矿企业的进、出料通道,高层建筑的地下结构,自来水输送管道等;
(2)地质情况要求有一定自承力的各类围岩;
(3)断面型式不限,结构厚度不宜超过350mm.
3.5监控量测
3.5.1拱顶下沉值
目前施工现场量测拱顶下沉值采用的方法为:
首先焊一直量测端子于拱架上,封闭后用精密水准仪测得初值,然后根据量测频率实施量测,后值与前值之差为拱顶下沉。
这种量测方法的假设前提为:
(1)不考虑开挖后围岩变初情况及对拱架的作用机理,假设拱顶下沉值等于拱架下沉值;
(2)不考虑开挖扰动的纵向效应。
假设测点建立后测得的数值等于拱顶下沉值。
对于浅埋隧道,上述两个假设显然都比较牵强,按第二种假设即使采用回归分析的方法修正下沉值,由于回归公式是以散点图像推算的,该值也是不真实的。
浅埋隧道的拱顶下沉值量测,应采用地面钻孔的方法,使用挠度计或其他仪表测定地面基点与拱顶内壁的位移值,地面钻孔应超前于掌子面1~1.5倍洞径。
3.5.2建筑物沉降监测
建筑物沉降观测应建立以下测点:
倾斜测点和地表测点观测相结合,绘出建筑物沉降曲线,回归分析预估沉降极值。
沉降极值根据建筑物的建设资料,如地基基础建设、构造与结构特征等确定下沉及倾斜极值,调整施工方案,控制地表下沉。
3.5.3验证结构强度
做主应力断面,量测结构(如拱架应力、洞室周边土压力等)的受力情况,量测结果对一次支护的稳定性作充分评价,测点布置选择受力集中部位,按量测结果计算绘制弯距图,检算钢筋混凝土结构的强度是否安全,并根据安全系数重新确定结构型式,尽量降低成本。
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