富水软弱地层中隧道超前支护应用研究

2023-09-07李艳娥

河南科技 2023年14期

李艳娥

摘要：【目的】超前支护技术是软弱地层中暗挖隧道常用的地层加固技术，其在地铁建设中应用可进一步保障施工安全。【方法】本文以武汉市某地铁车站出入口工程为研究对象，在详细勘探富水软弱地层情况的基础上，对该通道开挖过程中所采用的超前支护技术进行分析研究，探讨施工的重点和难点。【结果】采用大管棚和小导管超前支护技术，解决了施工难题，安全顺利完成了施工任务，保护了周边的建筑和环境。【结论】本工程的相关经验和技术方法可以为其他类似工程的设计和施工提供借鉴。

关键词：地铁隧道；软弱地层；浅埋暗挖；超前支护

中图分类号：U457.3 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2023）14-0062-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.012

Application of Tunnel Advanced Support in Water-Rich Soft Strata

LI Yan'e

（Wuhan Hanyang Municipal Construction Group Co.， Ltd.， Wuhan 430000， China）

Abstract： [Purposes] Advanced support technology is a commonly used stratum reinforcement technology for underground tunnels in soft strata. Its application in subway construction can further ensure construction safety. [Methods] This paper takes the entrance and exit project of a subway station in Wuhan City as the research object. Based on the detailed exploration of water-rich soft strata， the advanced support technology used in the excavation process of the tunnel is analyzed and studied to discuss the key points and difficulties of construction. [Findings] The use of large pipe shed and small pipe advance support technology solved the construction problems， safely completed the construction task， and protected the surrounding buildings and environment. [Conclusions] The project related experience and technical methods can provide reference for the design and construction of other similar projects.

Keywords： subway tunnel; soft strata; shallow underground excavation; advanced support

0 引言

隨着我国经济社会的不断发展，城市人口逐步增多，地面交通压力也越来越大，各大城市越来越重视地下交通系统的建设［1-2］。为保证施工的安全性及结构的稳定性，在地下水丰富的软弱地层中往往采用超前支护技术保证隧道工程的顺利进行［3-4］。研究富水软弱地层中超前支护技术，对城市经济发展、提升人民生活幸福感意义非凡［5-6］。

在软弱地层中隧道的开挖、支护和稳定性分析方面，许多学者进行了研究和探讨［7-8］。其中，针对超前支护技术，陈巨滔［9］根据厦深铁路某隧道穿越地段的地质情况，分析了在浅埋富水地段中洞内管棚和小导管超前支护等技术方案。杨坚［10］从适用环境、受力、刚度等方面对比了在隧道穿越软弱围岩时使用长管棚、单层注浆小导管和双层注浆小导管三种超前支护技术的优劣。文妮等［11］分析了高压水平旋喷桩超前支护的作用机理及具体的施工方法，结合数值模拟分析了超前支护的作用。郝婷等［12］利用数值模拟软件，根据实际工程项目建立了模型，分析了无超前支护和长管棚超前支护不同工况下隧道围岩稳定性、初支应力和围岩塑性区的变化规律。

本文以武汉市某地铁车站附属结构通道为研究对象，对该通道开挖过程中所采用的超前支护技术进行了分析研究，对其他同类型工程的安全高效施工具有一定的指导意义。

1 工程背景

1.1 项目概况

该工程为武汉市轨道交通某车站南侧Ⅰ至Ⅲ号预留出入口工程，包括明挖段附属围护结构、附属主体结构及附属结构通道，其中使用暗挖法施工的通道是本项目的施工重点。Ⅰ号出入口明挖段基坑宽约6.4 m，深约11.60 m；Ⅱ号出入口明挖段基坑宽约6.2 m，深约12.5 m；Ⅲ号出入口明挖段基坑宽约9.6 m，深约10.94 m。Ⅰ号出入口通道暗挖段长约33.9 m，埋深约4.6 m；Ⅱ号出入口通道暗挖段长约39.2 m，埋深约4.3 m；Ⅲ号出入口通道暗挖段长约42.82 m，埋深约3.5 m。项目总平面如图1所示。

Ⅰ号暗挖通道采用眼镜工法施工，Ⅱ、Ⅲ号通道采用CRD法施工，3个出入口均采用超前支护措施，设置超前大管棚及超前小导管。其中Ⅰ号通道采用全断面布置，Ⅱ、Ⅲ号通道拱顶及两边墙布置。

1.2 工程地质及水文地质条件

本工程场地地形平坦，场地地貌单元属于长江Ⅰ级阶地冲击层。根据钻探结果，场地分布自上而下可分为：人工填土（Qml）层、第四系全新统冲积（Qal）一般黏性土、砂土层（夹砾、卵石）及志留系中统坟头组（S）泥岩。

场地内的地下水有上层滞水、孔隙承压水和基岩裂隙水三种类型。上层滞水主要赋存于人工填土层，在勘察期间，测得其初见水位埋深为0.7～4.1 m，稳定水位埋深为2.0～3.9 m。孔隙承压水为赋存于第四系全新统冲积（Qal）粉质黏土、粉土、粉砂互层土及砂卵石层中的承压水，与长江、汉江具有水力联系。

2 施工重难点分析

该工程位于武汉市中心商业区，是重要的交通枢纽，周边有公园、医院、高架桥、商业大厦等建筑，地下管线敷设情况复杂。不良的工程地质条件结合复杂的地上地下建筑情况，使得暗挖法隧道的安全施工尤为重要，也极富挑战性。

2.1 土层自稳能力差

该工程3个出入口明挖段基坑深度大约10 m，暗挖段埋深为4 m左右。场地由上至下依次经过的土层为：杂填土、素填土、可塑状态黏土、软～可塑状态粉质黏土以及粉质黏土、粉土、粉砂互层，暗挖通道地质断面如图2所示。原土层中存在初始地应力场，随着施工活动的进行，原有应力状态被破坏，导致原本的三向应力状态转变为两向应力状态，洞壁周围出现应力集中现象，使得周围土体向隧道内侧移动。随着洞壁周围土层变形的逐步增大，相邻土层的应力也随之逐步调整，进而产生变形。由于土层自稳能力差，若开挖、支护方式不当，土体的应力释放和应力重分布导致的土体移动会使地面产生较大沉降，严重时引起隧道坍塌事故。

2.2 地下水位高

该工程隧道主要穿越粉质黏土和粉细砂等较软土层，抗剪强度较小。在地下水的浸润环境中，土体有效自重应力减小，力学强度降低；在地下水的侵蚀下，土层中的细颗粒被带走，土体的原有结构被破坏，使得土体内聚力和内摩擦角减小，抗剪强度被削弱。当在富水软弱地层中开挖时，临空面的产生使得土体应力产生重分布，土体中出现剪应力，且由于地下水的存在，土体抗剪强度降低，软弱结构面难以抵抗，进而导致塑性滑动的产生。如果软弱土体分布范围较大，土体的变形将进一步发展，从而导致大范围坍塌事故的发生。此外，若饱和砂土受到严重扰动，砂粒改变排列组合方式，本应由砂骨架承受的总应力转变为超孔隙水压力，由于水完全无法承受剪应力，稳定的砂土将变成流体，向隧道掌子面涌去，从而引发涌水、坍塌事故。

2.3 地下管線复杂

经勘察，地铁站出入口暗挖隧道周边已敷设给、排水管和通信光纤，在工程施工过程中需要下穿排水箱涵和铸铁给水管。对于排水箱涵，为防止管线渗水软化土体，需要对其采取临时导流抽排措施；在经过地下管线处注浆时，需要密切关注管线监测情况对注浆压力进行调整。同时在施工过程中，还要密切关注给排水管道的破损、渗漏情况，防止开挖至渗漏区域而产生的突泥、塌方事故。

3 超前支护技术

3.1 方案比选

针对施工重难点问题，选用超前支护技术可以有效保证暗挖通道的顺利贯通。目前，工程中使用较多的超前支护技术主要有3种，分别为管棚、超前小导管和水平旋喷桩。这3种技术的适用范围、特点及主要作用见表1。

3.2 设计概况

该工程暗挖隧道埋深较浅，上覆土层主要为软弱砂层，工程项目处于繁华闹市区，浅层地下已敷设了市政管线。对比3种超前支护技术，可采用“大管棚+超前小导管”方案。

Ⅰ号出入口暗挖段结构全断面设置超前大管棚，管棚长度为34 m；Ⅱ、Ⅲ号出入口暗挖段结构拱部及侧墙设置超前大管棚，其中Ⅱ号口管棚投影长度为40.4 m，Ⅲ号口管棚投影长度为45.8 m。管棚规格为φ108×8 mm，间距300 mm，外插角1°～3°，管棚上注浆孔径为10 mm，孔间距300 mm，梅花形布置。管棚尾部留不钻孔的止浆段300 mm，管内注水泥水玻璃浆液，C∶S=1∶0.5～1∶1（体积比），间隔注浆，扩散半径≥300 mm，对土体进行注浆预加固。

管棚间穿插的φ42 mm超前钢插管采用3 m长热轧无缝钢管，壁厚3.5 mm，环向间距300 mm，保证纵向搭接不小于1.0 m。钢插管尾部留不钻孔的止浆段300 mm，插入角10°～15°，钢插管外露长度200 mm；管内注水泥水玻璃浆液，C∶S=1∶0.5～1∶1（体积比），间隔注浆，扩散半径≥500 mm。

3.3 大管棚施工技术

3.3.1 施工部署。由于现场通道埋深较浅，大管棚处于黏土及粉质黏土层中，同时现场管线敷设情况复杂，管棚采用非开挖水平导向跟管钻进方法施工。

3.3.2 施工工艺。按照施工流程，在做好准备工作之后，为保证大管棚位置、方向准确，如图3所示，在拱部安设长度为1 m规格为φ140×5 mm钢管作导向管，导向管固定在定型工字钢（拱顶同弧度）上，环向间距300 mm，方向与通道坡度一致。

按照暗挖通道中线、边墙边线及拱顶、底高程定位工字钢，工字钢采用植筋与围护桩连接牢固，靠围护桩侧工字钢高于外侧工字钢。工字钢架设完成后，进行导向管的埋设，采用直径为140 mm的无缝钢管，其壁厚为5 mm，间距300 mm，导向管焊接在工字钢外侧里面，并采用双排φ22 mm钢筋抱箍焊接固定。

为了防止导向管在灌注混凝土时发生位移，导向管按照设计要求焊接在工字钢架上。为提高施工精度，先在工字钢架顶面标定出导向管的位置，并严格按间距、方向角要求施工，以免管棚钻机钻孔侵入洞身开挖断面。同时，为避免混凝土浇筑时砂浆进入并堵塞导向管，安装导向管时应与端模抵紧并采取措施使其牢牢固定在端模上。

3.4 超前小导管施工技术

3.4.1 施工部署。出入口暗挖通道的断面插入小导管，环向间距0.3 m，与管棚间隔布置，如图4所示。

3.4.2 施工工艺。该工程使用的小导管均采用长度3 m规格为φ42 mm×3.5 mm热轧无缝钢花管，在管壁钻孔间距为150 mm、孔径为10 mm的花眼，梅花形布置。導管前端200 mm加工成锥形，导管后部不设出浆孔，端部套丝扣。

管内注水泥水玻璃浆液，C∶S=1∶0.5～1∶1（体积比），间隔注浆，扩散半径≥500 mm。喷射混凝土封闭掌子面后，在掌子面上准确画出小导管设计孔位，采用风洞凿岩机钻孔，成孔直径为48 mm，如遇塌孔，可直接利用风钻和特制顶头将小导管导入。按照设计要求布置超前小导管，小导管从钢架腹部穿过，小导管钢管尾端外露设计长度20～30 mm，并与格栅钢拱架焊接在一起。环向间距宜为0.3 m，长度3 m，仰角10°～15°，之后依次进行堵孔和注浆。

4 结语

在该工程中，通过对富水软弱地层浅埋暗挖隧道施工工程重难点进行研判，采用大管棚和小导管超前支护技术，解决了施工难题，安全顺利完成了施工任务，保护了周边的建筑和环境，未对城市的正常运转造成不良影响。该工程的相关经验和技术方法可以为其他类似工程的设计和施工提供可借鉴的经验。

参考文献：

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