結(jié)合工程實(shí)例談地鐵區(qū)間下穿高速公路路基的沉降控制技術(shù)

高建強(qiáng)，孟鑫壘，謝 暉

（1、廣東建科建設(shè)咨詢有限公司 廣州510500；2、中國(guó)中鐵四局集團(tuán)有限公司 合肥230051）

0 引言

隨著我國(guó)地鐵建設(shè)規(guī)模的不斷加大，各大城市地鐵網(wǎng)不斷加密和向城市周邊延伸，地鐵區(qū)間下穿的環(huán)境也呈現(xiàn)多樣化的發(fā)展趨勢(shì)，如地鐵區(qū)間下穿重要建（構(gòu)）筑物、高鐵、既有地鐵、鐵路或高速公路、河道等。地鐵區(qū)間在下穿不同環(huán)境時(shí)，關(guān)鍵控制的重點(diǎn)就是采取措施減弱對(duì)穿越地層的撓動(dòng)影響，以及將地面的沉降量控制在一定范圍［1，2］。

在地鐵區(qū)間下穿高速公路路基段時(shí)，首先需要考慮的是如何保證高速公路的正常通行不受影響，即把地面的沉降控制在合理范圍內(nèi)。本文結(jié)合工程實(shí)例對(duì)地鐵區(qū)間下穿高速公路路基控制沉降的綜合技術(shù)進(jìn)行研究及分析，再以工程施工實(shí)例進(jìn)行效果驗(yàn)證。

1 工程實(shí)例

廣州地鐵13 號(hào)線溫～東區(qū)間暗挖段，區(qū)間左右線長(zhǎng)度約為970 m。隧道下穿高速公路，左線里程ZDK54+555～ZDK54+655，下穿長(zhǎng)度100 m，右線里程YDK54+574～YDK54+664，下穿長(zhǎng)度90 m，隧道開挖邊線距離高速公路0#臺(tái)樁中線為1.55 m。具體位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 樁基與隧道的位置關(guān)系Fig.1 Position Relationship between Pile Foundation and Tunnel （m）

區(qū)間下穿高速段圍巖地質(zhì)級(jí)別以Ⅳ～Ⅴ級(jí)為主，主要位于中風(fēng)化混合花崗巖層中，個(gè)別拱頂部位于強(qiáng)風(fēng)化層，最大拱頂部埋深達(dá)14.0 m。地下水類型以基巖裂隙水為主，地層分布較連續(xù)，圍巖地質(zhì)水質(zhì)屬弱～中等透水性地層，且具有微承壓性。下穿段地下水埋深在1.80～5.80 m之間，常水位標(biāo)高為3.8～9.7 m。地質(zhì)縱斷面情況如圖2所示。

圖2 地質(zhì)縱斷面Fig.2 Geological Profile

2 綜合技術(shù)措施

工程項(xiàng)目區(qū)間下穿高速公路路基段（部分位于橋臺(tái)段）對(duì)地面沉降要求高，穿越地層為強(qiáng)～中風(fēng)化花崗巖層且地下水較豐富，工程設(shè)計(jì)采用礦山法進(jìn)行施工，為保證區(qū)間順利下穿通過(guò)，采用綜合技術(shù)措施如下：

2.1 采用系統(tǒng)性的加固措施

針對(duì)區(qū)間地質(zhì)特點(diǎn)及地面沉降需求，研發(fā)出一套“預(yù)加固、強(qiáng)擴(kuò)散、補(bǔ)周邊、再背后”的系統(tǒng)加固方案，對(duì)區(qū)間的掌子面及圍巖進(jìn)行加固。該加固方案基于傳統(tǒng)的前進(jìn)式注漿，通過(guò)對(duì)注漿參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化增加了其擴(kuò)散性，以達(dá)到對(duì)區(qū)間周邊施工影響區(qū)范圍全方位的加固，在區(qū)間下穿范圍前后及橋臺(tái)部分等有條件的部位進(jìn)行袖閥管預(yù)注漿，在區(qū)間掘進(jìn)的同時(shí)利用洞內(nèi)超前小導(dǎo)管和邊墻注漿錨管電動(dòng)注漿，最后對(duì)初支進(jìn)行及時(shí)的背后二次注漿［3-7］。

2.1.1 地面預(yù)注漿加固

隧道右線開挖邊線距離高速公路0#臺(tái)樁中線為1.55 m，為保證隧道下穿高速公路時(shí)橋臺(tái)的穩(wěn)定性，需要對(duì)橋臺(tái)處采用袖閥管預(yù)注漿加固，具體加固區(qū)域情況如圖3所示。

圖3 高速路橋臺(tái)加固位置示意Fig.3 Schematic of Reinforcement Location of Expressway Sbutment

袖閥管預(yù)注漿材料采用P.O42.5R普硅水泥（早強(qiáng)型），漿液灌注原則為先灌注低濃度漿液再灌注高濃度漿液，并隨灌注壓力及注漿量逐漸調(diào)整漿液的水灰比。開環(huán)注漿壓力控制在0.35 MPa 左右。正常注漿時(shí)，注漿壓力在0.4～0.8 MPa之間，最高不得超過(guò)1.0 MPa。

注漿時(shí)，漿液通過(guò)對(duì)土層的滲透、襞裂作用，充填封閉土層中的裂隙、空洞，固結(jié)土層中水分，改善地下土層的性質(zhì)，從而提高土層的承載力、防滲性能，增強(qiáng)土層的穩(wěn)定性，以達(dá)到加固的目的。

2.1.2 洞內(nèi)加強(qiáng)型前進(jìn)式深孔注漿預(yù)加固

在洞內(nèi)進(jìn)行預(yù)加固采用前進(jìn)式深孔注漿工藝，對(duì)區(qū)間掌子面的上半部分進(jìn)行加固，施工程序?yàn)椋合仍谑状伍_挖的掌子面施做止?jié){墻，采用20 cm 厚的噴射混凝土作為止?jié){墻，待止?jié){墻混凝土達(dá)到強(qiáng)度后，在墻上鉆孔安裝直徑108 mm 的孔口管，以孔口管為導(dǎo)向分段進(jìn)行鉆注漿孔及灌注漿液。為增加注漿效果，每次鉆注深度控制在1 m 左右，單孔循環(huán)進(jìn)尺控制在6～8 m，并根據(jù)地質(zhì)變化情況實(shí)時(shí)調(diào)整。鉆注孔在掌子面上按由外向內(nèi)的順序進(jìn)行施工，直到完成全部注漿加固作業(yè)［8］。

前進(jìn)式深孔注漿是由掌子面外側(cè)孔向內(nèi)側(cè)孔循環(huán)反復(fù)跟進(jìn)向前鉆進(jìn)和注漿，從而保證了鉆進(jìn)作業(yè)及注漿工作均在已加固的土體內(nèi)進(jìn)行（首次鉆注施工除外），有效保證了成孔的質(zhì)量及施工安全，并且對(duì)控制開挖面的涌水起到堵斷作用，同時(shí)每一次注漿均對(duì)上一次的鉆孔注漿區(qū)域有復(fù)注和加強(qiáng)的作用，保證了注漿效果的良好。

上臺(tái)階前進(jìn)式注漿布孔32 個(gè)，具體布置如圖4 所示。施工前按照注漿先后順序?qū)γ總€(gè)注漿孔進(jìn)行編號(hào)管理，注漿原則是先外圈，再內(nèi)圈，且做到跳孔施工。為保證注漿漿液能夠擴(kuò)散到開挖輪廓線3.5 m 以外，施工中應(yīng)嚴(yán)格控制注漿液的配合比，同時(shí)采用注漿壓力及注漿量雙控的形式進(jìn)行加固質(zhì)量控制。

圖4 加強(qiáng)型前進(jìn)式注漿布孔Fig.4 Hole Pattern of Reinforced Forward Grouting

注漿漿液采用水泥漿單液漿與水泥漿-水玻璃雙液漿，單液漿采用水泥漿液配合比為1∶1，水泥漿-水玻璃雙液漿采用波美度為40 的水玻璃加水按1∶1 稀釋后使用，雙液漿配合比為水泥漿與水玻璃稀釋液1∶1，混合后的凝固時(shí)間設(shè)計(jì)為20 s 左右。注漿管直徑108 mm，間距按設(shè)計(jì)進(jìn)行布置。當(dāng)注漿量及注漿壓力達(dá)標(biāo)時(shí)即可開始進(jìn)行鉆注其他孔位。

注漿結(jié)束后，對(duì)注漿效果進(jìn)行檢測(cè)。采用取芯機(jī)對(duì)前方加固體進(jìn)行取芯檢查，如果芯樣拌合有大量漿液，說(shuō)明已達(dá)到加固效果。如果所取芯樣沒(méi)有漿液，則這個(gè)地方需要繼續(xù)注漿加固。

單一循環(huán)的深孔注漿長(zhǎng)度控制在6～8 m，現(xiàn)場(chǎng)每循環(huán)累計(jì)掘進(jìn)長(zhǎng)度5 m，保留1～3 m作止?jié){段。

2.1.3 周邊孔注漿及二次注漿加固

地面預(yù)加固完成后，區(qū)間圍巖為強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖時(shí)采用環(huán)形臺(tái)階法形式進(jìn)行區(qū)間開挖［9］，上臺(tái)階每次進(jìn)尺按0.6～0.8 m、下臺(tái)階按1.0 m 進(jìn)行開挖，為保證開挖后掌子面的穩(wěn)定。邊墻及拱頂部分預(yù)埋φ32注漿錨管進(jìn)行加固，錨管設(shè)計(jì)長(zhǎng)度3.5 m，設(shè)計(jì)間距0.8 m×0.6 m，鉆孔深度及角度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后，開始安裝錨管，并采用電動(dòng)注漿機(jī)灌注水灰比為1∶1 的水泥漿液，施工注漿壓力應(yīng)事先通過(guò)試驗(yàn)確定，一般情況下按注漿量和注漿壓力進(jìn)行雙控，當(dāng)單管注漿量及注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)結(jié)束注漿。如果注漿壓力已達(dá)設(shè)計(jì)要求且不少于20 min，注漿量仍未達(dá)設(shè)計(jì)要求，也可以結(jié)束本次注漿，但要保證錨管孔漿液充填飽滿。

每完成3 個(gè)循環(huán)尺（約25 m）的開挖，對(duì)區(qū)間隧道進(jìn)行二次補(bǔ)注漿進(jìn)行加固以保證后期沉降的穩(wěn)定。注漿材料采用水灰比為1∶1 的水泥漿液，注漿效果為采用雷達(dá)掃描無(wú)空洞。

2.2 其他安全輔助措施

2.2.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

現(xiàn)場(chǎng)采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)是采用無(wú)線電波來(lái)檢測(cè)探測(cè)介質(zhì)分布，同時(shí)對(duì)不可見目標(biāo)體及探測(cè)界面進(jìn)行掃描，用以確定被檢測(cè)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)及檢測(cè)位置的電磁技術(shù)。地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)的工作原理是以高頻電磁波以寬頻帶脈沖形式通過(guò)發(fā)射天線發(fā)射，經(jīng)過(guò)目標(biāo)體反射或透射，被接收天線所接收。

每個(gè)掌子面每次可預(yù)測(cè)30 m范圍內(nèi)的地質(zhì)情況。

2.2.2 超前地質(zhì)鉆孔

當(dāng)開挖爆破和支護(hù)完成后，進(jìn)行超前地質(zhì)鉆探，通過(guò)對(duì)鉆孔的資料分析，充分掌握前方地質(zhì)體的特點(diǎn)和地質(zhì)信息參數(shù)，通過(guò)相應(yīng)的施工方法的調(diào)整，達(dá)到施工安全的目的。

超前鉆探是比較成熟的技術(shù)，主要采用鑿巖機(jī)對(duì)未開挖巖體進(jìn)行鉆探。通過(guò)鉆速、鉆進(jìn)壓力、扭距等參數(shù)判斷前方巖體的特性，并且在孔口處可以進(jìn)行有害氣體的監(jiān)測(cè)。

超前探孔主要用于中期地質(zhì)預(yù)報(bào)，主要用于超前5 m 的預(yù)報(bào)，超前探孔位置為拱頂及兩腰各1點(diǎn)共3個(gè)點(diǎn)，施工中鉆探孔眼的數(shù)量、位置根據(jù)其他預(yù)測(cè)方法的預(yù)測(cè)結(jié)果，視情況適當(dāng)增減。

2.2.3 地質(zhì)素描

地質(zhì)素描是在隧道掘進(jìn)時(shí)根據(jù)圍巖的節(jié)理產(chǎn)狀確定不穩(wěn)定塊體出露位置。常用的地質(zhì)素描預(yù)測(cè)法有巖層巖性及層位預(yù)測(cè)法、條帶狀不良地質(zhì)體影響隧道長(zhǎng)度預(yù)測(cè)法以及不規(guī)則地質(zhì)體影響隧道長(zhǎng)度預(yù)測(cè)法3種。

在礦山法施工中，由地質(zhì)工程師在每次爆破后進(jìn)行地質(zhì)素描工作，工作內(nèi)容為對(duì)開挖掌子面正面及側(cè)面的穩(wěn)定狀態(tài)、巖性風(fēng)化程度、巖層產(chǎn)狀、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、施工噴射混凝土質(zhì)量、掌子面的涌水情況、水質(zhì)特征、隧道內(nèi)的不良?xì)怏w濃度等。同時(shí)對(duì)地表的水文情況進(jìn)行定期觀測(cè)、監(jiān)測(cè)并記錄，并與設(shè)計(jì)及地勘資料進(jìn)行對(duì)比分析，最終形成掌子面的地質(zhì)素描圖和隧道洞身地質(zhì)展示圖［10，11］。

對(duì)開挖面的涌水量進(jìn)行測(cè)量，對(duì)其水質(zhì)進(jìn)行及時(shí)的分析和檢驗(yàn)，把檢驗(yàn)結(jié)果與地質(zhì)水文資料進(jìn)行對(duì)比和分析，對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果中出現(xiàn)影響隧道襯砌結(jié)構(gòu)的不良水質(zhì)情況提出處理措施或意見，形成書面報(bào)告，上報(bào)項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人，以及時(shí)采取有效的防護(hù)措施。

2.2.4 監(jiān)控量測(cè)

區(qū)間下穿高速公路部分沉降控制為重中之重，因此監(jiān)控量測(cè)工作尤為重要，監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要為高速公路地表沉降點(diǎn)（布置于公路路肩及中間分隔帶上）、水位沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)、拱頂沉降點(diǎn)、洞內(nèi)水平收斂位移點(diǎn)、周邊建筑物控制點(diǎn)、周邊建筑物傾斜觀測(cè)點(diǎn)，具體監(jiān)測(cè)頻率及控制值如表1所示。

表1 監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目、頻率及控制值Tab.1 Monitoring Measurement Items，F(xiàn)requency and Control Value

3 工程應(yīng)用效果

地鐵區(qū)間下穿高速公路路基的沉降控制技術(shù)成功應(yīng)用于廣州地鐵13 號(hào)線溫～東區(qū)間礦山法段，通過(guò)對(duì)區(qū)間暗挖過(guò)高速公路建（構(gòu)）筑物沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，沉降數(shù)據(jù)如圖5所示。

由圖5數(shù)據(jù)可以看到，施工過(guò)程中拱頂沉降、收斂均遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)及規(guī)范要求控制值。橋墩上的沉降點(diǎn)一直較小且較為穩(wěn)定，左線路面沉降點(diǎn)也一直較小且較為穩(wěn)定，右線在下穿期間沉降相對(duì)較大，最大處為A012 點(diǎn)，最大沉降值為-13.9 mm，小于限值-20 mm。加固處理取得了良好的效果。

圖5 沉降控制點(diǎn)沉降情況Fig.5 Settlement Situation of Settlement Control Points

4 結(jié)論

暗挖區(qū)間下穿高速路路基段施工時(shí)，采用以“預(yù)加固、強(qiáng)擴(kuò)散、補(bǔ)周邊、再背后”的系統(tǒng)加固措施，配合環(huán)形臺(tái)階法施工工法，能有效地控制地面沉降，結(jié)合洞內(nèi)與地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)反饋，能有效地保證地鐵礦山法區(qū)間隧道下穿高速公路路基段施工的安全性，避免地層擾動(dòng)、地下水流失等因素對(duì)高速公路的不利影響，從而達(dá)到在不影響高速公路正常通車的情況下，安全按期并保證施工質(zhì)量的完成下穿區(qū)間掘進(jìn)的效果。