复杂软弱地层中暗挖隧道施工技术

【摘要】 本文结合北京地铁14号线工程实例介绍了在地铁隧道浅埋暗挖法施工中，针对复杂软弱地层，为达到无水作业条件、快速封闭成环而采取的一系列综合技术措施。主要论述了治理潜水和上层滞水采用空气潜孔锤成孔的井点降水技术和袖阀管深孔注浆技术；为达到快速封闭成环，在初支钢格栅纵向连接筋上采用直螺纹套筒接驳的技术。

【关键词】市政工程地铁施工技术潜孔锤成孔袖阀管深孔注浆直螺纹套筒接驳纵向筋

中图分类号：TU99 文献标识码：A 文章编号：

一、工程背景

北京地铁14号线右安门外站~右北区间全长628m，区间隧道埋深为12~15m；穿越地层为粉质粘土层、细砂层、卵石层，其中拱顶为粉质粘土层，厚度为0~50cm，上层为砂卵石层，滞水丰富，浅埋暗挖工法要求无水作业，故在区间两侧设降水井，但由于侵占地、交通导改等原因，反循环施工无法进行，采用空气潜孔锤成孔设备、堆渣占地小，因此在城市施工场地狭小条件下该技术经济适用，具有良好的推广前景；由于拱顶上粉质粘土层较薄，如开挖中破坏了粘土封水层，就会出现大量滞水渗流、局部小塌方，给施工带来一定的安全隐患。此外，隧道正上方有上世纪90年代建成平房区，多数已成危房。隧道下穿过程中对地表沉降有严格要求，为此采用袖阀管深孔注浆技术进行超前预加固地层以确保施工安全及减少地表沉降量；本隧道标准断面形式为带仰拱三心圆拱形，初期支护采用钢格栅+喷射混凝土支护体系，格栅纵向连接筋采用直径Φ22螺纹钢，环向内外交错布置@1.0m，采用滚压直螺纹套筒接驳技术减少了安装时间，使初支快速封闭成环，增加了施工安全性。

二、空气潜孔锤成孔技术

2.1施工工艺及关键技术

2.1.1空气潜孔锤原理

空气潜孔锤是利用压机输出的压缩空气驱动一种风动冲击工具。它所产生的冲击功和冲击频率可以直接传给钻头，然后再通过钻机和钻杆的回转驱动，形成对土体的脉动破碎能力，同时利用冲击器排出的压缩空气，对钻头进行冷却和将破碎后的土颗粒排出体外，从而实现了孔底冲击回转钻进的目的。

2.2钻进技术措施

2.2.1主要技术参数

本工程采用CIR150潜孔锤，孔径为185mm, 为了使破碎的卵石能被冲出孔外，我们选择了较大的风量,一般情况为12.0～13.0m³/min，最大时达15.9m³/min。在潜孔锤钻进时，除正常工作所需风压外，还要加上孔深时沿程压降及克服水位以下的水柱压力。本工程风压一般情况为5—7kg/m³，最大时达10 kg/m³。

2.2.2作业前的检查

（１）查供气管路及钻杆是否畅通，连接处是否漏气；

（２）反复倒置潜孔锤，检查活塞运动是否灵活；

（３）钻进开始时，在地表试验潜孔锤的性能。

2.2.3钻进中注意事项

（１）严格按照潜孔锤钻进技术参数作业，不能盲目追求进尺而加大钻压，防止钻杆折断、钻头掉齿和断齿等事故的发生；

（２）钻进中要随时注意观察气压表压力的变化，如发现压力急剧上升或下降，应立即提钻，查明原因，排除故障；

（３）钻进中经常注意潜孔锤冲击响声，如发现冲击频率变低或不稳定等异常情况，应立即提钻进行处理；

（４）钻进中如发现钻杆抖动厉害，应立即提动钻具，再慢慢下放，并降低压力进行钻进；（５）定期向钻杆内加入少量机械油，确保潜孔锤充分和高效能，延长使用寿命；

（６）下钻时，应边回转边下放，当钻具接近孔底时，应放慢下放速度。

2.3工艺流程

钻机就位、调整：钻机就位时调整钻机的平整度和钻塔的垂直度，对位后用机台木垫实，以保证钻机安装平稳。

钻孔、排渣处理：为防止偏孔，开孔时要采取慢速冲击。冲钻过程中采用匀速慢进，遇阻力大时潜孔锤向上提升。边钻进边排渣，直至达到设计孔深。

提钻杆、清孔：钻孔达到设计孔深后，提钻杆，加大风量清孔。

下管：下管前检查井管是否已按设计要求包缠尼龙纱网，井管确保在井孔居中不歪斜，钢管之间采用丝扣连接或销式连接。

填滤料：填料从井四周均匀缓慢填入，避免造成孔内架桥现象，填料高度严格按设计要求执行。边填料边起拔套管，套管起拔时应避免孔内井管被一起拔出。

水泵安装、试抽水：安装满足设计要求的潜水泵，并进行试抽水。

图1 潜孔锤施工工艺流程图

2.4优点对比分析

2．4.1施工场地

反循环：包括泥浆池、泥浆循环水沟、设备占地、堆渣场地等每孔施工占地不小于100m2，在市内施工占地困难，且费用高昂。

潜孔锤：设备占地、堆渣场地等每孔施工占地20~30m2即可满足施工要求。

2.4.2施工进度

反循环：对于本工程地质及孔深，每孔正常施工钻孔需10小时，包括制备泥浆、清孔、下管等工序每井施工时间超过30小时，对于居民区内夜间施工民扰现象时常发生，不利于施工。

潜孔锤：钻孔3~5小时，无需制备泥浆、清孔，下管简便，每井施工时间8小时内可完工。

2.4.3环保

反循环：产生大量泥浆，且施工中噪音较大。

潜孔锤：干成孔工艺，无泥浆，且孔径较小每井排渣量不到1m3，人工即可清运；采用静音空压机，钻机外罩帐篷，施工噪音较小。

2.4.4造价

反循环：钻孔费用高，井管一次性使用。

潜孔锤：钻孔费用低，降水完毕后管井可以拔出二次利用。

2.5结论

通过施工场地、工期、环保、造价等方面的分析比较，可以看出潜孔锤在密集居住区内施工降水井具有广泛的前景。

三、袖阀管深孔注浆在地铁隧道暗挖施工中的应用

隧道施工中经常要穿越滞水层，由于隔水层的起伏不定，地面降水工艺无法完全疏干上层滞水，洞内降水又由于场地狭小等环境因素施做较为困难。而带水开挖易造成掌子面失稳、涌水、坍塌等问题，因此在施工中，如何治理上层滞水，做到无水开挖是暗挖工程的关键技术之一，袖阀管深孔注浆可以起到加固土体并隔水的目的。

3.1工艺流程

3.1.1 袖阀管深孔注浆施工工艺流程图（见图1）

3.1.2 关键施工工艺

袖阀管注浆施工关键工序包括封闭掌子面、放样定位、钻机钻孔、插入袖阀管、注浆（可进行多次注浆）等。

图1 袖阀管深孔注浆施工工艺流程图

（1） 封闭掌子面

每个循环须进行掌子面封堵，掌子面止浆封堵采用C20挂网喷射砼，厚度200mm，钢筋网采用φ6.5@150×150mm。

（2） 放样定位

先用全站仪在掌子面标出隧道中心线，起拱线上1.5m线作为定位布点坐标，再通过这些坐标点，采用拉线和卷尺量测的方法定出钻孔孔位，深孔注浆点位布置见图2。

（3） 钻孔

① 袖阀管后退式深孔注浆每循环计划施做长度为12米，开挖10米，留2米作为下一循环施工的止浆岩盘。

② 利用地质钻机钻孔，由上至下角度分别为25°、20°、15°、10°、8°，钻孔长度分别为6~12m，见图3。

图2 深孔注浆点位布置图 图3深孔注浆加固纵剖图

③钻机就位后，应使钻机平台平整稳固，在开钻前利用水准仪定出钻孔角度，并在钻进2m时及以后每加一节钻杆均需对钻机调平校正。

④圆砾、卵石层中为防止钻孔的塌孔，采用套管跟进钻孔，完成钻孔后，安设注浆管后，将套管拔出。

3.1.3 安设袖阀管

在钻孔结束后立即插入袖阀管，管由每节3m通过螺纹的街头连接，管端加闷盖封闭，管接头密封可靠。袖阀管每节连接好后，依次下放到钻孔中，直到孔底，下放时尽量保证袖阀管的中心与钻孔中心重合。保证袖阀管的上端头露出掌子面10～20cm，再用套头套牢，防止杂物进入管内。

3.1.4 清孔

袖阀管安装好堵头，对管中注入清水，根据现场溢浆孔长度（30cm/段），分段检查袖阀管泄浆孔是否畅通。

3.1.5注浆施工

注浆材料选择1:1水泥-水玻璃双液浆。采用KBY-50/70双液注浆泵进行注浆作业。注浆方式采用后退式分段注浆，即在注浆管内由孔端向外分段进行注浆，每次注浆段长0.4～0.5m，直至全孔注浆完成。

注浆中应密切注意注浆压力的变化。注浆压力达到2.0MPa时，并维持30s，将注浆内管外拔进行下一段注浆。注浆顺序采用间隔跳孔钻孔和注浆。

注浆完成后，立即进行孔内清洗，将冲洗管插入袖阀管的底部，压入清水，直至孔口放回的水基本干净，在冲洗过程中要反复上下移动水管，将管内的水泥浆冲洗干净后，便于后续注浆进行。

3.2施工后效果

经过注浆后，上层滞水得到了有效治理，拱顶无渗流水，不再出现涌水、涌泥现象，从而确保了隧道土方开挖施工的顺利进行，注浆后掌子面效果（见图1）。

此外，注浆后地面沉降量控制较好，没有出现超过设计值的预警点，下穿的平房区没有出现裂缝、倾斜现象。

图1 注浆后掌子面效果

3.3结 论

通过对地铁隧道暗挖工程采用袖阀管深孔注浆施工技术应用可得到以下结论：

(1)解决了地铁隧道暗挖中上层滞水治理的施工难题，为暗挖工程做到无水开挖提供了有力保障。

(2) 做到注浆与开挖专业分离，易于质量控制，且注浆与开挖交替进行，打孔注浆时已将前方不利地质情况探明，节约了工期。

(3)可取消部分地面降水设施，节约了工程造价。

四、直螺纹套筒连接在隧道初支中的应用

传统施工工艺中，每榀纵向连接筋采用单面搭接焊相连接，存在速度慢、污染重、施工质量差等缺点。本文主要是以剥肋滚压直螺纹套筒连接代替焊接在地铁暗挖隧道初期支护中纵向连接筋应用作以研究。

4.1工艺流程及操作要点

4.1.1工艺流程

格栅纵向连接筋直螺纹连接工艺流程图

图1格栅纵向连接筋直螺纹连接工艺流程图

钢筋两端滚压直螺纹套丝一端连接套筒接头清理上榀格栅预留套筒接头架设本榀格栅安装纵向连接筋力矩扳手检测与格栅之间点焊连接。

钢格栅纵向连接筋直螺纹套筒连接过程及连接后型式见图2、图3所示：

图2格栅纵向连接筋直螺纹套筒连接 图3连接好的纵向连接筋

4.1.2纵向连接筋安装

(1)采用人工将上榀格栅纵向连接筋直螺纹套筒上的喷射混凝土凿除，清理干净。

(2)按设计位置安装本榀格栅。

(3)在纵向连接筋位置前方掌子面掏小坑以便于安放纵向连接筋。

4．1.3 检测

(1)采用扭力扳手检验，将扭力扳手调至设计值260N.m，卡住钢筋后用力，如扳手发出响声表示合格。

(2)检测不合格的立即纠正，合格的在接套上涂上已检的符号。

4.1.4将纵向连接筋与格栅焊接

(1)将纵向连接筋与格栅主筋进行焊接，焊点饱满，不得烧伤主筋。

(2)焊接时采用钢筋扳手调整纵向连接筋位置使其尽量与格栅密贴。

4.1.5 套筒接头力学检验

依据JGJ107-2010标准中规定接头的现场检验以500个接头作为一个检验批进行检验与验收，每个断面纵向连接筋44根产生44个接头，开挖11个循环作一次检验批进行接头试件抗拉强度试验。

4.2功效对比

暗挖隧道初期支护纵向连接筋采用直螺纹套筒连接与传统焊接连接对比分析。

4.2.1作业难易程度

搭接焊：需经专业培训，持证上岗。

直螺纹套筒：操作简单，经内部培训即可上岗。

4.2.2工作效率

搭接焊：施工速度快，每榀格栅连接筋（44个）三个焊工普工需90min才能完成。

直螺纹套筒：施工速度快，每榀格栅连接筋（44个）两个普工可在30min完成。满足了地铁隧道暗挖十八字方针中“短进尺、快封闭”的要求。

4.2.3文明施工

搭接焊：产生大量一氧化碳、烟尘等有毒气体，加之掌子面通风效果难以保证，造成洞内污染严重，且容易造成现场工人患职业病机率大大增加。

直螺纹套筒：无明火作业，无污染气体产生。

4.2.4施工质量

搭接焊：操作人员技术水平、钢材可焊性、焊接位置等对连接有较大影响。

直螺纹套筒：操作方法和使用工具简单，连接质量稳定，受连接位置及人为因素影响小；且由于连接筋采用工厂化加工，有利于标准化生产，可防止施工队偷工减料，保证格栅间距。

4.3结论

通过上述分析得出：滚压直螺纹套筒代替传统焊接应用于隧道初期支护纵向连接筋的连接，一方面提高了现场施工技术管理，另一方面直螺纹套筒连接采用冷作业，在改善隧道空气质量、提高钢筋连接质量、缩短工作时间发挥重大作用。

五、结束语

在当今高速发展的时代，城市轨道交通建设已成为趋势，因此在繁华的都市如何选择合理的施工技术成为一个重要问题。由于城市的地域局限性和环境的复杂等特点，浅埋暗挖法施工是一个难题，而在复杂软弱地层中暗挖隧道施工更是难上加难。本文主要结合北京地铁14号线工程施工经验，对复杂软弱地层中暗挖隧道施工几项主要技术措施进行了介绍，在保证工程质量、提高工作效率，确保施工安全，创造经济效益等方面进行了阐述，为类似工程的施工提供参考和施工思路。