含砂礫富水復(fù)合地層地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工風(fēng)險分析與控制研究
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樊祥喜，王樹英，皮 圣，陽軍生
（中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙410075）
摘要：依托南昌軌道交通1號線中~子區(qū)間含砂礫富水復(fù)合地層地鐵聯(lián)絡(luò)通道工程，針對施工過程中揭示的富水砂礫地層，對聯(lián)絡(luò)通道施工進行風(fēng)險分析，建立了三維數(shù)值分析模型，分別探討了富水條件下聯(lián)絡(luò)通道地層預(yù)加固、降水井降水結(jié)合地層預(yù)加固兩種處理措施下聯(lián)絡(luò)通道施工后地層反應(yīng)，據(jù)此提出了含砂礫富水復(fù)合地層處理技術(shù)方案。方案實際應(yīng)用效果良好，有效控制了聯(lián)絡(luò)通道施工風(fēng)險，可供類似地層條件參考。
關(guān)鍵詞：富水砂礫地層；聯(lián)絡(luò)通道；風(fēng)險分析；數(shù)值模擬；風(fēng)險控制
中圖分類號：X947；X43；U121 文獻標志碼：A勇doi:10.11731/j. issn. 1673 -193x. 2015. 09. 023
Risk analysis and control for construction of metro connected
aisle in complex strata with watery sandy stratum
FAN Xiang-xi, WANG Shu-ying, PI Sheng, YANG Jun-sheng
( School of Civil Engineering, Central South University, Changsha Hunan 410075, China)
Abstract: Relying on the engineering of metro connected aisle in complex strata with watery sandy stratum of Zhong～Zi section in Nanchang rail transit line l,the risk of construction was analyzed for the watery sandy stratum re-vealed during the construction process. A three-dimensional numerical analysis model was built. The strata reac-tions after the construction of connected aisle under watery conditions by two treatment measures, one is stratum pre-reinforcement, and the other is stratum pre-reinforcement combined with precipitation by precipitation wells,were discussed respectively, and the technical treatment schemes for complex strata with watery sandy stratum were proposed. The practical application effect of the scheme was good, and the risk in construction of connected aisle was controlled effectively. It can provide reference for siruilar strata conditions.
Key words:watery sandy stratum; connected aisle; risk analysis; numerical simulation; risk control
0 引言
城市地鐵隧道修建過程中，當隧道連貫長度大于600m時，為確保運營期間安全，需在兩條隧道之間設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道。盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道常用礦山法暗挖施工，風(fēng)險很高。聯(lián)絡(luò)通道施工發(fā)生的風(fēng)險事故，最為典型的如上海軌道交通四號線越江隧道聯(lián)絡(luò)通道施工因冷凍法失效導(dǎo)致的重大事故。高承壓水，特別是含砂礫地層聯(lián)絡(luò)通道施工過程中，極易發(fā)生涌水、涌砂，造成地層塌陷，甚至盾構(gòu)隧道損壞，采取有針對性的技術(shù)措施以保證此類地層條件下聯(lián)絡(luò)通道施工安全顯得非常重要。南昌市軌道交通1號線盾構(gòu)隧道中~子區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道含砂礫富水復(fù)合地層，地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實際施工過程中發(fā)現(xiàn)局部含約1.5m厚砂礫層，且地下水豐富。針對含砂礫富水復(fù)合地層，王暉等通過對4種聯(lián)絡(luò)通道施工方法的特點、風(fēng)險性等方面的分析與比較，提出富水砂層聯(lián)絡(luò)通道施工的優(yōu)選方案；岳豐田等針對富水砂礫層條件下聯(lián)絡(luò)通道采用凍結(jié)法施工進行研究，獲得了凍結(jié)鹽水溫度、凍土溫度、凍脹壓力、隧道變形的變化規(guī)律。通過相關(guān)文獻查詢，目前有關(guān)于含砂礫富水復(fù)合地層采用礦山法施工的風(fēng)險分析與控制研究比較少見。
本文依托于南昌市軌道交通1號線中~子區(qū)間盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道工程，針對含砂礫富水復(fù)合地層條件下采用礦山法施工的聯(lián)絡(luò)通道進行施工風(fēng)險分析與控制研究，提出了降水井降水結(jié)合地層預(yù)加固處理技術(shù)方案，較好的規(guī)避了施工風(fēng)險。該研究可為今后類似工程提供借鑒，具有一定的工程應(yīng)用價值。
1 工程概況
南昌市軌道交通1號線中一子區(qū)間起止里程為SK13 +016~SK13 +681，隧道長665m，區(qū)間設(shè)置一處聯(lián)絡(luò)通道，中心里程為SK13 +289。聯(lián)絡(luò)通道為直墻半拱結(jié)構(gòu)，凈寬2100mm，凈高2750mm。聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計采用礦山法進行施工，并采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。見圖1。
1.1 工程地質(zhì)條件
地質(zhì)勘查資料顯示，聯(lián)絡(luò)通道處地層自上而下依次為雜填土（層厚7. 9m）、淤泥質(zhì)黏土(層厚8. 4m)、砂礫層（層厚0.4m）、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。聯(lián)絡(luò)通道開挖面頂部距地面為16. 8m�，F(xiàn)場開挖揭露聯(lián)絡(luò)通道開挖面上部有約1. Sm厚砂礫層，與地勘有明顯出入，且具有極強的滲透性。由于砂礫層顆粒較粗，孔隙較大，在水動力作用下地層中細顆粒在砂礫層粗顆粒間形成的孔隙中移動流失，極可能造成管涌等風(fēng)險。見圖2。
1.2水文地質(zhì)條件
聯(lián)絡(luò)通道位于新洲路與中山西路交叉路口，東臨撫河，西鄰贛江，三面環(huán)水，地下水豐富。區(qū)域地下水為第四系松散巖類孔隙水，局部為承壓水，主要賦存于全新統(tǒng)( Q4al)沖積砂礫卵石層中，現(xiàn)場抽水試驗顯示該含水層綜合滲透系數(shù)為110m／d。聯(lián)絡(luò)通道處地面標高21. Sm，區(qū)域常年地下水位在地表以下7. Sm左右，主要接受贛江及撫河地表水體的側(cè)向補給。見圖3。
1.3原設(shè)計施工方案
聯(lián)絡(luò)通道原設(shè)計采用Φ600@450二重管高壓旋噴樁對施工區(qū)域進行預(yù)加固，加固區(qū)域長度為兩條隧道中線之間14m，加固寬度為聯(lián)絡(luò)通道中線左右各5.5m，加固深度范圍為地表面以下11~17m，共6m范圍，見圖4、圖5。現(xiàn)場加固采用水灰比為1.5：1的硅酸鹽水泥，當旋噴樁插入預(yù)定深度時，按15~ 20r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)旋噴管，實樁區(qū)以20~30MPa壓力輸入水泥漿，空樁區(qū)水泥漿壓力降低至5~ lOMPa，同時以10~ 30cm/min速度提升旋噴管。
加固完成后采用礦山法進行聯(lián)絡(luò)通道施工。二重管旋噴樁主要技術(shù)參數(shù)見表1。
聯(lián)絡(luò)通道埋深為地表以下16.8m，根據(jù)旋噴樁加固區(qū)域與聯(lián)絡(luò)通道空間位置關(guān)系，可以看出聯(lián)絡(luò)通道開挖面上部約1. Sm厚砂礫層未被完全加固�，F(xiàn)場開挖揭露的開挖面也印證這一情況。
2 施工風(fēng)險分析
中—子區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地下水豐富，施工面臨涌水、涌砂、地表塌陷、管線破損等施工風(fēng)險，可能造成巨大的經(jīng)濟損失。針對原設(shè)計施工方案，對該聯(lián)絡(luò)通道施工風(fēng)險源進行辨識、分析。
1)工程地質(zhì)勘察準確度與可靠度風(fēng)險分析
工程地質(zhì)勘察成果的準確度嚴重影響到其施工技術(shù)方案選取的正確性。原有地勘顯示聯(lián)絡(luò)通道所在地層僅有0.4m砂礫層，且位于聯(lián)絡(luò)通道頂部以上。實際施工時發(fā)現(xiàn)開挖面上部約有1.5m厚砂礫層，具有極強透水性，與原地勘有明顯出入，直接影響到聯(lián)絡(luò)通道的施工安全。
2)含砂礫富水地層中聯(lián)絡(luò)通道施工風(fēng)險分析
聯(lián)絡(luò)通道開挖面上部約有1.5m厚砂礫層，透水性極強，抽水試驗資料顯示該含水層綜合滲透系數(shù)為110 m/d，在水動力作用下易產(chǎn)生管涌現(xiàn)象，承載力低，無法自穩(wěn)在施工中。在這種富水條件下進行聯(lián)絡(luò)通道開挖，極有可能因為地層中存在水路通道而造成涌水，同時在水的滲透力作用下地層中粒徑較小的泥砂被帶出形成涌砂，甚至導(dǎo)致地層中形成空洞，造成地表塌陷以及地下管線破損等。
3)旋噴樁加固施工風(fēng)險分析
旋噴樁加固是將帶有噴嘴的注漿管下入鉆孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)，并以高壓噴射水泥漿，使之與周圍土顆�；鞊剑Y(jié)，硬化而成樁�，F(xiàn)場加固時，旋噴樁成樁效果難以保證，樁身垂直度難以控制，樁間咬合可能存在薄弱以及缺口部位，且在砂礫層中容易跑漿，在地層交界處容易形成加固盲區(qū)�，F(xiàn)場實際揭露出的開挖面上部砂礫層加固區(qū)域旋噴樁效果并不理想，樁身在豎向上參差，在水平向上分叉，初期開挖時開挖面上部明顯出水。旋噴樁加固效果未達預(yù)期，增加了聯(lián)絡(luò)通道開挖過程中涌水等風(fēng)險。
3 處理方案與風(fēng)險控制
3.1 處理技術(shù)方案
根據(jù)上述分析，為規(guī)避風(fēng)險，確保開挖面穩(wěn)定，防止產(chǎn)生涌水、涌砂等事故，需對原方案進行優(yōu)化，并提出針對性處理技術(shù)方案。技術(shù)方案為在完成的旋噴加固區(qū)外設(shè)置6口深層井點降水井降水(圖6)，使水位降低到地表以下16~17m，確保聯(lián)絡(luò)通道在無壓力水環(huán)境下，且有一定程度固結(jié)狀態(tài)下的砂礫層中進行開挖。
3.2 方案流固耦合對比分析
1)數(shù)值模型
根據(jù)原施工方案和優(yōu)化方案，運用Flac3D軟件，對二者進行數(shù)值計算對比分析。根據(jù)聯(lián)絡(luò)通道對稱性，模型選取聯(lián)絡(luò)通道一半范圍，即洞門至進尺4m范圍，橫向取50m，約三倍降水井間距，豎向取地表以下25m�？紤]到已建盾構(gòu)隧道的夾持作用，計算時未考慮5號降水井的影響，1號、3號降水井位于模型縱向中部。計算時將降水井簡化為0. 25m×0.5m×19. 8m的長方體。旋噴樁加固區(qū)域按原加固方案，即開挖面上部1. Sm厚砂礫層未被加固。模型選用Mohr - Coulomb本構(gòu)模型，土層及襯砌采用實體單元模擬。模型的邊界條件：左、右兩邊x方向水平約束，底部y方向豎向約束，上表面自由。計算時地下水位于地表以下7m。計算未考慮土體顆粒的壓縮性，即認為土體顆粒不可壓縮，并將襯砌視為不透水材料。見圖7。
2)計算參數(shù)
計算分析中，根據(jù)現(xiàn)有的地質(zhì)資料和相關(guān)規(guī)范，采用如表2、表3所示的圍巖物理力學(xué)參數(shù)和流體力學(xué)參數(shù)。
3)結(jié)果分析
計算分兩種工況，工況設(shè)置如表4所示。計算得到降水井降水后的孔隙水壓力云圖和地表沉降云圖，以及兩種工況下聯(lián)絡(luò)通道開挖2m后開挖面附近塑性區(qū)云圖以及流速場矢量圖，見圖8~圖14。
①降水井降水影響
降水井降水后地下水位明顯降低，形成降水漏斗。開挖面孔隙水壓力約降低為原來的20%。由于降水井的降水作用，地層中孔隙水壓力減小，有效應(yīng)力增加，降水勢必引起地表沉降。本工程中，由于旋噴樁的預(yù)加固，降水井降水后地表沉降變化不大，沉降最大值為-8.27mm，符合地表變形控制標準- 30. Omm。
②開挖2m后開挖面附近塑性區(qū)范圍工況l與工況2相比，在設(shè)置降水井降水情況下，聯(lián)絡(luò)通道開挖時土體產(chǎn)生塑性區(qū)范圍明顯減小，說明在設(shè)置降水井降水后，地下水位降低，地下水滲流作用減弱，對土體的滲透力明顯減小。
③開挖2m后開挖面附近地下水流速場與地下水孔隙水壓力
聯(lián)絡(luò)通道開挖后，未設(shè)置降水井情況下，開挖時地下水最大滲流速度位于開挖面上方（砂礫層處）．最大滲流速度為2. 2e-4m/s;設(shè)置降水井情況下，地下水最大滲流速度位于開挖面上方（砂礫層處）．最大滲流速度為1. 9e-5m/s。在設(shè)置降水井后，地下水滲流速度降低約90%。
4結(jié)論
1)根據(jù)現(xiàn)場實際施工情況，采用旋噴樁預(yù)加固結(jié)合降水井降水，聯(lián)絡(luò)通道施工時開挖面穩(wěn)定．開挖時只有點滴狀滲水，基本無涌砂現(xiàn)象，開挖順利完成，說明采用地表旋噴樁預(yù)加固結(jié)合降水井降水，能夠較好的適用于該地層條件下聯(lián)絡(luò)通道的施工。
2)由于旋噴樁的預(yù)加固作用，降水井降水后地表沉降變化不大，沉降最大值為-8.27mm，符合地
表變形控制標準- 30mm，說明該方案在降水過程中不會引起地表過大沉降。
3)降水井降水后，地下水位明顯降低，形成降水漏斗，在水力坡度減小的情況下，水對土體的滲透力減小，且開挖面前方土體塑性區(qū)范圍明顯減小，說明該方案能夠保證開挖面前方的土體穩(wěn)定性。
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