从理论上讲,只要采取适宜的辅助工法,浅埋暗挖法可以在任何地层中应用,但从经济和技术综合评价的角度出发,浅埋暗挖法对地层应有一个适用范围和条件。根据国内外的实践经验,浅埋暗挖法对地层的基本适用条件为:①无水作业。带水作业对浅埋暗挖法施工是非常困难的,开挖面的稳定性时刻受到水的威胁,甚至发生坍方。经验表明,涌水量在50L/min的隧道必须采取排除地下水或止水(灌浆)或压气等辅助工法,把地下水、尤其是上层滞水处理好是非常关键的环节,这直接影响到浅埋暗挖法的成败。大范围的淤泥质软土、含水砂层、降水有困难或经济上不合算的地层,不宜采用浅埋暗挖法。②开挖面具有一定的自立性和自稳性。工程开挖后的自稳性与围岩的力学特性有关,与围岩的物理性质有关,与坑道涌水量有关,与覆盖土厚度有关。日本土木学会曾提出开挖工作面土体稳定的定量判别标准:土壤中的细颗粒含量小于或等于1000,且均匀系数小于或等于5的土壤,不具备自立性。我国对于土壤的自立性还未作出定量规定,但从定性上提出了要求:工作面土体的自立时间,应足以进行必要的初期支护作业。我国把开挖面前方对地层的预加固和预处理,视为浅埋暗挖法的必要前提,目的就在于加强开挖面的稳定性,增加施工的安全性。
1.4.1 工程地质条件适应性分析
合肥地区为贫水区,地下水主要赋存于河漫滩相和河床相粉土夹透镜状砂层孔隙中,泥质胶结,其透水性和富水性差。从地下水角度分析,合肥地区具备浅埋暗挖的基本水文地质条件。就合肥全区而言,地下一定深度处主要分布有粘土、粉土,性质较为稳定,淤泥质土体仅在浅部区域局部分布,因此,从土层性质角度分析,合肥地区具备浅埋暗挖的基本工程地质条件。
与此同时,浅埋暗挖法对断面结构形状适应性强, 不但可以轻易地做成圆形、 马蹄形、 矩形、 多跨联拱等形状, 而且对不同结构断面转化, 衔接都较容易。因此,在合肥地区采用浅埋暗挖法施工时,要因地制宜,根据场地工程地质条件,采用合理的断面结构形式,以保证施工安全。
1.4.2 地面沉降变形分析
浅埋暗挖隧道开挖时,地层岩体内原有的天然应力场将重新分布以达到新的平衡状态,隧道两侧壁产生减压区,压应力消失,隧道围岩聚集的弹性能将被释放出来,造成围岩被压碎并向开挖空间内突出。同时,隧道拱顶底部产生减压区,压应力被拉应力所代替。从而引起围岩被破坏,造成地下洞室附近地层移动与变形。具体而言,施工过程中地表沉降变形的主要原因有:① 开挖时因土体应力释放产生的位移;② 支护结构封闭成环前,上方土体和支护结构的整体下沉;③ 中隔墙拆除引起的支护变形;④ 施工中因地层失水引起的土体固结。
为了有效控制浅埋暗挖隧道开挖时的地面沉降变形,主要采取以下措施:
① 开挖控制
控制开挖产生沉降的方法包括隧道自身措施及地层处理技术。
② 超前小导管注浆控制
超前小导管注浆加固地层技术,是通过沿隧道开挖轮廓线外纵向向前倾斜钻孔安设注浆管,并注入浆液,达到超前加固围岩和止水的目的,同时小导管还可起到超前竹棚预支护作用。
③ 初支背后注浆控制
隧道开挖后应及时进行初支背后注浆,填充初支背后的空隙,同时在注浆的过程中控制注浆压力并保持浆液凝固后仍保持一定压力,以便补充因隧道开挖而导致开挖面附近地层应力损失,以使地层能迅速实现应力平衡,缩短地层应力调整时间,即地层位移变形的收敛时间。
1.4.3 浅埋暗挖施工对地面建筑物的影响分析
城市工程浅理暗挖隧道工程施工不可避免地将扰动地下岩土体。对于浅理隧道情况,扰动范围波及到地表,形成施工沉降槽。施工沉降槽可能严重影响地面沉降和塌陷,从而导致道路路面破损,地下已有管道破坏以及其他建筑物、构筑物的损坏;地中土层的沉降和水平位移也将改变土中结构物的受力状态,引起结构物附加变形。
控制建构筑物影响程度的措施:
① 控制地下水
井点降水、深泵降水或注浆都可以降低地下水。无论采用哪种方法,成功控制地下水可显著减小开挖产生的土体运动。
② 控制施工中沉降对建构筑物的影响
修建隧道过程中将产生地层运动,很多方法可以用来保护受这种地层运动影响的地上及地下建筑物。最直接的方法是确保建构筑物在显著地层运动影响区范围外,因此隧道线路设计可认为是一种保护措施。另外一种用来减小地层运动对于建构筑物影响的方法是确定合理的隧道施工工序,合理的施工工序可以达到各阶段受力的合理转换,从而控制施工产生地层运动。
该类控制措施具体的方法包括:一是控制施上开挖产生的地层沉降;二是隔断沉降以减小开挖对建筑物的影响;三是结构自身加强措施。
1.4.4 浅埋暗挖工法对地下管线的影响及保护措施
城市地下工程要不可避免地经过客流密集的地方,因此,地下工程建设对于城市道路路面下埋设的各种市政管线的影响是不可避免的。地下开挖会使周围地层和地面产生变形,严重者会影响到管线的正常使用。因变形过大造成管线断裂、隧道涌水、基坑坍塌、道路中断、房屋倾斜等工程事故时有发生。所以,解决浅埋暗挖法施工中地下管线的安全保护技术问题己成为地下工程施工的重中之重。
对邻近管线的保护是一项系统的工作,包括施工前由施工、设计和业主单位组织进行的管线调查、管线受施工影响的安全性评价、管线变形监测及施工技术控制措施的运用和工程风险管理等多方面的内容。这些工作环环相扣,密切相关,每一项具体工作的开展是否落实到位,都直接影响到施工技术控制效果的成败。具体而言,地下管线的保护措施包括:
① 地下管线前后一定范围内格栅密排保护;
② 经过地下管线时,结合格栅加密范围,采用双排小导管注浆,加固开挖掌子面保护;
③ 经过地下管线时采用CD法施工,设置中隔壁,保证开挖土体的稳定性及对沉降的控制;
④ 施工期间应注意对地下管线进行保护,并应采取必要的导流、防渗措施。
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