随着城市轨道工程和高速铁路隧道的大量修建, 隧道竖井施工所遇地质条件和井身结构会越来越复杂, 会出现地层软硬不均、地下水丰富和竖井深度断面更大等特殊情况, 施工中需要对此类情况做出特殊处理, 以满足安全可靠、经济合理、技术先进的要求。下面以渭河隧道为例着重介绍第四系强富水圆砾土地层深大竖井施工技术。

宝兰客运专线渭河隧道全长10 016m, 共设3座竖井, 其中2号竖井深56.78m, 其开挖断面达230m², 所处地层自上而下分别为:黏质黄土、细圆砾土、粗圆砾土、强风化泥岩和弱风化泥岩, 其中圆砾土层厚度约16m。细圆砾土成分以砂岩、石英岩碎石及黏粒为主, 分选性差, 中密;新近系泥岩, 青灰色, 成分以黏土矿物为主, 砂泥质结构, 泥质胶结, 成岩作用差, 局部夹砂岩薄层。圆砾土地层以75%的2～6cm卵石为主, 其余为砂土充填, 第四系松散层孔隙裂隙水水量丰富, 透水性强, 补给条件好, 富水性好, 对其下部泥岩强风化层有一定的补给。第四系强富水圆砾土地层富含地下水, 黏聚力低, 自稳能力差, 开挖后会出现地下水涌出和溜塌现象, 在该种地层中施工深度56.78m及断面达230m²的深大永久性竖井, 同时既要保证竖井成功穿过, 又要达到不渗水的效果, 施工难度和安全风险极大。

竖井井身施工前利用咬合桩竖向超前支护原理, 针对咬合桩在上软下硬地层中一次难以成孔实现咬合的问题, 首先采用旋挖钻机配合套管钻机一次成孔后回填粗颗粒土, 再次采用套管钻机连续成孔实现桩间咬合, 以同心圆形式在竖井周边形成封闭隔离体, 起到隔离竖井外侧第四系强富水地层中地下水以及防止土层溜塌的作用;竖井井身采用“GPS+全站仪+全自动陀螺仪+激光铅垂仪”联合定向的测量方法, 充分发挥每个仪器在各自环节的最大作用, 将各环节中最大测量误差降低到最小;施工中充分研究机械施工工效, 确定循环开挖深度, 同时采用自主研制的宽度为1.0m的整体式桁架模板支撑体系, 减少模板支撑体系占用竖井作业空间, 缩短了模板安装与拆卸时间, 同时解决了挖掘机循环出井的问题, 提高施工速度, 实现竖井安全快速施工。

施工工艺流程 (见图1)

本文仅对施工工艺流程图中带星号部分进行详解, 其余部分不再阐述。

咬合桩围护结构的施工工艺原理是通过桩间咬合来保证其整体连续性、密闭性, 咬合桩直径1.0m, 桩中心距离0.7m, 相邻两桩最大咬合部分为0.3m, 桩长为34.6m。咬合桩的混凝土结构有两种类型, 其中一种桩设计为C20超缓凝素混凝土灌注桩, 缓凝时间>60h;另一种桩设计为C40钢筋混凝土灌注桩。咬合桩主要利用超缓凝混凝土的缓凝特性, 在超缓凝桩灌注C20超缓凝混凝土后, 在混凝土凝固前完成切割缓凝桩并成孔灌注钢筋混凝土桩, 使缓凝桩和钢筋混凝土桩咬合, 形成连续墙, 在竖井开挖时起到围护封水的作用。

为达到竖井的围护和止水效果, 竖井咬合桩结构必须首先穿过第四系圆砾土层, 再次嵌入弱风化岩层5m, 在围护结构上部约16m的黏质黄土和强富水的细圆砾土的软土地层, 采用全套管钻机预成孔, 避免塌孔, 下部强度较高的泥岩地层采用配套的旋挖钻机预成孔, 预成孔完成后, 即采用适用全套管钻机能够一次成孔的细颗粒土层进行回填, 再次采用全套管钻机再次成孔, 实现竖井围护结构 (咬合桩) 的连续施工, 达到咬合效果, 起到竖井围闭质量和止水的目的。

为了保证钻孔咬合桩底部有足够厚度的咬合量, 应对其孔口的定位误差进行严格控制。为了有效提高孔口定位精度, 在钻孔咬合桩桩顶以上设置钢筋混凝土导墙, 一次成孔的导向墙定位孔直径120cm, 方便旋挖钻机施工, 二次终孔时导墙上定位孔的直径为102cm。钻机就位后, 将第1节套管插入定位孔并检查调整, 使套管周围与定位孔之间的空隙保持均匀。导墙模板采用定型钢模, 每段长度3m, 模板位置严格按咬合桩位轴线定位, 内径大于设计桩径20mm, 垂直度偏差控制在2‰以内。导墙采用C30钢筋混凝土, 导墙每边宽1.75m, 厚度0.5m, 导墙底部布置8加强钢筋网, 每隔20m布置1道施工缝, 构造如图3所示。

为保证咬合桩围护结构的咬合效果, 施工时必须在超缓凝土缓凝时间内完成相邻钢筋混凝土桩的切割施工, 施工必须连续无中断, 同时受上部为圆砾土地层下部为弱风化岩层套管钻机不能一次成孔, 采用先一次成孔施工, 即上部的强富水圆砾土地层采用全套管钻机施工, 下部的弱风化岩层采用旋挖钻机施工, 完成一次成孔。

一次成孔完成后, 立即采用适用全套管钻机能够连续成孔的粗颗粒土层进行回填, 回填过程中, 边回填边提升套管, 直至回填完成。

竖井所有咬合桩一次成孔完成并回填粗颗粒土结束后, 全套管钻机根据导向墙重新就位, 施工中套管钻机正反扭动加压下切, 管内冲击抓斗取土, 使套管压入至桩的设计深度, 形成套管护壁成孔, 先施工超缓凝混凝土桩, 后施工钢筋混凝土桩, 最终完成竖井周边咬合桩围护结构施工。

为保证测量精度, 采用“GPS+全站仪+全自动陀螺仪+激光铅垂仪”联合定向的测量方法, 首先采用全站仪将竖井附近的GPS控制点坐标引测到竖井顶部衬砌混凝土上, 再利用激光铅垂仪进行坐标传递, 在陀螺仪竖井内定向完毕后, 采用全站仪导线的测量方法进行控制测量放样。深竖井控制测量流程如图4所示。

竖井井身施工中衬砌钢筋主要采用人工绑扎, 为加快施工进度, 需合理划分钢筋绑扎作业区, 科学组织, 根据竖井尺寸划分为4个作业区, 加强劳动力组织, 形成快速流水作业, 是竖井施工的关键, 其钢筋绑扎划分区域如图5所示, 劳动力组织如表1所示。

采用了自主研制的宽度为1.0m的整体式桁架模板支撑体系, 既减少模板支撑体系占用竖井作业空间, 解决了挖掘机循环出井的问题, 同时整体吊装支撑体系速度快、耗时短, 且为桁架结构, 支撑牢固可靠, 其结构如图6所示。

1) 咬合桩施工前必须进行套管顺直度的自检和校正, 首先检查和校正单节套管的顺直度, 检测方法:在地面上测放出2条相互平行的直线, 将套管置于2条直线之间, 然后用线锤和直尺进行检测。

2) 竖井咬合桩施工中必须控制垂直度以保证其咬合质量, 首先采用导向墙方式保证桩位准确性, 同时在地面选择2个相互垂直的方向采用线锤监测地面以上部分的套管垂直度, 发现偏差随时纠正, 这项控制在每根桩的成孔过程中应自始至终坚持, 不能中断。

3) 混凝土超缓凝是咬合桩质量的关键, 其缓凝时间与地质条件、桩长、桩径和钻机能力等有直接联系, 必须与现场紧密联系, 优化配合比, 保证缓凝时间合理。

3) 竖井初期支护必须保证钢筋网片搭接长度, 初期支护钢架间连接牢固, 喷射混凝土时应自下向上分层施工, 保证喷射混凝土密实。

3) 竖井防水板施工中, 首先切除初期支护表面尖锐物, 采用超声波焊机挂设防水板, 防水板采用自动热熔爬焊机焊接, 保证搭接宽度, 并进行焊缝气压检查, 保证防排水质量。

6) 竖井井身衬砌模板架立必须采用“GPS+全站仪+全自动陀螺仪+激光铅垂仪”联合定向的测量方法复核模板位置, 符合设计后方可施工混凝土。

7) 井口沿锁口圈设防护栏杆, 在物料人员出入口设栅栏门, 防止人员及物品意外坠落。

8) 竖井土方开挖时, 弃土堆放应远离竖井顶边1.5倍开挖深度以外, 严禁在竖井周边堆载, 开挖至距坑底300mm时必须人工开挖, 避免超挖, 基坑开挖达到要求后应及时施作垫层及底板, 严禁地基长时间暴露。

9) 在竖井井身布置变形观测点, 按时采集数据, 同时随时监控竖井井壁安全, 发现异常情况立即从安全步梯撤出井外, 并立即上报。

10) 严格保障竖井安全提升:竖井施工人、料、机和碴土的提升必须严格执行以下要求: (1) 井口设置防雨棚, 地面和井底配备专人负责材料吊运, 采用对讲机及时联系, 保证材料等吊运安全。 (2) 提升门式起重机的驾驶员必须经过专业的技术培训, 并持有政府监督部门考核颁发的合格证书方可上岗。 (3) 注意高空坠物伤人, 安排专人清理竖井周边危险物体。 (4) 建立严格周密的通讯信号系统, 并交由专人对口管理和操作, 制定严格的安全操作规程, 严防信号传递失误酿成事故。

渭河隧道第四系强富水圆砾土地层深大竖井施工方法, 改进了关键环节的施工方案, 特别是采用咬合桩作为竖井围护结构, 在取得相同效果前提下, 比采用其他类似地下连续墙等结构能大大加快工程进度;同时采用二次成孔法施工咬合桩, 解决了施工中因地层等其他因素致使施工不连续从而大面积返工问题, 大大降低了经济损失。竖井施工中, 通过研究机械施工工效, 确定循环开挖深度, 同时采用自主研制宽度为1.0m的整体式桁架模板支撑体系, 减少模板支撑体系占用竖井作业空间, 节省了机械反复出井时间, 同时缩短了模板安装与拆卸时间, 既保证了质量, 又有效控制了时间成本, 为今后类似工程的施工提供了切实可行的依据。