控制地表沉降的关键是减小对地层的扰动,提高地层强度,保持开挖面的稳定,进行及时、密贴、大刚度的支护等。要保持开挖面的稳定,一般都要采取分部开挖方法,这样既能及时、有效施作支护,同时也减小了对地层的扰动程度。
为有效控制地表沉降,常采用地层预加固方法、开挖施工方法及各种支护措施。
1.地层预加固方法
地层预加固的方法很多,常用的有预注浆、超前管棚、超前锚杆等。
(1)预注浆法。在隧道开挖之前,预先进行注浆,充塞岩土体裂隙、空隙或孔隙,加固地层,以利于施工的方法,称之为预注浆法。预注浆可从开挖面、地表或导洞内注浆。
1)浅埋或松散地层有必要采用地表预注浆。主要考虑采用单液注浆,按具体条件选择水泥砂浆或纯水泥浆,压力不宜过大,控制在加固范围内压浆即可。
2)采用浅孔周边预注浆和浅孔或深孔全断面预注浆,进行工作面稳定加固。按可注性,选择两种浆液。对于颗粒粗、孔隙大的松散地层、砂砾地层,可选择单液水泥砂浆或水泥浆注浆;对于颗粒小孔隙小的地层,可选择纯水泥浆或采用水泥—水玻璃双液注浆方案。
3)对于存在地下水、饱和水或含水松散地层,采用大孔径深孔全断面预注浆。一是为了堵水,二是为了固结加固围岩。应视附近或掌子面地下水活动和地层含水状态(水压、流量、含水率)来慎重制订注浆方案,注浆参数应考虑注浆范围、注浆深度、注浆材料、注浆压力、注浆量、止水墙厚度等。
4)注浆管材料的考虑。周边注浆采用钢管;全断面注浆,掌子面正面部位采用玻璃纤维管,以便掘进时能拆除注浆管。
(2)超前管棚法。超前管棚有大管棚、小管棚、长管棚、短管棚之分。小管棚常用直径50~150mm的小钢管以一定间距(0.1~0.3m),沿开挖周边以某一角度(5°~10°)倾斜地打入地层。小钢管上常钻孔眼,同时作为注浆管用,注浆加固钢管附近的地层将管棚和注浆结合起来。大管棚一般用专门的钻机将大直径钢管在钻孔掘进的同时逐渐推进,大管棚的长度常在20m以上,有的工程已达百米。钢管内注入水泥浆,钢管之间空隙通常较小,常注浆充填,以增大整体刚度。长管棚的直径要和地层刚度相匹配,当直径超过150mm时,对地表沉降的控制作用很小。长管棚一般在洞口段采用,隧道内一般不宜采用,用双层小导管法是可以通过的。管棚法应用灵活,钢管长度、直径可根据需要选择。管棚法通常与注浆法同时采用,以达到更有效地保持开挖面稳定的自的,一般大管棚、长管棚控制地表沉降的效果更佳。
2.开挖施工方法
(1)开挖方法选择
保持开挖面稳定、减少对地层的扰动,对于控制地表沉降是极其重要的。对大断面地下工程即使采取了各种地层预加固措施,软土隧道一般仍不宜全断面开挖。有效控制地表沉降的常用方法有分部开挖法、压缩空气法、机械预切槽法等。
分部开挖法的总体思路是化大跨为小跨,变大断面为小断面。在确保安全经济的前提下,开挖方法的选择次序应为:当开挖断面宽度大于10m时,应优先选用CD法,或者双立柱法,在迫不得已时可考虑侧壁导坑法,或者CRD法;当开挖宽度小于10m时,应优先采用正台阶法,当下沉量控制不住时再考虑用CD法或CRD法。分部开挖时,如果分部过多,支护节点(连接点)过多,容易使结构与地层产生较大变形,施工过程也变得复杂,闭合时间过长。(www.xing528.com)
(2)开挖参数控制
1)分部开挖时,各部开挖工序循环进尺与钢支撑间距一致。循环进尺根据地层条件,控制在0.5~1.0m。
2)台阶长度不宜过长,每步台阶长度取3~5m,这样才能使阶段闭合时间尽量缩短,同时,尽量缩短闭合环与开挖面的距离。
(3)支护参数控制
1)钢支撑为型钢I22或H200、H250,网构20b或25b(主筋φ25mm),支护间距选取范围为0.5m、0.75m、1.0m。
2)在钢支撑接头和拱脚处各设2~3根拱脚锁脚锚杆,长3~5m,直径22~25mm。
3)喷混凝土C20、C25和钢纤维混凝土C30,厚度为25~30cm,不应超过30cm。
3.支护措施
大断面软土隧道施工控制地表沉降对支护的要求是:及时、密贴、大刚度、早封闭。
初期支护通常采用钢拱、网喷混凝土(软土隧道径向锚杆使用较少),二次衬砌采用模筑混凝土或网喷混凝土。及时支护是要求开挖后立即架钢拱、挂网、喷混凝土(对自稳时间很短的地层需在架拱前先喷射一薄层混凝土);密贴是要求喷混凝土与围岩密贴,不留空隙;大刚度是要求支护刚度大,能控制地层变形,因此喷混凝土早期强度发展是控制地层变形、减小地表沉降的重要因素,经常采用的格栅拱主要是为了提高支护刚度;早封闭是减小沉陷的重要因素,即使采用分步开挖也要尽量使各开挖步骤的支护是封闭的,必要时设临时仰拱,多余的支护不需要时再拆除,全部开挖完成后要及时封闭仰拱。
如果普通的喷混凝土难以满足上述对支护的要求,纤维喷混凝土则具有一定的优越性,可用来代替网喷混凝土,更好地控制地表沉降。纤维喷混凝土不仅表现出与钢筋网喷混凝土相同的性能,且在第一次开裂后具有更高的残余承载能力。含有纤维的喷混凝土衬砌相当或优于通常的钢筋网喷混凝土衬砌,随着纤维长度的增加,其强度和延展性都有明显提高。
跟踪注浆是在开挖过程中,在拱顶预埋补偿注浆管,视其沉降情况,通过管棚预留的注浆管向地层注浆,通过控制注浆压力和注浆量,有效填充因土体沉降产生的空隙。跟踪注浆对控制地表沉降非常有效,通过沉降控制非常严格的区段时,应在开挖过程中及时进行跟踪注浆。
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