特殊地质条件下竖井施工风险及规避剖析

广州地铁六号线某标某站特殊地质条件下竖井施工风险及规避剖析一、工程概况某站位于海珠南路和某交汇处，沿某大致呈东西走向布置，车站地处商业繁华地带，周围建筑密集，建筑质量普遍较差，且多为商铺。右线临时施工竖井位于山海城的西面广场，西侧是海珠南路，北侧为某，地面交通繁忙。其主要功能是作为车站主体暗挖部分开挖左右线站台隧道的进出口通道，待站台隧道开挖完成后回填该施工竖井。竖井井身净空尺寸为7.2m*5.4m，结构呈弧形，竖井开挖深度为32.773m。竖井只设初期支护，竖井结构采用锚杆、钢筋网、格栅钢架以及喷射混凝土组成的联合支护。二、工程地质及水文地质条件1、工程地质根据地质勘查资料，某站施工竖井由上至下地层依次为：<1>人工填土层（Q4ml）：人工填土主要为作为路基填料的杂填土，局部为素填土，呈浅灰色、灰黄色、杂色等，稍湿～湿、欠压实～稍压实，松散～稍密，主要由粘性土、碎石、砂土及砖块等建筑垃圾回填而成，层厚约3.9～4.8m。<2-1>淤泥质土层：深灰、灰黑色，流塑～软塑状，以粘粒为主，含有机质，不均匀含粉细砂，层厚约4.4～6.0m。<3-1>粉细砂层：灰色、松散、饱和、含少量贝壳和粘粒，级配不良，层厚约1.6m。<3-2>中粗砂层（Q3al+pl）：中粗砂，灰黑色、饱和，含少量贝壳和粘粒，级配不良，层厚约0.9m。<7>强风化泥质粉砂岩：褐红色，风化作用强烈，岩石结构松散，岩芯呈半土半岩状，岩质软，岩块可以用手折断，局部为粗砂岩，呈密实土状，局部加中风化硬块，层厚为2.3～4.1m。<8>中风化泥质粉砂岩：褐红色，裂隙发育，岩芯呈片、短柱状，岩质稍硬，层厚为8.0m。<9>微风泥质粉砂岩：褐红色，粉砂质结构，层状构造，泥钙质胶结，岩石完整，，岩芯多呈长柱状，岩质较硬，层厚为13.52～5.6m。2、水文地质本站场地下水初见水位埋深0.9～2.4m（标高5.45～6.05m），稳定水位埋深0.7～1.5m(标高6.3～7.1m)。地下水类型主要有两种：一种为赋存于第四系土层中的孔隙水，另一种为赋存于基岩风化层中裂隙水。第四系孔隙水主要赋存于冲洪积的中粗砂层<3-2>中，含水层分布局部连续，且第四系含水层的上部大部分有相对隔水层淤泥质土等覆盖，因此，第四系砂层孔隙水具有一定的承压性，为微承压水。基岩风化裂隙水含水层主要赋存于中、微风化岩中的风化裂隙之中，含水层无明确界限，埋深和层厚很不稳定，其透水性主要取决于裂隙的发育和性质、岩石风化程度等。风化程度越高、裂隙充填程度越大，渗透系数则越小。基岩风化裂隙水为承压水，呈脉状或带状分布。竖井范围内揭露有透水性中等的中粗砂层，同时透水层厚度较大，地层局部连续分布。地下水承压水头高度与珠江水位标高相近。该场地距珠江较近，南面约400m处即为珠江，场地地下水与珠江底部砂层中的水有一定的水力联系，其主要补给源为珠江水。主要含水层为第四系冲积中粗砂层<3-2>，其次为中风化泥质粉砂岩<8>。其余地层为弱含水层或相对隔水层。三、竖井围护结构设计施工简介设计采用3排φ600mm深层搅拌桩相互咬合150mm形成封闭帷幕对该竖井周边上部软弱地层或砂层进行地层加固、止水，设计单根桩长11.3m。2006年12月1日开始搅拌桩试桩施工，并于2006年12月15日进行抽芯检测，检测强度为5.1Mpa（设计强度为0.7Mpa）。但在搅拌桩施工过程中，受已拆除房屋基础（块石、木桩等）的影响，深层搅拌桩大部分桩长仅为3～5m，少量桩长在8m以上。同时，由于搅拌机机身高度达15m，受高压线的影响，海珠南路侧深层搅拌桩不能正常施工，导致搅拌桩围护结构未能形成封闭有效的止水帷幕。为了达到对竖井周边上部软弱地层或砂层进行地层加固、止水的效果，经业主、设计、监理同意将3排φ600mm深层搅拌桩变更为一排φ600mm间距450mm的二重管旋喷桩，与深层搅拌桩相比，旋喷桩施工效果相对较好，但同样受地下浅层木桩的影响，且单排旋喷桩不能保证咬合完好。因此，围护结构施工的不理想给后续的竖井开挖留下了安全隐患。四、施工过程剖析1、竖井周边加固效果分析a、原设计采用3排φ600mm深层搅拌桩相互咬合150mm形成封闭帷幕对该竖井周边上部软弱地层或砂层进行地层加固、止水，设计单根桩长11.3m。由于海珠南路侧高压线的影响，该侧未能按设计正常施做深层搅拌桩，而在其余已施工的搅拌桩中，由于下部地层内块石、木桩等影响，仅仅少量达到设计桩长。b、在征得业主、设计、监理同意后，将3排φ600mm深层搅拌桩变更为单排φ600mm间距450mm的二重管旋喷桩。由于施工的是单排旋喷桩，施工过程中难免会出现桩体垂直度、相互之间咬合等不能达到设计及规范要求的情况，给后期竖井开挖埋下涌水、涌砂等安全隐患。2、施工风险a、某站竖井自开挖以来，实际地质情况与勘查资料基本相符，但由于某站前期竖井周边加固效果不理想，开挖深度7m的时候井底出现第一个涌水点，随着深度的增加，涌水点越来越多，最大出水量达为6m3/小时，地下水位下降迅速，地层中失水过多土体固结，容易引起周边建筑物沉降。b、在开挖达8m深度的时候遇到粉细砂层，涌水将携砂一起流出，慢慢的形成一条通道，水流带着越来越多的砂土流出。随着时间的延长，大量砂土外流，将在竖井初支背后形成较大空洞，容易造成地面塌陷。3、施工难题a、为了减少竖井周边土体流失，必须以最快的速度通过砂层，并及时注浆或回灌。而在开挖过程中，由于不断有砂涌出，个别时候涌砂速度超过个人排砂能力，导致不能及时开挖到位，钢架无法及时安装，必须采取措施阻止砂土流失才能继续开挖，不仅增加施工难度，而且严重影响施工进度，两者互相矛盾。b、在大量涌水的情况下开挖，增加工人作业强度，降低施工效率，影响施工质量。同时，由于涌水量大，涌水点的喷射混凝土尚未初凝，早已被水流冲出一条通道，不仅增加喷射混凝土难度，而且喷射混凝土质量也不能保证。四、风险规避及施工应对措施某站右线施工竖井于2007年3月1日正式开挖，3月12日进入砂层，在业主、设计、监理等各方单位的悉心关怀下，在项目部领导的高度重视下，项目部全体员工及作业队工人通过20天的共同努力，于2007年4月1日顺利通过砂层，实在可喜可贺。回顾这20天的辛苦历程，在施工过程中我们主要采取了以下措施，现一一列举供大家借鉴。1、初支背后花管注浆与预注浆根据现场实际情况，选择合适的高度和位置，斜向上与竖井井壁成750角打设注浆孔安放注浆花管，在已喷射混凝土背后注水泥浆，起到填充与止水的双重作用，当喷射混凝土表面出现水泥浆液外流的时候，加入水玻璃，加快凝结速度，增强注浆效果。在采用水泥-水玻璃双液注浆时，主要参数如下：水玻璃的波美度39～41，水泥、水玻璃比例为1:1，水泥浆的水灰比为0.8:1。在涌水较大的点位，在下榀格栅钢架位置开挖之前，沿竖井井壁成300角（注意避免影响格栅钢架的安装）斜向下打设预注浆管，并在开挖之前采用与初支背后注浆类似的方法进行超前注浆，使下部地层预先固结，减小后期开挖难度。2、预埋卸水管集中排水由于大量涌水势必增加喷射混凝土作业难度并直接影响到喷射混凝土质量，因此在喷射混凝土之前，我们根据现场实际涌水量大小在涌水位置预埋卸水管进行集中排水，即在喷射混凝土过程中，将比较分散的水流通过卸水管集中引出，防止水路对竖井井壁已喷射混凝土的冲刷。需要注意的是：预埋的卸水管前端必须有透水孔，便于管外大面积的分散水流汇入管内；尖端最好做成锥形，防止泥砂堵塞管路；整个卸水管不要在上方空洞部位预埋，而是埋入下部砂层，这样可以快速、有效的将水流引出。3、钢管临时支撑与喷射混凝土填充为了避免水流带出大量砂土，常规的做法是采用碎石袋堵住出水口及内部既有空洞，碎石袋可以起到过滤的作用，水可以穿过碎石袋流出，而大部分砂土则被阻止。但这种方法只能暂时的起作用，当开挖下一榀格栅钢架位置即下部再次被掏空的时候，碎石袋将会下落至该榀格栅钢架位置，伴随着碎石袋的下落总会有大量集中在上部的砂土趁机突然涌出，如此反复，不仅会在竖井初支背后形成一条竖向出水通道，而且由于砂土的不断外流将会在初支背后产生越来越大的、自上而下的空洞，一旦砂层上部土体发生塌陷，后果将不堪设想。为了避免上述情况的发生，起到分段引水阻砂的效果，我们首先是用喷射混凝土将内部既有空洞充分填充，再穿过上榀格栅钢架竖向与井壁成600角打设钢管（为方便打设，钢管端部加工成锥形），打设范围大约是涌水面积的两倍，钢管以20cm的间距密排，然后可根据现场实际情况将砂袋或碎石袋安放在密排的钢管上面，砂袋可以阻止水流继续向下，碎石袋可以阻止砂土流出却能将水流沿该榀格栅钢架位置排出，而喷射混凝土又具有一定的强度。这样每开挖下一榀的时候，都将是一个新的开始，上述钢管起到了临时支撑的作用，实践证明这种处理方法效果较好。4、集中降水、局部开挖由于本站距离珠江较近，南面约400m处即为珠江，场地地下水与珠江底部砂层中的水有一定的水力联系，加之竖井砂层这样的特殊地质条件，随着开挖深度的增加，水头差随之加大，在开挖至中粗砂层中部的时候，单位时间的涌砂量超过个人的排砂能力，导致钢架不能及时安装。为此，我们采用集中降水、局部开挖的方法进行处理。首先在现场加工一外直径600mm、内净空500mm的钢筋笼，内外侧用双层均用40目的铁丝网包裹，起到透水虑砂的作用，再将其放入预先挖好的临时集水坑内，集中降水。待水位降至下一榀格栅位置以下、砂层基本固结的时候才进行开挖，避免涌砂的现象出现。同时，在开挖的时候，首先开挖周边格栅钢架位置，具体范围以满足现场施工为准，最后开挖竖井中部并及时喷射混凝土。5、其他辅助工作a、人员组织项目部领导每天数次来到现场指导施工，并在现场亲自参与抢险工作，充分调动了工人们的工作热情；为了获取现场最新施工信息并及时处理现场实际问题，项目部领导班子及工程技术人员24小时轮流值班。同时，为了快速通过砂层，施工作业队及时增加作业工人，缩短每个循环作业时间。信息化施工与变形监测信息化施工是现代施工新技术，是降低整个工程造价及保证工程质量的前提。项目部始终坚持信息化施工，做到勤监测、精结果、细分析、快上报，以及时、准确的监测结果来指导现场施工。五、穿越砂层前后监测数据对比分析某站竖井施工穿越砂