全國(guó)首次地下橋跨越煤炭采空區(qū)施工工藝及監(jiān)測(cè)分析

1、    全國(guó)首次地下橋跨越煤炭采空區(qū)施工工藝及監(jiān)測(cè)分析    崔巍摘要：本工程為全國(guó)地鐵首次采用“地下橋”結(jié)構(gòu)跨越煤炭采空區(qū)。地質(zhì)情況復(fù)雜，為了控制基坑自身及周邊建筑物的變形，施工采用“明挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地下橋基礎(chǔ)”的方案，根據(jù)最終監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，該方案對(duì)結(jié)構(gòu)的變形影響較低，施工風(fēng)險(xiǎn)可控，為以后列車長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)提供了充足安全保障。本文主要介紹該工程施工工藝及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，為其他城市類似工程提供參考借鑒。關(guān)鍵詞：煤炭采空區(qū)；地下橋；監(jiān)測(cè)1 工程概況1.1 設(shè)計(jì)情況南湖北路站王家梁站區(qū)間沿南湖北路轉(zhuǎn)向西，穿越王家梁村、六道灣村煤炭采空區(qū)后繼續(xù)穿越王家梁陶瓷建材市場(chǎng)建筑

2、群至新醫(yī)路上，在新醫(yī)路和昆侖路北二巷交叉口前到達(dá)王家梁站。區(qū)間隧道穿越六道灣村煤炭采空區(qū)，在穿越采空區(qū)段采用明挖工法施工，明挖段長(zhǎng)度為222m。其中跨越不良地層煤炭采空區(qū)“南大槽”與“北大槽”。首先施做明挖基坑圍護(hù)樁及地下橋承臺(tái)灌注樁，形成初步圍護(hù)形式；其次進(jìn)行基坑開挖；最后跨南、北大槽施做地下橋承臺(tái)及限位板，對(duì)南、北大槽進(jìn)行注漿加固。1.2 工藝情況區(qū)間主體基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土灌注樁。采空區(qū)圍護(hù)分為z-a，z-b，z-c，z-d四種型號(hào)樁，樁徑均為1m，采用c30水下混凝土。其中a型樁長(zhǎng)22.45m，39根，b型樁長(zhǎng)63.95m，170根，c型樁長(zhǎng)26.45m，129根，d型樁長(zhǎng)26.

3、45m，64根，共計(jì)402根。地下橋跨結(jié)構(gòu)設(shè)置5個(gè)承臺(tái)，承臺(tái)樁涉及3種樁型，分別為樁長(zhǎng)40m，樁徑1500mm的z-1型樁；樁長(zhǎng)33m，樁徑1200mm的z-2型樁和樁長(zhǎng)25m，樁徑1200mm的z-3型樁。2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)2.1 工程地質(zhì)條件場(chǎng)地位于烏魯木齊河?xùn)|側(cè)二級(jí)階地上，由于受煤礦開采，地面塌陷及塌陷治理等影響，原始地貌已被人為改造，場(chǎng)地為第四系松散堆積物所覆蓋，第四系主要地層由沖積、洪積形成的圓礫、卵石層組成；表層多為人工堆積層，主要為建筑垃圾、生活垃圾以及煤渣等；在第四系松散沉積層下為侏羅系中侏羅統(tǒng)西山窯組（j2x）含煤地層。其巖性為粉砂巖和炭質(zhì)泥巖夾煤層。場(chǎng)地含有2組特厚煤層

4、。第一組煤層總厚度1823m左右，稱為南大槽；第二組煤層總厚度3845m，稱為北大槽。北大槽與南大槽之間的距離為8992m。煤層產(chǎn)狀：走向6466°，傾向334336°，傾角7075°。2.2 水文地質(zhì)條件采空區(qū)明挖基坑分布于卵石層中，勘察中鉆孔鉆至17m附近發(fā)現(xiàn)地下水。隨著鉆探深度加深，由于鉆探鉆透該含水層，該層地下水迅速滲漏于地下。該層地下水為碎屑類裂隙孔隙水，上部的松散卵石、礫石、砂礫石以及南、北大槽塌陷回填層為透水層。碎屑巖類裂隙孔隙水分布于下伏侏羅系煤層頂?shù)装宓纳皫r、粉砂巖裂隙孔隙中，含水層巖性主要為煤層頂?shù)装迳皫r和粉砂巖，富水性較差。鉆孔實(shí)測(cè)地下水埋深

5、約88m。2.3 主要風(fēng)險(xiǎn)明挖基坑深度18.323.7m，采空區(qū)范圍內(nèi)基坑底為雜填土、回填卵石、建筑垃圾、煤渣等，基坑跨越南、北大槽，地質(zhì)情況復(fù)雜，需控制施工過程對(duì)高層建筑鴻基大廈變形的影響。采空區(qū)基坑國(guó)內(nèi)首次采用地下橋跨越施工，施工難度大。2.3.1 基坑跨越南、北大槽基坑跨越南、北大槽，存在大量塌落煤體，巖層穩(wěn)定性差，施工難度大，不利于施工過程中沉降控制，對(duì)建成后的結(jié)構(gòu)影響較大，采空區(qū)明挖基坑國(guó)內(nèi)首次采用地下橋跨越施工。2.3.2 基坑北端臨近高層建筑鴻基大廈采空區(qū)基坑距鴻基大廈地下室5.2m，此風(fēng)險(xiǎn)源為一級(jí)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源，鴻基大廈為框剪結(jié)構(gòu)，地上19層，地下2層；鴻基大廈樁基位于中風(fēng)化泥巖、

6、砂巖層，基礎(chǔ)為1200樁基礎(chǔ)（擴(kuò)底墩），樁頂標(biāo)高-8.5m，樁長(zhǎng)不小于8m?；由?3.7m，距離鴻基大廈4層裙房10.58m。3 施工工法采空區(qū)施工采用“明挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地下橋基礎(chǔ)”的施工方案，即：首先施做明挖基坑圍護(hù)樁及地下橋承臺(tái)灌注樁，形成初步圍護(hù)形式；其次進(jìn)行基坑開挖；最后跨南、北大槽施做地下橋承臺(tái)及限位板，對(duì)南、北大槽進(jìn)行注漿加固。地下橋結(jié)構(gòu)承臺(tái)灌注樁剖面示意圖3.1 基坑開挖基坑位于砂卵石層，土方開挖采用機(jī)械開挖為主，人工清理基底、樁間及樁側(cè)的方式進(jìn)行。開挖遵循“開槽支撐，先撐后挖，分層開挖。分成10個(gè)流水段進(jìn)行，向下分層開挖，中間拉槽，橫向?qū)ΨQ擴(kuò)邊，先撐后挖，坑內(nèi)集水抽排。開槽寬度

7、為47米。橫向?qū)ΨQ擴(kuò)邊，即中槽縱向貫通后，由中槽向兩側(cè)橫跨向?qū)ΨQ開挖。先撐后挖，即鋼支撐先于開挖前完成，保證圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)的安全。開挖步驟如下：第一步：破除地面施做基坑兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)樁、冠梁。基底注漿加固。第二步：開挖基坑至第一道支撐下，澆筑第一道混凝土支撐。第三步：繼續(xù)開挖基坑至第二道橫撐下400mm，架設(shè)第二道鋼管橫撐。第四步：繼續(xù)開挖基坑至第三道橫撐下400mm，架設(shè)第三道鋼管橫撐。第五步：繼續(xù)開挖基坑至第四道橫撐下400mm，架設(shè)第四道鋼管橫撐。第六步：繼續(xù)開挖基坑至設(shè)計(jì)坑底標(biāo)高，完成基坑開挖。施做坑內(nèi)排水溝及集水溝。第七步：澆筑承臺(tái)或限位板。第八步：待承臺(tái)或限位板砼達(dá)到強(qiáng)度后，拆除第

8、四道橫撐。施作底板柔性防水層及保護(hù)層，澆筑底板及底部側(cè)墻。第九步：待底板砼達(dá)到強(qiáng)度后，施作側(cè)墻防水層，澆筑側(cè)墻至中板下，架設(shè)換撐。第十步：拆除第三道橫撐。施作側(cè)墻防水層，澆筑側(cè)墻、中墻及中板。待中板砼達(dá)到強(qiáng)度后拆除換撐。第十一步：待中板砼達(dá)到強(qiáng)度后，拆除第二道橫撐。施作側(cè)墻防水層，澆筑側(cè)墻、中墻及頂板。第十二步：待頂板砼達(dá)到強(qiáng)度后，拆除第一道橫撐。施作頂板防水層及保護(hù)層。回填并恢復(fù)路面。3.2 地基加固由于地下采空區(qū)的存在，不僅造成空體上部煤層和覆蓋層失穩(wěn)而冒落或沉陷，而且使煤層頂?shù)装瀹a(chǎn)生巖移和變形。因此需對(duì)基坑底以下回填土體進(jìn)行注漿加固。加固深度為南、北大槽采空區(qū)基坑底以下010m以及203

9、0m深度處土體。注漿加固前，應(yīng)進(jìn)行室內(nèi)漿液配比試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)，確定設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)備。應(yīng)采用多次注漿，間隔時(shí)間應(yīng)按漿液初凝實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定且小于4小時(shí)，封閉泥漿7d后70.7mm×70.7mm×70.7mm立方體試塊的抗壓強(qiáng)度應(yīng)不小于0.5mpa。注漿鉆孔直徑100mm，間距1500mm，梅花形布置，深孔最小49m或進(jìn)入巖層為止。注漿管徑50mm。注漿采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水泥漿液的水灰比1：1，參加5%水玻璃，水玻璃模數(shù)2.53.3，濃度40°be。注漿壓力控制在0.51mp。注漿加固對(duì)施工要求：1）施工場(chǎng)地應(yīng)預(yù)先平整，并沿鉆孔位置開挖溝槽和集水坑。2）注漿

10、施工時(shí)宜采用自動(dòng)流量和壓力記錄儀，并及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理分析。3）注漿孔垂直度允許偏差為±1%。4）注漿流量可?。?10）l/min，對(duì)填充型注漿，流量不宜大于20l/min。5）當(dāng)用花管注漿和帶活堵頭金屬管注漿時(shí)，每次上拔或下鉆高度宜為0.5m。6）漿體應(yīng)經(jīng)過攪拌機(jī)拌勻后，方可壓注，注漿過程中應(yīng)不停緩慢攪拌，攪拌時(shí)間應(yīng)小于漿液初凝時(shí)間，漿液在泵送前應(yīng)經(jīng)過篩網(wǎng)過濾。7）水溫不得超過3035，氣溫過低或過高時(shí)，采取措施防止?jié){液凝固或凍結(jié)。8）應(yīng)采用跳孔間隔注漿，且先外圍后中間的注漿順序。9）對(duì)滲透系數(shù)相同的土層，應(yīng)先注漿封頂，后由下而上進(jìn)行注漿，防止?jié){液上冒。如土層的滲透系數(shù)隨深度而增大，

11、則應(yīng)自下而上注漿。對(duì)互層地層，應(yīng)先對(duì)滲透性或孔隙率大的地層進(jìn)行注漿。10）對(duì)冒漿、竄漿、饒塞返漿等現(xiàn)象根據(jù)相關(guān)規(guī)范準(zhǔn)備預(yù)案并處理。4 風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)4.1 監(jiān)測(cè)目的1）保證基坑支護(hù)的安全。支護(hù)結(jié)構(gòu)在破壞前，往往會(huì)在基坑側(cè)向不同部位上出現(xiàn)較大的變形，或變形速率明顯增大。如有周密的監(jiān)測(cè)控制，有利于采取應(yīng)急措施，在很大程度上避免或減輕破壞的后果。2）驗(yàn)證支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，指導(dǎo)基坑開挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工。了解現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的應(yīng)力和變形情況，與設(shè)計(jì)時(shí)采用值進(jìn)行比較，必要時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)方案或施工過程進(jìn)行修正，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及信息化施工。4.2 測(cè)點(diǎn)控制值為保證周邊環(huán)境安全和施工安全，應(yīng)進(jìn)行必要的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。當(dāng)監(jiān)測(cè)顯示不正常情況時(shí)

12、，應(yīng)立即向各方報(bào)告。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)應(yīng)實(shí)行預(yù)警、警戒、極限三級(jí)管理。1、圍護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目：樁頂水平位移：累計(jì)值25mm報(bào)警。樁頂垂直位移：累計(jì)值25mm報(bào)警。樁體水平位移：累計(jì)值30mm報(bào)警。支撐軸力：設(shè)計(jì)軸力的80%。2、周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目：地表沉降測(cè)點(diǎn)：累計(jì)值30mm報(bào)警。臨近建筑物位移：累計(jì)值1060mm報(bào)警。地下管線沉降測(cè)點(diǎn)：累計(jì)值1030mm報(bào)警。建筑物地表裂縫：建筑物裂縫寬1.53mm，地表裂縫寬1015mm報(bào)警。4.3 主測(cè)斷面分析基坑共布設(shè)4個(gè)主測(cè)斷面，煤炭采空區(qū)南、北大槽各布設(shè)一個(gè)主測(cè)斷面，測(cè)點(diǎn)間距3m、5m、5m、5m，選取跨越北大槽主測(cè)斷面05斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析。基坑開挖過程中各

13、階段分析如下：基坑開挖第一層，地表監(jiān)測(cè)累計(jì)沉降逐漸增大；基坑開挖第二層，地表監(jiān)測(cè)累計(jì)沉降因受鋼支撐架設(shè)及其他因素呈現(xiàn)出波動(dòng)；基坑開挖第三層，地表監(jiān)測(cè)累計(jì)沉降逐漸增大；基坑開挖第四層，地表監(jiān)測(cè)累計(jì)沉降處于開挖階段最大值；基坑開挖完成后對(duì)地層進(jìn)行深孔注漿加固導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)回升；注漿完成后進(jìn)行基坑與地下橋結(jié)構(gòu)施做，受施工影響導(dǎo)致監(jiān)測(cè)累計(jì)沉降增大；基坑結(jié)構(gòu)施做完成后，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處于穩(wěn)定。4.4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析（1）地表沉降各測(cè)點(diǎn)最終累積沉降值分區(qū)如下表所示?；庸膊荚O(shè)62個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，沉降均控制在-25mm以內(nèi)，按間距3mm劃分柱狀圖如下圖所示，可以看出呈單峰狀，在-7.0mm2.0mm沉降范圍內(nèi)的測(cè)點(diǎn)最

14、多，共43個(gè)測(cè)點(diǎn)，占到所有沉降測(cè)點(diǎn)的69.3%，而-13.0mm -25.0mm沉降范圍內(nèi)的測(cè)點(diǎn)只占所有統(tǒng)計(jì)測(cè)點(diǎn)的12.9%，表現(xiàn)出正態(tài)分布的特性。（2）樁體水平位移各階段的樁體水平位移最大水平位移基本是在開挖至一半后產(chǎn)生的，之前有未開挖的土體支撐約束，之后土體的支撐約束消失，水平水位增長(zhǎng)較快，增長(zhǎng)幅度占總變形的50%60%；開挖至底后，開始拆撐做結(jié)構(gòu)，此時(shí)由于鋼支撐的約束消失，水平位移又有一次增長(zhǎng)，此次增長(zhǎng)幅度占總變形的15%20%左右。（3）支撐軸力開挖過程中，支撐軸力未發(fā)生預(yù)警。測(cè)點(diǎn)受基坑開挖深度增大而呈上升趨勢(shì)，基坑開挖至第三層時(shí)軸力明顯增大。（4）環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)鴻基大廈的建筑物沉降未發(fā)生預(yù)警，最大累計(jì)沉降-3.88mm，其中基坑開挖到第二道鋼支撐至第三道鋼支撐時(shí)沉降變化量最大-2.23mm，占累計(jì)變化量58%，開挖第三道支撐及以下，沉降趨于穩(wěn)定。（5）監(jiān)測(cè)總結(jié)基坑從開挖到結(jié)構(gòu)封頂共計(jì)150天，對(duì)地表沉降、樁體位移、支撐軸力、周邊建筑物等進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，各測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)均未發(fā)生預(yù)警，基坑風(fēng)險(xiǎn)可控。5 結(jié)語(yǔ)本工程