地铁建设是城市市政建设的重要一环, 由于历史原因, 城市地下分布大量人防工程, 而且部分已经废弃, 在勘察过程中搜寻不到相关信息, 当地铁区间隧道下穿废弃人防工程时, 特别是大断面区间通过时, 可能突然发生拱顶坍塌、区间涌泥和支护大变形等施工风险, 是城市地铁施工过程中的重大不安全因素。地铁区间下穿城市道路、桥梁和建筑物等临近构筑物取得了较多经验, 但对于复杂地质条件下区间下穿废弃人防工程且突发涌泥涌水事故的预防、整治及安全施工技术研究较少。因此, 在隧道施工过程中, 对废弃人防工程进行超前探测和合理整治, 对城市地铁的安全施工和运营十分重要。

某城市轨道交通为城市的重要环线工程, 采用矿山法施工, 地处广阔的冲洪积平原, 波状起伏, 隧道拱顶覆土厚度8.5~21.2m, 穿越地层为黄褐色~褐黄色粉质黏土和粉砂层。地铁施工范围内存在大量人防地道, 多零星散布于粉质黏土中, 无设计和施工图纸。人防通道的周围岩土工程性质也比较复杂, 直接影响其临近地铁大断面区间的施工和运营安全。

区间为暗挖单洞单线马蹄形隧道, 采用台阶法掘进施工至某政府储备用地地块时, 在2号竖井施工至区间上方时地面发生塌陷, 造成2号竖井右线小里程洞内从拱顶发生涌泥导致掌子面坍塌, 涌入正线洞内约35m, 平均高度约1.8m。地面塌坑呈椭圆状, 坑口长9m, 宽8m, 深度3~6m, 塌陷方量估算约280m³。塌陷处覆土深度19m。涌泥中夹杂旧砖块, 推测隧道临近区域存在废弃人防渗水产生局部泥囊, 隧道开挖破坏水土压力平衡, 导致掌子面发生涌泥, 地面发生塌陷, 位置关系如图1所示。

在城市地下隐蔽工程探测中, 通过机械设备进行地面挖探是查明地下工程位置、结构和临近区域地质情况最直观有效的探测方法。地面塌陷发生后, 除采用三七土回填外, 在临近区域开挖了4道探沟排查是否存在人防出入口或通风口。探沟深3m, 其中正线右侧开挖2道25m长探沟;沿正线方向挖掘52m长探沟, 寻找其他出入口。通过地面挖探, 可直接查明是否存在人防出入口, 减少钻探工作量。

地下隐蔽工程常用的物探方法包括地质雷达、多波勘探技术、瞬变电磁法及地震勘探方法等, 考虑外界地形和安全生产因素要求, 在塌陷区人防通道探测时采用一种基于天然震源的微动物探方法。微动探测采用类空间自相关法———SPAC法, 从微动台阵记录中提取瑞雷波频散曲线, 计算视S波速度V_x, 再经插值光滑计算获得二维视S波速度剖面, 视S波速度剖面能客观、直观地反映地层岩性变化和隐蔽工程。观测系统采用圆形阵列0.6m及0.9m台阵半径, 测点点距5m。视S波速度剖面获取流程如图2所示, 微动观测系统如图3所示。

地面塌陷临近区间线路沿线大多位于城市道路两侧, 来往行人和车辆较多。为保证原始记录质量, 现场测试时及时检查原始记录。微动探测共处理418个微动勘探点的实测微动数据, 获得418条光滑的频散曲线。

结果表明:在地面深度7~12m范围内呈现明显低阻异常, 推测为人防通道充水表现。准确找到人防通道位置区域, 为后期整治提供极其有益的信息。

区间涌泥为软塑~流塑状粉质黏土, 与地勘报告上可塑~硬塑状的粉质黏土不相符。软塑状后, 自稳能力较差引起掌子面上方土体的滑动。在地面用洛阳铲开挖探孔3个, 探测地下土质含水情况, 并取土进行含水率试验, 探孔位于区间右线的右侧2.5m, 孔深25m左右, 含水率如图4所示。

结果表明:涌出土体含水率为33%, 远大于勘察报告粉质黏土含水率18%, 推测区间掌子面临近区域存在富水层。

通过地面挖探、地球物理探测和洛阳铲补勘, 准确找到了废弃人防通道的走向和规模, 为后期整治提供了极其有益的信息。在地下隐蔽废弃人防通道探测时, 单纯依靠一种探测方式, 效率低, 准确度不高, 需采用多种手段综合探测。

采用钻孔注砂法不破坏原地层, 对环境干扰小, 是技术可靠性高的地下隐蔽空间整治方法。钻孔注砂法采用机械钻进成孔, 每20m一孔, 成孔后检查质量, 人工完成废弃人防通道的修复或补漏作业。由于废弃人防通道内长期缺乏维护, 通风不畅, 可能残存沼气等有害气体, 当人工下孔检查时, 必须提前采取有效的防毒和不良气体检测措施, 保证人员安全。

地面注浆采用后退式分段注浆工法。对地面塌陷处进行地面深孔注浆加固, 以加固正线上方土质。采用单液浆注浆加固, 此处覆土深度平均19m, 注浆深度控制在22m, 采用钻机钻杆进行注浆, 间距1.5m梅花形布置, 注浆压力控制在1.0~1.5MPa, 注浆过程中当注浆压力稳定时停止该处注浆, 每注浆0.2m将钻杆拔起, 进行下一次注浆, 后退注浆, 直至浆液冒出地面停止注浆, 将整个正线上方土体加固。现场注浆过程中, 若后退式注浆效果不理想, 则视现场情况改为花管注浆, 注浆范围、深度、压力、配合比均不变。注浆加固范围如图5所示。

洞内开挖断面采用全断面注浆, 注浆孔呈梅花形布置, 最深为4m。洞内注浆采用双液浆注浆, 在完成地面的深孔注浆加固后, 在正线洞内对掌子面进行深孔注浆, 以加固正线方向掌子面土体, 注浆深度4m, 注浆压力控制在0.8~1.0MPa, 间距1m呈梅花形布置。

通过地面及洞内深孔注浆, 后续开挖过程中发现掌子面、核心土体中包裹着明显的浆脉, 有清晰的注浆痕迹, 掌子面渗水情况明显改善, 推测掌子面土质含水率有明显变化, 表明注浆效果良好。通过注浆达到了止水和稳固土体的目的。

地铁下穿废弃人防通道区间, 掌子面临近土体为富水土层, 超前管棚钻孔时易塌孔, 无法提前成孔, 采用跟管钻施工工艺, 依靠钻机压力直接将小导管压入。棚管采用ф108×6钢管, 长度10m, 分节长度 (1.5×6+1) m。导向管采用ф127×6钢管, 长度50cm, 根据管棚角度提前埋设于初支。钢管布设圆心角为120°, 环向间距30cm。注浆采用分段后退式, 注浆浆液采用1∶1水泥浆。注浆时当压力达到终压时, 继续压注15min后才可结束注浆。采用超前大管棚预加固的方式, 解决了掌子面土体自稳能力极差、开挖后易产生塌方的危险, 同时还可起到控制地面沉降的作用。

软流塑粉质黏土地层具有高压缩性、灵敏度强、强度较低、易产生蠕动变形的特点, 开挖后掌子面不能自稳, 易坍塌涌泥, 同时极易引起地面沉降, 对管线和建筑物构成威胁, 可能导致道路产生不均匀沉降, 影响交通安全。在软流塑地层中城市地铁区间施工难度极大, 需引起较大重视。隧道原设计采用台阶法通过, 因为地质因素的变化, 台阶法通过软流塑地层时, 拱顶沉降控制难度较大, 施工过程中日沉降量均超过报警值, 为确保区间隧道掘进施工安全, 采用了CD法开挖, 最大限度地降低隧道施工对周边环境的影响。

区间隧道从东西两端对向掘进, 掘进过程中严格控制每循环进尺长度和左右导洞间距, 保证掌子面软流塑土体的稳定, 开挖方法主要为人工配合小型挖掘机, 采用竖井提升机运输出土。区间下穿废弃人防通道CD法开挖如图6所示, 支护类型如表1所示。

地铁区间下穿废弃人防通道时, 拱顶沉降是隧道安全变形的控制性指标, 在选择CD法掘进施工时, 重点研究了复杂地质条件下荷载与隧道结构的相关关系, 以保证支护结构有足够的强度抵抗隧道的变形。

隧洞支护结构采用MIDAS/GTS进行非线性有限元分析, 衬砌结构采用板单元模拟, 支护外围土体采用实体单元, 同时考虑超前大管棚施工时注浆钢管与浆液扩散体刚度等效, 锚杆支护采用植入式桁架单元进行模拟。

从力学角度分析, 对隧道变形控制最有效的手段是支护快速闭合, 由于掌子面开挖断面减小, 便于支护快速架设封闭, 软流塑土体蠕动尚未形成破坏效应, 结构已经闭合, 可以对土体形成有效支护。计算模拟结果显示, 采用超前大管棚+CD法, 区间拱顶累计沉降只有13.2mm, 对隧道变形影响较小。

1) 城市地铁区间下穿人防通道时, 由于周围岩土工程性质复杂, 可能存在坍塌或渗水情况, 影响临近地铁区间的施工和运营安全, 采用挖探、微动探测和洛阳铲补勘的综合探测方法, 可以准确快速地确定风险源。

2) 软流塑状粉质黏土工程性质极差, 当含水率超过30%时, 掌子面有失稳风险, 极易发生涌泥事故。

3) 钻孔注砂法、地面注浆和区间初支背后注浆是治理下穿废弃人防通道的较好方法, 对交通和环境影响小, 工效高, 整治效果较好。

4) 台阶法通过软流塑地层时, 拱顶沉降控制难度较大, 应考虑变更工法, 加强支护。采用超前大管棚+CD法通过软流塑地层时, 拱顶沉降可以得到有效控制, 便于安全快速通过不良地质段。