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关键词:综合管廊;固定墩;直埋敷设
1.前言
随着城市建设的发展,对城市基础设施建设的要求越来越高,结合城市的规划建设集供水、排水、供热、供电及通讯等为一体的地下综合管廊是现代化城市建设的重要组成部分。在辽宁省有的城市已开始建设,因为它既能满足近期的使用,又能兼顾未来的发展要求,特别是避免了直埋管道造成反复破坏路面及各种管道的无序交叉和架空敷设对城市市容的不利影响,是城市建设发展的方向。根据多年从事市政工程施工和管理的实践,认为设计和施工中应注意以下几个问题。
2.地下综合管廊设计
2.1综合管廊布置方案
综合管廊布置方案是否合理直接影响工程的经济效益和社会效益。在供水、排水、供热等管道与供电及通讯需分开布置的前提下,经分析比较采用各分管廊按图1布置的方案比较合理。
图1 综合管廊剖面图
这样管廊集中占地较少,其优点是:①工程开挖的土方量小;②便于防水设计与施工,而且投入使用后维护管理方便;③管廊的检查井、通风井、安装口设置简单,与地面联系便捷;④在满足同样功能的情况下工程造价经济。
2.2对不良地基的处理
综合管廊一般长几千米甚至更长,沿线常常遇到复杂地形和杂填土,特别是沿海城市的软弱地基。由于沿线勘探孔间距不可能太小,很难准确地控制地基的变化,当然完全用钻孔来控制地基变化也不现实。可采用以下措施:①施工期间加强验槽是非常重要的。杂填土层不厚时,可以将其全部挖除,增加垫层的厚度,如杂填土范围较广而且厚度较大,则可根据施工条件及建筑材料的供应情况,采用碾压、夯实、换土垫层等方法处理。局部出现的枯井、冲沟、坑塘等不良地质条件的影响也不可忽视,否则地基局部变形过大,易造成变形缝处止水带破坏致使管廊渗漏。(变形缝的调解作用是非常有限的。)②沿海城市软弱地基的特点是
承载力低(fak=60~65KPa)、变形大,处理不当管廊易产生裂缝及变形缝处止水带破坏,致使管廊渗漏,针对这种情况结合填方采用堆载预压或CFG桩进行地基处理,将地基变形控制在允许的范围内。
2.3变形缝的设置位置
对现浇钢筋混凝土综合管廊沿线每隔小于或等于25cm设一道贯通全截面的变形缝,并且必须避开各种检查井、安装口和固定墩的位置,设在两个活动支墩的中间,变形缝处设橡胶或塑料止水带。
2.4主干线与分支线连接部位
综合管廊的主干线与分支线连接部位,分支线管廊底板下,由于施工主干线而受扰动的地基要进行人工处理,以免支线管廊下局部地基变形过大,导致管廊产生较大的不均匀沉降出现大于0.2mm裂缝而发生渗漏现象,影响正常使用。
3.直埋敷设固定墩设计
目前,由于受投资的限制,城市综合管廊的建设,往往用于主要街道和重要地区,而从热源至综合管廊的热力管道采用直埋敷设方式。在有补偿直埋敷设中,往往因钢制管道受热水温度的影响,产生热涨位移。此时为使管道与管道接头、管道弯头及其他一些附件正常安全工作,就必须在管道上适当的位置设置固定墩,将管段的位移限制在允许的范围之内,因此热力管道在正常的运行中,会产生较大的水平推力。固定墩的作用就是设计确定的位置固定管道,抵抗热力管道在正常运行中产生的水平推力和位移,从而保证热力管道的正常运行。
根据国家标准《城镇直埋供热管道工程技术规程》(CJJ/T81-98)第5.2.1条规定,直埋固定墩必须满足抗倾覆验算和抗滑移稳定性计算。
抗滑移验算(图2)。
图2 固定墩受力简图
(1)
式中: 分别为固定墩底面、侧面及顶面与土壤产生的摩擦力。
由上式可知,只有管道作用于固定墩的推力与固定墩前的主动土压力之和的1.3倍小于固定墩在土中的摩擦力及墩后背土反力之和才是安全的。固定墩直埋于呈可塑状态的粉质黏土中是比较普遍的。当管道的埋置深度确定以后,各方向土壤对固定墩的正压力是确定的。那么提高固定墩与回填土的摩擦系数是将固定墩缩小减少混凝土用量的惟一途径。可塑性粉质黏土与固定墩的摩擦系数为0.25~0.30,若在固定墩的周围回填500mm厚粗砂或砾砂,并且分层夯实,夯实系数不小于0.96,则固定墩与粗砂或砾砂的摩擦系数可采用0.40计算。这样不仅固定墩的混凝土用量可大大减少,而且当设置固定墩的位置受到限制时更能体现其合理性,并获得较好的经济效果。实际固定于固定墩中的管道有一定的刚度,可以将固定墩两侧部分范围内的管重以及作用其管顶至地面管道直径范围内的土体重力传给固定墩,这样就增加了固定墩的正压力,从而提高固定墩与土壤的摩擦力,但这部分管道长度的合理取值还有待于进一步研究,目前计算不考虑作为安全储备的设计方法是安全的。
对于综合管廊的分支线与直埋敷设的热力管道连接处往往固定墩水平推力较大,为充分利用支线管廊周围与土壤较大的接触面积产生的摩擦力来抵抗管道的水平推力,将管道固定的位置设在支线管廊的端部比单独设固定墩更经济合理,但此位置要求先安装管道后,再浇筑支线管廊端部的混凝土。
[关键词]地下工程;冻土;水下工程;隧道;施工技术
青藏铁路的开工建设和顺利实施,为解决高原冻土区地下工程的施工提供了良好的试验基础;同时,城市地铁工程的建设也对解决复杂城市地质环境条件下地下工程施工提出了新的挑战;而大型桥梁、跨江隧道和海上设施的建设使水下的地下工程施工面临更高的技术要求。一系列大型基础设施的建设并完工极大地促进了地下工程施工技术水平,及时总结和完善这些地下工程施工新工艺和其他技术成果将为今后的地下工程施工提供良好的技术支持和保证,对推动我国地下工程的施工带来巨大的促进作用。本文结合近年来我国一些大型基础设施建设工程,如青藏铁路、深圳地铁、上海跨江隧道等施工过程中取得的地下工程施工技术成果,对新工艺进行介绍,以便为今后类似工程的施工提供借鉴。
1冻土区地下工程施工新工艺
青藏铁路格尔木至拉萨段全长1100多km,穿越世界海拔最高、有世界屋脊之称、施工条件恶劣的青藏高原。在高海拔多年冻土区修建铁路在世界上也是第1次,无成熟的施工经验,技术含量高。
1.1 多年冻土区钻孔灌注桩施工工艺
其关键工艺是减少施工过程产生的各种热量,如钻孔的摩擦热、回填料的热量、灌注桩混凝土的水化热等,避免桩周地基土温度场急剧变化,引起桩周地基土一定范围升温和融化。同时由于冻土区有季节的变化,表层的季节融化层随季节的变化将产生冻胀力,消除这些冻胀力也是钻孔灌注桩的一个重点。
为减少施工热量对冻土区的影响,尽快形成新的热平衡状态,多年冻土区钻孔灌注桩桩身混凝土浇筑后,须经过一个阶段的热交换过程后方可进行承台以上部分施工,一般热交换的时间为60d,60d后方可认为桩基已基本稳定。
桩基在使用过程中由于冻土季节的变化将产生冻胀力。根据冻胀力作用于基础表面的部位和方向,可划分为3种:切向冻胀力、水平冻胀力和法向冻胀力(见图1)。水平冻胀力相互抵消,对工程造成破坏的主要是冻胀产生的切向力和法向力。在工程建设中,采取以下措施可以防止桩基础冻胀:①为避免桩基础受到法向冻胀力,将桩基础嵌入多年冻土天然上限以下一定深度;②将钢制扩筒埋入多年冻土上限以下至少0.5m,护筒内径比桩径大10cm,并于护筒外围涂渣油,成桩后不拆除护筒,减少外表面的亲水程度;③尽量采用高桩承台,冻胀严重地区采用钻孔扩底桩;④在护筒外侧、低桩承台底部采用渣油拌制粗颗粒土回填。以上措施能有效地减小切向冻胀力,降低冻土对护筒的上拔冻胀力(见图2);⑤钻孔采用旋挖钻机干法成孔保证孔位置正确和钻孔的垂直度;⑥采用低温早强耐久混凝土,避免了混凝土低温浇筑带来的强度增长慢的问题。
1.2 多年冻土隧道施工工艺
高原多年冻土隧道工程施工可借鉴的经验较少,其核心在于尽量减少气温升高对冻土的影响,避免冻土融化压缩下沉和冻胀力造成施工灾害和运营隐患。
冻土的抗压强度很高,其极限抗压强度甚至与混凝土相当。冻土融化后的抗压强度急剧降低,所形成的热融沉陷和下一个寒季的冻胀作用常常造成工程建筑物失稳而难以修复。
含水的松散岩石和土体,温度降低到0℃时,伴随有冰体的产生,这是冻结状态的主要标志。水结成冰时,体积增加约9%,使土体发生冻胀。土冻结时不仅原位置的水冻结成冰,而且在渗透力(抽吸力)作用下,水分将从未冻区向冻结锋面转移并在那里冻结成冰,使土的冻胀更加强烈。
土在冻结过程中由于水变冰体积增大,并引起水分迁移、析冰、冻胀、土骨架位移,因而改变土的结构。在融化过程则必然伴随着土颗粒的位移,充填冰融化排出的空间,产生融化固结,从而引起局部地面的向下运动,即热融沉陷(热融下沉)。
为避免隧道施工中热融沉陷,冻土隧道施工的关键工艺是作好保温措施。
隧道保温施工工艺主要包括:优选寒季施工明洞及洞口工程,开挖施工时增设遮阳保温棚,阻隔太阳辐射能量对冻土的影响。正洞采用弱爆破及光面爆破技术减少对冻土的扰动和超欠挖,开挖后清除拱(墙)夹层散碎冰块,迅速喷混凝土封闭岩面;采用有轨运输减少洞内废气污染,减少通风次数和风量;暖季采用夜间放炮通风和冷风机通风等措施将洞内掌子面温度控制在5℃以下,尽量缩小洞室开挖断面外的冻土融化圈。隧道全长全断面铺设“防水层+保温板+防水层”,阻隔隧道竣工后洞内温度变化对冻土的扰动,确保运营安全。
影响土体冻胀的主要因素是土体类型、含水状况和冻结条件。冻土学家经过长期的试验证明:粗颗粒土冻胀小甚至不冻胀,而细颗粒土一般冻胀较大。土体含水量大则冻胀严重,当土体含水量小于某一值时,土的冻胀率为零。为防止冻胀对明洞及洞口工程结构的影响,将明洞及洞口仰坡周边冻胀影响范围内的富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层挖除,用粗颗粒土换填,严格控制粗颗粒土的含水量,换填后作好防排水设施。
工程实例:青藏铁路风火山多年冻土隧道全长1338m,是世界上海拔最高的冻土隧道,多年冻土上限1~1.8m,冻土层厚达100~150m。洞身全部位于冻土之中。在施工过程中充分把握冻土的工程性质,采用注浆管棚、注浆锚杆、洞内光面爆破等开挖技术并综合运用粗颗粒土换填明洞覆盖层,全长、全断面设置多重保温层,以及保温、控温、供氧、喷射混凝土、信息监控等多项技术,尽量缩小冻土融化圈,使冻土隧道重建新的热量平衡系统,满足了安全、优质、高效的建设要求。
此外冻土区防温措施还有倾填片石通风路基施工工艺,高温细粒土铺设保温板路基施工技术,高温细粒土热棒路基施工技术等,这些措施都可以大大减少路基承载后对冻土的热融影响。
2 地铁和过江隧道施工新工艺
随着我国城市化快速发展,大城市的交通压力日益增大,大规模的城市地铁建设势成必然。对于沿江规划的城市过江隧道的建设也越来越多。这类工程建设往往规模大,施工环境恶劣,施工技术复杂,下面简单介绍几种施工新工艺。
2.1 地铁施工中的桩基托换技术
地铁建设中不可避免遇到桩基托换工程。深圳地铁百货广场大轴力桩基托换技术研究,解决了大轴力桩基托换的主要关键技术问题,丰富了桩基托换工程的施工工艺。
桩基托换形式是我国托换技术应用的常见形式。桩基托换的核心技术在于新桩和旧桩荷载的转换,要求在转换过程中托换结构和新桩的变形限制在上部结构允许范围内。针对上述变形的控制,托换的机制可分为主动和被动托换。主动托换主要是在旧桩截桩之前,对新桩和托换结构加载,消除部分新桩和托换结构的变形,使得托换后桩和结构的变形限制在允许范围内。该技术应用于大轴力、结构物对变形要求严的情况。被动托换是在旧桩切除过程中,将荷载传递到新桩,托换后的桩和结构变形难以控制,该技术适用于小吨位和对结构变形控制不严的情况。深圳地铁国贸 老街区间百货广场大厦桩基托换工程具有托换桩多(6根)、轴力大(18000kN)、桩径大(2000mm)、地质条件差、地下水头高、托换位置深(地下2层)、使用环境复杂(中间穿越地铁,振动影响)等特点,目前国内外尚无类似大轴力托换施工经验(国外日本类似托换最大轴力8750kN,国内5900kN)可借鉴。
深圳地铁一期工程线路由于受走向及最小半径(Rmin=300m)等条件限制,必须从百货广场大厦裙楼下穿越。由此产生桩基础托换问题。百货广场主楼22层,裙楼9层,地下室3层,为框梁 剪力墙结构,基础为独立桩基端承桩。桩端持力层(强风化层)承载力标准值2700kPa,桩身直径最大2000mm的人工挖孔桩(C25),根据楼层估算托换桩最大设计轴力约18900kN。
区间隧道通过百货广场、深南东路、华中酒店,由于暗挖隧道位置及其上部建筑物的影响,部分桩在隧道内或紧靠隧道,须托换百货广场9层裙楼桩6根(桩径2000mm,桩基持力层均在隧道结构面以下基岩),最大轴力18000kN。
根据百货广场的结构、基础形式及操作空间,百货广场桩基托换采用梁式托换结构柱的形式,托换新桩采用人工挖孔桩,整个托换工程在地下3层室内进行。
根据高层结构变形要求,裙楼桩基采用主动托换。托换时,在托换梁和新桩之间设置加载千斤顶,利用千斤顶加载,使上部结构有微量顶升位移,同时使新桩的大部分沉降位移在顶升时预压完成,从而通过主动加载实现作用在原结构桩上的荷载经托换大梁转移至新桩上,且原桩(柱)顶升值和新桩沉降也得到有效控制。截桩在开凿人工孔至托换梁底下后逐步进行。截桩后隧道暗挖、衬砌变形稳定后(期间千斤顶装置及时调整),托换梁与新桩连接形成永久结构,托换完成。桩基托换及隧道施工全过程都实行严格的全过程监控、量测,确保了结构安全。
通过严格的计算和施工操作,通过技术攻关,解决了软弱地层桩基开挖支护、托换梁以及截桩、力的转换等技术难题,保证了百货广场等高层建筑物、地下管线的安全和正常使用。
该工程桩基托换原理如图3所示。
转贴于 2.2 过江隧道施工中的水平冻结法
地下隧道之间的连接通道冻结法施工是利用人工制冷技术,使地层中的水变冰,把天然土变成冻土,增加其强度和稳定性,隔绝地下水与地下结构的联系,以便在冻结壁的保护下进行联络通道施工的一种特殊施工方法。
制冷技术是用氟里昂作制冷剂的三大循环系统完成的。三大循环系统分别为氟里昂循环系统、盐水循环系统和冷却水循环系统。制冷三大循环系统构成热泵,将地热通过冻结孔由低温盐水传给氟里昂循环系统,再由氟里昂循环系统传给冷却水循环系统,最后由冷却水循环系统排入大气。随着低温盐水在地层中的不断流动,地层中的水逐渐结冰,形成以冻结管为中心的冻土圆柱,冻土圆柱不断扩展,最后相邻的冻结圆柱连为一体并形成具有一定厚度和强度的冻土墙或冻土帷幕。水平冻结加固原理如图4所示。
在实际施工中,通过水平钻进冻结孔,设置冷冻管,并利用盐水为热传导媒介进行冻结。一般是在工地现场内设置冻结设备,冷却不冻液(一般为盐水)至-22~-32℃。其主要特点有:
(1)可有效隔绝地下水,对于含水量>10%的含水、松散、不稳定地层均可采用冻结法施工。
(2)冻土帷幕的形状和强度可视施工现场条件、地质条件灵活布置和调整,冻土强度可达4~10MPa,能有效提高工效。
(3)冻结法施工对周围环境无污染,无异物进入土壤,噪声小。
(4)影响冻土强度的因素多,冻土属于流变体,其强度既与冻土的成因有关,也与受力的特征有关,影响冻土的主要因素有冻结温度、土体含水率、土的颗粒组成、荷载作用时间和冻结速度等。
冻结法的关键施工技术包括:
(1)确定冻结主要技术指标,即根据实际工况,确定积极冻结期和维护冻结期的盐水温度、冻土墙平均温度和冻土强度。
(2)冻结孔布置和施工,即根据连接通道平面尺寸和结构受力特征,设计布置冻结孔,同时冻结孔布置应根据管片配筋图微调冻结孔偏斜,控制孔径向外的偏角在0.5°~1 0°范围。
(3)冻结站设计、积极冻结和维护冻结施工,计算冻结冷量,根据冷量需要选择冷冻机组。
(4)连接通道开挖与构筑施工方法及其顺序。
(5)施工监测监控。
上海市大连路越江隧道工程由东、西2条隧道组成,2条隧道之间设有连接通道,均位于黄浦江底下,相距约400m。位于浦西岸边的连接通道(一),东西线隧道中心间距35.705m,隧道间高差3.565m,连接通道净距约25.665m;位于浦东岸边的连接通道(二),东西线隧道中心间距27.575m,隧道间高差0.345m,连接通道净距为17.175m。2条连接通道所处地层为砂质粉土和粘质粉土,渗透系数大、承压水头高,为满足通道的施工安全采用冻结法施工。工程实践表明,连接通道冻结施工技术具有冻结速度快、冻土强度高、帷幕均匀性好、抗渗漏性能高、与隧道管片结合严密、施工安全可靠的优点。对于长距离、大深度、高承压水条件下的江底连接通道的施工,其安全可靠性较能保证。融沉作为冻结法施工中不可避免的情况,可通过隧道及连接通道预留的注浆孔,及时地对地层进行补偿注浆,减小融沉量。在数条连接通道的施工中,已经充分显示出其优越性和社会经济价值。
2.3 地铁车站三拱两柱结构暗挖中洞施工工艺
随着我国城市地铁和交通快速轨道的发展,修建地铁的大城市也越来越多。由于地铁所经过的地段大部分为繁华的商业区,有些地段受拆改费用、交通占道、地下管线保护、古文物保护、环境保护等方面的影响,明挖(盖挖)地铁车站受到限制,只能采用暗挖法施工,从而出现了暗挖地铁车站。
北京地铁五号线磁器口车站、天坛东门站、崇文门站工程,采用三拱两柱暗挖车站中洞法综合配套施工技术,保证了工程质量和安全,按期完成了施工任务,取得了良好的社会效益。该技术适用于围岩自稳能力较差的地铁大跨双层暗挖车站及多连拱等地下停车场、地下商场、大跨公路、铁路隧道的施工。
暗挖车站中洞法施工的技术特点:
(1)采用CRD(CrossDiaphragm)施工方法完成中洞开挖,形成安全中洞初期支护体系。
(2)在中洞内完成底板、底梁、钢管柱、中板、顶梁和中拱,形成稳定中洞支撑体系,承受围岩主要荷载,为边洞开挖提供安全条件。
(3)采用CRD法对称完成边洞开挖。
(4)拆除临时初期支护体系,完成边洞二衬施工。
(5)体系转换过程中,合理确定分段长度,同时加设钢支撑。
(6)充分发挥监控量测作用,信息化指导施工。
暗挖车站中洞法施工的工艺原理:把大跨地质较差的隧道分成三部分,各部分条块分割,保证开挖期间安全,先形成中洞初期临时结构,在临时结构内施做永久衬砌结构,形成中部稳定支撑,承受围岩主要荷载,然后对称开挖边洞部分的各分块,最后形成整体结构。体系转换过程中,结合监测情况加设钢支撑。其工艺流程为:施工准备超前管棚注浆加固中洞各部开挖防水层铺设中洞底板、底梁立柱中洞中板顶梁、中拱超前管棚注浆加固边洞各部开挖临时隔壁拆除防水层铺设边洞底板边墙、中板边拱二次衬砌背后注浆。地铁车站三拱两柱结构暗挖中洞法施工如图5所示。
磁器口车站是北京地铁5号线与规划北京地铁7号线的换乘站,车站全长180m,宽21.87m,高14.933m。车站建筑面积为12244.2m2,车站主体覆土深度为9.8~10.3m。车站为双层岛式三拱两柱结构,车站地下1层为站厅层,预留通道实现与七号线换乘,地下2层为站台层。车站施工采用本法,保证了工程施工安全和质量,获得了成功。
3 水下基础施工工艺
3.1 海上基础工程施工
随着基础设施的建设,跨海大桥等海上工程逐渐增多,一批规划和在建的大桥,如渤海湾跨海工程、长江口跨江工程、杭州湾跨海工程(在建)、珠江口伶仃洋跨海工程以及琼州海峡工程等对海上基础施工带来了新的挑战。大型跨海、跨江工程基础采用大直径、长基桩是必然的趋势,结构钢管桩、临时钢护筒及海上平台临时钢管桩将大量采用。这些都对打桩船提出了新的要求。而配有高桩架,强大吊桩动力系统,大能量打桩锤及先进的海上沉桩GPS测量定位系统的打桩船能出色的完成海上锤击沉桩的任务。
从大的方面来看,海上沉桩系统包括打桩船、运桩船、抛锚艇、拖轮及交通船等船舶组合。单从钢管桩的沉入工序来看,打桩船为钢管桩沉入的主体,其主要由以下几个部分组成:船体系统(包括船体、锚位系统、动力系统)、桩架及其吊桩系统、锤击沉桩系统(包括打桩锤、替打)、海上沉桩GPS测量定位系统等。尤其是GPS能实现远离岸边施工船的定位和定位过程中数据的自动采集与处理,并以图形和数字的形式反映施打桩的当前和设计位置,便于操作人员调整船位进行施工打桩,同时还能自动生成打桩报表以及进行数据的回放,从而给海上沉桩带来便利。
海上沉桩定位采用“海上沉桩GPS RTK测量定位系统”来实现,如图6所示。
安装在打桩船上的3个GPS接收机接收建立在陆地的基准站及海中参考站发射的固定频率数据链,以此作为定位的基准数据。其工作原理:定位时,由固定在打桩船上的GPS流动站以RTK方式控制船体的位置、方向和姿态,同时配合2台固定在船上的免棱镜测距仪测定桩身在一定标高上的相对于船体桩架的位置,由此可推算出桩身在设计标高上的实际位置,并显示在系统计算机屏幕上。通过与设计坐标比较,进行移船纠位,直至偏位满足要求。桩身的倾斜坡度由桩架控制。桩顶标高根据由免棱镜测距仪发出的红色水平光束所指涂画在桩身上的刻度,通过系统计算得出。具体定位前,将所要定位桩的设计中心坐标、高程、平面扭角等参数输入计算机内,定位时,可在显示屏上显示实时桩位数据与图形,同时也显示设计沉桩位置和偏差,打桩船指挥人员根据显示的有关信息指挥打桩船正确就位。
本工艺适用于海洋、大江中的桥梁、码头的结构钢管桩、临时钢护筒及水中平台临时钢管桩的沉入施工,有以下明显的优点:①能在海况恶劣的海域中进行作业;②能够适应超长、大直径钢管桩的沉桩施工;③能满足不同倾斜度和平面偏角斜桩的沉桩施工;④能使钢管桩穿过不同的土层;⑤测量定位简单快捷,精度满足要求;⑥施工周期短(单根直径1.6m,长80m左右的钢管桩沉桩施工全过程仅为2.5h)。这在在建的杭州湾大桥工程中得到了实践。
3.2 无导向船双壁钢围堰下沉施工技术
基础施工中,传统采用的钢板桩围堰钻孔桩基础和沉井沉至基层的基础,存在着影响工程进度的2个薄弱环节:①钢板桩围堰钻孔桩基础采用单层钢板桩, 沉井沉至基层的基础在沉井顶上安设的防水围堰,一般强度较小,围堰内抽水工序的安排受到施工水位的限制;②沉井基础嵌入岩层清除风化岩的消基工作非常费工费时,特别是在深水急流中工程进度直接制约着整个基础的安全渡洪。相比而言,双壁钢围堰钻孔桩基础采用双壁钢围堰防水结构,该结构吸收了上述2种施工结构的优点,实质上就是一个圆形浮式井筒和防水围堰结合起来的施工结构,能够承受较大的向内或向外的水压力,一般情况下,基础施工工序的安排不受外界季节性水位变化的影响。
双壁钢围堰由内外两板壁组成,板壁间以刚性支撑予以连接,由于两板壁之间为空腔,底部以环形刃脚封闭,使其具有自浮能力,在底节处于浮起的情况下可以根据设备起重能力逐节加高板壁,在空腔内注水配重并通过吸泥机吸泥促使其下沉,直至将钢围堰下沉至设计指定位置,并通过灌注水下封底混凝土使其保持稳定,而后根据设计要求进行钻孔桩施工,钻孔平台可直接搭设在钢围堰顶面。
采用无导向船双壁钢围堰下沉施工,由于取消了庞大的导向船、联结梁体系等,锚碇系统所承受的风力和水流作用力大大减少,从而简化了锚碇设备的配置与施工,加快了施工进度,节省了钢料和水上设备。同时双壁钢围堰结构为浮式沉井,既便于浮运就位又能够承受较大的水压力,还可以克服下沉时底部翻砂的弊病,而且围堰吸泥下沉就位时间短,施工安全。特别适用于通航条件要求高,施工区域狭窄,砂粘土及卵石土地层,无法设置导向船的水上施工项目。
该工艺应用于四川隆纳铁路泸州长江大桥水中基础施工,顺利完成了深水基础施工任务,确保大桥按期完工。对于类似的深水基础施工,有广泛的推广应用价值。
关键词:建筑施工;新技术;地下工程
引 言
地下工程种类很多,施工工作条件特殊,施工环境复杂,因此对施工技术有着较高的要求,建筑施工新技术的发展能够为地下工程的建设提供技术保障,因此,要加大研究力度,对建筑施工新技术进行研究,保证地下工程施工的顺利进行。
1 地下岩土和岩土
地下工程作为一种结构物,与地面构筑物的一个重要区别在于它处在岩石或土这种地质环境之中。周围岩土介质的各种物理力学性质及其赋存条件,对地下工程的设计、施工乃至运营都有重要的影响。
岩石是经过地质作用形成的由一种或多种矿物组成的天然集合体。在地壳岩石形成过程中,地质构造作用以及其他漫长的大自然作用破坏了岩石的完整性和连续性,产生了许多裂隙、节理和断层。常常把节理、裂隙、断层和沉积岩与由沉积岩变质的变质岩在生成过程中形成的层理和层面统称为结构面。把由结构面切割出的完整块体称为岩块,因此岩体也就可以认为是由岩块和结构面组成的复杂地质体。
绝大部分土是地表岩石经过漫长地质历史年代的同化作用而生成的。经物理风化的土层矿物成分常与原生矿物一致,如石英、长石、云母等。原生矿物经化学风化形成新的次生矿物成分,主要有粘土矿物,如高岭土、伊利石和蒙脱石。这是土体中两种物理力学性质存在明显的区别。风化后的土体还会受到水、风、冰川等的动力作用,经冲刷、搬运后沉积在一起的土体成分,就变得相对复杂,并可能形成一定的沉积构造。
土体经长期的高压、脱水、固结后,又会形成岩石。因此,岩石和土的区别只是颗粒胶结的强弱。由于土的胶结力弱,因此土的成分对土体的物理力学性质影响更为严重,而岩石则相反,有时甚至两者难以区别。
2 隧道与巷道
对于洞道式地下工程,不同的行业有不同的称谓,公路及铁路部门称为隧道,在矿山称为巷道,水利水电部门称之为隧洞,而军事部门则称为坑道或地道,在市政工程中又叫通道或地道。
隧道(tunnel)通常是指修筑在地下或山体内部,两端有出入口,供车辆、行人等通过的通道。大部分隧道的设置以交通运输为主要目的,如交通运输方面的铁路、公路和人行隧道;城市地下铁道隧道、海底及水底隧道等。
巷道(heading、drift等)通常是指为采掘地下矿物而修建的地下空间结构体,包括各种巷道和硐室。矿山隧道一般埋藏比较深,可达数百米甚至几千米,故可称为深埋隧道;矿山巷道的断面一般比交通隧道的小,这些均导致了两种隧道的设计与施工有一定的区别。矿山巷道按作用分主要有运输巷道、通风巷道、人行巷道和硐室。运输巷道是矿车运行的主要通道,负责人员、矿藏、材料、设备的输运和通达。包括车场中的各种巷道、石门、运输巷、材料巷等。通风巷道用于输送新鲜空气,排除有害气体和废气,调节温度。人行巷道专供人员通行。硐室的长度一般比较小,断面相对较大,主要用于安装大型生产设备、存放材料,如机车库、炸药库、变电所、水泵房等。
隧洞通常是指水利发电工程、城市市政方面的各种水工隧道或隧洞等。在水电工程中设置各类水工隧道可实现引水、排水、通风等目的;市政工程中,设置各类公共隧道可实现污水排放、管线铺设等目的。
坑道通常是指军事工程方面的各种国防坑道,是一项隐蔽在地下、水下或山体内部,作为作战、防御、储藏手段的重要结构物,是战争时期的重要场所。
地道或通道一般也称地下人行道。常在道路交叉口,为行人穿越道路而设。
不论何种洞道式工程,从地质条件上可将其分为两大类,即岩石洞道和土层洞道。根据其所处的环境不同可分为山岭隧道、城市隧道、水(海)底隧道、矿山隧道(巷道)等。根据其埋藏深度分为深埋式与浅埋式。对于深埋与浅埋的界限目前尚无明确的指标。
3 围岩与围岩压力
未经人为开挖扰动的岩(土)体称为原岩。当在原岩(土)体内进行地下工程开挖后,周围一定范围内岩(土)体原有的应力平衡状态遭到了破坏,导致应力重新分布,引起附近岩(土)体产生变形、位移、甚至破坏,直到出现新的应力平衡为止。将开挖后隧道周围发生应力重新分布的岩(土)体称为围岩,围岩既可以是岩体,也可以是土体。如果在出现新的应力平衡之前已对围岩进行了支护,则围岩的变形和破坏就会引起应力和位移的变化,甚至破坏支护结构。岩体力学中把由于开挖而引起的围岩或支护结构上的力学效应统称为广义的围岩压力。
围岩压力的大小,不仅与岩体的初始地应力状态、岩体的物理力学性质和岩体结构有关,同时还与工程性质、支护结构类型及支护时间等因素有关。显然,当围岩的二次应力不超过围岩的弹性极限时,围岩压力将全部由围岩自身来承担,隧道也就可以不加支护而在一定时期内保持稳定。当二次应力超过围岩的强度极限时,就必须采取支护措施,以保证隧道稳定,此时,围岩压力是由围岩和支护结构共同承担的,可见,作用在支护结构上的压力仅是围岩压力的一部分。因此,把作用在支护结构上的这部分围岩压力称为狭义的围岩压力。通常所说的围岩压力多指狭义围岩压力。
对围岩的理论研究表明,围岩本身具有一定的自承载能力,充分发挥围岩的自承载能力,会大大降低隧道支护成本。隧道开挖后,适当控制围岩的变形,对隧道的维护具有重要意义。
围岩压力就其表现形式可分为松动压力、变形压力、冲击压力和膨胀压力等。由于开挖而引起围岩松动或坍塌的岩体以重力形式作用在支护结构上的压力称为松动压力,亦称散体压力。开挖必然引起围岩变形,支护结构为抵抗围岩变形而承受的压力称为变形压力。冲击压力是围岩中积蓄的大量弹性变形能受开挖的扰动而突然释放所产生的压力,包括岩爆、岩震和突出等。膨胀压力是岩体遇水后体积发生膨胀而产生的压力,其大小取决于岩体的性质和地下水的活动特征。
4 矿山法与新奥法
所谓矿山法,一般是指采用传统的钻眼爆破法或悬臂式掘进机开挖的方法,是一种传统的采用暗挖法施工地下工程的方法。所谓新奥法是20世纪60年代奥地利专家L.V.Rabcewicz总结前人积累的经验后提出来的一套隧道设计、施工的新技术,即新奥地利隧道施工法(New Austrian Tunnelling Method,NATM),简称“新奥法”。指在采用矿山法施工地下工程时,对挖掘和支护、尤其是对支护进行科学设计和组织的一种思想、理念和方法。它强调的是在岩体被开挖之后,要进行有关变形和力学参数监测,以合理确定一次支护与二次支护的时机,确定初次支护、二次支护的结构形式与尺寸,即信息化施工。它是一套地下工程设计、掘进、衬砌、测试相结合的完整新概念。新奥法在公路与铁路隧道、矿山巷道、地下交通隧道等工程中得到了广泛推广和应用。
因此,矿山法和新奥法是两个完全不同的概念,新奥法涵盖于矿山法之中,二者不具有同体性和可比性。新奥法的基本思想和方法不仅适用于隧道工程,而且同样适用断面相对较小的各类巷道工程。但目前在某些部门还存在混淆,例如某隧道采用钻研爆破法施工,有的人则声称“采用的是新奥法而不是矿山法”、“新奥法比矿山法优越”等,这是完全的概念性错误。
4.1 新奥法在地下工程应用的工程案例分析
我司承建施工的某公路隧道最大埋深约130m,设计净高5.0m,净宽14.0m,隧道长940m。隧道区域内主要为微风化黑云母+长花岗岩,局部有微风化煌班岩脉穿插。围岩以Ⅳ-Ⅴ类为主,进口段为Ⅱ-Ⅲ类围岩,岩体裂隙不甚发育,稳定性较好。隧道区域内地表水系不发育,区域内以基岩裂隙水为主,浅部残坡积层赋存松散岩类孔隙水,洞口围岩变化段水系较发达。采用新奥法施工。
4.2 新奥法的实际发展与未来展望
实际发展:经20多年的实践和推广,新奥法已在欧洲一些国家如奥地利、联邦德国、瑞典、瑞士、法国等的山岭隧道中普遍使用(占70~80%),并已用于地下铁道,且取得沉降量特别小的显著成果。日本从1976年以来,已有近100座隧道采用了新奥法。中国从60年代初开始推广喷锚支护新技术,到1981年底,采用喷锚支护的地下工程和井巷的总长度已接近7500公里。近年来,又在普济、下坑、大瑶山等铁路隧道采用新奥法进行施工。
新奥法的适用性很广,中国已在亚粘土和黄土隧道施工中取得成功。但在下列情况下,一般都应采取适当的辅助措施才能施工:①涌水量大的地层;②因涌水产生流沙现象的地层;③围岩破碎使锚杆钻孔和插入都极为困难场合;④开挖面不能自稳的围岩。
未来展望:新奥法的发展是和喷锚支护的材料、方法和机具等的发展密切相关的。要进一步研制初期和长期强度都高、回弹少、粉尘低、生产率高的喷射混凝土系统,并和高效能的集尘器、自动喷射装置、周期短的材料供应系统配套。研究能缩短喷敷时间,又无公害的新喷敷方法。研究不需用临时堆放场地、易于运输的喷射材料和新的施工工艺,如钢纤维加强喷射混凝土、SEC喷射混凝土、光面爆破和深孔爆破技术、液压凿岩台车(兼作安装锚杆用)、喷射车组(包括机械手)、各种混凝土喷射机、液体速凝剂、粉尘防止剂、树脂锚杆等。
5 结 语
随着经济的发展和社会的不断进步,建筑工程得到了快速的发展,尤其是地下工程如雨后春笋般涌现,地下建筑工程的出现和发展为城市节约了大量的土地资源,有效地缓解了我国的人地矛盾。地下工程的继续发展对施工技术提出了更高的要求,一定要不断地优化施工技术,提高施工水平,推动城市地下工程的发展。
参考文献
[1]程桦.城市地下工程人工地层冻结技术现状及展望[J].淮南工业学院学报(自然科学版).2000(02).
[2]刘,梁鹏.城市地下工程中人工冻结法的防冻胀优化设计研究[J].武汉科技大学学报(自然科学版).2004(04).
关键词:地下工程 施工缝 防水
随着城市地下空间的逐步开发,建筑工程的规模不断扩大,结构工程的使用性能要求逐步提高。为确保地下结构工程安全、使用性能就必须保证主体结构工程的整体耐久性,提高地下结构整体防水性能。除提高结构自防水性能外,施工缝、变形缝、桩柱节点等特殊防水性能的质量要求尤为关键。下面详细介绍地下工程施工缝常见防水做法,总结施工要点,为今后类似工程的施工提供依据。
一、工程概况
于家堡站交通枢纽位于天津市滨海新区中心商务区的北端,是集京津城际延伸线、城市轨道交通、商业空间、公交、出租于一身的大型综合全地下交通枢纽。枢纽工程三面环海河,地下水丰富,潜水位高(0.8-1.5m)。工程建筑面积27万,基坑最深处达31m。主体结构为地下三层多跨式框架结构,结构层板板厚1或1.5m,边墙厚度为1m,采用盖挖逆作法施工。
根据施工需要分别于结构层板、边墙结合后浇带设置水平、垂直施工缝,施工缝总长度达36000m。施工缝主要采用中埋式钢边橡胶止水带、缓膨胀性遇水膨胀止水胶条、可维护注浆管等方法,基本涵盖盖挖逆做地下工程施工缝防水全部做法。
二、施工缝防水施工方法
(一)中埋式钢边橡胶止水带
1、材质性能及止水原理
止水带采用天然橡胶制成,宽度350mm,中间橡胶厚度8mm,两侧钢片厚0.8mm。
钢边止水带由两部分组成,即中间橡胶与两侧钢片,中间橡胶有收缩、拉伸变形特性,抵御两侧结构变形,而两侧钢片与混凝土容易密贴,延长渗漏水通道,保证施工缝防水要求。
2、应用范围
中埋式钢鞭橡胶止水带一般适用于迎水面结构层板水平施工缝、边墙水平、垂直施工缝,施工中与防水卷材加强层配合使用。
3、安装方法及操作要求
(1)钢边橡胶止水带安设位置要准确,一般设在防水钢筋混凝土结构厚度的二分之一处,其中点与施工缝对齐,做到平、直、顺,不得出现扭曲、变形等现象。钢边止水带可用铁丝穿孔固定或用钢筋加固定在结构钢筋上。固定点间距不得大于400mm。钢边止水带转角处应做成圆弧形,半径不应小于100mm。
(2)底板、顶板施工部位的止水带应采用盆式安装方法,保证振捣时产生的气泡能够顺利排出,使止水带部位的混凝土与止水带之间咬合密实不透水。止水带两翼与水平方向的夹角控制在15-20度之间。
(3)止水带部位的混凝土应进行充分的振捣,保证施工缝部位的混凝土充分密实,这是止水带发挥止水作用的关键,应确实做好。振捣时严禁振捣棒触及止水带,防止损坏止水带。
(4)浇筑施工缝先施工一侧混凝土时,其端模支撑应牢固严防止水带处漏浆。
(5)钢边橡胶止水带接头连接主要冷接,即采用机械铆钉连接。
(6)前期一侧混凝土浇筑完成后,应立即将全部止水带固定钢筋及铁丝清除,保证混凝土接茬洁净,无杂物,施工中注意对止水带成品的保护。
4、施工优缺点
钢边止水带安装简便,延长了施工缝渗漏水通道,起到防水作用,预防施工缝渗漏水效果较好。在安装过程中,需要设置附加钢筋、铁丝等加固措施,施工部分空间紧密的结构时,附加措施的清除较为困难。另外止水带具有一定的刚性,接头对接时施工要求高,结构连接质量较难控制。钢边止水带属前期施工缝渗漏水预防措施,如出现渗漏水,后期无法修复处理。
(二)缓膨胀性遇水膨胀止水胶条
1、材质性能及止水原理
遇水膨胀止水胶条具有遇水缓膨胀特性,属不定型产品,挤出后固化成型,其物理特性详见下表:
表1 遇水膨胀止水胶物理力学指标表
序号 项目名称 指标 备注
1 体积膨胀率,% ≥220
2 高温流淌性,80℃*5h 无流淌性
3 低温试验,-20℃*2h 无脆裂
4 7d膨胀率,% ≤60
遇水膨胀止水胶条可以与可维护注浆管配合使用,注浆管包括注浆管、浆液注射管两部分组成,注浆管采用弹簧骨架或树脂骨架,注浆管内有单项节流装置,注浆进入时,撑破滤网系统,封堵渗漏通道;注浆停止,滤网系统可自动收缩,封闭注浆管,具备重复注浆的功能。
止水胶条止水原理是当外界水分进入施工缝,止水胶条遇水膨胀,封堵施工缝空隙,进一步提高施工缝密实度,从而达到止水要求。
2、应用范围
遇水膨胀止水胶条适用于背水面结构层板施工缝,一般设置一道,端面尺寸为15mm×8mm。
当应用于结构边墙逆做下翻水平施工缝时,通常设置两道,并与可维护注浆管配合使用
3、安装方法及操作要求
(1)施工前砼结构应进行凿毛处理,清理结构基面,保证洁净、无杂物且干燥。施工时间以混凝土浇筑前6-8小时为宜。
(2)结构层板水平施工缝应做成错台形式。边墙逆做水平施工缝应采用斜坡式,满足逆做混凝土浇筑填充需要,因此应保证止水胶条与上部混凝土粘贴紧密,不脱落。
(3)止水胶采用专用注胶器挤出,挤出量按设计要求。成型后尺寸不小于15mm×8mm。
(4)结构边墙水平逆做施工缝时,可维护注浆管与止水胶条配合使用,设置于两道止水胶条之间、施工缝中心。注浆管每4-5m设一个注浆孔,与浆液注射管连接,注浆管与浆液注射管连接应牢固。可维护注浆管固定卡间距宜控制在150-200mm之间,不宜大于200mm;注浆管与浆液注射管连接后,接头两侧各用一个固定卡固定;浆液注射口部应露出混凝土表面,方便现场注浆。
(5)注浆施工应根据后期施工情况进行。
4、施工优缺点
缓膨胀性遇水膨胀止水胶条,操作简便,使用范围广。但施工环境要求高,单独使用预防渗漏水效果较差。在边墙逆做水平施工缝使用时,可与可维护注浆管配合使用,具有一定补救处理能力,安全系数高。
三、结论
经实践证明,该工程施工缝防水质量满足要求,为今后盖挖逆做地下结构工程施工缝防水处理方法选择和施工要求提供了借鉴。
参考文献:
【关键词】地铁浅埋暗挖 施工技术研究与应用
中图分类号:U231+.4文献标识码: A 文章编号:
一.前言
埋暗挖法是在距离地表较近的地下进行各种类型地下洞室暗挖施工的一种方法,是城市地铁区间施工的有效方法,对地质条件具有较好的适应性,已成为城市地下工程施工的重要技术手段,具有埋深浅、地层岩性差、存在地下水、周围环境复杂等特点。埋暗挖法在我国得到了广泛的应用。然而暗挖施工所引起的各类沉降始终是地下工程中较为敏感的问题。沉降若控制不好, 轻则使行人、 车辆感到不适,影响地下工程文明形象,重则导致地下管线破坏、地面建筑变形开裂, 影响周边居民的正常工作生活。因此, 暗挖施工的沉降控制技术, 一直是地下工程设计和施工所研究的课题。
二.浅埋暗挖法
1.概述
近年来,随着城市化进程的加快,带来生存空间拥挤等问题,全国各地都在进行着地下空间的开发,特别是在城市地下建设地铁工程和地下城。在埋深不大的地段,越来越多地采用浅埋暗挖法施工,其优越性日益明显。浅埋暗挖法与明挖法、 盾构法等方法,已成为城市地下工程的主要施工方法。浅埋暗挖法是在第四纪软弱地层中修建隧道的方法,其核心原理是新奥法即在施工中采用辅助措施加固围岩充分调动围岩的自承能力 开挖之后及时进行支护,封闭成环,使初期支护与围岩共同作用形成联合支护体系,能有效地抑制围岩变形过大,在初期支护沉降稳定之后进行二次支护, 完成整个隧道结构断面的施工。 初期支护主要承担全部基本设计荷载,二次衬砌作为后期安全储备,由初期支护和二次衬砌共同承担特殊荷载。复合式新型支护结构体系是按照先柔后刚的理念设计的,能较好地克服隧道工程中的不可预知性。由于地层水文地质条件以及周围环境的复杂性,应用浅埋暗挖法施工,必须对地层、支护材料、附近建(构)筑物进行施工过程监控,根据监控信息及时更正设计,以指导施工 进而确保施工的安全。
2.浅埋暗挖法的应用范围、 特点及应用现状
(一)浅埋暗挖法概念及原则
浅埋暗挖法是沿用新奥法的基本原理,建立监控量测体系,采用先柔后刚复合式衬砌新型支护结构体系,考虑初次支护和二次衬砌共同承担特殊荷载;该工法在施工过程中采用多种辅助工法,全面注浆加固,大管棚和超前导管注浆加固围岩,采用不用的开挖方法及时支护、封闭成环,使其与围岩共同作用形成联合体系,同时在施工全过程中,针对浅埋暗挖隧道的特点应用监控量测和信息反馈技术指导施工,优化设计等多种综合配套技术组成。
(二)浅埋暗挖法的应用范围
浅埋暗挖法适用于:在软弱围岩及浅埋地层中修建城市地下铁道、 山岭隧道洞口段及其他浅埋的结构物;在不能明挖施工的软弱无胶结的砂或土质、 卵石等第四纪地层, 修建覆跨比大于0.2的浅埋地下洞室; 高水位的地层, 但必须采取堵水或降水、 排水等辅助施工措施。 尤其对于地面建筑物密集、 结构埋深浅、 地下管线密布、 交通运输繁忙并且对地面沉降要求严格的城市地下工程, 如修建地下铁道、 地下停车场、 埋置热力与电力管线, 这项技术更适用。
(三)浅埋暗挖法的特点
浅埋暗挖法严格来说是矿山法的一种, 是适合中国地质条件的、 独特的变异施工方法。 与其他地下工程施工方法相比具有自身的特点:
(1)可适应各种地质水文条件的地层。
(2)适应各种结构断面形式(如单线、 双线、 多线及车站等)和变化断面(如过渡段、 多层断面等)。
(3)采取分步开挖和辅助施工的方法, 可以很好地控制地表沉降。
(4)从整体效益出发, 浅埋暗挖法是比较经济合理的施工方法。
(5)浅埋暗挖法也存在缺点, 如喷射混凝土时粉尘较多、 劳动强度大、 机械化程度低以及高水位地层结构防水比较困难等。
(四)应用现状
在20世纪70年代初开始进行新奥法应用于浅埋地层的研究, 到70年代末80年代初,已基本形成一套完整技术并应用于城市地铁和市政工程等。 目前, 德国、 日本、 美国、 法国、 意大利、 韩国等国家都有成功应用的实例。我国于年代70末80年代初开始将新奥法应用于地下工程施工, 并于80年代中后期开始系统研究新奥法在浅埋软弱地层中的应用,1984年首先在大秦线军都山隧道进口黄土段试验成功, 之后运用在北京地铁复兴门车站折返线工程, 并在地铁复―西区间、 西单车站、 国家计委地下停车场等地下工程中推广应用。 经过对多年工程实践经验的不断总结和完善, 浅埋暗挖法已在城市地铁、 地下停车场等工程中得到了广泛的应用, 如2010年沈阳地铁某标段区间隧道覆土厚度为10m~12m, 区间结构主要位于砾砂、 中粗砂层, 均处于潜水层内, 上覆土层主要为圆砾、 砾砂及中粗砂层, 从整体效益考虑采用的施工方法就是浅埋暗挖法中的正台阶法。
三.地铁浅埋暗挖施工技术分析及应用
本文结合深圳地铁龙岗线工程实例,介绍了浅埋暗挖施工技术及所采取的一系列综合技术, 可为今后类似工程提供借鉴依据。
工程概况
深圳地铁龙岗线设计起点位于福田区的益田村, 终点位于龙岗区的双龙立交桥西侧,全长 41km (双线),其中地下线长16.7km,高架线长 21.7km,地面线 (含过渡段)长 2.6km。华新站~中心公园停车场出入线,位于红荔路与华富路交叉路口,沿红荔路呈东西方向布置,原设计采用明挖顺筑法施工, 基坑开挖深度约 16.3~20.5m, 支护工程安全等级为一级,围护结构采用 φ1000@900 的套管咬合桩,桩顶对应设置1m ×1m 或 1.4m ×1m 冠梁,基坑内支撑采用 Q235 钢的φ609mm、 壁厚 t=12mm 或 16mm 的钢管支撑, 竖向设置 3或 4 道钢管支撑和一道倒换撑。
2. 采用浅埋暗挖法施工的原因
红荔路与华富路交叉路口的西北角地下管线密集,主要有121 孔通信管道、 一根DN600 给水管、一根 DN400 污水管、一根 φ200mm 燃气管道、一个 1.6m×1.8m 雨水箱涵和一条 φ1000mm 雨污合流排水管,这些管线均在华新站~中心公园停车场出入线明挖基坑上跨过,在不到 10m 宽度的基坑范围内, 管线就占了 5.3m,尤其是 1.6m 宽雨水箱涵和 2.5m 宽通信管沟。红荔路与华富路交叉路口的东北角地下有一条埋深 5m、 断面为 3m×3m 的高压电缆隧道横跨明挖基坑。通信管线和高压电缆隧道经多方协调无法迁改,其它管线迁改也很困难,燃气管线迁改时间长,无法满足整个项目施工进度计划要求,而且套管咬合桩直径1m,间距 0.9m,避让管线困难,原设计明挖法的围护结构没有条件组织施工。为确保基坑上方管线的正常使用及工程施工的顺利进行,经组织相关单位的技术专家反复研究论证,决定将管线密集部位和下穿高压电缆隧道部位由原设计的明挖法改为暗挖法施工。
3. 浅埋暗挖隧道设计
设两段暗挖隧道,起止里程分别为 RK0+411.067 ~RK0+419.883 和 RK0+471.004~RK0+479.025,两段暗挖隧道分别长约 8m,在暗挖隧道与明挖段分界处各设一排密排钻孔灌注桩作为明挖段基坑的封堵桩。明挖改为暗挖后, 上方的管线和高压电缆隧道不用迁改,也不用采取特殊措施进行保护, 解决了管线密集无法施工明挖基坑围护结构的难题。暗挖隧道位置岩土层自上而下为: 素填土、 砾 (砂) 质粘土层、 全风化花岗岩、 强风化花岗岩。暗挖隧道主要在砾 (砂 ) 质粘土层中, 局部进入全风化花岗岩层。暗挖隧道断面为矩形, 开挖断面为 11.5×6.8m (宽×高) 、喷射混凝土厚度 35cm、 二衬厚度 60cm, 成型尺寸 9.6×4.9m(宽×高 ) 。暗挖隧道采用浅埋暗挖法及锚喷构筑法进行设计,采用复合式衬砌结构 (即以注浆锚管、 钢筋网、 喷射混凝土和型钢钢架为初期支护, 辅以开挖前隧道全断面注浆、 大管棚 + 小导管注浆超前支护, 以模筑钢筋混凝土作二衬衬砌,初期支护与二衬之间设全包防水隔离层 )。
4.浅埋暗挖施工技术
暗挖隧道施工在明挖段基坑开挖到底后进行, 总体施工方法为浅埋暗挖法, 严格遵循 “管超前, 严注浆, 短开挖, 强支护,快封闭, 勤量测” 的十。
施工顺序为: 施作大管棚并注浆隧道全断面注浆破除堵头桩、 施作洞门开挖初喷混凝土挂网立钢架打锚管复喷混凝土二衬施工。
(一) 大管棚超前支护施工
暗挖隧道顶离地表只有 11m,离高压电缆隧道底只有 3m,超前预支护大管棚采用 φ108mm,壁厚 8mm 钢管。管棚布置在暗挖隧道和高压电缆隧道之间,距离暗挖隧道初支 20cm,按帽形布置,环向间距管中到管中为 40cm。采用同步液压干取土顶进管棚的施工技术,其设备为水平液压钻孔顶管机,钻进过程中随时根据高压电缆隧道和地表的沉降控制标准和地层情况调整钻头与钢管的相对位置,做到钻头超前或滞后于管棚。管棚施工后,为增加管棚的刚度,在钢管内压注 1:1 的水泥砂浆。
(二)全断面注浆施工
全断面注浆加固范围为开挖轮廓外 2.5m,纵向注浆长度为暗挖隧道全长。全断面注浆选用的机械设备为 XY- 2 型地质钻机和 PH15型注浆机, 注浆的工艺流程如下:
(1) 施作注浆孔。根据设计定出孔位, 并计算各注浆孔的长度和角度。钻孔顺序从拱顶处自上而下、 由外向内钻设, 每成一孔及时退出钻机,安装注浆管。 成孔直径为 73mm,以利于安装注浆管,并便于封堵孔壁和管壁间空隙, 保证注浆效果。
(2) 注浆。注浆采用后退式分段注浆,将 8m 的注浆管分成8 段,通过调整注浆管内的止浆阀位置实现分段注浆。先注TGRM 水泥特种灌浆料 (水: TGRM=0.6:1),该浆液料能将孔壁和管壁间的空隙填充密实, 并具有一定强度。对所有的注浆管进行填充加固后, 再对每一根管进行分段后退式注浆, 注浆材料为超细型 TGRM 水泥特种灌浆料 (水: TGRM=0.8:1), 注浆压力为 0.6MPa。 注浆效果可通过预留观察孔、 注浆压力和注浆量等因素综合分析进行预测。开挖过程中对注浆效果不理想部位应进行重新注浆加固, 以保证施工安全。
(三)隧道开挖支护施工
隧道开挖支护时, 严格按中导坑法组织施工, 分六个部分开挖及支护, 及时支护, 及时封闭。具体施工次序是: 双向隧道中导洞开挖及支护隧道中隔墙施工恢复中导坑横撑两侧导洞分别分先后开挖及支护两侧导洞二衬施工。
中导洞开挖初支的施工次序为:中上导坑土方开挖安装初支钢筋网型钢钢架架立锁脚锚管打设喷射混凝土封闭掌子面中中导坑土方开挖中下导坑土方开挖及初支。左、右导洞开挖初支的施工次序与中导洞类似。
土方开挖完成后,要及时安装初支钢筋网和架设型钢钢架, 并注意保证钢架高程及位置的准确性。钢架立脚应架设在木板上,严禁直接架设在虚土上,钢架连接螺栓必须连接牢固。上台阶钢架架设后,立脚处打设 2根锁脚锚管,锚管采用 φ42mm 钢管,长 2.5m,下倾角 20°左右,注水泥砂浆填充,压力 0.2MPa。锁脚锚管的打设应及时紧跟钢架, 锚管打设时对周围土体有扰动,可能会出现局部土体坍塌,可先喷 10cm 厚混凝土,再打锁脚锚管。钢架架立完成并经验收合格后及时施作喷射混凝土,喷 C20早强混凝土,厚度为 35cm。如掌子面不能及时开挖,应对掌子面进行封闭,挂网喷 5~10cm厚混凝土。如掌子面还不够稳定,则需在掌子面打设锚管,并加大喷射混凝土厚度。
四.浅埋暗挖法的发展前景
1.复杂受力转换过程的沉降控制浅埋暗挖法的复杂受力转换是在既有建筑物之下进行的,由于避免了拆迁、拆除等,导致其施工技术难度大、工艺复杂, 故沉降控制要求严格。 此项技术在以后城市地下工程中将有很好的发展空间。
2.提高浅埋暗挖法的施工速度和注浆技术浅埋暗挖法机械化程度低,靠人工开挖的比较多,施工速度慢,工作效率比较低。应研发隧道开挖全过程的机械化操作,同时选择适宜的辅助注浆施工措施,目前主要采用的是超前小导管或超前锚杆支护、 特殊地层冻结法、 超前小导管注浆支护、水平旋喷加固等。 应从保证施工安全和施工速度的角度出发, 提高注浆技术。
3.研究解决浅埋暗挖法防水问题的新方法目前浅埋暗挖法施工主要做两道防水层:第一道是在初支和二衬之间铺设全包防水板;第二道主要是二衬防水混凝土。随着施工技术的发展和进步,应研究新型的防水材料,一次性完成防水层施工。
4.开发新型综合的施工方法将新施工方法与我国浅埋暗挖法的设计思想相结合, 形成一种适用于特殊地层的综合开挖法, 可加快机械化施工进度和施工速度, 进而缩短工期, 降低造价。
五.结束语
城市工程地铁的施工,应统筹兼顾、全面考虑,选择最优的浅埋暗挖施工方法。浅埋暗挖法与其他方法相比具有显著的优越性。浅埋暗挖法是一种独特的施工技术,其发展适合城市地铁的施工发展形势。 随着新型建筑材料、 新型工程机械和隧道结构理论的进步,浅埋暗挖技术必将得到更大的发展空间。
参考文献:
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