[分享]精品图文 | 详解盾构下穿工程施工技术 | 附典型案例

发表于2018-04-08    808人浏览    2人跟帖    总热度:382  


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首先从宏观上阐述盾构隧道下穿工程的概念。
城市轨道交通的盾构隧道在地层中穿越施工会遇到各种形式的下穿工程,就一般工程而言,下穿施工只需进行常规的控制,但对于一些重要的或特殊的建(构)筑物来说,由于其重要性或对变形的敏感性,需要采取特别严格的施工措施才能保证下穿施工的成功;此外,对某些工程来说,如下穿既有铁路线,下穿施工仅仅是一方面,更重要的是施工完成之后,轨道交通车辆运行与被穿体之间存在某种复杂的相互影响关系,这种持续的和长久的相互影响,会对运行带来意想不到的危害,这也是下穿工程所必须面对的。
下穿工程的类型可以根据几种不同的方式进行划分:根据被穿体的不同,可以分为下穿交通线、下穿建筑物(单体)、下穿建筑群、下穿管线、下穿堤坝、下穿特殊的河流等;根据盾构隧道与下穿体之间的平面几何关系,可以分为正交下穿、斜交下穿、小角度斜交下穿、部分下穿、切角下穿、侧下穿等;根据埋深关系,可以分为浅埋下穿、深埋下穿。
盾构机从桥墩侧面穿越,从堤坝下穿越或从建筑物下穿越,所产生的变形可以形象地表示为图所示的情况,显然变形的大小与施工控制、土层等诸多因素有关。
精品图文 | 详解盾构下穿工程施工技术 | 附典型案例_1
工程地质条件对下穿方案的影响至关重要,是决定下穿施工措施乃至后续运营条件的重要因素。根据已有的实践,根据下穿工程所处的地层特性可以分为:软粘土、粘土、软岩、复合地层和硬岩五类,其中软粘土又可以进一步细分亚类:高灵敏性淤泥质土层、淤泥质土层、易液化土层等。软粘土由于强度低,地层损失难以控制从而引起的变形量比较大,是下穿工程需要研究的重点。
下穿施工面临的问题
下穿施工面临的根本问题是变形控制。变形控制需要根据被下穿结构的特征,分绝对量和相对量两个方面进行控制。当绝对量控制得非常严格之后,相对量便自然满足要求。当某些条件下绝对量难以严格控制时,相对量的控制就显得尤为重要。相对量的控制要从随着盾构掘进动态移动的三维沉降盆来考虑差异沉降。以下穿铁路为例,如图所示,随着盾构临近线路,两根钢轨会发生差异沉降,这是对行车安全最为不利的。
精品图文 | 详解盾构下穿工程施工技术 | 附典型案例_2
无论是绝对沉降还是差异沉降的控制,都要根据被穿结构的抗变形要求制定合理的控制值,这是下穿施工的关键。合理变形控制值的确定是非常困难的,因为在此次下穿施工之前,难以确定此前有多少次工程行为对结构物产生影响,也就是说下穿施工之前结构的已有变形是个未知量,这需要对结构物的状态进行综合判断。
变形控制的难易在很到程度上取决于地层的工程特性和力学性质以及在特定地层条件下盾构机型和配置的选择。随着施工机械化程度的不断提高,设备的适应性常常影响到工程的成败与否。就盾构施工下穿而言,刀盘与面板的形式、开口率和刀盘的配置、同步注浆管路系统的设置以及注浆泵的数量和容量,都会影响到施工中变形控制的效果,这些工作都是在下穿施工之前所必须考虑的。
解决了施工机械的配置之后,接着需要研究的是施工参数。相同的装备在不同的土层中,应该对应不同的施工参数;相同的土层采用不同的施工机械也应该采用不同的施工参数;此外,隧道的线型也对施工参数的选择有所不同。除了上述因素外,被穿结构与土层之间的作用特性,对施工参数的确定同样会产生影响。所以施工参数的正常确定是下穿施工中的一个重要环节,以前的施工主要靠经验,由经验上升到科学,这是工程师和科学家所要解决的问题。
有了合适的施工机械和合理的施工参数,还必须保证在实施中能够贯彻和执行,这是下穿施工中不可忽视的环节。要解决这一问题,需要从三方面着手:管理、监管和信息化。信息化施工是现代施工的一大特征,它不仅仅能够提供施工所需要的各种信息数据,更重要的是能够为管理和监管提供科学依据。管理除了组织构架、规章制度之外,还应该有内在的技术理念、应变处置等方面的内容,这与队伍的总体素质密切相关。监管是独立于施工和监理的机构。
信息化技术一方面需要不断地引入新技术,一方面需要实现信息化的取点更加合理和可靠,尤其对于下穿铁路等具有动力响应的结构物,信息点的布置是相当重要的。
随着铁路、道路、地铁里程的不断增长致使道路和地铁下穿铁路的需求越来越多。近年来盾构隧道下穿既有铁路大量存在。
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下穿铁路的关键问题是控制变形。核心难题是下穿施工对应的变形计算、监测及控制问题。
下穿铁路等交通线与下穿建筑物的最大区别在于:前者受行车荷载影响,而且要确保行车安全,后者是静荷载。下穿交通线可以分为:公路(含机场跑道)、普通铁路(含重载铁路)、高速铁路三大类。
公路承载的运载工具是橡胶轮,对路面变形的适应能力较强,而且行车速度控制比较方便,下穿施工控制相对比较容易。下穿机场跑道面临飞机滑行安全,飞机在滑行时受上浮力作用,作用在跑道上的力较小,加上飞机的滑行轮也是橡胶轮,对跑道的变形适应能力较强。铁路由钢轮钢轨系统组成,这种硬碰硬的作用对变形的适应能力较差,于是对下穿施工的要求也就更为严格。
下穿普通铁路变形控制相对容易,而下穿高速铁路,因沉降控制在毫米甚至亚毫米级别,变形控制极为苛刻。
高速铁路因行车速度高,对轨面变形控制要求极为严格,以至于到了苛刻的程度,所以下穿高铁施工产生的影响也极大。从技术层面分析,下穿施工对高铁产生的影响主要集中在轨面、轨道板和混凝土基床的变形方面,图(a)是高速铁路典型的路基断面,下穿施工对线路产生的影响如图(b)所示,会导致基床面与混凝土基座之间产生空隙,在车载的作用下引发混凝土基床发生开裂,并引发病害。空隙量的大小也会影响轨面的平顺性,进而影响列车的舒适性和安全性。
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(a)
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(b)
我国东部软土地区高铁线路约有70%采用以桥代路方式修建,下穿施工一般从高架桥孔中穿越,如图 所示,下穿施工影响需要关注的是对桥墩产生的变形影响,关键问题是计算侧穿施工对桩基变形的影响。
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具体施工控制方案随工程特点变化而采用不同的方案。可采用的方案举例如下图所示。
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盾构施工控制措施可从以下几方面考虑
  • 土仓压力
穿越段尤其需要密切注意监测反馈信息,及时调整土仓压力,同时注意平缓过渡。在施工中做好监测工作,并及时反馈测量成果到掘进作业班组,调整掘进参数到合理值,做到合理化施工。在盾构穿越高速公路高架桥过程中必须严格控制切口平衡土压力,使得盾构切口处的地层有微小的隆起量来平衡盾构背土时的地层沉降量。施工过程中根据监测数据及时进行调整。同时也必须严格控制与切口平衡压力有关的施工参数,如出土量、推进速度、总推力、实际土压力围绕设定土压力波动的差值等。防止超挖、欠挖尽量减少平衡压力的波动。
  • 顶进速度
快速掘进会使地表沉降有增加的趋势,应严格控制盾构的推进速度。根据以往盾构穿越铁路的经验,建议推进速度应控制在2.0~3.0cm/min,并在推进过程中保持匀速,每日推进5~6环,并根据实际情况及时调整,排土量为理论值的98%~100%,即37.1m3~37.9m3/环,施工中保持推进速度与出土速度相匹配,尽量做到均衡施工,减少对周围土体的扰动,避免在途中有较长时间停机。
  • 轴线控制
在盾构机进入穿越区之前,尽量将盾构机的姿态调整至最佳,严格控制盾构的纠偏量。盾构施工过程中,工程技术人员根据地质变化、隧道埋深、地面荷载、地表沉降、盾构机姿态、刀盘扭矩、千斤顶推力等各种勘探、测量数据信息,正确下达每班掘进指令,并即时跟踪调整。盾构机操作人员须严格执行指令,谨慎操作,对初始出现的小偏差应及时纠正,并控制每次纠偏的量,应尽量避免盾构机走“蛇”形;在穿越铁路过程中,严禁大量纠偏,只能少纠或不纠,左右区域千斤顶力差及相邻两区域千斤顶力差不宜过大,防止盾构蛇形推进或者出现“犁地走”的情况,以此保证减小对土体的扰动,达到减小地面沉降的最终目的。盾构机一次纠偏量不宜过大,以减少对地层的扰动,并为管片拼装创造良好的条件。施工中,加强对管片的监测工作,以期指导调整盾构机姿态,如果出现管片上浮和下沉量突变,则应加大监测频次,并采取二次注浆的方法对管片进行稳定,防止情况进一步恶化。确保盾构均衡匀速施工,盾构姿态变化不可过大、过频。每隔5环检查管片的超前量,隧道轴线和盾构轴线折角变化不能超过0.4%。避免盾构与管片间夹角过大造成土体损失,推进时不急纠、不猛纠,多注意观察管片与盾壳的间隙,相对区域油压的变化量随出土箱数和千斤顶行程逐渐变化。采用稳坡法、缓坡法推进,以减少盾构施工对地面的影响。
  • 同步注浆和二次注浆
盾构施工过程中,盾构机的外径比隧道衬砌的外径大,在管片拼装完成、盾尾逐渐脱离管片后,管片与地层中间存在空隙,管片处于无支撑状态,将导致错位、围岩坍塌等扰动从而增大地表沉降。对于粘土层、淤泥质土层及砂层等自稳性较差的地层,为控制地面沉降,使土压力作用均匀以及使管片组成的衬砌环早期稳定,需要在盾尾间隙产生的同时迅速注浆以填充盾尾间隙,确保注浆及时、耐久及充填密实,一般包括同步注浆和二次注浆等。为实现上述目的,根据盾构的形式和掘削土层的性质,准确选用相应的注浆材料、注入时期、注入范围和注入工法最为关键。
  • 小结
在盾构隧道推进过程中,根据现场监测反馈的数据实时调整盾构掘进姿态、土仓压力、推进速度、出土速度、注浆压力、注浆速度及注浆量等盾构施工参数,尽量使盾构掘进达到最佳状。
目前下穿铁路施工的发展趋势为:
  1. 不限速、长距离、大跨度安全下穿快速铁路
  2. 下穿快速铁路施工的设计理论及变形预测
  3. 微扰动、小变形下穿施工技术及变形控制
  4. 高精度、全天候实时变形监测系统
典型案例

南京地铁3号线盾构隧道下穿沪宁城际铁路
  • 概况
沪宁城际铁路于2010年7月开通运营,铁路线路等级为客运专线高速铁路。速度目标值350km/h,正线线间距4.8m。轨道结构类型为CRTS-I型板式无砟轨道,牵引种类为电力牵引,机车类型为电动车组。
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南京地铁三号线盾构区间在如图所示范围内下穿沪宁城际铁路,平面交角约为45°。下穿段盾构隧道中心埋深约18m,线间距14m,隧道管片外径6.2m,内径5.5 m,每环管片长1.2 m,厚0.35m。
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平面图如下所示:
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加固措施
地铁3号线的建设时序落后于沪宁城际,为尽可能减小施工期及施工后轨道交通对沪宁城际铁路的影响,沪宁城际铁路施工时进行了预加固处理。混凝土板(53.5m×24m×1.8m)+CFG桩(桩径500mm,桩长7m/18m,桩间距1.8m,正方形布置)+钻孔灌注桩(桩径1000mm,桩长21.5m,3排布置,桩间距3m)方案。隧顶部与7m长CFG桩桩底竖向距离3.47m,盾构隧道与18m长CFG桩最小水平距离为4.464m。
精品图文 | 详解盾构下穿工程施工技术 | 附典型案例_3
特点
沉降控制要求高
沪宁城际铁路及既有线铁路均开行有高速动车组列车,轨面平顺性、电化柱沉降控制要求较高;沪宁城际正线采用CRTS-I型板式无砟轨道,轨道板基础沉降控制要求高。
穿越密集桩基
根据前述资料显示,沪宁城际预留了地铁隧道盾构穿越通道,但通道位置有限,线路设计位置处隧道结构与上部及两侧桩基净距较小,对盾构施工控制提出了较高的要求。

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 发表于2018-04-09   |  只看该作者       筑龙币+20

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详解盾构下穿工程施工技术

 发表于2019-01-04   |  只看该作者       筑龙币+10

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内容详细,简单易懂,可以为初学者更详细了解工艺

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