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区间隧道
2398米
土压平衡法
二、常规土压平衡盾构施工方法
⑴、施工流程
盾构法施工工艺流程图
⑵、掘进施工
①、正式掘进施工阶段采用试掘进阶段所掌握的最佳施工技术参数,结合具体的地质情况,通过加强施工监测,不断完善施工工艺,控制地面沉降
②、掘进之前由工程部土木工程师下达掘进指令与管片指令,主司机应严格按照掘进指令上的各种参数进行掘进,拼装管片应按照管片指令上所注明的管片布置形式进行安装。
③、掘进过程中,应根据RSS系统给出的坐标值严格地控制好盾构机地姿态,当盾构机的水平位置或高程偏离设计轴线20㎜时,便要进行盾构机姿态的纠偏。
且在纠偏过程中,每一循环盾构机的纠偏值水平方向不超过9㎜,竖直方向不超过5㎜。
④、掘进过程中,严格控制和记录好各组油缸的行程。
在直线段,各组油缸的行程差每循环不能超过20㎜。
⑤、盾构机在停止掘进时,土仓内应保持相应的压力,以防止在安装管片或停机时,掌子面发生坍塌。
⑥、在掘进过程中,盾构机的趋势不能突变,每一个循环盾构机的水平和高程的趋势改变量不能超过2‰。
⑦、在每个循环掘进之后,必须由土木工程师对盾尾间隙进行测量。
将测量数据记录下来并将其输入RSS系统,通过RSS系统计算后预测出下几环管片的布置形式。
⑧、背衬注浆与掘进应同时进行,背衬注浆是控制地表沉降的关键工序,所以应严格做到没有注浆就不能掘进。
⑨、盾构掘进施工全过程须严格受控,工程技术人员应根据地质变化、隧道埋深、地面荷载、地表沉降、盾构机姿态、刀盘扭矩、油缸推力、盾尾间隙、油缸行程等各种测量和量测数据信息,正确下达每班的掘进指令及管片指令,并即时跟踪调整。
盾构机主司机及其他部位操作人员必须严格执行掘进指令以及管片指令,细心操作,对盾构机初始出现的偏差应及时纠正,绝对不能使偏差累积,造成超限。
盾构机纠偏时,纠偏量不要太大,以避免管片发生错台和减少对地层的扰动。
⑩、施工人员应逐日、逐项、逐环做好施工记录,记录内容。
⑶、背衬注浆及二次补强注浆
本标段的背衬注浆采用同步注浆的方式,即注浆与盾构掘进同时进行,通过同步注浆系统及盾尾的注浆管,在盾构向前推进盾尾空隙形成的同时进行。
同步注浆与盾尾空隙形成在瞬间产生,从而使周围岩体获得及时的支撑,可有效地防止岩体的坍陷,控制地表的沉降。
在采用EPB模式掘进时,由于地层稳定性差,采用同步注浆方式的重要意义更为明显。
①、注浆的目的与原则
1)、使管片与周围岩体的环形空隙尽早建立注浆体的支撑体系,防止洞室岩壁坍陷与地下水流失造成地层损失,控制地面沉降值。
2)、尽快获得注浆体的固结强度,确保管片衬砌的早期稳定性。
防止长距离的管片衬砌背后处于无支承力的浆液环境内,使管片发生移位变形。
3)、作为隧道衬砌结构加强层,具有耐久性和一定强度。
充填密实的注浆体将地下水与管片相隔离,避免或大大减少地下水直接与管片的接触,从而作为管片的保护层,避免或减缓了地下水对管片的侵蚀,提高管片衬砌的耐久性。
②、注浆材料、配比与性能指标
根据不同的注浆方式和注浆部位,注浆材料及配比、性能指标如下表。
注浆材料配比和性能指标表
注浆方式
配比
水
(kg)
水泥
细砂
粉煤灰
膨润土
同步注浆
355
120
779
380
60
一般段
180
310
55
洞口段
补强注浆
100
单液或双液
注:
水泥采用425#普通酸硅盐水泥。
注浆的浆液采用惰性浆液,初凝时间为8小时左右。
抗压强度大于1.2Mpa,施工前提供试验配合比报告。
同步注浆采用盾构机后配套附带的同步注浆系统,补强注浆采用自备的注浆泵,补强注浆管路系统及孔口管自制,与管片吊装孔的配套,并配有泄浆阀。
③、注浆设备配套
浆液在洞外拌制,采用自行设计的自动搅拌站,拌制好的浆液自流至储浆罐中待注。
④、主要注浆参数
1)、注浆压力
为充分充填盾构施工产生的地层空隙,避免由此引起的地表沉陷,影响地表建筑物与地下管线的安全;
同时避免过大的注浆压力引起地表有害隆起或破坏管片衬砌,并防止注浆损坏盾尾密封。
理论上注浆压力略大于地层土压与水压,一般同步注浆可由同步注浆控制系统根据地层特点与掘进状态自动控制,一般压力控制在0.15~0.25MPa,补强注浆压力控制在0.25~0.4MPa。
2)、注浆量
同步注浆量根据盾构施工背衬注浆注浆量经验计算公式:
Q=V·
λ
其中:
λ~指注浆率(一般取130%~180%)
V~盾构施工引起的空隙(m3)V=π(D2-d2)L/4
L~回填注浆段长即预制管片每环长度(预制管片每环长1.5m)
将实际数据代入得:
Q=3.14×
(6.262-62)×
1.5/4×
1.3(或1.8)
得出每环注浆量为4.9~6.8m3/环(1.5m),一般情况下为5.0m3左右。
补强注浆量具体由现场试验确定(以压力控制为主,原则上不超过4kg/cm2)。
3)、注浆速度
同步注浆速度与掘进速度相匹配,即
V=10πV0(D2-d2)/4
V0为掘进速度(cm/min)
根据经验补强注浆可控制在10~25L/min以内,以获得对岩层较为均匀的渗透。
4)注浆顺序
为了使环形间隙能较均匀地充填,并防止衬砌承受不均匀偏压,采用左右对称注浆。
同步注浆同时对盾尾预置的2个注浆孔进行压注,在每个注浆孔出口设置分压器,以便对各注浆孔的注浆压力和注浆量进行检测与控制,从而获得对管片背后的对称均匀压注。
补强注浆先压注可能存在大的空隙一侧、或软岩、或节理裂隙较发育的一侧。
5)注浆控制程序
注浆工艺是实现注浆目的,保证地面建筑物、地下管线、盾尾密封及衬砌管片安全的重要一环,因此必须严格控制,并依据地层特点及监控量测结果及时调整各种参数,确保注浆质量和安全,做到万无一失。
⑤、注浆质量保证措施
在开工前制定详细的注浆作业指导书,做到操作性、规范性和实用性。
1)、注浆前进行详细的浆材配比试验,选定合适的注浆材料及浆液配比,保证所选浆材配比、强度、耐久性等物理力学指标符合业主和设计要求。
2)、制订详细的注浆施工设计和工艺流程及注浆质量控制程序,严格按要求实施注浆、检查、记录、分析,及时做出P(注浆压力)~Q(注浆量)~t(时间)曲线,分析注浆效果,反馈指导下次注浆,并及时报告业主和监理及现场工程师。
3)、成立专业注浆作业组,由富有经验的注浆工程师负责注浆技术工作。
4)、根据洞内管片衬砌变形和地面及周围建筑物变形监测结果,及时进行信息反馈,修正注浆参数设计和施工方法,发现情况及时解决。
5)、做好注浆设备的维修保养,注浆材料供应,保证注浆作业顺利连续不中断进行。
⑷、管片拼装
①、管片的堆放及运输
管片在出厂时须经过严格的质量检验,达到设计强度、复合设计要求的管片才能容许出厂。
管片进场后,堆放不得超过三层,并在每层之间搁置点处安置方木垫,每层之间应上下对齐,凡有缺角、损边、麻面的管片不得用于井下拼装。
管片通过地面上的15T龙门吊将管片吊放在管片运输车上,运至管片安装机位置。
②、管片的起吊、移动和拼装
用管片单轨吊机先将管片从运输车上取下,用双轨吊机按管片安装顺序吊运至拼装机能拾取的位置。
管片运输机将管片输送给拼装机。
管片拼装时先就位底部管片,然后自下而上左右交叉安装,每环相邻管片均布摆匀并控制环面平整度和封口尺寸,封顶管片先搭接1200mm径向推上,然后纵向插入成环。
管片拼装中应保持盾构稳定状态,并防止盾构后退和已拼装管片受损。
在管片拼装机钳牢管片操作过程中,施工人员退出管片拼装范围。
③、管片间的螺栓连接
成环管片均有纵、环向螺栓连接,环向螺栓每环配12枚,纵向螺栓每环配10枚。
其连接的紧密度将直接影响到隧道的整体性能和质量。
因此每环拼装结束后应及时拧紧纵、环向螺栓,在推进下一环时,应在油缸的推力作用下,复紧纵向连接螺栓。
④、管片拼装的质量控制
管片拼装允许偏差为:
高程和平面±
50mm;
每环相邻管片平整度4mm;
纵向相邻环环面平整度5mm;
衬砌环直径椭圆度5‰;
管片混凝土最大允许裂缝宽度为0.2mm。
⑤、管片拼装的注意事项
1)、管片衬砌环的纵缝不齐或各块管片超前、不等将影响环面的平整度,造成衬砌环碎裂,拼装要求环面不平度小于3mm;
施工中经常检查环面是否垂直于隧道设计轴线,环面上下左右超前量小于20mm。
2)、为提高成环轴线精度或调整管片在曲线上的衬砌,可运用相邻环高差来弥补,但要避免过量,控制在4mm以内(每4环)。
此曲线段要贴设不同厚度的石棉橡胶板,便于曲线顺利过渡。
3)、衬砌成环后,在纵向螺栓拧紧前进行衬砌环直径椭圆度的测量,当椭圆度大于5‰时,进行调整。
4)、在拼装管片时,油缸的回缩和复位应根据管片拼装的顺序依次进行,不得把油缸一次性全部缩回,或等管片拼装完毕后一次性复位。
三、盾构法与矿山法组合掘进技术
1、概述
本区间右线YDK31+840~YDK32+153、YDK32+198.6~YDK32+420和左线ZDK31+830~ZDK32+153、ZDK32+207.2~ZDK32+420段隧道穿越中风化、微风化地层,岩石强度最高达120mp,盾构机掘进施工效率较低。
为了加快工期,设计在该地段采用了矿山法+盾构法相结合的施工技术:
先人工钻爆矿山法形成净空直径Ф6400的隧道,然后盾构机空推拼装管片通过。
2、主要施工技术
盾构过矿山法隧道剖面结构如下图所示:
盾构过矿山法隧道剖面图
、导台施工
矿山法隧道施工完成后在隧道底部施工一导向平台。
导台支撑着盾构机并为盾构机前进起导向作用,盾构机在导台上空载推进并拼装管片。
导台砼强度等级C30,厚150mm,导台断面圆弧与隧道中心夹角为60。
。
每延米导台砼量为0.253m3。
1)导台施工顺序
铁路桥以西矿山法隧道:
从矿山法隧道西端里程ZDK31+830(YDK31+840)处往东施工至1#、2#竖井横通道ZDK32+143;
再从矿山法隧道东端里程ZDK32+153(YDK32+153)处往西施工至1#竖井横通道YDK32+143处。
铁路桥以东矿山法隧道:
从矿山法隧道西端里程ZDK32+207.2(YDK32+198.6)处往东施工至3#竖井横通道ZDK32+329.5;
再从矿山法隧道东端里程ZDK32+420(YDK32+420)处往西施工至3#竖井横通道ZDK32+329.5处。
2)施工分段:
每30米作为一个施工段。
3)砼供应和运输:
采用商品砼,砼通过竖井井架葫芦吊垂直运输采到井底,再用汽车从竖井底运输到工作面,人工用斗车运送砼入仓。
4)浇筑方法:
在浇筑段外周安装模板,并测放浇筑面标高,人工按设计园弧断面摊铺砼,砼坍落度控制在10~12cm,再采用振动棒振捣密实,最后人工修整符合设计断面要求。
、盾构空载推进
盾构机空载推进依据刀盘与导向平台间的关系,调整各组油缸的行程,使盾构姿态沿设计方向推进。
开始段推进速度控制在15~40mm/min,熟练后控制在60~85mm/min,总推力约300t,下部油缸压力略大于上部油缸。
曲线段,计算出盾构机每进一环的偏转角与铰接油缸行程差和推进油缸行程差。
盾构推进前复核钻爆隧道与盾构机轴线误差,并调整铰接油缸、推进油缸,保证盾壳与钻爆隧道间的间隙,确保盾构按隧道轴线推进。
、安装管片
管片安装从隧道底部开始,先安装标准块,依次安装相邻块,最后安装封顶块。
封顶块安装时先径向插入约6/7管片宽度,调整位置后缓慢纵向顶推。
管片块安装到位后,及时伸出相应位置的推进油缸顶紧管片,然后移开管片安装机。
、管片背后豆砾石充填及注浆
矿山法隧道净空直径Ф6400,管片外径Ф6000,管片与隧道初衬之间有20cm宽的环形空隙,在盾构向前推进的同时喷射豆砾石充填,并同步注入水泥浆,使管片脱离盾尾时,由于豆砾石对管片的支撑,防止管片下沉产生错台,并增加盾构向前推进的摩擦力。
管片背后同步注浆,使管片与地层紧密接触,提高支护效果。
每环管片豆砾石充填量为5.84m3,采用5~10mm大小的花岗岩。
3、施工方法:
⑴、采用砼喷射机吹豆砾石,喷射机布置在盾构刀盘前方约15米处,附近堆放豆砾石,豆砾石通过竖井葫芦吊垂直运输和洞内汽车水平运输到喷射地点,压缩空气从竖井外压缩机通过管道提供,盾构往前推进两环,吹填豆砾石两环,吹填前先将盾构刀盘与隧道初支的空隙处用袋装砾石封堵,防止吹填时豆砾石和浆液流出。
按照从里到外、从下到上的吹填方法把盾体外的空隙填满,喷管操作人员站在焊接在刀盘上的施工平台上。
⑵、同步注浆采用水泥浆,水泥浆水灰比1:
1~0.5:
1,注浆压力现场灵活控制,以将豆砾石填充饱满、密实为原则。
水泥浆初凝控制在8h、终凝控制在12h左右。
施工时根据浆液的流动情况,适当调整浆液水灰比以及胶凝时间。
⑶、盾构在3#竖井横通道以西矿山法隧道空推时,由于盾构前方隧道无施工通道,施工人员、压缩空气管道改从人闸室进入。
提前将豆砾石每隔20米左右堆放在隧道内,不足部分从盾构人闸室输送豆砾石。
⑷、管片外侧二次注浆
管片顶部豆砾石往往很难一次注浆充填密实,留有少量空洞,当管片脱出盾尾等第一次注浆凝固后,每隔4环打穿B或C环管片吊装孔,检查第一次注浆效果,及时进行第二次注入水泥。
四、盾构叠线施工技术
盾构隧道到达东门站前120m变为叠加隧道出洞,右线(下洞)先于左线(上洞)始发和到达。
重叠段里程(Z)YDK32+996.162~(Z)YDK33+116.162(管片环号:
1020~1100),左、右线隧道上下净距为2m。
重叠段位于深南东路北侧人行道下方,地面建筑物有振华大厦、富丽华大酒店,重叠段隧道顶部距地面埋深约9.33m~9.67m。
重叠隧道左线主要处于<
9-1>
全风化花岗岩、<
21-2-1>
、<
21-2-2>
强风化花岗岩片麻岩中、<
15-1>
全风化凝灰质粉砂岩、<
15-2>
强风化凝灰质粉砂岩地层中,局部地段(1050~1075环)隧道地质为上软下硬,洞身上部为<
强风化凝灰质粉砂岩,下部为<
15-3>
中风化凝灰质粉砂岩。
重叠隧道右线1020~1078环为全断面<
21-3>
中风化花岗岩片麻岩和<
21-4>
微风化花岗岩片麻,1079~1088环为上软下硬,洞身上部为<
,下部为<
中风化凝灰质粉砂岩,1089~1101环为全断面<
强风化凝灰质粉砂岩。
地下水类型主要是上层滞水、孔隙承压水、基岩裂隙水和岩溶裂隙水,水量一般。
重叠隧道地质剖面图
、对下洞采用满堂红钢管支架进行加固
1)扣件式满堂红钢管支架布置
由于重叠隧道净距只有2m,设计对右线(下洞)叠线段管片采取了加大配筋的措施,在此基础上,为了确保左线(上洞)盾构掘进施工时右线成型隧道的安全,拟采取扣件式钢管搭设满堂支架对下洞进行支撑加固,待盾构机通过后再拆除,根据隧道的地质条件以及目前施工进度情况,同时考虑电瓶车能通过钢架运输材料的条件,按照支撑稳固、安装拆除方便快捷且经济合理的原则进行钢管支架设计。
钢管支撑布置详见附图。
2)钢管支架验算
本计算利用有限元分析软件midasGTS模块针对钢架加固对左线盾构隧道进行二维施工阶段分析模拟左线施工对右线产生的影响。
本计算假设盾构同步注浆是及时和饱满的,未盾构施工扰动、以及刀盘推力对地层参数的影响。
计算模型:
土体模型采用摩尔库伦理想弹塑性本构模型,盾构管片和加固钢结构支架均采用线弹性模型,计算模型如下:
计算模型图
为较好的模拟左线隧道施工对右线隧道影响,将左线隧道按实际施工工况进行模拟。
盾构设备自重及竖向施工荷载约370t=3700KN,作用长度10.7m,计算按均匀作用在管片宽度上均布荷载,地面超载按20kpa考虑。
通过施工工况的模拟分析,可以得左线盾构施工对右线已施工完毕隧道影响。
模拟盾构工况各步骤结果见下图,各工况位移情况如下:
步骤一:
右线隧道施工
右线隧道施工(位移)
步骤二:
右线隧道架设支撑,为了更好的表达上线(左线)隧道施工时对已完成下线(右线)隧道的影响,在此工况对位移进行清零。
架设支撑
步骤三:
左线施工
左线施工(位移)
第四步:
左右线施工完毕终态
上线(左线)施工工况,下线(右线),受力状况
左线施工(轴力)
左线施工(弯矩)
结果分析:
上部左线隧道施工过程中,在掘进过程中螺旋机出土后,右线隧道顶部荷载减少,对下部右线隧道沉降产生一定影响,主要体现为下线(右线)整体稍许上浮。
在上部左线隧道施工完毕后,由于盾构机自重及施工荷载卸载,下部右线隧道有也有上浮趋势。
通过增加内支撑结构传递荷载,盾构变形有所减少,在左线施工过程中,整个右线隧道受力在允许范围之内。
钢管支架加固施工顺序
左线(上洞)盾构机到达重叠隧道前,先安装好右线(下洞)重叠段前20环(1020~1039环)钢管支架,当左线盾构机掘进至位于右线已安装好20环钢管支架上方中心位置,即盾构机刀盘到达1033环时,左线盾构机每向前每掘进一环,钢管支架同步向前延伸一环(可将最后一环钢管支撑拆除安装到最前面一环,重复利用钢管),始终使左线(上洞)盾构机掘进始终处于下洞20环钢管支撑加固区域的中心位置,以保护下洞的安全。
如下图所示:
、钢管脚手架搭设
1)、立杆
立柱的纵横向间距为按图所示。
顶托梁采用100×
100木方,可调支撑托节点。
立杆脚部设置横向扫地杆,纵向扫地杆应采用直角扣件固定距底托不大于200mm处,横向扫地杆亦采用直角扣件固定在紧靠纵向扫地杆下方的立杆上。
立杆上的对接扣件应交错布置:
两相邻立杆的接头不应设置在同步内,同步内隔一根立杆的两个相隔接头在高度方向错开的距离不小于500mm;
各接头中心至主节点的距离不小于步距的1/3。
2)、纵向水平杆
纵向水平杆应设于立杆内侧,其长度不小于3跨。
纵向水平杆接长采用对接扣件连接,对接扣件应交错布置,两根相邻纵向水平杆的接头不宜设置在同步或同跨内,不同步或不同跨两个相邻接头在水平方向错开的距离不小于500mm,各接头中心至最近主节点的距离不大于纵距的1/3。
纵向水平杆作为横向水平杆支座,用直角扣件固定在立杆上。
支架同一步中,纵向水平杆应四周交圈,用直角扣件与内外角部立杆固定。
满堂红钢管支顶体系平面布置应确保水平杆连续设置。
3)、横向水平杆
主节点处必须设置一根横向水平杆,用直角扣件连接,且严禁拆除。
主节点处两个直角扣件的中心距不应大于150mm,横向水平杆与管片接触的顶托梁采用100×
横向水平杆两端均应采用直角扣件固定在纵向水平杆上。
4)、斜撑
斜采用搭接方式连接,且搭接长度不少于1m,等间距设置3个旋转扣件固定,端部扣件盖板边缘至杆端距离不应小于100mm,斜撑与管片接触的顶托梁采用100×
5)、扣件安装
扣件规格必须与钢管外径(Φ48)相同。
螺栓拧紧力不应小于40N.m,且不应大于65N.m。
在主节点处固定横向水平杆、纵向水平杆斜撑等用的直角扣件、旋转扣件的中心点的相互距离不应大于150mm。
对接扣件开口应朝上或朝内。
各杆件端伸出扣件盖板边缘的长度不应小于100mm。
4)、支顶架搭设质量要求
支架搭设基本要求:
横平竖直、整齐清晰,图形一致连接牢固,受荷安全不变形。
立杆垂直偏差其偏心距不大于25mm。
水平杆的水平偏差:
纵向水平杆的水偏差不大于30mm。
横向水平杆的水平偏差不大于30mm。
支架的步距,主杆横距偏差不大于25mm。
扣件紧扣力一般控制在45~55N.m内,不得低于45N.m或高于60N.m。
3、施工进度计划
根据目前盾构施工进度情况,右线盾构刀盘预计在2010年8月8日进入加固区,在2010年8月15日出洞,考虑到钢架底座与盾构台车及电机车轨枕共用,钢架施工安排如下:
1)钢架底座安装:
2010年8月8日~2010年8月15日;
2)前20环(1020~1039环)钢管支架安装:
计划在右线(下洞)盾构机出洞后开始安装,且必须在左线盾构到达加固区前完成,时间安排在2010年8月15号~2010年8月25日。
3)1040~1101环钢管支架安装:
随着左线盾构掘进速度逐环拆除再安装,计划时间安排:
2010年9月2日~2010年9月20日。
4、劳动组织安排
钢管支撑安装人员组织见下表,分两班作业:
钢管支撑安装劳动组织安排表
项目
技术员
质检
安装工
焊工
电工
安全
合计
人数
2
12
22
5、对下洞的监测
1)监测目的及内容:
成型管片的纵向垂直位移监测,水平偏移监测、管片净空收敛。
2)监测布点
水平收敛位移测点布置断面和拱顶下沉测试断面相同,每个断面布置2对测点,详见断面测点布置详见下图。
3)量测方法:
成型管片的纵向垂直位移监测;
采用水准测量的方法测量遂道底正下方固定位置的高程变化量。
监测精度与地表监测相同。
4)测量频率
1)、开挖面距测量目标前后<2B时,1次/d;
2)、开挖面距测量目标前后<5B时,1次/2d;
3)、开挖面距测量目标前后>5B时,1次/1周。
5)数据处理
①每次量测提供各测点本次收敛和累计收敛报表,并
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