盾构接收加固方案.docx
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盾构接收加固方案
天津地铁2号线9合同段天津站盾构接收
地层加固
施工方案
编制:
审核:
审定:
中铁三局集团有限公司
二O—O年六月
1.编制说明2
1.1编制依据:
2
1.2工程概况2
2.施工方案6
2.1冻结法6
2.2水平注浆23
3.监测28
3.1水平注浆阶段监测28
3.2冻结阶段监测30
4.安全质量技术措施31
4.1水平注浆31
4.2冻结法31
5.应急措施34
1.编制说明
1.1编制依据:
⑴《矿山井巷工程施工及验收规范》(GBJ213-90。
⑵《煤矿井巷工程质量检验评定标准》(MT5009-94)。
⑶《钢结构设计规范》》GB50017-2003
⑷《地基基础设计规范》GB50007-2002
⑸《建筑结构荷载规范》GB50009-2001
⑹《建筑抗震设计规范》GB50011-2001
⑺《地下铁道设计规范》GB50157-2003
⑻《天津轨道交通2号线工程地质勘察报告》。
⑼《旁通道冻结法技术规程》,DG/TJ08-902-2006J10851-2006
⑽井巷工程设计规范及其他相关国家、天津市安全文明施工规范。
1.2工程概况
1.2.1水文地质
天津站盾构进洞时主要的土层主要是粉质粘土。
粉土层。
隧道轴线距离地面20.27米;粉砂层顶距离地面24米,层厚(设计)5米。
地铁工程影响范围内微承压水主要赋存于粉土及粉砂层内,主要接受上层潜水的渗透补给,天然含水量》20%。
(见图12101地质剖面图)
天津站2008年年底发生了漏砂、涌水,其位置正是盾构接收井位置,在处理过程中,局部注浆对该地层土体进行了置换,使土体成分发生了一些变化。
1.2.2地面建筑物
天津站是新开路~天津站盾构区间的盾构接收端,盾构端头井处地面建筑物主要是惠森花园2#(7层)、裕阳花园17#楼(8层)。
均为桩基础,天津站去年漏水对已有建筑物也造成了影响。
(见图12201平面布置图)
1.2.3地下管线
雨水管线©800埋深2.66米);两根©400埋深0.9米)©600埋深0.64米)铸铁输配水管线;两根©40的污水管线;0.38KV供电和路灯管线各一根;一根未知管线可能是电缆。
(见图12301管线平面图)
天津站盾构端头井地质剖面图
加固区
深
7
■■Q粉质粘土夹粉土few*WWhv粉质粘土紀粉砂:
弋'代冷:
心■■
深
加
区
fl
卜」、iI:
■<
杂填土
粉土
杂填土
粉质粘土
粉土
淤泥质粘土
12101地质剖面图
I
<■
裕阳花园17#楼
惠森花园2
2号线9标天津站端头管线平面图
12301管线平面图
2•施工方案
由于接收端隧道埋深比较深(隧道轴线距离地面20.27米),隧道底有一层5米厚的粉砂层,基于对地面建筑物、地下管线和周边环境的保护,端头加固采用冻结法+水平注浆的加固的方案。
2.1冻结法
2.1.1冻结参数
A.冻土墙厚度h的确定
设冻土墙平均温度为-10C,冻土抗压强度。
压=3.5MPa,抗拉强度。
拉=1.8MPa,抗剪强度t剪=1.5MPa。
洞口采取板状冻结方式加固。
冻结加固体在盾构接收破壁时,起到抵御水土压力、防止土层塌落和泥水涌入工作井的作用。
⑴计算水土压力:
洞口的中心埋深为20.27m当开洞直径为6.7m时,开洞口的底缘深度为23.28m
则按重液公式计算得到水土压力为:
P=0.013H=0.30MPa
定加固体为整体板块而承受水土压力,运用日本计算理论计算加
计算得冻土墙厚度为2.12m(见表2101)
表1运用日本计算理论的数据及结果
表2101
冻土平均
冻土弯拉
水土压力
加固体开挖
系数
安全系数
计算加固体
温度C
强度b
P
内直径D
3
k
厚度h
-10
1.8Mpa
0.30MPa
6.7m
1.2
2.0
2.12
运用我国建筑结构静力计算理论公式进行验算:
3P(D/2$J
圆板中心所受最大弯曲应力计算公式为“八―厂i斥,计算结
果见表2102
表2102
水土压力
P
加固体开挖
内直径D
冻土泊松比
□
计算加固体
h
计算得加固体
最大弯拉应力
cmax
冻土弯拉强度
b10C
安全系数
k
0.30MPa
6.7m
0.27
2.2m
0.35MPa
1.8MPa
5.54
omax< 剪切验算加固体厚度: 计算结果见表2103 表2103 水土压力 P 加固体开挖 内直径D 加固体厚 度h 最大剪切应力T 冻土抗剪强度T-10 安全系数K T max=0.232MPa T10=1.5Mpa 0.30Mpa 6.7m 2.2 Tnax< 6.46 根据以上计算结果和设计院设计原则,冻土墙厚度h接收洞口冻 结壁厚度取2.3m,外圈维护冻结帷幕厚度取1.6m。 B.冻结范围及冻结孔的布置 鉴于盾构接收对加固体强度及密封性要求很高,以及实际现场施 工情况和条件(施工场地的原因),采用水平冻结方案。 主要技术参数: 冻结体为洞口处冻结板块厚2.30m,直径10m。 接收洞门每个冻结孔数: 水平冻结孔57个,外圈32个,冻结孔深度为11米,内圈3圈25个,冻结孔深度为2.6米。 测温孔9个。 冻结管管材选择: 选用(|89X8mm20#低碳无缝钢管。 C.主要冻结施工参数的确定 ⑴积极期盐水温度-25-30C。 ⑵冻结孔偏斜率BW1%。 盾构接收加固冻结孔外圈最大终孔间距Lmax=lmax+2^H=1.1m。 内圈最大孔间距为1.2m。 ⑶盾构始发、接收加固冻土平均发展速度v=28mm/d。 ⑷盾构始发、接收加固冻土墙交圈时间T=Lmax/2v=22天。 ⑸盾构始发、接收加固冻土墙达到设计强度的时间为35天。 ⑹冷凝温度+35Co 根据以上参数选定,当冻结孔最大间距处交圈时,冻土墙与槽壁完全胶结。 D.冻结孔施工 (1)冻结孔布置 盾构接收每个洞圈共布置水平冻结孔57个,内圈25个,外圈32个;冻结孔如下图。 (见21101冻结孔布置图) 匚冻结孔<■测蛊孔匚徐站孔c测温孔 21101冻结孔布置图 (2)冻结孔施工 1冻结管、测温管和供液管规格 冻结管选用©89X8mm20#低碳钢无缝钢管,采用丝扣连接加焊接;测温管采用©50X3mm无缝钢管(内圈用PVC管)。 2打钻设备选型 水平冻结孔施工,选用MD-60A型钻机进行施工,冻结管连接采用丝扣加焊接方式。 钻孔使用灯光测斜,冻结孔终孔偏斜控制在1%以内。 选用BW-250/50型泥浆泵1台,电机功率14.5KW。 3水平冻结孔施工方法: 水平冻结孔施工较复杂,工序为: 定位开孔及孔口管安装-孔口装置安装t钻孔t测量t封闭孔底部t打压试验。 具体如下: a定位开孔及孔口管安装: 根据设计在隧道内定好各孔位置。 根据孔位在槽壁上定位开孔,首先注意槽壁内主筋干涉时,调整孔位,用开孔器(配金刚石钻头取芯)按设计角度开孔,开孔直径130伽, 当开到深度300mm时停止钻进,安装孔口管;孔口管的安装方法为: 首先将孔口处凿平,安好四个膨胀螺丝,而后在孔口管的鱼鳞扣上缠好麻丝或棉丝等密封物,将孔口管砸进去,用膨胀螺丝上紧,上紧后,再去掉螺母,装上DN125闸阀,再将闸阀打开,用开孔器从闸阀内开孔,开孔直径为110—直将槽壁开穿,这时,如地层内的水砂 流量大,就及时关好闸门。 b孔口装置安装: 用螺丝将孔口装置装在闸阀上,注意加好密封垫片。 (见图21102孔口装置示意图) 钻杆 21102孔口装置示意图 施工中当第一个孔开通后,没有涌水涌砂,可继续开孔施工,但继续开孔仍要装孔口装置,防止突发涌水涌砂现象出现;若涌水涌砂较厉害,还应当进行注水泥浆(或双液浆)止水及地层补浆。 c钻孔: 按设计要求调整好钻机位置,并固定好,将钻头装入孔口装置内,在孔口装置上接上1.5寸阀门,并将盘根轻压在盘根盒内,首先采用干式钻进,当钻进费劲不进尺时,从钻机上进行注水钻进,同时打开小阀门,观察出水、出砂情况,利用阀门的开关控制出浆量,保证地面安全,不出现沉降。 钻机选用MD-60A型锚杆钻机,钻机扭矩3000N〃M,推力25KN。 d封闭孔底部: 用丝堵封闭好孔底部,具体方法是,利用接长杆 将丝堵上到孔的底部,利用反扣在卸扣的同时,将丝堵上紧。 e打压试验: 封闭好孔口用手压泵打水到孔内,至压力达到0.8MPa时,停止打压,关好闸门,经试压30min压力下降不超过0.05MPa,再延续15min压力保持不变为合格。 f管漏: 设计在管漏发生时的处理方法是: 逐根提出孔内管子,并用泥浆泵逐个焊缝打压,找出泄漏焊缝及原因,及时处理,并作好记录,二次下入后仍须自检。 在实际施工中,发生冻结孔打压保压不合格的冻结孔,要采用在泄漏孔冻结管内下入小一级冻结管(套管)的方法处理此类事故。 2.1.2冷冻站设计: A.制冷系统 盾构接收需冷量Q=1.3nqN3Hd=4.08万大卡/小时 D=0.089,H=450,q=250 盾构始发、接收根据冷量计算选用W-YSLGF300H型螺杆机组2 台套,备用一台,单台设计工况制冷量为8.75万大卡/小时。 冷冻站首次充氟立昂500Kg。 B.冷却水系统 冷却水总需水量: W=120m3/h,选IS-150-125型水泵,流量 200m3/h,电机功率22.5kw。 设计冷却水进水温度+25C,出水温度+28~32C。 选用2台NBL—50型冷却水塔,补充新鲜自来水10m3/h左右,水温+21Co C.盐水系统 设计盐水比重1250kg/m3(28.9Be),比热为0.665盐水凝固点 -346C,即盐水流量113m3/h。 设计单孔盐水流量不小于5m3/h。 盐水泵选用IS-150-125型水泵,流量200m3/h,电机功率45kw。 冻结孔为每3孔一组串联安装。 计算盐水干管,则选用①159X5低碳钢无缝钢管供回液。 D.冻结站需N-46号冷冻机油800Kg。 E.用电负荷为250KVAo 2.1.3冻结法施工工序、工期 A施工工序 通过测温孔观测计算,确定冻结帷幕交圈、冻土与槽壁完全胶结,并达到设计强度后,开始破除洞口槽壁直至槽壁最后一层钢筋砼(不少于300mm),再将洞口内冻结管拔出,槽壁完全破除,最后实施盾构始发、接收推进。 (见图21301工艺流程图)。 冻结站安装与钻孔施工同时进行,钻孔施工结束即可转入冻结器安装冻结阶段。 后再对土体进行加固冻结运转。 冻结法施工工艺流程图 21301工艺流程图 B.工期(单个洞门) 冻土平均发展速度取28mm/d,冻结孔最大间距1200mm,冻土墙交圈时间: T=1200+28+2=21.4天(取22天),达到厚度及强度需要35天,因此冻结天数达到后可完全破壁,进行盾构接收。 工期安排: ⑶拔冻结管 ⑷盾构推进始发(接收) ⑸融沉注浆 总工期 注浆) 2天 5天 90天 67天(不包括融沉 具体工期(根据盾构推进实际情况) 为保证盾构接收时的安全和冻结加固不因时间暴漏过长而融化,应做好冻结施工与盾构施工工序的相互配合;在破完第一层槽壁后 (约为槽壁厚度的60%~70%),冻结达到设计要求,再进行最后一层钢筋的割除,最后一层工序为先拔除盾构区域内的冻结管然后盾构 (接收)施工。 根据实际工程进度安排,在盾构接收前70天内进场 开始施工。 2.1.4劳动组织、配套计划 A.劳动力配备计划 劳动力配备计划见下表“劳动力配备计划表”。 打钻工先进场施工,然后进入冻结站安装。 同时施工最多人数为48人。 见表21401 表21401 工种 人数 工种 人数 打钻工 20 电焊工 4 冻安工 16 技术人贝 2 机修工 2 管理人员 2 电工 2 合计 48 B.设备与材料供应计划 地层冻结施工的设备与材料用量分别见表21402 施工参数见表21403 表21402 编号 项目 单位 数量 备注 -一- 主要设备 1 冷冻机W-YSLGF300H型 台 2 2 IS150-125-315水泵 台 2 盐水泵 3 IS125-100-215C 台 2 清水泵 4 真空泵(或抽氟机) 台 1 5 经纬仪 台 1 6 测温仪 台 1 7 NBL-50冷却塔 台 2 8 MD-60A钻机 台 1 9 电焊机 台 2 二 主要材料 1 ①159X5无缝钢管 T 10 2 ①127X4.5无缝钢管 T 5 3 ①89X8无缝钢管 T 10 冻结管 4 1.5”钢管 T 25 5 高压胶管 m 600 耐压0.8Mpa 6 冷冻机油 KG 800 N46 7 氟里昂R22 KG 800 8 氯化钙 T 10 9 逆止阀 只 64 10 1 1-”阀门 2 只 100 11 8”阀门 只 50 12 保温材料 M2 200 表21403 序 号 参数名称 单位 数量 备注 1 冻结孔深度 m 11 2 冻土墙设计厚度 m 2.3 3 冻土墙平均温度 C -10 4 积极冻结时间 天 35 5 垂直冻结孔数 个 0 6 水平冻结孔数 个 64 (入土4.5/33个入土2.6/31个) 7 冻结孔开孔间距一~三排孔 m 0.78~1.12 8 冻结孔平均偏斜率 % 1 9 设计最低盐水温度 C -25〜-28 冻结7天盐水温度达至2CC以下 10 单孔盐水流量 m3/h 5 11 冻结管规格(外圈)水平 mm ()89X8 20#低碳钢无缝钢管 12 测温孔 个 6 (J40X3mm无缝钢管(PVC) 13 冻结制冷量 Kcal/h 4.08万 工况条件 14 最大用电量 kw 250 15 用水量 m3/h 10 新水补充 2.1.5拔管 当冻结帷幕满足设计要求时开始破除槽壁60cm,破除完后,在 进行探孔检测,达到设计后,再对最后一层槽壁20cm钢筋砼进行破除,对内圈的(3圈)冻结孔内盐水吹出,进行洞口内冻结管拔除(第1、2、3圈),然后盾构靠上冻结壁;冻结段推进过程中严格控制推进速度和压力。 (见图21501盾构接收流程图) 21501盾构接收流程图 A冻结效果检测指标 (1)盐水去回路温差不大于-15C。 (2)各孔组温差不大于-2C,盐水流量》5立方米。 (3)盐水温度降至-25C~-28C以下。 (4)积极冻结时间要达到设计值(35天以上)。 (5)冻结过程中无断管和盐水漏失。 (6)选择合理测温孔测点温度,计算冻结壁厚度及平均温度达到设计值。 (7)打探孔无水,且探孔内温度在-5C以下已结冰。 (8)经过四方验收合格后方可破槽壁进行盾构机接收工作。 B拔管方案 盾构接收水平冻结管拔除: 水平冻结孔共4圈,先拔盾构接收口内的三圈孔,先拔中心孔第1圈及第2圈上部孔、第3圈孔上部孔继续冷冻。 拔完后,开始拔下部孔,拔第3圈孔时要间隔拔除。 考虑到盾构始发时盾构机离洞门圈较近,拔管过程中冻结孔不能一次拔出。 利用人工局部解冻的方案,进行拔管,具体方法如下: 利用热盐水在冻结器里循环,使冻结管周围的冻土融化达到50mm~100mm时,开始拔管。 (见图21502盐水加热循环图) (1)盐水加热 用一只2m3左右的盐水箱储存盐水,用15〜45kw的电热丝进行加热盐水。 (2)盐水循环 利用流量为10m3/h盐水泵循环盐水,先用20〜30C的盐水循环5分钟左右,然后盐水温度逐步升高到30〜60C循环达30分钟左右,当回路盐水温度上升到25〜30C时,即可进行边循环边试拔。 (3)冻结管起拔 水平孔管拔除: 用热盐水循环解冻15〜25分钟后,利用48#大牙钳转动冻结管,用5吨手拉葫芦拔出冻结管(连同孔口管一起拔除)手拉葫芦固定在搭设的脚手架上,冻结管范围内的脚手架须特殊加固使其与槽壁紧密连接便于力的传递。 (见图21503拔管示意图) 上述方法不能拔出冻结管时,利用两个5吨千斤顶架设在槽壁上,水平向外顶推冻结管。 (见图21504顶推拔管示意图) I盐水泵 压风流量 盐水箱 热盐水流向 热盐水循环及吹盐水系统图 21502盐水加热循环图 手拉葫芦 ©48X3.5脚手架管加固 孔口管 冻结管 拔管示意图 21503拔管示意图 C.注意事项 (1)冻结帷幕满足设计要求后,开始破除洞口槽壁0.6米。 (2)破槽壁时必须注意冷冻系统的保护,不得碰或砸冷冻管路及测温系统。 (3)洞圈内冻结孔拔除后盾构始发(接收)不宜超过1天,以 防冻结帷幕融化,影响其强度。 (4)冻结孔拔除的保温工作,采用聚乙烯保温材料对拔除后的冻结进行充填;人工破壁的同时对破壁后的加固体进行保温工作。 (5)抜管所使用的支架与人员工作平台支架必须是各自独立的体系,两个支架间不得有任何连带关系。 (6)盾构接收时推进到冻结区域如果停止推进应每隔10分钟转 动刀盘一次,每次转动时间不少于5分钟,防止刀盘被冻住。 2.1.6盾构穿越冻结区主意事项 A.温度控制 为了保证盾构能够推进,因此盾构外周的冻土温度必须得到有效的控制,冻土温度通过测温孔得到。 控制盾构外周的冻土温度不高于-5C。 最终通过测温手段确定冻结已达既定要求后才进行盾构接收施工 B.打设槽壁探孔 通过测温孔观测计算,确认冻结帷幕达到设计厚度及强度,在洞门槽壁上均布的打若干探孔,以判断冻土与槽壁的胶结情况。 探孔在两测温孔之间布置,按照各探孔的布置在洞门上定点,然后用开孔钻机打探孔,探孔进入冻土内深度控制在10〜15cm,探孔打好后,采 用高精度的温度计或测温仪进行量测,各探孔实测温度必须低于-4C。 C.槽壁凿除当通过探孔实测温度判断冻结帷幕与槽壁完全胶结后,方可拔管, 然后将槽壁全部破除,最后一层破壁时间不宜超过1天,以防冻结帷幕融化,影响其强度。 应采取措施作好保温工作,以确保冻土的低 温强度。 盾构接收时,最后一层破壁可采用粉碎性破除,如破壁时间来不及的情况下直接用盾构破壁,防止冻结帷幕融化,造成不良后果。 2.1.7冻胀与融沉控制措施 A.冻胀对周围环境的影响及控制 土层冻胀主要是地层中孔隙水结冰膨胀引起的,多数土层结冰时均要产生冻胀,冻胀量的大小与土层力学特性,约束条件,冻结速度,土层含水量及水分迁移的多少有关,水变冰的体积膨胀量约9%,而土体膨胀量一般约为3%-4%,依据施工经验,在浅土层进行冻结时易产生较大的冻胀量,一般取冻土体积的15%。 影响范围可能波及到非冻土区1〜1.5m,因此,冻结施工前,只要对所有影响范围内的管线采取适当的保护措施;施工过程中,加强检测,冻胀影响完全可以控制。 (如采用定向钻孔,局部冻结,热水循环等) 冻土产生的冻胀压力与冻土的平均冻胀率及周围土性的弹性模量、泊松比有关。 经实测。 由于冻结区域是开放式的,槽壁为C30钢筋砼,因此冻胀力不会对槽壁产生较大影响。 B.融沉控制和环境保护措施 融沉主要是冻土融化时排水固结引起的,滞后于冻土的融化,冻 土融化时的沉降量与融层厚度、融层土的特性有关。 根据施工经验和土工试验,冻土融化后,其标高可能略低于原始地层的标高,为减少融沉量,解冻后,可在隧道内进行适当的跟踪注浆,减小冻结对周围环境的影响。 在冻结管拔出的同时在孔内灌注水泥--粘土浆或粉煤灰浆,为防止低温对注浆强度的影响,在水泥-粘土浆或粉煤灰浆内掺防冻早强剂氯化钙(2〜3%)。 ⑴融沉补偿注浆 a注浆管布置在盾构始发(接收)完成后,利用隧道中管片预留孔进行融沉注浆。 注浆孔深度应穿越冻结加固区0.3-0.5米。 b注浆材料: 注浆材料采用水泥单液浆或水泥—水玻璃双液浆。 水泥-水玻璃双液浆比为: 水泥浆与水玻璃溶液体积比为1: 1。 水 泥浆水灰比为1: 0.8。 注浆压力为0.4~0.5MPA。 c注浆顺序 注浆的顺序是先下部后上部。 d注浆原则及方法 注浆遵循多次少量均匀的原则。 单孔一次注浆量为0.5m3,最大 不超过1m3。 注浆压力按设计要求为静水压力的2倍,压力小于0.5MPa。 一天地层沉降大于0.5mm,或累计地层沉降大于3mm时应进行融沉补偿注浆;地层隆起达到3mm时应暂停注浆。 具体要根据地面变形监测情况做适当调整。 以少量多次为原则,按融化冻土体积15%控制注浆量;注浆范围为整个冻结区域。 ⑵注浆施工过程的监测控制地面沉降变形是注浆的目的。 因此,解冻过程中,要加强地面变形监测、冻土温度监测、冻结壁后水土压力监测。 以上综合监测数据是注浆参数调整的依据。 ⑶融沉注浆结束条件 地层隆起达到3mm时应暂停注浆。 具体要根据地面变形监测情况做适当调整。 融沉注浆的结束是以地面沉降变形稳定为依据。 若冻结壁已全部融化,且不注浆的情况下实测地层沉降持续一个月每半个月不大于0.5mm,累计沉降量小于1mm;即可停止融沉注浆。 C.其他控制技术措施 ⑴为了预防冻胀和融沉,设计选用标准制冷量较大的冷冻机组,在短时间内把盐水温度降到设计值,以加快冻土发展,提高冻土强度,减少冻胀和融沉量。 ⑵掌握和调整盐水温度和盐水流量,必要时可采取间歇式冻结,控制冻土发展量,以减少冻胀和融沉。 ⑶预计融沉量较大的部位可采取压浆充填,以把融沉造成的危害降低到最低限度。 D.冻结保温措施: 由于气温较高,为减少冷量损失,冻结器及盐水干管采用绝热材料进行保温,必要时槽壁使用泡沫板覆盖保温,同时做好防雨措施。 E.环境设施保护措施 盾构接收加固施工为防止施工时对周边建筑、地下管线、民用及公共设施带来不良影响,必须制定严格的保护措施。 (1)必须选用无污染、效率高、安装运输方便的螺杆冷冻机组作为制冷系统的主机。 防止挥发性气体污染环境。 (2)采取必要的措施,防止打冻结孔时水土流失;在钻孔施工期间加强沉降的监测,发现跑泥漏沙水土流失严重引起的沉降,影响到建筑物和地下管线,应立即停止施工,马上注浆,防止沉降影响周围建筑物和地下管线,到没有沉降为止,待地层较稳定后再施工钻孔 (3)施工之前必须认真查清周遍建筑、地下管线、民用及公共设施的具
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