地铁区间穿古建筑群微振爆破工法.docx
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地铁区间穿古建筑群微振爆破工法
地铁隧道下穿人防洞室裸洞群施工工法
1.前言
地铁施工难免会与城市中已存在的人防洞室、高层建筑的地下室等地下构筑物靠近,还要受到各种复杂地质条件及周边环境因素的制约,特别是在岩质地层中,隧道需采用钻爆法施工,爆破所产生的地震波难免会对上部构筑物造成一定程度的影响,严重者还可能出现围岩失稳,后果严重。
青岛地铁青人区间下穿人防裸洞群施工中,面临区间断面大、人防裸洞群易失稳、工期进度紧张等难题,通过对既有人防洞室稳定性进行检测、根据检测结果制定加固方案,针对地铁区间下穿人防洞室群的平顶直墙结构,通过数值模拟分析,确定先边洞后中洞的开挖方法,采用边跨半封闭的框架结构临时支撑设计,并综合采用多种减震技术措施,顺利穿越了人防裸洞群,取得了良好的经济效益和社会效益。
结合工程实践,经总结形成本施工工法。
2.工法特点
2.1地铁区间隧道下穿人防洞室群段为11.7m跨度,高6.8m的平顶直墙矩形大断面隧道,采用三个平行导洞分部进行开挖,充分利用中导洞岩体的支撑作用,避免一次开挖跨度过大而导致隧道失稳,能有效的控制围岩变形和地表下沉,保证了区间隧道及上部人防洞室的稳定性及安全性;
2.2下穿段处于区间中部,先后开挖左右侧洞,并及时施作初期支护,左右侧洞交替通行,可以进行一侧导洞二衬结构施工的同时保证前方隧道正常施工,确保了施工进度;
2.3导洞采用上下台阶法施工,爆破开挖采取以控制弱爆破为主,适时进行二衬和支护体系转换,解决了复杂环境条件下大跨平顶暗挖隧道上部人防洞室群不稳定而易失稳的技术难题;
2.4针对地铁区间下穿人防洞室群的平顶直墙结构,通过数值模拟分析,采用先边洞后中洞的开挖方法,使用的边跨半封闭的框架结构临时支撑设计,既保证安全同时也能满足施工进度。
2.5工艺流程容易控制,投入的人员设备少,本工法充分利用了中导洞岩体的支撑作用,地层变形小,并辅以超前管棚支护、挂网、型钢支撑、喷射砼等支护手段,能确保施工安全。
3.适用范围
本工法适用于大跨度平顶直墙暗挖隧道工程近距离下穿既有人防洞室、高层建筑地下室等构(建)筑物的爆破开挖施工,适用地层为Ⅰ~Ⅲ级岩质地层。
4.工艺原理
本工法通过对既有人防洞室稳定性进行检测、根据检测结果制定加固方案,针对地铁区间下穿人防洞室群的平顶直墙结构,通过数值模拟分析,确定先边洞后中洞的开挖方法,导洞分上下台阶法施工。
按照先开挖侧洞,施作侧洞二衬结构,并安装临时型钢支撑使二衬结构临时封闭,然后开挖中洞,最后施作中洞衬砌结构,形成封闭结构,然后拆除临时支撑的顺序进行施工,开挖采用微振控制爆破工艺进行。
本工法的关键技术为:
裸洞加固,分部开挖,架设临时支撑,微振控制爆破及监控量测信息管理。
5.工艺流程及操作要点
5.1工艺流程
下穿人防洞室裸洞群施工工艺流程图见图5.1-1。
图5.1-1施工工艺流程图
5.2操作要点
人防裸洞支护加固
地铁隧道外轮廓线15m范围内爆破施工扰动较大,因此在隧道结构边线两侧至少各15m的范围内进行支护加固,主要加固形式为:
边墙及拱部采用喷射混凝土,拱部挂设钢筋网片,局部围岩裂隙发育处施作砂浆锚杆,根据拱部围岩裂隙发育情况架设型钢支撑等措施。
平顶直墙大跨度隧道施工步骤
施工步骤见图5.2-1。
图5.2-2平顶直墙大跨度隧道施工步骤示意图
超前管棚施工
超前管棚工艺流程:
施作导向架→钻机就位→钻孔→清孔→下管→放置钢筋笼→注浆,具体步骤如下:
管棚施作前先采用工字钢在洞口处安装三榀工字钢架,在钢架上焊接套管作为导向架,控制管棚的钻进方向。
按照设计钻孔后,利用高压风清除孔内杂质,方可下管。
采用刚度较大的大直径无缝钢管。
为了增强管棚刚度,在管棚内放置钢筋笼。
为防止管棚下方的三角岩块脱落,对每根钢管注浆。
开挖
分三导洞开挖,每个导洞采用台阶法开挖。
每个导洞上、下台阶前后的错距为5m,左右导洞的前后错距为5m;
施工时应严格按照“短进尺、弱爆破、早封闭,勤量测”的原则作业,爆破对周围建筑物的振动速度应控制在1.5cm/s以内。
爆破进尺控制及装药量需严格控制。
分部开挖爆破设计详见图5.2-3。
图5-3各部开挖爆破设计图
支护
初期支护采用工字钢,纵向间距1m,并喷射C25早强混凝土,钢架施工关键控制点为钢架安装纵向定位必须确保三个导洞里程一致,以保证后期钢架横向的连接质量,因此一侧导洞每循环钢架安装必须严格定位并记录实际安装位置,待另一侧导洞进行钢架安装时,按照上次记录的钢架位置进行定位,方可确保中洞与两侧洞的钢架能够准确连接。
二次衬砌施工
左、右导洞全部开挖完成后,开始施作左、右洞二衬结构。
底板施工时,预埋钢板,以便后期安装临时支撑。
临时支撑采用H型钢,纵向间距2m,在进行顶板混凝土浇筑时同时安装,确保临时支撑与衬砌密贴,保证受力时衬砌结构无沉降;衬砌结构施工关键是保证平顶隧道拱顶与初支间密贴,采取分段浇筑、合理控制混凝土坍落度及拱顶预留注浆管压水泥浆的方法,确保衬砌拱顶与初支面密贴。
两侧结构强度达到设计强度后再进行中洞开挖,全部开挖完成后,反向分段拆除初期支护的钢支撑及喷射混凝土,一次拆除长度6m,然后施作中洞初砌结构,中洞结构全部施作完成强度达到设计强度后,拆除临时封闭的H型钢支撑,施工期间前方隧道施工利用两侧已完成结构作为施工通道。
监控量测
监控量测方法、频率、控制标准详见表5.2-4。
表5.2-4监控量测项目、方法与频率表
序号
监测项目
方法及工具
监测频率
控制值
警戒值
1~15天
16~30天
31~90天
1
地质及支护观察
观察、描述
开挖及支护后立即进行
/
/
2
洞周收敛
收敛计
2次/天
1次/2天
2次/周
20mm
14mm
3
拱顶下沉
精密水准仪、水准尺、钢尺
2次/天
1次/2天
2次/周
30mm
21mm
4
地表沉降
精密水准仪
2次/天
1次/2天
2次/周
30mm
21mm
5
爆破振速
测振仪
爆破时
15mm/s
5.3劳动组织
劳动力组织详见表5.3-1。
表5.3-1劳动力组织表
序号
工作项目
工种
人数
备注
1
钢架加工制作
普工
2
2
电工
1
3
电焊工
2
4
导洞开挖掘进
爆破工
5
每个导洞的人数
5
出碴
4
6
装碴
1
7
初期支护
钢架安装
5
8
挂网
3
9
搅拌机司机
1
10
拌合料运输
2
11
喷射混凝土
2
12
负责现场技术监控
技术员(量测)
5
13
负责现场试验
实验员
1
14
现场协调安排
负责人、调度
3
15
负责现场安全工作
安全员
1
16
现场清理工作
普工
3
6.材料设备
6.1材料
本工法无需特别说明的材料,爆破采用2#岩石乳化炸药及非电毫秒雷管,支护采用22b工字钢、HW250×250×8型H型钢、Φ22mm钢筋砂浆锚杆及Φ108mm超前管棚,结构采用C45P10抗渗混凝土,防水层采用1.5mm厚EVA防水板,二衬背后注浆采用补偿收缩水泥浆。
6.2设备
设备配置情况见表6-1。
表6-1主要机具设备
序号
设备名称
规格型号
数量
用途
1
空压机
20m3/min
3
钻孔、喷射砼作业
2
凿岩机
YT28
12
钻孔作业
3
自卸汽车
10t
5
运碴
4
挖掘机
PC220
1
排险、扒碴
5
侧卸式装载机
ZLC50B
1
装碴
6
爆破振动记录仪
BR-6722
4
爆破振动记录分析
7
全站仪
LeicaTCR1201+
1
开挖放线
8
激光隧道断面检测仪
BJSD-3
1
断面检测
9
电子水准仪
TrimbleDini03
1
监控量测
10
收敛计
JSS30A
1
监控量测
11
水平钻机
GY-2A
2
管碰施工
12
定向钻机导向仪
SE-1
2
管棚施工
13
砼搅拌机
JS500
1
喷射混凝土材料搅拌
14
注浆机
SYB50/50-1
1
管棚小导管、隧道注浆
15
灰浆泵
UJ200
1
管棚小导管、隧道注浆
16
灰浆搅拌机
GZB600
1
管棚小导管、隧道注浆
17
平板式振动器
通用产品
8
混凝土振捣
18
插入式振动器
通用产品
5
混凝土振捣
7.质量控制
7.1.质量标准
《地下铁道工程施工及验收规范》(GB50299-2003);
《爆破安全规程》(GB6722-2003)。
7.2质量控制措施
7.2.1本工法严格为依据进行质量控制。
7.2.2隧道应按照设计尺寸严格控制开挖断面,不得欠挖,允许超挖值应符合规范要求。
基面应坚实并清理干净,必要时应进行预加固。
7.2.3开挖中严格控制进尺长度不超过1.0m,开挖后快速安装型钢架,整榀钢架应垂直于洞室中线,允许偏差为:
横向+30mm,纵向±50mm,高程+30mm,垂直度5‰;格栅钢架与壁面应楔紧,每榀钢架节点及相邻钢架纵向必须分别连接牢固,与纵向连接钢筋应焊接可靠,拱脚不得置于虚渣上,钢架安装后及时施作锁脚锚杆,并与钢架焊接牢固。
7.2.4下台阶开挖时,边墙应采用单侧或双侧交错开挖,不得使上部结构同时悬空,一次循环开挖长度不应大于2m,并及时安装钢架支撑。
7.2.5开挖后应及时及进对初支背后空隙进行注浆回填,保证处置背后密实。
7.2.6区间爆破施工中加强对临时竖撑的保护,主要保护措施:
一是改变爆破时的抛掷方向,避免飞石直接对临时支撑进行冲击造成破坏;二是采用弱爆破减小爆破飞石冲击;三是将临时支撑与岩面采用喷射混凝土喷射成整体,并在靠近掌子面方向将支撑端面采用喷射混凝土喷射成一个斜面,对钢支撑加以保护,当临时支撑变形较大时必须进行更换。
7.2.7喷射混凝土应密实、平整、无裂缝、脱落、漏喷、漏筋、空鼓、渗漏水等现象。
平整度允许偏差为30mm,且矢弦比不应大于1/6。
7.2.8初期支护受力主筋保护层厚度为40mm,喷射混凝土时严禁因几次喷射混凝土而造成初支结构侵入净空范围内。
8.安全措施
8.1加强监控量测工作,以信息化手段指导施工。
8.2严格执行《爆破安全规程》,强化火工品管理,严格执行火工品动用审批制度和当地公安部门的要求。
8.3爆破开挖时,应遵循“多打眼、少装药、短进尺、弱爆破”的原则,严格控制每循环进尺和装药量,严格执行各项钻爆参数,加强振动监测,确保上部人防洞室的稳定。
8.4随时对量测数据进行分析,根据围岩变形及时采取加固措施。
8.5加强对人防洞室内的现场巡视。
除了需要有先进的监测仪器设备及富有经验的工程技术人员外,更重要的还应通过不间断的现场查看予以保证,派专人对人防洞室内的岩面进行巡视,当出现变形时及时通知相关部门,同时采取应急防护措施。
8.6人防洞室未来可能很长时间内不会被开发利用,后期难免出现积水。
为了避免积水长期浸泡新建隧道顶板而造成渗漏水,采取砌筑挡水墙等措施,定期抽排水。
9.环保措施
9.1地铁施工对大气环境的影响主要为粉尘,施工现场主要由开挖、钻孔、回填、汽车运输等产生。
采用洒水、封闭式运输及载土车辆进出施工场地时,对车辆进行冲洗,对施工场地地面全部进行硬化处理,对弃土及建筑材料加强管理,适当加盖蓬布等措施,将扬尘的影响减少到最低水平;
9.2施工对水环境影响主要为开挖断面排水、注浆浆液及施工生活污水、冲洗车辆的污水等,在现场修建沉淀池,经沉淀后再排放。
9.3选用的施工注浆浆液对地下水无污染,施工生活污水排入城市污水管网中;
9.4在施工现场严格遵照《中华人民共和国建筑施工场界噪声限制》来控制噪声,选用低噪音设备,采取消音措施降低施工过程中的施工噪音。
10.效益分析
10.1经济效益
青人区间下穿中山路人防裸洞群范围地铁隧道断面为平顶直墙大断面隧道,若为单一工程采用先中洞后侧洞的工法宜为最佳方案,但本工程中平顶直墙暗挖隧道处于地铁区间中部,若先施工中洞必然导致前方隧道无法施工,工期延长。
本工程中采用本工法保证了前方隧道施工的连续性,同时也保证了人防裸洞群的稳定及安全,对于整个区间工期缩短3个月,工期效益明显,区间施工每个月各项费用约80万元,缩短三个月工期节约成本3×80=240万元。
10.2社会效益
青岛地铁1期工程3号线01标位于青岛市南区沿海旅游历史风貌区,沿线德式建筑分布密集,这些建筑大多都有地下室,如何保证地下结构和地下洞室的结构稳定备受青岛市相关单位和社会各界关注。
该工法的成功实施,顺利下穿中山路“回”字形人防洞室群,对加快青岛火车站至人民会堂站区间隧道工程进度起到了关键作用。
由于技术方案可行,施工控制得力,施工组织合理,节省了材料、设备和人员的投入,保证了施工安全和施工质量,使前方隧道正常有序的进行施工,经过对爆破振速的和人防洞沉降的监测,最大振速和沉降值均在可控范围内。
施工过程中,并未给上方主干道中山路及周围民众造成太大影响,青岛市地铁集团及社会各界对我公司的技术能力给予肯定,为我公司在青岛的滚动业务开展打下良好的基础,陆续中标青岛地铁2号线、1号线工程,工程造价约15.2亿元,社会效益明显。
11.应用实例
11.1实例一
青岛地铁一期工程3号线青岛火车站至人民会堂站的区间在K0+350~K0+485段总长135m的范围内下穿既有人防裸洞群,该洞室群呈“回”字形分布,错综复杂;其中,K0+418~K0+484.3段长66.3m已侵入既有人防洞室结构底部,地铁隧道与中山路人防洞室群存在立体交叉,区间隧道自该人防洞底0.7~1.2m处下穿,地铁隧道断面为11.7×6.8m矩形大断面,属超浅埋、大跨断面暗挖隧道,隧道所处上部洞室群受力情况复杂,根据文献报导,国内无类似施工案例。
该人防裸洞群位于既有市政道路下方,隧道上方无建筑,临近建筑主要为山东省出入境检验检疫局27层办公楼。
该人防工程在2005年左右即处于停工状态,洞内充满积水,现状为6~7m跨度的裸洞,洞身未进行任何支护。
该段下穿于2012年11月1日开始施工,2013年1月21日施工结束,该施工工法的成功应用,下穿人防洞室群用了3个月的时间,没有因为上部错综复杂的人防洞群的影响而延长工期,实现了大断面、浅埋地铁区间隧道安全、快速的穿越了人防洞室群,得到了业主的好评。
11.2实例二
青岛地铁3号线青岛站西端暗挖段下穿既有2号线车站,2号线车站于1995年建成,是结合周围地下开发早期建成的地下二层岛式车站。
青岛站西端暗挖段长66.3m,为大跨度平顶直墙断面的暗挖车站,共有单箱单室及单箱四室两种结构断面,最大开挖跨度22.5m,高度7.7m,围岩为Ⅱ~Ⅲ级硬岩,青岛站结构顶板与既有结构底板垂直间距1.71~4.36m,其中20m纵深结构顶板与既有车站底板密贴。
在施工中,对该施工工法根据现场实际条件进行优化,改变为五个平行导洞法开挖,该工法成功运用于青岛站西端暗挖段紧贴既有车站平顶直墙大跨度暗挖车站的施工,严格控制了既有结构的沉降和变形,取得了较好的社会及经济效益。
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