繁华城区大断面铁路隧道暗挖工法.ppt

繁华城区大断面铁路隧道暗挖工法中铁隧道集团二处有限公司二0一0年十一月 1 前言2 工法特点3 适用范围4 工艺原理5 施工工艺流程及操作要点6 材料与设备7 质量控制8 安全措施9 环保措施10 效益分析11 应用实例 目录 1 前言和地铁工程一样 铁路通过繁华城区只能设计为暗挖隧道 而在上方有管线群 且紧贴污水管的大断面铁路隧道暗挖还基本未遇到 这涉及隧道工程的施工安全和确保既有建筑物及地下管线安全这两大高风险难题 除特别特殊的情况外 一般尽量避开 但在地下工程技术不断发展的今天 依靠理论计算分析和借鉴类似的成功经验 采取强大的超前加固手段和科学的开挖工法还是可行的 但仍需要有稳妥安全之策 中铁隧道集团二处有限公司承担的北京铁路枢纽北京站至北京西站地下直径线隧道位于北京市中心区繁华地带 开挖断面11 60 10 25m 埋深最浅为2 8m 上方有8类共12条管线 其中 1350mm污水管线与隧道净距仅0 3m 隧道紧邻众多建 构 筑物 最近的为1 44m 房屋评估单位提出的容许差异沉降值仅为10 12mm 施工风险和技术难度特别大 针对上述工程技术难点与特殊性 项目部首先组织了技术攻关组 开展了繁华城区富水砂卵石地层浅埋大断面隧道多工法施工关键技术研究 通过调研 现场试验和实践 隧道安全平稳地建成 施工期间地表最大沉降小于30mm 建筑物差异沉降小于10mm 未发生管线及建筑物异常 获得了较显著的社会 技术 经济和环境效益 对类似工程借鉴意义重大 2 工法特点2 1通过对邻近建 构 筑物及地下管线的风险评估得出允许沉降值和差异沉降值 由此作为监测预警的依据 2 2依靠风险预警体系和信息化分析进行设计 施工技术 安全 质量动态管理 根据监测信息分析判断支护结构的强度 刚度 稳定性是否足够 发现问题及时调整支护参数 2 3根据风险管理原则及隧道地质和环境条件科学地选择不同的施工方法和工艺 2 4用洞外隔离桩来保护建筑物和地下管线 洞内导洞 中洞先施工 利用导洞对临近建筑物部位进行深孔注浆加固 对中洞拱部土体进行深孔注浆加固和管棚超前支护 然后再开挖隧道其它部位 初期支护闭合后再对拱部周围地层进行补偿注浆 补偿和消除开挖造成的建 构 筑物差异沉降 由此组成一套系统完备的建 构 筑物保护措施 2 5对城市地面 路面的占用和交通影响极小 能满足城市地下施工的高环保要求 有效地确保既有设施和隧道施工安全 3 适用范围适用于城市及其它紧邻近建 构 筑物或地下管线的浅埋大断面隧道暗挖工程 其它不良地质和环境条件下的类似地下工程可用作参考 4 工艺原理在工程地质环境 隧道埋深 隧道断面受力计算分析 实践经验和设计文件基础上 依靠风险评估得出管线与建 构 筑物较合适的允许沉降值和差异沉降值 针对性地选择适合不同情况的施工工法 建立风险预警体系和信息化分析管理系统 先从地表用洞外隔离桩来保护建筑物和地下管线 同时对紧邻隧道区域的地层进行深层注浆加固 按隧道导洞 中洞先施工 利用导洞对临近建筑物部位进行深孔注浆加固 对中洞拱部土体进行深孔注浆加固 管棚超前支护 隧道开挖 初期支护闭合后拱部周围地层的补偿注浆 隧道衬砌的程序进行施工 根据施工过程中监控量测的信息 及时调整施工工序 支护参数和加固措施 直至工程安全顺利完成 5 1施工工艺流程 5 施工工艺流程及操作要点 图5 1施工工艺流程 5 2操作要点5 2 1风险评估及风险预警1 建 构 筑物评估请具备有相关资质的评估单位 对隧道线路邻近 隧道结构轮廓外1倍洞径范围 的地表建筑物 桥梁 挡墙 地铁结构 人防结构等进行调查和系统评估 通过有限元分析计算 提出建 构 筑物的允许绝对沉降和差异沉降值 2 地下管线评估地下管线评估可以参考表5 2 1 1进行预评估 对风险较大的地下管线 请具备有相关资质的评估单位进行评估 根据评估结果采取不同的处置方式 表5 2 1 1地下管线的控制标准参考表 3 风险预警根据风险评估结果实行 级监测管理 详见表5 2 1 2 并配合位移速率作为监测管理基准 将允许值的三分之一作为基准值 允许值的三分之二作为警告值 将警告值和允许值之间称为警告范围 实测值落在此范围 应提出警告 说明需商讨和采取施工对策 预防最终位移值超限 警告值和基准值之间称为注意范围 实测值落在基准值以下 说明建 构 筑物 地下管线和隧道是安全稳定的 监测数据分析判断及反馈程序见图5 2 1 表5 2 1 2 级监测管理表 图5 2 1监测反馈程序框图 5 2 2施工方法选择根据风险管理的要求 选择大断面隧道合理的施工方法 1 在地下管线较少 交通便于组织 且覆土小于5m的情况下 宜选用盖挖法 参见图5 2 2 1 2 对于隧道与建 构 筑物的平面净距小于一倍洞径且大于3m 宜首先选用CRD法施工 并根据评估结果 适当辅以加固措施 参见图5 2 2 2 3 对于隧道与建 构 筑物的平面净距小于一倍洞径且大于3m 且覆土小于1倍洞径 宜选用双侧壁导坑法施工 并根据评估结果 适当辅以加固措施 参见图5 2 2 3 4 对于隧道与建 构 筑物的平面净距小于3m 且评估要求控制标准高 宜采用洞桩法施工 并根据评估结果 适当辅以加固措施 参见图5 2 2 4 图5 2 2 1盖挖法施工示意图 图5 2 2 2CRD法施工示意图 图5 2 2 3双侧壁导坑法施工示意图 图5 2 2 4洞桩法施工示意图 5 2 3隧道作业工序1 开挖采用台阶法施工 拱部人工开挖 并留设核心土 一次开挖长度为0 5 0 75m 下半断面采用人工配合机械开挖 2 立拱网构钢架安装应紧贴围岩 拱脚应设置在特制的基础或原状土上 并设锁脚锚杆 两榀钢架之间沿周边每隔1m用钢筋连接 形成纵向联系 使其成为一整体结构 3 挂网喷混凝土钢筋网采用 6钢筋编制 网片大小为1 0m 2 0m 网格间距为15 15cm 网片之间搭设一个网格 钢筋网应在初喷混凝土和架立钢架后铺设 喷射混凝土一般选用42 5 普通硅酸盐水泥或早强水泥 细骨料 粗骨料等原料 按照设计的配合比由自动拌合系统配料 采取初喷复喷的方式喷射 复喷必须填实钢筋与围岩间空隙 4 施工步距在施工中 上下台阶间距离应保持在1 5 2 5m之间 以保证断面及时封闭成环 左右导洞施工时前后应错开15m 以减弱群洞效应 5 装碴运输在洞内采用无轨运输 上台阶设置活动卸碴作业平台 上下断面能够平行作业 6 防水施工在初期支护与二次衬砌之间设防水隔离层 7 衬砌施工二次衬砌须在初期支护变形基本稳定后施做 二次衬砌为C35P8钢筋混凝土 采用台车施工长度为9 12m 采用人工立模施工长度为6 9m 在强度达到8 0MPa后方可拆模 5 2 4辅助施工技术措施根据建筑物和地下管线的评估情况及监控量测的信息反馈情况 可采用以下一种或几种辅助施工技术措施 以确保周边环境的安全 1 超前支护及补偿注浆采用小导管 在砂层 粘土层 粉土层可采用 42mm L 2m普通钢管 在砂卵石地层采用 25mm t 5mm的无缝钢管 作为超前支护 环向间距为每米3根 每榀打设 同时根据设计和监测反馈需要 增设采用长短管注浆结合的方式 参见图5 2 4 1 或初支背后径向注浆管相结合的方式 图5 2 4 1长短管注浆超前支护图图5 2 4 2径向补偿注浆示意图 1 长短小导管注浆 采用管长3 5mTSS注浆管 纵向每0 5m布设一次 环向间距0 4m 注水泥水玻璃双液浆对上半断面进行预注浆 开挖时在周边用超前小导管长2 5m注浆加固注浆盲区 纵向每0 5m布设一次 采取长短管相结合方式 实施了两次注浆 不易出现薄弱部位 能够有效地控制地表沉降 可保证隧道地表建筑物和地下管线的安全 2 径向补偿注浆 在初支闭合成环后 采用 32无缝钢管 L 2m环向间距0 5m 纵向间距0 5m 注入纯水泥浆或双液浆 补偿在隧道开挖施工过程中造成的绝对沉降和差异沉降 已达到控制建筑物变形的目的 2 隔离桩保护当建筑物紧邻隧道 隧道施工对既有建筑影响明显时 可在建筑物与隧道之间设置隔离桩 隔离隧道施工对建筑物的影响 达到保护建筑物的目的 常用的隔离桩有钻孔灌注桩 SMW桩或树根桩等 参见图5 2 4 3 图5 2 4 3隔离桩示意图 3 深层注浆加固在导洞施工完成后 利用已完成导洞 地表不具备施工条件时 或地表对临近建筑物进行补偿注浆加固 同时对中洞拱部被施工扰动的土体进行深孔注浆改良 加固 达到保证建筑物的安全和中洞扣拱安全的目的 参见图5 2 4 4 深层注浆可采用二重管A B C 无收缩双液WSS工法 注浆可分2序作业 根据监测反馈数值控制每序注浆参数 1 深层注浆布孔在靠近建筑物一侧导洞外侧布设若干注浆孔 在先期通过的两侧导洞内各布置若干斜向上的径向注浆孔 注浆孔长5 0 6 5m 局部根据建筑物和管线情况调整数量 长度和间距 以距离建筑物基底和管线下方1m为宜 梅花形布置 注浆孔端间距约为1 0m 纵向间距1 0m 位置 角度以及成孔长度根据埋深和隧道与建筑物 管线关系等进行调整 图5 2 4 4深层注浆示意图 2 浆液材料及配合比采用水泥 水玻璃双液浆 即为A液和C液的混合物 A液为稀释后的水玻璃 C液由水泥 外加剂和水组成 外加剂主要是调节浆液的可灌性和混合液的凝结时间 添加量按配合比在施工现场根据实际情况进行适当调整 C液各成分放入搅拌机的顺序依次为 水 外加剂 水泥 两种浆液在注入之前必须搅拌均匀 并经常检查混合后的浆液凝固时间是否适应现场施工环境 一般施工时配比按表5 2 4中的参数进行 混合后浆液PH值7 7 5 表5 2 4深层注浆液配合参数表 3 注浆参数 注浆终压第一顺序施工孔0 1 0 3MPa 第二顺序施工孔 0 3 0 5Mpa 凝固时间1 2分钟 为速凝注浆 钻杆回抽幅度约15 20cm 注浆速度与地层孔隙及连通情况 地层密实度有关 因此注浆速度暂定为每分钟不大于10 20L 注浆结束标准注浆量与注浆压力双控注浆 每根导管注入规定浆液 压力达到注浆终压 即可结束注浆 如压力长时间不上升 流量不减少 可能为跑浆现象 采用间歇注浆 4 管线保护措施对于紧邻隧道结构的地下管线除采用以上辅助工程技术措施以减小地层变形以达到保护管线的目的外 还可采用以下几类措施 在含水管线内加设内衬套管 消除管线渗漏以防管线周边土体恶化 以保证管线的安全 如果具备悬吊条件 可采用悬吊保护 配合管线产权单位进行采用逐级导流 利用检查井用抽水泵将管内水导流至相邻干管或其它支管内 对管线周围土体进行单独加固 增强管线周边土体的抵抗变形能力 以达到保护管线的目的 在施作隧道超前支护的同时 对管线周围土体的也进行超前加固 增加土体的承载力并起到止水帷幕的作用 根据管线与隧道的空间位置关系确定注浆管的长度和外插角 参见图5 2 4 5 注浆材料采用水泥浆 浆液的配合比为W C 0 5 0 8 1 注浆压力不得超过0 4MPa 图5 2 4 5对管线周围土体的加固图 加强施工监测 发现异常及时反馈 在地表沿管线轴线方向布设监测点 间距为3 0m 在洞内埋设拱顶下沉点及坑道收敛点 当施工前预测和施工中监测分析确认管线可能受到损害时 根据地面条件 管线埋深条件等采用临时加固 支吊或管下地基注浆等保护措施 5 2 5监控量测与数据分析实行全过程监测隧道周边建 构 筑物的变化情况 不断对各主要工序施工阶段引起的动态沉降数值与分析计算值进行分析比较 及时将分析结果反馈指导设计和施工 主要的监测内容参见表5 2 5 表5 2 5监测项目汇总表 5 3劳动力组织 见表5 3 表5 3劳动力组织情况表 6 材料与设备本工法无需特别说明的材料 采用的机具设备见表6 表6机具设备表 7 质量控制7 1工程质量控制标准7 1 1隧道开挖初支施工允许偏差按表7 1 1执行 表7 1 1导洞及中洞扣拱允许偏差表 7 1 2钻孔桩允许偏差见表7 1 2表7 1 2钻孔桩成桩允许偏差表7 1 3深孔注浆施工允许偏差见表7 1 3表7 1 3深孔注浆成孔及注浆允许偏差表 7 2质量保证措施7 2 1本工法应遵循现行国家和部颁有关隧道 地铁等地下工程施工质量及验收规范 7 2 2隧道施工必须按照设计要求做好支护结构 断面不得欠挖 严禁一次开挖进尺超过设计值 7 2 3应根据现场情况积极采取措施 如初喷混凝土等 防止塌方 对意外出现的超挖或塌方应采用喷混凝土回填密实 并及时进行回填注浆 7 2 4成环后在滞后掌子面几米处及时进行回填注浆 7 2 5钻孔灌注桩钻孔时 必须严密注意地层地质变化 及时调整钻杆速度和钻压 严格控制护壁泥浆的比重 含砂率和pH值 钻孔桩成孔后必须进行孔径 孔深 孔斜率及沉碴厚度的检测 下钢筋笼后 灌注水下混凝土之前复测沉碴厚度 确保满足规范要求 7 2 6钻孔桩施工必须按隐蔽工程要求做好施工记录 7 2 7注浆施工过程中严格控制注浆压力和注浆量 同时加密地表和建筑物变形监测 发现异常及时进行反馈并根据监测数据调整注浆参数 7 2 8监控量测严格规范和施工方案执行 对于变形异常情况应及时上报技术部门 同时采取应急响应措施 确保隧道和周边环境安全 8 安全措施8 1认真贯彻 安全第一 预防为主 的方针 根据国家有关规定 条例 结合施工单位实际情况和工程的具体特点 组成专职安全员和班组兼职安全员以及工地安全用电负责人参加的安全生产管理网络 执行安全生产责任制 明确各级人员的职责 抓好工程的安全生产 8 2施工现场按符合防火 防风 防雷 防洪 防触电等安全规定及安全施工要求进行布置 并完善布置各种安全标识 8 3各类房屋 库房 料场等的消防安全距离做到符合公安部门的规定 室内不堆放易燃品 严格做到不在木工加工场 料库等处吸烟 随时清除现场的易燃杂物 不在有火种的场所或其近旁堆放生产物资 8 4氧气瓶与乙炔瓶隔离存放 严格保证氧气瓶不沾染油脂 乙炔发生器有防止回火的安全装置 8 5施工现场的临时用电严格按照 施工现场临时用电安全技术规范 的有关规范规定执行 8 6电缆线路应采用 三相五线 接线方式 电气设备和电气线路必须绝缘良好 场内架设的电力线路其悬挂高度和线间距除按安全规定要求进行外 将其布置在专用电杆上 8 7施工现场使用的手持照明灯使用36V的安全电压 8 8室内配电柜 配电箱前要有绝缘垫 并安装漏电保护装置 8 9对将要较长时间停工的开挖作业面 不论地层好坏均应作网喷混凝土封闭 8 10建立完善的施工安全保证体系 加强施工作业中的安全检查 确保作业标准化 规范化 9 环保措施9 1成立对应的施工环境卫生管理机构 在工程施工过程中严格遵守国家和地方政府下发的有关环境保护的法律 法规和规章 加强对施工燃油 工程材料 设备 废水 生产生活垃圾 弃渣的控制和治理 遵守防火及废弃物处理的规章制度 做好交通环境疏导 充分满足便民要求 认真接受城市交通管理 随时接受相关单位的监督检查 9 2将施工场地和作业限制在工程建设允许的范围内 合理布置 规范围挡 做到标牌清楚 齐全 各种标识醒目 施工场地整洁文明 9 3对施工中可能影响到的各种公共设施制定可靠的防止损坏和移位的实施措施 加强实施中的监测 应对和验证 同时 将相关方案和要求向全体施工人员详细交底 9 4设立专用排浆沟 集浆坑 对废浆 污水进行集中 认真做好无害化处理 从根本上防止施工废浆乱流 9 5定期清运沉淀泥砂 做好泥砂 弃渣及其它工程材料运输过程中的防散落与沿途污染措施 废水除按环境卫生指标进行处理达标外 并按当地环保要求的指定地点排放 弃渣及其它工程废弃物按工程建设指定的地点和方案进行合理堆放和处治 9 6优先选用先进的环保机械 采取设立隔音墙 隔音罩等消音措施降低施工噪音到允许值以下 同时尽可能避免夜间施工 9 7对施工场地道路进行硬化 并在晴天经常对施工通行道路进行洒水 防止尘土飞扬 污染周围环境 10 效益分析本工法通过对邻近地下管线和建筑物风险评估 根据评估结果要求合理选择不同的隧道施工方法 借助隔离桩 深层注浆 补偿注浆 超前预加固等辅助措施 不仅在确保邻近地下管线和建筑物安全的前提下保证隧道工程的顺利完工 同时避免了占用地面大量场地 消除了对城市交通的影响 施工产生的振动 噪音 粉尘等公害也得到了最大限度的降低 在北京铁路枢纽北京站至北京西站地下直径线第二标段工程建设中 城市交通 周围居民及企事业单位生活及工作均未受到不良影响 隧道在上方紧贴地下管线 超近距离居民楼房边安全穿越 工程进度快 干扰因素少 文明施工程度高 较好地利用了各种资源 仅避免线路绕行和居民临时迁移就节约了大量工程拆迁和地面场地占用费 为以后城市地下工程在类似情况下的规划建设提供了可靠的决策依据和技术指标 新颖的工法技术将促进地下工程施工技术进步 体现了良好的经济 技术 社会和环境效益 11 应用实例北京铁路枢纽北京站至北京西站地下直径线2标暗挖隧道11 1工程概况北京站至北京西站地下直径线工程为连接北京两大铁路枢纽站的地下连接线 呈东西方向在前三门大街下通过 2标段从宣武门路口东南侧起 沿宣武门西大街往西至长椿街后拐至西便门桥 天宁寺桥 白云路桥北侧 斜穿白云路桥下至小马场附近出地面 全长3094m DK4 756 DK7 850 隧道自东向西依次采用的施工方法为盾构法 CRD工法 洞桩法 盖挖法 明挖法 自东向西为10 和16 的上坡 覆土厚度约为16 92 2 8m 其间设置3个竖井 DK7 795 6处的4 盾构始发竖井 5 盾构辅助井和DK7 642 5处6 竖井 工程平面示意见图11 1 设计的隧道断面型式见表11 1 图11 1工程平面示意图 表11 1设计隧道断面型式表该区段隧道顶板穿过的主要岩土层为卵石 圆砾及少量粉质粘土层 隧道结构底板及边墙穿过的岩土层主要为卵石层 粉质粘土层及所夹砂土层透镜体 局部夹粘性土 地下水位高程为21 36 21 71m 水位埋深为23 13 24 31 隧道开挖底板高程为19 67 22 71 部分区段处于层间潜水水位以下 且隧道结构底板所处岩层主要以圆砾层 卵石层 粉质粘和砂层 在地下水作用下自稳能力差 易坍塌 从而引起拱顶冒落和边墙变形 影响施工安全 因此 层间潜水对该段施工有直接影响 11 2工程邻近建筑及风险评估11 2 1工程邻近建筑有五交化大楼 白云观南里9号 10号 段和 段住宅楼及白云桥桩基 11 2 2风险评估在施工之前 请清华大学房屋鉴定中心和北京市九通衢道桥工程技术有限公司检测所对沿线一倍洞径范围内的房屋和桥梁进行了评估 并给出沉降控制指标 1 五交化大楼五交化大楼位于采用CRD工法施工的浅埋暗挖隧道北侧 地面为5 6层结构 基础采用桩基础 盖板的结构形式 基础桩为 600 1200 桩长6 0m 盖板厚度为500mm的现浇钢筋混凝土结构 大楼与隧道的净距为5 38 5 51m 隧道起止里程为DK6 990 DK7 060 隧道与五交化大楼相互关系示意参见图11 2 2 1 风险评估结果 五交化大楼抗变形能力指标值为 15mm 图11 2 2 1隧道与五交化大楼相互关系示意图2 白云观住宅楼在洞桩法隧道DK7 072 DK7 260段隧道结构北侧紧邻白云观南里9 10号楼 建筑物与隧道中线顺行 建筑物距隧道最近距离近1 4m 建筑物与隧道相互关系及建筑物情况详见图11 2 2 2 图11 2 2 3和表11 2 2 图11 2 2 2隧道与建筑物平面关系图 图11 2 2 3隧道与白云观住宅楼剖面关系图 表11 2 2隧道邻近白云观南里建筑情况表 3 白云桥隧道在DK7 300 DK7 420从东向西在白云桥桩基的北侧通过 距离桩基净距为15m 3m 具体情况参见图11 2 2 4 图11 2 2 4隧道与桥梁横断面位置关系示意图 评估结论 桥梁整体技术状况较差 评定为C级桥梁 桥梁基础位移控制标准要求 桥基水平位移值控制在5mm内 简支梁桥相邻桥墩差异沉降控制在20mm内 同一盖梁下两桩基差异沉降控制在5mm内 11 3施工方法选择根据沿线建 构 筑物风险评估情况 地质水文条件及工程特点 分别采用以下工法施工 在DK7 433 5 DK7 673 5区段 由于隧道埋深