城市运营地铁上方明挖隧道组合式施工工法.doc

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地铁，作为城市公共交通中的一种重要运输工具，因其安全、快捷便利、运输能力大而广受各国城市喜爱，地铁在国外的历史已有150年，我国国内北京、上海等发展也有40多年历史，而郑州，虽然地铁建设起步较晚，目前仅有一条正在运营线路，但地铁发展态势迅猛，目前正在建设中有6条线路，建设里程超过150公里，规划2020年前将建设11条线路，2050年前建设21条线路，未来30年将是郑州地铁建设的高速发展期，地铁建设分布于城市的各个区域角落，因此不可避免的，会存在很多通过地铁上方区域与地铁平交或斜交的下穿隧道、高楼大厦、管廊等工程。 在运营地铁上方进行施工，会因地铁上方土体大面积卸载，给地铁带来极大的安全隐患，而目前郑州地区也没有任何可供借鉴的成功经验，还处于空白区域，在地铁轨道保护方面，郑州轨道交通公司也处于摸索阶段，没有可供指导性的文件、条例，而郑州轨道交通公司要求隧道最终变形监测水平位移和沉降控制标准为10mm，远小于北京、上海等城市的控制标准20mm，控制标准极为严格，为解决这一技术难题，我们同设计院共同开展了科技攻关，开发了“城市运营地铁上方相交明挖隧道组合式开挖施工工法”，解决了这一技术难题，控制住了地铁隧道最终隆起量，最终确保了运营地铁的安全。 该工法包括三轴搅拌桩满堂加固技术、基坑围护结构技术（地 连墙、灌注桩等）、深基坑“弹钢琴”式土方开挖及底板快速施工技术、快速复载技术、实施动态监测技术等一系列成果，并在经三路-城东路下穿金水路隧道工程（与地铁1号线斜交）、未来路下穿金水路隧道工程（与地铁1号线正交）中成功应用，取得了很好的效果，满足了郑州地铁隆起量的安全底线值，有效解决了运营地铁上方因大面积卸荷带来的地铁保护难题，技术先进、操作性强、并具有显著的经济效益和社会效益、有较好的推广意义。 2、工法特点 2.1施工方法特点 2.1.1 可以很好的解决因在城市建设中与地铁隧道相交工程而带来的对地铁安全保护的技术难题。 2.2.2 通过三轴搅拌桩用水泥土置换原先土质，在地铁上方及周围进行土体加固，加大了未开挖土体的荷载重量，并使周边土体形成有效整体，且减少了相邻土层变形灵敏的问题，大大增加了土体抵抗变形能力，有效减少了因土体卸荷而引起的隆起量。 2.2.3 采用“时空效应”原理，在基坑开挖及底板施工时实行“弹钢琴法”跳仓式施工工艺、底板快速施工及快速复载工艺，最大限度的减少因卸荷带来的基坑隆起量。 2.2.3 地铁监测必须实时、全过程不间断监测，人工监测与自动化监测相结合，以指导施工。 3、适用范围 适用于城市建设中与运营地铁隧道相交的（包括正交、斜交、 小于安全距离的平行）高楼大厦基础施工、下穿隧道、地下通道、地下广场、综合管廊等基坑开挖工程，该工法有很好的指导价值。 4、工艺原理 主要利用了“时空效应原理”、提高周边土体自身抵抗变形强度的能力、减少单次开挖的卸荷量及暴露时间以及充分利用隧道变形实时监测的原理，具体如下： 4.1 对地铁隧道上方及周围进行满堂土体加固，增强了隧道上方及周边土体的抗隆起能力，减少邻近基坑开挖的叠加效应影响。 4.2对基坑开挖及底板施工实行分区分块“弹钢琴法”施工，分块面积不宜过大，每块面积控制在50m2以内，保证单次卸荷量小，具体结合工程实际工况确定；基坑开挖到位后，要迅速进行底板结构施工，减少坑底暴露时间。 4.3 复载要及时，复载量可根据地铁上方土体卸载情况，由设计单位计算后提供，复载时间要掌控及时，复载量满足要求，不得打折。 4.4地铁监测要实时动态掌握，监测就是施工的眼睛，一切均以监测数据为依据进行指导施工。 5、施工工艺流程及操作要点 5.1施工工艺流程 坑围护结构施工 施工 方案论证及完善施工准备（含人材机）基地铁上方及周边土体加固支撑体系安装及底板复载块回收。 5.2操作要点 5.2.1围护支撑体系施工 基坑围护体系施工，结合基坑实际工况，可采用地连墙、钻孔灌注桩、SMW工法桩等施工工艺的围护结构，其中SMW工法桩宜采用微扰动工艺、钻孔灌注桩宜选回旋钻机施工；支撑体系可采取钢筋砼支撑体系及钢管支撑体系，为便于后期施工及基坑安全，第一道支撑体系宜选用钢筋砼支撑。 5.2.2三轴搅拌桩土体加固 1、三轴搅拌桩桩径一般为850mm，水泥掺量为20%，地铁区域三轴搅拌桩加固形式宜采用门式加固（如下图5.2.2-1），加固区域宽度为两侧各不小于一个地铁管壁宽度（即6.2米）（如下图5.2.2-2），两侧深度为自然地面至地铁管壁下部平，加固厚度不宜小于4米。 图5.2.2-1 图5.2.2-2 （2）三轴搅拌桩加固施工同基坑施工方法一样，宜采用弹钢琴跳跃式进行施工，每次施工面积不宜过大，以尽量减少对周边土体造成大面积的扰动。 （3 ）三轴机械操作人员必须选用业务熟练、责任心强的，且必 须定岗定人，并对范围及标高熟悉的人员，严禁操作人员疲劳驾驶，操作人员在操作过程中如遇异常情况，应立即停止施工，并及时上报。 5.2.3弹钢琴式分区分块施工方法 1、充分利用“时空效益”原理，将原有基坑分为多个小基坑（见下图5.2.3），减少了单次开挖的卸载量及卸载时间。 图5.2.3 2、每个小基坑的土方开挖严格按照“分层、对称、限时”的原则进行。 3、基坑施工采用弹钢琴式跳跃式的施工方法，可考虑“先远后近”的方式进行，首先施工距离地铁隧道相对远的分块区，再依次进行施工隧道正上方的分块区。如上图5.2.3，施工顺序为:19375264,先进行第1块的结构施工，基坑开挖至设计标高后,快速进行底板结构施工，随即进行加载复重，复载完成后，方可进行第9块的施工，依次进行完毕。 5.2.4底板快速施工法 1、为加快施工进度，素混凝土垫层掺入早强剂， 减少初凝时间， 以便尽快形成强度，尽快施工反贴式自粘防水卷材。 2、每一小单元内的底板钢筋网片可拆解为多块提前加工安装成型，以方便直接安装，节省时间。 3、为提高底板混凝土早期强度，可添加早强剂、调整塌落度、加强早期养护等措施，以确保底板尽快满足堆载条件。 4、人材机必须组织到位，必须确保24小时进行作业，严格按照指定的节点时间完成，每道工序之间必须安排紧凑，连贯不停歇，做到提前量。 5、每个小单元的详细时间安排见下表 5.2.5快速复载法 1、底板每平米需再次复载的荷载重量，必须经原设计单位计算后提供作为依据，且现场荷载堆放量要严格按照设计要求足量堆载，不得小于或超过设计要求的每平米堆载重量，荷载堆放时间要掌控好，只要满足条件，就要立即堆载完成。 2、配重块的选择上，可选择砂袋、混凝土块、钢板等，要根据 实际工况、结合项目自身情况选择，配重块体积不可过大、方便吊装、运输及施工方便，考虑回收循环利用，宜选择混凝土配重块（见图 5.2.5），配重块尺寸为1mX1m X0.5m，每块重量为1.2t/m2，混凝土标号采用C25，如下图。 图5.2.5 5.2.6全过程实时动态监测法 为确保地铁区域的顺利进行和运营地铁的绝对安全，施工过程中加强施工监测、实行信息化施工，充分分析监测数据，根据监测数据发展趋势，决定是否采取相关应急措施或改变施工工序、施工方法。 1、地铁区域主要监测采用测量机器人自动监测及人工监测相结合，主要监测项目如下表： 测量机器人自动监测项目表 5.2.6-1 人工监测项目表5.2.6-2 2、监测频率设置的基本原则是必须在确保运行安全的墙体下，从实际出发，结合工程的特性，自始至终要与工程的实际进度相结合，满足现场工况要求，在全面、准确、及时的原则下安排监测频率，尽可能建立起一个完整的检查预警系统。 监测频率如下： 1）施工前将所有测点布设好并取得初始值3次； 2）围护结构施工期间1次/周； 3）三轴加固期间2次/周； 4）基坑开挖及结构施工期间1次/天 5）施工结束后1次/周 3、监测数据的反馈 地铁监测即是地铁影响区域内施工的眼睛，没有监测数据的及时反馈提供指导，就无法进行下步工作安排，就如同在黑暗中走路，没有灯光无法前进一样，所以监测极其重要，为此必须成立包括轨道交通公司安全科、建设单位、设计单位、监理单位及第三方地铁监测单位、施工单位在内的地铁区域施工领导工作小组，并建立起了有效迅捷的沟通平台，包括电话沟通、书面沟通、QQ群、微信群等（见下图5.2.6-3），以确保参与成员均能第一时间掌握地铁区域施工动态、施工进度情况、监测数据是否报警等，以保证可第一时间启动应急预案。 图5.2.6-3 5.3劳动力组织 6、材料与设备 本工法无需特别说明的材料，采用的机械设备见表6。 机械设备表 表6 7、质量控制 7.1工程质量组织措施 7.1.1严格质量控制程序， 施工管理工作做到“十到位” 1、施工方案、技术、质量措施,各级负责人落实到位； 2、设计变更、材料变换，工程技术人员传达到位； 3、施工工艺、操作规程，工程技术人员交底到位； 4、质量控制、监督检查，质量检查人员追踪到位； 5、工序交替，施工班组长交接到位； 6、上下班转换，操作人员交换到位； 7、专业工种施工协调，各级施工负责人指挥到位； 8、重大施工与安排，主要领导值班到位； 9、人员、机具、材料调配，各级施工负责人组织到位； 10、施工月、周计划编制、落实，主要领导研究布置到位。 7.1.2施工管理工作把好“七关” 1、严把原材料、成品、半成品质量验收关； 2、严把按施工图纸、国家验收规范检测关； 3、严把施工操作关； 4、严把现场技术管理关； 5、严把成品保护关； 6、严把质量验收评定关； 7、严把资料整理归档关。 7.2质量控制技术措施 7.2.1灌注桩质量控制 1、坚持“五不准”原则 “五不准”：孔位不准，钻机不对中，不准开钻；孔深没达到设计要求，不准终孔；钢筋笼检验不合格，不准入孔；混凝土质量不合格，不准使用；孔底沉渣超过100mm，泥浆比重大于设计要求值，不准灌注。 2、坚持“五不放过”原则 “五不放过”：孔内情况不明，不放过；钢筋笼孔内位置不准确，不放过；灌注机具不可靠，砼顶标高不明，不放过；桩位偏差及孔垂直度超过规定，不放过；原始记录不齐全、不准确，不经监理工程师签字，不放过。 7.2.2三轴搅拌桩质量控制标准 1、搅拌桩水泥掺量均为20%（质量比）。 2、搅拌桩采用PO42.5普通硅酸盐水泥，水灰比控制在1.5-2。 3、桩身垂直度偏差不得超过/250，桩位偏差不得大于200mm。 4、桩体压浆要求一气呵成，连续施工，相邻搅拌桩之间套接（套作一孔），相邻两桩施工间隔不得超过16小时，如超过，需在冷缝外侧采取高压旋喷桩或摆喷进行止水补救措施。 7.2.3土方开挖质量技术措施 1、在开挖过程中掌握好“分层、分步、对称、平衡、限时”五个要点，遵循“竖向分层、纵向分区分块、随挖随支”的施工原则,尽可能减少开挖过程中土体扰动的范围以及围护墙体无支撑暴露的时间。 2、土方开挖中，充分做好基坑排水措施，要在坡顶外设置挡水堤，在坑基内及时设置排水沟和集水井，基坑顶两侧路面进行硬化处理，遇到雨天停止开挖，并采用防雨防汛措施。 7.2.4隧道结构质量措施 1、重点加强隧道底板施工缝处防水做法，必须设置两道止水措施（外贴式、中埋式），外贴式为橡胶止水带，要求自粘卷材在此处加强；施工缝中间处安装中埋式钢边橡胶止水带，并且中间位置处并安装全断面注浆管，在后期稳定后采用压注浆技术进行施工缝注浆处理，以确保施工缝处不渗水（见图7.2.4）。 图7.2.4 8、安全措施 8.1 安全目标 杜绝死亡事故。 杜绝重伤事故，轻伤率不超过1.5。 杜绝火灾及重大交通责任事故。 特殊工种全部持证上岗。 施工现场安全合格率100，优良率50以上，确保“河南省级文明工地” 8.2确保安全施工的措施及季节性施工措施 8.2.1为了贯彻落实“以人为本、安全第一、预防为主”的方针，项目部拟建立一支高素质和技术过硬的安全技术领导小组，设置专职安全管理人员加强安全施工管理工作，保障施工人员的人身生命安全。 8.2.2 建立健全现场安全生产管理责任制、分工明确、责任到人。 8.2.3 安全奖惩制度：对安全生产意识强、安全责任心强、无安全事故的人员实行奖励10%的工资。对其安全意识淡薄、无安全责任心的人员给予20%的工资处罚，严重的开除。 8.2.4 制订和执行安全检查制度，安全生产管理制度、班组安全管理制度、消防安全管理制度、安全教育制度、门卫制度、机械设备管理制度、劳动用品管理制度、安全生产奖惩制度、安全生产技术管理制度、事故隐患和危险源识别、整改、控制制度、安全评价、考核制度等安全管理制度。 8.3确保安全施工的技术措施 8.3.1基坑边防护：基坑边按公司规定设置安全护栏。 8.3.2现场临时用电系统和电动工具 施工现场所配备的电工是经过专业及安全技术培训的持电工证的专业电工，现场电路、电器的安装、维修或拆除必须由电工完成。现场分为施工区、办公区、生活区三部分，整个施工现场供电按照TN-S系统要求配备五芯电缆、四芯电缆和三芯电缆。 8.3.3劳动保护 1、施工现场实行封闭施工，严禁与施工无关的人员进入施工作业区。 2、进入施工现场必须戴好安全帽，不准穿拖鞋、高跟鞋。 3、机械操作人员施工时要戴劳保手套、穿绝缘胶鞋，以防触电。 8.4应急预案 8.4.1针对工程各工序施工，应制定有针对性的应急预案，并做好相应的应急机械、人员队伍、材料物资等方面的安排与储备，保证万一出险时应急预案能及时顺利启动。 8.4.2正式施工前，应对施工区域内的电缆、电线和各种管道进行详细调查，并作出明确标记，施工中注意避让和保护，防止损坏。 8.4.3工程实施过程中采用动态法，进行信息化施工，施工、设计和监测密切配合，根据施工现场情况变化及时调整设计方案，确保隧道地铁安全。 9、环保措施 9.1环境保护措施 9.1.1在施工区和生活区建立垃圾池，污物和生产垃圾定点堆放，定期定人清理、烧焚，建立化粪池等必要的卫生设施，粪便积集 后及时外运 9.1.2在施工区和生活区建立污水沉淀池，所有施工生活污水集中沉淀后排入市政污水管网。 9.2施工噪音污染控制措施 9.2.1施工中采用低噪音的工艺和施工方法，低噪声或备有消声降噪声设备的施工机械。 9.2.2合理安排施工工序，严禁在中午（12:0014:00）和夜间（22:00次日7:00）进行产生噪音的建筑施工作业。 9.2.3 产生强噪声的成品、半成品加工、制作作业，应尽量放在工厂、车间完成，减少因施工现场加工制作产生的噪声。 9.2.4加强施工现场的噪声监测，采取专人管理的原则，凡超过施工场界噪声限值标准的，要及时对施工现场噪声超标的有关因素进行调整，达到施工噪声不扰民的目的。 9.3光污染的防治措施 9.3.1夜间施工主要采取遮光措施，对工地的夜间作业照明灯具安装遮光罩，限制光线散射。施工过程中灯光不得对准道路和居民住宅区。 9.3.2对作业时的焊光，采取围挡措施，设置活动屏挡，封闭围栏。 9.4 现场扬尘治理措施（PH2.5防治） 9.4.1 施工现场垃圾杂土及时清出现场，搭设封闭式专用垃圾道，采用容器吊运，严禁凌空随意抛撒。 9.4.2 施工现场要制定洒水降尘制度，配备专用洒水设备及指定专人负责，在易产生扬尘的季节，施工场地采取洒水降尘。 9.4.3 车辆不带泥砂出入施工现场措施，在门口设置冲刷池和沉淀池，防止出入车辆的遗洒和轮胎夹带物等污染周边和公共道路。 10、效益分析 采用城市运营地铁上方相交隧道组合法施工工法，达到了对运营地铁隧道的安全保护的预期目标，该工法采用的三轴搅拌桩加固技术，加大了未开挖土体的荷载重量，并使周边土体形成有效整体，且减少了相邻土层变形灵敏的问题，大大增加了土体抵抗变形能力，减少了后期桩基施工、土方开挖及结构施工对隧道产生的不利影响；基坑土方开挖及底板快速施工采用了弹钢琴式方法、底板快速负载法等，充分利用了时空效应原理，以上采用的一系列科技成果，成功控制了地铁隧道上方施工引起的地铁隧道变形，确保了运营地铁的安全，因此该工法具有显著的经济效益和社会效益、有较好的推广价值。 11、应用实例 11.1经三路-城东路下穿金水路隧道工程 11.1.1工程概况 本工程为经三路-城东路下穿金水路隧道工程（见效果图 11.1.1-1），工程北起纬二路，南至顺河路，全长888.47米，郑州市地铁1号线位于金水路正下方，东西走向，经三路-城东路下穿金水路隧道工程为南北走向，与该工程为斜交状态（见图11.1.1-2），工 程基坑开挖最深处距地铁1号线隧道管壁8米（见图11.1.1-3），对地铁安全影响区域为南北75米、东西向60米，影响面积4500m2。 效果图11.1.1-1 平面位置图11.1.1-2 剖面图11.1.1-3 11.1.2施工情况 1、本工程地铁区域根据城市运营地铁上方相交隧道组合法施工工法这一科技成果，并严格按照已论证的方案进行施工，于2015年4月25日前完成了围护桩，5月17日前完成了地铁上方区域三轴水泥土加固，5月31日完成了冠梁施工，于6月17日正式开始土方开挖，经过70天的紧张施工，至8月27日结束，比预期原计划的90天工期提前20天完成。 2、根据专家论证方案意见，地铁区域分块为9长条，每条宽度8-9米（见图11.1.2-1、图11.1.2-2），每条再分3小块（即9x3=27小块），即每块尺寸8x10=80，根据以上工法，采用弹钢琴式跳仓法施工，先把第5-2作为试验段进行施工（见图11.1.2-3、图 11.1.2-4），依次施工顺序为（5-2）（1-1）（9-3）（1-3）（9-1）（3-1），即跳跃式方法，直至全部施工完毕。 施工后期可根据监测情况，进行局部调整，如相距较远的两小块可同时施工，但前提是监测数据必须稳定，如发现有异常，必须立即停止施工，重新调整工序安全，并采取相应措施。 图11.1.2-1 图11.1.2-2 图11.1.2-2（钢筋安装） 图11.1.2-3（配重加载） 11.1.3工程监测与结果评价 根据地铁监测单位反馈的监测数据，在5-2#试验段进行基坑土方开挖时，地铁1号线的隆起变形值为3.12mm，至8月27日地铁区域施工全部结束时，在基坑开挖区域过半时地铁最高隆起值达到最高的9.3mm（小于地铁轨道公司要求的10mm），至10月31日工程地面道路恢复通车后，经监测单位反馈地铁最大隆起值已回落至6.3mm（见图表11.1.3），达到了保护地铁的目的。 本工法通过在经三路-城东路下穿隧道工程的顺利实施，达到了预期目标，确保了地铁1 号线的安全，并确保了工程在保质保量、 安全、按期的条件下顺利交工，受到了社会各界及各方的一致肯定，社会效益及经济效益显著。 图表11.1.3 11.2未来路下穿金水路隧道工程 11.2.1工程概况 未来大道下穿金水路隧道工程，位于郑州市金水路与未来路交叉口（效果图12.1.1-1），全长822米，与郑州市地铁1号线成正交状态（图12.1.1-2），工程基坑开挖最深处距地铁1号线隧道管壁7.5米（图12.1.1-3），对地铁安全影响区域为南北70米、东西向40米，影响面积2800m2。 效果图12.1.1-1 图12.1.1-2 图12.1.1-3 11.2.2施工情况 1、地铁区域施工时间表 2、根据专家论证方案意见分块数量确定10小块（图11.2.2），采用弹钢琴式跳仓施工。先把第（4-2-3）作为试验段进行施工，依次施工顺序为（4-2-3）（5-1-1）（5-1-5）（4-2-1）（4-2-5）（5-2-3）（4-2-2）（4-2-4）（5-2-3）（5-2-4）。 分块平面示意图11.2.2 11.2.3工程监测与结果评价 至7月30日地铁区域施工全部结束时，根据地铁监测单位反馈的监测数据，在基坑开挖区域过半时地铁最高隆起值达到最高的 7.6mm（小于地铁轨道公司要求的10mm），满足安全目标。至10月1日工程地面道路恢复通车后