我国地下工程施工新技术综述

1 我国地下工程施工新技术 综述 摘要 总结 了近年来我国一批大型基础设施建设工程 如 青藏铁路 深圳地铁 上海跨江隧道等地下工程施工中所采 用的新工艺和新技术 关键词 地下工程 冻土 水下工程 隧道 施工技术 青藏铁路的开工建设和顺利实施 为解决高原冻土区地 下工程的施工提供了良好的试验基础 同时 城市地铁工程的 建设也对解决复杂城市地质环境条件下地下工程施工提出了 新的挑战 而大型桥梁 跨江隧道和海上设施的建设使水下 的地下工程施工面临更高的技术要求 一系列大型基础设施 的建设并完工极大地促进了地下工程施工技术水平 及时总 结和完善这些地下工程施工新工艺和其他技术成果将为今后 的地下工程施工提供良好的技术支持和保证 对推动我国地 下工程的施工带来巨大的促进作用 本文结合近年来我国一 些大型基础设施建设工程 如青藏铁路 深圳地铁 上海跨 江隧道等施工过程中取得的地下工程施工技术成果 对新工 2 艺进行介绍 以便为今后类似工程的施工提供借鉴 1 冻土区地下工程施工新工艺 青藏铁路格尔木至拉萨段全长 1100 多 穿越世界 海拔最高 有世界屋脊之称 施工条件恶劣的青藏高原 在 高海拔多年冻土区修建铁路在世界上也是第 1 次 无成熟的 施工经验 技术含量高 1 1 多年冻土区钻孔灌注桩施工工艺 其关键工艺是减少施工过程产生的各种热量 如钻孔的 摩擦热 回填料的热量 灌注桩混凝土的水化热等 避免桩 周地基土温度场急剧变化 引起桩周地基土一定范围升温和 融化 同时由于冻土区有季节的变化 表层的季节融化层随 季节的变化将产生冻胀力 消除这些冻胀力也是钻孔灌注桩 的一个重点 为减少施工热量对冻土区的 影响 尽快形成新的热平 衡状态 多年冻土区钻孔灌注桩桩身混凝土浇筑后 须经过一 个阶段的热交换过程后方可进行承台以上部分施工 一般热 交换的时间为 60 60 后方可认为桩基已基本稳定 3 桩基在使用过程中由于冻土季节的变化将产生冻胀力 根据冻胀力作用于基础表面的部位和方向 可划分为 3 种 切 向冻胀力 水平冻胀力和法向冻胀力 见图 1 水平冻胀力 相互抵消 对工程造成破坏的主要是冻胀产生的切向力和法 向力 在工程建设中 采取以下措施可以防止桩基础冻胀 为避免桩基础受到法向冻胀力 将桩基础嵌入多年冻土天然 上限以下一定深度 将钢制扩筒埋入多年冻土上限以下至 少 0 5 护筒内径比桩径大 10 并于护筒外围涂渣油 成桩后不拆除护筒 减少外表面的亲水程度 尽量采用高桩 承台 冻胀严重地区采用钻孔扩底桩 在护筒外侧 低桩承 台底部采用渣油拌制粗颗粒土回填 以上措施能有效地减小 切向冻胀力 降低冻土对护筒的上拔冻胀力 见图 2 钻孔 采用旋挖钻机干法成孔保证孔位置正确和钻孔的垂直度 采用低温早强耐久混凝土 避免了混凝土低温浇筑带来的强 度增长慢的 问题 1 2 多年冻土隧道施工工艺 高原多年冻土隧道工程施工可借鉴的经验较少 其核心 在于尽量减少气温升高对冻土的影响 避免冻土融化压缩下 沉和冻胀力造成施工灾害和运营隐患 冻土的抗压强度很高 其极限抗压强度甚至与混凝土相 4 当 冻土融化后的抗压强度急剧降低 所形成的热融沉陷和 下一个寒季的冻胀作用常常造成工程建筑物失稳而难以修复 含水的松散岩石和土体 温度降低到 0 时 伴随有冰体 的产生 这是冻结状态的主要标志 水结成冰时 体积增加约 9 使土体发生冻胀 土冻结时不仅原位置的水冻结成冰 而 且在渗透力 抽吸力 作用下 水分将从未冻区向冻结锋面转 移并在那里冻结成冰 使土的冻胀更加强烈 土在冻结过程中由于水变冰体积增大 并引起水分迁移 析冰 冻胀 土骨架位移 因而改变土的结构 在融化过程 则必然伴随着土颗粒的位移 充填冰融化排出的空间 产生融 化固结 从而引起局部地面的向下运动 即热融沉陷 热融下 沉 为避免隧道施工中热融沉陷 冻土隧道施工的关键工艺 是作好保温措施 隧道保温施工工艺主要包括 优选寒季施工明洞及洞口 工程 开挖施工时增设遮阳保温棚 阻隔太阳辐射能量对冻土 的影响 正洞采用弱爆破及光面爆破技术减少对冻土的扰动 5 和超欠挖 开挖后清除拱 墙 夹层散碎冰块 迅速喷混凝土封 闭岩面 采用有轨运输减少洞内废气污染 减少通风次数和风 量 暖季采用夜间放炮通风和冷风机通风等措施将洞内掌子 面温度控制在 5 以下 尽量缩小洞室开挖断面外的冻土融化 圈 隧道全长全断面铺设 防水层 保温板 防水层 阻隔 隧道竣工后洞内温度变化对冻土的扰动 确保运营安全 影响土体冻胀的主要因素是土体类型 含水状况和冻 结条件 冻土学家经过长期的试验证明 粗颗粒土冻胀小甚 至不冻胀 而细颗粒土一般冻胀较大 土体含水量大则冻胀 严重 当土体含水量小于某一值时 土的冻胀率为零 为防止 冻胀对明洞及洞口工程结构的影响 将明洞及洞口仰坡周边 冻胀影响范围内的富冰冻土 饱冰冻土和含土冰层挖除 用 粗颗粒土换填 严格控制粗颗粒土的含水量 换填后作好防排 水设施 工程实例 青藏铁路风火山多年冻土隧道全长 1338 是世界上海拔最高的冻土隧道 多年冻土上限 1 1 8 冻土 层厚达 100 150 洞身全部位于冻土之中 在施工过程中 充分把握冻土的工程性质 采用注浆管棚 注浆锚杆 洞内 光面爆破等开挖技术并综合运用粗颗粒土换填明洞覆盖层 全长 全断面设置多重保温层 以及保温 控温 供氧 喷 6 射混凝土 信息监控等多项技术 尽量缩小冻土融化圈 使冻 土隧道重建新的热量平衡系统 满足了安全 优质 高效的 建设要求 此外冻土区防温措施还有倾填片石通风路基施工工艺 高温细粒土铺设保温板路基施工技术 高温细粒土热棒路基 施工技术等 这些措施都可以大大减少路基承载后对冻土的 热融影响 2 地铁和过江隧道施工新工艺 随着我国城市化快速 发展 大城市的 交通 压力日益 增大 大规模的城市地铁建设势成必然 对于沿江规划的城 市过江隧道的建设也越来越多 这类工程建设往往规模大 施工环境恶劣 施工技术复杂 下面简单介绍几种施工新工艺 2 1 地铁施工中的桩基托换技术 地铁建设中不可避免遇到桩基托换工程 深圳地铁百 货广场大轴力桩基托换技术 研究 解决了大轴力桩基托换 的主要关键技术问题 丰富了桩基托换工程的施工工艺 7 桩基托换形式是我国托换技术 应用 的常见形式 桩 基托换的核心技术在于新桩和旧桩荷载的转换 要求在转换 过程中托换结构和新桩的变形限制在上部结构允许范围内 针对上述变形的控制 托换的机制可分为主动和被动托换 主动托换主要是在旧桩截桩之前 对新桩和托换结构加载 消 除部分新桩和托换结构的变形 使得托换后桩和结构的变形 限制在允许范围内 该技术应用于大轴力 结构物对变形要 求严的情况 被动托换是在旧桩切除过程中 将荷载传递到 新桩 托换后的桩和结构变形难以控制 该技术适用于小吨位 和对结构变形控制不严的情况 深圳地铁国贸 老街区间百 货广场大厦桩基托换工程具有托换桩多 6 根 轴力大 18000 桩径大 2000 地质条件差 地下水头 高 托换位置深 地下 2 层 使用环境复杂 中间穿越地铁 振动影响 等特点 目前 国内外尚无类似大轴力托换施工经 验 国外日本类似托换最大轴力 8750 国内 5900 可 借鉴 深圳地铁一期工程线路由于受走向及最小半径 300 等条件限制 必须从百货广场大厦裙楼下 穿越 由此产生桩基础托换问题 百货广场主楼 22 层 裙楼 9 层 地下室 3 层 为框梁 剪力墙结构 基础为独立桩基端承 8 桩 桩端持力层 强风化层 承载力标准值 2700 桩身 直径最大 2000 的人工挖孔桩 25 根据楼层估算托换 桩最大设计轴力约 18900 区间隧道通过百货广场 深南东路 华中酒店 由于暗 挖隧道位置及其上部建筑物的影响 部分桩在隧道内或紧靠 隧道 须托换百货广场 9 层裙楼桩 6 根 桩径 2000 桩基 持力层均在隧道结构面以下基岩 最大轴力 18000 根据百货广场的结构 基础形式及操作空间 百货广场 桩基托换采用梁式托换结构柱的形式 托换新桩采用人工挖 孔桩 整个托换工程在地下 3 层室内进行 根据高层结构变形要求 裙楼桩基采用主动托换 托换 时 在托换梁和新桩之间设置加载千斤顶 利用千斤顶加载 使上部结构有微量顶升位移 同时使新桩的大部分沉降位移 在顶升时预压完成 从而通过主动加载实现作用在原结构桩 上的荷载经托换大梁转移至新桩上 且原桩 柱 顶升值和新 桩沉降也得到有效控制 截桩在开凿人工孔至托换梁底下后 逐步进行 截桩后隧道暗挖 衬砌变形稳定后 期间千斤顶 装置及时调整 托换梁与新桩连接形成永久结构 托换完成 桩基托换及隧道施工全过程都实行严格的全过程监控 量测 确 9 保了结构安全 通过严格的 计算 和施工操作 通过技术攻关 解决了 软弱地层桩基开挖支护 托换梁以及截桩 力的转换等技术 难题 保证了百货广场等高层建筑物 地下管线的安全和正 常使用 该工程桩基托换原理如图 3 所示 2 2 过江隧道施工 中的水平冻结法 地下隧道之间的连接通道冻结法施工是利用人工制冷 技术 使地层中的水变冰 把天然土变成冻土 增加其强度和 稳定性 隔绝地下水与地下结构的联系 以便在冻结壁的保护 下进行联络通道施工的一种特殊施工 方法 制冷技术是用氟里昂作制冷剂的三大循环系统完成的 三大循环系统分别为氟里昂循环系统 盐水循环系统和冷却 水循环系统 制冷三大循环系统构成热泵 将地热通过冻结 孔由低温盐水传给氟里昂循环系统 再由氟里昂循环系统传 给冷却水循环系统 最后由冷却水循环系统排入大气 随着 低温盐水在地层中的不断流动 地层中的水逐渐结冰 形成以 冻结管为中心的冻土圆柱 冻土圆柱不断扩展 最后相邻的冻 10 结圆柱连为一体并形成具有一定厚度和强度的冻土墙或冻土 帷幕 水平冻结加固原理如图 4 所示 在实际施工中 通过 水平钻进冻结孔 设置冷冻管 并利用盐水为热传导媒介进行 冻结 一般是在工地现场内设置冻结设备 冷却不冻液 一般 为盐水 至 22 32 其主要特点有 1 可有效隔绝地下水 对于含水量 10 的含水 松散 不稳定地层均可采用冻结法施工 2 冻土帷幕的形状和强度可视施工现场条件 地质条 件灵活布置和调整 冻土强度可达 4 10 能有效提高 工效 3 冻结法施工对周围环境无污染 无异物进入土壤 噪 声小 4 影响 冻土强度的因素多 冻土属于流变体 其强度 既与冻土的成因有关 也与受力的特征有关 影响冻土的主要 因素有冻结温度 土体含水率 土的颗粒组成 荷载作用时 间和冻结速度等 冻结法的关键施工技术包括 11 1 确定冻结主要技术指标 即根据实际工况 确定积极 冻结期和维护冻结期的盐水温度 冻土墙平均温度和冻土强 度 2 冻结孔布置和施工 即根据连接通道平面尺寸和结 构受力特征 设计布置冻结孔 同时冻结孔布置应根据管片配 筋图微调冻结孔偏斜 控制孔径向外的偏角在 0 5 1 0范围 3 冻结站设计 积极冻结和维护冻结施工 计算 冻 结冷量 根据冷量需要选择冷冻机组 4 连接通道开挖与构筑施工方法及其顺序 5 施工监测监控 上海市大连路越江隧道工程由东 西 2 条隧道组成 2 条隧道之间设有连接通道 均位于黄浦江底下 相距约 400 位于浦西岸边的连接通道 一 东西线隧道中心间距 35 705 隧道间高差 3 565 连接通道净距约 25 665 位于浦东岸边的连接通道 二 东西线隧道中心间距 12 27 575 隧道间高差 0 345 连接通道净距为 17 175 2 条连接通道所处地层为砂质粉土和粘质粉土 渗 透系数大 承压水头高 为满足通道的施工安全采用冻结法 施工 工程实践表明 连接通道冻结施工技术具有冻结速度 快 冻土强度高 帷幕均匀性好 抗渗漏性能高 与隧道管 片结合严密 施工安全可靠的优点 对于长距离 大深度 高承压水条件下的江底连接通道的施工 其安全可靠性较能 保证 融沉作为冻结法施工中不可避免的情况 可通过隧道 及连接通道预留的注浆孔 及时地对地层进行补偿注浆 减小 融沉量 在数条连接通道的施工中 已经充分显示出其优越 性和 社会 经济 价值 2 3 地铁车站三拱两柱结构暗挖中洞施工工艺 随着我国城市地铁和 交通 快速轨道的 发展 修建地 铁的大城市也越来越多 由于地铁所经过的地段大部分为繁 华的商业区 有些地段受拆改费用 交通占道 地下管线保 护 古文物保护 环境保护等方面的影响 明挖 盖挖 地铁 车站受到限制 只能采用暗挖法施工 从而出现了暗挖地铁车 站 北京地铁五号线磁器口车站 天坛东门站 崇文门站 13 工程 采用三拱两柱暗挖车站中洞法综合配套施工技术 保证 了工程质量和安全 按期完成了施工任务 取得了良好的社会 效益 该技术适用于围岩自稳能力较差的地铁大跨双层暗挖 车站及多连拱等地下停车场 地下商场 大跨公路 铁路隧 道的施工 暗挖车站中洞法施工的技术特点 1 采用 施工 方法完成中洞开挖 形成安全中洞初期支护体系 2 在中洞内完成底板 底梁 钢管柱 中板 顶梁和 中拱 形成稳定中洞支撑体系 承受围岩主要荷载 为边洞开 挖提供安全条件 3 采用 法对称完成边洞开挖 4 拆除临时初期支护体系 完成边洞二衬施工 5 体系转换过程中 合理确定分段长度 同时加设钢支 撑 14 6 充分发挥监控量测作用 信息化指导施工 暗挖车站中洞法施工的工艺原理 把大跨地质较差的隧 道分成三部分 各部分条块分割 保证开挖期间安全 先形成 中洞初期临时结构 在临时结构内施做永久衬砌结构 形成中 部稳定支撑 承受围岩主要荷载 然后对称开挖边洞部分的各 分块 最后形成整体结构 体系转换过程中 结合监测情况加 设钢支撑 其工艺流程为 施工准备 超前管棚 注浆加固 中洞各部开挖 防水层铺设 中洞底板 底梁 立柱 中 洞中板 顶梁 中拱 超前管棚 注浆加固 边洞各部开挖 临时隔壁拆除 防水层铺设 边洞底板 边墙 中板 边 拱 二次衬砌背后注浆 地铁车站三拱两柱结构暗挖中洞法 施工如图 5 所示 磁器口车站是北京地铁 5 号线与规划北京 地铁 7 号线的换乘站 车站全长 180 宽 21 87 高 14 933 车站建筑面积为 12244 2 2 车站主体覆土深度 为 9 8 10 3 车站为双层岛式三拱两柱结构 车站地下 1 层为站厅层 预留通道实现与七号线换乘 地下 2 层为站台层 车站施工采用本法 保证了工程施工安全和质量 获得了成功 3 水下基础施工工艺 15 3 1 海上基础工程施工 随着基础设施的建设 跨海大桥等海上工程逐渐增多 一批规划和在建的大桥 如渤海湾跨海工程 长江口跨江工 程 杭州湾跨海工程 在建 珠江口伶仃洋跨海工程以及琼 州海峡工程等对海上基础施工带来了新的挑战 大型跨海 跨江工程基础采用大直径 长基桩是必然的趋势 结构钢管 桩 临时钢护筒及海上平台临时钢管桩将大量采用 这些都 对打桩船提出了新的要求 而配有高桩架 强大吊桩动力系 统 大能量打桩锤及先进的海上沉桩 测量定位系统的 打桩船能出色的完成海上锤击沉桩的任务 从大的方面来看 海上沉桩系统包括打桩船 运桩船 抛锚艇 拖轮及交通船等船舶组合 单从钢管桩的沉入工序 来看 打桩船为钢管桩沉入的主体 其主要由以下几个部分组 成 船体系统 包括船体 锚位系统 动力系统 桩架及其 吊桩系统 锤击沉桩系统 包括打桩锤 替打 海上沉桩 测量定位系统等 尤其是 能实现远离岸边施工 船的定位和定位过程中数据的自动采集与处理 并以图形和 数字的形式反映施打桩的当前和设计位置 便于操作人员调 整船位进行施工打桩 同时还能自动生成打桩报表以及进行 数据的回放 从而给海上沉桩带来便利 16 海上沉桩定位采用 海上沉桩 测量定位 系统 来实现 如图 6 所示 安装在打桩船上的 3 个 接收机接收建立在陆地的基准站及海中 参考 站发射的固定 频率数据链 以此作为定位的基准数据 其工作原理 定位时 由 固定在打桩船上的 流动站以 方式控制船体的位 置 方向和姿态 同时配合 2 台固定在船上的免棱镜测距仪 测定桩身在一定标高上的相对于船体桩架的位置 由此可推 算出桩身在设计标高上的实际位置 并显示在系统计算机屏 幕上 通过与设计坐标比较 进行移船纠位 直至偏位满足要 求 桩身的倾斜坡度由桩架控制 桩顶标高根据由免棱镜测 距仪发出的红色水平光束所指涂画在桩身上的刻度 通过系 统计算得出 具体定位前 将所要定位桩的设计中心坐标 高程 平面扭角等参数输入计算机内 定位时 可在显示屏上 显示实时桩位数据与图形 同时也显示设计沉桩位置和偏差 打桩船指挥人员根据显示的有关信息指挥打桩船正确就位 本工艺适用于海洋 大江中的桥梁 码头的结构钢管 桩 临时钢护筒及水中平台临时钢管桩的沉入施工 有以下 明显的优点 能在海况恶劣的海域中进行作业 能够适应 超长 大直径钢管桩的沉桩施工 能满足不同倾斜度和平 面偏角斜桩的沉桩施工 能使钢管桩穿过不同的土层 测 17 量定位简单快捷 精度满足要求 施工周期短 单根直径 1 6 长 80 左右的钢管桩沉桩施工全过程仅为 2 5 这在在建的杭州湾大桥工程中得到了实践 3 2 无导向船双壁钢围堰下沉施工技术 基础施工中 传统采用的钢板桩围堰钻孔桩基础和沉井 沉至基层的基础 存在着影响工程进度的 2 个薄弱环节 钢 板桩围堰钻孔桩基础采用单层钢板桩 沉井沉至基层的基础 在沉井顶上安设的防水围堰 一般强度较小 围堰内抽水工序 的安排受到施工水位的限制 沉井基础嵌入岩层清除风化 岩的消基工作非常费工费时 特别是在深水急流中工程进度 直接制约着