1城市输水隧洞浅埋暗挖施工工法1.docx
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1城市输水隧洞浅埋暗挖施工工法1
城市输水隧洞浅埋暗挖施工工法
1.前言
浅埋暗挖工法是依据新奥法(NewAustrianTunnelingMethod)的基本原理,施工中采用多种辅助措施加固围岩,充分利用围岩的自承能力,开挖后及时支护、封闭成环,使其围岩共同作用形成联合支护体系,有效地控制围岩过大变形的一种综合配套施工技术。
根据我部在南水北调配套工程南干渠工程施工第三标段的成功应用,总结了本工法。
2.工法特点
1、独特的设计、施工和量测信息反馈一体化:
根据预设计组织施工,采用信息化施工技术,通过对各种变位及应变的监测信息来检验支护结构的强度、刚度和稳定性,不断修改设计参数,指导施工,直至形成一个经济、合理、安全、优质的结构体系。
2、配套适宜的初次支护与二次模筑混凝土所组成的复合式衬砌结构,是浅埋、软弱地层控制地面沉陷,确保结构稳定较理想的支护模式。
3、工艺新、技术先进:
本工法综合应用了改性水玻璃(DW3)注浆加固地层、小导管超前护顶、新型网构钢架支撑、整套施工监控技术,并运用系统工程理论科学管理等先进技术。
其施工方法与工艺技术符合我国国情。
4、就城市地下隧洞施工而言,与明挖法相比,具有拆迁占地少、影响交通少、投资少、扰民少等四大优点;与盾构法相比,具有简单易行、勿需专用设备,灵活多变,适应不同跨度、多种断面形式、节省投资的优点。
3.适用范围
本工法主要适用于不宜明挖施工的无水土质或软弱无胶结的砂、卵石第四纪地层,修建覆跨比大于0.8浅埋地下洞室。
对于低水位的类似地层,采取堵水或降水等措施后该法仍能适用。
尤其对都市城区在结构埋置浅、地面建筑物密集,交通运输繁忙、地下管线密布,且对地面沉陷要求严格的情况下修建地下隧道更为适用。
4.工艺原理
严格执行“十八字”方针,即:
管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测、速反馈、控沉陷。
对软弱层采取注浆加固技术,采用辅助措施加固围岩+钢筋网+网构钢架+锚杆+喷射混凝土所组成的联合支护体系为主要承载结构和受力合理的复合衬砌结构型式,同时利用完整的施工安全监控技术,运用系统工程理论、优化劳动组合,合理配套设备,强化施工管理,确保施工安全和工程进度。
5.施工工艺及操作要点
浅埋暗挖工法施工程序如下:
5.1马头门施工
暗涵主洞马头门开挖断面为圆形,开挖直径4.6m,喷射厚度为0.25m挂网混凝土,竖井施工至马头门处,预先从马头门上部沿主洞拱部平行施打两排超前小导管,第一排与洞线成水平夹角15º~20º,小导管环向间距30cm;小导管长度为1.7m,端头花管1m,孔眼8mm,每排2孔,交叉排列,孔间距100mm;在第一排超前小导管下方约20cm处施打第二排超前小导管,此排导管沿洞线水平方向打入土层,导管环向间距30cm;小导管长度为2.5m,端头花管1.8m,孔眼8mm,每排2孔,交叉排列,孔间距100mm。
在破除马头门前注水灰比为0.5~1的水泥浆,固结土体,注浆压力为0.3~0.35MPa
马头门开挖分台阶进行,先破除马头门断面上台阶的初支结构,掌子面环形埋设注浆导管,导管采用内径Ф25mm无缝钢管,长1.7m,外露0.2m,伸入土体1.5m,灌注水泥水玻璃双液浆,注浆终压不大于0.35MPa。
掌子面每1m注浆一次,并用M10水泥砂浆封闭。
再并排焊接安装三榀加强钢格栅的上拱架,及时将锁脚锚管埋设,锁脚锚管为φ42钢管,长2.5m。
马头门的上拱架喷混凝土支护后,再破除预留洞口下部初支结构,继续下台阶的施工,并排焊接安装三榀加强钢格栅的下部拱架,直至完成全断面主洞的初支施工。
马头门入门三榀加强格栅完成后,初支支护步距恢复到50cm。
5.2主洞开挖支护施工
循环施工工艺流程:
测量――小导管注浆(每施工2个作业循环注浆一次)――开挖土方――安装格栅钢架、钢筋网片――焊接纵向连接筋――喷C25混凝土——初支背后回填灌浆。
5.2.1测量
直线段测量:
按规范要求控制,将中线点、水准控制点和方向引入暗涵主洞内,每个暗涵主洞内装置3台激光指向仪,两侧的激光仪高度与腰线高度一致,宽度距初支结构20cm左右。
同时为保证施工及测量精度,每前进50m应重新装置及调整激光仪。
第三台激光仪布置在洞顶,以控制轴线。
每开挖进尺一步距0.5m,利用全站仪测量放样一次。
5.2.2超前地质探测
暗涵暗挖施工时,由于掌子面前方土层的不确定性,正式开挖前和开挖循环进尺过程中,都需进行超前地质探测。
常有的主要探测方法和手段有:
超前小导管、洛阳铲、地质雷达等。
超前小导管一般有效探距2~3m,洛阳铲有效探距3~5m,地质雷达有效探距5~8m。
实际施工过程中采用多种手段相结合进行超前地质探测,根据每种探测手段的探测有效距离,确定探测频率和方式,同时,利用多种手段长短不同探距的结合分析,相互印证探测结果,更为有效的指导施工。
特殊地段,如:
过既有管线、地质条件发生变化、含水地层段,适当加强探测频率和密度。
5.2.3小导管注浆
目的:
通过超前小导管注浆,加固不良地质地层,达到开挖易成洞、减少超挖和施工安全的作用,同时可以了解施工地层的地质变化情况及地下水情况。
沿圆拱外轮廓,纵向间距50cm,环向间距30cm,仰角15~20°,圆形上拱180°布置注浆孔。
采用手风钻或风镐打入内径Ф25mm超前小导管,管壁厚3.5mm,管长1.7m,头部为25~30º锥体,端头花管1.0m,孔眼8mm,每排4孔,交叉排列,孔间距10cm。
超前小导管外露尺寸不超过管长的10%,每环布管25根。
掌子面注浆前,喷厚10cm混凝土封闭掌子面1m范围,以防漏浆。
无水的中砂及粉细砂地层注浆浆液为改性水玻璃,浆液配合比采用甲液:
20%浓度的稀硫酸,乙液:
浓度为15Be’的水玻璃,其比例为甲液:
乙液=1:
4.37,所配浆液的PH值=3.8。
有水的粗砂及砾石地层,灌注水泥—水玻璃双液浆,水泥标号为P042.5,水玻璃浆由40Be’稀释到20Be’,配比采用水泥浆:
水玻璃浆=(1:
0.8):
(1:
4.3),灌浆压力不大于0.35MPa,灌浆结束待凝间隔时间不超过1h;每开挖支护进尺1m,沿圆拱壁采用小导管注浆一次。
5.2.4上台阶环形土方开挖
视开挖揭露的地质情况预留核心土,人工挖装,开挖步距0.5m,开挖进尺100m范围采用人工手推车运到洞口,开挖进尺大于100m时采用2.0m3三轮车运输到主洞与横通道交叉口,再利用10t电葫芦吊运到井外。
表5.2.4-1暗涵主洞土方开挖检验标准(以主洞长度15m为单位):
序号
检验部位项目
允许偏差(mm)
1
拱顶标高
0,+20
2
拱底标高
-20,0
5.2.5上台阶支护
上台阶支护包括格栅钢架、钢筋网片架立、喷射混凝土。
严格按设计要求在车间加工厂制作格栅钢架和钢筋网片,经验收合格后运至施工现场。
上台阶土方开挖完成后,及时挂网、架立格栅钢架。
支立间距与开挖步距同步,格栅安装应根据激光导向仪测量在腰线和顶拱的控制点支立,保证整榀拱架不扭曲。
先距离洞身段顶壁4cm外挂Φ6@100×100mm钢筋网片,内外双层,里层网片距离开挖基础面4cm,外层紧贴钢格栅,预留4cm保护层,并用电焊点焊在钢格栅上,每片上下左右搭接长度不少于150mm,用电焊点焊在钢格栅上,每片上下左右搭接长度不少于150mm,用扎丝绑紧;然后架立格栅钢架支撑,钢格栅架中心间距500mm。
格栅钢架采用角钢钻眼螺栓连接,连接板采用10mm厚角钢,连接板用螺栓拧紧后再用Ф22mm连接筋单面焊接。
每榀钢格栅内设Ф22@600mm纵向连接钢筋,内外双排,梅花形布置,焊接搭接长度不少于10d,单根长度为72mm将每榀格栅架连接成一整体。
为防止顶拱格栅架立后下沉,布置φ42,L=2.5m的锁脚钢管锚杆固定拱架。
表5.2.5-1暗涵主洞格栅安装检验标准:
序号
检验部位项目
允许偏差(mm)
1
格栅钢架对角
小于10
2
格栅钢架高程
±20
3
格栅钢架水平
小于2度
4
格栅钢架间距
±50
5
网片搭接
±20
6
钢筋绑扎焊接
单面不小于10d,双面不小于5d
喷射护壁的施做由下至上顺序进行。
喷射混凝土时,喷嘴与基面基本保持垂直,距离0.6~1.0m,每次喷射厚度7~8cm,待初凝后再进行二次喷射,直到达到设计厚度25cm为止。
严格按监理工程师批准的混凝土配合比拌制混凝土拌和物,拌和要均匀,外加剂在施工现场利用电子秤称量加入。
表5.2.5-2暗涵主洞喷射混凝土检验标准:
序号
检验部位项目
允许偏差(mm)
1
喷层厚度
不小于设计厚度
2
混凝土强度
不小于设计强度
3
洞底标高
-20,0
4
洞身尺寸
0,+20
5.2.6上台阶核心土开挖
上台阶核心土采用人工方法挖除,手推车或电动三轮车运输到主洞与竖井交叉口,由电葫芦吊运到井外。
5.2.7下台阶土方开挖
人工挖除下台阶土方,尽量减小扰动,出渣方法同上。
开挖过程中严格按照图纸要求喷射砂浆封闭掌子面。
5.2.8下台阶支护格栅钢架、钢筋网架立,喷射混凝土
下台阶支护包括格栅钢架、钢筋网架立,喷射混凝土。
下台阶支护安装前应将格栅下虚土及其它杂物清理干净,格栅钢架,钢筋网架立后,及时按设计的强度、厚度喷射混凝土,进行暗涵主洞全断面封闭,确保围岩稳定,防止塌方。
5.2.9初支背后回填灌浆
回填灌浆采用在喷混凝土前垂直洞身护壁埋入,遇有围岩塌陷,超挖较大等特殊情况时,该部位预埋管数量不得少于2根。
预埋管为内径Ф25mm无缝钢管,长度700mm,外露200mm。
环向间距:
上拱270°范围内,环向间距2.0m;纵向间距1.0m,呈梅花型布置。
一衬回填灌浆跟随开挖工作面,并距开挖面5m进行。
注浆时一衬混凝土强度应达到设计强度的70%。
注浆水泥为大厂P042.5普通硅酸盐水泥,浆液配比采用0.5:
1,孔隙较大部位采用水泥砂浆,掺砂量小于水泥重量的200%,且砂子粒径不得大于2.5mm。
灌浆施工自较低的一端开始,向较高的一端推进。
灌浆压力为0.2~0.3MPa,单孔注浆压力逐渐上升到规定压力,灌浆孔停止吸浆,延续灌注5min即可结束灌浆。
6.主要施工设备配备
表6-1
序号
设备名称
规格型号
性能指标
使用部位
1
喷浆机
PZ-5
5m3/h
喷射砼
2
混凝土拌合机
JZ350
350l/斗
搅拌砼料
3
注浆机
KBY-50/70
50l/min
小导管注浆
4
装载机
0.8m3/斗
5
自卸车
15t
挖土装渣运输
6
龙门架
自制
提升
7
电动葫芦
CD1
10T
提升
8
空压机
TA-120N
12m3/min
风稿零星凿除
9
钢筋弯曲机
GW40B
φ40
拱架加工
10
钢筋切断机
FGQ40A
φ40
拱架加工
11
交流弧焊机
BX1-500
500A
拱架加工
12
插入式振捣器
ZN50
混凝土振捣
13
砂轮切割机
400
400mm
钢管钢材切割
14
汽车起重机
25T
7.质量保控制
1、制定了工程质量岗位责任制度、工程质量管理制度、工程质量检查制度、工程原材料检测制度、质量事故报告制度、质量事故责任追究制度、工序验收制度、工程质量等级自评制度、隐蔽工程的质量检查和记录制度等各种规章制度和规定;
2、严格执行三检制度,认真落实技术人员、施工员施工过程中跟班作业,纠正违章施工,及时解决施工过程中的对质量有影响的技术问题,保证施工质量。
3、在一衬施工过程中对格栅、纵向连接筋、超前小导管的加工等严格把关,施工过程中技术指导跟班作业,严格控制超前注浆、洞室开挖、钢筋安装、喷射混凝土及回填灌浆各工序的施工质量。
4、开挖初支施工过程中加强监控量测,确保施工过程的安全。
在喷射砼施工中,严格控制混凝土的配合比,喷射角度、喷层厚度,施工结束后及时对混凝土进行养护,确保了一衬混凝土的质量。
8.安全措施
1、暗涵开挖作业过程严格按照设计及工法要求进行施工,应严格作到“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”十八字方针,以确保施工安全;
2、每天进行监控量测,根据监测数据及时调整支护参数,防止地表沉降以及暗涵净空变形;
3、施工时严格控制上下台阶长度,防止因台阶过短造成土方坍塌、滑坡等事故;
4、锚喷作业工作人员加强个人防护,喷射手应佩带防护面罩,防水披肩、防护眼镜、防尘口罩、乳胶手套;其他工作人员也应佩带防尘口罩等防护用品;
5、采用机械装运渣土、材料时,应作好每班班前机具检查,刹车、转向、油门等检查无误后方可操作,每车定人定岗,装卸时以及转向、交叉口处设有专人指挥。
6、施工前严格检查施工机具和电路,正确安装漏电保护器,防止出现漏电和机械伤人事故。
9.环保措施
1、编制施工组织设计,各阶段施工方案中有环境保护的内容,包括合理规划施工用地、科学地进行施工总平面设计、在总平面设计和调整时兼顾到环保的要求等。
2、施工现场配置环保负责人,负责日常的环境管理工作。
环保负责人组织每周对施工现场的环保工作进行一次检查并填写环保周报,对检查中发现的问题及时通知有关部门整改,重大问题报告项目经理。
3、施工场地采用硬式围挡,施工区的材料堆放、材料加工、出渣及出料口等场地均设置围挡封闭。
砂石料堆放禁止敞开存放。
需要露天存放的采取绿色网遮盖。
施工现场以外的公用场地禁止堆放材料、工具、建筑垃圾等。
建筑垃圾及时清理,运至指定地点消纳。
4、落实“门前三包”责任制,保持施工区和生活区的环境卫生。
5、场地出口设洗车槽,并设专人对所有出场地的车辆进行冲洗,严禁遗洒,运渣车辆和运泥浆车辆采用封盖车体和密封容器运输,渣土低于槽帮10cm,严防落土掉渣污染道路,影响市容和环境。
6、对施工中遇到的各种管线,先探明后施工,并做好地下管线抢修预案对有毒有害管线采取特殊的防护措施。
妥善保护这类地下管线,确保城市公共设施的安全。
施工前与管线产权单位签定安全协议书,施工方法和保护管线的措施报业主审批同意后实施。
施工中指定专人检查保护措施的可靠性。
不明管线先探明,不许蛮干。
施工中若发生管线损坏情况,立即采取必要的抢救措施,并及时报告业主和管线产权主管部门。
7、工程竣工后搞好地面恢复,恢复原有植被,防止水土流失,保持城市原有环境面貌的完整和美观。
10.效益分析
本工法有着显著的经济效益和社会效益。
就在城市内施工而言,如前面工法特点中所述,与明挖法、盾构法相比,都有其显著的优点。
以南干渠第三标段为例,其经济和社会效益主要表现如下:
1、节省投资:
采用明挖法施工土建工程费加上拆迁费共计需约8134万元,而采用浅埋暗挖法施工总计仅6513万元,即可直接节省投资1621万元。
2、浅埋暗挖法施工避免了对公路路面的破坏及地下各种管线、地面通讯电缆、灯杆和民房的拆迁,减少了绿地占用,保持了市容美观,节省了高达千万元的拆迁费,使施工工期也相应地缩短了半年。
3、浅埋暗挖法施工不干扰市民的正常生活,避免了因明挖施工而产生的噪音、尘土、振动等公害。
11.工程实例
11.1北京市南水北调配套工程南干渠工程施工第三标段。
南干渠工程是北京市南水北调配套工程的重要组成部分,工程承担着为郭公庄水厂、黄村水厂、亦庄水厂、第十水厂和通州水厂等提供南水北调水源的任务。
本标段为南干渠工程第三施工标段,位于北京市南五环与丰台西站分组站之间,工程起止桩号为2+612.040~4+320.040,总长1708m,两条暗涵平行布置,全线与大兴灌渠重合,埋深9.9~13.6m,开挖断面为圆形,开挖直径4.6m,衬后直径3.4m,洞轴线间距12.2m。
沿线设置2个施工竖井(兼做排气阀井),即4#竖井(5#排气阀井)和5#竖井(6#排气阀井)。
根据地质报告,依据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)判定,南干渠工程场地土类型为中软土;建筑场地类别为Ⅲ类。
施工区内均被第四系全新统冲、洪积层覆盖,其沉积物主要为永定河冲洪积物。
地层岩性以厚层砂土、卵砾石层为主,局部地区为垃圾填埋坑。
工程区内揭露之地下水含水层主要为第四系孔隙潜水层,广泛分布于第四系全新统冲洪积卵砾石层中,具中等-强透水性,地下水位较低,埋深大,为潜水;区内地下水受侧向地下径流及大气降水、地表水的补给,尤其受西面永定河侧向补给影响十分明显。
排泄方式为向东南下游地下径流为主。
工程近场区范围内,近十年内地下水位持续下降,埋深加大,勘测期间(2009年4月)地下水位为24.04~26.24m。
设计文件显示,本段沿线地下水埋藏较深,地下水水位在隧道结构底板以下,隧洞施工不受地下水影响。
采用此工法施工,但节省了工程投资,平均每月进尺为50至60米,确保了施工进度。
11.2南水北调(中线)京石段应急供水工程西四环暗涵工程为Ⅰ等工程,输水建筑为1级建筑物。
施工第零标段穿交叉构筑物为京石高速、永定路南延路、京石高速匝道全部采用浅埋暗挖法施工,浅埋暗挖段全长210.831m,结构型式为钢筋混凝土方涵。
11.3南水北调(中线)京石段应急供水工程西四环暗涵工程施工第七标段全部位西四环主路正下方,全长1850m,为双线平行圆涵,共布置永久竖井两座,即9#、10#竖井,施工期永久竖井做为施工竖井,主体结构一衬全部采用浅埋暗挖法施工。
12.1南水北调(中线)京石段应急供水工程西四环暗涵工程为Ⅰ等工程,输水建筑为1级建筑物。
施工第零标段穿交叉构筑物为京石高速、永定路南延路、京石高速匝道全部采用浅埋暗挖法施工,浅埋暗挖段全长210.831m,结构型式为钢筋混凝土方涵。
12.2南水北调(中线)京石段应急供水工程西四环暗涵工程施工第七标段全部位西四环主路正下方,全长1850m,为双线平行圆涵,共布置永久竖井两座,即9#、10#竖井,施工期永久竖井作为施工竖井,主体结构一衬全部采用浅埋暗挖法施工。
12.3北京市南水北调配套工程南干渠工程施工第三标段全部位于大兴灌渠正下方,全长1708米。
工程等级Ⅰ等,建筑物级别1级,地震设防烈度8度。
为双线平行圆涵,共布置施工竖井两座,即4#、5#竖井,主体结构一衬全部采用浅埋暗挖法施工。
南水北调西四环暗涵工程被评为2008年度北京市市政基础设施结构长城杯金奖。
城市输水隧洞浅埋暗挖施工工法图片资料
1、超前勘探
2、超前小导管打设
(一)
3、超前小导管打设
(二)
4、超前小导管注浆
5、格栅安装
(一)
6、格栅安装
(二)
7、马头格栅安装
8、上半拱土方开挖
9、上半拱土方开挖
10、一衬背后回填灌浆
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