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大直径隧道建设问题探讨

 1.机型的选择

纵观国内外超大型隧道工程,绝大多数采用泥水平衡盾构施工,因为泥水平衡盾构具有施工质量好、安全可靠性高、噪声低等优点。但是,泥水平衡盾构泥水处理系统需要占用较大的面积,设备费用较高,不适合在城市中心区域使用,尤其是泥水平衡盾构在浅覆土施工时容易出现冒顶现象,对于周边环境保护上存在极大的风险。土压平衡盾构则能够在一定程度上规避这些风险,因而在环境变形保护要求极高的条件下不失为一种优良的选择。

2.大直径盾构隧道施工阶段管片上浮

在水下掘进时,由于隧道直径较大且被水和浆液包裹,盾构掘进姿态及施工荷载不易控制。管片脱出盾尾后,在各种荷载的综合作用下往往会发生上浮现象。超大直径隧道由于断面大,其上浮力随着直径增大而成倍增加,尤其是在穿越浅覆土时,由于管片环间摩擦力较小而使其抵抗上浮能力差,导致上浮现象更为严重。

                                    隧道外径与所受浮力大小的关系

在上海、广州、南京等地越江隧道施工中,都不同程度地出现过管片脱出盾尾后上浮的现象。上海大连路隧道使用的是直径11.22 m 泥水平衡盾构施工,管片在脱出盾尾后即发生上浮,平均上浮量约80mm。上海延安东路南线隧道盾构出洞 10d后隧道呈上浮趋势,上浮速率约为1 mm /d,以后随着浆液凝固,隧道逐渐停止上浮。上海耀华支路隧道采用直径14.88 m泥水平衡盾构施工,盾构出洞后隧道的上浮较为严重,在出洞段(浅覆土9.2 m)隧道的上浮较为明显,最大上浮量达到8.6 cm。第一次上浮为施工中轴线控制偏差引起,第二次上浮一般在管片脱出盾尾后,平均上浮量高达4 cm。

3.  大直径盾构隧道管片接缝防水

 

可靠的管片接缝防水设计是盾构隧道正常使用的重要保障,解决该课题的主要对策是使用耐久性和止水性非常严格的密封材料。目前,以德国为代表的欧洲采用非膨胀性合成橡胶,主要是利用接缝材料的挤密来达到防水目的,它们一般是用硫化橡胶类材料模压成为一定的形状。与水膨胀材料相比,硫化橡胶类材料必须比较厚而大,因而降低了管片的拼装性能。由于接触面压应力大,管片接缝端部就会损坏(指密封垫沟槽外侧混凝土) , 可以通过改善密封垫的断面形状,在密封垫内开设孔眼以控制接触面应力来确保止水效果。同时这种断面形式还使得弹性密封垫具有更大的压缩性和更高的弹性,即使管片接缝有一定的张开量,它仍能处于一定的压缩状态,可有效地阻挡水的渗漏。而以日本为代表,多数采用水膨胀橡胶,靠其遇水膨胀后的膨胀压应力来止水,其特点是可使密封材料变薄且施工方便。然而,遇水膨胀橡胶密封垫也有其缺点,在长期受压应力作用下,会产生蠕变,老化及应力松弛等现象, 从而使密封垫止水能力下降。我国现在的趋势是把遇水膨胀橡胶和普通非膨胀橡胶密封垫结合起来使用。

 

近年来,人们对隧道使用要求的不断增加推动着建筑科技的快速发展,隧道所处的地质环境也更为困难。国内已建的武汉、南京、上海穿越长江的典型盾构隧道中承受最大水压力分别为0.57,0.65,0.60MPa,目前,在建的南京市纬三路过江通道承受的最大水压力达 0.72 MPa,隧道直径(外径)为 14.5 m,管片厚度 0.6 m,环宽2.0 m,为国内承受水压力最大的大直径盾构隧道,超高水压强透水层对盾构隧道管片衬砌接缝防水能力提出了诸多新的挑战。

4.  大直径隧道内部结构施工

超大直径盾构隧道内部结构通常有 2 种布置形式,以通行车辆的结构层为标准划分为双层和单层,如图所示。图中虚线标识的部分,施工中称为口字件或口型件,通常采用预制构件,建成后一般用作管线空间、 预留轨道交通和救援车辆通道等。隧道内部一般采取纵向通风方式,根据隧道长度、 通行车辆规格等要求,某些隧道顶部设置烟道板形成独立排烟通道。

                                       隧道内部结构

在盾构推进过程中采取预制和现浇相结合的方式组织内部结构施工。采用盾构车架上的专用吊具将口字型构件就位,形成隧道内部运输通道,两侧结构压重块和牛腿通过植筋与管片连接,现浇成型,牛腿完成后,进行两侧车道结构现浇作业,完成后实现多车道运输。充分利用超大直径盾构横断面空间,结合长距离运输,确保口字件上方通道到达盾构施工工作面,实现盾构推进和内部结构制作同时施工,以及隧道内部汽车水平运输,优化物流运输方式,提高物流运输效率。

 

也有部分地铁隧道通过设置中隔墙的方法将隧道分隔成2条区间以实现单管双线运营,通过预制中隔墙板的安装就位。

                                                   中隔墙机械化拼装过程

 

5.  盾构始发和到达特殊施工工艺

 

为简化盾构到达施工工艺,省去人工凿除洞门环节、加快施工效率、减小到达过程中工作井两侧水土压力失衡的风险,采用盾构水中到达的方式。为配合该施工工艺,盾构到达施工前,对洞口土体进行加固,在预留洞圈位置对地下连续墙进行特殊处理,采用玻璃纤维强化塑料筋(GFRP) 代替普通钢筋,盾构直接切削围护墙体进入工作井。盾构一旦进入接收井, 随着盾构周围摩擦力的消失以及正面水压力的降低,导致原来处于压紧状态的管片在止水橡胶条膨胀作用及盾尾的拉扯下易出现松动,因此,最后10环需进行特殊管片拼装。特殊管片构造包括剪力销和预应力螺栓。

6.  近距离穿越建(构)筑物

 

超大直径盾构在城市密集区域内近距离施工对周边建(构)筑物会产生影响,为确保隧道施工及周边建(构)筑物的安全,盾构在穿越施工过程中,根据被保护对象与隧道相对位置关系及建筑物现状特点,采用分类分区域保护技术保护建(构)筑物。对距离<5 m的被保护对象采用类似FCEC(全回转套筒施工工法)隔离桩或MJS(全方位高压喷射施工工法)隔离桩保护; 对5m<距离<10 m的被保护对象采用常规手段进行保护;对距离>10 m的被保护对象采用控制盾构施工参数进行 保护。

大直径隧道工程穿越重要建(构)筑物,尤以长江西路隧道工程和外滩隧道工程为代表。长江西路隧道施工为近距离叠次穿越逸仙路高架和3号线高架,盾构先南线依次近距离穿越高架桩基,在浦西工作井内调头施工后, 随后北线依次近距离穿越高架桩基, 最近距离仅1.05 m。穿越时对高架桩基采用MJS隔离桩保护,同时在管片端面设置剪力销, 最终南线盾构顺利穿越逸仙路高架和3号线高架,隧道轴线、3号线高架和逸仙路高架累计沉降均控制在设计要求及标准范围内,其中立柱最大沉降值为9.3 mm。

                                                                                                                          长江西路下穿轨道交通三号线

 

外滩隧道施工连续近距离穿越浦江饭店、和平饭店和海关大楼等多个历史保护建筑物。位于出洞段的浦江饭店与隧道边最小净距为 1.7~4.5 m,与隧道顶净距为 14.5~17.6 m,穿越时采用FCEC 隔离桩保护,最终盾构成功穿越浦江饭店,浦江饭店的最大沉降为 6 mm;上海大厦与隧道距离5.2~5.9 m,穿越时采用常规的注浆隔离加固法保护,最终盾构成功穿越上海大厦,上海大厦的部分测点最终变形表现为隆起,最大变形为5.3mm;苏州河南岸距离隧道>10 m的历史建筑物群(如上海海关距离 11 m,友邦大厦15 m,中国银行22 m等),施工时主要采用过程控制的措施对其进行保护,最终盾构成功穿越历史建筑群,历史建筑群的最大沉降小于10 mm。

7  土压盾构出土量实时量测

 

寻求以盾构机操作室PC端为载体,实时动态显示每环掘进过程中出土量的变化情况,结合注浆量和地表沉降数据,为控制沉降提供最直观的依据。

 
 

 

作者: 时间:2020-06-19 13:58:36

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