盾构论文
上中路圆隧道工程施工技术方案
发布:2006-02-10    浏览:2965    来源:    【

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    摘  要:文章介绍的上中路越江通道圆隧道工程为穿越黄浦江的双管双层双向8车道公路隧道,采用1台直径14.87m 泥水平衡式盾构机掘进施工,在穿越黄浦江复杂地层及两岸码头重要建筑物时,需对盾构出洞口地层进行冻结加固、确定施工参数;采取同步注浆,控制地面沉降;采用圆隧道内部双层道路结构与盾构推进同步施工方法,确保工期。
    关键词:隧道 泥水盾构 土体冻结加固 同步施工  
 
    1 概况
    上中路越江通道西起徐汇区上中路、龙川路交叉口东侧,与中环线南段上中路衔接;东至浦东新区华夏西路(规划)、公园大道交叉口西侧,与中环线南段华夏西路衔接,是连接浦东、浦西的交通枢纽。
    上中路越江通道西起徐汇区上中路、龙川路交叉口东侧,与中环线南段上中路衔接;东至浦东新区华夏西路(规划)、公园大道交叉口西侧,与中环线南段华夏西路衔接,是连接浦东、浦西的交通枢纽。上中路越江通道工程共设南线和北线2条双层、双向8车道隧道。工程以南线上层、北线下层车道作为主线控制中心线。南线上层车道长2795.318m,北线下层车道长2802.425m,其中采用盾构法施工的圆隧道南线长1270m;北线长1273.784m,南北线隧道外壁的最小净距为8.14m (见图1) 。
图1  上中路越江通道平面布置图
 
    Φ14870 mm 泥水平衡式盾构先由浦东工作井始发,向浦西工作井推进,然后在浦西工作井调头,再向浦东工作井推进。隧道最大坡度为4.50%,最小平曲线半径为R1000m;隧道顶覆土最深处(31.2m)位于浦西陆地段;最浅处(8.64m)位于浦东出洞段。
    隧道衬砌为通用环楔形管片(又称万能管片环)。管片环外径14500mm,内径13300mm,宽2000mm,管片厚600mm。每环衬砌由7块标准块、2块邻接块、1块封顶块构成,采用全圆周错缝拼装工艺,管片块与块之间用20根M36的斜螺栓连接,环与环之间用38根M27的斜螺栓相连接。钢筋混凝土管片的混凝土强度等级为C55,抗渗等级为1.2MPa,钢筋采用HPB235级、HRB335级钢。
    2  地质条件
    工程范围内的土层从上至下依次为:①1人工填土、①2淤泥、②1褐黄~灰黄色粘土、②3灰色粘质粉土、③1灰~灰黄色淤泥质粉质粘土、④灰色淤泥质粘土、⑤1灰色粉质粘土、⑤2灰色砂质粉土、⑤3灰色粉质粘土、⑥1暗绿式粉质粘土、⑥2草黄色粉质粘土、⑦1-1草黄~灰色粘质粉土、⑦1-2草黄色粉细砂。隧道主要穿越④、⑤1、⑤2、⑤3、⑥1、⑥2、⑦1-1、⑦1-2土层。其中⑤2为微承压水层,⑦1-1、⑦1-2土层为承压含水层,该层对隧道有突涌的破坏作用,在承压动水头压力下易发生流砂及崩塌现象,影响开挖面稳定。
    本工程盾构推进施工的各土层地基土的物理力学性质指标见表1。
 
表1  地基土的物理力学性质指标
层序
土层名称
含水量/%
湿密度 /kN×m-3
孔隙比
塑性指数
液性指数
压缩系数/MPa-1
粘聚力/kPa
内摩角 /°
地基承载力设计值/kPa
灰色淤泥质粘土
48.7
16.9
1.37
20.8
1.25
1.13
15.0
11.0
80
1
灰色粉质粘土
35.4
17.8
1.03
15.7
0.95
0.50
16.0
16.0
90
2
灰色砂质粘土
32.3
18.0
0.95
 
 
0.24
7.0
26.0
150
3
灰色粉质粘土
34.1
17.8
1.02
15.8
0.86
0.45
20.0
15.0
100
1
暗绿式粉质粘土
24.3
19.4
0.72
16.6
0.38
0.26
29.0
17.5
 
2
草黄色粉质粘土
27.4
19.0
0.80
15.1
0.54
0.26
22.0
21.0
 
1-1
草黄~灰色粘质粉土
27.8
18.8
0.81
 
 
0.17
5.0
30.0
 
1-2
草黄色粉细砂
26.5
18.9
0.78
 
 
0.12
1.0
33.5
 
 
    3  盾构掘进机
    盾构机的主要技术参数见表2。
表2  盾构机主要技术参数
名      称
技术参数
盾构本体
前盾壳直径
14 850 mm
后盾壳直径
14 830 mm
长度
11 650 mm
后继台车
2节
总推力
184 300 kN
大刀盘
直径
14 870 mm
旋转方向
顺、逆时针
驱动装置
电动机14台
转速
0~1.4 r/min
最大额定扭矩
36 000 kN﹒m
最大扭矩
43 200 kN﹒m
超挖刀
行程105 mm
超挖刀
行程105 mm
拼装机
回转角度
±220°
平移行程
2 100 mm                                                                       
提升行程
2 400 mm
管片运输机
装载能力
1环(10块)
行程
10×2 250 mm
搅拌机
搅拌机数目
2个
叶片直径
1.8 m
最大扭矩
13 kN.m
 注浆系统
压浆泵
3台
注入口
6个(备用6个)
人行闸
数量
2只(备用2只)
最大压力
0.42 MPa
每舱容纳人数
6人
 
    本工程采用的Φ14.87m泥水平衡盾构掘进机由法国法玛通公司设计制造,曾用于荷兰Groene Hart Tunnel工程的隧道掘进,是目前世界上最大直径的泥水平衡盾构。
    该泥水平衡盾构的特点是在该密封舱后设置了气压平衡装置,一旦开挖面水压发生波动,气压装置则作为补偿系统,维持开挖面的压力稳定。盾构掘进机的五大系统(掘进、掘进管理、泥水输送、泥水处理和同步注浆)设计合理、操作方便,数据采集、信息反馈能力极强。
    4  盾构掘进施工
    4.1  盾构出洞技术
    ⑴ 盾构出洞口所处地层为④灰色淤泥质粘土、⑤1灰色淤泥质粉质粘土、⑤2灰色砂质粉土。④、⑤1层含水量高、孔隙比大、呈流塑~软流塑状态,且强度低、压缩性高、渗透性弱,具有明显的触变、流变特性,在动力作用下,土体结构易破坏;⑤2层含水量较高,呈稍密和软塑状态,且强度较低、压缩性中等、渗透性好,透水性高,在水头压力作用下,易产生管涌或流砂现象;洞门直径大,达15 200 mm,故土体暴露面积大,处理洞门的时间长;盾构以-4.35%的坡度出洞,盾构与洞圈的四周有175 mm宽的间隙,土体极易涌入。为此必须对洞口土体进行加固。
    ⑵ 地基加固包括前冻结板块、后冻结板块、门型冻结棚拱、基底旋喷板块等4个部分,如图2所示。
图2  出洞口地基加固剖面图
 
    前冻结板块具有冻结过程吸收变形和调整减小冻胀力的作用,保证盾构安全出洞;冻结棚拱的作用是保证盾构机在进入正常推进前建立压力泥浆系统;基底的高压旋喷加固,是为了防止盾构在出洞时出现磕头现象;后冻结板块位于刀盘(盾构机完全出洞后)前,其能保证封堵洞口时、停滞施工的盾构机前方土体的稳定。
    ⑶ 盾构本体和车架、连接梁(分为7段)总长约为123 m,而工作井和暗埋段结构能提供给盾构安装的范围只有70 m,这70 m的长度仅能安装盾构本体(12.6 m)和1、2车架及第一、第二段连接梁,因此,连接梁(管路)要通过2次转接,才能全部安装到位,使盾构转入正常连续掘进状态。
    4.2  盾构掘进参数确定
    ⑴ 切口水压=土压力+水压力+变动压力。土压力的上下限分别取静止土压力和主动土压力;变动压力取20 kPa;
    ⑵ 掘进速度设定为2~4cm/min
    ⑶ 控制泥水密度为1.08~1.35g/cm3、粘度为18~25s。
在施工过程中应随时调整完善各施工参数,控制因正常掘进施工引起的地面隆起小于10mm,地面沉降小于30 mm。
    4.3 同步注浆
    同步注浆系统采用单液注浆方式。在盾构推进的同时,浆液由地面拌浆系统拌制后,通过储浆筒运送至车架,利用车架上的注浆设备,通过注入口(6点)注入土体,及时充填建筑空隙,防止地面沉陷。
    该浆液必须填充性好;浆液填充后的早期强度≥土体强度;硬化后,体积的缩小量要小、止水性要好;具备不受或少受地下水稀释的特性;流动性好,离析少;可泵性好,在长距离输送过程中泌水量小;施工管理要方便;不产生污染。经同步注浆科研小组试验后,得出S、H两种系列浆液(配合比见表3),其中S系列浆液和易性好、无泌水,而H系列浆液的流动性较S系列浆液高,施工中可视实际情况选用。
表3  浆液配合比
S系列
水泥
膨润土
外掺剂
140
180
1 020
4.1
490
H系列
石灰
粉煤灰
外掺剂
57
265
1 324
88
265
 
    5  道路同步施工
    为了缩短施工工期,分为上、下层车道的圆隧道的道路结构施工与盾构推进同步进行。施工顺序见图3。
图3  道路施工顺序
 
    ① 下层道路预制车道板安装。下层车道为一块Π型预制车道板,在预制车道板的撑脚底部预留插筋(采用Ⅰ级钢,弯曲隐藏在预制板里面)。盾构推进形成圆隧道衬砌环后,拼装车架进入圆隧道,由材料运输车将预制车道板运到盾构推进处的第二部车架(预制车道板吊运车架)下,用车架的吊运设备将其吊至预制车道板位置处进行铺设,即预制车道板的铺设与隧道衬砌环同步进行。
    ② 预制车道板两侧钢筋混凝土施工。下层预制车道板安装后,以6 m作为一个流水段,浇注两侧钢筋混凝土,形成2号车架的行走基面。在进行现浇路面施工时,板直弯曲的预留插筋,使预制车道板与两侧现浇钢筋混凝土路面结合在一起,共同受力。
    ③ 下层防冲撞侧石(国际通用)施工。在2号车架后,以40m长为一个施工段,左右分幅进行。国际通用现浇钢筋混凝土斜面型侧石高0.75m、宽0.25m,与现浇路面结构连成整体。侧石的顶面有支承柱,在施工防冲撞侧石时,应预留支承柱的种植钢筋。
    ④ 支承柱与连续梁施工。支承柱(截面尺寸为350mm×500mm,柱与柱的间距为6m)的顶部为钢筋混凝土连续梁(截面尺寸为350mm×950mm)。为方便支承柱和连续梁的施工,在施工前,先制作、安装1个移动式钢管桁架(长20m,采用f48钢管搭设),安排在2号车架后120m处,每个施工段(长40m)需4只桁架(每边2只)。其还用于上层车道板的侧向与管片连接的种植钢筋施工。车道板与连续梁以及连续梁与支承柱之间的连接均为刚性连接。
    ⑤上层车道施工。上层车道为现浇钢筋混凝土结构,厚53cm。侧向通过管片上的植筋,与车道板内的部分主筋焊接,以保证上层车道板与隧道结构的整体连接。上层路面施工滞后于2号车架后280m。
    为了确保盾构的正常推进,设计了可行走的车道板底模支承车架(用型钢制作,长10m)。由4只模板支承车架组成1套,完成1个施工段车道板的施工。由于混凝土的养护期较长,必须准备3套模板支承车架,才能保证上层车道板的施工工期。
    ⑥ 上层防冲撞侧石的施工。
    ⑦ 预制车道板钢筋混凝土铺装层的施工。整条隧道贯通后,施工铺装层,每个施工段的长度为40m。为了保证运输车辆的正常通行,先施工右半幅车道,待车道的混凝土达到设计强度时,开放右侧交通,再进行左半幅车道的施工。钢筋混凝土铺装层厚137mm,严格控制路面的顶标高、平整度和粗糙度。通车前,一次摊铺厚80mm的沥青混凝土路面。
    6  结束语
    上中路圆隧道工程采用目前国内最大直径(14.87m)的泥水平衡盾构施工,盾构出洞口所处地层含水量高、强度低、渗透性好,易产生管涌或流砂现象,为此对洞口土体进行冻结加固;在施工过程中,应随时调整各施工参数,控制因正常掘进施工引起的地面隆起小于10mm,地面沉降小于30mm;研制出的S、H两种系列浆液将在同步注浆中使用,验证其性能是否适合工程需求;为缩短施工工期,将实施圆隧道的道路结构与盾构推进同步施工。
    参考文献
    [1] 周文波. 盾构法隧道施工技术及应用. 中国建筑工业出版社, 2004年11月
    [2] 沈永东 朱卫杰 杨国祥. 上海大连路越江隧道施工技术综述. 城市交通隧道工程最新技术-2003年上海国际隧道工程研讨会论文集, 2003年10月
    [3] 赵国强 邹长中 华学新. 上海复兴东路隧道工程及施工技术. 城市交通隧道工程最新技术-2003年上海国际隧道工程研讨会论文集, 2003年10月
 
(戴仕敏)
盾构概貌

上海隧道工程有限公司(以下简称“上海隧道”)成立于1965年,1993年改制成为国内施工行业首家上市股份制公司,是上海第一家通过ISO9001质量体系认证和ISO1400...

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