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大型矩形顶管在城市复杂地段的掘进施工

发布时间:2018-07-19  来源:  点击率:

摘要:城市地下交通工程和江河湖海及山岭等地理环境特殊的交通工程常采用盾构法施工。武汉市轨道交通七号线取水楼站配套建设的横穿新华路的过街通道,采用大型矩形顶管法施工,在武汉乃至全国尚属首次。本文主要介绍大型矩形顶管在新华路复杂地段环境下的掘进和施工管理情况,以促进城市地下交通工程的建设发展。

 

一、前言

武汉市轨道交通七号线一期第六标段土建工程取水楼站A1出入口位于建设大道与新华路交汇处,轨道交通线沿建设大道敷设,本站南临机器凼子喷泉公园,北临中国建设银行大厦和西北湖绿化广场,东临新华路亢龙太子酒轩,西临卓尔钰龙国际大厦。A1出入口通道位于新华路往解放大道方向的机器凼子喷泉公园和卓尔钰龙国际大厦一侧。由于取水楼车站所处建设大道与新华路交汇道口交通十分繁忙,且位于新华路往解放大道方向的道口地下通道,通道东端出口紧邻机器凼子喷泉公园,西端紧邻卓尔钰龙国际大厦,施工环境异常复杂。不仅如此,敷设于此道口的地下管线也十分复杂,其中平行敷设于新华路下的有三排直径为φ1350mm的污水混凝土管,埋深3.4m,另有一排直径为φ1000mm的雨水混凝土管和一排直径为φ500mm的供水铸铁管,埋深均在1m左右,敷设在人行道下面的还有燃气、供电、电信等管线,上述各类管线处于正常使用状态。鉴于新华路交汇道口交通十分繁忙,周边地理环境受到限制,地下各类管线难以迁改的实际情况,以及取水楼站敷设于新华路往解放大道方向的A1出入口和B1出入口,增设了一个紧急疏散出入口,以满足乘客进出车站及疏散需求,此疏散出入口在新华路上通过

地下通道连接,并与A2出入口相连接(见示意图1),此通

 

示意图1

道同时兼顾地下通道过街功能。为保证新华路站A1出入口和地下通道的顺利实施,不影响新华路交汇道口交通秩序,穿越新华路的地下通道采用矩形顶管法施工。

二、施工

武汉市轨道交通七号线一期取水楼站A1出入口矩形顶管通道位于建设大道与新华路交汇口处,在新华路往解放大道方向下穿新华路,顶管通道外边缘长、高尺寸为9.80m×5.50m,壁厚650mm,全长71m,通道净空尺寸8.50m×4.20m。通道结构采用强度等级为C50的钢筋混凝土预制管片,单节管片长1.5m,单节管片重约80吨,全通道共48节。

(一)始发井和接收井施工

顶管通道两端的敞口段及始发井和接收井采用明挖法施工,基坑围护结构采用钻孔灌注桩+旋喷止水桩及内支撑系统支护,人工配合机械分层开挖。基坑开挖并经检验合格后,即按设计要求浇筑井壁混凝土并养护成型。

(二)通道施工

通道段采用土压平衡矩形顶管机施工,根据通道结构尺寸和工程所处位置的水文地质状况,选择JD9.8m×5.5m土压平衡矩形顶管机。顶管机主要性能参数为:外形尺寸9820mm×5520mm,总长(含螺旋机)6153mm,整机重量约300吨,装机容量820kw,刀盘形式由7只大小刀盘组合,主断面总面积53.83m2。(见刀盘驱动示意图2)

 

 

刀盘驱动示意图2

1、施工准备

1)建立始发井测量控制网,并复核和签认;按施工组织设计要求配备施工材料、机械设备及工具;顶进前,基坑内外进行施工用电、用水、通道、排水及照明等设备安装,以满足顶管施工要求。

2)洞门安装。由于掘进洞圈与管片间存在着15cm建筑空隙,在顶管机出洞及正常顶进过程中极易出现外部土体及触壁泥浆涌入始发井内的严重安全事故,施工前须在洞圈上安装帘布橡胶板密封洞圈,使帘布橡胶板紧贴洞门,用压板螺栓与洞圈上预留螺孔连接紧固。(见示意图3)

 

洞门止水帘布安装示意图3

3)基座及顶进后背墙和机架安装。始发井结构施工时在底板预埋30cm×30cm钢板,井下导轨安装前将导轨下基座与其焊接(见示意图4),确保基座在顶进过程中承受各

基座安装实例照片示意图4

 

种负载不位移、不变形、不沉降。导轨基座安装的同时,在顶进一侧的井壁安装厚度为50cm的钢结构后背墙,并预留10cm的空隙,用素混凝土填充此空隙,使钢结构后背墙与井壁紧密接触。后背墙安装完毕后,将放置顶管机的始发托架与后背墙连接成一个整体,形成牢固的顶进系统。

4)顶管机和顶进系统安装。矩形顶管机采用400吨大型超重设备吊装落位,并进行精确定位,使顶管机顶进轴线与设计轴线相符,经调试合格后即可进行顶管出洞和正常顶进工作。顶管机就位后,即进行顶进系统安装,包括基架安装焊接、动力系统安装、操作台安装、联机调试等。

2、施工测量

1)平面控制测量。根据建立的测量控制网,对工程控制点桩位及坐标进行交接和复核,然后对出洞口和进洞口的坐标和高程系统进行复测。根据通道设计线路和矩形顶管掘进的轴线,测放出该轴线后通过全站仪施测传递到井下作为始发架定位的中心轴线。根据复测后的空导点布设现场测量控制网,然后利用全站仪传递到施工导线点,所有导线按一等导线的要求进行测量并不断对控制点进行检查。

2)高程控制测量。根据高程控制点实测两洞门的实际高程,并在工作井的出洞口的井上和井下各布置两个高程控制点,施工过程中定期对其进行复测。

3)顶管机和管节跟踪测量。顶管机进洞前,在顶管机背面仪表盘处及后靠背墙上装置激光经纬仪,随着机头的顶进,即时跟踪测量,根据测量成果对照设计允许的偏差值,超过偏差值时进行随偏随纠。

3、顶管始发进洞段施工

1)洞门凿除。顶管机安装就位并调试合格后,即对出洞区域的工作井围护结构(工作井基坑施工的旋喷桩和钻孔灌柱桩)进行凿除,采用切割设备和风镐凿除井壁洞口处的钢筋混凝土,清理完毕后,安装洞门止水装置。

2)顶进施工。洞门处围护结构破除后,顶管机开始切削洞门加固段土体,顶管机全部进入洞门后,检查洞门止水装置是否有损坏,确保泥水、浆液不外漏。顶管机出洞进入正常土体(非加固土体段)后3m范围内作为顶管掘进的试验段,以判断和确定开挖面土压力、出土量、顶进速度、注浆量和压力等各种施工参数最佳值,为正常掘进控制提供依据。

4、顶管正常段顶进施工

1)根据试验段掘进收集和调整的相关施工参数,即进行正常顶进施工。顶进施工中密切注意顶进轴线控制和机头的姿态(线型)测量控制,做到随偏随纠、小量纠偏,由于矩形顶管对矩形断面结构横向水平要求较高,施工中要特别注意机头的转向变化。

正常顶进阶段,顶管机每顶进一个行程主顶油缸即回缩,按吊装和安装方案安装矩形管片,管片就位并经检查符合设计要求后即进行下一个行程顶进。

2)地面沉降控制。顶进过程中,控制顶进速度,保持连续均衡施工,避免长时间停置而发生地面坍陷情况;严格控制出土量、防止欠挖或超挖,保证开挖面稳定。

3)矩形管片顶进触变泥浆减阻。顶进过程中,为减少土体与管片间的摩擦阻力,从管片注浆孔内壁向外壁压注触变泥浆,使之在管片外壁四周形成一圈完整的泥浆套以达到减小摩阻力效果,防止矩形管片顶进时地面隆起或下沉。施工时主要控制好注浆压力和压浆量。

4)安装止退装置。由于矩形管片掘进断面较大,前端阻力大,当顶进一个行程主顶油缸回缩时,机头和管片仍会一起后退20cm~30cm。当顶管机和管片往后退时,机头和开挖面间的土压平衡受到破坏,使开挖面得不到稳定支撑而发生坍塌。施工时,在前基座的两侧各安装一套止退装置,并与基座焊接在一起;当顶进一个行程安装管片的时候,将专门制作的销子插入管片的吊装孔中,管片的后退力通过销子、销座传递到止退装置的后支撑桩上,阻止管片后退。(见示意图5)

 

示意图5

5)掘进出土。施工采用螺旋输送机+轨道土箱+卷扬机+履带吊车的形式出土。施工过程中,顶管掘进的取土量要与螺旋机输送的出土量相一致,严格控制开挖面土体切削尺度,防止和避免超挖和泥浆流失,保持开挖面稳定和掘进范围的地下管线及地面不受影响。

5、顶管机接收施工

1)接收井准备及顶管机姿态复核测量。接收井按设计要求施工并进行洞门加固后,顶管机到达接收井之前,对洞门位置坐标进行测量确认,做好破除洞门围护结构的准备工作。当顶管机头逐渐靠近接收井时,加强对掘进顶管机头的姿态测量频率和精度,保证其以良好的姿态进洞。

2)顶管机接收与拆除施工。当顶管机切口顶进距离围护结构30cm时,停止顶进,人工用风镐凿除围护结构,同时在接收井底板上安装接收架;具备接收条件,顶管机穿过洞门加固段和围护结构后,缓慢顶进接收井内,当首节管片顶进至设计位置时,停止顶进,并及时利用管片内注浆孔进行水硬性浆液填充管片与洞圈间的空隙,控制洞口周围土体沉降。顶管机停落到接收井设计位置,洞门圈封堵、水硬性注浆完成一段时间后,即开始拆除顶管机设备。

3)顶管机设备拆除吊运完毕后,即进行接收井洞口结构与车站主体结构的连接施工(见实景图6、图7),同时

     

通道实体图6

 

通道与出口实体图7

对已完成二次注浆且顶管管片处理稳定状态下,对管节间的缝隙进行清理,使缝内干净、干燥,并采用双组分聚硫密封膏填充饱满密实。

三、效果

建设大道与新华路交汇道口是武汉市交通繁忙的道口之一,地下管线密布,各类管线达10余种。尤其是平行敷设于新华路下的三排直径为φ1350mm的污水混凝土管,埋深3.4m,距离管片垂直距离仅0.5m,10kv高压电力管线埋深1.5m,距离管片垂直距离2.3m。由于矩形管片截面较大,管片与围岩之间不可避免存在一定的空隙,有空隙就会致使位于空隙上方的管线发生沉陷,因此施工期间对管线和施工区域建(构)筑物的保护尤显重要。实践证明,施工过程中,对比较重要的管线如电力管线、污水管道等将其暴露(局部),监测变形情况;对管片与围岩之间的空隙进行同步注浆加固,并及时跟进二次注浆加固,防止地层松弛范围扩大;严格控制顶管机顶进速度,尽量减少施工对土体的扰动。由于施工措施针对性强,确保了施工范围道路、管线、建(构)筑物使用安全。

现阶段,一般地下盾构隧道为圆型结构断面,上下两端空间浪费比较大,隧道空间利用率不高,而且上端对最小埋深的要求也不利;矩形隧道空间利用相较于圆形隧道利用率可提高20%以上,空间可得到充分利用,有利于行人或车辆通行,而且埋深相对较浅,盾构适应地质条件较为广泛。在新华路道口周边环境受限以及地铁取水楼站A1出入口通道结构和高程也受限的情况下,采用顶管矩形隧道结构施工,减少了施工对地面交通影响,避免了地下管线的大量拆迁或改建。

轨道交通7号线一期取水楼站A1出入口增设的紧急疏散出入口,采用顶管矩形隧道与车站主体结构相衔接,既增加了车站客流疏散通道,又能有效缓解行人横穿新华路道口人车混行的交通状况,在周边环境条件限制下,充分利用了此处的地下空间,使地铁交通与地面公共交通以及行人交通较为协调。

四、结语

武汉市轨道交通7号线一期工程取水楼站配套建设的横穿新华路的过街通道,在武汉市是首次,采用大型矩形顶管机施工,从施工实践和施工效果看,取得了较好的空间利用效果和使用效果。随着盾构隧道施工技术的不断提高,掘进刀盘的不断开发和改进提高,矩形顶管为矩形盾构隧道施工技术创造了条件,由于矩形盾构隧道具有空间利用率高、结构埋深相对较浅等优点,在城市地下空间开发和利用方面,适宜于用矩形盾构建设轨道交通隧道、人行地下通道、地下交通、道路工程、地下综合管廊等工程。



来源:

武汉市市政工程质量监督站  姚菁

武汉市市政工程质量监督站  甘晓婧

武昌区城市管理委员会城建维修工程处  程煜

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