全断面顶管法在饱和软土地层静安寺站地铁工程的研究与应用.pdf
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1、全断面顶管法在饱和软土地层静安寺站地铁工程的研究与应用现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版收稿日期:2023-12-15修回日期:2023-12-31基金项目:上海市科学技术委员会科研计划项目(19DZ1200900);上海市科学技术委员会优秀学术/技术带头人计划(20XD1432500).作者简介:朱雁飞(1972-),男,博士,正高级工程师,主要从事隧道及地下工程方面的研究工作,E-mail:.通讯作者:潘伟强(1979-),男,硕
2、士,正高级工程师,主要从事隧道及地下工程方面的研究工作,E-mail:.全断面顶管法在饱和软土地层静安寺站地铁工程的研究与应用朱雁飞1郭 彦1王金一1马建峰2潘伟强1(1.上海隧道工程有限公司,上海 200032;2.上海市交通建设工程安全质量监督站,上海 200120)摘要:上海地铁14号线静安寺站是采用大断面矩形顶管暗挖工艺建造地铁车站主体结构。为解决地下工程施工与地质环境以及周边建筑矛盾的问题,文章基于静安寺地铁车站主体结构工程,提出一种适用于饱和软土地层中心城区地铁车站建造的全断面顶管暗挖施工方法。该工法创新性地提出深覆土洞门密封止水技术、深埋管节自补偿止退技术、土体改良管节减摩-浆液
3、固化技术、钢-混凝土复合顶管管节结构、复合管节钢壳拼装吊装技术和复合管节内衬浇筑技术,攻克了地铁车站顶管施工可能存在的深覆土近间距顶管掘进和超大断面顶管管节施工等工程难题,实施效果良好,可为同类地层地铁建设提供参考和借鉴。关键词:饱和软土;超大断面;顶管掘进;复合管节;地铁工程中图分类号:U455.47文献标志码:A文章编号:1009-6582(2024)02-0263-09DOI:10.13807/ki.mtt.2024.02.024引文格式:朱雁飞,郭 彦,王金一,等.全断面顶管法在饱和软土地层静安寺站地铁工程的研究与应用J.现代隧道技术,2024,61(2):263-271.ZHU Ya
4、nfei,GUO Yan,WANG Jinyi,et al.Research and Application of Full-Face Pipe Jacking Method in Saturated SoftSoil Layers for the Jingan Temple Station Subway ProjectJ.Modern Tunnelling Technology,2024,61(2):263-271.1引 言近年来,国家经济水平的提升和城市发展的需要促使我国大力推动轨道交通建设13。但随着城市轨道交通项目的大规模开展实施,城市中心城区地铁车站明挖施工造成的房屋拆除、交通翻交、
5、管线搬迁、噪声扬尘等不利影响严重阻碍轨道交通建设的进一步发展。同时,随着城市轨道交通网络化建设的推进,地铁在既有建成网络的基础上开始向深层地下空间发展,呈深层化、密集化和复杂化趋势,其施工难度和工程风险越来越大,导致在此条件下同样不适合采用明挖法修建地铁车站。因此研究一种新的地铁车站施工方法迫在眉睫。暗挖法施工具有建筑拆除量小、不影响路面交通、管线搬迁少、环境影响低等优点,可以在城市轨道交通建设中得到广泛应用。目前,地下工程常用的暗挖工法包括浅埋暗挖法、管幕法、盾构法和顶管法。浅埋暗挖法对地层要求较高,故不适合在地下水位高、土体强度低的软土地层使用4。管幕法地面沉降控制难度高,国内可参考案例较
6、少。盾构法虽然是众多暗挖工法中机械化程度最高、环境变形控制能力最强的施工方法,但因盾构机后配套车架对场地需求较大,此方法在国内主要运用在地铁区间及市政道路的隧道施工中。顶管法即利用始发井中顶进油缸的顶推力将顶管机从始发井顶入土层,顶管机顶进过程中切削前方正面土体。同时,预制管节依次与顶管机或前一节管节连接,并利用顶推力从始发井顶入土层,直至顶管机到达接收井,吊出顶管机,预制管节在始发井与接收井之间形成一段连续的暗挖结构。该工法无需开挖施工区域上部土体就可穿越河流、道路、建筑物及管线等,在地下通道、综合管廊、地下车道等工程中得到广泛应用5。如上海淞沪路三门路下立交工程采用矩形顶管法施工,积累了大
7、断面矩形顶管小间距隧道近距离下穿既有结构的微扰动施工控制经验6。范 磊等7依托重庆天宫殿下穿快速路隧263全断面顶管法在饱和软土地层静安寺站地铁工程的研究与应用现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024道项目对复合地层矩形顶管施工关键技术进行研究。武汉汤逊湖污水处理厂尾水排江工程采取顶管法施工,并提出了解决软弱地层超长距离顶管管道上浮的控制措施8。郑州市中州大道下穿隧道项目工程在不封闭交通、不搬迁地下管线的前提下,完成了全国首次110 m 长
8、距离类矩形顶管穿越1。但受限于顶管机断面尺寸,目前地铁车站主体结构还是采用明挖法进行施工,这使得城市中心因大面积开挖导致的各项社会矛盾依然突出。为解决上述问题,尝试在上海地铁14号线静安寺站工程采用全断面顶管法建造地铁车站主体结构,旨在研发一种符合饱和软土地层特点的中心城区复杂环境地铁车站暗挖施工方法,为同类地层地铁建设提供参考和借鉴。2工程概况上海地铁14号线静安寺站位于华山路与延安中路交叉路的下方,沿华山路南北向布置,长225 m,宽20.54 m,为地下3层车站,与既有2号线、7号线形成三线换乘。车站位于中心城区,周围商圈完善,道路交通繁忙,其平面位置及周边建筑物分布如图1所示。站址东侧
9、为静安公园与静安广场,西侧为会德丰大厦和上海国际贵都大饭店,北端头临近运营的2号线盾构隧道,施工环境异常复杂。若采用明挖法进行施工需对华山路、延安路这两条主干道交通导改2次,同时减少2根车道,搬迁大量管线,前期费用高、施工周期长、社会影响大。图 1 静安寺车站平面位置及周边建筑物分布Fig.1 The planar location of Jingan Temple Station and thedistribution of surrounding buildings为降低地铁车站施工对居民生活和城市环境的影响,将静安寺站工程分成A、B、C三区,如图2所示。其中,位于延安路高架桥下方的B区长
10、82 m,是车站主体结构,采用全断面顶管法暗挖施工。位于高架桥两侧的A 区、C区,分别长105 m、42 m,是车站附属结构,采用明挖法施工。施工时,先从C区工作井始发顶进东线站台层顶管至A区工作井接收并井内掉头,再从A区工作井始发顶进西线站台层顶管和站厅层顶管至C区工作井接收,最后在站台层顶管间设置多个联络通道完成地铁车站主体结构的施工9,如图3所示。由图3可知,顶管主要穿越淤泥质粉质黏土、淤泥质黏土、1-1黏土等含水量高、流变特性显著的软弱地层。站台层顶管断面尺寸9.90 m8.70 m,覆土深度为14.90 m,与延安路高架桥桥墩最小间距5.56 m,顶管间距2.05 m。站厅层顶管断面
11、尺寸9.50 m4.88 m,覆土深度为4.61 m,与西线站台层顶管间距5.41 m。鉴于上述地铁车站复杂敏感的地质条件和周边环境,其在施工中存在深覆土近间距顶管掘进和超大断面顶管管节施工等工程难题,因此需对其关键施工技术展开系统研究。图 2 工程总平面Fig.2 General plan of the project图 3 全断面顶管法地铁车站剖面Fig.3 The sectional drawing of a subway station constructed bythe full-face pipe jacking method3全断面顶管机本工程研制了2台土压平衡全断面矩形顶管机,
12、尺寸分别为9.93 m8.73 m(用于站台层)和9.53 m264全断面顶管法在饱和软土地层静安寺站地铁工程的研究与应用现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版4.91 m(用于站厅层),如图 4、图 5 所示。其中,9.93 m8.73 m土压平衡矩形顶管机采用1个大刀盘图 4 9.93 m8.73 m 超大断面矩形顶管机设计模型Fig.4 Design model of the 9.93 m8.73 m super large sec
13、tionrectangular pipe jacking machine图 5 9.53 m4.91 m 超大断面矩形顶管机设计模型Fig.5 Design model of the 9.53 m4.91 m super large sectionrectangular pipe jacking machine和4个偏心刀盘,9.53 m4.91 m土压平衡矩形顶管机采用2个大刀盘和4个辅刀盘。大刀盘具有适应地质条件广、对开挖面支护稳定性强、切削效率高等特点,偏心刀盘和辅刀盘则可以满足全断面切削要求。全断面矩形顶管机主要技术参数见表1。表 1 全断面矩形顶管机主要技术参数Table 1 Mai
14、ntechnicalparametersoffull-facerectangularpipe jacking machines项目主机结构型式刀盘转速/(rmin-1)最大推进速度/(mmmin-1)最大推力/t纠偏角度/()9.93 m8.73 m矩形顶管机大刀盘+偏心刀盘全断面切削大刀盘:01.24;偏心刀盘:02.20506 500上下1.2左右 1.09.53 m4.91 m矩形顶管机大刀盘+辅刀盘全断面切削大刀盘:01.20;辅刀盘:02.50404 000上下 1.2左右 1.14深覆土近间距顶管掘进施工关键技术4.1深覆土洞门密封止水技术该地铁车站站台层顶管覆土深度为14.90
15、m,远超常规顶管工程覆土深度,且土层为饱和软土地层,土体含水量较高。同时工作井洞门尺寸和顶管尺寸存在一定空隙,导致顶管始发时存在大量泥浆水从上述空隙涌出的问题,从而造成地层损失,产生较大地表变形。为此,对深覆土洞门密封止水技术进行研究,研制了洞门密封止水装置,如图6所示。该装置由洞门周围安装的环形钢箱体、盾尾刷和橡胶袜套组成。顶管机始发前,在盾尾刷及盾尾刷与环形钢箱体的腋角处充满高黏度油脂,来提高盾尾刷的防水性能。顶管机进入洞门后,向环形钢箱体、盾尾刷和顶管机组成的空腔内压注高泵送性盾尾液态油脂。同时,在环形钢箱体、橡胶袜套和顶管机组成的空腔内注入高浓度泥浆。后续顶管顶进过程中,连接油脂管路的
16、压力传感器对油脂压力进行动态监测,并实时补充盾尾油脂,弥补顶管顶进过程造成的油脂损失,从而解决因洞门密封性差导致泥浆水从洞门空隙渗漏的问题。4.2深埋管节自补偿止退技术由于管节安装过程需要切断顶管机电源和回缩顶进千斤顶,使失去顶力的顶管机机头和已安装的265全断面顶管法在饱和软土地层静安寺站地铁工程的研究与应用现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024图 6 洞门密封止水装置Fig.6 The sealing device of tunnel
17、 portal管节在开挖面水土压力作用下向后倒退,导致地层失稳和开挖面前方土体塌陷。且管节间由于无水平约束使管节接头容易产生空隙而发生渗漏,进一步加剧地层扰动和地表变形10。目前工程上多采用剪力销或支撑杆被动强加在管节上,止退效果欠佳,回缩主顶油缸产生的回缩量大致在2030 cm11,已不满足施工要求。且该工程顶管开挖断面和埋置深度较普通顶管工程大,机头和管节受到的后退作用力更大,因此对管节止退技术提出更高要求。基于上述情况,提出了深埋管节自补偿止退技术。通过在管节两侧连接附带自补偿千斤顶的止退钢结构,当自补偿千斤顶上的位移传感器感应管节向后倒退时,自动增大千斤顶顶力使机头受到的顶推力与水土压
18、力保持平衡,达到阻止管节后退的目的。图7为管节自补偿止退装置。图8为管节回缩量统计。由图8可知,顶管机切口最大回缩量为17 mm,平均回缩量为14 mm,说明管节自补偿止退装置的止退效果明显优于剪力销或支撑杆组成的止退系统。图 7 管节自补偿止退装置Fig.7 The self-compensating anti-retreat device for jackingpipe4.3土体改良、管节减摩及浆液固化技术由于本工程顶管需多次近间距平行叠交顶进施图 8 管节回缩量统计Fig.8 The retraction statistics for jacking pipe工,土体扰动次数较多,增大地
19、表沉降。为降低上述问题的影响,施工中采用了土体改良技术、管节减摩技术和减摩浆液固化技术,具体概述如下:(1)本工程采用土压平衡顶管机,施工时切削的土体作为支撑开挖面稳定的介质,要求具有良好的流塑性和止水性。而本工程顶管机在淤泥质粉质黏土、淤泥质黏土、1-1黏土混合土层中推进,水文地质条件非常复杂,所以需对土体进行改良。通过顶管机配置的泡沫装置向刀盘面和土舱内注入发泡剂与压缩空气产生的泡沫,泡沫与切削土体搅拌混合后置换土体颗粒间隙的自由水,从而提高开挖土体的止水性。同时,泡沫具有良好的压缩性,可以提高土体的流塑性,使开挖面土压波动较小,便于开挖面稳定。通过泡沫剂发泡试验(图9)和改良后土体抗剪强
20、度试验及渗透试验,表明采用泡沫浓度2%3%、发泡倍率20、泡沫注入率 25%30%的泡沫剂进行土体改良效果最佳。图 9 泡沫剂发泡试验Fig.9 The foaming test of the foaming agent(2)顶管顶进过程,从管节内部注浆孔向外压注减摩泥浆,使管节周围包裹一圈泥浆套来减少土266全断面顶管法在饱和软土地层静安寺站地铁工程的研究与应用现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版体与管节间的摩阻力,如图10所示。同时
21、泥浆套还可以填充管节外壁与周围土体的空隙,有效抑制地层扰动。因此,为确保减摩泥浆既要在顶管顶进过程具有良好的流动性能,又要在顶进间隙保持一定黏稠度,工程基于施工现场地质取样进行泥浆配合比试验,确定最佳泥浆配合比,见表2。图 10 减摩注浆现场Fig.10 The photo of the antifriction grouting process表 2 最佳减摩泥浆配合比(1 m)Table 2 The optimum mixture ratio of friction-reducingslurry(1 m)聚合物体积/L膨润土质量/kgHS-2 质量/kg水质量/kg密度/(gcm-)黏度/
22、(Pas)滤失量/mL21201009751.26012(3)隧道贯通、洞门封堵结束后,需要对管节外壁进行浆液固化。传统浆液固化工艺采用水泥浆置换顶管顶进过程注入的减摩泥浆,存在减摩泥浆难以完全均匀置换,且置换过程地层扰动大等问题。本工程采用由 P.O42.5 普通硅酸盐水泥、熟石灰、-建筑石膏、粉煤灰等材料组成的新型固化浆液,可以与减摩泥浆直接混合固结,从而降低泥浆置换过程造成的地层压力损失,减小地面沉降,提高隧道防水性能。传统浆液固化工艺与新型浆液固化工艺对比示意如图11所示。图 11 传统浆液固化工艺与新型浆液固化工艺对比示意Fig.11 Comparative diagram of t
23、raditional and new slurrysolidification processes5超大断面顶管管节施工关键技术5.1超大断面顶管管节型式研究本工程站台层断面尺寸为9.90 m8.70 m,站厅层断面尺寸为 9.50 m4.88 m,管节长度均为 2 m。根据现有工程经验,管节可采用混凝土管节、钢管节、球墨铸铁管节、钢-混凝土复合管节等型式,其对比见表3。由于站厅层断面尺寸不大,采用混凝表 3 顶管管节型式对比Table 3 Comparison of different jacking pipe types管节型式重量制作工艺防腐性能防水性能施工效率运输占用场地造价混凝土管节
24、约 89 t简单好一般,环缝易渗漏水略快每环8.70 m,需占用3车道地面拼装、翻身、吊装至井下一般钢管节约 48 t简单一般一般,环缝易渗漏水略快每环分成2 块,约 5.0 m宽,需占用2车道地面拼装、翻身、吊装至井下较高球墨铸铁管节约 48 t复杂好一般,环缝易渗漏水略快每环分成 2块,约 5.0 m宽,需占用2车道地面拼装、翻身、吊装至井下较高钢-混凝土复合管节约 48 t(不含后浇钢筋混凝土)简单较好,内部后浇混凝土起保护隔离作用较好,内部后浇混凝土兼具防水功能一般,内部后浇混凝土施工较复杂每环分成 2 块,约 5.0 m 宽,需占用2车道地面拼装、翻身、吊装至井下较高267全断面顶管
25、法在饱和软土地层静安寺站地铁工程的研究与应用现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024土管节造价较低,经济性较好。但站台层断面尺寸远大于站厅层,若继续采用混凝土管节,管节自重非常大,给施工带来极大不便。同时考虑到站台层作为部分地下车站主体结构,有较高防水要求,推荐采用钢管节+后浇钢筋混凝土结构型式的复合管节,如图12所示。顶管顶进阶段为钢管节结构,待顶管顶进完成后在钢管节内部浇筑钢筋混凝土内衬形成钢-混凝土复合管节结构。为保证顶管管节密封防水
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