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      粉質(zhì)黏土層公路隧道下穿既有鐵路長(zhǎng)大管棚施工工法

      2013-07-10 22:41:57趙立財(cái)
      卷宗 2013年8期
      關(guān)鍵詞:大管棚鐵路隧道

      趙立財(cái)

      摘要:本文以廈漳公路(廈門(mén)段)東孚隧道下穿廈深鐵路牽出線(xiàn)為例,介紹了長(zhǎng)大管棚施工工法在粉質(zhì)黏土土層,土體自穩(wěn)性能差,淺埋隧道下穿公路隧道施工開(kāi)挖過(guò)程中的應(yīng)用,有效防止了塌方、涌泥事故的發(fā)生,沒(méi)有對(duì)鐵路運(yùn)輸產(chǎn)生不良影響,安全、順利地下穿了既有廈深鐵路牽出線(xiàn),具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

      關(guān)鍵詞:粉質(zhì)黏土;隧道;下穿;鐵路;大管棚

      1 前言

      在我國(guó)東南沿海地區(qū)地下水位較高,第四系地層以粉質(zhì)黏土、粉土為主,滲透系數(shù)較小,易液化。在這種特殊地層進(jìn)行開(kāi)挖時(shí),小導(dǎo)管法、錨桿法等很難保證工程施工安全及質(zhì)量。因此,急需采取一種長(zhǎng)超前、安全可靠的支護(hù)措施。而長(zhǎng)管棚支護(hù)技術(shù)作為一種新的支護(hù)手段,對(duì)大跨度、超淺埋,工程地質(zhì)條件復(fù)雜的工程都有很好的支護(hù)效果。但是,飽和淤泥質(zhì)土、粉土地層含水無(wú)法成孔,管棚施工必須采取適合該地層特殊技術(shù)措施和施工工藝。

      廈漳公路(廈門(mén)段)東孚隧道為淺埋暗挖單洞隧道,位于上述地層,由道路和隧道兩部分組成。下穿既有廈深鐵路牽出線(xiàn),暗挖段隧道最小覆土厚度僅有2.6m。暗挖隧道全部采用長(zhǎng)大管棚超前支護(hù)與注漿加固。

      針對(duì)工程的重點(diǎn)和難點(diǎn),我們開(kāi)展了相應(yīng)的科研攻關(guān),研發(fā)了特殊的鉆具,在工程實(shí)踐中開(kāi)發(fā)應(yīng)用了適合該地層特殊跟管施工工藝,保證了整個(gè)工程安全順利建成,在此基礎(chǔ)上總結(jié)出本工法。

      2 工法特點(diǎn)

      采用本工法進(jìn)行施工的特點(diǎn)有以下四點(diǎn)

      2.1超前支護(hù)長(zhǎng):長(zhǎng)管棚支護(hù)可跨越松弛區(qū),伸入原狀土部位,使地層不至沉陷或流塌,穩(wěn)妥可靠,能保證施工安全。

      2.2開(kāi)挖段增長(zhǎng),可減少超前支護(hù)施工施作次數(shù),縮短施工時(shí)間。

      2.3大管棚直徑大,管壁厚,剛度較高,受力均勻,支護(hù)效果可靠。

      2.4技術(shù)新穎、難度大。

      3 使用范圍

      本工法適用于埋深淺、覆蓋薄、跨度大、結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜的飽和粉土及粉細(xì)砂地層中的各類(lèi)工程進(jìn)行開(kāi)挖支護(hù)和地層加固的長(zhǎng)大管棚施工。

      4 工藝原理

      在地下洞室掌子面后部,以一定的間隔鉆設(shè)一排或兩排水平的環(huán)向鉆孔,然后布設(shè)長(zhǎng)大管棚,對(duì)地層進(jìn)行注漿加固。通過(guò)鉆孔,下設(shè)鋼管,注漿等一系列工序施作,使鋼管超越前方地層松弛區(qū)后,遠(yuǎn)遠(yuǎn)伸入到未受到施工影響的部位,保障開(kāi)挖時(shí)掌子面和周?chē)馏w的穩(wěn)定,起到骨架、格柵作用。通過(guò)注漿使?jié){液從鋼花管孔眼中壓出,以一定的壓力注入到鋼管周?chē)缮?、軟弱的地層中,從而形成?fù)合穩(wěn)定的固結(jié)體,使周?chē)貙拥牧W(xué)性質(zhì)得到改變,產(chǎn)生由鋼管和注漿加固體在開(kāi)挖體上方及周?chē)纬傻摹芭锸健狈雷o(hù)結(jié)構(gòu)。若需加固的地層較長(zhǎng),則隨著向前掘進(jìn),每隔一定距離重復(fù)上述作業(yè)。

      5 工藝流程及操作要點(diǎn)

      5.1 管棚施工工藝流程(管棚施工工藝流程如圖1所示)

      5.2 操作要點(diǎn)

      5.2.1套拱施工

      套拱為包裹管棚后端的一層混凝土或鋼筋混凝土,起保護(hù)前方地層、便于開(kāi)鉆作業(yè)、精確定位管棚和增強(qiáng)管棚口部結(jié)合強(qiáng)度的作用。套拱一般厚0.3m~0.5m,長(zhǎng)1.5~2.5 m,混凝土標(biāo)號(hào)多為C20,前端和底部均嵌入地層。施工時(shí),在每根管棚位置預(yù)埋一節(jié)內(nèi)徑比管棚外徑略大的鋼管(導(dǎo)向管),以精確定位每根管棚的口部位置。當(dāng)套拱混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后,按一定的間隔和順序沿導(dǎo)向管引導(dǎo)的方向往地層中進(jìn)行鉆孔,并進(jìn)行管棚布設(shè)的全程作業(yè)。

      ⑴開(kāi)挖與核心土

      為了便于施工、節(jié)省方木、保持工作面的安全和穩(wěn)定,開(kāi)挖時(shí),視場(chǎng)地情況預(yù)留一定的核心土。同時(shí),挖夠套拱嵌入巖層的深度。當(dāng)?shù)貙臃€(wěn)定性差時(shí),對(duì)兩側(cè)和前方暴露的地層進(jìn)行噴錨封閉。

      ⑵套拱混凝土施工

      利用核心土搭設(shè)必要的工作平臺(tái),進(jìn)行放樣、鋼筋綁扎、預(yù)埋件安裝、立模、預(yù)埋件準(zhǔn)確定位、混凝土一次灌注成型和養(yǎng)護(hù),當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后拆除模板,完成全部套拱作業(yè)。

      5.2.2搭設(shè)平臺(tái)

      沿核心土環(huán)向用方木搭設(shè)施工平臺(tái),如無(wú)留核心土,則用鋼管搭門(mén)型架后,再用方木搭設(shè)施工平臺(tái)。

      管棚施工人員多,機(jī)械重,頂管推力大平臺(tái)受力大。要求平臺(tái)搭設(shè)一定穩(wěn)固,方能保證施工安全和工程質(zhì)量。

      5.2.3鉆機(jī)定位

      由于管棚鉆孔質(zhì)量要求高,施工中的各工序都非常關(guān)鍵。鉆孔設(shè)備也是其中一項(xiàng)。因此,開(kāi)鉆前,必須對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行校正,精確定位,然后固定在穩(wěn)定的平臺(tái)上。鉆進(jìn)期間,應(yīng)經(jīng)常檢查鉆機(jī)是否移動(dòng),若移動(dòng)必須及時(shí)糾正,否則會(huì)引起鉆孔偏斜。

      5.2.4開(kāi)孔

      如每段暗挖的開(kāi)口需先穿過(guò)鋼筋混凝土圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí),用金剛石鉆頭鉆孔破樁。為保證開(kāi)孔精度,要求巖芯管長(zhǎng)度大于2.5m,以保證有良好的導(dǎo)向性。

      5.2.5管棚鋼管加工

      鋼管采用管螺紋車(chē)床加工,長(zhǎng)度按設(shè)計(jì)要求切割或根據(jù)材料長(zhǎng)度情況而定,鋼管絲扣采用地質(zhì)通用的方絲,絲長(zhǎng)5~6cm,每根鋼管一頭加工為公絲,一頭加工為母絲,要求公母絲配合緊密?;ü芸准庸び勉@床或氧氣切割,采用梅花型布置,間距以30cm左右為好。

      5.2.6成孔及管棚跟進(jìn)施工

      管棚施工通過(guò)地層為砂質(zhì)粉土層,含水量大,施工難度大,加之管棚施工對(duì)鉆孔精度要求非常高,如何選擇鉆具、作業(yè)人員鉆孔技術(shù)的高低都是管棚施工的關(guān)鍵,對(duì)鉆孔質(zhì)量起決定性作用。另外,管棚施作前要在洞口實(shí)施降水,把洞口水位降止管棚位置以下,以避免水土自涌。

      ⑴鉆具的選擇

      由于地層為砂質(zhì)粉土層,自身承重能力差,易液化,沒(méi)有自穩(wěn)能力,無(wú)法成孔,不能采取傳統(tǒng)的先成孔后頂進(jìn)鋼管施工方法,應(yīng)采用扭矩較大、導(dǎo)向較好的鉆機(jī),配備跟管鉆具進(jìn)行跟管施作。

      跟管采用自行研制的鉆具,鉆桿與鋼管配合,使鋼管隨鉆桿一次安置,巖芯從鋼管內(nèi)排出。要求鋼管聯(lián)結(jié)緊密,必要時(shí)在絲扣加銷(xiāo)、加焊,以防鋼管扣滑絲。此外,相臨鋼管絲扣錯(cuò)開(kāi)至少1米。

      ⑵鉆進(jìn)參數(shù)

      施工中對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)的選擇非常關(guān)鍵,主要控制兩個(gè)方面:一是轉(zhuǎn)速宜為25~35rad/min左右,轉(zhuǎn)速過(guò)大易引起鉆具在孔內(nèi)擺動(dòng)幅度大,對(duì)地層的影響加大,加大偏斜量。二是鉆機(jī)的壓力控制應(yīng)根據(jù)鋼管頂進(jìn)情況隨時(shí)調(diào)整,以進(jìn)尺最快為宜,一般為1Mpa。

      ⑶參數(shù)配合

      鉆進(jìn)中對(duì)轉(zhuǎn)速及壓力的要求不是一成不變的,要視具體情況和地層特點(diǎn)合理選配,需要一支有經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)好的施工隊(duì)伍,需要熟練的技術(shù)工人來(lái)適時(shí)掌握,而不是單純的靠一臺(tái)好的設(shè)備來(lái)完成。

      ⑷管棚布設(shè)施工

      洞口兩側(cè)先開(kāi)槽,在槽中施做護(hù)拱(臨時(shí)襯砌支護(hù))、邊墻部位鋼拱架及混凝土。從兩端布打長(zhǎng)管棚,對(duì)接的搭接長(zhǎng)度不小于3-3.5m,每個(gè)斷面約布置38根管棚,每根長(zhǎng)度42米,鋼管直徑108mm,間距40cm,管棚中間設(shè)Φ42超前小導(dǎo)管,小導(dǎo)管長(zhǎng)3.5m,間距40cm。如圖2所示。

      5.2.7注漿

      管棚注漿是管棚施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,注漿效果的優(yōu)劣同樣影響著整個(gè)管棚的施工質(zhì)量,注漿漿液為1:1純水泥漿加20%的水玻璃(水玻璃濃度為35Be°)。

      ⑴管棚鋼管孔口安裝

      注漿前,為防止?jié){液從導(dǎo)向管和鋼管間的間隙內(nèi)外流,要把此間隙密封。

      為保證注漿效果,孔口宜設(shè)排氣孔。如果管棚下傾,在特制封頭上設(shè)一排氣孔加上排氣閥即可。如果管棚上仰,則需在鋼管內(nèi)設(shè)一根排氣管至孔底,其孔口裝置同前。注漿時(shí),把排氣閥打開(kāi)排氣,等漿液從排氣閥流出時(shí),再把排氣閥關(guān)掉。

      ⑵注漿順序

      采用鉆一注一的方法。

      ⑶管棚注漿

      注漿漿液必須攪拌均勻,經(jīng)濾網(wǎng)放入儲(chǔ)漿桶,再由注漿泵經(jīng)管路注入到鋼花管中。注漿時(shí),控制好注漿壓力和速度,在注漿泵及鋼管孔口處要設(shè)專(zhuān)人操作,認(rèn)真觀(guān)察壓力表和孔口有無(wú)異?,F(xiàn)象。每注完一桶,或注漿工作暫時(shí)間隙時(shí),要把孔口注漿閥關(guān)閉,以防注漿液倒流。

      按要求注完漿液后,管內(nèi)再注入砂漿進(jìn)行充填。對(duì)無(wú)孔實(shí)管只注砂漿進(jìn)行充填,要求充填要飽滿(mǎn)密實(shí)。

      ⑷注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

      鋼花管注漿一般按單孔注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)漿量作為注漿標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓不小于20分鐘,進(jìn)漿量仍達(dá)不到設(shè)計(jì)注漿量時(shí),也可結(jié)束注漿。另外,當(dāng)注漿壓力達(dá)到終壓的80﹪時(shí),出現(xiàn)較大的跑漿,經(jīng)間歇注漿后,也可結(jié)束注漿。

      ⑸注漿施工注意事項(xiàng)

      ①注漿前認(rèn)真檢修機(jī)具,對(duì)管路系統(tǒng)如混合器、接頭、閥門(mén)等,如有破損應(yīng)予更換。

      ②所有注漿材料應(yīng)無(wú)雜物,水泥應(yīng)無(wú)結(jié)塊。

      ③在注雙液漿時(shí),為防止管路堵塞,先開(kāi)水泥漿泵,后開(kāi)水玻璃泵。結(jié)束注漿時(shí),先關(guān)水玻璃泵,后關(guān)水泥漿泵。

      ④注漿作業(yè)要前后配合,統(tǒng)一指揮。否則,不能保證注漿計(jì)劃的實(shí)現(xiàn),不能達(dá)到預(yù)期的目的和效果。

      ⑤認(rèn)真作好注漿記錄,包括每孔注漿量、注漿壓力、有無(wú)跑漿、竄漿情況等都要及時(shí)填寫(xiě)清楚。

      5.2.8注漿效果檢測(cè)

      管棚注漿施工完畢后,為探明注漿加固效果,需采取一定的檢測(cè)手段對(duì)注漿結(jié)果加于評(píng)定,從中找出不足,加以改進(jìn),不斷提高注漿技術(shù)水平。

      ⑴鉆探取芯法

      從取出的巖芯可以直觀(guān)地觀(guān)察并判斷漿液擴(kuò)散半徑以及通過(guò)對(duì)巖芯做室內(nèi)三軸強(qiáng)度試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)等,準(zhǔn)確評(píng)價(jià)是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,從而判定注漿效果的好壞。

      ⑵根據(jù)開(kāi)挖后實(shí)際情況進(jìn)行判斷

      此方法為鉆探取芯法的補(bǔ)充,雖為推遲檢測(cè)法,不能及時(shí)對(duì)已施工完成的管棚所存在的缺陷加以補(bǔ)救,但可以此來(lái)進(jìn)行下一步調(diào)整完善下一循環(huán)的管棚施工,改進(jìn)注漿參數(shù)。

      6 機(jī)具設(shè)備

      6.1 長(zhǎng)大管棚作業(yè)主要機(jī)具設(shè)備(參見(jiàn)表1)

      6.2 主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)

      6.2.1 MK-5坑道鉆機(jī)的技術(shù)參數(shù)(參見(jiàn)表2)

      此鉆機(jī)廣泛應(yīng)用于坑道地質(zhì)勘探,錨固、旋噴注漿等工程施工作業(yè)。

      鉆機(jī)采用全液壓動(dòng)力頭結(jié)構(gòu),由主機(jī)、泵站、操作臺(tái)三部分組成。管棚施工時(shí),為減輕重量,泵站可放置地面上,搬遷升降方便。此鉆機(jī)穩(wěn)定性好,給進(jìn)壓力大,頂管或跟管方便。

      6.2.2 BW-150泥漿泵的技術(shù)參數(shù)(見(jiàn)表3)

      7 勞動(dòng)組織

      7.1 人員組織

      施工人員的組織參見(jiàn)表4,職能組織形式如圖3所示。

      7.2 施工管理

      施工管理是一個(gè)系統(tǒng)工程,對(duì)施工生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)、各個(gè)方面如人力、財(cái)、物等都要認(rèn)真做好施工組織,并保證得以有效的實(shí)施,實(shí)現(xiàn)以最少的消耗得到最大的經(jīng)濟(jì)效益,達(dá)到工期短、質(zhì)量好、成本低的目的。施工管理的內(nèi)容主要包括技術(shù)管理、質(zhì)量管理、設(shè)備管理和安全管理等。

      8 安全管理

      針對(duì)管棚施工特點(diǎn)建立安全責(zé)任制、安全檢查制和安全教育制度。做到安全責(zé)任到人,及時(shí)檢查,不留隱患,班前班后進(jìn)行安全教育,確保施工中人、機(jī)、物的安全。

      9 質(zhì)量要求

      9.1建立群眾性的質(zhì)量管理小組,組織全員性的質(zhì)量管理活動(dòng),開(kāi)展質(zhì)量管理全員教育等工作。

      9.2確定管棚施工質(zhì)量目標(biāo),制定質(zhì)量保證責(zé)任制。

      9.3建立質(zhì)量管理體系,并組織協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)。

      9.4利用科學(xué)方法,全面控制各種影響管棚質(zhì)量的因素(如圖4所示)。

      9.5建立嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)環(huán)節(jié),并對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行正確評(píng)定。

      9.6在工作中認(rèn)真貫徹落實(shí),使設(shè)備經(jīng)常處于良好的技術(shù)狀態(tài),能保證施工順利進(jìn)行,達(dá)到提高工效、保證工程質(zhì)量的目的。

      10 效益分析

      長(zhǎng)大管棚是用在軟弱或破碎地層,暗洞需超前支護(hù)加固保證開(kāi)挖安全情況下施作,主要是技術(shù)需要。采用特殊的施工工藝,快速優(yōu)質(zhì)地完成了注漿長(zhǎng)管棚施施工,安全有效地保證了隧道開(kāi)挖穩(wěn)定,為整個(gè)工程提供了工期、安全、質(zhì)量保證。在華東地區(qū)特殊地質(zhì)條件下開(kāi)創(chuàng)了注漿長(zhǎng)管棚施施工的先例,為今后類(lèi)似工程積累了經(jīng)驗(yàn)。

      11 應(yīng)用實(shí)例及結(jié)論

      廈漳公路(廈門(mén)段)東孚隧道為淺埋暗挖單洞隧道,為地面道路與地下隧道(雙線(xiàn))相結(jié)合的形式,全長(zhǎng)340m,單孔隧道凈尺寸19.34(寬)*6.24(高)m,位于上述地層中,本隧道需下穿既有廈深鐵路牽出線(xiàn)淺埋軟弱人工填筑層段(Q4dl+el)粉質(zhì)黏土,隧道頂厚度約為4~5米,下為厚1米左右的中粗砂層,再下為殘積粘土層,硬塑為主,土體自穩(wěn)性能差。隧道下穿地層主要為基巖裂隙水,地下水發(fā)育,對(duì)混凝土無(wú)侵蝕性。

      根據(jù)暗挖隧道超淺埋及對(duì)廈深鐵路既有線(xiàn)保護(hù)的需要,采用長(zhǎng)大管棚施工工法,每個(gè)斷面施工時(shí)間不到10天,管棚布設(shè)中非常順利,大大縮短了隧道開(kāi)挖循環(huán)時(shí)間。從隧道開(kāi)挖情況看,鋼管排列整齊,注漿效果良好,對(duì)地層和既有設(shè)施起到很好的保護(hù)作用,安全、順利地下穿了既有廈深鐵路牽出線(xiàn),有效防止了塌方、涌泥事故的發(fā)生,暗挖施工期間沒(méi)有對(duì)鐵路運(yùn)輸產(chǎn)生不良影響,保證了廈漳公路和廈深路正常交通,提高隧道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

      參考文獻(xiàn)

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