混合地层条件下地铁修建关键技术与应用.pdf
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1、复杂环境混合地层条件下地铁修建关键技术与应用依托工程概况主要技术成果三一汇 报 内 容主要创新技术二应用推广和经济社会效益四一、依托工程概况一、依托工程概况深圳地铁7号线是深圳市重大项目和轨道交通主干线,线路全长30.2公里,全部地下敷设,设车站28座,车辆段、停车场各1座,同步建设全市轨道交通网络运营控制中心(NOCC),总投资312亿元,10.3亿元/公里,创国内正线公里投资之最。一、依托工程概况地下水位0.51.21米,不良地质易引起突泥、突水、塌方,甚至造成地面塌陷危及建(构)筑物、车辆、行人安全等恶劣后果,给施工带来极大的挑战,工程风险极高。地面7号线围绕城市核心区空间布局,地面环境
2、和地质条件恶劣程度世界罕见,复杂环境和混合地层相互交织叠加,对工程的有序建设构成了巨大的挑战。一、依托工程概况二、主要创新技术(1)华强北概况与深圳地铁7号线同步实施华强北地下空间。华强北中国电子市场第一街,国内IT产业的晴雨表和风向标,商家总数达1444家,经营面积206.4万平方米,节假日人流量达70万人次,平时日均客流量50万人次以上,从业人员近20万,华强北年销售额达360亿元。通讯管线(移动、联通、电信、军用、CATV光缆)等达16万之多束,电力管线累计长约20公里。华强北周边建筑物距7号线距离7m20m不等,主要为上世纪80年代修建的独立浅基础厂房,建筑物陈旧,基础条件差。华强北在
3、中国电子第一街华强北与地铁同步实施超大地下空间(855mX28mX28m)开发,面临着建设环境复杂,立体交叉,场地狭小,施工相互影响等难题。855m28m1)复杂地层和环境条件下地下连续墙施工困难u地下连续墙入岩深,入微风化岩最深17.5m,强度最高达132MPa,成槽困难,易引起上覆软弱地层塌孔,成槽速度慢、振动大、对周边环境影响大;u大倾角陡坡硬岩(45),导致冲击钻头滑移和卡钻等;u车站施工范围内地下管线复杂,包括通信、电力、燃气、供水、污水、雨水等,仅华强北片区通信管线多达16万束,各种管线的改移、悬吊保护严重影响地下连续墙施工进度;u周边部分高层建筑原围护结构的锚杆、锚索侵入地连墙,
4、泥浆下锚杆、锚索的切除,风险高、技术难度大。2)钻孔桩内水下大型格构柱精确定位精度要求高、难度大采用双拼HP428mm*407mm型钢格构柱,其中700*1500外包混凝土永久立柱289根,垂直度要求控制在1以内。3)超近距离“下穿上跨”既有地铁运营线变形控制要求高矩形顶管上跨既有2号线区间最小距离0.65m,7号线盾构下穿既有2号线区间最小距离4.3m4)繁华商业区基坑开挖深厚高强度硬岩(14m,121MPa)处理难。5)为保持繁华商业区商业氛围,减少对商业环境的影响,安全文明施工标准高。1)研制了减振聚能切缝药包超近距爆破施工减振方法,实现了基坑、隧道工程超近距爆破振速小于0.5cm/s的
5、效果。减振聚能切缝药包聚能减震爆破设计爆破震速曲线2)构建了超近距“下穿上跨”运营地铁隧道施工方法,提出了“先中后边、低速小推力、动态配重、自动监测”的大型顶管群施工成套技术,解决了“立体交叉”多次扰动变形控制难题。创造了超近距(59cm)大断面矩形顶管群上跨既有线变形控制在2mm内的新纪录。顶管上跨盾构下穿0.59m2.9m低速小推力自动监测先中后边动态配重3)研发了特殊条件下围护结构施工成套技术,解决了2.4米宽管线下地连墙成槽、大于45倾角硬岩处理、水下锚索自动定位切割、高效环保絮凝剂泥浆处理、盖挖逆作水下大型格构柱1倾斜度精确定位难题。其中,硬岩处理工效提高2.2倍。超宽管线下成槽施工
6、技术u研究采用了管线下非平衡钻凿、钢筋笼平移组装和混凝土浇筑等施工工艺,形成“一槽三笼”施工工法。成功解决了宽度超过1.2m以上管线下的地连墙施工技术难题。特殊条件下围护结构施工成套技术一槽三笼钢筋笼示意图大倾角硬岩处理施工技术预制钢套筒导向嵌岩系统u针对大倾角陡坡岩成孔难题,研发相应辅助机具,有效解决了坚硬斜向岩面钻孔施工桩尖滑移和成孔困难的技术难题,提高了施工功效。u地连墙钻孔研究采用上部覆盖层抓斗抓取、基岩上部钢丝绳抓斗与冲击钻配合“二钻一抓法”施工、下部坚硬基岩冲击钻钻进的成槽工艺,改进了专用钻头,辅以槽内爆破技术,有效控制了造孔卡钻,显著提高了钻孔工效,形成了一套深厚坚硬岩快速成槽工
7、艺。特殊条件下围护结构施工成套技术改良后摩擦面式钻头水下锚索切割施工技术u自主研发了专业机具,通过槽内导向、夹具定位、地面控制绳锯机等切割工艺,成功解决了泥浆下深部穿越墙体内的锚索锚杆切割难题。特殊条件下围护结构施工成套技术地面驱动系统组装锚索切割过程高效环保絮凝剂泥浆处理技术u研制了由无机组份和有机组份共同复配而成的泥浆“絮凝剂”,并建立了基于该絮凝剂+机械脱水的围护结构施工中废弃泥浆高效环保处理技术。特殊条件下围护结构施工成套技术大型格构柱精确定位施工技术(1)研发了双拼型工字钢钢格构柱的定位调垂装置及其定位调垂方法,通过该新型定位调垂装置对格构柱进行定位调垂,定位精度高,垂直度控制好。(
8、2)减少了格构柱漏出地面的长度,从而减少了钢材的用量,避免了钢材的浪费,节约环保;实现了双拼型工字钢格构柱定位、调垂,且能够保证工程施工质量和施工进度正常进行,成功解决了盖挖逆做车站格构柱定位难题。(3)经双拼型工字钢刚构筑定位器进行定位的格构柱,其倾斜度小于1/1000。双拼型工字钢格构柱的定位调垂装置获评国家实用新型专利,双拼型工字钢格构柱的定位调垂装置及其定位调垂方法获评国家发明专利。双拼工字钢大型格构柱精确定位施工技术1)通过构建地铁绿色施工定量评价的能值足迹模型,建立能值足迹模型,对华强北片区“四节一环保”效果进行定量分析,指导地铁绿色施工。2)以争创国家AAA级安全文明标准化工地为
9、目标,进行目标管理;通过构建华强北地铁生态绿色施工定量评价指标体系和层次分析评价模型,对地铁绿色施工的主要因素进行控制。3)最终创建了国家AAA级安全文明标准化工地,保持了华强北商圈施工前的繁荣状态。国家AAA级安全文明标准化工地地铁施工与商业圈和谐共存石厦站换乘节点位于既有运营车站(3号线石厦站)负二层底板下方,长40m,宽20.5m,深9.8m,该部位有两幅连续墙围护结构未封闭,围护结构内外存在渗流通道零距离下穿既有运营车站施工风险极高。既有运营车站下方换乘节点平面、剖面图(2)换乘节点施工前后既有支撑体系竖向抗压与抗浮力学体系多次转换,开挖阶段既有支撑体系承载能力不足。地连墙缺口先施作的
10、8根立柱桩在开挖阶段承压强度不足变形监测控制指标一览表1)换乘节点位于既有运营车站负二层以下,节点空间围护地连墙未封闭,换乘节点开挖后周边土层失水沉降过大,影响既有地铁线路运营安全。2)既有运营车站竖向支撑系统在换乘节点空间开挖后的新工况下承压能力不足,换乘节点开挖影响既有车站及邻近区间隧道结构安全。3)换乘节点空间开挖后周边土体变形,造成上方运营车站及区间隧道沉降超限,影响运营安全。运营地铁车站下增层拓建技术在国内外尚无先例,面临着运营车站结构失稳的风险。地连墙缺失地连墙缺失地连墙缺失已施做8根抗拔桩和立柱未开挖区域未施做叠合侧墙未施做叠合侧墙未施做底板、底纵梁增层拓建节点平面图增层拓建节点
11、剖面图2)采用竖井侧向定点围护结构注浆加固,车站结构托换,逆作缺失地下连续墙,导洞群土石方对称分层开挖、叠合墙施作、自动化监测技术,建立了地下运营车站“竖向增层”拓建成套技术体系,运营车站最大沉降控制在3.6mm。托换结构实施多导洞分层开挖1)探明了运营车站竖向增层拓建施工桩基受力多次转换的变化规律。桩柱受力转换规律抗拉抗压抗拉平衡对称开挖竖井侧向封堵开挖前开挖过程中顶板封顶后超前支护托换体系建立u在节点西侧基坑外施做竖井,在竖井内对节点南侧未施做逆做墙外侧土体袖阀管注浆加固止水。u加固长度范围为隧道两侧3m,加固长度12米,宽度为节点地下墙外4.5m,加固高度为12.4m,由既有车站中板至节
12、点底板下3m。u注浆孔梅花形布布置,孔距40-50cm、排距0.4-0.5m;浆液配合比(重量比)超细水泥:水=1:1,注浆压力0.50.8Mpa。u区间隧道上、下方紧邻3排同时对称注浆,确保区间隧道不偏位。u邻近隧道3排注浆固结后进行其余孔位注浆,且同时注浆不多于2孔。运营隧道下方土体注浆施作止水帷幕换乘节点平面图u换乘节点围护结构缺口封堵,避免了节点土体开挖过程中出现失水沉降,确保地铁线路运营安全。实施效果竖井注浆断面图u开挖位于换乘节点上部两侧紧贴地连墙位置的角洞,尺寸宽高=4m2.5m,并在角洞内续接既有车站下方的叠合墙体,叠合墙与地连墙用胡子筋锚固紧密。u角洞内施作300mm3500
13、4500mm钢管混凝土结构斜撑,对既有车站底板进行加固。u根据监测情况,在角洞内插打注浆管,适时对既有车站底板进行注浆加固。既有运营车站结构竖向受力分散传递u既有车站结构竖向荷载部分分散传递至两侧围护结构地下连续墙。实施效果u换乘节点下部原结构支承桩位置开挖导洞,在导洞两侧端头施工4根1.6m人工挖孔桩。u在导洞内注浆加固底板下方土体,然后施作换乘节点底纵梁及部分底板,底纵梁与既有车站原8根立柱植筋连接,新施工4根1.6m人工挖孔桩为底纵梁提供承托条件。u在人工挖孔桩上方施工立柱支承既有车站负二层底板。既有运营车站结构竖向受力分散传递u结构竖向荷载分散传递至新施工的底纵梁及部分底板、人工挖孔桩
14、,实现“地基土+立柱桩+地连墙”三者共同承担结构竖向荷载,确保既有车站结构安全。实施效果u左右线施工危险段DK4+190DK4+215里程范围内每5m布置一个监测断面,共布置6个;在施工危险段两端各延伸50m并按10m布置一个监测断面,共布置10个监测断面。共布置监测断面32个。u 单线隧道内每个监测断面布置4个监测点,分别是道床1个,侧壁2个,拱顶1个;车站内每个监测断面布置4个监测点,分别是左右线道床各1个,左右线侧壁各1个,左右线共布置监测点96个。运营线路自动化监测换乘节点施工监测点布置示意图u监测结果如下:既有运营地铁道床最大累计竖向位移值为5.6mm、差异沉降3.5mm/10m,满
15、足地铁运营单位提出竖向变形不超过10mm的标准,既有车站和盾构隧道的变形均在安全可控范围内。实施效果叠线区间隧道示意图 7号线有六座区间为上下重叠小间距隧道,分别为车公庙上沙、华新黄木岗、黄木岗八卦岭、红岭北笋岗、笋岗洪湖、洪湖田贝区间,最小净距为2.0m,最长504m,总长约1.2km。叠线区间隧道示意图下线上线2 m笋洪区间叠线盾构隧道长距离下穿广深高铁26条股道,下穿段长度约120m。120m 小净距重叠盾构隧道同步下穿高铁轨道群需解决高铁高速运行条件下路基沉降控制难题,国内外无成功范例可借鉴。1)长距离(504m)叠线盾构区间隧道施工,上下隧道最小净距2.0m,需解决上下隧道相互影响的
16、问题;2)叠线盾构隧道长距离下穿广深高铁26条股道,沉降控制要求高(10mm),需要解决高铁线路沉降控制的问题,确保高铁运营安全;每天共计有217对列车通过(高速列车96对,直通车13对,长途旅客列车108对),沉降控制要求高,3)叠线盾构区间隧道先下后上准同步施工技术难度大,需要突破。1)发明了重叠盾构隧道自行移动可穿行式支撑台车系统,首次实现了重叠盾构隧道上下同步施工技术,工效提高2倍。u研发了重叠盾构隧道施工的支撑台车及支撑台车系统,突破了技术壁垒,实现了上下小净距重叠盾构隧道准同步施工,确保了下线盾构成型隧道的结构安全。通过研究分析,建立了“先下后上准同步施工”的施工方法,有效指导了工
17、程施工(1)研发了重叠盾构隧道施工的支撑台车及支撑台车系统(2)确定了小净距夹层土注浆参数、范围及要求,下线支撑台车工作参数要求建立了“先下后上准同步施工”的施工方法,研发了重叠盾构隧道施工的支撑台车及支撑台车系统实施效果2)构建了重叠盾构隧道路基与轨道加固、夹层土改良、台车支撑移动系统等成套技术体系。沉降控制在5.9mm内,解决了高铁高速运行状态下,小净距重叠盾构隧道下穿高铁轨道群的施工难题。u有效控制了广深铁路站场(含道岔)的路基沉降(最大沉降轨道4mm、地表5.9mm,小于10mm允许值),确保了盾构施工与铁路运营安全。通过理论分析、模拟计算,研究了叠线盾构隧道下穿轨道群沉降机理,提出了
18、“路基加固+线路加固+电气化设施加固+洞内叠线夹层土加固+下线隧道台车支撑加固”的成套加固技术体系,解决了轨道、路基沉降控制问题(1)解决了上线隧道施工对下线成型盾构隧道结构安全影响问题(2)解决了上线隧道建成后运营期沉降控制问题叠线盾构隧道下穿铁路轨道群加固技术研究实施效果3)改造了适应于复杂多变地层条件下重叠盾构隧道下穿高铁的盾构设备,有效控制了喷涌,创造了复杂混合地层盾构掘进660m的最高月记录。刀盘耐磨性提高15%刀具更换频率减少20%刀具寿命延长20%掘进速度提高15%挡泥板重型滚刀双闸门螺旋机大跨段渡线隧道下穿边防高敏感建筑物及河流,需要研究新型工法解决工程建设难题。为保证洞通的工
19、期要求,整个区间工程采用先盾构、后扩挖的方式进行施工。为满足出洞要求,扩挖段冻结加固分为两个冻结工期,一期为盾构出洞冻结加固,二期为扩挖段冻结加固。施工采用工作井内水平冻结(局部采用垂直局部冻结对冻土进行加强)加固,盾构出洞后进行扩挖的方式进行施工。扩挖采用人工风镐开挖扩挖段隧道内冻土,随挖随支初衬型钢支撑,初衬施工完成后一次性浇筑二衬混凝土。首创了大断面变截面隧道水平双圆筒冻结法盾构先导洞后扩挖技术。首创了大断面变截面隧道水平双圆筒冻结法盾构先导洞后扩挖技术。1)传统的铺轨技术精度低,平整度差,运营舒适度差,随着时代的发展,乘客对舒适度要求越来越高,高精度的铺轨技术(CPIII)需要突破;2
20、)地铁7号线下穿城市繁华区,站间距短,最小约400m,总共28座车站,需要频繁变跨完成铺轨作业。3)传统铺轨机采取主要部件解体重新组装变跨,在盾构区间内吊装空间狭小、且必须要求铺轨机整机脱离轨面悬空后才能变跨,变跨速度慢、每次变跨需要2448小时,快速变跨技术需要突破;4)传统的整体道床,工序多,养护时间长,预制轨道板的技术需要突破。5)7号线地处繁华、闹市区,学校、医院、居民集中区,道床减震降噪技术需要突破。为提高轨道平顺性和铺轨工效,亟需对现有铺轨设备及工艺进行改造升级。u针对轨道铺设工艺及设备进行革新,研制发明了快速变跨铺轨机、公铁两用焊轨机、铺轨新型砼搅拌车、轨底坡测控工具及平差调整轨
21、道控制基标点新方法,形成了城市地铁快速铺轨成套技术,实现了铺轨机2小时变跨,铺轨速度提高1倍。u中线位置:2mmu支撑点处承轨面高程 1mmu与两端凸形挡台间隙之差5mm预制板式道床精调曲线地段精调1)在地铁施工中引入高铁无砟轨道板施工技术;2)基于高铁CPIII测量技术建立了预制板式道床施工精调技术;3)轨道板进行横向移动,调整轨道板的方向;4)固定轨道板并进行复测,满足精度要求;5)采用该技术有效的保证轨道板精度,减少轨道采用扣件进行调整的工作量;地铁预制板式道床施工精调技术实施效果主机位移结构改进技术铺轨机俯视图主机位移结构改进技术铺轨机断面图u解决了铺轨机单箱梁上横梁跨度尺寸存在的局限
22、性问题,实现免拆解上横梁整机跨度调整,减少拼装式铺轨机调整跨度时的安全隐患,节约调整时间,降低工人的劳动强度。1)创建了铺轨机主机位移结构改进技术,采用伸插式原理和动力驱动导套沿导柱滑动带动支腿伸张收缩技术。低位顶升快速横移变跨铺轨机实施效果驱动机构主动轮组 2)创建了铺轨机走行梁结构驱动机构内藏技术,采用改变驱动机构动力传递方式,经过两次转向将铺轨机的动力传递机构设置在走行梁体内部。低位顶升快速横移变跨铺轨机从动轮组 u 掘进了铺轨机动力传动机构外露作业需在狭小的隧道空间里设置防护罩占用铺轨机走行梁作业的施工空间问题,且避免了机动力传动机构外露容易碰撞损坏和受污损的问题。实施效果变跨铺轨机断
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- 混合 地层 条件下 地铁 修建 关键技术 应用
