李淑海,張志勇,王中兵

(上海廣聯(lián)建設(shè)發(fā)展有限公司,上海 200438)

復(fù)雜環(huán)境中的地下暗埋箱涵拉頂式施工技術(shù)與應(yīng)用

李淑海,張志勇,王中兵

(上海廣聯(lián)建設(shè)發(fā)展有限公司,上海 200438)

結(jié)合上海軌道交通 2號(hào)線東延伸段工程張江高科站工程實(shí)例,詳細(xì)介紹了地下暗埋箱涵拉頂式施工新技術(shù),該技術(shù)具有可在工作面積狹小的環(huán)境條件下施工、施工對(duì)環(huán)境影響較小、導(dǎo)向精度高等優(yōu)點(diǎn),其工藝是現(xiàn)代頂管施工技術(shù)的一種創(chuàng)新和補(bǔ)充,是非開挖地下箱涵施工的一種新的技術(shù)手段,為復(fù)雜環(huán)境下的地下空間開發(fā)利用提出了新的解決方案。

矩形隧道;暗埋箱涵;頂拉法;導(dǎo)向鉆進(jìn);非開挖

1 工程概況

上海軌道交通 2號(hào)線東延伸段工程張江高科站位于浦東新區(qū)松濤路與科苑路之間祖沖之路下,為地下二層島式站臺(tái)車站,車站主體結(jié)構(gòu)位于祖沖之路南側(cè),共設(shè)有 5個(gè)出入口,其中一號(hào)出入口位于祖沖之路北側(cè),因此與車站主體連接需建造穿越祖沖之路的地下通道?？紤]到祖沖之路交通繁忙且地下管線眾多,不具備開挖施工的條件,結(jié)合環(huán)境及人流疏散的需要以及管線搬遷難度、工期、工作井尺寸等因素,地下通道采用 4.0 m×6.0 m矩形拉頂管技術(shù)施工。

一號(hào)出入口北側(cè)為中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所危險(xiǎn)品倉(cāng)庫(kù)及籃球場(chǎng),南側(cè)為已建成的新張江高科站主體結(jié)構(gòu),由北向南通道分別穿越 22萬(wàn) V電力管廊、18孔電信排管、“500 mm上水管、“300 mm煤氣管、“2400 mm雨水管等市政管線。

始發(fā)井位于一號(hào)出入口北側(cè),緊靠中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所危險(xiǎn)品倉(cāng)庫(kù)及籃球場(chǎng),受既有建筑物及 22萬(wàn)V電力管廊相關(guān)保護(hù)要求的限制,始發(fā)井沿地下過(guò)街通道軸線方向凈空尺寸僅 6.0 m,與軸線垂直方向凈空尺寸為 9.5 m。

接收井位于一號(hào)出入口南側(cè),其北側(cè)為 “2400 mm雨水管,南側(cè)緊貼已建成的新張江高科站主體結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻建造,地下連續(xù)墻厚度約 800 mm (內(nèi)襯墻厚度 400 mm),雨水管距離地下連續(xù)墻垂直距離約 5.6 m。在雨水管與地下連續(xù)墻之間,距地下連續(xù)墻約 3.0 m處有一排與地下連續(xù)墻平行的三軸攪拌樁(此攪拌樁為施工地下連續(xù)墻時(shí)保護(hù)雨水管而施工),樁長(zhǎng) 20 m,內(nèi)插 “48 mm(δ=3.5 mm)、長(zhǎng) 12 m的鋼管。受雨水管及既有建筑物平面位置影響,接收井沿地下過(guò)街通道軸線方向凈空尺寸僅2.0 m,與軸線垂直方向凈空尺寸為 7.4 m。

地下過(guò)街通道內(nèi)部?jī)艨粘叽?3.00 m(高)× 5100 m(寬),長(zhǎng)約 23.00 m,頂部覆土深度約 7.20 m。通道結(jié)構(gòu)采用預(yù)制矩形鋼筋混凝土管節(jié),管節(jié)混凝土強(qiáng)度為 C50,抗?jié)B等級(jí)為 S8,外形尺寸為 4.0 m×6.0 m,管壁厚為 0.5 m,單節(jié)長(zhǎng)度為 1.5 m,單節(jié)質(zhì)量約 35 t。

工程位置、周邊環(huán)境及管線圖如圖 1所示。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地基土的構(gòu)成與特征

圖1 張江高科站一號(hào)出入口平面位置、周邊環(huán)境及管線圖

擬建場(chǎng)地地勢(shì)平坦、地貌形態(tài)單一,屬濱海平原地貌類型。始發(fā)井、接收井施工深度范圍內(nèi)均為第四紀(jì)松散沉積物,主要由飽和粘性土、粉性土以及砂土組成,一般具有成層分布特點(diǎn)。

地下過(guò)街通道基本位于第③淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層的底部及④淤泥質(zhì)粘土層頂部;始發(fā)井、接收井基坑開挖底板深度位于第④淤泥質(zhì)粘土層頂部。擬建場(chǎng)區(qū)地層特性詳見表 1所示。

表1 地層特性表

2.2 水文地質(zhì)條件

2.2.1 地下水類型

本工程地下水類型主要可分為淺部潛水和深部承壓水。據(jù)區(qū)域水文資料,淺部地下水位屬潛水類型,淺部土層中的潛水位埋深一般為 0.3～1.5 m,年平均地下水位埋深 0.5～0.7 m;深部第一承壓含水層承壓水位分布于第⑦1層土中,其承壓水位埋深在 3～11 m之間。潛水位補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水及地表徑流,并受降雨、潮汛、地表水的影響而變化;其排泄方式以蒸發(fā)消耗為主。承壓水水位呈年周期性變化,根據(jù)水文地質(zhì)報(bào)告,本次詳勘階段測(cè)得張江高科路站第⑦1層承壓水位為 6.4 m。

2.2.2 地下水水質(zhì)

本擬建場(chǎng)地地下水和土對(duì)混凝土無(wú)腐蝕性;長(zhǎng)期浸水條件下,地下水和土對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋無(wú)腐蝕性,干濕交替情況下,地下水和土對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋有弱腐蝕性;地下水對(duì)鋼結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性。

3 工程特點(diǎn)與難點(diǎn)

(1)出入口靠近中科院上海藥物研究所一側(cè)能提供的場(chǎng)地不能滿足常規(guī)矩形頂管施工工作井的空間要求,靠近地鐵車站一側(cè)主體結(jié)構(gòu)已完成,亦不能提供常規(guī)矩形頂管施工的接收井。由于常規(guī)的矩形頂管技術(shù)機(jī)頭設(shè)有糾偏段,始發(fā)井、接收井長(zhǎng)度難以滿足機(jī)頭吊入吊出的要求,難以利用常規(guī)的矩形頂管技術(shù)施工水平通道。

(2)出洞區(qū)域附近有 22萬(wàn) V電力管廊,進(jìn)洞區(qū)域有 “2400 mm雨水管,而掘進(jìn)機(jī)頭出洞區(qū)加固僅有 2排,進(jìn)洞區(qū)加固僅有 1排,需采取措施控制電力排管與雨水管沉降量。

(3)水平通道箱涵頂面埋深約 7 m,高度 4 m,從本場(chǎng)地的地質(zhì)報(bào)告來(lái)看,箱涵上部處于③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土中,下部處于④層淤泥質(zhì)粘土中。施工中如何防止水平箱涵穿越土層時(shí)的“磕頭”現(xiàn)象是一個(gè)難題;施工面涉及③灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、④灰色淤泥質(zhì)粘土層,該 2層土具流變觸變性,擾動(dòng)后強(qiáng)度迅速降低,拉頂管施工時(shí),盡可能減少對(duì)土體的擾動(dòng),軟粘性土易粘著機(jī)頭,造成堵塞;同時(shí),應(yīng)預(yù)防工作面坍塌、流砂、涌水等不良現(xiàn)象,特別是頂管工作面上方的③T灰色粘質(zhì)粉土。

(4)原有 “850 mm三軸攪拌樁中的 “48 mm× 3.5 mm鋼管對(duì)于水平箱涵的施工是障礙物,如何將其清理保證地下通道順利施工是一個(gè)難題。

4 地下暗埋箱涵拉頂式施工新工藝

地下暗埋箱涵拉頂式施工新工藝是針對(duì)復(fù)雜環(huán)境下開發(fā)的一種新工藝方法。是近年來(lái)開發(fā)的一種新的施工技術(shù),具有可在工作面積狹小的環(huán)境條件下施工、施工對(duì)環(huán)境影響較小、導(dǎo)向精度高等優(yōu)點(diǎn),其工藝是現(xiàn)代頂管施工技術(shù)的一種創(chuàng)新和補(bǔ)充,是非開挖地下箱涵施工的一種新的技術(shù)手段。

4.1 工作原理

地下暗埋箱涵拉頂式施工技術(shù)所用的拉頂管裝置主要包括出發(fā)井、千斤頂組、刀頭土壓平衡拉頂管掘進(jìn)機(jī)、提供反力的錨固裝置、標(biāo)準(zhǔn)箱涵管節(jié)以及與千斤頂組相對(duì)應(yīng)的鋼棒組及鋼棒自鎖裝置等,其中鋼棒組貫通連接于錨固裝置與穿心千斤頂組之間,穿心千斤頂組連接在機(jī)頭上,機(jī)頭后連接標(biāo)準(zhǔn)箱涵管節(jié),鋼棒組中的每根鋼棒上有一端采用穿心千斤頂及所附帶鋼索自鎖裝置以提供動(dòng)力及限位。如圖2所示。

圖2 地下暗埋箱涵拉頂式施工技術(shù)示意圖

4.2 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

(1)工作井占地面積小,可根據(jù)場(chǎng)地情況靈活布置,工作井后靠加固少,可有效節(jié)約施工場(chǎng)地;

(2)采用土壓平衡拉頂管掘進(jìn)機(jī),可保持工作面土壓力平衡,可有效控制地面的隆起和下沉;

(3)通過(guò)穿心千斤頂組及附帶的鋼棒自鎖裝置的連續(xù)工作,使工作面始終保持土壓力平衡,且連續(xù)推進(jìn)只需克服較小的動(dòng)摩擦力;

(4)拉索的存在有利于直線導(dǎo)向,可有效消除水平箱涵的“磕頭”現(xiàn)象,有利于掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)控制;

(5)箱涵管節(jié)可采用鋼筋混凝土管節(jié)和鋼制管節(jié),適用范圍較廣。

5 地下暗埋箱涵拉頂式施工

5.1 始發(fā)井、接收井施工

始發(fā)井基坑采用型鋼水泥土攪拌墻作為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。型鋼水泥土攪拌墻采用 “850@600水泥土攪拌樁,樁長(zhǎng) 28 m,內(nèi)插 H型鋼(700×300×13× 24),型鋼為密插,長(zhǎng)度為 28 m。支撐采用 “609 mm鋼支撐?；颖Ｗo(hù)等級(jí)為一級(jí),基坑開挖尺寸為7140 m(軸線方向)×11.10 m,開挖深度約為 13.67 m,沿開挖深度方向設(shè) 4道鋼支撐。始發(fā)井凈尺寸為 6.0 m(軸線方向)×9.5 m。

為滿足機(jī)頭吊出的要求,接收井在通道軸向方向上凈空尺寸需達(dá)到 2.0 m,,接收井圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁。鉆孔灌注樁位于原有為保護(hù)雨水管而施工的三軸攪拌樁(為 “850 mm型)位置上。此種方法的好處一是有效地?cái)U(kuò)大了接收井的空間,利于施工;二是清除了箱涵前進(jìn)中的障礙。鉆孔灌注樁“900@1100,樁長(zhǎng) 25.8 m。為清除三軸隔離排樁及其內(nèi)插鋼管,采用鄭州勘察機(jī)械廠產(chǎn)QJ-250型鉆機(jī)施工鉆孔灌注樁。支撐采用雙拼 500×300型鋼支撐?；映叽?3.2 m×9.0 m,開挖深度為 12.65 m,沿開挖深度方向設(shè)置設(shè) 4道鋼支撐。接收井凈尺寸為 2.0 m(軸線方向)×7.4 m。

5.1.1 始發(fā)井出洞口土體加固

出洞口土體加固為緊靠基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一排“850@500水泥土攪拌樁,樁長(zhǎng) 19 m。施工過(guò)程中,為保證出洞加固的效果,將出洞口三軸攪拌樁改為“套打一孔”法施工。

5.1.2 接收井進(jìn)洞口土體加固

由于受 “2400 mm雨水管的影響,進(jìn)洞口僅能采用一排三軸攪拌樁進(jìn)行土體加固,進(jìn)洞口土體加固位于雨水管與接收井圍護(hù)鉆孔灌注樁之間,樁型為 “850@600三軸攪拌樁,采用“套打一孔”法施工,樁長(zhǎng)19 m。

5.1.3 工作井后靠加固

由于受規(guī)劃用地的影響,始發(fā)井后靠加固采用緊靠基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的 3排 “850@600水泥土攪拌樁,樁長(zhǎng)19 m。

5.2 地下暗埋箱涵頂拉施工

5.2.1 矩形拉頂掘進(jìn)機(jī)研制

因工作井空間較小,其沿通道軸線最大有效尺寸為 6.0 m。要在如此狹小的空間中,布置掘進(jìn)機(jī)、后靠、千斤頂組、頂鐵,在原有矩形頂管掘進(jìn)機(jī)的情況下,難度相當(dāng)大。為此,根據(jù)我們研發(fā)的專利技術(shù),則能夠有效地縮短掘進(jìn)機(jī)的長(zhǎng)度,使之在狹小空間中進(jìn)行安裝。新研制的矩形頂拉掘進(jìn)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 JS4060型矩形頂拉掘進(jìn)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表

掘進(jìn)機(jī)頭前端設(shè)置 8個(gè)拉點(diǎn),與接收井中的拉進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)相連接?？赏ㄟ^(guò)拉進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)提供動(dòng)力使掘進(jìn)機(jī)切入土體實(shí)現(xiàn)掘進(jìn),同時(shí)可通過(guò)不同拉點(diǎn)位置的組合實(shí)現(xiàn)方向調(diào)節(jié),控制掘進(jìn)機(jī)前進(jìn)姿態(tài)。

為有效減小前段殼體的長(zhǎng)度,控制掘進(jìn)機(jī)頭掘進(jìn)過(guò)程中的偏轉(zhuǎn),刀盤系統(tǒng)采用 6個(gè)刀盤布置在同一平面上。刀盤組合進(jìn)行正反轉(zhuǎn),可有效控制掘進(jìn)機(jī)頭的側(cè)轉(zhuǎn),保證頂拉進(jìn)姿態(tài)。為進(jìn)洞時(shí)保證“2400 mm雨水管的安全,減小刀盤切削時(shí)對(duì)土體的擾動(dòng)和保證迎土面土體穩(wěn)定,在掘進(jìn)機(jī)前端設(shè)置長(zhǎng)度 500 mm的“帽檐”。

5.2.2 鋼索鋪設(shè)技術(shù)措施

5.2.2.1 鋼索設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)本工程的箱涵截面形狀與施工時(shí)箱涵的受力狀態(tài),鋼拉索總設(shè)計(jì)數(shù)量為 8根 “40 mm的高強(qiáng)度螺紋鋼棒,主要分布在箱涵的頂部與底部,單根鋼棒的允許施工拉力值限定為 1000 kN。

5.2.2.2 鋼索施工要求

根據(jù)工程施工工藝要求,拉索在施工過(guò)程中還應(yīng)起到控制掘進(jìn)機(jī)頭方向的作用,故在施工過(guò)程中對(duì)拉索的定位要求相對(duì)較高,具體要求如下。

(1)在前期 S MW工法樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中,必須按拉索孔定位要求錯(cuò)開型鋼的插入位置與控制型鋼插入時(shí)的垂直度。以利于定向鉆穿越時(shí)有足夠空間進(jìn)行鉆孔與定位。型鋼插入時(shí)垂直度須控制在5‰以內(nèi)。

(2)拉索在非開挖鋪設(shè)時(shí)精度控制,導(dǎo)向孔水平與垂直偏差必須控制在 5 cm以內(nèi)。

5.2.2.3 施工設(shè)備的配備

目前,水平定向鉆進(jìn)技術(shù)中鋪設(shè)精度的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)有線或無(wú)線電磁技術(shù)進(jìn)行控制,已無(wú)法達(dá)到本工程中鋼索鋪設(shè)的精度要求。為此,重新開發(fā)研制了 HD200TL型高精度導(dǎo)向鉆機(jī),保證了拉索鋪設(shè)精度在 4 cm以內(nèi),為后續(xù)對(duì)矩形掘進(jìn)機(jī)的方向精確控制奠定了基礎(chǔ)。HD200TL型高精度導(dǎo)向鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 HD200TL型高精度導(dǎo)向鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

5.2.3 地表沉降控制技術(shù)措施

掘進(jìn)機(jī)在前進(jìn)時(shí),要克服摩阻力與迎面土壓力。迎面土壓力大小與覆土深度及土層性狀相關(guān)。在加接管節(jié)與頂鐵時(shí)后頂油缸要收回,此時(shí)需通過(guò)止退裝置防止管節(jié)后退。一般的作法是在前端基座管節(jié)兩側(cè)安裝一套止退裝置,將銷子插入管節(jié)的吊裝孔,再放進(jìn)鋼墊塊和鋼扳在銷座和基座的后支柱間;管節(jié)的后退力通過(guò)銷子、銷座、墊塊傳到止退裝置的后支柱上;止退裝置和基座焊接在一起,把管節(jié)穩(wěn)住。

在運(yùn)用拉頂式施工技術(shù)時(shí),止退措施則更可靠、更簡(jiǎn)便。在需要加裝管節(jié)和頂鐵時(shí),只需保持前進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)處于負(fù)載狀態(tài)即可?？梢愿鶕?jù)止退力的大小進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié),從而避免了由于后退力過(guò)大使管節(jié)銷孔造成損壞,對(duì)管節(jié)造成破壞,失去止退作用。

在掘進(jìn)機(jī)前進(jìn)過(guò)程中,對(duì)形成的建筑空隙采用注減摩漿進(jìn)行填充,施工結(jié)束后對(duì)減摩漿液進(jìn)行置換,控制地面沉降。

通過(guò)上述技術(shù)措施的保證,箱涵拉頂進(jìn)施工完成后,管線最大沉降為5 mm。

6 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用地下暗埋箱涵拉頂式施工技術(shù),有效地解決了在復(fù)雜施工環(huán)境下箱涵暗挖施工,對(duì)周邊施工環(huán)境影響小;采用土壓平衡掘進(jìn)原理,有效地控制了地表的沉降與變形;鋼拉索的直線導(dǎo)向作用下,掘進(jìn)機(jī)導(dǎo)向精度高?？梢韵嘈?隨著其工藝細(xì)節(jié)的不斷改進(jìn)和完善,以及地下空間開發(fā)利用的推進(jìn),其將在地下空間開發(fā)利用中發(fā)揮更大的作用。

[1] 葛金科,沈水龍,許燁霜.現(xiàn)代頂管施工技術(shù)及工程實(shí)例[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2009.

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[3] 孫鈞,虞興富,孫昊,等.超大型“管幕—箱涵”頂進(jìn)施工變形的分析與預(yù)測(cè)[J].上海非開挖技術(shù),2006,(3).

[4] 周海松,李淑海.非開挖技術(shù)在昆明呈貢昆洛路綜合管溝施工中的應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2006,33(10).

[5] 張志勇,李淑海.城市矩形隧道的應(yīng)用與施工工藝的發(fā)展[J].施工技術(shù),2009,38(S1).

Jacking2pulling Construction Technology for Underground Box Culvert in Complex Environment and the Applica2 tion

L I Shu2hai,ZHANG Zhi2yong,WANG Zhong2bing(Shanghai Guanglian Construction Development Co.,Ltd., Shanghai 200438,China)

Combined with an engineering example of Shanghai rail transit line 2,the paper introduces a new jacking2pulling technology for underground box culvert,which has advantages of convenientworking in narrow area and light environmental impactwith high guiding accuracy.This technology is an innovation and supplement to modern pipe jacking construction and a new technicalmeans to underground box culvert construction by trenchless technology and provides solution to devel2 opment and utilization of underground space in complex environment.

rectangular tunnel;concealed box culvert;jacking2pulling construction;pilot drilling;trenchless technology

TU94

A

1672-7428(2010)07-0066-04

2010-03-03

李淑海(1972-),男(漢族),吉林長(zhǎng)春人,上海廣聯(lián)建設(shè)發(fā)展有限公司副總經(jīng)理、高級(jí)工程師、一級(jí)注冊(cè)建造師,探礦工程專業(yè),碩士,從事大截面矩形頂管施工技術(shù)、大直徑工程井施工技術(shù)研究及相關(guān)技術(shù)管理工作,上海市中原路 60弄 4號(hào),shuhaili@139.com。