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        結合工程實例談地鐵區(qū)間下穿高速公路路基的沉降控制技術

        2020-04-07 02:44:06高建強孟鑫壘
        廣東土木與建筑 2020年3期
        關鍵詞:掌子面漿液區(qū)間

        高建強,孟鑫壘,謝 暉

        (1、廣東建科建設咨詢有限公司 廣州510500;2、中國中鐵四局集團有限公司 合肥230051)

        0 引言

        隨著我國地鐵建設規(guī)模的不斷加大,各大城市地鐵網(wǎng)不斷加密和向城市周邊延伸,地鐵區(qū)間下穿的環(huán)境也呈現(xiàn)多樣化的發(fā)展趨勢,如地鐵區(qū)間下穿重要建(構)筑物、高鐵、既有地鐵、鐵路或高速公路、河道等。地鐵區(qū)間在下穿不同環(huán)境時,關鍵控制的重點就是采取措施減弱對穿越地層的撓動影響,以及將地面的沉降量控制在一定范圍[1,2]。

        在地鐵區(qū)間下穿高速公路路基段時,首先需要考慮的是如何保證高速公路的正常通行不受影響,即把地面的沉降控制在合理范圍內。本文結合工程實例對地鐵區(qū)間下穿高速公路路基控制沉降的綜合技術進行研究及分析,再以工程施工實例進行效果驗證。

        1 工程實例

        廣州地鐵13 號線溫~東區(qū)間暗挖段,區(qū)間左右線長度約為970 m。隧道下穿高速公路,左線里程ZDK54+555~ZDK54+655,下穿長度100 m,右線里程YDK54+574~YDK54+664,下穿長度90 m,隧道開挖邊線距離高速公路0#臺樁中線為1.55 m。具體位置關系如圖1所示。

        圖1 樁基與隧道的位置關系Fig.1 Position Relationship between Pile Foundation and Tunnel (m)

        區(qū)間下穿高速段圍巖地質級別以Ⅳ~Ⅴ級為主,主要位于中風化混合花崗巖層中,個別拱頂部位于強風化層,最大拱頂部埋深達14.0 m。地下水類型以基巖裂隙水為主,地層分布較連續(xù),圍巖地質水質屬弱~中等透水性地層,且具有微承壓性。下穿段地下水埋深在1.80~5.80 m之間,常水位標高為3.8~9.7 m。地質縱斷面情況如圖2所示。

        圖2 地質縱斷面Fig.2 Geological Profile

        2 綜合技術措施

        工程項目區(qū)間下穿高速公路路基段(部分位于橋臺段)對地面沉降要求高,穿越地層為強~中風化花崗巖層且地下水較豐富,工程設計采用礦山法進行施工,為保證區(qū)間順利下穿通過,采用綜合技術措施如下:

        2.1 采用系統(tǒng)性的加固措施

        針對區(qū)間地質特點及地面沉降需求,研發(fā)出一套“預加固、強擴散、補周邊、再背后”的系統(tǒng)加固方案,對區(qū)間的掌子面及圍巖進行加固。該加固方案基于傳統(tǒng)的前進式注漿,通過對注漿參數(shù)進行合理優(yōu)化增加了其擴散性,以達到對區(qū)間周邊施工影響區(qū)范圍全方位的加固,在區(qū)間下穿范圍前后及橋臺部分等有條件的部位進行袖閥管預注漿,在區(qū)間掘進的同時利用洞內超前小導管和邊墻注漿錨管電動注漿,最后對初支進行及時的背后二次注漿[3-7]。

        2.1.1 地面預注漿加固

        隧道右線開挖邊線距離高速公路0#臺樁中線為1.55 m,為保證隧道下穿高速公路時橋臺的穩(wěn)定性,需要對橋臺處采用袖閥管預注漿加固,具體加固區(qū)域情況如圖3所示。

        圖3 高速路橋臺加固位置示意Fig.3 Schematic of Reinforcement Location of Expressway Sbutment

        袖閥管預注漿材料采用P.O42.5R普硅水泥(早強型),漿液灌注原則為先灌注低濃度漿液再灌注高濃度漿液,并隨灌注壓力及注漿量逐漸調整漿液的水灰比。開環(huán)注漿壓力控制在0.35 MPa 左右。正常注漿時,注漿壓力在0.4~0.8 MPa之間,最高不得超過1.0 MPa。

        注漿時,漿液通過對土層的滲透、襞裂作用,充填封閉土層中的裂隙、空洞,固結土層中水分,改善地下土層的性質,從而提高土層的承載力、防滲性能,增強土層的穩(wěn)定性,以達到加固的目的。

        2.1.2 洞內加強型前進式深孔注漿預加固

        在洞內進行預加固采用前進式深孔注漿工藝,對區(qū)間掌子面的上半部分進行加固,施工程序為:先在首次開挖的掌子面施做止?jié){墻,采用20 cm 厚的噴射混凝土作為止?jié){墻,待止?jié){墻混凝土達到強度后,在墻上鉆孔安裝直徑108 mm 的孔口管,以孔口管為導向分段進行鉆注漿孔及灌注漿液。為增加注漿效果,每次鉆注深度控制在1 m 左右,單孔循環(huán)進尺控制在6~8 m,并根據(jù)地質變化情況實時調整。鉆注孔在掌子面上按由外向內的順序進行施工,直到完成全部注漿加固作業(yè)[8]。

        前進式深孔注漿是由掌子面外側孔向內側孔循環(huán)反復跟進向前鉆進和注漿,從而保證了鉆進作業(yè)及注漿工作均在已加固的土體內進行(首次鉆注施工除外),有效保證了成孔的質量及施工安全,并且對控制開挖面的涌水起到堵斷作用,同時每一次注漿均對上一次的鉆孔注漿區(qū)域有復注和加強的作用,保證了注漿效果的良好。

        上臺階前進式注漿布孔32 個,具體布置如圖4 所示。施工前按照注漿先后順序對每個注漿孔進行編號管理,注漿原則是先外圈,再內圈,且做到跳孔施工。為保證注漿漿液能夠擴散到開挖輪廓線3.5 m 以外,施工中應嚴格控制注漿液的配合比,同時采用注漿壓力及注漿量雙控的形式進行加固質量控制。

        圖4 加強型前進式注漿布孔Fig.4 Hole Pattern of Reinforced Forward Grouting

        注漿漿液采用水泥漿單液漿與水泥漿-水玻璃雙液漿,單液漿采用水泥漿液配合比為1∶1,水泥漿-水玻璃雙液漿采用波美度為40 的水玻璃加水按1∶1 稀釋后使用,雙液漿配合比為水泥漿與水玻璃稀釋液1∶1,混合后的凝固時間設計為20 s 左右。注漿管直徑108 mm,間距按設計進行布置。當注漿量及注漿壓力達標時即可開始進行鉆注其他孔位。

        注漿結束后,對注漿效果進行檢測。采用取芯機對前方加固體進行取芯檢查,如果芯樣拌合有大量漿液,說明已達到加固效果。如果所取芯樣沒有漿液,則這個地方需要繼續(xù)注漿加固。

        單一循環(huán)的深孔注漿長度控制在6~8 m,現(xiàn)場每循環(huán)累計掘進長度5 m,保留1~3 m作止?jié){段。

        2.1.3 周邊孔注漿及二次注漿加固

        地面預加固完成后,區(qū)間圍巖為強風化混合花崗巖時采用環(huán)形臺階法形式進行區(qū)間開挖[9],上臺階每次進尺按0.6~0.8 m、下臺階按1.0 m 進行開挖,為保證開挖后掌子面的穩(wěn)定。邊墻及拱頂部分預埋φ32注漿錨管進行加固,錨管設計長度3.5 m,設計間距0.8 m×0.6 m,鉆孔深度及角度達到標準后,開始安裝錨管,并采用電動注漿機灌注水灰比為1∶1 的水泥漿液,施工注漿壓力應事先通過試驗確定,一般情況下按注漿量和注漿壓力進行雙控,當單管注漿量及注漿壓力達到設計要求時結束注漿。如果注漿壓力已達設計要求且不少于20 min,注漿量仍未達設計要求,也可以結束本次注漿,但要保證錨管孔漿液充填飽滿。

        每完成3 個循環(huán)尺(約25 m)的開挖,對區(qū)間隧道進行二次補注漿進行加固以保證后期沉降的穩(wěn)定。注漿材料采用水灰比為1∶1 的水泥漿液,注漿效果為采用雷達掃描無空洞。

        2.2 其他安全輔助措施

        2.2.1 超前地質預報

        現(xiàn)場采用地質雷達進行超前地質預報。地質雷達預報是采用無線電波來檢測探測介質分布,同時對不可見目標體及探測界面進行掃描,用以確定被檢測體的內部結構形態(tài)及檢測位置的電磁技術。地質雷達預報的工作原理是以高頻電磁波以寬頻帶脈沖形式通過發(fā)射天線發(fā)射,經(jīng)過目標體反射或透射,被接收天線所接收。

        每個掌子面每次可預測30 m范圍內的地質情況。

        2.2.2 超前地質鉆孔

        當開挖爆破和支護完成后,進行超前地質鉆探,通過對鉆孔的資料分析,充分掌握前方地質體的特點和地質信息參數(shù),通過相應的施工方法的調整,達到施工安全的目的。

        超前鉆探是比較成熟的技術,主要采用鑿巖機對未開挖巖體進行鉆探。通過鉆速、鉆進壓力、扭距等參數(shù)判斷前方巖體的特性,并且在孔口處可以進行有害氣體的監(jiān)測。

        超前探孔主要用于中期地質預報,主要用于超前5 m 的預報,超前探孔位置為拱頂及兩腰各1點共3個點,施工中鉆探孔眼的數(shù)量、位置根據(jù)其他預測方法的預測結果,視情況適當增減。

        2.2.3 地質素描

        地質素描是在隧道掘進時根據(jù)圍巖的節(jié)理產(chǎn)狀確定不穩(wěn)定塊體出露位置。常用的地質素描預測法有巖層巖性及層位預測法、條帶狀不良地質體影響隧道長度預測法以及不規(guī)則地質體影響隧道長度預測法3種。

        在礦山法施工中,由地質工程師在每次爆破后進行地質素描工作,工作內容為對開挖掌子面正面及側面的穩(wěn)定狀態(tài)、巖性風化程度、巖層產(chǎn)狀、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、施工噴射混凝土質量、掌子面的涌水情況、水質特征、隧道內的不良氣體濃度等。同時對地表的水文情況進行定期觀測、監(jiān)測并記錄,并與設計及地勘資料進行對比分析,最終形成掌子面的地質素描圖和隧道洞身地質展示圖[10,11]。

        對開挖面的涌水量進行測量,對其水質進行及時的分析和檢驗,把檢驗結果與地質水文資料進行對比和分析,對檢驗結果中出現(xiàn)影響隧道襯砌結構的不良水質情況提出處理措施或意見,形成書面報告,上報項目技術負責人,以及時采取有效的防護措施。

        2.2.4 監(jiān)控量測

        區(qū)間下穿高速公路部分沉降控制為重中之重,因此監(jiān)控量測工作尤為重要,監(jiān)測點主要為高速公路地表沉降點(布置于公路路肩及中間分隔帶上)、水位沉降監(jiān)測點、拱頂沉降點、洞內水平收斂位移點、周邊建筑物控制點、周邊建筑物傾斜觀測點,具體監(jiān)測頻率及控制值如表1所示。

        表1 監(jiān)控量測項目、頻率及控制值Tab.1 Monitoring Measurement Items,F(xiàn)requency and Control Value

        3 工程應用效果

        地鐵區(qū)間下穿高速公路路基的沉降控制技術成功應用于廣州地鐵13 號線溫~東區(qū)間礦山法段,通過對區(qū)間暗挖過高速公路建(構)筑物沉降監(jiān)測結果進行分析,沉降數(shù)據(jù)如圖5所示。

        由圖5數(shù)據(jù)可以看到,施工過程中拱頂沉降、收斂均遠小于設計及規(guī)范要求控制值。橋墩上的沉降點一直較小且較為穩(wěn)定,左線路面沉降點也一直較小且較為穩(wěn)定,右線在下穿期間沉降相對較大,最大處為A012 點,最大沉降值為-13.9 mm,小于限值-20 mm。加固處理取得了良好的效果。

        圖5 沉降控制點沉降情況Fig.5 Settlement Situation of Settlement Control Points

        4 結論

        暗挖區(qū)間下穿高速路路基段施工時,采用以“預加固、強擴散、補周邊、再背后”的系統(tǒng)加固措施,配合環(huán)形臺階法施工工法,能有效地控制地面沉降,結合洞內與地面監(jiān)測數(shù)據(jù)的及時反饋,能有效地保證地鐵礦山法區(qū)間隧道下穿高速公路路基段施工的安全性,避免地層擾動、地下水流失等因素對高速公路的不利影響,從而達到在不影響高速公路正常通車的情況下,安全按期并保證施工質量的完成下穿區(qū)間掘進的效果。

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