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        盾構(gòu)小半徑割線始發(fā)控制技術(shù)研究

        2021-04-09 02:24:58王江華
        鐵道建筑技術(shù) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:施工

        王江華

        (中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司 北京 101300)

        1 引言

        在我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天,城市人口數(shù)量持續(xù)增加,隨之而來的交通嚴(yán)重?fù)矶卢F(xiàn)象在大部分城市亦是屢見不鮮?,F(xiàn)階段國家大力發(fā)展城市軌道交通建設(shè),來逐步緩解城市擁堵現(xiàn)象,由此可見,修建地鐵對改善城市交通環(huán)境起到不可忽視的作用,也是我國城市發(fā)展的必經(jīng)之路[1-2]。陳湘生院士也曾提出“建地鐵就是建城市”的發(fā)展理念[3]。然而地鐵多修建在市區(qū)中心,施工區(qū)域周邊的建構(gòu)筑物和管線錯綜復(fù)雜,場地施工條件不能滿足常規(guī)方案要求的例子不勝枚舉。本文以南昌市軌道交通3號線高新停車場出入場線區(qū)間為工程背景,結(jié)合國內(nèi)外關(guān)于盾構(gòu)隧道施工始發(fā)技術(shù)研究成果及應(yīng)用情況[4-12],設(shè)計了盾構(gòu)機(jī)割線始發(fā)的施工技術(shù),并對相關(guān)的施工工序及控制要點進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

        2 工程概況及地質(zhì)

        2.1 工程概況

        南昌市軌道交通3號線高新停車場出入場線盾構(gòu)區(qū)間從梁萬站東端始發(fā),沿火炬大街東西方向敷設(shè),后轉(zhuǎn)入高新五路,沿高新五路南北向敷設(shè)至高新停車場盾構(gòu)井。左線區(qū)間隧道長1 068.393 m,右線區(qū)間隧道長1 084.907 m,設(shè)計線路平面圖顯示最小曲線半徑R270 m,而后緊接R350 m反向曲線,區(qū)間線間距8.7~13.62 m。區(qū)間采用“Ⅴ”字型坡設(shè)計,最大縱坡為9.87‰,隧道上方的覆土厚度平均為5.4~9.85 m,地下水埋深為9.0 m,地下水與贛江水力聯(lián)系較密切,地下水量較豐富。

        2.2 工程地質(zhì)

        高新停車場出入場線盾構(gòu)區(qū)間隧道范圍內(nèi)地質(zhì)勘察報告顯示主要地層有:①1雜填土、③1粉質(zhì)黏土、③2細(xì)砂、③4粗砂(粗砂層為利用孔資料揭露)、③5礫砂、③6圓礫、③1泥質(zhì)粉砂巖,高新停車場出入場線盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)分布比例如圖1所示。

        圖1 高新停車場出入場線盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)分布比例圖

        2.3 周邊建構(gòu)筑物及地下管線

        高新停車場出入場線區(qū)間始發(fā)井周邊建構(gòu)筑物和地下管線眾多,其中盾構(gòu)掘進(jìn)過程中需要下穿建筑物主要有3L醫(yī)用制品有限公司聯(lián)合廠房(4層)、江西華星醫(yī)學(xué)檢驗中心(7層)、江西銀新實業(yè)有限公司(3層),建筑物均為擴(kuò)大獨立基礎(chǔ),基礎(chǔ)埋深為地表下2.0~4.1 m不等。江西華星醫(yī)學(xué)檢驗中心和江西銀新實業(yè)有限公司地下室與隧道凈距僅2.8 m。出入場線區(qū)間上穿京東大道站至梁萬站左線已完盾構(gòu)隧道,隧道外邊線間距僅為3.14 m;區(qū)間下穿既有涵洞,隧道頂部距涵洞底部間距僅4 m,下穿φ1 800 mm雨污水合流箱涵等市政管線,施工過程中風(fēng)險較大。

        3 技術(shù)控制

        3.1 割線始發(fā)設(shè)計

        圖2 割線始發(fā)線性示意

        3.2 托架安裝

        盾構(gòu)始發(fā)托架采用預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)形式,安裝時除考慮其自身中心線坐標(biāo)軸線外,還需放樣出始發(fā)托架上的2條軌道中心線坐標(biāo),以增強(qiáng)始發(fā)托架定位的準(zhǔn)確性。始發(fā)托架的縱向坡度設(shè)置應(yīng)與明挖段主體結(jié)構(gòu)18.156‰縱坡一致,且與始發(fā)托架的中心線吻合。始發(fā)托架是承受盾構(gòu)機(jī)自重荷載的主要構(gòu)件,而鐵建重工生產(chǎn)的盾構(gòu)自重約500 t,為此明挖段主體結(jié)構(gòu)施工期間已在相位置提前預(yù)埋供始發(fā)托架使用的鋼板,在安裝始發(fā)托架時,將預(yù)埋鋼板與其焊接牢靠,確保始發(fā)托架在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)期間的穩(wěn)定性符合要求。

        3.3 反力架安裝

        高新停車場出入場線區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)時,由于反力架與割線垂直,致使反力架與明挖段主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻形成相應(yīng)的角度,為保證盾構(gòu)推進(jìn)時所需的反力,反力架在設(shè)計時增加側(cè)向400 mm的工字鋼斜撐在明挖段結(jié)構(gòu)底板的預(yù)埋鋼板上,四周水平方向均支撐在盾構(gòu)井下臥段底板及側(cè)墻上。在安裝反力架前要求對隧道軸線進(jìn)行測量放樣并與割線始發(fā)線型進(jìn)行擬合,做好標(biāo)記標(biāo)識,安裝完成后對其偏差值進(jìn)行復(fù)核,重點控制隧道軸線豎直趨勢與盾構(gòu)姿態(tài)偏差。

        3.4 洞門破除

        在確認(rèn)加固區(qū)良好、降水符合設(shè)計要求的情況下,共分3個階段進(jìn)行洞門破除。首先,破除地連墻背水側(cè)混凝土保護(hù)層,再割除背水側(cè)鋼筋;其次,分層破除剩余的混凝土結(jié)構(gòu)至迎水側(cè)鋼筋;最后,對剩余的迎水側(cè)鋼筋快速割除,并將盾構(gòu)機(jī)迅速頂至掌子面。洞門破除必須保持連續(xù)作業(yè),盡量縮短施工時間,以減少掌子面土體暴露時間。由于采用割線始發(fā),盾構(gòu)機(jī)與端頭墻之間會產(chǎn)生2.12°夾角,為防止盾構(gòu)機(jī)接觸掌子面時右側(cè)先接觸而造成刀盤啟動時扭矩過大,洞門破除時前進(jìn)方向右側(cè)迎土側(cè)要比左側(cè)多向內(nèi)破除約22 cm。為防止盾體扭轉(zhuǎn),須在始發(fā)導(dǎo)軌兩側(cè)的盾構(gòu)殼體上每隔2.0 m采用200 mm工字鋼加焊接防扭裝置,隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)將其割除,防止其破壞洞門密封系統(tǒng)。

        3.5 負(fù)環(huán)管片安裝

        負(fù)環(huán)管片拼裝應(yīng)選擇整環(huán)方式。由于始發(fā)托架軌道與管片外側(cè)有125 mm的空隙(盾構(gòu)始發(fā)托架的尺寸是按照盾構(gòu)機(jī)的前盾6 250 mm設(shè)計,管片外徑為6 000 mm),外側(cè)底部加設(shè)型鋼支撐防止負(fù)環(huán)管片全部脫出盾尾后下沉,并在始發(fā)托架導(dǎo)軌上用方木楔緊,將負(fù)環(huán)管片托起,保證負(fù)環(huán)管片的穩(wěn)定性。每環(huán)管片脫出盾尾后,在管片外側(cè)應(yīng)及時用鋼絲繩整環(huán)加固并復(fù)緊螺栓,鋼絲繩底部與始發(fā)托架固定牢靠,防止負(fù)環(huán)管片產(chǎn)生位移,保證負(fù)環(huán)管片的真圓度。

        4 姿態(tài)控制

        4.1 導(dǎo)軌姿態(tài)控制

        盾構(gòu)機(jī)始發(fā)托架端頭受主體結(jié)構(gòu)預(yù)留洞口、圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻及人防截水槽影響,當(dāng)盾構(gòu)刀盤超過托架后有700 mm距離沒有托架支撐,盾構(gòu)機(jī)因自重會產(chǎn)生“栽頭”現(xiàn)象,為避免此現(xiàn)象,應(yīng)在700 mm長度范圍內(nèi)用43鋼軌將始發(fā)托架上的導(dǎo)軌延伸并在導(dǎo)軌下部加焊20 mm工字鋼支撐固定。

        4.2 負(fù)環(huán)姿態(tài)控制

        盾構(gòu)機(jī)在始發(fā)托架上拼裝負(fù)環(huán)階段時,掘進(jìn)區(qū)域為預(yù)先完成的三軸攪拌樁+高壓旋噴樁加固區(qū),地層相對比較穩(wěn)定。此時盾構(gòu)機(jī)還沒有全部進(jìn)入土體,因此不能自行調(diào)整姿態(tài),掘進(jìn)方向只能保持直線前行,應(yīng)以低速、低壓、穩(wěn)定為原則,不影響鉸接的前提下前行。應(yīng)及時復(fù)緊管片螺栓,避免負(fù)環(huán)管片產(chǎn)生位移,影響后續(xù)管片拼裝質(zhì)量。

        4.3 曲線段姿態(tài)控制

        盾構(gòu)機(jī)盾體完全進(jìn)入土體后,也是正1環(huán)管片的開始,盾構(gòu)機(jī)可以適當(dāng)調(diào)整掘進(jìn)方向,向設(shè)計軸線靠攏。當(dāng)盾構(gòu)調(diào)整掘進(jìn)方向時,應(yīng)以調(diào)整主推進(jìn)油缸為主,以調(diào)整鉸接油缸為輔助,緩慢調(diào)節(jié),穩(wěn)步逐漸向設(shè)計軸線靠攏。除此之外,還應(yīng)考慮在曲線段掘進(jìn)時,盾構(gòu)機(jī)的盾尾存在離心現(xiàn)象,為此掘進(jìn)方向應(yīng)保持在曲線內(nèi)側(cè)25~35 mm之間為宜。

        其中,D為螺旋外徑;d為螺旋軸直徑,S為螺旋節(jié)距。根據(jù)飼料的容重和裝滿系數(shù)可計算出每圈螺旋輸送的飼料質(zhì)量,從而設(shè)計出螺旋的合理尺寸。

        5 參數(shù)設(shè)定

        5.1 土壓力值設(shè)定

        高新停車場出入場線區(qū)間始發(fā)端盾構(gòu)機(jī)上部處于細(xì)砂層中,下部處于礫砂層中,隧道頂部埋深7 m。土壓力計算示意如圖3所示。

        圖3 土壓力計算示意

        5.1.1 盾構(gòu)頂部土壓力計算

        土壓與水壓之和為:

        式中,P0為地表荷載,取 10 kN/m2;Pe為豎向土壓(kN/m2);Ps為水壓(kN/m2);Qe1為盾構(gòu)頂水平土壓力(MPa);γ 為砂土容重,取19.6 kN/m3;H 為隧道頂部埋深,取7 m;K為土層的靜止側(cè)土壓力,取0.35。

        5.1.2 盾構(gòu)中部土壓力計算

        土壓與水壓之和為:

        式中,Qe2為盾構(gòu)中部水平土壓力(MPa)。

        5.1.3 盾構(gòu)底部土壓力計算

        土壓與水壓之和為:

        式中,Qe3為盾構(gòu)中部水平土壓力(MPa)。

        5.2 出土量控制

        盾構(gòu)出土量計算應(yīng)考慮土體的松散系數(shù),始發(fā)期間盾構(gòu)主要在細(xì)砂和礫砂層中掘進(jìn),故松散率按1.1~1.15倍考慮,則每環(huán)理論出土量為:

        即每環(huán)實際出土量應(yīng)為40.9~42.7 m3。當(dāng)出土量小于限值時,再次掘進(jìn)時應(yīng)適當(dāng)減小土倉內(nèi)的壓力設(shè)定值,一般調(diào)整量控制在0.2 bar之內(nèi),并加強(qiáng)地表監(jiān)測數(shù)值的變化情況;當(dāng)出土量大于限值時,應(yīng)立即停止出土,關(guān)閉螺旋輸送機(jī)及閘門,同時加密地表監(jiān)測,分析地表沉降數(shù)值和變化速率,如果沉降過大,需加大土倉壓力設(shè)定并采取地表徑向注漿等措施,直到地表沉降數(shù)據(jù)控制在設(shè)計規(guī)范允許的范圍后方可復(fù)推。

        5.3 同步注漿量控制

        取靜水壓力的1.1~1.2倍,則實際靜水壓力為L=0.12 MPa,注漿壓力為:

        下部孔的壓力比上部孔略大(0.5 MPa左右)為0.182~0.194 MPa。每環(huán)理論注漿量為:

        始發(fā)期間盾構(gòu)主要在細(xì)砂和礫砂層中掘進(jìn),計算擴(kuò)大注漿量時,考慮2~2.5注漿擴(kuò)大系數(shù),則實際注漿量為:

        5.4 掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置

        盾構(gòu)機(jī)始發(fā)掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置詳見表1。

        表1 盾構(gòu)機(jī)始發(fā)掘進(jìn)參數(shù)

        6 結(jié)束語

        城市軌道交通工程盾構(gòu)法施工越來越受到人們的推崇,同時也是常采用的施工工法,但更多時候受施工場地條件制約,盾構(gòu)機(jī)不能按照常規(guī)方案始發(fā)。南昌市軌道交通3號線高新停車場出入場線區(qū)間施工期間,在總體技術(shù)控制上嚴(yán)格把關(guān),控制好每一道工序的施工質(zhì)量,重點對始發(fā)托架安裝、反力架安裝的精度進(jìn)行反復(fù)校核,對其加固質(zhì)量進(jìn)行核驗,對割線始發(fā)設(shè)計方案進(jìn)行反復(fù)擬合匹配,最終保證盾構(gòu)機(jī)順利始發(fā)。

        通過實踐證實,盾構(gòu)機(jī)割線始發(fā)在高新停車場出入場線區(qū)間應(yīng)用,不僅提高了盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)速度,減少施工過程中不必要的停機(jī)調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài),過程中姿態(tài)偏差滿足設(shè)計規(guī)范要求,同時也驗證了方案的可行性,較好地解決了盾構(gòu)機(jī)在特殊環(huán)境下始發(fā)難題,為類似工程提供了可借鑒的經(jīng)驗。

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