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隧道及地下工程施工技法解密

                                             时间:2014-03-26 11:58:59 | 来源:中国建筑新闻网 |
  隧道及地下工程指在岩体或土层中修建的通道和各种类型的地下建筑物,包括交通运输方面的铁路、道路、运河隧道,以及地下铁道和水底隧道等;工业和民用方面的市政、防空、采矿、储存和生产等用途的地下工程;军用方面的各种国防坑道;水利发电工程方面的地下发电厂房以及其他各种水工隧洞等。
  隧道及地下工程的施工技法主要有:明挖法、盾构法、地下连续墙法、矿山法、沉管法、顶管法、沉井法。
  明挖法
  明挖法指的是先将隧道部位的岩(土)体全部挖除,然后修建洞身、洞门,再进行回填的施工方法。明挖法具有施工简单、快捷、经济、安全的优点,城市地下隧道式工程发展初期都把它作为首选的开挖技术。其缺点是对周围环境的影响较大。
  明挖法的关键工序是降低地下水位,边坡支护,土方开挖,结构施工及防水工程等。其中边坡支护是确保安全施工的关键技术。主要有:
  1、放坡开挖技术
  适用于地面开阔和地下地质条件较好的情况。基坑应自上而下分层、分段依次开挖,随挖随刷边坡,必要时采用水泥粘土护坡。
  2、型钢支护技术
  一般使用单排工字钢或钢板桩,基坑较深时可采用双排桩,由拉杆或连梁连结共同受,也可采用多层钢横撑支护或单层、多层锚杆与型钢共同形成支护结构。
  3、连续墙支护技术
  一般采用钢丝绳和液压抓斗成槽,也可采用多头钻和切削轮式设备成槽。连续墙不仅能承受较大载荷,同时具有隔水效果,适用于软土和松散含水地层。
  4、混凝土灌注桩支护技术
  一般有人工挖孔或机械钻孔两种方式。钻孔中灌注普通混凝土和水下混凝土成桩。支护可采用双排桩加混凝土连梁,还可用桩加横撑或锚杆形成受力体系。
  5、土钉墙支护技术
  在原位土体中用机械钻孔或洛阳铲人工成孔,加入较密间距排列的钢筋或钢管,外注水泥砂浆或注浆,并喷射混凝土,使土体、钢筋、喷射混凝土板面结合成土钉支护体系。
  6、锚杆(索)支护技术
  在孔内放入钢筋或钢索后注浆,达到强度后与桩墙进行拉锚,并加预应力锚固后共同受力,适用于高边坡及受载大的场所。
  7、混凝土和钢结构支撑支护方法
  依据设计计算在不同开挖位置上灌注混凝土内支撑体系和安装钢结构内支撑体系,与灌注桩或连续墙形成一个框架支护体系,承受侧向土压力,内支撑体系在做结构时要拆除。适用于高层建筑物密集区和软弱淤泥地层。
  明挖法有三种基本类型:
  先墙后拱法
 
明挖法:先墙后拱法
  是最常用的一种方法,适用于地形有利、地质条件较好的各种浅埋隧道和地下工程。其施工步骤是:先开挖基坑或堑壕,再以先边墙后拱圈(或顶板)的顺序施做衬砌和敷设防水层,最后进行洞顶回填。当地形和施工场地条件许可,边坡开挖后又能暂时稳定时,可采用带边坡的基坑或堑壕(图1)。如施工场地受限制,或边坡不稳定时,可采用直壁的基坑或堑壕,此时坑壁必须进行支护。
  先拱后墙法
 
明挖法:先拱后墙法
  适用于破碎岩层和土层。其施工步骤是:从地面先开挖起拱线以上部分。按地质条件可开挖成敞开式基坑,或支撑的直壁式基坑1,接着修筑顶拱Ⅱ,然后在顶拱掩护下挖中槽3,分段交错开挖马口4和6,修筑边墙Ⅴ和Ⅶ(图2)。
  墙拱交替法
  是上述两种方法的混合使用,边墙和顶拱的修筑相互交替进行,它适用于不能单独采用先墙后拱法或先拱后墙法的特殊情况。其施工步骤是:先开挖外侧边墙部位土石方1,修筑外侧边墙Ⅱ;开挖部分堑壕3至起拱线,修筑顶拱Ⅳ;分段交错开挖余下的堑壕5,筑内侧边墙Ⅵ。
  盾构法
  盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法,它是将盾构机械在地中推进,通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌,同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖,通过出土机械运出洞外,靠千斤顶在后部加压顶进,并拼装预制混凝土管片,形成隧道结构的一种机械化施工方法。
  盾构是一种带有护罩的专用设备,利用尾部已装好的衬砌块作为支点向前推进,用刀盘切割土体,同时排土和拼装后面的预制混凝土衬砌块。盾构是1874年发明,首先用的是气压盾构。开挖英国伦敦泰晤士河水底隧道。盾构机掘进的出碴方式有机械式和水力式,以水力式居多。水力盾构在工作面处有一个注满膨润土液的密封室。澎润土液既用于平衡土压力和地下水压力,又用作输送排出土体的介质。
 
  盾构法施工概貌
  盾构法施工具有施工速度快、洞体质量比较稳定、对周围建筑物影响较小等特点,适合在软土地基段施工。例如深圳地铁一期工程初步设计有三处采用盾构法施工,即罗湖-国贸区间,皇岗-福民区间,福民-金田区间。这几处均为软土地段,且具备盾构法施工的基本条件。
  在松软含水地层,或地下线路等设施埋深达到10m或更深时,可以采用盾构法,即1、线位上允许建造用于盾构进出洞和出碴进料的工作井;2、隧道要有足够的埋深,覆土深度宜不小于6m且不小于盾构直径;3、相对均质的地质条件;4、如果是单洞则要有足够的线间距,洞与洞及洞与其它建(构)筑物之间所夹土(岩)体加固处理的最小厚度为水平方向1.0m,竖直方向1.5m;5、从经济角度讲,连续的施工长度不小于300m。
 
扩径盾构法
  采用盾构法施工时,首先要在隧道的始端和终端开挖基坑或建造竖井,用作盾构及其设备的拼装井(室)和拆卸井(室),特别长的隧道,还应设置中间检修工作井(室)。拼装和拆卸用的工作井,其建筑尺寸应根据盾构装拆的施工要求来确定。拼装井的井壁上设有盾构出洞口,井内设有盾构基座和盾构推进的后座。井的宽度一般应比盾构直径大1.6~2.0米,以满足铆、焊等操作的要求。当采用整体吊装的小盾构时,则井宽可酌量减小。井的长度,除了满足盾构内安装设备的要求外,还要考虑盾构推进出洞时,拆除洞门封板和在盾构后面设置后座,以及垂直运输所需的空间。中、小型盾构的拼装井长度,还要照顾设备车架转换的方便。盾构在拼装井内拼装就绪,经运转调试后,就可拆除出洞口封板,盾构推出工作井后即开始隧道掘进施工(图2)。盾构拆卸井设有盾构进口,井的大小要便于盾构的起吊和拆卸。
  其他施工主要有土层开挖、盾构推进操纵与纠偏、衬砌拼装、衬砌背后压注等。这些工序均应及时而迅速地进行,决不能长时间停顿,以免增加地层的扰动和对地面、地下构筑物的影响。
  地下连续墙法
  地下连续墙是远方基础工程在地面上采用一种挖槽机械,沿着深开挖工程的周边轴线,在泥浆护壁条件下,开挖出一条狭长的深槽,清槽后,在槽内吊放钢筋笼,然后用导管法灌筑水下混凝土筑成一个单元槽段,如此逐段进行,在地下筑成一道连续的钢筋混凝土墙壁,作为截水、防渗、承重、挡水结构。此法优点是对地面交通的干扰时间短,范围小,对路边建筑物的影响也较小。意大利米兰地铁就是用此法修筑的典型例子。
 
地下连续墙法挖槽机械
  地下连续墙法施工振动小,墙体刚度大,整体性好,施工速度快,可省土石方,可用于密集建筑群中建造深基坑支护及进行逆作法施工,可用于各种地质条件下,包括砂性土层、粒径50mm以下的砂砾层中施工等。适用于建造建筑物的地下室、地下商场、停车场、地下油库、挡土墙、高层建筑的深基础、逆作法施工围护结构,工业建筑的深池、坑;竖井等。
  在地面上,利用一些种挖槽机械,借助于泥浆的护壁作用,在地下挖出窄而深的基槽,并在其内浇注适当的材料而形成的一道具有防渗、挡土和承重功能的连续的地下墙体。
  在槽段开挖前,沿连续墙纵向轴线位置构筑导墙,采用现浇混凝土或钢筋混凝土浇筑。
  导墙深度一般为1~2m,其顶面略高于地面50~100mm,以防止地表水流入导沟。导墙的厚度一般为100~200mm,内墙面应垂直,内壁净距应为连续墙设计厚度加施工余量(一般为40~60mm)。墙面与纵轴线距离的允许偏差为±10mm,内外导墙间距允许偏盖±5mm,导墙顶面应保持水平。
  导墙宜筑于密实的粘性土地基上。墙背宜以土壁代模,以防止槽外地表水渗入槽内。如果墙背侧需回填土时,应用粘性土分层夯实,以免漏浆。每个槽段内的导墙应设一溢浆孔。
  在挖基槽前先作保护基槽上口的导墙,用泥浆护壁,按设计的墙宽与深分段挖槽,放置钢筋骨架,用导管灌注混凝土置换出护壁泥浆,形成一段钢筋混凝土墙。逐段连续施工成为连续墙。施工主要工艺为导墙、泥浆护壁、成槽施工、水下灌注混凝土、墙段接头处理等。
  经过几十年的发展,地下连续墙的技术已经相当成熟,其中日本在此项技术上最为发达,已经累计建成了1500万平方米以上,目前地下连续墙的最大开挖深度为140m,最薄的地下连续墙厚度为20cm。1958年,我国水电部门首先在青岛丹子口水库用此技术修建了水坝防渗墙,到2013年为止,全国绝大多数省份都先后应用了此项技术,估计已建成地下连续墙120万~140万平方米。地下连续墙已经并且正在代替很多传统的施工方法,而被用于基础工程的很多方面。在它的初期阶段,基本上都是用作防渗墙或临时挡土墙。通过开发使用许多新技术、新设备和新材料,现在已经越来越多地用作结构物的一部分或用作主体结构,2003年到2013年前后更被用于大型的深基坑工程中。
  矿山法
  矿山法指的是用开挖地下坑道的作业方式修建隧道的施工方法。矿山法是一种传统的施工方法。它的基本原理是,隧道开挖后受爆破影响,造成岩体破裂形成松弛状态,随时都有可能坍落。基于这种松弛荷载理论依据,其施工方法是按分部顺序采取分割式一块一块的开挖,并要求边挖边撑以求安全,所以支撑复杂,木料耗用多。随着喷锚支护的出现,使分部数目得以减少,并进而发展成新奥法。
  铁路、公路隧道和其他山岭隧道或地下建筑物一般均可采用矿山法施工。此法又可分为:
  ①钻眼爆破法。位于各类岩石地层内的隧道,均可采用钻眼、装药、爆破的方法开挖。在硬岩中开挖隧道可采用凿岩台车钻眼,进行全断面开挖。
  ②新奥法。20世纪30年代发展起来的新方法。其要义是以隧道围岩作为支护的主要手段。施工过程中尽量减少围岩的松动破坏,并在开挖后及时支护,以确保离临空面一定深度处的围岩内形成承载圈。支护设置有一个最佳时间:过早支护会使喷射混凝土和岩层间产生很大地层压力;过迟支护则围岩将因变形过度而松动。为了正确估计合理的支护时间,必须对开挖后的隧道围岩及时进行收敛量测。
  ③掘进机开挖法。近年来得到了大力推广。掘进机是利用安装在机轴转盘上的刀具直接切削岩层。首先制造隧洞掘进机的是美国罗宾斯公司。中国已经制造了直径5.8米的水工隧洞掘进机,使用效果良好。近年来隧道开挖后的支护有了很大的发展。喷锚支护为各种复杂地质条件下使用矿山法修建各种隧道提供了有效的支护。
  矿山法按衬砌施工顺序,可分为先拱后墙法及先墙后拱法两大类。后者又可按分部情况细分为漏斗棚架法、台阶法、全断面法和上下导坑先墙后拱法。在松软地层中,或在大跨度洞室的情况下,又有一种特殊的先墙后拱施工法──侧壁导坑先墙后拱法。此外,结合先拱后墙法和漏斗棚架法的特点,还有一种居于两者之间的蘑菇形法。
  沉管法
  沉管法是预制管段沉放法的简称,是在水底建筑隧道的一种施工方法。其施工顺序是先在船台上或干坞中制作隧道管段(用钢板和混凝土或钢筋混凝土),管段两端用临时封墙密封后滑移下水(或在坞内放水),使其浮在水中,再拖运到隧道设计位置。定位后,向管段内加载,使其下沉至预先挖好的水底沟槽内。
 
沉管法
  管段逐节沉放,并用水力压接法将相邻管段连接。最后拆除封墙,使各节管段连通成为整体的隧道。在其顶部和外侧用块石覆盖,以保安全。水底隧道的水下段,采用沉管法施工具有较多的优点。50年代起,由于水下连接等关键性技术的突破而普遍采用,现已成为水底隧道的主要施工方法。用这种方法建成的隧道称为沉管隧道。
  适合于沉管法施工的主要条件是:水道河床稳定和水流并不过急。前者不仅便于顺利开挖沟槽,并能减少土方量;后者便于管段浮运、定位和沉放。
  采用沉管法施工的水下段隧道,比用盾构法施工具有较多优点。主要有:
  ①容易保证隧道施工质量。因管段为预制,混凝土施工质量高,易于做好防水措施;管段较长,接缝很少,漏水机会大为减少,而且采用水力压接法可以实现接缝不漏水。
  ②工程造价较低。因水下挖土单价比河底下挖土低;管段的整体制作,浮运费用比制造、运送大量的管片低得多;又因接缝少而使隧道每米单价降低;再因隧道顶部覆盖层厚度可以很小,隧道长度可缩短很多,工程总价大为降低。
  ③在隧道现场的施工期短。因预制管段(包括修筑临时干坞)等大量工作均不在现场进行。
  ④操作条件好、施工安全。因除极少量水下作业外,基本上无地下作业,更不用气压作业。
  ⑤适用水深范围较大。因大多作业在水上操作,水下作业极少,故几乎不受水深限制,如以潜水作业实用深度范围,则可达70米。⑥断面形状、大小可自由选择,断面空间可充分利用。大型的矩形断面的管段可容纳4~8车道,而盾构法施工的圆形断面利用率不高,且只能设双车道。
  顶管法
  顶管法是隧道或地下管道穿越铁路、道路、河流或建筑物等各种障碍物时采用的一种暗挖式施工方法。在施工时,通过传力顶铁和导向轨道,用支承于基坑后座上的液压千斤顶将管压入土层中,同时挖除并运走管正面的泥土。当第一节管全部顶入土层后,接着将第二节管接在后面继续顶进,这样将一节节管子顶入,作好接口,建成涵管。顶管法特别适于修建穿过已成建筑物、交通线下面的涵管或河流、湖泊。顶管按挖土方式的不同分为机械开挖顶进、挤压顶进、水力机械开挖和人工开挖顶进等。
  施工特点:
  1、适用于软土或富水软土层;
  2、无需明挖土方,对地面影响小;
  3、设备少、工序简单、工期短、造价低、速度快;
  4、适用于中型管道(1.5~2m)管道施工;
  5、大直径、超长顶进、纠偏困难。
  可穿越公路、铁路、河流、地面建筑物进行地下管道施工。
  6、可以在很深的地下铺设管道。
  施工设备构成:顶进设备、掘进机(工具管)、中继环、工程管、排土设备等五部分组成。
  沉井法
  沉井法又称沉箱凿井法。在不稳定含水地层掘进竖井时,于设计的井筒位置上预先制作一段井筒,井筒下端有刃脚,借井筒自重或略施外力使之下沉,将井筒内的岩石挖掘出的施工方法。挖掘与下沉交相进行,直到穿过不稳定地层。
  在地面下沉预制井筒的施工方法。在井口位置,预制好沉井刃脚和一段井壁,边掘边沉,再在地面浇筑,接长井壁,继续下沉。此法开始多用于水利工程,工艺简单,通常采用砖井壁,人工挖掘,自重下沉。沉井深度一般仅20m左右。1839年法国创造了压气沉井法,因下沉深度有限,并有损工人健康,到20世纪50年代渐被淘汰。1894年德国创造了淹水沉井法。1944年日本向沉井壁后施放压缩空气,减少井壁与土层的摩擦阻力获得成功。1952年匈牙利和瑞士创造了触变泥浆液体减阻的新方法。中国于1958年创造了震动沉井法;1969年起采用壁后泥浆淹水沉井,建成了30多个井筒,最深井达192.5m。
  沉井结构由套井、井壁和刃脚三部分组成。套井(即锁口)是靠近地表预先作好的一段大于沉井外径1.5m左右的井筒,用以保护井口,安设导向装置和贮存减阻材料。沉井井壁就是井筒的永久井壁,应有足够的强度,并满足下沉所需的重量。一般为钢筋混凝土结构,壁厚1m左右,随沉井下沉不断在井口浇筑接长。刃脚位于沉井井壁最下端,多用钢材制造,刃尖角通常为30°,刃脚高3m,刃脚外半径比井壁外半径大100~300mm,以便下沉后在井壁四周形成一个环形空间。
  施工时沉井利用钢刃脚插入土层,工作面不断破土排渣,依靠井壁自重不断下沉,当沉井刃脚达到基岩后,即行封底与壁后注浆固井。
  按井内淹水与否分为不淹水沉井和淹水沉井两种。淹水沉井又分壁后泥浆淹水沉井和壁后施放压气淹水沉井。按井壁下沉动力可分为自重沉井和加载沉井。后者又分为震动沉井和压水沉井。
  不淹水沉井在沉井内排水,工人在井底工作面掘进。除井壁在地面浇筑、随掘进随下沉外,其他工序和普通凿井法相同。由于排水造成井内外压力不平衡,下沉深度受到限制,本法不宜在涌水大、流砂层厚的表土层采用。

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