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本课题以杭州南站客专场站房紧急工程为研究背景,通过现场施工,系统的深基坑及站房工程施工技术进行研究,为工程安全、快速的施工提供技术依据,同时为今后施工类似隧道积累经验。
1.2.2研究意义
国内膨胀性泥岩隧道施工范例较多,但是在断层及褶皱地质构造条件下采用钻爆法施工膨胀性泥岩隧道目前在国内较少见到。
目前对于在断层及褶皱地质构造下膨胀性泥岩条件隧道的施工方法,在国内外研究都很少,断层及褶皱地质构造下膨胀性泥岩掘进方式一般采用机械开挖配合人工整修,施工进度慢、生产效率低、劳动强度大。
膨胀性泥岩隧道目前形成的施工工法及施工技术主要是应用于公路工程,开挖断面较小,而铁路隧道开挖断面大,开挖步骤复杂,目前在铁路方面形成科研成果及技术较少。
1.2.3研究用途
我们在膨胀性泥岩隧道关键施工过程中,掌握了大量的相关技术以及重点工序上的施工要点,总结并形成工法、专利等科技成果,希望通过该项目研究成果,能够为以后全国膨胀性泥岩隧道的建设提供宝贵的施工经验和技术指导。
1.3主要研究内容
本课题通过对膨胀性泥岩隧道钻爆法快速施工技术、膨胀性泥岩隧道超前钻探法施工技术研究、三台阶临时仰拱法施工技术研究、褶皱地质构造下膨胀性泥岩土隧道施工安全防护技术研究、施工监控量测技术研究、快速施工质量控制技术研究,解决跨膨胀性泥岩隧道在特殊地形下环境下如何控制施工质量、保证安全生产、加快施工进度、降低施工成本、提高施工效率的难题。
1.4技术方案、技术路线和研究方法
本课题研究过程中,针对工程特点、施工环境、节点工期及安全质量要求,制定一系列施工方案,并在实施过程中,根据现场的实际情况和业主要求的节点工期不断优化,确保了实体的质量和工期的要求。
在前期准备阶段,我们对现场进行了详细地勘察,并认真审核图纸,根据桥梁结构和特点,结合以前的施工经验,全面策划好施工工作。
项目开工后,依据策划书布置施工任务,各工序作业衔接顺畅,在遇到技术难题或其他情况需要优化方案时,我们始终把安全质量放在首位,其次考虑环保、施工进度等因素,循序渐进,脚踏实地稳步向前迈进,最终取得了诸多的成果和辉煌的战绩。
在技术研究过程中,本着从基础出发,一切以务真求实为前提,根据实际情况的需要,优化方案,并查找大量的文献资料和相关规范,使技术研究有据可依。
课题研究中,积极与业主、设计、监理及其他相关单位沟通,重大方案优化时召开专家研讨会,寻求专家及业内资深人士的意见和建议,其清晰的思路和大胆的创新受到了广泛的称赞(见图1.4-1)。
在此工作中,得到了业主单位的大力支持和帮助,取得了阶段性的进展。
2研究工作组织与管理
2.1项目工程概况
2.1.1工程概况
隧区范围属构造剥蚀低中山地貌,地形波状起伏,地表高程1875~2065米,相对高差约100米;
自然坡度约5°
~20°
不等,隧道进口为冯家村,出口位于托木古水塘沟槽边,洞身植被发育,线路附近人烟稀少。
2.1.2工程自然条件及地质条件
1、气候特征
楚雄州属亚热带季风气候,季节变化不明显,干湿季分明、日温差大、年温差小。
据楚雄州气象局的气象资料:
历年平均气温16.0℃,历年极端最高温度33.6℃,历年极端最低温度-4.8℃。
雨季多集中在5~9月,且夏季居多,四季雨量变化很大,年均降雨量862.7mm,历年最大降雨量1342.8mm。
历年平均风速1.4m/秒,历年最大风速24.0m/秒,风向随季节变化,风向多为西南。
2、地震
地震动峰值加速度0.15g、地震动反应谱特征周期为0.45s,相应于地震基本烈度Ⅶ。
3、水文特征
地表水主要为水库(塘)水及季节性水沟,无常年地表流水。
地表水主要受大气降水补给,流量受季节影响变化较大。
沿线地下水主要为第四系孔隙水、基岩裂隙水。
第四系孔隙水潜水主要赋存于土层中,由大气降雨及河水补给,水量下;
基岩裂隙水赋存于基岩裂隙中,介质多为泥岩,隔水性好,水量较小,主要由大气降水渗流补给。
地下水对混凝土结构具有酸性侵蚀,环境作用等级H1。
4、工程地质
地质构造:
沿线主要褶曲有山前村向斜,南华扭动褶皱区,受区域构造影响,有王家村断层、地表多被第四系土层覆盖,偶有零星基岩出露。
下伏岩主要以泥岩为主,岩层倾向线路右侧。
地层岩性:
区内覆盖层主要为第四系全新统坡洪积(Q4dl+pl)松软土、粗角砾土、粉质黏土、坡残积层(Q4dl+el)粉质黏土、下伏基岩为罗系下统妥甸组(J3t2)泥岩夹砂层,白垩系上统马头山组(K2P)砂岩夹泥岩、白垩系下统普昌河组(K1P)砂岩夹泥岩、泥灰岩。
不良地质主要有:
风化剥落、滑坡、顺层、顺层偏压,特殊地质为泥岩的膨胀性。
2.1.3工程施工难点
1、工期较短,进度压力较大。
2、隧道由于贯穿山体比较长,爆破过程中对施工人员的安全威胁较大,对隧道的破坏也有一定的影响。
3、在隧道施工中,遇不良地质段时极其容易发生不良现象,造成质量安全事故。
2.2项目的组织实施
本课题研究由中铁三局集团第五工程有限公司组织技术攻关和研究,中铁三局集团第五工程有限公司以郑卢高速公路洛宁至卢氏段大铁沟特大桥建设任务为基础,在施工前成立课题研究小组,分工细致、责任明确,过程中积累的大量的经验和研究成果,为跨深谷大跨度变截面连续刚构桥施工进行技术研究奠定了基础。
3项目研究进展基本情况
3.1课题研究情况(见表3-1)
表3-1课题研究情况表
序号
实施时间
施工部位
开展的研究
1
2
3
3.2课题完成情况说明
本课题自2011年开始,依托广大铁路隧道施工进行课题研究,取得了良好的社会效益和经济效益。
课题完成了膨胀性泥岩隧道钻爆法快速施工技术、膨胀性泥岩隧道超前钻探法施工技术研究、三台阶临时仰拱法施工技术研究、褶皱地质构造下膨胀性泥岩土隧道施工安全防护技术研究、施工监控量测技术研究、快速施工质量控制技术研究内容。
目前课题获得企业级工法3项,1发表科技论文2篇,正在编制连3项工法,并就与施工紧密结合的技术、工艺和方案等进行了优化,形成了诸多研究成果,其中有生产控制、安全防护、试验研究、现场监测和方案的论证和优化。
在课题实施过程中,研发人员大胆创新、严密分析,研发新技术采取新工艺,积极与设计院、监控单位沟通,为现场的顺利施工提供了重要基础。
4主要完成单位和主要完成人员名单
4.1主要完成单位
中国中铁股份有限公司、中铁三局集团有限公司为本项目的科研立项单位,与项目的实施单位共同研究改进措施和方案,确定最终的施工方法,根据业主对本项目的工期要求,进行资源优化、技术措施优化、组织措施优化,确保每道工序施工符合技术要求、设计要求、工期要求。
通过对科研项目的技术研究和成果总结,提炼成果的关键技术和提升成果的理论水平,实现了成果从现场到理论的转化。
中铁三局集团第五工程有限公司为本项目的具体实施者,通过对郑卢高速公路大铁沟特大桥项目的施工,系统地掌握了过程中的第一手资料,为成果的总结提供了详实的数据支持,在实施工程中,研发人员严密分析、大胆创新,就与施工紧密结合的技术、工艺、设备和材料进行了优化,形成了诸多研究成果,解决了膨胀性泥岩隧道钻爆法快速施工等一系列难题,优化了隧道的炮孔钻设工艺技术,有效保证了施工安全和质量。
4.2主要完成人员(见表4-1)
表4-1主要研制人员名单
姓名
学历
职称
工作单位
对成果创造性贡献
4
5
6
7
8
9
10
11
5主要研究成果
5.1膨胀性泥岩隧道钻爆法快速施工技术
通过对膨胀性泥岩隧道快速施工技术的深入研究,以广大铁路隧道施工为实践,获得了施工中的第一手资料,初步摸索出了胀性泥岩隧道快速施工中的方法及控制要点,有效地加快了施工进度,降低施工成本。
(1)充分发挥了钻爆法在“滇中红层”地质构造下隧道施工中的优势,减少了机械及人工的使用,缩短工期并缩减了施工成本,施工质量得到保障。
(2)改进了传统炮孔钻设时使用压力水的施工工艺,寻找到适合“滇中红层”地质构造下施工隧道的新的炮孔钻设工艺——稀释的黏土泥浆冷却造壁技术。
(3)充分利用先进仪器设备集合专业技术人员编制炮孔定位程序,精准的测量炮孔位置,确保了爆破设计的严谨施工,改善钻爆施工隧道的超欠挖,减少了喷射混凝土的损耗,有效的控制了施工成本。
(4)因地制宜设计出适合环形开挖预留核心土七步流水作业钻爆法的爆破方案,成功的在环形导坑处实现了光面爆破技术,提高了施工生产效率,极大的保障了隧道施工安全生产。
5.2膨胀性泥岩隧道超前钻探法施工技术研究
该技术以广大铁路隧道超前地质预报为工程背景,采用超前地质钻孔和加深炮眼相结合的方法进行超前钻探,准确预报掌子面前方30m范围地层岩性、岩体完整程度、地下水发育情况,探明前方有无不良地质。
为保证隧道施工安全、优化设计、实现信息化施工提供了依据和保障,降低了地质灾害发生的几率和危害程度。
该技术主要特点是:
⑴预报准确程度较高,可直观反映出掌子面前方30m范围地层岩性、岩体完整程度、地下水发育情况,探明前方有无不良地质。
⑵操作简单,普通作业人员经过技术培训即可熟练掌握。
⑶设备小巧、灵活,适用于隧道狭小空间作业。
⑷使用的劳力少,超前地质钻孔4人、加深炮眼3人即可完成作业,节约了人工投入。
⑸施工时间相对较短,超前地质钻孔采用ZDY750钻机,最大钻进速度1.5m/min,4-5小时即可完成作业;
加深炮眼利用隧道开挖爆破炮眼,可与隧道开挖同步进行。
减少了占用掌子面的时间,加快了施工进度。
5.3三台阶临时仰拱法施工技术研究
三台阶临时仰拱法是采用三层短台阶,增加临时仰拱,分步平行开挖,分步平行施作拱墙初期支护的一种隧道开挖方法。
施工中应严格遵循“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则,以监控量测信息为依据指导施工。
5.4褶皱地质构造下膨胀性泥岩土隧道施工安全防护技术研究
(1)通过对隧道开挖进行超前地质预报,收集地质条件、发展规律、趋势等相关数据;
同时在施工过程中做好监测数据的记录,沉降观测安排专人盯控,保证数据的及时、有效。
(2)查找以往膨胀性泥岩隧道的相关资料,摸清隧道施工过程中应重点关注的问题、避免的施工障碍,提出相关可实施的初步方案。
(3)通过对收集到的超前地质预报数据进行分析,预判地质变化,从而提出合理的钻爆发施工方法和施工措施,安全合理的完成工程施工。
5.5施工监控量测技术研究
利用先进仪器设备及对隧道炮孔布设参数进行程序编辑,有效、精准的对钻爆法施工的一个关键工序——炮孔布设进行了精确定位。
使得隧道光面爆破效果得到质的提升,进一步有效的控制了隧道超挖,减小了喷射混凝土的损耗,大大降低了施工成本。
对现场量测所取得的原始数据进行一定的数学处理,将同一量测断面的各种量测数据进行分析对比、相互印证,以确定量测数据的可靠性;
探求围岩变形或支护系统的受力随时间变化的规律,判定围岩和初期支护系统稳定状态。
5.6快速施工质量控制技术研究
对隧道施工的各种参数进行设计并优化,改进施工方法,减少各种质量问题。
认真做好地质超前预报和地质描述以及监控量测工作,预测地层变化情况,根据探测情况制定相应施工方案,选用合理的施工方法防止出现坍塌事故。
优化机械配置,达到生产进度和生产成本的最优结合,合理安排,配合工期及节点目标的要求增加人员和机械,保证施工的安全、顺利进行。
6人才引进、人才培养以及人才队伍建设情况
6.1积极稳妥引进急缺的关键技术人才
建立了人才引进制度。
制定人才引进政策,特别是引进领军人才、学科带头人等高层次人才的优惠政策和保障措施,树立人才引进正确导向。
拟定并认真落实人才引进计划,进一步明确引进急缺人才的专业、数量,确保引进人才的质量。
大力引进急缺人才。
面向社会公开招聘领军人才和学科带头人,依托科研项目,采取灵活方式、多种渠道吸纳引进急缺人才。
建立与高等院校、科研单位指导、联合培养人才机制,着重充实一线力量。
探索建立适合工作特点要求的灵活用人形式,创新人才引进模式。
大力推行特聘项目专家等流动岗位设置,以及短期聘用技术攻关、项目咨询等灵活用人方式,多种形式招贤揽才。
6.2加大了人才教育培训培养
课题研发期间是工作者将自己的所获得的理论知识,充分应用于实践,又通过实践上升为理论的过程,这是一个飞跃过程,更是培养创新型人才的重要时期。
健全完善教育培训工作机制。
抓紧建立健全人才轮岗交流、新进人员参加野外实践锻炼和中青年人才参加重大项目的培养制度;
拓展人才教育培训形式,把长期与短期、脱产与在岗、分散与集中、公司内与公司外培训结合起来,完善教育培训方式。
加强人才实践工作锻炼。
加大青年人才实践锻炼力度:
有计划地组织安排新录用和新进人员参加施工一线工作实践锻炼,积极安排中青年人才承担项目,选拔优秀中青年人才担任科研项目负责人。
在项目中学习新理论、新技术,掌握新方法,操作新仪器,推进创新型地质人才的培养。
通过研发项目来带动人才成长,进一步培养创新型人才。
加强人才岗位交流:
选派优秀人才到急、难、重岗位进行工作锻炼。
6.3整合和用好现有人才,强化队伍建设
优化组织结构。
合理设置部门结构,调整专业布局,明确职责任务。
按照岗位职责任务和工作要求,科学合理设置岗位,明确岗位职责,合理配置人才资源,构建各类人才充分发挥作用的平台。
着力选用一批优秀技术人才。
大力推行技术人员竞争上岗制度,坚持高标准、严要求,不拘一格选拔优秀人才。
建立优秀人才遴选制度,根据工作需要,开展领军人才、学科带头人、科技创新人才、中青年优秀人才选拔,努力培养和选拔一批技术骨干后备人才,逐步形成专业齐全、结构合理的优秀人才队伍。
进一步发挥好现有人才的效用。
建立与专家联系制度,充分发挥专家咨询和引领作用,在科研项目工作中大胆使用中青年人才,充分发挥中青年人才的骨干作用。
7项目资金投入和使用情况
研发费的来源主要为公司自筹资金,包含公司投入的资金以及项目筹措的工程款,研究开发经费的应用于研究开发新技术、新工艺、新装备所发生的各项费用及推广费用。
研发项目经费实行预算管理,研究开发(经费)费用的使用履行公司的审批程序,如购置了水平钻机、管棚钻机、锚杆钻机、注浆钻机、风动凿岩机、空气压缩机、超前水平地质钻、地质雷达、红外探测仪;
人员培训,聘请专家等等。
研究开发费用支出主要包含以下几个方面:
㈠研发活动直接消耗的材料、燃料和动力费用;
㈡公司在职研发人员的工资、奖金、津贴、补贴、社会保险费、住房公积金等人工费用以及外聘研发人员的劳务费用;
㈢用于研发活动的仪器、设备、房屋等固定资产的折旧费或租赁费以及相关固定资产的运行维护、维修等费用;
㈣专利权、非专利技术等无形资产的摊销费用;
㈤用于中间试验工艺装备开发及制造费,设备调整及检验费等;
㈥研发成果的论证、评审、验收、评估以及知识产权的申请费、代理费等费用;
㈦与研发活动直接相关的其他费用,包括技术图书资料费、资料翻译费、会议费、差旅费、办公费、外事费、研发人员培训费、培养费、专家咨询费等。
本项目研究经费预算万元,实际支出万元。
8项目实施取得的成效
8.1经济效益
表8-1主要应用情况
工程项目名称
施工工期
经济效益(万元)
备注
合计
8.2社会效益
结合云南地区复杂地层情况,从工期、地层、环境影响等方面进行深入分析,明确了云南地区典型地质条件情况下的相应的隧道施工工艺,并制定出适合云南地区的隧道爆破、施工、安全的施工工艺。
研究成果可用于指导云南省隧道工程的建设,提高云南地区隧道建设施工技术水平,最大程度保证隧道正常安全施工。
同时,研究成果的推广应用也使隧道工程面对突发事故可迅速处理,能提高了工程设计和施工速度,具有实现综合成本低、施工周期短、安全性好、环境影响小的重大社会意义。
8.3环保、节能等效益