顶管近距离穿越运营中地铁隧道施工技术.docx

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顶管近距离穿越运营中地铁隧道施工技术

顶管近距离穿越运营中地铁隧道施工技术

发布时间：

2008-7-315:

08:

55

顶管近距离穿越运营中地铁隧道施工技术

摘　要:

电力电缆顶管隧道施工须穿越运营中地铁上方,需采取严格施工控制措施,控制地铁隧道变形,限制施工对地铁隧道上方土体产生扰动,工程采用了周密泥浆套稳定控制技术、轴线控制技术等多项技措,很好地控制了地铁隧道变形;施工中应用MARC软件建立了电力电缆顶管隧道穿越地铁隧道三维数值计算模型。

施工结束后,实测数据及模型计算值较吻合,为今后此类施工提供了借鉴。

关键词:

电力电缆顶管隧道;穿越;地铁隧道;施工技术

1工程概况及施工特点

1.1工程概况

    西藏路电力顶管隧道工程采用三维曲线顶管法施工,管道内径2.7m,外径3.2m。

电力隧道全长约3.03km,北起新疆路,南至复兴中路。

其中4号顶管工作井位于西藏中路、九江路路口,3号工作井位于西藏中路、新闸路路口,4~3区间设计长度576m,在距4号工作井（顶管始发井）约108m处,电力顶管隧道从运行中地铁2号线隧道上方穿越,整个穿越2号线上行、下行线隧道总投影长度约25.0m,电力顶管隧道及地铁隧道之间净距离约1.5m,影响投影宽度为3.3m,电力隧道设计中心线及地铁2号线间所夹锐角约为75°。

电力隧道及地铁2号线间相对位置见图1所示。

1.2施工特点

（1）运行中地铁2号线隧道保护要求非常高,其长期变形控制值为:

累计竖向沉降（隆起）小于±2mm;隧道横向变形小于±2mm;变形速率小于0.2mm/h。

（2）顶管从地铁隧道上方穿越,净距仅1.5m,且穿越距离较长,影响范围较大。

     （3）类似穿越施工中,多数采用是盾构法施工,即机头穿越并完成管片拼装后,后续施工对被穿越隧道扰动少,但本工程采用顶管法施工,机头穿越后,由于整个管道仍然在移动,扰动要持续到整个区间贯通为止。

     （4）顶管穿越土层土质为淤泥质粉质粘土,土质较差,并且在电力隧道顶进穿越前,南京东路—西藏中路下沉式广场已施工,该工程围护结构施工和开挖施工已经对地铁2号线上方土体产生了扰动,本工程施工属于二次扰动,土体各项指标变化较大,更容易对地铁隧道稳定产生破坏。

2关键施工技术措施

2.1选用大刀盘泥水平衡顶管掘进机

     国内外大量工程实践证明大刀盘泥水平衡顶管掘进机对地表沉降控制精度最高、效果最好[1,2]。

本次施工选用是面板式2.7m大刀盘泥水平衡顶管掘进机,被切削土体从主切削刀刃缝隙中进入泥水舱,泥水舱内土体在刀盘后搅拌棒和泥水共同作用下破碎成为泥浆,通过控制泥水舱泥水压力和泥浆比重来平衡开挖面水土压力,使开挖面始终处于稳定状态。

面板式大刀盘切削刀设计和布置还参考了日本有关掘进机形式,满足最佳切削效果,同时使得进泥流畅,对开挖面扰动又最小,使开挖面处于最佳平衡状态,机头正面土体产生挤压应力大为减小,切削面以外土体扰动相应减小。

2.2触变泥浆压浆控制技术

     在顶管管节外壁及土层之间形成良好性能触变泥浆套,不仅可使顶进阻力成倍下降,而且对控制地表沉降、减少土体扰动有很好效果。

因此,在实施穿越时,为了确保完整泥浆套形成,严格控制泥浆质量并选用优质膨润土,并根据穿越前100m顶进情况,不断优化泥浆配比,以确定泥浆配比为:

膨润土∶CMC∶纯碱=1000∶60∶8（重量比,下同）;膨润土∶水=1∶6。

在控制好泥浆配比同时,控制泥浆拌制质量;拌制好泥浆静置24h后,要求漏斗粘度时间大于26s,并使用前再次搅拌。

其次,在压浆时还着重控制以下4个方面:

（1）出洞口止水装置要确保不渗漏,管节接口和中继间密封性能良好,是形成泥浆套先决条件;

（2）从出洞口开始压浆,出洞口压浆可以避免管子进入土体后被握裹,进而引起“背土”恶果;管道在“背土”条件下运动将对土体产生很大扰动;

     （3）机尾同步压浆,使泥浆套随机头不断延伸,若不及时压浆,机壳外面也很容易产生背土现象,尤其是在穿越地铁隧道阶段,确保机尾处泥浆套形成对减少土体扰动非常重要;

     （4）对管道沿线定时补浆,不断弥补浆液向土层渗透量,在穿越过地铁隧道后后续顶进中,不断地补浆有助于减少管道前移时对地铁隧道上方土体摩擦扰动。

2.3测量和轴线控制技术

     确保穿越段顶管姿态关键在于控制好顶进轴线。

在进入穿越段前30m,顶进测量频率提高到1次/m,并每顶进15m就进行一次顶进轴线复核,确保顶管机头在进入穿越段之前处于准确姿态,轴线偏差控制在10mm以内。

     进入穿越段后,每顶进50cm测量一次顶管姿态,做到勤推、勤测、勤纠。

避免因为轴线出现过大偏差而进行强制纠偏,从而将对管体外土体扰动减少到最小。

2.4合理制定主要施工参数

     据同类工程施工经验及研究成果可知,顶管施工中对周围环境和邻近已建隧道隆沉变形有明显影响是:

正面水土压力、顶管推进速度、顶管姿态等。

其中顶管姿态取决于顶进测量精度和纠偏效果。

而正面水土压力和推进速度则比较难以确定,通过对地质资料仔细研究,并根据相关方面专家咨询意见,考虑到既要保护地铁2号线隧道安全,又要保证南京东路路口地表以及各种地面、地下建筑物沉降值不超标,最后推进速度和刀盘正面水土压力确定为:

推进速度为20mm/min;刀盘正面水土压力为机头中心位置静止土压力1.00~1.05倍左右。

2.5多组纠偏特殊管纠偏系统

     采用多组纠偏系统形成整体弯曲弧度,有利于掘进机和随后管节顺利地曲行。

除机头本身具有4组8只纠偏油缸外,本工程还选用了由6节纠偏特殊管组成纠偏系统。

纠偏特殊管为带凹坑特殊管,每节管节可附加4个纠偏油泵,成45°斜线上下方排列。

当管道进入曲线段时候,启动短油缸,并在管接口断面设木衬垫,形成及设计相符夹角。

在施工过程中,根据轴线变化,不断调整起曲油缸行程。

2.6信息化施工

     为了控制施工对周围环境以及地铁2号线影响,对地表沉降、地下管线变形、建筑物变形等外部环境进行监测,并通过时间序列、回归分析等手段进行施工预测,指导施工;同时对地铁2号线隧道沉降、侧移、断面变形等进行监测[3,4]。

在穿越阶段,当顶管推进到地铁隧道前方30m处时,进行初始值监测;在未到达地铁隧道线时,每天监测次数定为2次;当顶管机头推进到地铁隧道上方后,监测频率调整为每2h一次;机头越过地铁隧道上方后,恢复为每天2次。

如遇变形超过报警值,将随时进行跟踪监测。

2.7控制泥浆置换质量

     当4~3区间电力隧道贯通后,及时利用触变泥浆压注孔对管道外触变泥浆进行纯水泥浆置换,并对电力隧道及地铁2号线隧道穿越投影段,以及投影段两侧各30m范围电力隧道管道外3m以内土体进行了双液注浆加固,从而减少了管道后期沉降。

3三维数值模拟及实测对比

3.1计算模型

     模型计算区域:

100m（电力顶管隧道纵向）×60m（电力顶管隧道横向）×40m（深度）,计算软件采用MARC。

土体用实体单元模拟,隧道衬砌采用壳体单元模拟。

计算模拟了顶管逐步顶进施工过程,共分13个施工步骤。

计算模型及电力顶管及2号线之间相对位置关系如图2、图3所示。

3.2计算参数

     土层材料及衬砌参数如表1和表2所示。

3.3结果分析

     地铁2号线竖向及横向变形随顶进距离变化情况如图4及图5所示。

     在顶管穿越地铁2号线隧道施工过程中,进行了严密地铁隧道和周边环境变化监测。

所测数据表明,由于施工参数选取科学、合理,各项技术措施有效落实,电力隧道顶进穿越对运行中地铁2号线隧道和周边环境变化都非常小,均严格控制在允许范围内。

其中地铁2号线隧道变形如图6所示。

     图5中,以距离2号线40m为坐标原点;竖向变形以正值表示上浮;横向位移正值表示向着4号工作井,负值表示向着3号工作井。

在未考虑土体加固情况下,电力顶管隧道通过地铁隧道后,理论上地铁2号线隧道竖向最大变形为3.3mm,横向最大变形为0.39mm。

     图6中,隧道变形值均为正,表示上浮;顶进距离起点以距离4号工作井80m（即穿越地铁隧道前30m）处开始计算,4~3区间全长顶进576m;穿越地铁2号线隧道长25m,对应顶进距离为30~55m。

在电力隧道贯通2个月后,测得地铁隧道累计上浮变形0.84mm,产生侧向位移0.2mm。

     计算结果表明:

2号线盾构隧道最大上浮3.3mm。

采用同济曙光进行2维有限元计算,计算结果表明2号线盾构隧道最大上浮3.0mm,实测结果为0.8mm;实测值及计算值总体变形趋势很吻合。

由于顶管隧道及地铁隧道有一定夹角,顶管施工对地铁侧向变形有一定影响,如图5所示。

4结语

（1）根据具体地质条件、环境条件和施工工艺特点,制定了合理泥浆套、后期注浆加固周边土体等控制技术措施以及选取合理施工技术参数,为顺利穿越提供了技术保证。

（2）施工过程中,按照信息化施工原则,及时对各项施工参数进行改进,将施工对地铁隧道影响控制到最小程度。

     （3）结合顶管施工过程对地铁2号线影响进行了详细3维数值模拟,实测值和计算模拟值变形趋势吻合较好,累计变形误差相对较小。

     （4）电力顶管隧道顺利穿越运行中地铁2号线,为今后该类工程施工积累了一定经验,具有很好借鉴价值。

参考文献:

[1]刘建航,候学渊.软土市政地下工程施工技术手册[Z],上海:

上海市市政工程管理局,1990.

[2]白云,周松等.软土地下工程施工技术[R],上海:

上海隧道工程股份有限公司,2000.

[3]陈卫明.特殊地段顶管施工沉降控制技术[J].中国市政工程,2003,（6）:

35~37.

[4]房营光,莫海鸿等.顶管施工扰动区土体变形理论及实测分析[J].岩石力学及工程学报,2003,22（4）:

601~605.

文章来源：

《上海电力》原作者：

朱伟林,徐智华