總結了近年來我國壹批大型基礎設施建設工程,如青藏鐵路、深圳地鐵、上海跨江隧道等地下工程施工中所采用的新工藝和新技術。
青藏鐵路的開工建設和順利實施,為解決高原凍土區地下工程的施工提供了良好的試驗基礎;同時,城市地鐵工程的建設也對解決復雜城市地質環境條件下地下工程施工提出了新的挑戰;而大型橋梁、跨江隧道和海上設施的建設使水下的地下工程施工面臨更高的技術要求。壹系列大型基礎設施的建設並完工極大地促進了地下工程施工技術水平,及時總結和完善這些地下工程施工新工藝和其他技術成果將為今後的地下工程施工提供良好的技術支持和保證,對推動我國地下工程的施工帶來巨大的促進作用。本文結合近年來我國壹些大型基礎設施建設工程,如青藏鐵路、深圳地鐵、上海跨江隧道等施工過程中取得的地下工程施工技術成果,對新工藝進行介紹,以便為今後類似工程的施工提供借鑒。
1凍土區地下工程施工新工藝
青藏鐵路格爾木至拉薩段全長1100多km,穿越世界海拔最高、有世界屋脊之稱、施工條件惡劣的青藏高原。在高海拔多年凍土區修建鐵路在世界上也是第1次,無成熟的施工經驗,技術含量高。
1.1多年凍土區鉆孔灌註樁施工工藝
其關鍵工藝是減少施工過程產生的各種熱量,如鉆孔的摩擦熱、回填料的熱量、灌註樁混凝土的水化熱等,避免樁周地基土溫度場急劇變化,引起樁周地基土壹定範圍升溫和融化。同時由於凍土區有季節的變化,表層的季節融化層隨季節的變化將產生凍脹力,消除這些凍脹力也是鉆孔灌註樁的壹個重點。
為減少施工熱量對凍土區的影響,盡快形成新的熱平衡狀態,多年凍土區鉆孔灌註樁樁身混凝土澆築後,須經過壹個階段的熱交換過程後方可進行承臺以上部分施工,壹般熱交換的時間為60d,60d後方可認為樁基已基本穩定。
樁基在使用過程中由於凍土季節的變化將產生凍脹力。根據凍脹力作用於基礎表面的部位和方向,可劃分為3種:切向凍脹力、水平凍脹力和法向凍脹力(見圖1)。水平凍脹力相互抵消,對工程造成破壞的主要是凍脹產生的切向力和法向力。在工程建設中,采取以下措施可以防止樁基礎凍脹:①為避免樁基礎受到法向凍脹力,將樁基礎嵌入多年凍土天然上限以下壹定深度;②將鋼制擴筒埋入多年凍土上限以下至少0.5m,護筒內徑比樁徑大10cm,並於護筒外圍塗渣油,成樁後不拆除護筒,減少外表面的親水程度;③盡量采用高樁承臺,凍脹嚴重地區采用鉆孔擴底樁;④在護筒外側、低樁承臺底部采用渣油拌制粗顆粒土回填。以上措施能有效地減小切向凍脹力,降低凍土對護筒的上拔凍脹力(見圖2);⑤鉆孔采用旋挖鉆機幹法成孔保證孔位置正確和鉆孔的垂直度;⑥采用低溫早強耐久混凝土,避免了混凝土低溫澆築帶來的強度增長慢的問題。
1.2多年凍土隧道施工工藝
高原多年凍土隧道工程施工可借鑒的經驗較少,其核心在於盡量減少氣溫升高對凍土的影響,避免凍土融化壓縮下沈和凍脹力造成施工災害和運營隱患。
凍土的抗壓強度很高,其極限抗壓強度甚至與混凝土相當。凍土融化後的抗壓強度急劇降低,所形成的熱融沈陷和下壹個寒季的凍脹作用常常造成工程建築物失穩而難以修復。
含水的松散巖石和土體,溫度降低到0℃時,伴隨有冰體的產生,這是凍結狀態的主要標誌。水結成冰時,體積增加約9%,使土體發生凍脹。土凍結時不僅原位置的水凍結成冰,而且在滲透力(抽吸力)作用下,水分將從未凍區向凍結鋒面轉移並在那裏凍結成冰,使土的凍脹更加強烈。
土在凍結過程中由於水變冰體積增大,並引起水分遷移、析冰、凍脹、土骨架位移,因而改變土的結構。在融化過程則必然伴隨著土顆粒的位移,充填冰融化排出的空間,產生融化固結,從而引起局部地面的向下運動,即熱融沈陷(熱融下沈)。
為避免隧道施工中熱融沈陷,凍土隧道施工的關鍵工藝是作好保溫措施。
隧道保溫施工工藝主要包括:優選寒季施工明洞及洞口工程,開挖施工時增設遮陽保溫棚,阻隔太陽輻射能量對凍土的影響。正洞采用弱爆破及光面爆破技術減少對凍土的擾動和超欠挖,開挖後清除拱(墻)夾層散碎冰塊,迅速噴混凝土封閉巖面;采用有軌運輸減少洞內廢氣汙染,減少通風次數和風量;暖季采用夜間放炮通風和冷風機通風等措施將洞內掌子面溫度控制在5℃以下,盡量縮小洞室開挖斷面外的凍土融化圈。隧道全長全斷面鋪設“防水層保溫板防水層”,阻隔隧道竣工後洞內溫度變化對凍土的擾動,確保運營安全。
影響土體凍脹的主要因素是土體類型、含水狀況和凍結條件。凍土學家經過長期的試驗證明:粗顆粒土凍脹小甚至不凍脹,而細顆粒土壹般凍脹較大。土體含水量大則凍脹嚴重,當土體含水量小於某壹值時,土的凍脹率為零。為防止凍脹對明洞及洞口工程結構的影響,將明洞及洞口仰坡周邊凍脹影響範圍內的富冰凍土、飽冰凍土和含土冰層挖除,用粗顆粒土換填,嚴格控制粗顆粒土的含水量,換填後作好防排水設施。
工程實例:青藏鐵路風火山多年凍土隧道全長1338m,是世界上海拔最高的凍土隧道,多年凍土上限1～1.8m,凍土層厚達100～150m。洞身全部位於凍土之中。在施工過程中充分把握凍土的工程性質,采用註漿管棚、註漿錨桿、洞內光面爆破等開挖技術並綜合運用粗顆粒土換填明洞覆蓋層,全長、全斷面設置多重保溫層,以及保溫、控溫、供氧、噴射混凝土、信息監控等多項技術,盡量縮小凍土融化圈,使凍土隧道重建新的熱量平衡系統,滿足了安全、優質、高效的建設要求。
此外凍土區防溫措施還有傾填片石通風路基施工工藝,高溫細粒土鋪設保溫板路基施工技術,高溫細粒土熱棒路基施工技術等,這些措施都可以大大減少路基承載後對凍土的熱融影響。
2地鐵和過江隧道施工新工藝
隨著我國城市化快速發展,大城市的交通壓力日益增大,大規模的城市地鐵建設勢成必然。對於沿江規劃的城市過江隧道的建設也越來越多。這類工程建設往往規模大,施工環境惡劣,施工技術復雜,下面簡單介紹幾種施工新工藝。
2.1地鐵施工中的樁基托換技術
地鐵建設中不可避免遇到樁基托換工程。深圳地鐵百貨廣場大軸力樁基托換技術研究,解決了大軸力樁基托換的主要關鍵技術問題,豐富了樁基托換工程的施工工藝。
樁基托換形式是我國托換技術應用的常見形式。樁基托換的核心技術在於新樁和舊樁荷載的轉換,要求在轉換過程中托換結構和新樁的變形限制在上部結構允許範圍內。針對上述變形的控制,托換的機制可分為主動和被動托換。主動托換主要是在舊樁截樁之前,對新樁和托換結構加載,消除部分新樁和托換結構的變形,使得托換後樁和結構的變形限制在允許範圍內。該技術應用於大軸力、結構物對變形要求嚴的情況。被動托換是在舊樁切除過程中,將荷載傳遞到新樁,托換後的樁和結構變形難以控制,該技術適用於小噸位和對結構變形控制不嚴的情況。深圳地鐵國貿老街區間百貨廣場大廈樁基托換工程具有托換樁多(6根)、軸力大(18000kN)、樁徑大(2000mm)、地質條件差、地下水頭高、托換位置深(地下2層)、使用環境復雜(中間穿越地鐵,振動影響)等特點,目前國內外尚無類似大軸力托換施工經驗(國外日本類似托換最大軸力8750kN,國內5900kN)可借鑒。
深圳地鐵壹期工程線路由於受走向及最小半徑(Rmin=300m)等條件限制,必須從百貨廣場大廈裙樓下穿越。由此產生樁基礎托換問題。百貨廣場主樓22層,裙樓9層,地下室3層,為框梁剪力墻結構,基礎為獨立樁基端承樁。樁端持力層(強風化層)承載力標準值2700kPa,樁身直徑最大2000mm的人工挖孔樁(C25),根據樓層估算托換樁最大設計軸力約18900kN。
區間隧道通過百貨廣場、深南東路、華中酒店,由於暗挖隧道位置及其上部建築物的影響,部分樁在隧道內或緊靠隧道,須托換百貨廣場9層裙樓樁6根(樁徑2000mm,樁基持力層均在隧道結構面以下基巖),最大軸力18000kN。
根據百貨廣場的結構、基礎形式及操作空間,百貨廣場樁基托換采用梁式托換結構柱的形式,托換新樁采用人工挖孔樁,整個托換工程在地下3層室內進行。
根據高層結構變形要求,裙樓樁基采用主動托換。托換時,在托換梁和新樁之間設置加載千斤頂,利用千斤頂加載,使上部結構有微量頂升位移,同時使新樁的大部分沈降位移在頂升時預壓完成,從而通過主動加載實現作用在原結構樁上的荷載經托換大梁轉移至新樁上,且原樁(柱)頂升值和新樁沈降也得到有效控制。截樁在開鑿人工孔至托換梁底下後逐步進行。截樁後隧道暗挖、襯砌變形穩定後(期間千斤頂裝置及時調整),托換梁與新樁連接形成永久結構,托換完成。樁基托換及隧道施工全過程都實行嚴格的全過程監控、量測,確保了結構安全。
通過嚴格的計算和施工操作,通過技術攻關,解決了軟弱地層樁基開挖支護、托換梁以及截樁、力的轉換等技術難題,保證了百貨廣場等高層建築物、地下管線的安全和正常使用。
該工程樁基托換原理如圖3所示。
2.2過江隧道施工中的水平凍結法
地下隧道之間的連接通道凍結法施工是利用人工制冷技術,使地層中的水變冰,把天然土變成凍土,增加其強度和穩定性,隔絕地下水與地下結構的聯系,以便在凍結壁的保護下進行聯絡通道施工的壹種特殊施工方法。
制冷技術是用氟裏昂作制冷劑的三大循環系統完成的。三大循環系統分別為氟裏昂循環系統、鹽水循環系統和冷卻水循環系統。制冷三大循環系統構成熱泵,將地熱通過凍結孔由低溫鹽水傳給氟裏昂循環系統,再由氟裏昂循環系統傳給冷卻水循環系統,最後由冷卻水循環系統排入大氣。隨著低溫鹽水在地層中的不斷流動,地層中的水逐漸結冰,形成以凍結管為中心的凍土圓柱,凍土圓柱不斷擴展,最後相鄰的凍結圓柱連為壹體並形成具有壹定厚度和強度的凍土墻或凍土帷幕。水平凍結加固原理如圖4所示。
在實際施工中,通過水平鉆進凍結孔,設置冷凍管,並利用鹽水為熱傳導媒介進行凍結。壹般是在工地現場內設置凍結設備,冷卻不凍液(壹般為鹽水)至-22～-32℃。其主要特點有:
(1)可有效隔絕地下水,對於含水量>10%的含水、松散、不穩定地層均可采用凍結法施工。
(2)凍土帷幕的形狀和強度可視施工現場條件、地質條件靈活布置和調整,凍土強度可達4～10MPa,能有效提高工效。
(3)凍結法施工對周圍環境無汙染,無異物進入土壤,噪聲小。
(4)影響凍土強度的因素多,凍土屬於流變體,其強度既與凍土的成因有關,也與受力的特征有關,影響凍土的主要因素有凍結溫度、土體含水率、土的顆粒組成、荷載作用時間和凍結速度等。
凍結法的關鍵施工技術包括:
(1)確定凍結主要技術指標,即根據實際工況,確定積極凍結期和維護凍結期的鹽水溫度、凍土墻平均溫度和凍土強度。
(2)凍結孔布置和施工,即根據連接通道平面尺寸和結構受力特征,設計布置凍結孔,同時凍結孔布置應根據管片配筋圖微調凍結孔偏斜,控制孔徑向外的偏角在0.5°～10°範圍。
(3)凍結站設計、積極凍結和維護凍結施工,計算凍結冷量,根據冷量需要選擇冷凍機組。
(4)連接通道開挖與構築施工方法及其順序。
(5)施工監測監控。
上海市大連路越江隧道工程由東、西2條隧道組成,2條隧道之間設有連接通道,均位於黃浦江底下,相距約400m。位於浦西岸邊的連接通道(壹),東西線隧道中心間距35.705m,隧道間高差3.565m,連接通道凈距約25.665m;位於浦東岸邊的連接通道(二),東西線隧道中心間距27.575m,隧道間高差0.345m,連接通道凈距為17.175m。2條連接通道所處地層為砂質粉土和粘質粉土,滲透系數大、承壓水頭高,為滿足通道的施工安全采用凍結法施工。工程實踐表明,連接通道凍結施工技術具有凍結速度快、凍土強度高、帷幕均勻性好、抗滲漏性能高、與隧道管片結合嚴密、施工安全可靠的優點。對於長距離、大深度、高承壓水條件下的江底連接通道的施工,其安全可靠性較能保證。融沈作為凍結法施工中不可避免的情況,可通過隧道及連接通道預留的註漿孔,及時地對地層進行補償註漿,減小融沈量。在數條連接通道的施工中,已經充分顯示出其優越性和社會經濟價值。
2.3地鐵車站三拱兩柱結構暗挖中洞施工工藝
隨著我國城市地鐵和交通快速軌道的發展,修建地鐵的大城市也越來越多。由於地鐵所經過的地段大部分為繁華的商業區,有些地段受拆改費用、交通占道、地下管線保護、古文物保護、環境保護等方面的影響,明挖(蓋挖)地鐵車站受到限制,只能采用暗挖法施工,從而出現了暗挖地鐵車站。
北京地鐵五號線磁器口車站、天壇東門站、崇文門站工程,采用三拱兩柱暗挖車站中洞法綜合配套施工技術,保證了工程質量和安全,按期完成了施工任務,取得了良好的社會效益。該技術適用於圍巖自穩能力較差的地鐵大跨雙層暗挖車站及多連拱等地下停車場、地下商場、大跨公路、鐵路隧道的施工。
暗挖車站中洞法施工的技術特點:
(1)采用CRD(CrossDiaphragm)施工方法完成中洞開挖,形成安全中洞初期支護體系。
(2)在中洞內完成底板、底梁、鋼管柱、中板、頂梁和中拱,形成穩定中洞支撐體系,承受圍巖主要荷載,為邊洞開挖提供安全條件。
(3)采用CRD法對稱完成邊洞開挖。
(4)拆除臨時初期支護體系,完成邊洞二襯施工。
(5)體系轉換過程中,合理確定分段長度,同時加設鋼支撐。
(6)充分發揮監控量測作用,信息化指導施工。
暗挖車站中洞法施工的工藝原理:把大跨地質較差的隧道分成三部分,各部分條塊分割,保證開挖期間安全,先形成中洞初期臨時結構,在臨時結構內施做永久襯砌結構,形成中部穩定支撐,承受圍巖主要荷載,然後對稱開挖邊洞部分的各分塊,最後形成整體結構。體系轉換過程中,結合監測情況加設鋼支撐。其工藝流程為:施工準備→超前管棚→註漿加固→中洞各部開挖→防水層鋪設→中洞底板、底梁→立柱→中洞中板→頂梁、中拱→超前管棚→註漿加固→邊洞各部開挖→臨時隔壁拆除→防水層鋪設→邊洞底板→邊墻、中板→邊拱→二次襯砌背後註漿。地鐵車站三拱兩柱結構暗挖中洞法施工如圖5所示。
磁器口車站是北京地鐵5號線與規劃北京地鐵7號線的換乘站,車站全長180m,寬21.87m,高14.933m。車站建築面積為12244.2m2,車站主體覆土深度為9.8～10.3m。車站為雙層島式三拱兩柱結構,車站地下1層為站廳層,預留通道實現與七號線換乘,地下2層為站臺層。車站施工采用本法,保證了工程施工安全和質量,獲得了成功。
3水下基礎施工工藝
3.1海上基礎工程施工
隨著基礎設施的建設,跨海大橋等海上工程逐漸增多,壹批規劃和在建的大橋,如渤海灣跨海工程、長江口跨江工程、杭州灣跨海工程(在建)、珠江口伶仃洋跨海工程以及瓊州海峽工程等對海上基礎施工帶來了新的挑戰。大型跨海、跨江工程基礎采用大直徑、長基樁是必然的趨勢,結構鋼管樁、臨時鋼護筒及海上平臺臨時鋼管樁將大量采用。這些都對打樁船提出了新的要求。而配有高樁架,強大吊樁動力系統,大能量打樁錘及先進的海上沈樁GPS測量定位系統的打樁船能出色的完成海上錘擊沈樁的任務。
從大的方面來看,海上沈樁系統包括打樁船、運樁船、拋錨艇、拖輪及交通船等船舶組合。單從鋼管樁的沈入工序來看,打樁船為鋼管樁沈入的主體,其主要由以下幾個部分組成:船體系統(包括船體、錨位系統、動力系統)、樁架及其吊樁系統、錘擊沈樁系統(包括打樁錘、替打)、海上沈樁GPS測量定位系統等。尤其是GPS能實現遠離岸邊施工船的定位和定位過程中數據的自動采集與處理,並以圖形和數字的形式反映施打樁的當前和設計位置,便於操作人員調整船位進行施工打樁,同時還能自動生成打樁報表以及進行數據的回放,從而給海上沈樁帶來便利。
海上沈樁定位采用“海上沈樁GPSRTK測量定位系統”來實現,如圖6所示。
安裝在打樁船上的3個GPS接收機接收建立在陸地的基準站及海中參考站發射的固定頻率數據鏈,以此作為定位的基準數據。其工作原理:定位時,由固定在打樁船上的GPS流動站以RTK方式控制船體的位置、方向和姿態,同時配合2臺固定在船上的免棱鏡測距儀測定樁身在壹定標高上的相對於船體樁架的位置,由此可推算出樁身在設計標高上的實際位置,並顯示在系統計算機屏幕上。通過與設計坐標比較,進行移船糾位,直至偏位滿足要求。樁身的傾斜坡度由樁架控制。樁頂標高根據由免棱鏡測距儀發出的紅色水平光束所指塗畫在樁身上的刻度,通過系統計算得出。具體定位前,將所要定位樁的設計中心坐標、高程、平面扭角等參數輸入計算機內,定位時,可在顯示屏上顯示實時樁位數據與圖形,同時也顯示設計沈樁位置和偏差,打樁船指揮人員根據顯示的有關信息指揮打樁船正確就位。
本工藝適用於海洋、大江中的橋梁、碼頭的結構鋼管樁、臨時鋼護筒及水中平臺臨時鋼管樁的沈入施工,有以下明顯的優點:①能在海況惡劣的海域中進行作業;②能夠適應超長、大直徑鋼管樁的沈樁施工;③能滿足不同傾斜度和平面偏角斜樁的沈樁施工;④能使鋼管樁穿過不同的土層;⑤測量定位簡單快捷,精度滿足要求;⑥施工周期短(單根直徑1.6m,長80m左右的鋼管樁沈樁施工全過程僅為2.5h)。這在在建的杭州灣大橋工程中得到了實踐。
3.2無導向船雙壁鋼圍堰下沈施工技術
基礎施工中,傳統采用的鋼板樁圍堰鉆孔樁基礎和沈井沈至基層的基礎,存在著影響工程進度的2個薄弱環節:①鋼板樁圍堰鉆孔樁基礎采用單層鋼板樁,沈井沈至基層的基礎在沈井頂上安設的防水圍堰,壹般強度較小,圍堰內抽水工序的安排受到施工水位的限制;②沈井基礎嵌入巖層清除風化巖的消基工作非常費工費時,特別是在深水急流中工程進度直接制約著整個基礎的安全渡洪。相比而言,雙壁鋼圍堰鉆孔樁基礎采用雙壁鋼圍堰防水結構,該結構吸收了上述2種施工結構的優點,實質上就是壹個圓形浮式井筒和防水圍堰結合起來的施工結構,能夠承受較大的向內或向外的水壓力,壹般情況下,基礎施工工序的安排不受外界季節性水位變化的影響。
雙壁鋼圍堰由內外兩板壁組成,板壁間以剛性支撐予以連接,由於兩板壁之間為空腔,底部以環形刃腳封閉,使其具有自浮能力,在底節處於浮起的情況下可以根據設備起重能力逐節加高板壁,在空腔內註水配重並通過吸泥機吸泥促使其下沈,直至將鋼圍堰下沈至設計指定位置,並通過灌註水下封底混凝土使其保持穩定,而後根據設計要求進行鉆孔樁施工,鉆孔平臺可直接搭設在鋼圍堰頂面。
采用無導向船雙壁鋼圍堰下沈施工,由於取消了龐大的導向船、聯結梁體系等,錨碇系統所承受的風力和水流作用力大大減少,從而簡化了錨碇設備的配置與施工,加快了施工進度,節省了鋼料和水上設備。同時雙壁鋼圍堰結構為浮式沈井,既便於浮運就位又能夠承受較大的水壓力,還可以克服下沈時底部翻砂的弊病,而且圍堰吸泥下沈就位時間短,施工安全。特別適用於通航條件要求高,施工區域狹窄,砂粘土及卵石土地層,無法設置導向船的水上施工項目。
該工藝應用於四川隆納鐵路瀘州長江大橋水中基礎施工,順利完成了深水基礎施工任務,確保大橋按期完工。對於類似的深水基礎施工,有廣泛的推廣應用價值。
4結語
我國土地遼闊、幅員廣大,自然地理環境不同,土質各異,地下工程的區域性強,這使得地下工程施工具有較大的差異性和復雜性。結合不同的工程特點不斷進行創新是地下工程施工技術得以提高的根本。本文通過介紹近年來我國完成的幾種新型地下工程施工工藝,期望能給予地下工程施工壹些啟發,在此基礎上壹方面積極推廣應用這些新工藝,更重要的是在應用的基礎上不斷創新,使我國的地下工程施工不斷邁上新臺階。
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