我国地下工程施工新技术综述[摘要]总结了近年来我国一批大型基础设施建设工程,如青藏铁路、深圳地铁、上海跨江隧道等地下工程施工中所采用的新工艺和新技术。[关键词]地下工程;冻土;水下工程;隧道;施工技术 青藏铁路的开工建设和顺利实施,为解决高原冻土区地下工程的施工提供了良好的试验基础;同时,城市地铁工程的建设也对解决复杂城市地质环境条件下地下工程施工提出了新的挑战;而大型桥梁、跨江隧道和海上设施的建设使水下的地下工程施工面临更高的技术要求。一系列大型基础设施的建设并完工极大地促进了地下工程施工技术水平,及时总结和完善这些地下工程施工新工艺和其他技术成果将为今后的地下工程施工提供良好的技术支持和保证,对推动我国地下工程的施工带来巨大的促进作用。本文结合近年来我国一些大型基础设施建设工程,如青藏铁路、深圳地铁、上海跨江隧道等施工过程中取得的地下工程施工技术成果,对新工艺进行介绍,以便为今后类似工程的施工提供借鉴。1冻土区地下工程施工新工艺 青藏铁路格尔木至拉萨段全长1100多ｋｍ,穿越世界海拔最高、有世界屋脊之称、施工条件恶劣的青藏高原。在高海拔多年冻土区修建铁路在世界上也是第1次,无成熟的施工经验,技术含量高。1.1 多年冻土区钻孔灌注桩施工工艺 其关键工艺是减少施工过程产生的各种热量,如钻孔的摩擦热、回填料的热量、灌注桩混凝土的水化热等,避免桩周地基土温度场急剧变化,引起桩周地基土一定范围升温和融化。同时由于冻土区有季节的变化,表层的季节融化层随季节的变化将产生冻胀力,消除这些冻胀力也是钻孔灌注桩的一个重点。 为减少施工热量对冻土区的影响,尽快形成新的热平衡状态,多年冻土区钻孔灌注桩桩身混凝土浇筑后,须经过一个阶段的热交换过程后方可进行承台以上部分施工,一般热交换的时间为60ｄ,60ｄ后方可认为桩基已基本稳定。 桩基在使用过程中由于冻土季节的变化将产生冻胀力。根据冻胀力作用于基础表面的部位和方向,可划分为3种:切向冻胀力、水平冻胀力和法向冻胀力(见图1)。水平冻胀力相互抵消,对工程造成破坏的主要是冻胀产生的切向力和法向力。在工程建设中,采取以下措施可以防止桩基础冻胀:①为避免桩基础受到法向冻胀力,将桩基础嵌入多年冻土天然上限以下一定深度;②将钢制扩筒埋入多年冻土上限以下至少0.5ｍ,护筒内径比桩径大10ｃｍ,并于护筒外围涂渣油,成桩后不拆除护筒,减少外表面的亲水程度;③尽量采用高桩承台,冻胀严重地区采用钻孔扩底桩;④在护筒外侧、低桩承台底部采用渣油拌制粗颗粒土回填。以上措施能有效地减小切向冻胀力,降低冻土对护筒的上拔冻胀力(见图2);⑤钻孔采用旋挖钻机干法成孔保证孔位置正确和钻孔的垂直度;⑥采用低温早强耐久混凝土,避免了混凝土低温浇筑带来的强度增长慢的问题。
1.2多年冻土隧道施工工艺 高原多年冻土隧道工程施工可借鉴的经验较少,其核心在于尽量减少气温升高对冻土的影响,避免冻土融化压缩下沉和冻胀力造成施工灾害和运营隐患。 冻土的抗压强度很高,其极限抗压强度甚至与混凝土相当。冻土融化后的抗压强度急剧降低,所形成的热融沉陷和下一个寒季的冻胀作用常常造成工程建筑物失稳而难以修复。 含水的松散岩石和土体,温度降低到0℃时,伴随有冰体的产生,这是冻结状态的主要标志。水结成冰时,体积增加约9%,使土体发生冻胀。土冻结时不仅原位置的水冻结成冰,而且在渗透力(抽吸力)作用下,水分将从未冻区向冻结锋面转移并在那里冻结成冰,使土的冻胀更加强烈。 土在冻结过程中由于水变冰体积增大,并引起水分迁移、析冰、冻胀、土骨架位移,因而改变土的结构。在融化过程则必然伴随着土颗粒的位移,充填冰融化排出的空间,产生融化固结,从而引起局部地面的向下运动,即热融沉陷(热融下沉)。 为避免隧道施工中热融沉陷,冻土隧道施工的关键工艺是作好保温措施。 隧道保温施工工艺主要包括:优选寒季施工明洞及洞口工程,开挖施工时增设遮阳保温棚,阻隔太阳辐射能量对冻土的影响。正洞采用弱爆破及光面爆破技术减少对冻土的扰动和超欠挖,开挖后清除拱(墙)夹层散碎冰块,迅速喷混凝土封闭岩面;采用有轨运输减少洞内废气污染,减少通风次数和风量;暖季采用夜间放炮通风和冷风机通风等措施将洞内掌子面温度控制在5℃以下,尽量缩小洞室开挖断面外的冻土融化圈。隧道全长全断面铺设“防水层+保温板+防水层”,阻隔隧道竣工后洞内温度变化对冻土的扰动,确保运营安全。 影响土体冻胀的主要因素是土体类型、含水状况和冻结条件。冻土学家经过长期的试验证明:粗颗粒土冻胀小甚至不冻胀,而细颗粒土一般冻胀较大。土体含水量大则冻胀严重,当土体含水量小于某一值时,土的冻胀率为零。为防止冻胀对明洞及洞口工程结构的影响,将明洞及洞口仰坡周边冻胀影响范围内的富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层挖除,用粗颗粒土换填,严格控制粗颗粒土的含水量,换填后作好防排水设施。 工程实例:青藏铁路风火山多年冻土隧道全长1338ｍ,是世界上海拔最高的冻土隧道,多年冻土上限1～1.8ｍ,冻土层厚达100～150ｍ。洞身全部位于冻土之中。在施工过程中充分把握冻土的工程性质,采用注浆管棚、注浆锚杆、洞内光面爆破等开挖技术并综合运用粗颗粒土换填明洞覆盖层,全长、全断面设置多重保温层,以及保温、控温、供氧、喷射混凝土、信息监控等多项技术,尽量缩小冻土融化圈,使冻土隧道重建新的热量平衡系统,满足了安全、优质、高效的建设要求。 此外冻土区防温措施还有倾填片石通风路基施工工艺,高温细粒土铺设保温板路基施工技术,高温细粒土热棒路基施工技术等,这些措施都可以大大减少路基承载后对冻土的热融影响。2地铁和过江隧道施工新工艺 随着我国城市化快速发展,大城市的交通压力日益增大,大规模的城市地铁建设势成必然。对于沿江规划的城市过江隧道的建设也越来越多。这类工程建设往往规模大,施工环境恶劣,施工技术复杂,下面简单介绍几种施工新工艺。2.1地铁施工中的桩基托换技术 地铁建设中不可避免遇到桩基托换工程。深圳地铁百货广场大轴力桩基托换技术研究,解决了大轴力桩基托换的主要关键技术问题,丰富了桩基托换工程的施工工艺。 桩基托换形式是我国托换技术应用的常见形式。桩基托换的核心技术在于新桩和旧桩荷载的转换,要求在转换过程中托换结构和新桩的变形限制在上部结构允许范围内。针对上述变形的控制,托换的机制可分为主动和被动托换。主动托换主要是在旧桩截桩之前,对新桩和托换结构加载,消除部分新桩和托换结构的变形,使得托换后桩和结构的变形限制在允许范围内。该技术应用于大轴力、结构物对变形要求严的情况。被动托换是在旧桩切除过程中,将荷载传递到新桩,托换后的桩和结构变形难以控制,该技术适用于小吨位和对结构变形控制不严的情况。深圳地铁国贸 老街区间百货广场大厦桩基托换工程具有托换桩多(6根)、轴力大(18000ｋＮ)、桩径大(2000ｍｍ)、地质条件差、地下水头高、托换位置深(地下2层)、使用环境复杂(中间穿越地铁,振动影响)等特点,目前国内外尚无类似大轴力托换施工经验(国外日本类似托换最大轴力8750ｋＮ,国内5900ｋＮ)可借鉴。 深圳地铁一期工程线路由于受走向及最小半径(Ｒｍｉｎ=300ｍ)等条件限制,必须从百货广场大厦裙楼下穿越。由此产生桩基础托换问题。百货广场主楼22层,裙楼9层,地下室3层,为框梁 剪力墙结构,基础为独立桩基端承桩。桩端持力层(强风化层)承载力标准值2700ｋＰａ,桩身直径最大2000ｍｍ的人工挖孔桩(Ｃ25),根据楼层估算托换桩最大设计轴力约18900ｋＮ。 区间隧道通过百货广场、深南东路、华中酒店,由于暗挖隧道位置及其上部建筑物的影响,部分桩在隧道内或紧靠隧道,须托换百货广场9层裙楼桩6根(桩径2000ｍｍ,桩基持力层均在隧道结构面以下基岩),最大轴力18000ｋＮ。 根据百货广场的结构、基础形式及操作空间,百货广场桩基托换采用梁式托换结构柱的形式,托换新桩采用人工挖孔桩,整个托换工程在地下3层室内进行。 根据高层结构变形要求,裙楼桩基采用主动托换。托换时,在托换梁和新桩之间设置加载千斤顶,利用千斤顶加载,使上部结构有微量顶升位移,同时使新桩的大部分沉降位移在顶升时预压完成,从而通过主动加载实现作用在原结构桩上的荷载经托换大梁转移至新桩上,且原桩(柱)顶升值和新桩沉降也得到有效控制。截桩在开凿人工孔至托换梁底下后逐步进行。截桩后隧道暗挖、衬砌变形稳定后(期间千斤顶装置及时调整),托换梁与新桩连接形成永久结构,托换完成。桩基托换及隧道施工全过程都实行严格的全过程监控、量测,确保了结构安全。 通过严格的计算和施工操作,通过技术攻关,解决了软弱地层桩基开挖支护、托换梁以及截桩、力的转换等技术难题,保证了百货广场等高层建筑物、地下管线的安全和正常使用。 该工程桩基托换原理如图3所示。
2.2过江隧道施工中的水平冻结法 地下隧道之间的连接通道冻结法施工是利用人工制冷技术,使地层中的水变冰,把天然土变成冻土,增加其强度和稳定性,隔绝地下水与地下结构的联系,以便在冻结壁的保护下进行联络通道施工的一种特殊施工方法。 制冷技术是用氟里昂作制冷剂的三大循环系统完成的。三大循环系统分别为氟里昂循环系统、盐水循环系统和冷却水循环系统。制冷三大循环系统构成热泵,将地热通过冻结孔由低温盐水传给氟里昂循环系统,再由氟里昂循环系统传给冷却水循环系统,最后由冷却水循环系统排入大气。随着低温盐水在地层中的不断流动,地层中的水逐渐结冰,形成以冻结管为中心的冻土圆柱,冻土圆柱不断扩展,最后相邻的冻结圆柱连为一体并形成具有一定厚度和强度的冻土墙或冻土帷幕。水平冻结加固原理如图4所示。
在实际施工中,通过水平钻进冻结孔,设置冷冻管,并利用盐水为热传导媒介进行冻结。一般是在工地现场内设置冻结设备,冷却不冻液(一般为盐水)至-22～-32℃。其主要特点有: (1)可有效隔绝地下水,对于含水量>10%的含水、松散、不稳定地层均可采用冻结法施工。 (2)冻土帷幕的形状和强度可视施工现场条件、地质条件灵活布置和调整,冻土强度可达4～10ＭＰａ,能有效提高工效。 (3)冻结法施工对周围环境无污染,无异物进入土壤,噪声小。 (4)影响冻土强度的因素多,冻土属于流变体,其强度既与冻土的成因有关,也与受力的特征有关,影响冻土的主要因素有冻结温度、土体含水率、土的颗粒组成、荷载作用时间和冻结速度等。 冻结法的关键施工技术包括: (1)确定冻结主要技术指标,即根据实际工况,确定积极冻结期和维护冻结期的盐水温度、冻土墙平均温度和冻土强度。 (2)冻结孔布置和施工,即根据连接通道平面尺寸和结构受力特征,设计布置冻结孔,同时冻结孔布置应根据管片配筋图微调冻结孔偏斜,控制孔径向外的偏角在0.5°～1 0°范围。 (3)冻结站设计、积极冻结和维护冻结施工,计算冻结冷量,根据冷量需要选择冷冻机组。 (4)连接通道开挖与构筑施工方法及其顺序。 (5)施工监测监控。 上海市大连路越江隧道工程由东、西2条隧道组成,2条隧道之间设有连接通道,均位于黄浦江底下,相距约400ｍ。位于浦西岸边的连接通道(一),东西线隧道中心间距35.705ｍ,隧道间高差3.565ｍ,连接通道净距约25.665ｍ;位于浦东岸边的连接通道(二),东西线隧道中心间距27.575ｍ,隧道间高差0.345ｍ,连接通道净距为17.175ｍ。2条连接通道所处地层为砂质粉土和粘质粉土,渗透系数大、承压水头高,为满足通道的施工安全采用冻结法施工。工程实践表明,连接通道冻结施工技术具有冻结速度快、冻土强度高、帷幕均匀性好、抗渗漏性能高、与隧道管片结合严密、施工安全可靠的优点。对于长距离、大深度、高承压水条件下的江底连接通道的施工,其安全可靠性较能保证。融沉作为冻结法施工中不可避免的情况,可通过隧道及连接通道预留的注浆孔,及时地对地层进行补偿注浆,减小融沉量。在数条连接通道的施工中,已经充分显示出其优越性和社会经济价值。2.3地铁车站三拱两柱结构暗挖中洞施工工艺 随着我国城市地铁和交通快速轨道的发展,修建地铁的大城市也越来越多。由于地铁所经过的地段大部分为繁华的商业区,有些地段受拆改费用、交通占道、地下管线保护、古文物保护、环境保护等方面的影响,明挖(盖挖)地铁车站受到限制,只能采用暗挖法施工,从而出现了暗挖地铁车站。 北京地铁五号线磁器口车站、天坛东门站、崇文门站工程,采用三拱两柱暗挖车站中洞法综合配套施工技术,保证了工程质量和安全,按期完成了施工任务,取得了良好的社会效益。该技术适用于围岩自稳能力较差的地铁大跨双层暗挖车站及多连拱等地下停车场、地下商场、大跨公路、铁路隧道的施工。 暗挖车站中洞法施工的技术特点: (1)采用ＣＲＤ(ＣｒｏｓｓＤｉａｐｈｒａｇｍ)施工方法完成中洞开挖,形成安全中洞初期支护体系。 (2)在中洞内完成底板、底梁、钢管柱、中板、顶梁和中拱,形成稳定中洞支撑体系,承受围岩主要荷载,为边洞开挖提供安全条件。 (3)采用ＣＲＤ法对称完成边洞开挖。 (4)拆除临时初期支护体系,完成边洞二衬施工。 (5)体系转换过程中,合理确定分段长度,同时加设钢支撑。 (6)充分发挥监控量测作用,信息化指导施工。 暗挖车站中洞法施工的工艺原理:把大跨地质较差的隧道分成三部分,各部分条块分割,保证开挖期间安全,先形成中洞初期临时结构,在临时结构内施做永久衬砌结构,形成中部稳定支撑,承受围岩主要荷载,然后对称开挖边洞部分的各分块,最后形成整体结构。体系转换过程中,结合监测情况加设钢支撑。其工艺流程为:施工准备→超前管棚→注浆加固→中洞各部开挖→防水层铺设→中洞底板、底梁→立柱→中洞中板→顶梁、中拱→超前管棚→注浆加固→边洞各部开挖→临时隔壁拆除→防水层铺设→边洞底板→边墙、中板→边拱→二次衬砌背后注浆。地铁车站三拱两柱结构暗挖中洞法施工如图5所示。
磁器口车站是北京地铁5号线与规划北京地铁7号线的换乘站,车站全长180ｍ,宽21.87ｍ,高14.933ｍ。车站建筑面积为12244.2ｍ2,车站主体覆土深度为9.8～10.3ｍ。车站为双层岛式三拱两柱结构,车站地下1层为站厅层,预留通道实现与七号线换乘,地下2层为站台层。车站施工采用本法,保证了工程施工安全和质量,获得了成功。3 水下基础施工工艺3.1海上基础工程施工 随着基础设施的建设,跨海大桥等海上工程逐渐增多,一批规划和在建的大桥,如渤海湾跨海工程、长江口跨江工程、杭州湾跨海工程(在建)、珠江口伶仃洋跨海工程以及琼州海峡工程等对海上基础施工带来了新的挑战。大型跨海、跨江工程基础采用大直径、长基桩是必然的趋势,结构钢管桩、临时钢护筒及海上平台临时钢管桩将大量采用。这些都对打桩船提出了新的要求。而配有高桩架,强大吊桩动力系统,大能量打桩锤及先进的海上沉桩GPS测量定位系统的打桩船能出色的完成海上锤击沉桩的任务。 从大的方面来看,海上沉桩系统包括打桩船、运桩船、抛锚艇、拖轮及交通船等船舶组合。单从钢管桩的沉入工序来看,打桩船为钢管桩沉入的主体,其主要由以下几个部分组成:船体系统(包括船体、锚位系统、动力系统)、桩架及其吊桩系统、锤击沉桩系统(包括打桩锤、替打)、海上沉桩ＧＰＳ测量定位系统等。尤其是ＧＰＳ能实现远离岸边施工船的定位和定位过程中数据的自动采集与处理,并以图形和数字的形式反映施打桩的当前和设计位置,便于操作人员调整船位进行施工打桩,同时还能自动生成打桩报表以及进行数据的回放,从而给海上沉桩带来便利。 海上沉桩定位采用“海上沉桩ＧＰＳ ＲＴＫ测量定位系统”来实现,如图6所示。
安装在打桩船上的3个ＧＰＳ接收机接收建立在陆地的基准站及海中参考站发射的固定频率数据链,以此作为定位的基准数据。其工作原理:定位时,由固定在打桩船上的ＧＰＳ流动站以ＲＴＫ方式控制船体的位置、方向和姿态,同时配合2台固定在船上的免棱镜测距仪测定桩身在一定标高上的相对于船体桩架的位置,由此可推算出桩身在设计标高上的实际位置,并显示在系统计算机屏幕上。通过与设计坐标比较,进行移船纠位,直至偏位满足要求。桩身的倾斜坡度由桩架控制。桩顶标高根据由免棱镜测距仪发出的红色水平光束所指涂画在桩身上的刻度,通过系统计算得出。具体定位前,将所要定位桩的设计中心坐标、高程、平面扭角等参数输入计算机内,定位时,可在显示屏上显示实时桩位数据与图形,同时也显示设计沉桩位置和偏差,打桩船指挥人员根据显示的有关信息指挥打桩船正确就位。 本工艺适用于海洋、大江中的桥梁、码头的结构钢管桩、临时钢护筒及水中平台临时钢管桩的沉入施工,有以下明显的优点:①能在海况恶劣的海域中进行作业;②能够适应超长、大直径钢管桩的沉桩施工;③能满足不同倾斜度和平面偏角斜桩的沉桩施工;④能使钢管桩穿过不同的土层;⑤测量定位简单快捷,精度满足要求;⑥施工周期短(单根直径1.6ｍ,长80ｍ左右的钢管桩沉桩施工全过程仅为2.5ｈ)。这在在建的杭州湾大桥工程中得到了实践。3.2无导向船双壁钢围堰下沉施工技术 基础施工中,传统采用的钢板桩围堰钻孔桩基础和沉井沉至基层的基础,存在着影响工程进度的2个薄弱环节:①钢板桩围堰钻孔桩基础采用单层钢板桩, 沉井沉至基层的基础在沉井顶上安设的防水围堰,一般强度较小,围堰内抽水工序的安排受到施工水位的限制;②沉井基础嵌入岩层清除风化岩的消基工作非常费工费时,特别是在深水急流中工程进度直接制约着整个基础的安全渡洪。相比而言,双壁钢围堰钻孔桩基础采用双壁钢围堰防水结构,该结构吸收了上述2种施工结构的优点,实质上就是一个圆形浮式井筒和防水围堰结合起来的施工结构,能够承受较大的向内或向外的水压力,一般情况下,基础施工工序的安排不受外界季节性水位变化的影响。 双壁钢围堰由内外两板壁组成,板壁间以刚性支撑予以连接,由于两板壁之间为空腔,底部以环形刃脚封闭,使其具有自浮能力,在底节处于浮起的情况下可以根据设备起重能力逐节加高板壁,在空腔内注水配重并通过吸泥机吸泥促使其下沉,直至将钢围堰下沉至设计指定位置,并通过灌注水下封底混凝土使其保持稳定,而后根据设计要求进行钻孔桩施工,钻孔平台可直接搭设在钢围堰顶面。 采用无导向船双壁钢围堰下沉施工,由于取消了庞大的导向船、联结梁体系等,锚碇系统所承受的风力和水流作用力大大减少,从而简化了锚碇设备的配置与施工,加快了施工进度,节省了钢料和水上设备。同时双壁钢围堰结构为浮式沉井,既便于浮运就位又能够承受较大的水压力,还可以克服下沉时底部翻砂的弊病,而且围堰吸泥下沉就位时间短,施工安全。特别适用于通航条件要求高,施工区域狭窄,砂粘土及卵石土地层,无法设置导向船的水上施工项目。 该工艺应用于四川隆纳铁路泸州长江大桥水中基础施工,顺利完成了深水基础施工任务,确保大桥按期完工。对于类似的深水基础施工,有广泛的推广应用价值。4 结语 我国土地辽阔、幅员广大,自然地理环境不同,土质各异,地下工程的区域性强,这使得地下工程施工具有较大的差异性和复杂性。结合不同的工程特点不断进行创新是地下工程施工技术得以提高的根本。本文通过介绍近年来我国完成的几种新型地下工程施工工艺,期望能给予地下工程施工一些启发,在此基础上一方面积极推广应用这些新工艺,更重要的是在应用的基础上不断创新,使我国的地下工程施工不断迈上新台阶。
