我国地下工程施工新技术综述

1、我国地下工程施工新技术综述施工技术原作者：张希黔;周敬;张利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

2、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

3、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

4、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: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;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;尽量采用高桩承台,冻胀严重地区采用 钻孔扩底桩；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）；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；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.

5、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0C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

6、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 粒的位图l作用于桩 基础的冻胀力图2钻孔灌注 桩防冻flit示意移,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

7、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5C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

8、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11.8m,冻土层厚达100150m。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

9、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H-R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

10、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

11、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

12、（桩径2000mm,桩基持力 层均在隧道结构面以下基岩）,最大轴力18000k No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（

13、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f淡产蝠临乍电地下3盯_ .M卜星底里呼 啡回 輿愿屮纠心2 200颱下室底框題鞘吒聖、新械连建坏二 三也MKJ0人匸挖扎桩|新桂）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

14、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。随着低温盐水在地览爼輻曲林斷I 200X8M02 000人工挖扎桩新娜J庄皓构粧咸2d1CW)8-1i!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

15、的冻土墙或冻土帷幕。水平冻结加固原理如图4所示1比42：晤箱于豁旳箕恢冏療曙两懸 G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-22-32C。其主要特点有：(1)可有效隔绝地下水，对于含水 量10%勺含水、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410MPa，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

16、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0.51 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

17、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

18、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

19、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(CrossDiap hragm)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。

20、(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T超前管棚T注浆加固T中 洞各部开挖-防水层铺设-中洞底板、底梁- 立柱中洞中板T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

21、所示。土木人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9.810.3m。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。TOPI 2010-08-16 13:45 | 只看楼主 5#字体大小：tT3水下基础施工工艺3.1海上基础工程施工礙CM3-地触审站赢拱却締筠腌摊越常询土木人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、

22、 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。登最后这些都对打桩船提出了新的要求。而配登录2011-03-有高桩架,强大吊桩动力系统,大能量打09_.桩锤及先进的海上沉桩GPS测量定位詆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

23、、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测量定组别版主帖子541积分4059威望3617金钱4809 元注册时间2009-0701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GPSRTK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

24、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fOn亟仪LOGPS；OPS2阿驻|k_OiPSI_y聊上的滁光点置,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,

25、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:能在海况恶劣的海 域中进行作业;能够适应超长、 大直径 钢管桩的沉桩施工;能满足不同倾斜 度和平面偏角斜桩的沉桩施工;能使 钢管桩穿过不同的土层;测量定位简单快捷,精度满足要求;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: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;沉井基础嵌入岩层清除风化岩的 消基工作非常费工