大直径盾构法越江道路隧道设计与施工技术

大直径盾构法越江道路隧道设计与施工技术

0主要城市地下基础设施建设内容越江路隧道的建设经历了从小直径到大直径、从单层到双语、从短带到长、从点到点的发展趋势。随着城市交通的快速发展，越江路建设的需求越来越大，隧道直径也越来越大。截至2014年底,上海市道路越江隧道已建成14处、在建5处,隧道外径11~15m。在世界各国的城市地下基础设施建设中,主要采用盾构法、明挖法技术及各种辅助工法,在建筑物密集和对周围环境影响限制严格的大城市中,盾构法具有明显的优势。根据日本1991年对东京、大阪等主要城市的统计,在城市隧道工程中,盾构法占60.9%,明挖法占33%。在上海、武汉、杭州等地也已建成多处超大直径盾构法道路隧道,取得了一定的技术突破。杭州钱江隧道和上海长江西路隧道采用了盾构整体平移和调头的工作井设计1越江道路隧道景观设计的原则综合“十一五”期间上海建成的城市道路隧道的建设经验,盾构法越江道路隧道建设总体上应遵循“功能性、安全性、经济性、集约化、环境友好”等原则。1)功能性原则。越江道路隧道设计首先必须满足交通功能需求,隧道总平面布置应在充分满足隧道功能的前提下,综合考虑规划用地、城市景观、环境保护、防灾的要求,进行隧道主体、地下附属设施及地面附属设施的布置。2)安全性原则。越江道路隧道建设应遵循全寿命周期的理念,运营安全和建设期安全并重,既要以人为本,做到以防为主、防消结合,确保行车安全、结构防护安全、人员疏散安全的防灾设计,又要充分考虑建设条件、现有技术水平和施工能力,确保建设安全。3)经济性原则。在方案合理的基础上优先考虑建造成本和经济指标的降低,如:合理确定建筑限界,充分利用横断面空间;优化选址,减少动迁量;优化结构设计,选择适宜的施工方法和结构型式。4)集约化原则。一是越江道路隧道空间利用的集约化,在有限的结构断面中,合理组织隧道功能,最大限度提高隧道通行能力;二是道路管理设施的集约化,包括多项目合一的管理用房、结合周边建筑的风塔合建等。5)环境友好原则。在工程规划、设计、建设和运营过程中,都采取有利于环境保护的管理方式、建设方式和采购方式,建立隧道工程项目与环境良性互动的关系,隧道建设既要考虑环境保护、城市景观协调、节能降噪、耐久性等需求,又要考虑设施运营的长效安全。2越江路隧道结构复杂2.1盾构隧道和大力式明挖隧道的结构盾构工作井是盾构组装、拆卸及始发、接收的场所,是隧道最先开工和最后完工的结构;它连接了圆形的盾构隧道和矩形的明挖隧道,是隧道内设备集中放置的区域;同时,盾构工作井开挖深度大、尺寸大、工况复杂,也是设计难度大、施工风险大的结构,且易出现渗漏水。2.1.1井设计应满足施工职能和工艺要求2.1.1.工作井1)设计应满足施工筹划和周边环境的要求。始发井的尺寸需要考虑盾构的组装、管片调运、出土出泥等要求,其内部平面长度(顺隧道线路方向)由盾构长度和安装空间决定,而平面宽度(垂直于隧道线路方向)则主要取决于隧道出洞处的线路线间距、盾构直径以及盾构组装时的操作空间要求。接收井一般是隧道最后完工的区域,其平面净空尺寸也同样受盾构尺寸、隧道线路线间距、盾构的安装空间控制。当双管隧道只采用1台盾构进行施工时,需要设置1个盾构调头井,要求底板上表面为1个平面,即底梁不得上翻。设置调头井的隧道主要有翔殷路隧道、军工路隧道等。2)设计应满足使用阶段的功能要求。工作井车道层上层(即工作井的下一层)的净空尺寸大,平面也较为规整,因此,设备层一般布置在此层空间内。在净空允许的情况下,在工作井的地下1层之下可设置电缆夹层,最小净高应大于1.4m。双管隧道的工作井车道层一般设置调头车道,使车辆在紧急情况下可在此处调头。工作井作为隧道暗埋段的最低点,需要在井内设置废水泵房,并设置横截沟拦截从暗埋段流向盾构段的水。2.1.1.接收井施工流程盾构隧道始发井的施工流程是施工围护—施工框架+内衬—拆除支撑—组装盾构—出洞+拼装负环—盾构推进+拼装管片—推进完成—拆除负环—施工各层板—安装+调试设备;接收井的施工流程是施工围护—施工框架+内衬—拆除支撑—进洞—拆除盾构—施工各层板—安装+调试设备。当工期要求紧张时,可以将下一层的设备搬离工作井,另行在暗埋段布置,这样工作井的最后收头工作将不再影响设备的搬运和调试,如龙耀路隧道的接收井。2.1.2设计规模和沟槽结构的选择2.1.2.工作井尺寸确定工作井的设计长度一般由机头长度、盾尾、安装平台和安装空间等多个因素决定,若盾构整体调头,在调头井中需同步考虑盾构整体调头所需的空间。工作井尺寸确定与周边环境关系密切,当条件受限时,工作井尺寸需要根据实际情况进行缩减,如:人民路隧道浦西工作井周边环境条件受限,隧道的最小净距仅3.7m(0.33D),两侧的盾构安装空间也只留了1.38m,这样井的内净空就压缩为29.4×16.4m,比同类型的工作井净宽小了4.6m。这些措施降低了对周边道路和管线的影响,但在盾构安装和进出洞等方面带来了很大难度。2.1.2.结构导入比设计1)上海的城市隧道工作井周边均有较高的环境保护要求,已建隧道的工作井围护结构均采用地下连续墙明挖顺作。盾构进出洞的覆土一般大于0.5D,已建越江隧道工作围护结构厚度主要是1.0、1.2m,插入比主要有0.74、0.82、0.86。2)地下连续墙设计厚度选取原则。根据工程位置、周围环境条件、基坑开挖深度,当开挖深度在20~25m时,采用1m厚地下连续墙作为围护;当开挖深度在25m以上时,采用1.2m厚地下连续墙作为围护。3)工作井围护结构插入比设计。工作井地下连续墙的入土深度主要取决于土层情况和基坑环境保护等级,需要通过基坑的整体稳定性、坑底抗隆起稳定性计算确定。根据目前上海多条隧道工作井的插入比综合分析,已建盾构工作井的深度在20~30m,采用0.8~1.2m厚地下连续墙,基坑坑底多落在52.1.3施工缝防水1)变形缝设置。在工作井与暗埋段、盾构段等结构变化较大处应设置变形缝,需要在接口处由密至疏设置变形缝,其位置宜设置在工作井地下连续墙外侧0.5~1m处;盾构进出洞加固区与常规区域等处地基变化较大,也需要相应的设置变形缝。2)施工缝设置。工作井与盾构段、暗埋段的结构形式变化较大,施工缝位置和间距应综合考虑结构形式、受力要求、施工方法、气象条件等因素来确定。工作井框架、围檩在围护阶段先行实施,内衬后施工,两者之间结合面较难处理,是常见的漏点;因此,需要在设计中考虑预留全断面注浆管等类似措施,以便今后堵漏。在变形缝、施工缝处应采取有效防水措施,其施工缝防水设置如图1所示,在施工缝中宜预留注浆管,以便在今后出现渗漏时进行注浆堵漏。3)后浇板混凝土结构防渗漏水技术处理措施。工作井后浇板易在角部形成斜裂缝,这主要是由于工作井框架以及先期浇筑的板整体刚度较大,后浇板混凝土结构存在固结收缩,易在角部产生斜裂缝而出现渗漏水。可通过以下技术处理措施进行改进:在顶框架与后浇板接缝处预留企口,既利于顶板抗剪,又可以减少接缝渗漏水现象;顶板采用补偿收缩防水混凝土,掺加具有补偿收缩功能的微膨胀外加剂,并细化后浇板微膨胀混凝土的外加剂指标,使其基本能达到膨胀与水化收缩的平衡。2.2圆隧道的水平段设计2.2.1过下段式盾构越江隧道横断面设计隧道横断面设计包括隧道平面、横断面和纵断面建筑设计,主要与建筑限界、设备安装和疏散要求等有关。其中,建筑限界是横断面设计的关键,它取决于车道数、通行车辆类型和设计行车速度。上海已建成的盾构越江道路隧道有4种直径(11.36、13.95、14.5、15.0m),其代表性的圆隧道横断面设计如图2所示。综合分析越江道路隧道规模及横断面布置,双向4车道推荐断面为ue78814.5m双层断面,或2×ue78811.36m圆隧道单层断面;当规模为双向6车道时,推荐断面为ue78814.5m单层断面。2.2.2救援车辆及隧道空间1)当双层隧道各层车道正常运营时,车行功能各自独立;当发生事故火灾时,互相疏散,互为备用。2)双层隧道由于空间限制,车道常选用小型车甚至突破小型车的技术标准,因此,需充分考虑车道高度、宽度对救援车辆的限高要求。3)当双层隧道空间较低时,内部空间设计需充分考虑较低空间的视觉效果,与照明配合,以避免眩光。4)隧道空间极其紧张,宜通过管线综合设计,合理安排设备与管线,管线可以共享,宜在其中一层设置专用电缆管线通道,将干管、与防灾救援相关的应急管线至于其中,以减少意外损坏。2.3最小曲线半径圆隧道段所能采用的最小曲线半径取决于隧道的直径、盾壳内藏管片的长度、盾构车架的长度以及其内部的走行系统等,最小曲线半径与隧道外径关系如图3所示。盾构的选型要与工程条件相匹配,一般情况下最小平曲线半径为45~80D(D为隧道外径),在对盾构设备的适应能力进行核实后可减小最小曲线半径。如打浦路隧道复线工程最小平曲线半径为380m,仅为35D,是目前国内外同规格盾构隧道中最小的,该工程在小半径曲线段采用了1.5m环宽的常规管片与0.75m的小环宽管片组合的模式拟合曲线,在施工过程中,未出现异常,结构使用状况良好。2.3.2配套设备及设备系统要求隧道纵坡设计的主要控制因素在于满足道路车辆通行要求外,还应满足盾构动力系统以及配套设备系统的要求。在已建隧道中,复兴东路隧道的纵坡最大,达到5.59%,人民路隧道的最大纵坡为5%(见图4)。2.3.3最小距离原则为了降低对先推进盾构隧道的影响,2条隧道间需保留一定的安全距离,最小距离一般为0.5~0.6D(D为隧道外径)(见图5)。若间距过小,需采取工程措施。2.3.4隧道的最小覆层厚度盾构最小覆土厚度与工程地质、周边环境有关,覆土厚度越小,对地面的影响越大2.4结构隧道的防水设计盾构隧道以混凝土自防水为根本,接缝防水为重点2.4.1橡胶的材质设计盾构法隧道衬砌接缝的主要防水措施是弹性橡胶密封垫的设置,橡胶的材质有多种类型,三元乙丙橡胶具备力学性能受温差变化影响较小、应力松弛相对其他橡胶而言变化较小的特点,十分适合作为弹性橡胶密封垫的材质2.4.2作为密封垫的配套设计措施防砂条的设计理念由国外的相关经验得来,设计防砂条的目的在于:因其设置于弹性橡胶密封垫的外侧,可阻挡泥砂直接作用于密封垫本体,确保密封垫的耐久性使用要求,同时可起到辅助防水的功效。而遇水膨胀类材料能较好地满足上述要求。另从试验数据及现场使用效果来看,膨胀类材料遇水后产生的膨胀力未超过管片混凝土的抗压强度,故对管片不产生任何影响。因此,将防砂条作为接缝防水密封垫的配套设计措施是有益的,可将其作为密封垫标准化设计的附加内容。防砂条的材质建议采用遇水膨胀类材料。2.4.3螺母孔防水采用设置遇水膨胀橡胶密封圈的方式达到防水目标。2.4.4涂膜保护涂膜隧道管片是否采用外防水涂层,需根据隧道所处地质条件决定。涂刷保护涂膜可有效降低混凝土的渗透系数与氯离子扩散系数,通常可以使用环氧沥青、环氧-聚氨酯、环氧-氯磺化聚乙烯涂料,或者水泥基渗透结晶型防水涂料。2.4.5同步注浆技术管片外注浆可以分为同步注浆、二次注浆,浆液可分为单液浆液和水玻璃双液型浆液。同步注浆就是在隧道内将具有适当的早期及最终强度的材料,按规定的注浆压力和注浆量,在盾构推进的同时,通过注浆管注入盾尾与管片间空隙内。可以作为衬砌防水的第1道防线,提供长期、均质和稳定的防水功能,同时,作为隧道衬砌结构加强层,具有耐久性和一定强度。同步注浆主要技术参数有注浆量、注浆速度、注浆压力和注浆材料。应根据地层条件、隧道线路情况认真选择注浆方式和浆液。3越江隧道施工的关键技术3.1结构及开挖面平衡技术3.1.1土压平衡盾构的优势在上海建成隧道中,除穿越吴淞江的外滩隧道采用土压平衡盾构以外,其余皆采用了泥水平衡盾构(见图6)。泥水平衡盾构通过泥水以及气压平衡切削面压力,控制灵敏度高,能减少对土层的扰动,但其泥水系统对场地的要求较高,同时,盾构扰动土体受泥水系统的扰动存在较大的固结变形,后期土体的变形较大。土压平衡盾构在切削面的压力控制灵敏度上相对较差,但其扰动土体后期变形相对较小,同时,对场地要求较小,对环境的影响小。通过外滩通道的工程实践可知,土压平衡盾构在市区实施具有一定的优越性。由于盾构种类的不同,其稳定切削面的机制也有所不同。3.1.2种方法进行切削面稳定为了保持土压平衡盾构在推进过程中的切削面稳定,可通过控制螺旋输送机的排土量、调节盾构千斤顶的推进速度和螺旋输送机转速这2种方法来实现3.1.3切削面泥水压力泥水平衡盾构是通过泥水舱内的泥水压力在切削面处形成泥膜或渗透区域来稳定切削面,一般情况下所设定的泥水压力要比作用在切削面上的泥水压力略高(20~50kN/m3.2预埋环形钢板圆形隧道与盾构工作井接口为后浇环形钢筋混凝土井圈。为保证圆隧道结构与工作井结构的可靠连接,需在盾构工作井的洞门处预埋环形钢板。为保证盾构进出洞在打开洞门时水土尽量少流失,预埋环形钢板的直径一般比盾构的外径大500mm左右;另外,在盾构出洞前,还需通过预埋环形钢板上预留的螺栓孔安装铰链板、帘布橡胶板等出洞防水装置(见图7)。3.2.2含砂地层加固范围和长度在盾构进出洞时,洞门处地层较软弱,需进行端头加固,地基加固范围一般为洞口外周围D/2,加固长度为洞口外1D;对于含砂地层考虑适当加大地基加固的长度和深度,且预设降水井。经加固后的土体要有良好的自立性、密封性及均匀性,其无侧限抗压强度q3.2.3工作井结构连接圆形隧道与盾构工作井接口为后浇环形钢筋混凝土井圈。为保证圆隧道结构与工作井结构的可靠连接,需在洞门处预埋连接钢环,并在洞门混凝土管片环面预埋钢板,以便后浇环形井圈,使整个结构形成一个整体。3.4量规划3.4.1横向地表沉降观测线路纵向地表沉降观测点应沿线路中线按3~5环间距布设;横向地表沉降观测断面一般设置50m间距,应按盾构掘进沿线环境保护要求重点设置,观测范围一般不小于中线两侧10m(大于隧道底埋深),测点间距2~5m。3.4.2变形速率盾构切口前20m至盾尾脱出后30m,2次/d;当掘进面前后小于50m时,1次/2d;当盾尾脱出30m后,当变形速率大于5mm/d时,不少于2次/d;当变形速率在1~5mm/d时,不少于1次/d;当变形速率在0.5~1mm/d时,每2d监测1次;当变形速率小于0.5mm/d时,每周1次或更长。3.4.3变形观测当盾构穿越地面建筑物、地铁隧道、铁路、桥梁、防汛墙、地下管线等重要构筑物时,除应对穿越体进行观测外,还应增加对其周围土体的变形观测。4越江路隧道的防护和通风技术4.1隧道防火技术4.1.1防火东南角的安装隧道车道内防火内衬设计关系到防灾能力,除满足相关技术要求外,还应满足以下要求:1)在防火内衬安装之前,必须先把照明灯具、扬声器、电缆等设备的安装脚头或支架安装好,待防火内衬安装后,再做设备安装,并注意对防火内衬的保护,以确保防火效果;2)防火内衬安装应不对结构体安全产生影响,并不影响建筑限界和设备安装空间;3)对隧道顶部影响逃生、救援安全的露明设备管线,防火内衬需设置保护构造(需要保护的内容包括应急照明电缆、风机电缆、防灾通信电缆等),根据设计要求进行保护;4)防火内衬要求使用年限为25年(即在隧道环境中使用25年,不产生结卤、粉化、挠曲、返潮、开裂,确保防火效果)。上海道路越江隧道(单层)防火内衬布置如图8所示。4.1.2问题与改进防火涂料施工工序灵活,可以先附设管线后喷涂,也可先喷涂后附设管线,施工工期长。防火涂料有较好的透水性,容易发现漏点,并能及时处理,但存在脱落现象,应进行如下改进:1)在盾构法隧道段,变形缝间距1.5~2.0m,变形缝过密,而矩形隧道的变形缝间距较大(20~60m),因此,防火涂料产品适用于矩形隧道,变形缝处一般需要设置引渗漏水措施,防火涂料在此处也是相应断开的;2)在防火涂料设计施工中,关键是厚型涂料需采取中间拉结措施,以保持涂料整体性,并采用效果良好的基面处理方法,以保证涂料与结构体可靠粘结。4.1.2.堵漏、能基材料的安装防火板施工简便、工期短。防火板用膨胀螺栓固定在结构上,安装构造比较牢靠,但渗漏点不易发现,应进行如下改进:1)在防火板施工之前,必须完成堵漏或引水措施;2)防火板颜色层可以喷涂与板材性质接近的涂料层(如无机不燃的深色涂料),应在出厂前喷涂完成,现场对板缝处进行补涂;3)在结构变形缝处,一般采用防火板直接铺贴的方式,装修不做特殊处理。外滩隧道、人民路隧道矩形隧道段的变形缝多有渗漏,对防火板的耐久性不利;因此,装修增加了一个U型不锈钢排水槽引流,以便于发现漏点、保护板材。4.2通风地板设施4.2.1地面道路和地面低风亭隧道的通风地面设施包括高风塔、低风亭、敞开(半敞开)风口等。隧道设置低风亭、敞开(半敞开)风口,需要地面道路有较好的条件,设置宽度一般不小于3m的绿化带,且设置低风亭的区域周围没有敏感建筑,污染物扩散结果可达到环保要求。低风亭、风口对景观影响少,是一种很好的设计方案。上海越江道路隧道风塔、风亭设计进行了多种方式的尝试(单建、合建与改建),其风塔建设形式见表2。4.2.2增加排水系统的安装1)某隧道风塔由于现场条件的限制,出风口面积较小,且风口扁长,因此,在调试时出风不畅,当一台