铁路隧道施工安全篇1

关键词:铁路隧道;塌方段;治理方法;治理原则

铁路隧道工程具有缩短行车里程、保证运营安全和保护当地生态环境等方面优点,因此在我国铁路建设中,得到了广泛的应用和普及。截止2012年,我国已成功修建了9500多座,总延长6000多公里的铁路隧道,隧道的数量与总长度均居于世界首位。然而我国铁路隧道的建设起步相对较晚,技术积累仍处于初步阶段,加上隧道工程施工技术复杂、施工周期长、不可预见风险因素多以及受环境因素影响大等特点,都极易引发隧道塌方、涌水、岩溶塌陷等地质灾害,在下表1中,即为近年来我国铁路隧道施工中的典型塌方事故。从表1中可看出,铁路隧道塌方事故的发生,给施工正常建设和施工人员的生命安全都带来了极大的危害。为此,必须采取有效的治理方法与治理措施,以保障铁路施工建设的安全。

表12007~2012年典型铁路隧道塌方事故

一、引发铁路隧道塌方的主要因素

1、直接因素

图1大管棚施工工艺示意图

(1)地质因素。当铁路隧道需穿越风化严重的堆积层、破碎带,或者需要穿越断裂褶皱带时,都极易出现塌方事故;若隧道洞口处地形陡峭、洞口处有不利的地形、地貌或地质,都容易导致隧道洞口端岩体出现变形或塌方;若隧道洞身端的岩体为溶洞发育或不稳定的危岩体,当出现地层应力超过岩体的长期强度时,则会导致岩体的变形或塌方。

(2)水文气候因素。大量铁路隧道塌方案例表明,自然界中的大气降水、裂隙水、溶洞水等对隧道岩体的风化与侵蚀是导致隧道塌方的重要因素之一。尤其是地下水位的改变或者地表的大量降水,往往会导致隧道围岩结构的改变,使岩体的承载力和强度都受到大幅度降低,从而引发塌方事故。

2、间接因素

(1)勘查设计因素。铁路隧道的勘查设计作为隧道施工建设的一个重要环节,若地质勘查设计不详,则不能真实反映铁路隧道的实际地质情况与地质构造,也会影响到后续施工方法与施工方案的确定,从而给后面的施工建设带来严重的安全隐患。

(2)施工因素和管理因素。一方面是隧道施工人员和管理人员素质偏低,在施工过程中心存侥幸心理,没有严格按照相应安全管理章程进行管理,施工单位也没有严格遵循施工技术、施工方案进行规范化、标准化施工;另一方面则是现场施工人员的施工经验不足,对于易塌方段的防塌意识不强,或者对于突然出现的不良地质现象没有充分估计,导致安全准备不充分或没有采取适宜的补救措施,而引发塌方事故或更严重的塌方。

二、铁路隧道塌方段的总体治理原则

对铁路隧道塌方段的综合治理,应严格遵循“安全、高质、高效和适用”原则。

1、安全原则

为保障施工设备与施工人员的安全,避免塌方事故的再次发生,应遵循“确保安全,宁强勿弱”的安全原则,以制定出切实可行与安全可靠的施工方案与工艺措施。

2、高质原则

为保障铁路隧道近期施工的安全通过,以及在交付运营后隧道衬砌结构在长期使用过程中的安全性与可靠性,因此要切实保证塌方段治理后的工程质量,做到“一次实施,不留后患”。

3、高效原则

为尽量降低塌方事故对铁路建设的不良影响,确保工期的顺利实现,在铁路隧道塌方段的治理,应采用高效、先进的治理方法与治理措施,并做好总体性的协调工作,使塌方段得到尽快的治理。

4、适用原则

应细化与落实设备、机械、人员、管理等各项实施方案,以确保治理方案的可操作性与适用性,

三、铁路隧道塌方段的主要治理方法

1、塌方段情况及原因分析

(1)塌方段情况

某隧道工程起止里程为DK3+430―DK6+655,全长3225米,共设置有5座斜井施工。3#斜井位于线路左侧,线路交与正线DK5+268。2012年12月,该隧道3号斜井掌子面发生流沙坍塌事故,塌方段局部还伴有初期支护开裂和变形现象,共有5名施工人员受伤。

(2)塌方原因分析

地质因素:该隧道洞身段原设计为第三系砂岩,Ⅴ级围岩,采用Ⅴ级加强支护结构。开挖显示岩体的成岩性差,掌子面普遍渗水,扰动后呈砂状。且围岩结构的稳定性差,掌子面及拱部易坍塌,为高风险铁路隧道。

人为因素:一方面是施工方法没有严格遵循设计方法进行,导致开挖与支护方案与实际围岩不符;另一方面则是现场工人施工经验不足,对于隧道施工时的安全意识和防塌意识不强,没有重视监控量的预警作用,对已出现的一些岩裂、支护变形等信息没有及时的重视与反馈。

2、具体治理方法的应用

(1)施工方案的确定

对该隧道塌方段现场实际调查分析,该塌方段为大塌方,塌方影响区域约为40m,拱顶埋深约为60m。由于该塌方段围岩结构稳定性差,在塌方后围岩的平衡力极弱,容易再次发生塌方,因此其施工方案主要确定为:地表坍穴的排水处理临时支撑加固措施大管棚施工工艺措施监控测量。

(2)地表坍穴的处理

对地表坍穴的处理是进行隧道塌方段治理的首要步骤,其目的是防止地表降水或径流进入到地表坍穴当中,而导致围岩结构承载力与强度的进一步降低,并对后续的治理工作带来不便。

首先,应当在坍塌区域周围适当设置截水沟和搭设遮雨棚,以有效避免地表降水和径流进入到地表坍穴;其次,由于该隧道塌方段周边土体多为粉质黏土,土体较为松散,为避免治理过程中土体继续出现坍塌,应当在地表坍穴周边约4m范围内进行注浆固结;最后,由于沉陷坑体边坡多不规整,且坡度较大,不利于锚喷防护的效果,为此还应当对沉陷坑体的边坡进行适当的修整。

(3)临时支撑加固措施

为防止隧道塌方段的继续扩大,并为下一步治理工作做好准备,则应当进行相应的临时支撑加固措施。具体措施有以下几个方面:

可在初期支护的内侧塌方段设置小导管进行注浆固结,以加强塌方段的稳定性;在塌方段的坡面处,可先回填部分土体并修整平顺后,再喷射混凝土进行封闭,以防止塌方段在后续注浆压力下出现滑塌现象;对于初期支护已出现局部开裂、变形的区域,可采用圆木排架等措施亦防止支护的继续变形。

(4)大管棚施工工艺措施

针对该塌方段的情况,主要采用了大管棚施工工艺,其方法为利用管棚支护与超前小导管注浆相结合,以实现对岩体的超前预加固。其主要施工工艺流程见下图1所示。

该塌方段管棚采用的是Ф133×6mm的无缝钢管,根据管棚工作室的实际长度,管棚可按照2m或4m每节进行丝扣对接,要求相邻管的接头处应错开位置,在管身处进行注浆孔的钻进;在大管棚钻进到位后,即可在管内进行钢筋笼的安放,并在封孔口装设注浆嘴,采用的注浆浆液为纯水泥浆,其水灰比应控制在0.8~1.1左右,注浆时的压力则应控制在2MPa以内;由于该塌方段大管棚的设计长度为30,其钻进过程较为困难,因此可考虑分两个批次进行施工,从而根据第一批注浆的效果对第二批的相应注浆参数进行调整。

(5)监控测量

由于在临近塌方区域的支护结构,很容易受到塌方的影响而出现支护的开裂与变形,并给塌方段的治理带来安全风险。因此,为了保证隧道塌方段治理过程中的施工安全,应重点做好相应区域的监控测量措施。

首先,应在临近塌方段的支护区域、施工区域,做好监控点的布设,主要是监测岩体周边的收敛情况、拱顶下沉情况以及支护的变形情况等等,要求监测工作应与施工建设同时进行;其次,对监测数据的处理应做到及时、准确,并绘制出相应的时间―位移曲线,若曲线正常则表明塌方段的治理施工正在稳步进行,若曲线出现突然的转折与反常,则表明隧道围岩结构的应力出现较大的变化,则应当迅速采取相应的补救与处理措施,以保障施工建设的安全。

总结:

塌方作为铁路隧道建设中的常见工程地质灾害,不仅给工程建设带来巨大的损失,而且严重威胁到施工人员的生命安全。目前,我国对于铁路隧道塌方事故的治理,已积累了较多宝贵的经验,并且不乏成功治理塌方事故的典范。本文结合某隧道塌方段的实际治理为例,并就隧道塌方段的治理原则及治理方法进行了重点的分析与阐述,以此希望对当前铁路隧道塌方段的实际治理能带来一定的帮助与借鉴。

参考文献:

[1]关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京:人民交通出版社,2007.

铁路隧道施工安全篇2

关键词:高速公路;上跨;铁路隧道;影响;有限元

中图分类号:U412.36+6文献标识码:A文章编号:

1引言

随着我国铁路建设的蓬勃发展,铁路隧道更广泛地出现;同时公路交通也在持续建设,选线要求日趋提高,不可避免地会出现公路与铁路近距离交叉建设的情况,而又以公路上跨铁路隧道的情况居多。铁路正常运营的要求极为严格,如何保障既有铁路隧道的安全运营,又保证新建工程的顺利实施是需要研究的重要课题[1-3]。

沈海高速公路复线是国家高速公路沈阳至海口大通道的重要组成部分,在宁德境内与多条运营及规划的铁路存在交叉。本文对沈海高速公路复线近距离上跨温福铁路下坂2#隧道这一工程实例进行研究,结合铁路隧道缺陷检测结果,主要针对采用路基形式上跨铁路隧道的方案,通过有限元分析计算,对公路施工对铁路隧道可能产生的影响及其安全性进行合理预判。

2工程概况

2.1温福铁路下坂2#隧道概况

2.1.1设计概况

温福铁路位于浙、闽两省交界的浙东南和闽东北沿海地区,北起浙江省的温州市,南至福建省省会福州市,线路总长298.38km,正线时速250公里客货共线铁路设计,该铁路在通车运营中。

下坂2#隧道全长486m。进口端269m为Ⅴ级围岩;中间110m为Ⅳ级围岩;出口端107m为Ⅴ级围岩,典型地质为中粗粒二长花岗岩,全风化层岩芯呈砂土状,强风化层岩芯破碎呈碎块状,地下水不发育。出口端Ⅴ级围岩段隧道浅埋,均采用加强型支护,初期支护拱墙采用C25网喷混凝土,仰拱采用C25素喷混凝土;二次衬砌采用C30钢筋混凝土;仰拱填充采用C20混凝土。

2.1.2衬砌质量检测

为了解隧道结构现状,进行了现场检测。下坂2#隧道高速公路中心里程与铁路交叉处,左右各27m检测区段混凝土衬砌病害调查及检测情况如下:

(1)通过衬砌表面病害调查,该检测范围内拱顶存在4处局部轻微裂损现象,裂纹平均发育长度与宽度分别为0.4m、0.1mm,衬砌施工缝裂纹发育长度与宽度均较小。该检测段渗漏水情况不明显。

(2)通过地质雷达检测,该检测范围内空洞缺陷1处,占测线长度的平均百分比为0.3%,空洞位置位于上行边墙处,空洞长度为1.0m。

(3)通过地质雷达检测,该检测范围内衬砌欠密实带6处,占测线长度的平均百分比为2.6%。

(4)通过地质雷达检测,拱顶、两侧拱腰和边墙局部衬砌厚度为44cm-47cm。

(5)通过回弹检测,该检测范围内衬砌混凝土强度值分布在29.4MPa~30.8MPa之间,测点位置混凝土局部存在轻微程度的强度弱化现象。

2.2沈海高速公路复线拟采用的路基形式上跨铁路隧道方案

2.2.1路线基本情况

沈海高速公路复线拟采用路基形式上跨铁路隧道方案,路线长7129m。路线平面线形受跨越铁路要求、地形及地质情况等控制。

2.2.2上跨铁路隧道时拟采用的路基形式

沈海高速公路复线路基方案于温福铁路宁德站以北约2.9km处上跨温福铁路下坂2#隧道,交角83.7度,路线中线距离隧道出口约47米。

新建高速公路与温福铁路下坂2#隧道最小净距仅10.9m,尚不足一倍隧道洞泾。为了尽量减少上方新建公路对下坂2#隧道的扰动和干扰,对下坂2#隧道该处断面的隧道场地的破裂角,从偏于安全的角度取45°计,小里程侧和大里程侧的破裂面分别为破裂面A和破裂面B,按此种模式确定隧道基本荷载和上部公路产生的附加荷载。

2.2.3上跨处的公路、铁路位置关系及工程地质概况

沈海高速公路复线与温福铁路交叉处为下坂2#隧道出口端,地层为Ⅴ级围岩,中粗粒二长花岗岩,全风化层岩芯呈砂土状,强风化层岩芯破碎呈碎块状,地下水不发育。

3结构安全的评估分析[4~6]

3.1模型及参数

结构荷载计算方法依据《铁路隧道设计规范》(TB10003-2005)中相应的计算模式,进一步计算出强度安全系数来判定结构的安全性。

由于隧道的二次衬砌承受主要荷载,因此确定构件的受压控制时的安全系数为2.0,受拉控制时的安全系数为2.4。

采用荷载结构模型取最不利截面即路基正下方的隧道衬砌进行检算。洞顶考虑11m的覆土厚度,围岩为Ⅴ、IV级围岩,根据《铁路隧道设计规范》(TB10003-2005)取计算参数,重度为18kN/m³,V级围岩基底弹性抗力系数100Mpa/m、IV级围岩基底弹性抗力系数200Mpa/m。

汽车荷载折算成均布荷载为0.98m覆土土柱,考虑到施工荷载及汽车超载等,按照2m土柱荷载进行结构检算。

3.2隧道满足原设计要求下的计算结果

按照既有的下坂2#隧道衬砌结构满足设计要求情况下,对隧道下穿路基段的二次衬砌Ⅴ级围岩段分别进行结构安全检算,并按以下两个工况分别进行模拟计算:

(1)工况1:在高速公路路基施工前,下坂2#隧道承受的主要荷载有:浅埋覆土荷载、衬砌结构自重荷载。

(2)工况2:在公路运营期,下坂2#隧道承受的主要荷载有:原有的浅埋覆土荷载、衬砌结构自重荷载、以及增加的汽车活载和路基自重荷载。

1)V级围岩段工况1计算结果见图1:

工况1(二衬70%),最小安全系数5.13工况1(二衬100%),最小安全系数3.79

图1五级围岩安全系数计算结果(工况一)

计算结果可知,在两种工况下二次衬砌承担70%和100%荷载的情况下,Ⅴ级围岩段安全系数均满足规范要求。

4结论与建议

4.1结论

根据原设计参数及现状衬砌缺陷检查结果,针对沈海高速公路复线近距离上跨温福铁路下坂2#隧道工程,应用有限元数值分析,研究了沈海高速公路复线对温福铁路下坂2#隧道结构安全的影响。

(1)分别按照隧道结构二次衬砌承担70%和100%荷载时,上方公路施工、后期公路行车荷载、及考虑隧道缺陷情况下,共计6种工况。分析并得出铁路隧道典型安全系数分别由无缺陷的4.46降低至有缺陷的3.9,以及由3.27降至2.84。

(2)本文按照《铁路隧道设计规范》取围岩弹性抗力系数100MPa/m(V级围岩)、200MPa/m(IV级围岩)进行计算分析,根据计算结果,沈海高速公路复线以路基的方式上跨温福铁路下坂2#隧道时,隧道衬砌结构的强度安全系数满足规范要求;在检测出隧道衬砌有所削弱的情况下,通过再次检算,隧道结构的强度安全系数值有所降低,尚仍能满足规范要求。提出应进一步降低上方公路带来的不利影响。

4.2建议

(1)为确保隧道结构安全,公路施工前应对既有衬砌结构缺陷进行有效处理,如隧道施工缝有嵌补,存在掉块风险,应提前进行处理。

(2)公路路基施工前,应在地表对隧道周边进行低压注浆,对隧道衬砌周边的空洞进行充填。

(3)公路路基施工及运营期间应对路基本身及铁路隧道进行监测,铁路隧道内监控应采用远程监控技术。

(4)为尽量减小对隧道的影响,跨越时路基超挖1m,由下至上分别设置50cm厚轻质泡沫混凝土、50cm厚钢筋混凝土板、路面结构。钢筋混凝土板起到分散汽车荷载作用,泡沫混凝土起到减少车辆振动、降低附加荷载等对隧道结构的直接作用。

(5)设置的钢筋混凝土板沿路线方向的长度适当延长,宽度超过破裂面,按60m考虑,其宽度与高速公路路基相同。

参考文献

近接隧道施工的设计与指南[M].日本:铁道综合技术研究所。1987.

TBl0003--2005,铁路隧道设计规范[s].

姚捷.新建公路施工对赣龙铁路隧道的影响分析[J].铁道工程学报,2013(2)

张继周,缪林昌.岩土参数概率分布类型及其选择标准[J].岩石力学与工程学报,2009,28(S2):3526-3532

铁道第二勘察设计院.铁路工程设计技术手册·隧道[K].北京:中国铁道出版社,1999.

铁路隧道施工安全篇3

关键词:铁路隧道、施工安全

中图分类号:TU9文献标识码:A

铁路运输在我国整个交通系统中的作用十分明显,包括货运以及客运,其承担着我国大量的运输量,近年来,随着发展的需要,对铁路提出了更加严峻的要求,因此,建立隧道,拓宽交通空间范围已经成为新时期铁路建设的关键,在铁路隧道建设中,由于其地形复杂,受各方面因素的干扰容易出现各类安全隐患,极大地威胁施工人员的生命财产安全,同时,不利于铁路建设进度的顺利开展,对此,做好铁路隧道施工的安全管理,结合现阶段其建设的实际情况,制定合理的解决措施,减少建设过程中安全事故发生的频率,确保施工人员的生命安全,已经成为新时期衡量铁路建设成果的重要指标,因此,本文将详细探讨铁路隧道施工安全管理与控制的方略。

一、探讨铁路隧道建设中事故频发的原因

(一)、铁路建设中安全管理体制并未运营到位。施工单位在工作过程中,更加看重工作的进度以及施工质量,对容易造成各类安全事故的危险因素的重视程度较低,因而在施工过程中并未严格按照安全管理体制展开工作,这使得施工过程中存在众多安全隐患;我国铁路建设局并履行其相应的责任,缺乏有效的监督机制,受我国“结果决定过程”思想的影响,铁路建设局没有真正贯彻自己身上所肩负大的重担,对于所完成的施工没有及时做好质量监督与评估工作,对有可能发生安全事故的地方检查力度不到位,因而后期容易出现各类事故;由于铁路隧道在建设过程中的可变因素较多,包括天气、地形、周围居民等,这些因素的变动对已经制定好的建设计划将会产生一定的影响,若不能及时做好实地勘察工作,则将可能发生一系列安全事故。

(二)、施工团队缺乏相应的安全敏感度。一方面,铁路隧道建设地势险峻复杂,在建设过程中极容易出现瓦斯爆炸、突遇洪水、山地坍塌等事故,这要求施工团队在施工之前必须做好相应的勘测工作,了解施工地点的实际状况,做好应对一切突发问题,然而实际工作中,施工团队缺乏这方面的安全意识,不重视勘测过程,有时为了追赶工作进度,违背既定目标等现象时有发生,这加剧了施工过程的危险性;另一方面,临时应对能力有待提升。铁路隧道建设过程中需要借助大量的机械设备以及先进的科学技术完成相应的爆破工作,这要求施公团队对所使用的各类机器必须了如指掌,一旦机器出现问题,能够完成修补工作,但实际情况并非如此,施工人员对机器了解不够深入,而铁路隧道建设地点一般位于山区,交通不便加上后续设备补充不完善,这些因素使得施工过程安全隐患众多。

(三)、施工人员自身素质较低,专业技术不够规范。在铁路隧道整个施工建设过程中,工作量大、劳动强度高、施工难度大,而且从目前我国铁路建设工人的工资水平看,无法吸引具有专业技术的现金人员完成建设工作,这使得现阶段施工人员多为低学历、低素质的劳动人员,其不仅缺乏铁路建设的专业知识,而且不具备相应的技能,自身安全意识薄弱,一旦遭遇各类突发事故,不能及时作出应对措施,因此,加剧了施工过程的安全事故发生的频率。

二、如何加强铁路隧施工建设的安全管理与控制

虽然我国的交通运输系统正逐步完善,海陆空格局已经形成,但由于我国地狱辽阔,地形复杂,东西部之间的交通仍然依赖于铁路运输,因此,做好铁路运输的隧道建设工作,保障建设进度顺利开展,加强施工的专业性技能,提升施工团队的建设质量,已经成为新时期铁路建设的新需要。

(一)、突破原有的施工管理模式。铁路隧道施工并不是单向作业,其施工工序相对简单,在以往工作经验的基础上,结合具体施工情况制定符合此次铁路隧道建设的施工计划。原有的铁路施工管理模式以施工进度为准,对施工人员自身的素质、专业技能的重视程度不够,而且施工人员的工资并未以法律的形式进行保障,因此,新时期,应创新施工管理模式,采用企业人员的管理办法,与每位施工人员签订劳务合同,在规定期限内,完成相应工作并做好监督工作的施工人员就爱能够给予其相应的奖励,从而逐步完善施工团队的基层建设,推动铁路建设施工团对管理日益科学化、系统化。

(二)、重视地质勘测工作。

(1)、做好施工前的地质勘测。隧道施工的风险大,施工难度高的主要原因是地质条件复杂,不稳定,在铁路隧道施工过程中,由于不合理的开挖等容易造成山体的坍塌、滑坡等,因此,应借助科学技术做好施工前的地质勘测工作,例如,通过地质素描法等了解隧道整体的稳定性,当施工人员进行建设时,要做到心中有数,一旦出现任何异常,及时向勘测团队反映,以便及时做好应对措施。

(2)、坚持早进洞、晚出洞的工作原则。隧道在施工过程中,进出口的位置危险性与其他地方相比较高,因为洞口位置的地层常年受暴风的“攻击”,岩石已经处于破碎状态,较多石块已经埋没在洞口周围,这加大了施工人员进出洞口的危险性。因此,在施工期间,应坚持“早进洞、玩出洞”的工作原则,同时避开对山体进行过度开挖,利用洞口周边的植被完成土层保护工作,尽量不破坏建设当地的生态环境。

(3)、在开挖隧道的过程中,施工团队必须加强警戒,严格按照事先拟定的施工进度展开工作,不能临时更改施工计划或私自开挖山体其他部分;在机器使用过程中,要遵守相应的操作规范,并在专业技术人员的指导下完成,防止因机器操作失误而引发安全事故的现象;隧道开挖后产生的碎石要及时清理,并对已经开挖的地方做好支撑以及维护工作,同时将开挖过程中山体的变化情况向施工负责人进行反映,防止因过度开挖而出现山体坍塌等事故。除此之外,在地形条件相对特殊的施工地段,例如,隧道中含有大量瓦斯、水、黄土等,要成立专业研究小组制定应急策略,保证施工在科学的指导下进行。

(三)、加强风险勘测,提升施工人员的安全敏感度。第一,施工团对应成立安全管理小组,负责施工过程中的风险勘测工作,做好各个部门之间工作分配,加强其生产安全的责任意识,顺利完成施工工作;第二,施工团对各部门要相互合作,并加强彼此之间的监督工作,施工负责人应坚持统筹兼顾,及时排除隧道施工过程中可能出现的各类安全隐患,做好施工期间不同地质的风险评估,并做好相应的突发事故应对措施,保证施工工作顺利完成。第三,引导施工人员提升自身的安全意识,善于发现施工中的安全问题,并及时向有关部门反映,减少不必要安全事故的发生。

三、结束语:

铁路隧道建设施工的按年度系数高、施工总量大、需要克服的难点多、对施工的技术要求过高,做好施工过程的安全管理工作,已经受到社会各方面的广泛关注,对此,本文主要探究了施工过程中安全事故频发的主要原因以及如何做好安全管理工作,希望能够给予相关部门一些建议。

[参考文献]:

[1]夏环环,汪华刚.高速公路施工安全管理问题探析[J].中国高新技术企业.2010(19)

铁路隧道施工安全篇4

论文摘要通过对杭甬客运专线HYZQ-2标段外岙一号隧道下穿天然气管道安全施工方案的总结,介绍了近距离天然气管道进行隧道开挖施工的方法,通过地表防沉降措施和隧道开挖安全防护措施的实施,确保了隧道施工过程中天然气管线的安全。

一、工程概况

图1.1天然气管道过隧道顶部的横断面

外岙一号隧道位于浙江省慈溪市茶亭南外岙自然村。隧道起讫里程:DK111+345~DK111+494,全长149m。经过现场勘查,在外岙1#隧道山顶有一直径Ф30cm的慈溪天然气管道,该段天然气管道设计压力为4Mpa,管道在隧道线路里程DK111+410,方向大致与杭甬客专线路方向垂直。管道在山顶埋深约1.2m,距离DK111+410隧道断面洞顶垂直距离约14m(附断面图)。进出口距离管道的距离分别为65m和84m。

外岙一号隧道位于剥蚀低山丘陵区,相对高差约60m,自然坡度15°~30°,植被发育,主要为杨梅树林。

围岩分级:Ⅴ级围岩129m,Ⅳ级围岩20m。

二、施工技术方案

根据国务院2001年第313号令《石油天然气管道保护条例》:第二十六条违反本条例的规定,在管道中心线两侧或者管道设施场区外各50米范围内禁止爆破。

因此,外岙1#隧道在施工中,大于50m范围以外采用控制爆破,孔深控制在0.75-1m,周边眼单孔装药量控制在0.1kg/m,断面开挖取0.15kg/m。严格控制装药量,控制隧道安全震动速度小于1cm/s。

距管道距离小于50m范围不采取任何爆破作业,采用钻孔灌膨胀剂再用凿岩机进行开挖和破碎岩石的施工方法。

进入天然气管道下部施工前,考虑到隧道开挖后可能会产生地表沉降,影响天然气管道的安全。因此,设计方案采取钢桁架悬吊天然气管道的方案施工,确保隧道在开挖过程中管道不因地表沉降而受到影响。

三、主要的施工方法和施工工艺

㈠岩石破碎方法及施工工艺

由于在50m范围内不能采取炸药爆破的方式进行开挖作业,因此为了天然气管道的安全,我们采用两种方案进行开挖:一:钻孔灌膨胀剂对岩石迫裂的办法进行开挖和破碎作业;二:当遇到比较破碎的岩层,灌注膨胀剂迫裂的效果不理想,采取人工风镐配合破碎机进行开挖。

迫裂法作用机理:膨胀剂灌入孔中,发生水化反应,放热、固结、体积膨胀,对孔壁施加压力,将孔壁外的岩石破裂。

1、主要工艺流程

⑴炮孔布置

膨胀剂迫裂法布孔参数如下:

炮孔按梅花形排列,以利于把岩石破碎成小块,见下图3.2

图3.2爆破布孔图

⑵孔距α=Κ×d,d为孔径,k值按下表选取

混凝土的K值(孔径≤50mm)

表1

混凝土种类

含筋率/kg.m-3

标准k值

素混凝土

10~18

说明:把岩石视作混凝土来考虑,标准值先选取,视破碎情况做调整

⑶最小抵抗性和排距是介质强度、自由面状况、孔径的函数,一般可参照下表选取

最小抵抗线值

表2

破碎对象的名称

W值/cm

破碎对象的名称

W值/cm

软岩

40~60

中、硬质岩石

30~40

⑷孔深L=αΗ,H为被破碎体高度,α为经验系数,对厚岩α=1.05

⑸每米炮孔装填量及参考单耗,见下表

每米炮孔用药量

表3

孔径/mm

30

32

34

36

38

40

42

44

46

48

50

用药量/kg.m-1

1.1

1.3

1.5

1.7

1.9

2.1

2.3

2.5

2.7

3.0

3.3

单位体积破碎用量

表4

介质种类

备注

软质岩石破碎

8~10

全断面每延米需要2100kg,按109m暗洞计算,整个隧道要228吨膨胀剂。

中质岩石破碎

10~15

硬质岩石破碎

12~20

⑹膨胀剂迫裂法装填及养护工艺如下:

①拌料散装粉状膨胀剂,严格按选定水灰比,一般控制在0.28~0.33用人工或手提式搅拌机拌匀,搅拌时间不超过1min,搅拌好后马上装入孔中。筒装膨胀剂只需将之放入盛水容器中浸泡直到不发生气泡为止,一般4~5分钟即可。

②装填搅拌好的浆体必须在5~10min内装完,然后用塞子封口。

2、安全注意事项

因膨胀剂对皮肤有腐蚀作用,要避免直接接触,沾上要立即用清水洗净、装填作业时,装填人员要戴防护眼镜,作业人员避免进入已装填好的区段,以防喷孔伤人。

㈡围岩支护方法及工艺

1.开挖方式

隧道的施工方法与支护参数及辅助施工措施密切相关,根据监控结果合理调整支护参数,从而确保施工安全及天然气管道的安全。

外岙一号隧道隧道主要以Ⅳ、Ⅴ级围岩为主,Ⅳ级围岩共长20m、Ⅴ级围岩共长129m。

Ⅴ级围岩开挖采用CRD法,Ⅳ级开挖掘进方法采用三台阶七步开挖,开挖掘进的方式全部采用凿岩机对隧道断面内的岩层进行机械破碎,装载机装碴,自卸车辆进行运碴出碴。

机械开挖掘进中坚持“短进尺、强支护、勤量测、紧衬砌、快封闭”的原则。

2.支护方法

2.1.为保护洞顶天然气管道,施工中注意事项:

2.1.1.隧道施工应坚持“机械掘进、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则。开挖进尺严格控制在50cm,严禁塌方发生。

2.1.2.开挖方式均采用机械开挖,不采取爆破。

2.1.3.工序变化处之钢架(或临时钢架)应设锁脚钢管,且必须对锁脚钢管进行注浆,以确保钢架基础稳定。

2.1.4.当现场导坑开挖孔径及台阶高度需进行适当调整时,应保证侧壁导坑临时支护与主体洞身钢架连接牢固,横向钢支撑可根据监控量测结果适当调整其位置。并考虑侧壁导坑自身的稳定及施工的便捷性。

2.1.5.钢架之间纵向连接钢筋应按要求设置,及时施作并连接牢固。

2.1.6.临时钢架的拆除应等洞身主体结构初期支护施工完毕并稳定后,方可进行。

2.1.7.施工中,应按有关规范及标准图的要求,进行监控量测,及时反馈结果,分析洞身结构的稳定,为支护参数的调整、浇筑二次衬砌的时机提供依据。

2.1.8.隧道施工以前须提前通知天然气管道的产权单位,在产权单位允许后方可施工。开挖过程中严密监控,特别在天然气管道中心5m范围内设置警戒线,避免在开挖过程中施工机具接触天然气管道。对原有的天然气管道警戒标志应该防护保留,并派专人定期检查。管道开挖出来以后不能长期暴露,必须采取相应的措施及时处理。

2.1.9.制定详细周密的安全方案进行备案。在隧道施工期间,派专人携带便携式燃气检测仪在隧道施工场地周围不停检查空气中天然气浓度,出现异常立即停止施工,找出解决方案。

2.1.10.隧道施工结束后对施工范围内的管道用2cm厚的钢管做保护套管,以防止一旦发生天然气泄漏爆炸不至于从隧道顶部炸开,确保隧道贯通铁路通车后的运营安全。

2.1.11.双口掘进的汇合点要距离管道断面20m以外,防止施工机械同时震动对管道造成破坏。

2.2.初期支护

初期支护是复合式衬砌的重要组成部分,有足够的强度和刚度控制围岩下沉变形,外岙隧道工程初期支护主要采用直径22mm,长4m的锚杆、28cm厚喷射混凝土、I20工字钢支撑及挂钢筋网。软弱破碎围岩地段支护及早封闭成环。

在开挖每循环进尺0.6m后,停止掘进,先进行I20工字钢环向封闭支撑,在两侧拱脚及时施作直径50mm的锁脚钢管,同时进行环向注浆锚杆施工,让山体围岩与工字钢及锚杆系统形成一个整体。待这一个支护循环施工完毕后再进行下一个循环的机械开挖掘进。

2.3.砂浆锚杆支护

砂浆锚杆采用螺纹钢筋现场制作,长度为4m。锚杆采用锚杆台车或风动凿岩机钻孔,钻孔前根据设计要求定出孔位,钻孔保持直线并与所在部位岩层结构面尽量垂直,并保证注浆的饱满度。

2.4.钢支撑

钢架由型钢弯制而成。钢架在洞外加工厂利用台架按设计加工制作成型,初喷混凝土之后在洞内进行安装,与定位钢筋焊接。钢架间以混凝土喷平,钢架与岩面之间的间隙用喷射混凝土充填密实,并使钢架埋入混凝土中,钢架拱脚必须放在牢固的基础上,架立时垂直隧道中线,架设时中线、高程和垂直度由测量技术人员严格控制,并将锚杆与钢架焊接连为整体,钢架靠近围岩侧的保护层厚度不小于40mm。

2.5.钢筋网

钢筋网选用HPB240钢筋,钢筋直径6mm或8mm,钢筋网由纵横钢筋加工成方格网片,钢筋相交处可点焊成块,也可用铁丝绑扎成一体,网格间距200mm—250mm,保护层不小于20mm,均在加工场统一加工成型后再运至洞内安装。

2.6.湿喷纤维混凝土

外岙一号隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩支护设计中,临时支护封闭掌子面采用素喷混凝土,Ⅳ、Ⅴ级围岩段采用改性聚脂纤维(钢纤维)喷射混凝土。

3.二次衬砌

二衬采用自行式全断面液压钢模衬砌台车,衬砌台车长10m。

四、确保隧道施工安全的主要技术措施和其它保证措施

㈠主要技术措施

1.监控量测

监控量测的主要目的在于了解围岩稳定状态和支护、衬砌可靠程度,获取二次衬砌及仰拱施作时机,确保施工安全及结构的长期稳定性。在隧道施工期间实施监测,提供及时、可靠的信息用以评定隧道工程在施工期间的安全性,并对可能发生危及安全的隐患或事故及时、准确地预报,以便及时采取有效措施,避免事故发生的同时指导设计和施工,实现“动态设计、动态施工”的根本目的。

监控量测主要做好这几个方面的工作:一是和产权单位签定安全监控协议,由他们委托浙江逸欣天然气公司负责管线的调查(包括:管道的材质、管壁的防护、焊缝情况)和监控管道位置的变化(包括:管道的下沉和扰动)等。二是,由我们自己做好隧道内、外的监控量测工作,及时掌握隧道拱顶变化、净空变化、地表沉降情况,为安全施工起到指导作用。

具体操作流程为:

1.1.监控量测断面及测点设计

净空变化、拱顶下沉和地表下沉(浅埋地段、管道顶部及前后5m断面)等必测项目设置在同一断面,其量测断面间距及测点数量根据围岩级别、隧道埋深、开挖方法等按表6进行,洞口及浅埋段量测断面间距取小值。

必测项目量测断面间距和每断面测点数量

表6

开挖方法

每断面测点数量

Ⅴ级

5

三台阶七步法

CRD法

Ⅳ级

10

临时仰拱台阶法

沉降观测按围岩级别确定,本隧道Ⅴ级按5m、Ⅳ级按10m布设一个监测断面。隧道洞口里程、隧线分界里程、明暗分界里程、有仰拱和无仰拱陈其变化历程及隧道衬砌沉降缝两侧均设置一个断面。除变形缝外每断面布置2个沉降观测点,分别布置在隧道中线两侧各4.6m处,变形缝处每个观测断面布置4个沉降观测点,分别布置在隧道中线两侧各4.6m和变形缝前后各0.5m处。

1.2.主要监测项目测点布置

①水平收敛

测方法采用水准抄平方法,基准点分别设置在洞内和洞外(用于校核),视线长度一般不大于30m,监测误差控制在1.0mm以内(高程误差0.7mm),必要时采用冗余观测方法来提高监测精度。测点布置如图1、2所示。

②拱顶下沉

在确定监测的断面隧道开挖或初喷后24小时内,在隧道拱顶部位埋设1个带挂钩的测桩(测桩埋设深度约15cm,钻孔直径约20cm,用早强锚固剂固定),并进行初始读数。监测仪器采用水准仪和水准尺。

③地表沉降

隧道浅埋地段地表下沉的量测与洞内净空变化和拱顶下沉量测在同一横断面内。监测断面垂直于隧道轴向布置,监测断面横断面方向应在隧道

中线两侧每隔2~5m布设地表下沉测点,每个断面设5点,中心点在隧道拱顶正上方,直到拱脚与水平方向45度夹角的地层滑动线与地表交点,在最外测点以外至少5m设两个不动点作为参照基点,通过精密水准仪量测不同时刻测点的高程即可得到测点在不同时间段内的下沉值,如图三所示。另外,在沿着管道纵向每5米悬吊点的桁架上做好标记,测好桁架完全受力时的初始读数,之后开挖至管道下方前后20m范围每天测两次,根据铁四院的设计参数,地表沉降按最大值2cm来考虑加固管道。

2.地质超前预报

2.1隧道地质超前预报的目的

TSP203探测系统可预报施工隧道掌子面前方以下不良(或特殊)地质问题:1)软弱岩层的分布,2)断层及其破碎带,3)节理裂隙发育带,4)含水情况,5)空洞,6)围岩类别,即可以预测即将开挖隧道相关地质结构及其周围地质状况,同时也可以对力学参数(动态弹性摸量、剪切摸量、泊松比、密度、弹性纵波速度、弹性横波速度等)进行评估,有利于及时预报隧道掌子面前方的地质状况,以便正确指导隧道施工。

3.防止地表下沉的技术措施

隧道开挖后为了防止拱顶下沉而导致地表下沉,一方面我们在天然气管道下方前后10m范围将钢拱架的间距调整到0.5m,另一方面采取在初期支护内圈增设Ⅰ20的工字钢做护拱,护拱的间距等同初期支护的工字钢架的间距,以增加拱圈的刚性,避免拱顶围岩柔性变形产生拱顶下沉导致地表下沉。

由于隧道埋深只有14m,在隧道施工过程中地表可能产生沉降,由此,可能导致天然气管道产生较大的变形,甚至开裂。因此,在隧道中线左右各17.5m(铁四院提供的参数)范围外的不动点

处设置两个混凝土支墩,支墩为门式框架墩,上面架设桁架梁将管道悬吊起来,使地表的下沉不带动管道的下沉,确保施工过程中天然气管道的安全输气。避免由于任何原因对天然气管道输气造成影响。(后附桁架设计图)

㈡安全保证措施

1、天然气管道事故应急预案

发生事故时要迅速切断气源,封锁事故现场和危险区域,迅速撤离、疏散现场人员,设置警示标志,同时设法保护相邻装置、设备,关停一切火源、电源,防止静电火花,将易燃易爆物品搬离危险区域,防止事态扩大和引发次生灾害;设置警戒线和划定安全区域,对事故现场和周边地区进行可燃气体分析、有毒气体分析、大气环境监测和气象预报,必要时向周边居民发出警报;及时制定事故应急救援方案(灭火、堵漏等),并组织实施;现场救援人员要做好人身安全防护,避免烧伤、中毒等伤害;保护国家重要设施和标志,防止对江河、湖泊、交通干线等造成重大影响。

2.通风技术措施

由于隧道是双口掘进,根据存在天然气管道的特殊情况,进口、出口各设置两台110KW×2的通风机。为了减少风阻,在保证有效净空的情况下,选用大直径(1.5m)的风管。严格控制通风时间,确保置换掌子面附近足够的施工距离。

因DK111+410里程处的天然气管道在隧道顶部14m处,为防止天然气管道因施工发生开裂,导致天然气渗漏进隧道,在隧道内设置气体浓度检测仪,随时随地对隧道内的空气浓度进行检测。空气浓度一旦出现异常,立即停止施工,所有人员撤离现场,关闭电源、火源,在施工现场内停止使用手机,防止发生爆炸事故。

3.隧道工程各分项工程质量保证措施

3.1.隧道开挖保证措施

开挖支护是隧道工程的质量控制的源头,针对不同的情况采取切实有效的措施是保证开挖支护质量。坚持“先治水、短进尺、强支护、早封闭、勤量测,快成环、早衬砌”的原则开挖过程中严格按设计控制开挖断面,每开挖循环均测量放样标出隧道中线位置和开挖轮廓,严格控制超挖。当出现超挖时,采用喷锚等永久支护体系时,多次复喷,直至大面平顺。

根据地质预报了解的前方围岩情况,选择适宜的开挖方案。

开挖过程中钢架或临时支撑,重视锁脚锚杆(管)的施工,以确保钢架基础稳定,确保下一个工序的安全施工,要及早封闭成环,必要时增设临时仰拱,保护基底。

3.2.砂浆锚杆施工措施

砂浆锚杆长度根据围岩状况及设计确定严格按交底长度下料,锚杆打设角度与岩层层理相匹配,锚杆角度尽可能与岩层面垂直多穿岩层,呈梅花形布置。要求锚孔内砂浆饱满,保证锚杆、砂浆、围岩间的粘结力。

3.3.喷射混凝土施工措施

喷射混凝土采用湿喷工艺,按初喷和复喷组织施工。喷射混凝土由混凝土拌合站拌合。初喷在清帮、找顶后立即进行,初喷混凝土厚度4~5cm,及早快速封闭围岩。复喷在拱架、挂网、锚杆施工完成后进行。

3.4.衬砌混凝土施工措施

二次混凝土衬砌采用衬砌台车进行。混凝土衬砌施工采用输送泵灌注,拌合站集中拌和,严格按混凝土配合比生产,混凝土输送车输送。

挡头模板及台车下缘注意模板拼缝防止漏浆,确保施工缝质量。

采用同条件养护试件强度,控制衬砌混凝土强拆模时间,严禁提前拆模。

隧道衬砌前,必须将隧道底部和墙脚的虚碴、浮碴清除干净,确保仰拱及隧道的拱墙衬砌置于坚实的基础上,避免衬砌不均匀下沉开裂。

添加粉煤灰等改善混凝土性能,尽量降低水灰比,控制水泥用量。

采用泵送混凝土工艺,周密组织混凝土运输,防止混凝土离析,最大限度的缩减混凝土运输时间和浇筑间歇时间,并加强混凝土灌注过程中捣固,确保混凝土捣固质量,保证衬砌混凝土的密实度。

控制混凝土入模、拆模时的环境温度与混凝土温差在规范范围内。

4.监控量测质量保证措施

认真加固拱脚,加强纵向联结等,上台阶初支要清除拱脚积水与淤泥,通过打设超长拱脚锚杆或扩大拱脚减少下台阶开挖后的下沉量。使初期支护与围岩形成完整体系。

尽量单侧落底或双侧交错落底,避免上半断面两侧拱脚同时悬空;控制落底长度,视围岩情况采用1-3m,不大于6m。

找出每道工序的合理施工时间,各工序严格按标定时间进行控制,从而缩短循环作业时间,减少开挖面土体的暴露时间,支护及时封闭成环。及时监控量测围岩,观察拱顶,拱脚的收剑情况,据此调整初期支护参数。

合理进行围岩支护:采用聚丙烯纤维混凝土、锚杆、钢筋网及钢架进行联合支护,并紧跟开挖掌子面,并根据具体情况在隧道底部打设锚杆,或在隧道顶部打入超前注浆小导管支护,并尽可能使初期支护在开挖面周壁迅速闭合;衬砌结构尽早闭合,膨胀岩隧道开挖后,围岩向内挤压变形一般是在四周同时发生,所以施工时要求隧道衬砌及早封闭,要求隧道开挖能尽快形成全断面,以便快速完成隧道断面的二次衬砌施工。

五、天然气管道加固方案

1.为防止隧道在开挖过程中出现垮塌,天然气管道采取桁架吊顶的措施进行加固。以隧道线路中线线为中点,沿天然气管道左右各17.5米,总长35米的范围设置三角桁架,桁架的设计详见附件。

2.桁架的支撑采用门式墩,在35米的范围两头各设置一个,墩基础采用明挖扩大基础,基础置于硬质基岩上。墩身采用钢筋混凝土,高度约1.5米。门式墩结构尺寸详见附件。

3.桁架架设完毕后,每隔5米设置一个吊点。在吊点的位置开挖出天然气管道,管道埋深约1.2米,开挖至1.0米时候,更换工具,采用木制锹进行开挖,主要目的是为了防止铁质工具破坏管道外面的绝缘漆,产生火花。

4.天然气管道在吊点进行吊装时候,管道外应该先包裹一层橡胶绝缘套管,防止铁质吊装设施直接管道发生摩擦,保护天然气管道。

5.管道吊装完毕后,及时对开挖出的管道进行原土回填,避免管道长期暴露。

6.在施工过程中,对隧道顶天然气管道采用栅栏进行封闭,并指派专职安全员进行巡逻检查,禁止闲杂人及明火等进入管道防护区域。

7、按铁四院的设计方案施工地表沉降值最大不超过2cm,而管道不允许有沉降变形,因此在每个吊点处的管道上面安装一个与之相连接并露出地面的测点,一旦检测到管道有下沉,立即用悬吊点的紧线器紧钢丝绳,确保管道沉降量为零。

8.隧道施工完毕后,对隧道顶35米范围内的天然气管道采取换管措施,并加设2cm的套管,具体换管方案由具有相关资质的浙江省煤电研究设计院设计。

六、钢桁架的设计方案

计算过程(钢柱)

截面类型=16;布置角度=0;计算长度:Lx=1.46,Ly=2.00;长细比:λx=4.9,λy=18.9

构件长度=2.00;计算长度系数:Ux=0.73

Uy=1.00

截面参数:B1=450,B2=450,H=700,Tw=14,T1=20,T2=20

轴压截面分类:X轴:b类,Y轴:b类

验算规范:普钢规范GB50017-2003

强度计算最大应力对应组合号:27,M=-166.42,N=303.64,M=-1088.08,N=-297.48

强度计算最大应力(N/mm*mm)=189.67

强度计算最大应力比=0.925

平面内稳定计算最大应力(N/mm*mm)=138.74

平面内稳定计算最大应力比=0.677

平面外稳定计算最大应力(N/mm*mm)=145.39

平面外稳定计算最大应力比=0.709

腹板容许高厚比计算对应组合号:18,M=40.76,N=192.20,M=-149.06,N=-61.17

GB50017腹板容许高厚比[H0/TW]=64.12

GB50011腹板容许高厚比[H0/TW]=70.00

翼缘容许宽厚比[B/T]=13.00

强度计算最大应力

平面内稳定计算最大应力

平面外稳定计算最大应力

腹板高厚比H0/TW=47.14<[H0/TW]=64.12

翼缘宽厚比B/T=10.90<[B/T]=13.00

压杆,平面内长细比λ=5.<[λ]=150

压杆,平面外长细比λ=19.<[λ]=150

均布荷载下最大挠度计算:

经公式Ymax=ql4/8EI计算得最大挠度19.6mm<δ=20mm

风荷载作用下柱顶最大水平(X向)位移:

节点(30),水平位移dx=0.042(mm)=H/75441.

风载作用下柱顶最大水平位移:H/75441<柱顶位移容许值:H/150

经过计算,设计的桁架受力、满荷载下的最大挠度以及风荷载下的水平位移均满足要求。

七、结束语

事实证明这种近距离高压天然气输气管线的隧道开挖及安全防护方案是安全的,用监控量测来预控沉降变形的措施是切实可行的。钢桁架悬吊输气管线起到了安全储备的作用,相当于新奥法施工隧道二次衬砌的作用机理,有效的防止了管道的沉降变形,确保了输气管道在整个施工过程中的安全。

参考文献

⑴《石油天然气保护条例》(国务院2001年313号令)

⑵《浙江省人民政府办公厅转发省公安厅等部门关于切实做好天然气管道保护工作意见的通知》(浙政办发2005年第85号文件)

铁路隧道施工安全篇5

关键词:城市交通隧道网格盾构土压盾构双圆盾构泥水盾构沪崇苏越江工程

1前言

上海城市人口1450万,流动人口300万,面积6340km2,目前已经成为中国的经济、贸易、金融、航运中心城市。城市的经济发展促进城市建设尤其是交通建设的发展,城市地下轨道交通具有快捷、安全的特点。上海城市轨道交通线网规划17条线路,总长780km,其中地铁11条线,长度385km。已建3条线,其中地铁2条线;在建4条线,其中地铁2条线。地铁区间隧道总长度达700km(双线),采用盾构法施工,已建约100km。

黄浦江从东北至西南流经上海城区,把上海分为浦东、浦西2部分,江面宽500m~700m,主航道水深14m~16m。近10年来,浦东的迅速发展促进了越江交通工程建设,采用大直径盾构建造江底交通隧道已得到广泛的应用。已建隧道5条,在建隧道4条拟建隧道6条。

上海地层为第四纪沉积层,其中0~40m深度内均为软弱地层,主要为粘土、粉质粘土、淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土、粉砂土等,这类土颗粒微细、固结度低,具有高容水性、高压缩性、易塑流等特性。在该类地层中进行盾构隧道掘进施工,开挖面稳定和控制周围地层的变形沉降十分困难。

上海地区盾构隧道技术的应用,始于1965年,近40年来,尤其是近10年来,盾构隧道技术广泛用于地铁隧道、越江公路隧道和其它市政公用隧道。本文就上海城市交通隧道盾构施工技术的发展和现状,作一个回顾和综述。

2网络挤压盾构掘进技术的开发和隧道工程应用

2.1φ5.18m网格挤压盾构及上海地铁试验工程

1964年,上海市决定进行地铁扩大试验工程,线路位于衡山路北侧,建2条长600m的区间隧道,隧道复土10m,隧道外径5.6m,内径5m。隧道掘进施工采用2台自行设计制造的φ5.8m网格挤压盾构,辅以气压稳定开挖面土体,于1966年底完成1200m地铁区间掘进施工,地面沉降达10cm。

2.2打浦路隧道φ10.2m网格挤压盾构掘进施工

1965年,上海第一条穿越黄浦江底的车行隧道??打浦路隧道,全长2761m,主隧道1324m采用φ10.2m网格挤压盾构掘进施工,黄浦江约600m,水深16m,见图1所示。

φ10.2m网格挤压盾构掘进机是中国第一台最大直径的盾构,盾构总推力达7.84×104kn,为稳定开挖面土体,采用气压辅助施工方法。盾构穿越的地层为淤泥质粘土和粉砂层,在岸边采用降水辅助工法和气压辅助工法,在江中段采用全气压局部挤压出土法施工。盾构见图2所示。

圆隧道外径10m,由8块钢筋混凝土管片拼装而成。管片环宽90cm,厚60cm。管片环向接头采用双排钢螺栓联接。衬砌接缝防水采用环氧树脂。打浦路隧道于1970年底建成通车,至今已运营33年。

2.3延安东路隧道北线φ11.3m网格挤压水力出土盾构施工

1983年,位于上海外滩的延安东路隧道北线工程开工建设,隧道全长2261m,为穿越黄江底的2车道隧道,其中1310m为圆形主隧道,采用盾构法施工,隧道外径11m,隧道衬砌由8块高精度钢筋混凝土管片拼装而成,管片环宽100cm,厚55cm,接缝防水采用氯丁橡胶防水条。

隧道北线圆形主隧道采用了上海隧道工程公司自行设计研制的φ11.3m网格型水力出土盾构,见图3所示。在密封舱内采用高压水枪冲切开挖面,挤压进网络的土体,搅拌成泥浆后通过泥浆泵接力输送,实现了掘进、出土运输自动化。网格上布有30扇液压闸门,具有调控进土部位、面积和进土量的作用,可辅助盾构纠偏和地面沉降控制。网格板上还布设了20只钢弦式土压计,可随时监测开挖面各部位的土压值变化,实现了信息化施工。盾构最大推力可达1.08×105kn。盾构顺利穿越江中段浅复土层和浦西500m建筑密集区,保护了沿线的主要建筑物和地下管线。

3土压平衡盾构在城市交通隧道工程的应用和发展

3.1土压平衡盾构的引进和开发应用

近年来,我国的城市地铁隧道、市政隧道、水电隧道、公路交通隧道已经越来越多地采用全断面隧道掘进机施工,其中用得最多的是土压平衡盾构掘进机。上海、广州、深圳、南京、北京的地铁区间隧道已经采用了31台直径6.14m~6.34m的土压平衡盾构,掘进区间隧道总长度达400km。土压盾构具有机械化程度高、开挖面稳定、掘进速度快、作业安全等优点,在隧道工程中有广泛的发展前景。

土压平衡盾构适用于各种粘性地层、砂性地层、砂砾土层。对于风化岩地层、软土与软岩的混合地层,可采用复合型的土压平衡盾构。在砂性、砂砾、软岩地层采用土压盾构掘进施工,应在土舱、螺旋输送机内以及刀盘上注入泥浆或泡沫,以改良土砂的塑流性能。

3.2φ6.34m土压盾构在上海地铁工程中的应用

1990年,上海地铁1号线开工建设,双线区间隧道选用土压平衡盾构掘进,经国际招标,7台φ6.34m土压盾构由法国fcb公司、上海市隧道工程公司、上海市隧道工程设计院、上海沪东造船厂联合体中标,利用法国混合贷款1.32亿法郎。第1台φ6.34m土压盾构于1991年6月始发推进,7台盾构掘进总长度17.37km,1993年2月全线贯通,掘进施工期仅20个月,每台盾构的月掘进长度达200~250m。掘进施工穿越市区建筑群、道路、地下管线等,地面沉降控制达+1cm~-3cm。φ6.34m土压平衡盾构见图4所示,其主要技术性能见表1。

1995年上海地铁二号线24.12km区间隧道开始掘进施工,地铁一号线工程所用的7台φ6.34m土压盾构经维修以后,继续用于二号线区间隧道掘进,同时又从法国fmt公司和上海的联合体购置2台土压盾构,上海隧道工程股份有限公司制造1台土压盾构,共计10台土压盾构用于隧道施工。

于2000年开工兴建的上海地铁明4号工程区间隧道仍将使用这10台φ6.34m土压平衡盾构施工。2001年,向日本三菱重工购置4台φ6.34m土压平衡盾构,共计14台盾构正在掘进施工。

上海地铁隧道外径6.2m,衬砌环由6块钢筋混凝土管片拼装而成,通缝拼装,环宽100cm,管片厚35cm。见图5所示,地铁4号线部分区间隧道管片采用错缝拼装,环宽120cm。

上海地铁2号与1号线垂直相交,盾构从1号线区间隧道下1m穿越,掘进施工中采用地层注浆加固、跟踪注浆、信息化施工等技术措施,确保1号线地铁安全运营,沉降控制在2cm以内。地铁4号线与2号线区间隧道相交,4号线盾构从2号线隧道下1m穿越。φ6.34m土压盾构在城市建筑群下穿越,其沉降一般也在4cm以内。盾构平均月推进长度约250m,最快达400m/月。

3.3双圆形盾构掘进机的引进和应用

2002年,上海地铁8号线黄兴路至开鲁路站三个区间隧道,长度2,688m,采用dot双圆盾构隧道工法,并从日本引进2台φ6300m×w10900mm的双圆形土压盾构掘进机。双圆盾构见图所示,其主要技术参数见表2。

双圆隧道衬砌采用预制钢筋混凝土管片,错缝拼装;每环管片由11块管片拼装而成,其中2块为海鸥形,1块为柱形。管片厚度30cm,环宽120cm,见图7所示。

3.4φ7.64m土压盾构掘进外滩观光隧道

3.4.1工程概况

上海外滩观光隧道是我国第一条行人过江专用隧道,是一条连接南京路外滩和陆家嘴东方明珠塔的江底隧道,全长646m,隧道内径6.76m。隧道内通行一来一往2条观光车轨道。

外滩观光隧道于1998年初开工,1999年底建成运营,土建工程包括黄浦江两岸的2座出入口竖井和一条过江隧道,见图8所示。隧道位于延安东路隧道北侧,并与上海地铁二号线2条过江区间隧道在江底交叉。隧道穿越的主要地层为粘土、粉质粘土、淤泥质粘土和砂质粉土。

隧道衬砌环由6块钢筋混凝土管片拼装而成,管片设计强度c50,抗渗等级s8,环宽120cm,厚35cm。管片接缝防水采用epdm多孔橡胶止水带,管片背面涂防水层。

3.4.2φ7.65m土压平衡盾构掘进施工

隧道掘进采用φ7.65m土压平衡盾构,见图9所示。盾构大刀盘切削土体,为幅条式结构。盾构长8.935m,中间有较接装置,易于纠偏施工。盾构最大推力5.2×104kn。盾构密闭舱内充满切削土砂,通过直径900mm的螺双输送机排土,通过推进速度、螺旋机转速、排土量来控制密闭舱土压,使之与开挖面水压力平衡。盾构掘进速度为0~4cm/min。

盾构于1998年11月始发推进,隧道纵坡达4.8%,;平曲线最小半径为400m,均为国内越江盾构隧道之最。盾构初推段100m内进行了土体变形、土应力、孔隙水压的监测,反馈盾构施工,调整盾构施工参数,控制施工轴线和地表沉降。盾构掘进的平均速度达8m/d,646m隧道共花费3个月的时间完成,工程质量优良。

3.53.8m×3.8m矩形土压盾构掘进地铁过街人行地道

常用的盾构隧道掘进机为圆形,主要是圆形结构受力合理,圆形掘进机施工摩阻力小,即使机头旋转也影响小。但是圆形隧道往往断面空间利用率低,尤其在人行地道和在行隧道工程中,矩形、椭圆型、马蹄形、双圆形和多圆形断面更为合理。日本80年代开发应用了矩形隧道,在90年代开发应用了任意截面盾构和多圆盾构,并完成了多项人行隧道、公路隧道、铁路隧道、地铁隧道、排水隧道、市政共同沟隧道等,使异形盾构技术日益成熟,异形断面隧道工程日益增多。

我国于1995年开始研究矩形隧道技术,1996年研制1台2.5m×2.5m可变网格矩形顶管掘进机,顶进矩形隧道60m,解决了推进轴线控制、纠偏技术、深降控制、隧道结构等技术难题。1999年5月,上海地铁二号线陆家嘴路站62m过街人行地道采用矩形顶管掘进机施工,研制1台3.8m×3.8m组合刀盘矩形顶管掘进机,具有全断面切削和土压平衡功能,螺旋输送机出土,掘进机的主要工作参数见表3,矩形顶管掘进机见图10。

4大直径泥水加压盾构掘进越江公路隧道施工

4.1延安东路隧道南线φ11.22m泥水加压盾构掘进施工

1995年,为发展浦东建设需要,上海延安东路隧道南线开工建设,为缩短工期和保护隧道沿线建筑物的需求,引进日本三菱重工制造的φ11.22m泥水加压盾构。盾构本体示意见图11。

隧道南线1300m圆形主隧道采用日本三菱重工制造的φ11.22m泥水加压盾构掘进施工,盾构本体示意见图5。盾构采用刀盘切削,总推力达1.12×105kn,刀盘扭矩4635kn·m,最大掘进速度46mm/min。盾构密封舱充满压力泥浆与开挖面水土压保持平衡,并在开挖面形成泥膜,起到稳定的作用。盾构设有掘进管理、泥水输送、泥水分离和盾尾同步双液注浆系统。掘进管理和姿态自动计测系统能及时反映盾构掘进施工的几十项参数,便于准确设定和调整各类参数。

4.2大连路隧道φ11.22m泥水加压盾构掘进施工

上海大连路隧道全长2565m,为2来2去的两条双车道隧道,工程总投资16.55亿元。工程于2001年5月25日开工,合同工期28个月。隧道平、剖面见图12所示。

圆形主长1263m,采用2台φ11.22m泥水加压盾构同时掘进施工。隧道衬砌结构在延安东路隧道工程的基础上进行了优化改良,拼装形式由通缝改为错缝,管片厚度从55cm改为48cm,环宽由100cm增大为150cm,管片分块由8块增为9块,管片连接螺栓由直螺栓改为弯螺栓,螺栓手孔改小,管片形式由箱形改为平板型。隧道衬砌结构见图13。

泥水加压盾构的泥水输送和泥水处理是盾构施工的重要组成部分,公司自选研究设计制造了适应上海软土地层的泥水分离系统,见图14所示。

盾构进出洞土体加固全部采用冻结法。

西线隧道于2002年3月28日始发推进,至9月20日隧道贯通,工期6个月。东线隧道于6月18日发推进,至12月底隧道贯通。盾构掘进速度平均为8m/d,最快为15m/d。两条隧道最小间距为6m。

大连路隧道于2003年9月建成通车,总工期仅28个月,是上海越江公路隧道建设周期最短的。

4.3上海越江交通工程的发展

2001年底,复兴东路隧道工程开工建设,为2条3车道隧道,隧道外径11m,分为上下两层,是我国第一条双层隧道,全长2785m。2条1215m主隧道于2003年2月和5月先后始发推进,于11月隧道贯通。

2003年6月,翔殷路隧道工程开工建设,为2条2车道隧道,隧道全长2597m,隧道外径11.36m,内径10.2m,是目前车道最宽的盾构隧道,设计车速可达80km/h。

正在设计中的越江隧道有军工路隧道和上中路隧道(中环线配套工程),正在规划中的越江隧道有长江西路、新建路、人民路、耀华路等4处。

长江口越江通道工程是连接上海-崇明-江苏北部的重要交通工程,位于长江口,从上海浦东-横沙岛-崇明岛-南通,采用桥隧结合的工程方案,全长68km,为3来3去6车道,设计车速100km/h。其中浦东5号沟至横沙岛穿越长江南港,采用盾构隧道施工,全长约8.5km,隧道外径15.2m。横沙岛至崇明岛越江北港,采用桥梁施工,全长9.54km。见图15所示。直径φ15.2m的盾构隧道,目前是世界上最大直径的盾构隧道,隧道断面见图16。

5结语

上海城市交通隧道工程的发展提高了盾构隧道技术的水平。从最初的网格挤压盾构,发展到目前的土压平衡盾构和泥水加压盾构,盾构机向机械化、自动化、信息化发展,掘进速度快,盾构开挖面稳定,地面沉降控制好,环境影响小。盾构衬砌不断改进和优化。盾构与隧道技术正在向大深度、大直径、长距离掘进发展。双圆隧道、矩形隧道技术也得到应用。随着上海城市交通隧道工程建设的不断发展,盾构隧道技术水平将进一步的发展和提高。

参考文献

1、傅德明、杨国祥.《上海地区越江交通盾构施工技术综述》.“国际隧道研讨会暨公路建设技术交流大会论文集”.人民交通出版社.2002.10

铁路隧道施工安全篇6

关键词:浅埋暗挖,既有线,隧道,安全控制

中图分类号:U451.3文献标识码:A文章编号:

1工程简介

深圳地铁5号线长深区间暗挖隧道在左DK18+980、左DK18+990处下穿平南铁路和平南铁路下排洪涵,铁路与线路相交里程为ZDK18+994(影响的铁路范围DK16+120~+160)。平南铁路为单行线,平均行车频率约42分钟/列,该段为填方路基,盖板箱涵均为1-5m×5m的排洪涵。平南铁路轨顶距离隧道拱顶约16.65m,隧道在左DK18+980下穿平南铁路盖板箱涵入口翼墙(该箱涵已废弃)处拱部围岩为全风化、强风化花岗岩,拱顶覆土厚度为6.114m(距离涵基础底)。隧道在左DK18+990下穿平南铁路和盖板箱涵处拱部围岩为强风化、中风化花岗岩,拱顶覆土厚度为1.348m(距离涵基础底)。该段隧道底为中风化花岗岩(或微风化花岗岩)。盖板箱涵基础为100号浆砌片石基础。隧道与平南铁路平面、剖面关系情况分别如图1所示。

图1隧道与平南铁路位置关系剖面图

2确定控制标准

我国铁路线路维护标准较为严格,达到作业验收的标准为:

(1)线路轨距:+6mm、-2mm;水平:4mm;高低:4mm:

(2)道岔轨距:+3mm、-2mm;水平:4mm;高低:4mm。

(3)线路轨面变化:±3mm/2h、±10mm/24h;累计隆沉量:±20mm;

(4)地面累计沉降量:30mm,累计隆起:10mm。

石家庄铁道学院的李文江,朱永全等以规范规定的既有构造物允许不均匀沉降值作为控制指标,采用数学力学的基本分析方法,建立相应隧道施工地表沉降控制标准。

《铁路线路维修规则》规定:线路轨道前后高低差用L=10m弦量测的最大矢度值不应超过4mm。根据Peck沉降曲线规律,由轨道前后高低不平顺决定的地表允许沉降为:

(1)

其中W为沉降槽的宽度,L为量测弦长,[δ]为铁路轨道允许10m弦量测的最大矢度值。从以上公式可以看出,研究假定开挖产生的沉降曲线即为线路的变形曲线,即线路与土层特性相比,可以视为完全弹性。根据及沉降槽的计算公式可推测地表最大允许沉降量为7.4mm。

3隧道下穿既有铁路施工过程影响预测分析

对隧道穿越既有铁路线路施工的影响预测即是运用一定方法对新建隧道施工对既有铁路的影响进行预测分析,与上述控制标准进行比较,若其承受影响的能力大于所受的影响,则既有铁路结构安全、承受安全风险较小;否则即表示既有铁路处于安全风险较大状态,必须采取特殊措施以控制隧道施工影响,以安全通过既有线。由此还可判定新建隧道施工的影响范围。隧道施工对于既有铁路的影响是通过施工产生地层变形来传递的,是通过改变既有结构的外力条件和支撑状态对其施加影响的。

根据影响预测分析,可以进行隧道施工方案的优化,从技术上讲,选取的施工方案应该对既有铁路影响最小。根据现状评估结果和影响预测分析,综合确定施工过程中既有铁路变形的控制指标及控制标准。

3.1数值计算模型

新建两隧道所处的地质条件由三层不同土层构成,从上至下依次为:素填土、砾质粘性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中等风化花岗岩和微风化花岗岩。隧道在拱部围岩为强风化、中风化花岗岩,隧道底为中风化花岗岩(或微风化花岗岩)。隧道穿过平南铁路,采用留核心土台阶法施工,每循环开挖长度应不大于0.5~1.0m。支护结构喷混凝土采用C20早强混凝土厚220mm;二次衬砌采用C30钢筋混凝土,厚300mm。由于两条分离隧道相离较远,相互间开挖引起的影响较小,计算时只考虑左线单条隧道。计算参数如表1所示。

(2)计算模型

根据圣维南原理和实际需要,整个模型计算范围为80m×50m×36m(宽×高×长),计算模型网格划分如所示,整个模型共12766个单元,14648个节点。

表1材料参数表

3.2不同施工方法计算结果分析

本次计算采取单洞台阶法、CD法及

CRD法的比较,图2为各种工法施工下的地表沉降(模型中间截面)以及隧道轴线上方地表沉降情况。

图2各种工法地表沉降曲线

(1)通过对台阶法、CD法及CRD施工工法的计算表明,CD法、CRD法在控制沉降方面比台阶法要稍好,其中以CRD法最佳。

(2)本次计算中考虑到隧道断面积比较小,如果采用控制沉降效果稍好的CD、CRD施工工法,则在上述的①部、②部、③部及④部中场地狭小,特别是隧道下半部分的开挖,不适宜于用机械设备挖掘,且施工工法比台阶法复杂,工期方面比台阶法要长。根据前面采用的台阶法施工过程中沉降监测情况以及施工速度来看,建议本段采取台阶法施工。

3.3注浆效果模拟

在模拟过程中,施工方法按台阶法,每次开挖9m直至整个模型贯通。模拟过程先考虑土在自重作用下产生的初始应力场,再考虑建筑物施工的影响,然后再考虑隧道施工对建筑物的影响。模拟过程分别对不注浆和注浆进行模拟。

图3不注浆情况下衬砌施工完成后隧道轴线上方与模型中间截面地表沉降曲线

图4注浆情况下衬砌施工完成后隧道轴线上方与模型中间截面地表沉降线

①不考虑注浆分析

通过计算可知,在未采用注浆加固的情况下,隧道上方地表的最大沉降达到16.6mm左右,隧道上方铁路线对应位置的沉降在4.8~18.6mm范围内,铁路位置沿隧道轴向最大不均匀沉降为13.8mm。

②考虑注浆分析

从上述计算可知,采用注浆加固措施后,隧道上方地表的最大沉降和拱顶沉降量均在7.3mm左右,隧道上方铁路线对应位置的沉降在2.0~8.0mm范围内,铁路位置沿隧道轴向最大不均匀沉降为6.0mm。

上文针对新建隧道穿过既有铁路线路的四种位置情况,通过计算分析结果知:

(1)未采取小导管注浆加固措施的情况下,隧道上方地表的最大沉降在16.6mm左右,隧道上方铁路线对应位的沉降在6.3~18.6mm范围内,铁路位置沿隧道轴向最大不均匀沉降为13.8mm。

(2)在采用注浆加固措施之后,隧道上方地表的最大沉降控制在7.3mm左右,隧道上方铁路线对应位置的沉降可控制在2.0~8.0mm范围内,铁路位置沿隧道轴向最大不均匀沉降为6.0mm。

由此可见,采用超前小导管注浆的加固方式有效控制了地表沉降和铁路轨道线路的沉降值,增强了结构的稳定性,提高了施工的安全性。

(3)根据浅埋暗挖隧道施工对既有铁路线的影响预测,根据控制标准,地表沉降控制在7.4mm,可知隧道施工对既有铁路线的运营存在着一定的影响,建议采取其它控制措施,以保证既有线路的正常安全运营。

3.4不同注浆圈厚度比较

图5和图6为不同注浆圈厚度下隧道施工引起的地表沉降曲线,图7为铁路两侧轨道差异沉降曲线。

图5模型中间截面地表沉降曲线

图6隧道轴线上方沉降曲线

图7铁路两侧轨道差异沉降曲线

由上图可知随着注浆圈厚度的增加,注浆控制地表沉降和铁路轨道线路的沉降值作用越大,结构的稳定性越强,但是随注浆圈的加大沉降值的变化率越来越小,说明注浆圈不是越厚越好,注浆圈太厚固然能进一步减小地表沉降但是并不明显,反而会造成

不经济。

3.5管棚效果模拟

图8为采用管棚注浆与未采用管棚注浆情况下隧道施工引起的地表沉降曲线,管棚在数值计算时采用桩单元和1m的注浆圈进行模拟。

图8有无管棚情况下地表沉降曲线

由上图可以看出,在管棚作用下地表最大沉降值减小了近9mm,有效地控制了地表沉降,减小了地表变形曲率,这也说明管棚可以起到阻隔沉降和均匀地层沉降的作用。

4既有铁路线变形过程控制技术

通过将铁路线轨道沉降(或差异沉降)控制标准值以及地面沉降控制标准值在上述台阶法(见图9)、CD法以及CRD(见图10)施工工法中的各个施工步序中具体量化,见表2、表3及表4,这样在施工过程中便于通过采取注浆等控制手段,将各个步序的沉降值控制在规定的范围之内,进而最终实现总的沉降值(或差异沉降值)在规定的范围之内。

图9隧道台阶法施工步序示意图

表2台阶法施工各关键步序地表沉降值(mm)

图10CD及CRD法施工步序示意图

表3CD施工各关键步序地表沉降值(mm)

表4CRD施工各关键步序地表沉降值(mm)

5结论

(1)通过对台阶法、CD法及CRD施工工法的计算表明,CD法、CRD法在控制沉降方面比台阶法要稍好,其中以CRD法最佳。根据工程的实际情况,考虑施工速度及机械设备所需的场地,本段最终采取台阶法施工。

(2)采用超前小导管注浆的加固方式有效控制了地表沉降和铁路轨道线路的沉降值,增强结构的稳定性,提高了施工的安全性。在采用注浆加固措施之后,隧道上方地表的最大沉降控制在7.3mm左右,隧道上方铁路线对应位置的沉降可控制在2.0~8.0mm范围内,铁路位置沿隧道轴向最大不均匀沉降为6.0mm。

(3)通过对大管棚的数值模拟,在管棚作用下地表最大沉降值减小了近9mm,有效地控制了地表沉降,减小了地表变形曲率,这也说明管棚可以起到阻隔沉降和均匀地层沉降的作用。

参考文献