矿山法暗挖下穿北辰桥和北四环路施工
2009-03-11 00:23
地铁矿山法暗挖下穿北辰桥和北四环路施工技术
[摘要]北京地铁奥运支线暗挖区间隧道下穿北四环路和北辰桥,北四环路在北京交通中起着至关重要的作用,车流量很大,控制施工沉降,保证桥体和北四环路安全稳定,保证车辆正常通行是施工控制的关键。暗挖区间隧道通过采用超前探测、增设临时仰拱、袖阀管、锁脚锚管等技术措施,安全、顺利完成了北四环路和北辰桥段的施工。
[关键词]隧道;暗挖;超前探测;袖阀管
1 工程概况
北京地铁奥运支线奥体中心站~奥林匹克公园站区间位于北中轴路下方,南北走向,区间结构顶埋深9.34~15.34m,双线间距17m。区间标准断面为马蹄形,复合式衬砌,短台阶矿山法暗挖施工,开挖宽度6.06m,高度6.43m,采用C20喷射混凝土+钢筋格栅进行初期支护。其中K1+663.029~K1+743.029段区间下穿北四环路和北辰桥2号桥(四环路中心里程为K1+703.029),总长80m。该段区间隧道主要穿越地层为粉质粘土、粉土和粘土,拱部在粉土和粉质粘土层,底板在粉质粘土和粘土层。
2 北辰桥状况及允许沉降情况
2.1 北四环路现状
四环主路机动车道为双向8车道,路面宽2×16m,辅路机动车道为两上两下,路面宽2×11m。中央隔离带为2m,主辅路之间分隔带为2m,辅路人行步道5.25m。北四环路是北京市交通的主要快速干道,车流十分密集。
2.2 北辰桥现状
北辰桥位于北中轴路与北四环路相交处,北中轴路设3座跨线桥上跨北四环路。其中1、3号桥设于北中轴路上,分别位于2号桥的西侧及东侧。1、2、3号桥均为跨越北四环路的四跨简支T形梁桥,梁长均为18m,桥梁全长均为72m,桥宽均为17.7m。
2.3 U形槽
北辰桥未设桩基础,墩柱直接设置在北四环路面下的U形槽结构上, U形槽结构分为7块。受地铁区间暗挖施工影响的3~5号块结构长43.5m,底板厚80cm,边墙厚70cm,全宽71.9m。每块之间均设2cm宽伸缩缝,内设止水带。
1号桥南北向上跨3号块,2号桥南北向上跨4号块,3号桥南北向上跨5号块。1、2、3号桥桥台用U形槽边墙代替,桥台两侧设耳墙。
2.4 暗挖区间与北辰桥及U形槽位置关系
区间暗挖隧道结构位于2号桥下方、U形槽4号底板下,且平行于2号桥,区间暗挖隧道结构顶距U形槽底板底距离为6.6~8.4m。具体关系如图1所示。U形槽基础结构如图2所示。
2.5 北辰桥现状评估
经专业机构评估,北辰1、2、3号跨线桥桥梁技术状况等级为B级,处于良好状态。材料内在质量满足设计要求,结构整体刚度良好,设计承载能力满足正常使用要求,且有一定安全储备。
2.6 结构允许沉降指标
经专业机构认定,暗挖地铁区间上部允许沉降:
1)在地铁区间顶范围U形槽底板竖向不均匀沉降控制值小于3.5mm,满足底板结构本身的安全度。
2)U形槽4号块与3号、5号块相接处底板之间竖向不均匀沉降差控制值小于15mm,满足四环路行车的舒适度。
3)横桥向同一盖梁两个墩柱不均匀沉降位移差控制值小于5mm;纵桥向相临桥墩不均匀沉降位移差控制值小于15mm。
4)预警值确定(F=容许值/实测值) ①当F>1时:安全;②当1>F>0.8时:预警;注意停工,查原因,准备补救措施;③当F<0.8时:警戒;停工检查,采取补救措施。
3 具体施工方案
为保证区间顺利通过四环路北辰桥,避免区间隧道施工引起的地表沉降对北辰桥结构造成不良影响,根据“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早成环,勤量测”的浅埋暗挖施工原则,对该段的开挖支护施工参数进行适当调整,加强支护参数。具体措施如下:
3.1 超前探测
施工地质复杂,桥两侧有上水、雨污水等多条管线,降水效果难以预测,为保证施工安全,在开挖前进行地质超前探测,采用地面探测和洞内探测相结合的方式。地面由委托单位进行地质雷达对前方工程地质和水文地质情况进行超前探测。洞内在掌子面开挖前打超前探管,探测前方土体密实度和含水情况等,探孔深5m,向前有10~15°外倾角,采用插管或洛阳铲掏孔。在上台阶呈品字形布置,每3m打设一次。探测结果和地质雷达探测结果比较,确定无异常方可继续开挖,确保万无一失。
3.2 U形槽底板下注浆加固
隧道开挖前后地层不均匀沉降可能造成U形槽底板下地基局部剥离产生空隙而影响U形槽结构。故在开挖前对板下既有空隙采用袖阀式二重管进行控域注浆加固,注浆填充板下空隙,同时起到固结隧道上土体的作用,提高地层的整体性。
袖阀管采用Φ80mm×4mm优质型硬质塑料注浆管(即PVC管,又称胶批),专业厂家定制,根据作业空间分节加工,两端有冷加工形成的外螺纹(或没有螺纹),各段注浆带有内螺纹的接头(或套管连接),每米注浆管上至少有两处以上的径向注浆孔,注浆孔外套有膨胀圈,膨胀圈两侧有与注浆管连接的定位圈,并且和管径相等,管壁光滑。
主要施工步骤如下:
1)钻孔 使用KHYD-155AB型煤电钻钻机或地质钻机钻孔,注浆里程超前开挖面约5m,注浆孔落后开挖面9m打设,打设角度向前上方30°,每断面3根,管顶横向间距2~3m、纵向间距2m。为避免钻孔时破坏板下防水层和管的外露出长度20cm,注浆管长度L=2D(D为隧道顶到板下距离)。
2)孔内灌套壳料 套壳料又称封闭泥浆,等钻孔到设计深度后从钻内灌入封闭泥浆,其作用是封闭单向阀管和钻孔壁之间的空隙,迫使从灌浆孔内开环,压出的浆液挤破套壳料注入四周土层。
3)插管 在充满封闭泥浆的钻孔中插入单向阀管,一般用内径40~60mm的塑料管,每隔33~50cm钻一组射浆孔(即每米2~3组)外包橡皮套,插入钻孔时管端封闭管内充满清水。
4)注浆 在封闭泥浆达到一定强度后,在单向阀管内插入双向密封注浆芯管进行分层注浆。首先加大压力使浆液顶开橡皮套,挤破套壳料,在土体产生劈裂,并沿着裂缝扩散,扩散范围受注浆压力、时间、注浆配比、土层特征等因素的影响。浆液选用水泥水玻璃双液浆,从端部向后注浆,达到一定的压力后,提起一段再注浆,重复进行至完成。注浆完成后,清洗管内残留浆液,以便于万一沉降超限后进行第二次重复注浆。
3.3 拱部加长小导管注浆加固
采用3.0m长小导管周壁预注浆超前加固拱部土体,增加开挖期间的土体固结范围。确保开挖时拱部土体稳定,减小下沉量。环向间距30cm,纵向步距1.0m,注水泥水玻璃双液浆,“注浆一段,开挖一段,段段推进”。
3.4 短台阶开挖
台阶法开挖,台阶长度2.5~3.0m,循环开挖长度由0.75m缩短为0.5m,保证及时封闭成环,减少土体暴露时间。
3.5 增设临时仰拱
上台阶拱部格栅两底脚作成相对的“L”形放大脚,中间设临时仰拱,增加拱脚着力面积,同时起到抵抗拱脚收敛的作用。
3.6 锁脚锚管注浆
拱部格栅底脚落在土层上,时有虚土、积水成泥等对沉降不利的情况,故在放大脚的同时,两底脚各增设2根锁脚锚管。锁脚锚管采用Φ42mm热轧钢管,长3.0m,做法同超前注浆导管,向下倾角45°,钢管端头和格栅主筋焊接。喷射混凝土后注1∶1∶0.8水泥砂浆。
3.7 径向背后注浆
支护成环后对拱腰以上背后径向2m范围注浆,起背后回填和土层锚杆作用控制拱顶和土体沉降。注浆距开挖面不大于5m。拱部沿环向每0.5m一根,纵向每3m一环。注浆孔为Φ42mm钢管,管长2.5m,径向管壁钻渗浆孔,做法同超前小导管,注水泥砂浆。
3.8 其它施工措施及注意事项
1)左右线分先后通过该地段,开挖面错开距离不得小于30m。
2)遇残余水量较大的地段,加强超前探测,同时掌子面设集水井及时引排。
3)严格控制影响施工沉降的工序施工质量,加强该段施工监测,尤其是隧道拱顶沉降、收敛、桥体沉降的监测。
4)加强施工监测 穿越北辰桥施工中桥体U形槽底板的沉降指标是检验桥体安全的标准,监测在施工中起着至关重要的反馈和指导作用。为保证施工安全的桥体安全,对如下项目加强了过程监测:工程地质状况观察、拱顶下沉及净空收敛监测、桥体沉降及裂隙监测等。
4 施工过程中的体会
1)严格进行超前探测,避免施工中突然遇到水囊。开挖时有渗漏水时,掌子面设集水井及时引排,渗水严重则立即封堵掌子面,留泄水管泄水后对上台阶全断面注水泥水玻璃浆加固。
2)严格控制格栅连接质量和纵向连接筋焊接质量,保证格栅环向和纵向的整体性。
3)严格控制混凝土配合比,按照规范分层喷射混凝土,保证混凝土有良好的早强性和密实度,避免背后有较大的空洞或缝隙;喷射混凝土前将前一环混凝土接茬面清理干净,保证混凝土良好结合。
4)现场准备好应急物资,发生塌方等情况及时封闭回填处理,回填保证密实,掌子面采取注浆加固措施后方可继续开挖。
5)施工中成功应用了袖阀管注浆加固施工技术,取得了较好的效果。
5 结语
北京地铁奥运支线奥体中心站~奥林匹克公园站区间暗挖采用超前探测、袖阀管、锁脚锚管等技术措施,顺利地通过了北四环路和无桩基础的北辰桥,施工过程中无任何施工安全事故,各项监测指标均满足要求,下穿施工未对桥体和四环路交通造成不利影响,本次施工积累了地铁隧道下穿桥体的成功经验,对以后类似隧道下穿桥体等构筑物有一定的借鉴价值。
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