公路隧道路面结构与盾构掘进同步施工技术研究

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  【摘 要】 一般情况下,公路隧道内部路面结构在隧道盾构掘进贯通之后进行,但在人口密集的城市施工环境下,施工进度是制约工程建设的重要参数。在不影响盾构作业的前提下,内部路面结构的同步进行是缩短工期的一种重要工艺。本文在总结两种典型路面结构同步施工案例的基础上,着重阐述上海市人民路越江隧道同步施工的组织思路。
  【关键词】 盾构法隧道;路面结构;同步施工
  1 前言
  公路隧道路面结构与隧道掘进同步施工工艺是为了缩短隧道建设工期而发展的一种工艺,即在不影响盾构正常掘进施工的情况下,同时开展内部路面结构的作业。上海地区除外环隧道(沉管隧道)、翔殷路隧道没有采用同步施工工艺外,其余的越江隧道工程都采用了此工艺。另外,需特别指出,同步施工工艺多应用于泥水平衡式盾构施工。与土压平衡盾构相比,泥水平衡盾构挖土、出土全部实现管道输送,有利于改善隧道内作业条件和施工环境。这一优势能减轻由于采用同步施工工艺所带来的空间压力,加快掘进速度、提高施工效率。以下介绍上海两条典型断面形式越江隧道采用同步施工工艺的情况。它们是上海在单层及双层越江隧道中第一次采用同步施工工艺的越江隧道——延安路隧道南线及复兴东路隧道。
  2 典型道路结构隧道同步施工实例
  2.1延安东路隧道南线
  延安东路隧道南线同步施工的总体思路如图1所示,现场情况见图3。作为上海以及国内第一条大型越江隧道的同步施工工艺,延安路隧道南线在诸多方面都需作相应的技术准备工作。其中的几个关键问题需妥善安排。
  同步施工在何处开始实施?隧道纵向变形是影响同步施工开始时机的最主要的因素,路面结构需在隧道结构基本稳定后才能进行。一般情况下,当管片脱出盾构约15m范围内,成环管片上浮。然后隧道将逐步下沉,在脱出盾构50~60m后隧道沉降趋于稳定。延安路隧道南线同步施工在盾构推进200m后进行,将隧道纵向沉降变形对道路施工质量的影响减小到了最低程度。
  上部预制路面板如何安裝?加工制作专用吊装台车,台车采用后退悬臂式。台车设置见附图2、3。台车主梁悬臂与结构不干扰,行车轨道与电瓶车轨道共用软轨。
  构件及材料如何运输?管片等材料通过下层两条电瓶车轨道直接运送至盾构机头部;路面板通过电瓶车在已经完成的路面板结构上安排运输,上下运输路径不冲突。
  隧道内工序流程如何安排?以40m为单元划分施工段,实行流水作业。其工艺流程如下:测量定位→弧形肋安装→T形钢架安装→短梁安装→路面板吊装→剩余现浇结构。
  江中泵房处如何保持运输通畅?江中泵房沿隧道轴线布置于隧道竖曲线的最低处,其结构与同步施工运输系统相冲突,为保证材料运输的正常进行,江中泵房必须在材料运输全部结束后进行,在这之前,在泵房位置先架设临时钢便桥,以保持道路施工的连续性。
  2.2复兴东路隧道
  复兴东路隧道为上下双层隧道,其同步施工主要体现在上层路面板施工与隧道掘进同步进行。圆隧道内上层道路由长度为9.4m、宽度为1.5m、重14t的预制车道板架设在管片牛腿上而成。因上层空间狭小,为此研制了高度低,起重能力大的上层车道板吊装专用行车。现场情况见附图4。
  复兴路隧道创造性的在隧道内部运用立体运输,下层轨道运输管片及其他材料,上层路面板通过专用行车解决自身的路面运输问题。整个解决方案有两点最为关键:一是管片上带牛腿所引起的问题如何解决?带牛腿管片见图5;二是上层路面板专用行车如何设置?
  由于上层车道板安装的需要,需制作带牛腿的特殊管片。管片的形状比较复杂,钢模制作困难,为保证制作精度,采用了国外先进的技术进行带牛腿管片钢模的设计,并使用数控加工中心机床进行加工制作。另外,管片上增加牛腿后,盾构机头部原来配置的拼装机无法拼装带牛腿的管片。在更改管片上的手孔、拼装机吊装孔的位置后才能适应拼装两种管片的可能。拼装好的管片还会随盾构推进有一个旋转,旋转量过大会影响上层路面板的拼装精度,故要求盾构施工时控制牛腿基准面与水平面的转动误差小于5cm。当然,牛腿上调整垫层、路面整浇层等也可在一定的范围内减小路面板的安装误差。
  在已经架设的车道板上铺设轨道后,用平板车将预制车道板运输至架设位置,通过专用台车进行架设,重复上述过程直至上层车道布置完成。整个过程中最关键的是能在狭下空间内作业的上层道路板梁架梁机,构造图如附图6、7所示。
  3 人民路隧道同步施工介绍
  拟建的上海市人民路越江隧道工程是浦江两岸交通枢纽的重要通道之一。隧道主线西起人民路、淮海东路路口,沿人民路向东穿越福建南路、河南南路、四川南路及中山东二路等主要道路后,于原十六铺客运码头处穿越黄浦江,至浦东东昌路轮渡站处接至东昌路,沿东昌路东行至东昌路银城东路口接地,工程终点位于东昌路、浦东南路交叉口,线路总体呈西东走向。隧道主线全长约2471m,其中盾构隧道段长1471m。为缩短工期,人民路隧道拟采用同步施工工艺。
  人民路隧道外径11360mm,内径10400mm,采用日本小松公司设计、制作的Φ11580mm泥水平衡式盾构进行掘进施工。隧道衬砌为单层预制钢筋混凝土管片,采用错缝拼装。每环由封顶块F、邻接块L及标准块B共8块管片构成。管片厚度480mm,环宽1500mm,管片最重达8.5吨。隧道内口字形构件宽1.5m,重约13吨。隧道标准断面包括口字形构件、压脚混凝土、牛腿、车道板、防撞墙、整浇层等,详见附图8。
  整个盾构掘进与路面同步施工作业安排三工班两运转交替作业,口字形构件安装紧随隧道掘进施工,安排在每个工班推进结束后进行,时间基本上控制在4小时之内,同期进行盾构设备保养;口字形构件安装完毕后在其上布设运输轨道,保证运输畅通;牛腿施工采用植筋现浇混凝土施工工艺,紧随盾构台车后施工;车道板采用专用起重设备吊装,在盾构台车后200米处同步安装,防撞墙紧随车道板后进行分段现浇作业;整浇层在台车后500米处同步施工。   标准环土建结构与盾构推进同步施工的流程如下:
  3.1人民路隧道同步施工阶段划分
  人民路隧道同步施工工艺分以下几个阶段实施,每个阶段随施工工况的不同而作相应的安排。
  盾构出洞掘进阶段:此阶段主要涉及掘进段0~30m。此时由于出洞口负环不能拆除,管片和口形构件的垂直运输在暗埋段中的预留吊运孔进行。吊装作业由一台20t行车实施。该阶段,盾构台车逐步从暗埋段向隧道段过渡,并逐步安装台车支架。为便于安装台车支架,靠近暗埋段处负环暂不安装,而由钢结构分离桥所替代。
  100环试推进阶段:此阶段掘进段掘进至150m(100环处)。在这个过程中盾构工作井负环仍未拆除,管片及口形构件仍从暗埋段预留孔吊运。该段推进结束后,盾构设备提供商试推进保驾完成,负环具备拆除条件,暗埋段净空增大,电瓶车轨道可安装岔道,增加运力以提高隧道推进工效。
  盾构正常推进段:该阶段是盾构同步施工的主体和重点。该阶段,负环管片已拆除,管片及口形构件的运输可从盾构井上直接吊运,吊装设备拟采用20t行车。盾构推进采用一天两班24小时连续施工,安排三工班两运转。根据计划工效,在工班开始后8小时内完成4环管片推进,在剩余4小时的时间里进行口字形构件的跟进吊装,吊装数量同推进进度。考虑到后续工班的施工,相应长度的管道和轨道的延长也在工班结束前完成。若管片沉降超过预期范围,还将在推进结束后进行管片的壁后补浆工作,具体补浆量根据沉降情况调节。管片运输初步采用电瓶车两次运输方案,8块管片分两次用25t电瓶车运入,口形构件在盾构推进完成后用口形构件运输车运入。
  盾构剩余段推进:此阶段盾构准备进洞,盾构进洞后,剩余土建结构全部现浇以加快施工进度及减少材料运输量,并开始联络通道冻结管钻进及后续的开挖工作。
  3.2人民路隧道同步施工的关键点
  在以上隧道同步施工的几个阶段中,需解决以下几个关键点:各主要工序的施工时机安排;预制构件及材料的运输;特殊节点的处理。
  3.2.1主要工序的施工时机
  口字形构件施工时机:常规越江隧道先隧道结构施工,再隧道内土建结构、安装工程,本工程考虑同步施工以缩短工期。隧道内部大体积受力构件采用预制安装,牛腿、防撞墙等小体积土建结构采用植筋现浇施工。本次同步施工把水平运输通道安排在口字形构件上,为了将管片等构件直达盾构机头部,口字形构件必须紧跟盾构推进实施。
  牛腿、车道板施工时机:由于隧道管片在设计上没有考虑设置牛腿对预制车道板的支撑,在安装车道板前,必须现浇牛腿,牛腿钢筋采用植筋方式与管片连接。由于现浇牛腿需要时间来建立强度,为尽快满足车道板安装条件,牛腿施工在时机安排上必须紧跟盾构推进实施。车道板的安装时机取决于牛腿的强度,所以车道板的安装滞后牛腿施工一定距离(牛腿一般养护15天左右,考虑到一天计划推进8环,车道板吊装滞后牛腿施工约200m)。车道板吊装进度同盾构推进进度,在时间安排上也必须考虑不影响盾构推进施工。
  防撞墙、整浇层的施工时机主要取决于隧道结构的变形稳定情况,根据以往施工经验,距盾构机头部约800m处,隧道趋于稳定。所以防撞墙、整浇层的施工可以在盾构台车后约500m处开始分段施工。
  3.2.2隧道运输布置
  隧道施工的材料运输主要由工作井上、下的垂直運输,隧道内的水平运输组成。考虑到同步施工的需要,隧道内运输通道的布置必须结合盾构掘进各阶段的特点,优化组合隧道内的垂直运输、水平运输、运输车辆编组等,以确保盾构正常掘进(管片、口形构件及时运抵拼装),满足土建结构施工、安装工程施工等对材料运输的要求,减少同步施工对工效的不利影响。
  垂直运输按施工阶段的不同分两种情况进行。盾构掘进前100环,盾构出洞工作井负环未拆除,隧道的垂直运输在暗埋段后的预留孔内进行,由一台20t行车实施吊运。预留孔尺寸为9m×6m,位于隧道线路中心线上,预留孔西侧边缘距离浦东工作井东侧地墙外边缘为65m。该阶段土建结构、安装工程尚未实施,垂直运输的主要任务是管片和预制口形构件的吊运下井。盾构初期掘进结束后,浦东工作井内负环拆除并搭设吊装作业平台,盾构正常掘进时的垂直运输可以在盾构工作井内进行,由一台20t行车实施吊运。在该阶段除了管片及口形构件吊运下井外,土建结构及安装工程施工材料的吊运下井,可以利用盾构施工吊运的间隙进行。
  水平运输与垂直运输一样,也分两种情况来进行安排。前100环,水平运输的主要任务是管片、预制口字形构件、同步注浆浆液从暗埋段预留孔位置运至盾构工作面。该阶段,水平运输轨道的布置上采用四条24kg轻轨直接铺设到盾构机头部,四条轨道中心距均为813mm,内侧两条轨道用于电瓶车通行,外侧两条用于口形构件车通行(轨距增大为2439mm以保证口形构件在运输过程中的稳定)。进入隧道后,四条轨道铺设于口形构件上。由于盾构初期掘进阶段运输线路较短,也考虑到管片、口形构件运输的需要,运输车辆在编组上,采用一辆25t电瓶车+泥浆车+口形构件车,口形构件车在吊运管片时也作为管片运输车。前100环推进结束后盾构进入正常掘进阶段,此时工作井处负环已拆除,水平运输的主要任务除了把管片、预制口形构件、同步注浆浆液从工作井口运至盾构工作面以外,还要完成车道板、土建施工钢筋、模版和混凝土等相关材料的水平运输。此阶段隧道掘进距离加长,仅靠一个水平运输车组、一条运输通道难以满足工期要求。故在原有轨道基础上,在暗埋段内增加铺设2付道岔及4条轨道。编组两组管片车(管片车+管片车+同步注浆箱+25t电瓶车)及一组口形构件车(口形构件车+口形构件车+座浆材料+25t电瓶车),车道板运输编组借用口形构件车(口形构件车+口形构件车+牛腿用砼+25t电瓶车)。盾构掘进时,两组管片车通过1号岔道,分别进行管片及同步注浆浆液运输;盾构掘进工班完毕后,两组管片车、口形构件车通过1号、2号道岔及行车进行车辆间的转换,从而完成口形构件、车道板的水平运输,此外兼顾土建施工钢筋、混凝土的水平运输。岔道设置见附图9。另外,车道板吊装滞后于盾构推进200米左右。车道板重约4吨,需要安装一台5吨小型悬臂行车,行车轨道安装在车道板上。安装时要考虑到给电瓶车安全通过的空间。车道板的吊装安排在每天盾构机保养的4个小时进行的。利用行车将其吊运至安装位置。   3.2.3特殊节点施工安排
  联络通道采用冻结法施工,主要包括联络通道周围土层的冻结加固和开挖构筑施工两部分内容,其中开挖构筑施工安排在两条隧道贯通之后,对隧道同步施工进度无大影响。但冻结加固前施工冻结管时,口字型构件的存在不利于冻结管的架设,可将受影响的口字型构件做成钢结构,在连接通道侧开孔。这样既能满足口字型构件上运输的需要,又利于冻结管的架设。对于隧道内的装潢工作,因盾构运行过程中内部有盾构泥水处理管道等,不宜安排,可待盾构掘进完成,内部清理完毕后进行。在口字形、路面板下部的机电安装工作可随路面结构同步进行。
  4 安全管理
  同步施工工藝中工序较多,内部作业空间有限且施工节奏快,安全作业的管理工作繁重。两类安全问题需特别提醒:一是起重伤害,隧道内部预制构件吊装作业多,空间小,起重伤害要引起高度重视;二是电机车伤人,隧道施工作业噪音大,特别是在盾构机头部附近,电机车的声音不易被听到,部分路段隧道的坡度较大,频繁的电机车来往易引起事故。
  5 总结
  同步施工工艺是对传统的公路隧道施工工艺的一种挑战,在许多方面需作进一步的完善,不足之处主要体现在以下几个方面:预制构件安装及部分现浇相结合,与普通支模现浇工艺相比,工艺复杂,操作人员不熟悉;工序多且交叉作业,电机车来往频繁,管理要求严;较多采用预制构件,整体性稍差;路面成型调坡不便;构件的运输、吊装作业面狭小,施工难度高;需占用较大的地面施工区以布置预制构件堆场;路面板等预制构件的吊装需制作专门的吊装台车;造价较通常的施工方法为高。但瑕不掩瑜,其优点主要体现在:缩短工期;在加强施工管理的基础上,可形成流水作业;仅需少量的模板,支模、拆模及混凝土养护的量小;机械化作业程度高,劳动强度低。总体来说,同步施工工艺是盾构法隧道施工发展的一种必然趋势。
  参考文献:
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