1、巖土工程專業(yè)課考什么教材我國地下工程施工新技術(shù)綜述我國地下工程施工新技術(shù)綜述[摘要]總結(jié)了近年來我國一批大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程如青藏鐵路、深圳地鐵、上海跨江隧道等地下工程施工中所采用的新工藝和新技術(shù)。[關(guān)鍵詞]地下工程凍土水下工程隧道施工技術(shù)青藏鐵路的開工建設(shè)和順利實施為解決高原凍土區(qū)地下工程的施工提供了良好的試驗基礎(chǔ)同時城市地鐵工程的建設(shè)也對解決復(fù)雜城市地質(zhì)環(huán)境條件下地下工程施工提出了新的挑戰(zhàn)而大型橋梁、跨江隧道和海上設(shè)施的建設(shè)使水下的

2、地下工程施工面臨更高的技術(shù)要求。一系列大型基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)并完工極大地促進(jìn)了地下工程施工技術(shù)水平及時總結(jié)和完善這些地下工程施工新工藝和其他技術(shù)成果將為今后的地下工程施工提供良好的技術(shù)支持和保證對推動我國地下工程的施工帶來巨大的促進(jìn)作用。本文結(jié)合近年來我國一些大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程如青藏鐵路、深圳地鐵、上?？缃淼赖仁┕み^程中取得的地下工程施工技術(shù)成果對新工藝進(jìn)行介紹以便為今后類似工程的施工提供借鑒。1凍土區(qū)地下工程施工新工藝青藏鐵路格爾木至

3、拉薩段全長1100多ｋｍ穿越世界海拔最高、有世界屋脊之稱、施工條件惡劣的青藏高原。在高海拔多年凍土區(qū)修建鐵路在世界上也是第1次無成熟的施工經(jīng)驗技術(shù)含量高。1.1多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁施工工藝其關(guān)鍵工藝是減少施工過程產(chǎn)生的各種熱量如鉆孔的摩擦熱、回填料的熱量、灌注樁混凝土的水化熱等避免樁周地基土溫度場急劇變化引起樁周地基土一定范圍升溫和融化。同時由于凍土區(qū)有季節(jié)的變化表層的季節(jié)融化層隨季節(jié)的變化將產(chǎn)生凍脹力消除這些凍脹力也是鉆孔灌注樁的一個

4、重點。為減少施工熱量對凍土區(qū)的影響盡快形成新的熱平衡狀態(tài)多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁樁身混凝土澆筑后須經(jīng)過一個階段的熱交換過程后方可進(jìn)行承臺以上部分施工一般熱交換的時間為60ｄ60ｄ后方可認(rèn)為樁基已基本穩(wěn)定。樁基在使用過程中由于凍土季節(jié)的變化將產(chǎn)生凍脹力。根據(jù)凍脹力作用于基礎(chǔ)表面的部位和方向可劃分為3種:切向凍脹力、水平凍脹力和法向凍脹力(見圖1)。水平凍脹力相互抵消對工程造成破壞的主要是凍脹產(chǎn)生的切向力和法向力。在工程建設(shè)中采取以下措施可以防

5、止樁基礎(chǔ)凍脹:①為避免樁基礎(chǔ)受到法向凍脹力將樁基礎(chǔ)嵌入多年凍土天然上限以下一定深度②將鋼制擴(kuò)筒埋入多年凍土上限以下至少0.5ｍ護(hù)筒內(nèi)徑比樁徑大10ｃｍ并于護(hù)筒外圍涂渣油成樁后不拆除護(hù)筒減少外表面的親水程度③盡量采用高樁承臺凍脹嚴(yán)重地區(qū)采用鉆孔擴(kuò)底樁④在護(hù)筒外側(cè)、低樁承臺底部采用渣油拌制粗顆粒土回填。以上措施能有效地減小切向凍脹力降低凍土對護(hù)筒的上拔凍脹力(見圖2)⑤鉆孔采用旋挖鉆機(jī)干法成孔保證孔位置正確和鉆孔的垂直度⑥采用低溫早強(qiáng)耐久混

6、凝土避免了混凝土低溫澆筑帶來的強(qiáng)度增長慢的問題。1.2多年凍土隧道施工工藝高原多年凍土隧道工程施工可借鑒的經(jīng)驗較少其心在于盡量減少氣溫升高對凍土的影響避免凍土融化壓縮下沉和凍脹力造成施工災(zāi)害和運(yùn)營隱患。凍土的抗壓強(qiáng)度很高其極限抗壓強(qiáng)度甚至與混凝土相當(dāng)。凍土融化后的抗壓強(qiáng)度急劇降低所形成的熱融沉陷和下一個寒季的凍脹作用常常造成工程建筑物失穩(wěn)而難以修復(fù)。含水的松散巖石和土體溫度降低到0℃時伴隨有冰體的產(chǎn)生這是凍結(jié)狀態(tài)的主要標(biāo)志。水結(jié)成冰時體

7、積增加約9%使土體發(fā)生凍脹。土凍結(jié)時不僅原位置的水凍結(jié)成冰而且在滲透力(抽吸力)作用下水分將從未凍區(qū)向凍結(jié)鋒面轉(zhuǎn)移并在那里凍結(jié)成冰使土的凍脹更加強(qiáng)烈。土在凍結(jié)過程中由于水變冰體積增大并引起水分遷移、析冰、凍脹、土骨架位移因而改變土的結(jié)構(gòu)。在融化過程則必然伴隨著土顆粒的位移充填冰融化排出的空間產(chǎn)生融化固結(jié)從而引起局部地面的向下運(yùn)動即熱融沉陷(熱融下沉)。為避免隧道施工中熱融沉陷凍土隧道施工的關(guān)鍵工藝是作好保溫措施。隧道保溫施工工藝主要包括

8、:優(yōu)選寒季施工明洞及洞口工程開挖施工時增設(shè)遮陽保溫棚阻隔太陽輻射能量對凍土的影響。正洞采用弱爆破及光面爆破技術(shù)減少對凍土的擾動和超欠挖開挖后清除拱(墻)夾層散碎冰塊迅速噴混凝土封閉巖面采用有軌運(yùn)輸減難題保證了百貨廣場等高層建筑物、地下管線的安全和正常使用。該工程樁基托換原理如圖3所示。2.2過江隧道施工中的水平凍結(jié)法地下隧道之間的連接通道凍結(jié)法施工是利用人工制冷技術(shù)使地層中的水變冰把天然土變成凍土增加其強(qiáng)度和穩(wěn)定性隔絕地下水與地下結(jié)構(gòu)的

9、聯(lián)系以便在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道施工的一種特殊施工方法。制冷技術(shù)是用氟里昂作制冷劑的三大循環(huán)系統(tǒng)完成的。三大循環(huán)系統(tǒng)分別為氟里昂循環(huán)系統(tǒng)、鹽水循環(huán)系統(tǒng)和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。制冷三大循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成熱泵將地?zé)嵬ㄟ^凍結(jié)孔由低溫鹽水傳給氟里昂循環(huán)系統(tǒng)再由氟里昂循環(huán)系統(tǒng)傳給冷卻水循環(huán)系統(tǒng)最后由冷卻水循環(huán)系統(tǒng)排入大氣。隨著低溫鹽水在地層中的不斷流動地層中的水逐漸結(jié)冰形成以凍結(jié)管為中心的凍土圓柱凍土圓柱不斷擴(kuò)展最后相鄰的凍結(jié)圓柱連為一體并形成具有一定厚

10、度和強(qiáng)度的凍土墻或凍土帷幕。水平凍結(jié)加固原理如圖4所示。在實際施工中通過水平鉆進(jìn)凍結(jié)孔設(shè)置冷凍管并利用鹽水為熱傳導(dǎo)媒介進(jìn)行凍結(jié)。一般是在工地現(xiàn)場內(nèi)設(shè)置凍結(jié)設(shè)備冷卻不凍液(一般為鹽水)至22～32℃。其主要特點有:(1)可有效隔絕地下水對于含水量10%的含水、松散、不穩(wěn)定地層均可采用凍結(jié)法施工。(2)凍土帷幕的形狀和強(qiáng)度可視施工現(xiàn)場條件、地質(zhì)條件靈活布置和調(diào)整凍土強(qiáng)度可達(dá)4～10ＭＰａ能有效提高工效。(3)凍結(jié)法施工對周圍環(huán)境無污染無異物

11、進(jìn)入土壤噪聲小。(4)影響凍土強(qiáng)度的因素多凍土屬于流變體其強(qiáng)度既與凍土的成因有關(guān)也與受力的特征有關(guān)影響凍土的主要因素有凍結(jié)溫度、土體含水率、土的顆粒組成、荷載作用時間和凍結(jié)速度等。凍結(jié)法的關(guān)鍵施工技術(shù)包括:(1)確定凍結(jié)主要技術(shù)指標(biāo)即根據(jù)實際工況確定積極凍結(jié)期和維護(hù)凍結(jié)期的鹽水溫度、凍土墻平均溫度和凍土強(qiáng)度。(2)凍結(jié)孔布置和施工即根據(jù)連接通道平面尺寸和結(jié)構(gòu)受力特征設(shè)計布置凍結(jié)孔同時凍結(jié)孔布置應(yīng)根據(jù)管片配筋圖微調(diào)凍結(jié)孔偏斜控制孔徑向外的

12、偏角在0.5～10范圍。(3)凍結(jié)站設(shè)計、積極凍結(jié)和維護(hù)凍結(jié)施工計算凍結(jié)冷量根據(jù)冷量需要選擇冷凍機(jī)組。(4)連接通道開挖與構(gòu)筑施工方法及其順序。(5)施工監(jiān)測監(jiān)控。上海市大連路越江隧道工程由東、西2條隧道組成2條隧道之間設(shè)有連接通道均位于黃浦江底下相距約400ｍ。位于浦西岸邊的連接通道(一)東西線隧道中心間距35.705ｍ隧道間高差3.565ｍ連接通道凈距約25.665ｍ位于浦東岸邊的連接通道(二)東西線隧道中心間距27.575ｍ隧道間

13、高差0.345ｍ連接通道凈距為17.175ｍ。2條連接通道所處地層為砂質(zhì)粉土和粘質(zhì)粉土滲透系數(shù)大、承壓水頭高為滿足通道的施工安全采用凍結(jié)法施工。工程實踐表明連接通道凍結(jié)施工技術(shù)具有凍結(jié)速度快、凍土強(qiáng)度高、帷幕均勻性好、抗?jié)B漏性能高、與隧道管片結(jié)合嚴(yán)密、施工安全可靠的優(yōu)點。對于長距離、大深度、高承壓水條件下的江底連接通道的施工其安全可靠性較能保證。融沉作為凍結(jié)法施工中不可避免的情況可通過隧道及連接通道預(yù)留的注漿孔及時地對地層進(jìn)行補(bǔ)償注漿減

14、小融沉量。在數(shù)條連接通道的施工中已經(jīng)充分顯示出其優(yōu)越性和社會經(jīng)濟(jì)價值。2.3地鐵車站三拱兩柱結(jié)構(gòu)暗挖中洞施工工藝隨著我國城市地鐵和交通快速軌道的發(fā)展修建地鐵的大城市也越來越多。由于地鐵所經(jīng)過的地段大部分為繁華的商業(yè)區(qū)有些地段受拆改費(fèi)用、交通占道、地下管線保護(hù)、古文物保護(hù)、環(huán)境保護(hù)等方面的影響明挖(蓋挖)地鐵車站受到限制只能采用暗挖法施工從而出現(xiàn)了暗挖地鐵車站。北京地鐵五號線磁器口車站、天壇東門站、崇文門站工程采用三拱兩柱暗挖車站中洞法綜