低净空大直径MJS工法在盾构穿越地下通道中的应用——以珠三角城际新白广机场T1—T2区间为例.pdf
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1、引用格式:吕明豪,韦成林,唐欣薇.低净空大直径 MJS 工法在盾构穿越地下通道中的应用:以珠三角城际新白广机场 T1T2 区间为例J.隧道建设(中英文),2023,43(增刊 1):434.LYU Minghao,WEI Chenglin,TANG Xinwei.Application of large-diameter metro jet system in shield crossing underground passage with low clearance:a case study of airport T1 T2 section on Xintang-Baiyun Airport
2、-Guangzhou North Railway station of intercity railway in pearl river deltaJ.Tunnel Construction,2023,43(S1):434.收稿日期:2023-04-18;修回日期:2023-07-04第一作者简介:吕明豪(1978),男,广东揭阳人,2002 年毕业于广东工业大学,建筑工程专业,本科,高级工程师,主要从事地下工程、房建等领域的施工与科研工作。E-mail:707436447 。通信作者:唐欣薇,E-mail:cttangxw 。低净空大直径 MJS 工法在盾构穿越地下通道中的应用 以珠三角城际
3、新白广机场 T1T2 区间为例吕明豪1,韦成林1,唐欣薇2,(1.广东华隧建设集团股份有限公司,广东 广州 510228;2.华南理工大学,广东 广州 510640)摘要:为解决在低净空内实现大直径 MJS 垂直桩的施工精度与质量控制难题,针对该工法在珠三角城际轨道交通新白广机场T1T2 区间盾构下穿机场地下通道工程中的应用,开展施工技术研究。首先根据项目概况与地质条件,制定本次下穿方案与土体预加固作业安排。然后,针对本工程中的 MJS 施工难点,对关键控制技术进行研究。最后,分别从成桩质量、结构位移、效益评价 3方面综合分析其加固效果。研究结果表明:1)通过改造吊物装置系统,可在低净空内实现
4、加固作业,极大地提高施工适应性;2)采用特制的合金钻头与主机水准仪可实现高精度成孔,且使用高压注浆系统可实现大直径优质桩体;3)改进后的 MJS 工艺既保证了加固效果,又可有效规避地下障碍物及管线,其微扰动效果也确保了施工期间机场地下通道结构的正常通行。关键词:盾构下穿;低净空;MJS 垂直加固;成桩精度;微扰动;设备改造DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.S1.050中图分类号:U 45 文献标志码:A 文章编号:2096-4498(2023)S1-0434-09A Ap pp pl li ic ca at ti io on n o of f L La ar
5、rg ge e-D Di ia am me et te er r MMe et tr ro o J Je et t S Sy ys st te em m i in n S Sh hi ie el ld d C Cr ro os ss si in ng g U Un nd de er rg gr ro ou un nd d P Pa as ss sa ag ge e w wi it th h L Lo ow w C Cl le ea ar ra an nc ce e:A A C Ca as se e S St tu ud dy y o of f A Ai ir rp po or rt t T T
6、1 1 T T2 2 S Se ec ct ti io on n o on n X Xi in nt ta an ng g-B Ba ai iy yu un n A Ai ir rp po or rt t-G Gu ua an ng gz zh ho ou u N No or rt th h R Ra ai il lw wa ay y S St ta at ti io on n o of f I In nt te er rc ci it ty y R Ra ai il lw wa ay y i in n P Pe ea ar rl l R Ri iv ve er r D De el lt ta
7、 aLYU Minghao1,WEI Chenglin1,TANG Xinwei2,*(1.China Tunnel Construction Group Co.,Ltd.,Guangdong,Guangzhou 510228,Guangdong,China;2.South China University of Technology,Guangzhou 510640,Guangdong,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:To improve the construction accuracy and quality of large-diameter metro
8、jet system(MJS)vertical reinforcement under a low clearance,a case study is conducted on the Airport T1T2 Section on the Xintang-Baiyun Airport-Guangzhou North Railway Station of Intercity Railway in Pearl River Delta,and construction technologies are introduced.First,according to the project overvi
9、ew and geological conditions,the under-crossing scheme and the soil pre-reinforcement arrangement are determined.Then,the construction challenges and essential construction control technologies are studied specifically.Finally,the reinforcement effect is comprehensively examined from three aspects:p
10、ile-forming quality,structural displacement,and benefits evaluation.The research results show the following:(1)By transforming the lifting device system,the reinforcement construction can be realized under low clearance,thus greatly improves the construction adaptability.(2)The specially-designed al
11、loy drill head and the level can realize pore-forming with high precision,and the high-pressure grouting system can realize the high-quality pile with large diameter.(3)The improved MJS process not only ensures the reinforcement effect,but also effectively avoids underground obstacles and 增刊 1吕明豪,等:
12、低净空大直径 MJS 工法在盾构穿越地下通道中的应用 以珠三角城际新白广机场 T1T2 区间为例pipelines,and its micro-disturbance effect also ensures the normal operation of the underground passage during construction.K Ke ey yw wo or rd ds s:shield under-crossing;low clearance;metro jet system vertical reinforcement;pile-forming precision;micr
13、o-disturbance;equipment modification0 引言近年来,在城市中心区域进行地面与地下工程建设,时常出现相互干扰的立体交叉施工现象。在以往的施工作业中,为保证工程正常开展,通常对影响施工的高架桥1等上部结构或管线2-3等下部障碍物进行现场拆除或迁移改造。上述作业将导致施工期间严重的道路交通拥堵现象,甚至造成巨大的经济损失和极差的社会影响;若需保护周边既有结构,且不影响其正常使用,则应对其采取预加固措施。但传统的加固方法难以在净空受限的条件下实现大直径(桩径达 2 m 以上)加固施工,且不影响周边建(构)筑物及设施安全,因此目前仍是地下空间开发的一大难题。一方面,在
14、淤泥4-5、砂层6-7、卵石层8-9等地下水丰富的地质环境中进行大直径加固施工,难以形成封闭的加固区域;另一方面,大直径成桩的注浆影响范围增大,难以满足加固施工期间及工后的严格沉降要求。随着地下工程的日益增加,具有成桩直径大、成桩方向灵活、桩身质量好、环境污染小及微扰动等优点的全方位高压喷射法(metro jet system,MJS),已在国内外得到广泛推广与应用10-11,如地铁12、公路隧道13、临近建筑14等高难度施工作业的地基加固。MJS 工法可形成有效的止水帷幕,且完成大直径加固作业,已有学者针对该工法在富水地层中的应用、大直径施工技术研究等方面开展了相关工作。熊仲明等15通过采用
15、适宜的地内应力系数与水泥掺量比例,在富水地层实现了良好的 MJS 成桩质量。睢博栋等16研究出当 MJS 垂直桩在抽水井附近施工时,高压浆体更易切割土体,成桩直径更大。但现有 MJS 工法的最小施工净空为 4 m17-18,当作业环境出现低净空(小于 4 m)时,传统的 MJS 加固设备难以满足要求。虽然国内大直径 MJS 加固作业已积累了一定的施工经验,但由于新白广机场 T1T2 区间盾构工程位于机场附近,周边建(构)筑物及设施繁杂且对变形的控制要求较高,同时该工程需在低净空下开展 MJS 作业,可供其借鉴的施工案例有限。本文依托珠三角城际轨道交通新白广机场 T1T2 区间盾构下穿机场地下通
16、道工程,结合地勘资料、周边建(构)筑物及设施情况,总结出本工程加固作业面临的严峻技术难题,然后针对低净空大直径加固施工改良技术展开关键技术研究,并在工程实践中验证其适用性与有效性,为类似加固施工提供参考。1 工程背景1.1 项目概况珠三角城际轨道交通新白广机场 XBZH-1 标T1T2 区间长 1 058.09 m,两线间距为 16.5 m,轨顶埋深为1519 m,总体采用盾构法施工。拟在 T1 航站楼站具备施工条件后进行盾构始发,往 T2 航站楼站方向掘进。其中,城际盾构隧道在里程 DK053+063.1 和DK053+130.8 分别开始下穿机场地下人行通道和行包通道,如图 1 所示,隧道
17、顶部距地下通道底部分别为4.92 m 和 5.55 m。图 1 盾构隧道与地下通道结构位置关系Fig.1 Position of shield tunnels and underground passage2 处地下通道地处 T1 航站楼区域,通道上方为机场大道东、社会接客车道、东连接楼(A 到达区),道路均为单向多车道通行。2 处地下通道于 2004 年建成,结构型式相似,已投入使用十余年。行包通道位于机场空侧,连通 T1 航站楼与东侧飞行区,净高为 4.0 m,净宽为 10.0 m。底板及侧墙厚0.5 m,顶板厚 0.2 m,采用 C40 混凝土。顶板覆土厚度约 2.4 m。侧墙下设双排
18、C80 预应力混凝土管桩,桩径为 500 mm,壁厚 100 mm。534隧道建设(中英文)第 43 卷人行通道位于机场陆侧(非飞行区),内设人行步道,连通东连接楼与 T1 航站楼,净高为 4.6 m,净宽为8.5 m。底板厚 0.4 m,侧墙厚 0.5 m,顶板厚 0.2 m,采用 C40 混凝土。顶板覆土厚度为 2.3 m。底板下设3 排 C80 预应力混凝土管桩,桩径为 500 mm,壁厚100 mm。1.2 工程和水文地质条件根据地质勘探报告,该区所属地层自上至下分别为人工填土、粉质黏土、粗砂、中砂、粉砂和石灰岩,并有多处全填充土洞及无填充、串珠状溶洞。盾构隧道主要穿越砂层及粉质黏土地
19、层,详见图 2。(a)地下人行通道(b)地下行包通道图 2 地质纵断面图Fig.2 Geological profile场地属于广花冲积盆地地貌,地形稍有起伏。地下水位存在一定波动,初见水位埋深为 1.101.70 m,稳定水位埋深为 2.305.10 m。区段上覆黏性土层,地下水略具承压性。地下水包括第四系孔隙水和岩溶水,前者主要赋存于粉砂、细砂、中砂、粗砂及砾砂层,多为潜水;后者则广泛分布于碳酸盐类岩层裂隙及溶洞等中等透水性地层,属承压水。2 下穿既有通道与加固方案2.1 下穿方案珠三角城际轨道交通新白广机场 T1T2 盾构区间需下穿机场地下人行和行包通道,该处位于白云国际机场东路交通要道
20、,场地周边建筑物林立。2 处既有地下通道下方均设置预应力管桩,并与新建隧道产生冲突。工程拟采用盾构切削管桩方案进行隧道下穿作业,如图 3 所示,实施步骤如下。(a)地下人行通道(b)地下行包通道图 3 施工方案Fig.3 Construction scheme1)土体预加固。通道内及地面临近通道区域采用竖向 MJS 加固,通道外侧采用旋挖桩+素混凝土桩加固处理。2)地下通道结构加固和托换。于地下通道底板上表面粘贴钢板,将人行通道自动步道侧的暗梁加高,并于暗梁下方设置承台及微型压浆钢管桩。其桩径为230 mm,壁厚为 12 mm,桩长为 30 m,压水泥浆。在通道两侧避开盾构隧道及管线设置 1.
21、5 m 嵌岩钻孔灌注桩。桩端持力层为弱风化石灰岩,桩周入634增刊 1吕明豪,等:低净空大直径 MJS 工法在盾构穿越地下通道中的应用 以珠三角城际新白广机场 T1T2 区间为例岩最小深度不少于 1.5 m。在避开管线处插设型钢,设置明挖工作井,井底至通道底板下方 2.5 m 采用钢板桩支护。再于钻孔桩上设置壁柱,通过植筋与通道侧壁连接,利用壁柱将地下通道荷载传至钻孔灌注桩上。3)解除管桩与地下通道连接。为加强管桩整体性,便于后期盾构切削管桩,先使用钢套箍连接管桩,再采用链锯等微振动工艺解除管桩与通道结构连接。截断管桩后采用 M10 水泥浆将管桩空芯填充密实,然后采用素混凝土回填。相对行包通道
22、,人行通道下部增加了 1 排预应力管桩。若解除这排管桩与通道的连接,需在原工作井基础上额外设置水平暗挖导洞。4)盾构切削管桩通过。采用土压平衡、超低速掘进模式,在盾构进入加固体、开始切桩前,更换盾构刀具。利用刀具切削地下通道结构的预应力管桩,并加强盾构掘进参数控制。2.2 土体预加固作业土体预加固作业为隧道成功下穿地下通道结构的关键施工环节,从而实现盾构掘进模式转换、预留盾构开舱条件与固定管桩便于切割的目的。加固范围为:沿隧道线路方向于切桩前 15.0 m、切桩后 8.0 m 区域;沿水平及竖直方向于盾构刀盘外径外扩 3.835 m区域。其中,MJS 在地面加固应避开地下管线,在通道内加固应避
23、开预应力筋及人行通道自动步道。采用竖向 MJS 多孔旋喷桩加固土体,按桩径 2.5 m、搭接0.5 m 进行梅花式布置。在正式施工前,需开展 MJS 试桩。首先根据地质情况及施工经验,暂定试桩参数。试桩完成 28 d 后,进行钻孔抽芯,再根据检测结果进行优化后确定正式施工参数。2.3 MJS 施工难点场地地下水丰沛,施工风险极高。同时,为保障机场安全运营,施工过程须严格控制周边建筑物及设施沉降,加固作业面临严峻技术挑战,亟待解决以下困难。难点 1:受限于地下通道内部布置的通风、供电等管线,通道内部施工作业面最小净空仅为 3.5 m。在低净空内开展加固施工极易破坏通道上部结构及附属设施;此外,传
24、统的加固设备难以满足吊装、运输、组装、加固等施工作业要求,极大制约施工进度。难点 2:机场东路为机场唯一进场道,地下铺设污水、消防、航管电信等管线,既有地下管线及地下通道底板预应力筋、管桩及承台等障碍物众多。施工避让上述地下障碍物易出现加固盲区,通常需要拆除地下管线或进行迁改处理,从而导致交通拥堵严重。为确保施工期间白云国际机场交通要道通畅,须在原地保护既有地下管线并同步开展加固施工。难点 3:临近既有建筑物进行加固,以往施工产生的多余泥浆通过土体与钻杆的间隙在地面孔口处被动排出,易造成周边地层变形及地表隆起。并且,加固深度越大其排泥越困难,严重影响加固效果及可靠性。3 MJS 加固施工关键技
25、术3.1 设备改造为了在低净空内开展吊装、运输、组装及加固作业,本工程对吊物装置系统进行专门改造(见图 4),以提高加固施工的适应性。该系统由转向系统、转向杆伸缩系统和动力系统三者协调完成。通过改造转向系统和转向杆伸缩系统的内部构造,以及配套使用特制的短钻杆,有效解决低净空加固施工难题。图 4 改造后吊物装置系统Fig.4 Modified lifting device system其中,转向系统位于吊物装置顶部,用于调节转向,可在0 360范围内任意角度旋转。此外,可沿横向进行伸缩调距。利用卡销快速固定方位和步距,便于吊装时同轴对中拆、装钻杆。转向杆伸缩系统由一系列长短不一、可拆卸的装配式支
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