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单管双层特长盾构隧道内部结构预制施工技术———以南京纬三路过江盾构隧道工程为例

作者:王善高,史世波,舒恒,高凡丁,李东升  发布:2017/5/24  浏览:
单位:中交南京纬三路过江通道工程建设指挥部,中交第二公路勘察设计研究院有限公司

摘 要:为解决单管双层特长盾构隧道施工距离长、施工空间有限和工期紧张等问题,结合南京市纬三路过江通道工程,研究双层盾构隧道内部结构构件的预制施工技术,采用结构构件预制与现浇相结合的梁- 板- 柱结构体系,合理组织施工步序,探索单管双层特长盾构隧道预制内部构件的施工方案。工程实践表明,现浇内部结构立柱及柱基础,预制上层车道板、烟道隔墙板、排烟通道板和逃生通道板,能够满足双层特长盾构隧道施工进度的要求,可大幅提高施工效率,缩短建设工期,节省工程投资。

0 引言

随着城市地下空间的开发及交通建设的不断发展,大直径、长距离盾构隧道大量地应用于城市道路施工中,盾构隧道内部空间布置也呈现出多种方式。其中盾构隧道内部双层结构是近些年在大直径盾构隧道中出现的一种较新的横断面布置形式,具有功能符合性强、空间利用率高和经济效益明显等优点,在国内逐步得到推广应用。

国内已经建成的超大直径盾构隧道有上海复兴东路隧道[1 - 3]、上海上中路隧道[4]、上海长江隧道[5]、杭州钱江隧道[6 - 7]、扬州瘦西湖隧道[8 - 9]和上海市轨道交通11 号线南段工程[10]等,上述工程中隧道内部结构单、双层皆有,内部结构中采用预制施工的并不多。虽然复兴东路隧内部结构及上海市轨道交通11 号线南段工程中隔墙部分内部结构采用了预制施工技术,但内部结构预制化的程度并不高,对提高施工效率和节约工期的作用不显著。

本文主要针对南京市纬三路过江盾构隧道工程内部施工空间狭小、施工作业条件差和同步施工距离长等特点,结合上下层结构体系及空间布置特点,对隧道内部结构现浇及预制设计、施工方案分别进行研究,对“上层车道板预制+ 梁板后浇接头”方案进行了重点分析研究,并应用于工程实践。

1 工程概况

南京市纬三路过江通道设计采用双管双层盾构、南北线隧道分离布置的方案,上、下层均为2 车道,对向布置,上层均为江北至江南方向,下层均为江南至江北方向。纬三路过江隧道为目前国内最长的双管双层盾构隧道[11],北线和南线盾构隧道长度分别达到3 557 m和4 135 m,盾构隧道内径为13. 3 m,外径为14. 5 m,隧道内部布置有双层行车道结构体系。为了充分利用隧道内部空间,根据隧道运营通风及防灾救援需要,在上层车道两侧分别设计有排烟通道与逃生通道。双层盾构隧道横断面布置见图1。

图1 双层盾构隧道横断面布置

2 隧道内部结构施工的关键技术问题

根据盾构隧道工程的施工特点,为了确保工期,隧道内部结构与盾构掘进需同步进行。为了解决在盾构隧道内部狭小空间盾构掘进与内部结构施工交叉作业、同步施工过程中的临时管线设备与运营阶段永久结构布置同时敷设的问题,需要研究如下关键技术问题。

1) 内部结构须与特长复合地层盾构掘进同步开展。本项目盾构段最长达到4 135 m,属于特长隧道,且盾构掘进长距离穿越复合地层,掘进时间长,若等盾构贯通后再进行内部结构施工,建设工期将严重滞后。因此,隧道内部结构施工时需要重点考虑工期因素。

2) 盾构施工泥水管道须在狭小空间合理布置。根据盾构施工安排,纬三路盾构隧道施工时,在排烟通道隔墙侧布置有2 根直径为500 mm 的泥水管,其与结构侧墙净距仅约700 mm,空间狭窄。受盾构施工影响,该2 根泥水管线必须在盾构施工完毕后才能拆卸。确定设计和施工方案时,须预留这些管路的安装及拆除条件,并确保足够的内部结构施工作业空间。施工阶段盾构管线布置见图2。

图2 施工阶段盾构管线布置

3) 复杂双层内部结构混凝土施工质量须严格保证。排烟通道侧墙板较薄,若采用现浇施工方案,钢筋绑扎和混凝土浇筑作业空间小,施工质量难以保证; 若采用预制方案,板块安装时拼装要求高,接缝须密闭以满足运营期排烟要求。

4) 内部结构施工与盾构掘进不得相互干扰。隧道内部空间相对狭小,而两侧结构立柱、纵梁及上层车道板施工,需要确保盾构掘进期间洞内交通不中断。因此,确定施工方案时需要预留人员和车辆进出通道。

5) 内部结构施工工序交叉,与混凝土结构龄期须有序衔接。内部结构与盾构掘进同步施工,施工运输车辆多,结构构件种类繁多,不能一次性进行施工,施工工序复杂繁琐,且口子件两侧回填混凝土强度龄期等因素不得影响盾构施工。

6) 狭小空间施工须确保安全。内部结构施工空间狭窄,大型施工机械很难发挥作用,需要进行立体交叉作业。因此,结构施工方案须充分考虑施工安全因素。

3 内部结构设计及施工方案比选

3. 1 内部结构原设计及施工方案

本项目内部结构原设计采用梁- 板- 柱结构体系,车道板及支承车道板的梁柱结构均为现浇结构。上层车道板采用500 mm 厚混凝土结构板,上覆铺设100 mm 厚沥青混凝土,并在上层车道两侧分别设计有消防排烟隔墙和消防通道隔墙。车道板两侧纵梁截面为500 mm × 1 200 mm,纵梁通过车道立柱支承于下层车道基础。下层车道由预制口子件与现浇立柱基础2部分组成。现浇内部结构布置见图3。

图3 现浇内部结构布置示意图

3. 2 隧道内部结构设计及施工方案优化

针对本项目内部结构设计施工的关键技术,结合项目特点及工期要求,对隧道内部结构设计提出如下优化方案: 隧道内部结构的承重构件采用现浇与预制相结合的梁- 板- 柱结构体系[12 - 13],即采用“上层车道板预制+ 梁板后浇接头”方案,并采用混凝土隔墙将排烟通道、逃生通道与行车区域进行分隔。上层车道板、排烟通道隔墙板及逃生通道板采用预制混凝土结构; 车道板纵梁、立柱及立柱基础采用现浇混凝土结构; 下层车道中间为预制口子件,两侧回填素混凝土,口子件拼装及两侧素混凝土回填与盾构掘进同步进行。预制内部结构布置见图4。

图4 预制内部结构布置示意图

隧道内部结构预制化设计的创新主要体现在:

1) 排烟通道隔墙板采用预制结构,通过钢龙骨安装于上层预制车道板上。排烟道隔墙预制设计见图5。

图5 排烟道隔墙预制设计图

2) 车道立柱与车道纵梁洞内先期浇筑,车道纵梁施工时,预留连接钢筋。

3) 上层车道板洞外预制,预制车道板受力钢筋伸入车道纵梁内部,车道板安装后采用后浇筑混凝土将车道纵梁与车道板连接成整体。梁板连接设计见图6。

图6 梁板连接设计图

4) 预制车道板标准宽度为3. 0 m,每块预制板之间通过后浇铰缝连接,形成整体结构。铰缝连接设计见图7。

图7 铰缝连接设计图( 单位: mm)

3. 3 方案对比

现浇与预制相结合的内部结构施工方案具有如下优点: 1) 由于构件的定型化和标准化,预制构件比用其他施工方法生产的等效构件可节省较多的材料和人工成本,产品严格按既定的标准生产,质量可靠,生产效率高; 2) 预制构件制作完成后直接运到施工现场安装,可以缓解现场施工场地紧张的问题,方便快捷,大大减少现场施工的工作量,对于工期紧张的工程尤其适用; 3) 预制混凝土结构由于减少了现浇结构的支模、拆模和混凝土养护时间,从而缩短了工程建设的时间和投资回收周期,减少了整体成本的投入,具有明显的经济效益; 4) 排烟通道采用预制混凝土隔墙,可解决盾构施工期间泥水管等盾构施工设施的布置,避免了现浇结构绑扎钢筋和支模板浇筑混凝土等施工作业对盾构掘进的影响,从而确保施工工期。

4 预制内部结构施工关键技术

4. 1 预制内部结构施工流程

预制内部结构施工按照如下工序开展: 1) 口子件安装就位,浇筑构件底部灌浆料,同时凿毛并植入基础钢筋与柱内钢筋; 2) 埋设基础内部柱内钢筋,埋设构造柱内部钢筋、排烟道隔板钢筋和楼梯钢筋,浇筑基础混凝土,联系梁和排烟通道底板植筋; 3) 绑扎梁柱钢筋,浇筑车道柱、车道纵梁牛腿以下部分、排烟道底板与车道联系梁; 4) 施工车道板间铰缝混凝土、车道纵梁与车道板间连接混凝土及防撞侧石,吊装逃生通道板,施工下层车道两侧砌体墙; 5) 进行隧道内装修施工,管内设备安装,然后进行伸缩缝施工和路面铺装。预制内部结构施工流程及施工工序见图8 和图9。

图8 预制内部结构施工流程

图9 预制内部结构施工工序

4. 2 预制口子件安装及两侧混凝土回填

口子件安装位置在2 环管片之间,为确保弧形底部与管片的充分接触,口子件弧形底铺设砂浆垫层,确保荷载均匀传递,口子件块与块之间采用钢板焊接。为了确保路面的平整度,口子件之间的错台量应不大于8 mm,拼装时须严格控制。

待口子件安装完毕后,对管片内弧面进行凿毛,凿毛采用人工电镐作业,清理浮渣后进行植筋和钢筋绑扎,经检查合格后进行混凝土浇筑,口子件安装及两侧混凝土回填见图10。隧道采用4. 5 m3 小型混凝土运输罐车进行运输,解决了大型混凝土运输罐车在长距离隧道中无法掉头的问题。

4. 3 植筋施工

隧道内部结构构件与管片连接主要以植筋为主,本工程涉及到的植筋部位较多,也是国内目前植筋量最大的盾构隧道。植筋部位主要包括口子件两侧混凝土回填、立柱基础、车道柱边角钢筋、排烟通道板及联系梁钢筋、纵梁联系梁钢筋和逃生楼梯梯墙钢筋等。

由于本隧道采用通用楔形管片,内部结构中口子件两侧混凝土回填和立柱基础在管片的内弧面上,植筋位置测量放线难度大,内弧面高度大约为5 m,测量员很难在此圆弧面高度内施工,故本项目采用特制的可移动式支架进行测量放点。为了避免植筋孔破坏管片的防水材料导致管片漏水,施工时采用钢筋探测仪,精准地确定每个植筋孔位置的钢筋走向,避免废孔。

图10 口子件安装及混凝土回填

4. 4 立柱基础施工

立柱基础、立柱及纵梁等至少滞后盾构施工30环。立柱基础结构主要由水沟、下层防撞侧石和立柱基础上部3 部分组成,结构为不规则多边形,一次性整体浇筑混凝土很难达到施工质量的要求,而分层分部细化浇筑则会增加混凝土施工工序。通过分析洞内施工现状,将立柱基础钢筋植筋后进行整体绑扎,采用特制的钢模板将水沟和下层防撞侧石一次浇筑,立柱基础上部待下层浇筑完成后二次浇筑,水沟和下层防撞侧石钢模板的优化减少了立柱基础的施工工序。模板定位安装只需要经过一次测量放样,减少了测量放样的次数,对浇筑好的水沟和防撞侧石进行强度和几何尺寸检查,结果均满足设计要求。通过对结构构件模板的改进,满足了内部结构各个构件的施工要求,减少了施工工序,节约了施工时间。

4. 5 预制车道板施工

隧道上层车道结构采用“上层车道板预制+ 梁板后浇接头”施工方案,预制车道板,现浇车道纵梁及联系梁、车道立柱,车道板与车道纵梁、车道立柱通过纵梁后浇缝进行连接,车道板之间通过铰缝进行连接,以保证结构的整体性。

预制车道板吊装于行车道纵梁侧牛腿顶面,铺装车道纵梁、铰缝及混凝土铺装层钢筋,然后整体现浇连接混凝土。预制车道板的宽度有2 990、2 485 ( 双侧铰接) 、1 990、2 490、2 485( 单侧铰接) mm 5 种规格型号。根据隧道内车道板的布置形式依次分标号在施工场地外的预制车道板场进行预制施工,其施工与其他类似结构构件的预制施工基本相同,在此不再赘述。待预制车道板混凝土强度达到设计要求后,由双头管片运输车运至隧道内进行预制车道板架设安装。

车道板单块最大质量约为25 t,因此采用DF40 型架梁机架设,提升速度为1. 0 ~ 2. 0 m/min。根据施工现场的交通要求,预制车道板安装采用集中架设,分2种施工方案。第1 种方案为双头运输车在上层安装好的预制车道板上行驶运输,架梁机进行提梁架设安装,为首选施工方案。架设车道板的运输施工过程对下层车道的交通影响很小,保证了下层路面交通的畅通,避免架设预制车道板对盾构掘进施工的影响。第2 种方案为双头运输车在下层车道行驶运输,架梁机进行提梁架设安装,为应急施工方案。此方案主要是在架设预制车道板施工工期紧张、上层车道板路面铺装层及铰缝混凝土强度没有达到设计要求等突发情况下的施工方案。双头运输车预制车道板和架梁机吊装车道板施工见图11。

图11 预制车道板安装

曲线段车道板架设的关键是架板前的测量工作,测量人员要考虑到绞缝控制调整车道板的安放位置,保证车道板安装后绞缝符合设计要求。

上层车道板预制化施工比现浇结构施工节约2 ~3 个月施工时间,最后一段上层车道板的施工可以节约1 个月左右的时间。预制化设计方案钢筋和混凝土的工程量均有所增加。由于预制化施工将大量的混凝土和钢筋施工转移到了隧道外,大大减少了现场施工费用。

4. 6 纵梁后浇区施工

由于预制车道板板头位置与纵梁牛腿均预留预埋连接钢筋,隧道线路为曲线段,因此预制车道板与纵梁牛腿预留钢筋搭接位置相互干扰。经过第一联12 m的试验段,对纵梁预留预埋箍筋进行定尺固定绑扎,保证钢筋间距的尺寸,钢筋位置偏差应控制在2 mm 以内。对预制车道板架设测量放样,通过双控措施保证了纵梁后浇区的钢筋施工质量,避免了因为钢筋错位导致预制车道板无法安装的问题。同时,采用高精度钢模以确保后浇带的施工质量。

4. 7 预制逃生通道板施工

逃生通道主要由逃生通道楼梯、防火门和逃生通道板组成,采用楼梯和防火门连接,逃生楼梯纵向间距不大于72 m,逃生楼梯通过2 级平台进行转换。逃生通道板采用预制安装进行施工。

预制逃生通道板采用叉车运输,由于隧道上层空间狭小,选用小型叉车既能方便运输,又能够满足施工现场要求。使用叉车进行吊装作业,将逃生通道板运至起吊位置,然后起吊预制逃生通道板,对立、下落、调整和安装。每台班架设逃生通道板约15 块。预制逃生通道板安装见图12。

图12 预制逃生通道板安装

4. 8 预制钢龙骨隔墙板

上层隔墙在排烟通道侧采用预制施工,墙体由钢龙骨、预制隔墙板以及相关的预埋件组成,混凝土隔墙板在构件预制厂预制。

钢龙骨由横龙骨和竖龙骨焊接组成。由于盾构隧道纵坡设计有一定的坡度,最大坡度为4. 25‰,但墙板必须沿铅垂方向安装。故竖龙骨均沿铅垂方向安装,即垂直于防撞墙上表面,水平龙骨沿水平线安装,间距与墙板宽度相同。焊接完成后的钢龙骨进行防火和防锈处理,除锈等级为Sa2. 5( 非常彻底) ,防腐涂层采用2 道环氧富锌底漆,干膜厚度为100 μm; 2 道环氧云铁中间漆,干膜厚度为60 μm。外涂厚型防火涂料,耐火极限为2. 0 h。防腐漆和防火涂料采用机械喷涂,保证了施工质量,节约了材料,避免人工涂刷不均匀的问题。隔墙板安装的分格不同,上层隔墙总共有15 种规格型号,预制隔墙板通过其牛腿挂在横龙骨上并焊接牢固,板内预埋件与竖龙骨上的连接件焊接。

隔墙板架设采用叉车进行吊装。预制隔墙板施工见图13。

图13 预制隔墙板施工

由于本工程采用泥水平衡式盾构施工,泥浆管道位于排烟通道板上侧,因此,为了便于后期泥浆管的拆卸,每隔100 m 预留一定长度的段落( 10 m) 不安装钢龙骨隔墙板,待盾构贯通拆除泥浆管后再施工该段落。

竖向龙骨柱顶与管片连接部分采用有机械锁键效应的后扩底柱锥式锚栓,由于管片内钢筋较多且复杂,往往因为钢筋导致锚栓钻孔深度达不到设计要求,因此对柱顶预埋钢板孔位进行改动并增加预埋钢板的尺寸,满足锚栓安装的定位要求。

预制隔墙板墙板间水平接缝采用企口,下层板顶平缝位置满铺水泥砂浆后安装上层板。墙板安装完毕后,首先紧贴竖龙骨安装发泡聚乙烯棒,然后在板外做临时支挡,最后用水泥砂浆灌缝。通过对板缝之间的封堵来保证排烟通道的整体密封性。

5 结论与建议

1) 预制法和现浇法相结合、细化构件结构施工能够保证隧道内部结构与盾构掘进同步施工,并可确保狭小施工条件下混凝土结构的质量,同时可大幅缩短工期,降低工程造价。

2) 口子件拼装的错台量应不大于8 mm,纵梁后浇区钢筋位置偏差应控制在2 mm 以内,以保证路面的平整度,并减小纵梁与车道板预留钢筋之间的干扰。

3) 双层盾构隧道内部结构施工需要在排烟通道联系梁、逃生通道联系梁及立柱基础位置进行大量的植筋施工,这会对管片造成损伤。带预制牛腿的管片可减少植筋,能降低植筋施工对管片结构的损伤,建议今后加强对预制牛腿管片的研究。

摘自:隧道建设

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