01地下工程

第1章绪论地下施工技术主要包括：1、盾构施工技术2、顶管施工技术3、沉管施工技术4、沉井施工技术5、深基坑围护施工技术6、非开挖施工技术第1节盾构施工技术一、国外盾构施工技术发展概述1.世界上第一条人工开挖盾构隧道：人物：MarcBrunel—IsambartBrunel地点：伦敦泰晤士河下概况：呈矩形状（宽11.6m×高7m），总长366m历时：耗时20年左右发展：1869年，圆形敞开式盾构在泰晤士河下再建了一条外径为2.18m的行人隧道。1886年，伦敦地铁时首次使用了压缩空气盾构。2.第一台机械化盾构的专利：1876年，由英国的JohnDickinsonBrunton和GergeBrunton合作申请。如图1-1所示，第一台机械化盾构的设想是用由几块板构成的半球状刀盘旋转切削土体，然后靠径向转动的土斗将切削下来的土体运到皮带输送机上。1896年，J.Price的专利（图1-2）比图1-1有较大改进，刀盘由若干轮辐构成，电动驱动由长轴传递，其外形也与现代盾构较为接近。图1-1第一台机械化盾构图2-2轮辐式刀盘盾构3.削土密封式压力平衡盾构1965年日本首先制造了泥水盾构。基本原理：是用液体（水或加膨润土的水）平衡开挖面的土体。图1-3泥水盾构特点：泥水处理系统比较复杂，可用于粘土地层，大多数情况是在含水砂层中使用。1974年，日本土压平衡盾构。在此之前，虽然压缩空气盾构和泥水盾构己能克服含水层中的施工问题，但压缩空气对人体的危害和泥水对环境的不利影响促使日本的隧道专家寻找一个更好的解决问题的办法，土压平衡盾构便应运而生了。图1-4土压平衡盾构4.盾构技术的新发展20世纪进入80年代后，盾构技术发展的主流大致从以下两个方面延伸：（1）日本人注重的开发不同几何形状的盾构技术；（2）欧洲诸国（特别是德国）致力于研究能适合不同地层的多功能盾构技术（CombinedShields）。图1-5矩形盾构端部图1-6双圆形盾构图1-7三圆形盾构图1-8竖井隧道一体化盾构图1-10混合盾构（a）泥水平衡（b）上压平衡（c）机械平衡图1-11合成盾构5.管片及其联接方式的新发展管片的联接方式主要是螺栓联接和销钉联接两种方式。图1-12塑料销钉图1-13钢销钉Wagner的销钉技术具有以下特点:（1）施工速度大大提高，这是因为减少了穿螺栓和拧螺栓的时间；（2）可以实现连续施工，这是因为在管片拼装时，盾构可以不停顿地继续推进，大大提高了工作效率；（3）可以减少隧道上方的土体沉降，这是因为盾构能够保持连续推进气并能及时进行壁后注浆，有效地充填建筑孔隙；（4）可以减少管片的厚度，这是因为在管片的设计中可以省略因穿放螺栓的手孔；（5）可以大大提高管片内壁光洁度，减少水流的摩擦因数，这对用于水工隧道是非常有利的；（6）可以大大提高隧道的成环质量和管片防水性能，这是因为销钉技术提高了管片拼装精度，接缝间隙大大减小。管片的拼装方式有通缝拼装和错缝拼装两种。图1-14圆形隧道通用管片的工作机理:是管片成环后将成为非等宽衬砌环，通过对相邻管片环的旋转排列可以达到拼装成三维曲线（含曲率半径为无穷大的直线隧道）隧道的目的。二、中国盾构技术发展概述1.第一个五年计划期间,东北阜新煤矿用直径2.6m盾构及小型混凝土预制块建造了疏水巷道。2.1957年在北京下水道工程中也用过直径为2.0m及2.6m的盾构。3.1963年上海隧道公司在浦东塘桥第四纪软弱含水地层进行的Φ4.2m盾构隧道试验。4.1964年隧道公司开发了网格式盾构。5.1966年用可封闭式网格盾构建造了直径为10m的上海第一条黄浦江越江隧道（打浦路隧道）。6.1978年在地铁试验段使用了自己生产的高精度管片。7.1984年上海隧道工程公司（英文缩写名:STEC）用日本进口的Φ4.33m小刀盘土压平衡盾构，建造了内径为3.6m的下水道总管。8.1988年STEC设计和使用了加泥式土压平衡盾构。9.1990年STEC设计了刀盘削土土压平衡盾构。10.1991年STEC使用以法国FCB公司为主制造的土压平衡盾构施工了上海地铁一号线的大部分区间隧道。11.1995年STEC使用以日本为主制造的Φ11.22m泥水盾构建造了上海黄浦江下的延安路南线隧道。12.1998年至今，STEC在承接新加坡东北线地铁工程的施工过程中，掌握了当今流行的通用管片的使用方法等国际最新盾构施工技术。第2节顶管施工技术顶管施工技术：其机头的掘进方式同盾构，但其推进的动力由放在始发井内的后顶装置提供，故其推力要大于同直径的盾构隧道。顶管管道是由整体浇筑预制的管节拼装成的，一节管节长2～4m，对同直径的管道工程，采用顶管法施工的成本比盾构法施工的要低。顶管施工主要用于：地下给排水管、煤气管、电讯电缆管的施工。顶管施工的发展：在引进国外先进技术的同时，先后开发了水力机械顶管机、反铲顶管机、土压平衡顶管机和泥水平衡顶管机。长距离顶管技术也得到了开发和应用。混凝土管节制作技术和管节防水技术也得到了发展和提高。一、局部气压反铲式顶管机德国较早开发反铲式顶管机技术，开挖面施加气压可用于含水地层，尤其适用砂性土和混有砾石、卵石的地层。1990年，上海污水治理一期3.2标工程采用德国崔柏林公司的Φ4000反铲顶管机一次顶进800m。1993年，上海隧道公司研制的Φ2200反铲顶管机，用于深圳华侨城排水管道工程，一次顶进1053m。二、土压平衡顶管机日本是最早开发土压平衡盾构，并把该项技术用于顶管工程。德国在土压平衡顶管机技术方面也处于领先地位。隧道公司在1989年研制出国内第1台Φ2200土压平衡顶管机，并开发了土压平衡顶管工法。土压平衡顶管机特点：具有刀盘切削土体、开挖面土压平衡、对土体扰动小、地面和建筑的沉降较小等特点，适用于软粘土地层的城市建筑密集区内进行顶管施工。在砂性土或砾石土层中采用土压平衡顶管机时，应适当加注泥浆使土体塑流。三、泥水平衡顶管机泥水平衡顶管机可分为：泥水机械平衡和泥水加压两种顶管机。工作原理：泥水加压顶管机采用泥水加压盾构的原理，以膨润土泥浆充满开挖面密闭舱，在开挖面土体接触面形成泥膜，起到止水作用，以泥水压力平衡开挖面水土压力。特点:适用砂性高水压条件下的顶管施工，其安全性好，施工机械化、自动化程度高，但制造和施工成本也较高。第3节沉管、沉井施工技术的发展一、沉管隧道施工技术1.沉管法的历史目前全世界用沉管法己修建了107条水下隧道，按国别（或地区）的分布见表1-1。表1-1各国（或地区）修建的沉管水下隧道条数国家（地区）美国荷兰日本德国加拿大法国数量（条）25.5222072.55国家（地区）瑞典比利时丹麦阿根廷俄罗斯英国数量（条）233112国家（地区）澳大利亚希腊古巴西班牙中国爱尔兰数量（条）1111812.沉管法在我国的发展在国外有些国家用沉管法修建水下隧道是一种成熟的方法，而在我国尚属起步阶段。目前，我国用沉管法修建的水下隧道有:1.宁波常洪隧道;2.上海外环线下游越江隧道；准备修建的隧道有：1.武汉长江隧道。二、沉井施工技术沉井是一种古老的施工技术，深沉井施工易发生周围土体塌陷和沉井偏斜，于是开发了不排水下沉施工法和气压沉井（又称“沉箱”）施工法。德国首创的中心岛法沉井工法采用沿井壁内周挖槽施工、泥浆护壁、中间留岛，待下沉至设计标高时再挖去中间土体，这是一种对周围地表沉降影响非常小的新工艺。沉井施工在施工机械化程度较高的年代仍将是一种十分有效的地下工程施工技术，但在工艺和设备上仍有待不断改进。沉井施工第4节深基坑围护施工技术一、地下连续墙的发展1.地下连续墙的起源与发展米兰法——从利用泥浆护壁打石油钻井和利用导管浇灌水下混凝土等施工技术的应用中，引申发展起来的新技术。1950年前后在意大利城市米兰用得最多。地下连续墙施工方法解决：不允许采用放坡开挖；不能采用沉井方法施工；降水会引起地面沉降；难以保证工程自身和周围环境的安全。2.隧道公司从事地下连续墙施工的历史1960年，上海市为了解决黄浦江越江交通和城市交通问题，筹建黄浦江越江隧道和地下铁道。1963年，隧道公司筑成了国内第一幅用“槽壁法”施工的地下墙。1973年，中断多年的“槽壁法”试验在黄浦江边隧道公司的一个工地上重新开始。1976年，“槽壁法”试验移师漕河泾三角地，结合上海地铁试验工程。在此后至今的20多年中，隧道公司先后承建了上海地铁一号线中大部分车站等及其他地下连续墙工程。二、深基坑围护支撑和开挖施工技术深基坑开挖施工中一般都要对围护结构进行内支撑或打锚杆以控制挡土墙的变形。在软土地层不宜施工锚杆的情况下，一般需要进行内支撑体系。为确保基坑稳定和环境安全，深基坑施工顺序应考虑时空效应，必须进行信息化施工和采取局部注浆加固等综合技术措施。第5节微型顶管机及非开挖技术的发展非开挖施工技术：是指利用各种岩土钻掘的技术手段，在地表不开沟（槽）的条件下铺设、更换或修复各种地下管线的施工新技术，即改传统的“挖槽铺管和修复”施工方式为“钻孔铺管和修复”。优点：具有不影响交通、不破坏环境、施工周期短、综合施工成本低、社会效益显著等。适用范围：穿越高速公路、铁路、建筑物、河流；在闹市区、古迹保护区、农作物和植被保护区进行市政、供水、煤气、电力、电讯、石油、天然气等管线的铺设、更新或修复。一、小口径顶管或微型隧道施工法根据施工方法和出碴系统的不同，可将微型隧道施工法分成以下三种:（1）先导式微型隧道施工法；（2）螺旋出土式微型隧道施工法；（3）泥水平衡式微型隧道施工法。二、气动矛施工法施工时，在压气的作用下气动矛内的活塞作往复式运动，不断冲击矛，矛头挤压周围的土层形成钻孔，并带动矛体前进。随着气动矛的前进，可将直径比矛体小的管线拉入孔内，完成管线铺设。三、夯管施工法夯管施工法是指用夯管锤（低频、大冲击力的气动冲击器）将待铺设的钢管沿设计路线直接夯入地层，实现非开挖穿越铺管。图1-15气动矛施工法图1-16夯管施工法四、定向钻进施工法施工时，按照设计的钻孔轨迹（一般为弧形），采用定向钻进技术先施工一个近似水平的先导孔，随后在钻杆柱端部换接大直径的扩孔钻头和直径小于扩孔钻头的待铺设管线，在回拉扩孔的同时，将待铺设的管线拉入钻孔，完成铺管作业。钻孔轨迹的监测和调控是水平定向钻进最重要的技术环节。目前一般采用随钻测量的方法来测定钻孔的顶角、方位角和工具面向角，采用弯接头来控制钻进方向，图1-17定向钻进施工法五、我国非开挖施工技术及设备的发展现状我国自行研制的主要非开挖施工设备分类如下:（1）水平钻机:管径Φ40～1050mm，钻进距离50～100m，一般为50m，分别由地矿部勘探所、北京市政工程研究所、天津市政三公司、江汉石油机械厂研制。（2）导向钻机:管径Φ40～400mm，钻进距离200～300m,DZ-200全液压动力头导向钻机由河北省地矿局开发，GBS系列由地矿部勘探所研制。（3）气动矛和夯管锤:管径Φ42～2000mm，顶进长度30～100m，分别由地矿部勘探所、长春地质学院、长春路下工程公司，同济大学研制。（4）微型液压顶管机:管径Φ600～1000mm，遥控操作，顶进长度60～80m，由上海隧道工程股份有限公司研制。