全新的隧道施工方法-预支护拱法简介.pdf

- 5 5 4 2 0 0 6 年中国交通土连I 程学术论文集 【摘 要】 【美键词】 全新的隧道施工方法一预支护拱法 P S S A r c h 工法 简介 向土杨秀仁 北京城建设计研究总院有限责任公司北京1 0 0 0 3 7 原作者稻田正毅株式会社麒谷组北陆支店日本石川县金泽市9 2 0 8 2 0 3 松本壮太郎栋式会社熊答组北陆支店日本石州县金译市9 2 0 8 2 0 3 日本土木工程界最近开发出了一种全新的隧道施工方法，。预支护拱法 P r e - s u p p o r t i n g s y s t e m 4 。该施工方法在隧道施工翦，先挖掘中央导坑 辅助隧遭 ，从中央导坑开始，沿 着隧道的拱形断面，用水力开挖的方式将曲线铜管压入土中，然后通过钢管向土中灌浆。 这种方祛既加固了地基，同时，钢管也成为了隧道韵支撑体系。 隧道预支护拱法水力开挖 C o m p l e t e l yN e wC o n s t r u c t i o nM e t h o do fT u n n e lI n t r o d u c t i o no f P r e - s u p p o r t i n gS y s t e mW i t hA r c hS t y l e A b s t r a c t R e c e n t l yJ a p a n e s eC i v i lE n g i n e e r sd e v e l o p e dan e wc o n s t r u c t i o nm e t h o do ft u n n e l 十P S S - A r c h M e t h o d P r e - s u p p o r t i n gs y s t e m ．T h ef l o wo fc o n s t r u c t i o ni sa sf o l l o w s F i r s t l ya na s s i s t a n tt u n n e li s e x c a v a t e d ．t h e na l o n gt h ef u t u r em a i nt u n n e la r c hs t e e lp i p e sI L r ep u ti n t os o i lw i t ht h em e t h o do fC u t t i n gc d g e t y p ep i p e j a c k i n g a n d W a t e r j e t ．I n t h i s w a y t h e p i p e s i m p r o v e t h eg r o u n do no n eh a n d ，a n d a l s op l a yar o l eo f s u p p o r t i n gs y s t e mo ff u t u r em a i nt u n n e lo nt h eo t h e rh a n d ． K e y w o r d s T u n n e l ，P m - s u p p o s i n gs y s t e m ，C u t t i n ge d g e t y p ep i p e j a c k i n ga n d w a t e r j e t m e t h o d 1 前言 近年来，有大量的双孔隧道或大断面隧道采用矿山法旌工。在覆土层较薄的地方，为防止地表 沉降或保护地下埋设物，人们开发出了多种多样的辅助工法。在自立性比较差的脆弱地层，用得 比较多的工法是先往士中打入剐性较大的超前支护构件 如小导管等 ，随后注浆以改善地层地 质条件。虽然这种工法可以达到稳定工作面、抑制沉降的目的，但工作面前方的加固范围有限，同 时，由于与工作面的挖掘工作存在交互施工的问题，不能确保工作面的安全。另外，这种工法建设费 用高。 在这种背景下，日本土木工程界开发出了一种全新的施工方法，具有以下功能 ①能很好地抑制地表面沉降，提高施工质量； ②能减少接近工作面的施工工作量，提高安全性； ③不需要大型的辅助工法； ④能大幅度缩短工期。 这种工法在日本石川县金泽市外环线道路。涵渡隧道’ 双孔隧道 成功地得到了实趋。 隧道5 5 5 ■■■■■■■●■■■●■■●■●●■■■●■■■■●■■■j ‘目■■目■■i ■■目■4 ■目E z E E ■目■■| ■■●■■■■■■■■■■ j 目■■■■■ ■■目■■■口■■■■■■●■■●■■●●■■■●●■一 2P S S - - A r c h 工法 1 工法概要 P S S - A r c h 工法施工时须先挖掘一条辅助隧道，从中央导坑开始用专门的机械通过曲线钻孔方式 将曲线钢管插入士中。这样，沿着辅助隧道从中央导坑开始就能够预先设置隧道的支撑体系。而且， 通过钢管注浆的方式，能很好地对地层进行改良。在钢管内填充灰浆后，钢管的刚度增强，这种隧道 支撑体系能够先于隧道挖掘施工前连续设置到很远的地方 见图1 。 2 工法特点 用P S S A r c h 工法完成隧道支撑体系构筑以后，由于是 在预先设置的支撑体系中挖掘隧道，掘进前方的变形量比 传统工法4 q E 多；又由于支撑体系是深入到隧道挖掘底都 以下的地方，抑制地面沉降的效果也很好；另外这是一种 对隧道挖掘工程没有影响的工法，所以能够大幅度缩短工 期；在安全性方面，由于抑制掘进前方地层变形的效果很 好，工作面塌落的情况也就减少了。同时，由于在构筑支 撑体系时工作面的施工工作量减少了，使之成为了安全性 圈1P S S A r c h 工涪概念圈 很高的旅工方法。 3 施工方法 P s s - A r c h 工法的施工顺序，按图2 所示进行。 豳2 托工一序圈 ①率先进行的钻孔作业 本工法使用大口径钻孔机进行钻孔作业。 ②曲线钢管推进作业 推进的钢管由多段直径为l 口6 7 ．4 m m 的曲线钢管爆接组成，每段长3m ，每焊接一段后由所示的掘 进机械推进一次，施工过程中射泥水用设置于坑外的真空毒泵直接吸引及排除。 ③注浆作业 在土和钢管之间进行第1 次注装后．再用具有渗透性的水玻璃类型的无机材料进行第2 次注浆， 以改良地基。 ④钢管内填充灰浆作业 为了提高钢管的刚度，在钢管内填充灰浆。 5 5 6 2 0 0 6 年中国交通土建I 程学术论文集 4 用数值分析验证效果 P S S - A r c h 工法是一种隧道施工工作面未到达之前就在土中设置的支撑系统，可以认为抑制掘进前 方变形的效果和抑制沉降的效果非常好。这里，以2 维及3 维的有限元数值分析来验证其效果。 图3 所示的3 维的有限元分析，对掘进前方变形率和沉降量的抑制效果进行了比较。这里，按通常 的情况，两种施工方法如下 ①在工作面刚到达时立即设置采用H - 2 0 0 型工字钢的支撑体系； ②在工作面未到达之前预先设置采用P S S - A r c h 钢管 | j Y 2 6 7 ，4r a n l 的支撑体系。 从以上两种越工方法的分析结果可见，在前方变形率方面，采用传统工法的为3 8 ％，而采用 P S S - A r c h 工法的只有1 7 ％。在褫降量方面，采用传统工法的总沉降量为4 7I T t I n ，而采用P S S ．A r c h 工法 的只有2 4 ∞。 圈33 维有鼹元分析缝果 另外，图4 所示的2 维的有限元分析表明，采用P S S - A r c h 工法，比进行传统掘进时通常采 用的辅助工法A G F A L L G r o u n d F a s t e n 工法，沉降量减少了3 5 ％。总的来说，比起传统工法， P S S - A r c h 工法在抑制前方变形和沉降量方面的效果显著。 圈42 堆有鼹元分析肇暴 隧道5 5 7 3P s S A r c h 工法技术 1 掘进机械 为了推进曲线钢管，本工法的挖掘机械与使用传统的旋转式推进机有所不同，开挖方式为压入式 非 旋转式 ，即水力开挖、刀头和压缩空气并用的方式，施工过程中的泥水通过中央排泥管由真空水泵吸 引并排除 见图5 、图6 。 圈5 钻孔系统图6 刀头和前端喷嘴 2 推进机构 推进方法采用推力为8 0 k N 的链式加料器方式，即推动内管，利用内管前端拉动外管前端的牵引方式。 另外，考虑到不良地质条件的影响，装配了2 台3 5 0 k N 的辅助推进千斤顶，可以和链式加料器并用 见图7 。 为避免在推进中由于外管 曲线钢管 的变形而导致的内部钻孔机械不能回收的危险，本工法开发 了适应外管变形的特殊法兰，此法兰适用于内管的联结部分 见图8 。 圈7 推进机圉8 使用特殊法兰的内管 3 钢管连接方式 另外，为避免在推进中由于外管 曲线钢管 的变形丽无法回收再使用内部钻孔机械的危险，本工 法开发了适应外管变形的特殊法兰，仳法兰适用于内管的联结部分 见图9 。 圈9 锯瞥的自动焊接 5 5 8 2 0 0 6 年中国交通土建I 程学术论文集 4 注浆机械 本工法开发了特殊的注浆机械，即多分段式注浆机 2 节式 。当利用钢管向土中注浆时，能各自 独立地注浆，使注浆时间大幅度缩短 见图1 0 。 4 “涌波隧道”的业绩 田1 0 多分段式注浆机 2 节式 1 工程概要 工程名金泽市外环线道路 靠山侧的干线 。铃见新庄线’道路改造工程 叉名。涌波隧道’ 工程所在地石川县金泽市锦町～大桑町 工 期2 0 0 0 年9 月3 0 日～2 0 0 5 年9 月3 0 日 工程的内容 中央导坑 辅助隧道 ⋯⋯挖掘表面衬砌，长度6 3 6m ，挖掘断面面积5 0 ．2m 2 本坑 先挖掘隧道 ⋯⋯挖掘表面衬砌，长度6 3 6m ，挖掘断面面积7 1 ．5t n 2 本坑 后挖掘隧道 ⋯”挖掘表面衬砌，长度6 3 6m ，挖掘断面面积1 1 1 ．2n 1 2 联络隧道⋯⋯⋯⋯⋯⋯”挖掘表面衬砌，长度1 5 4m ，挖掘断面面积1 2 0 ．6m 2 “涌波隧道’是城市道路。铃见新庄线。的一部分，位于金泽市锦町至大桑町之间。而锦町至大桑 町是一块夹在浅野川和犀川之闻的狭长地段，本线的双孔隧道和正上方的联络隧道构成了全日本唯一的 “三眼”隧道。 地面以上有住宅，最小覆土层厚度豹1 2m ，本线隧道和联络隧道相距3 ～1 2m 。隧道所处的地质 为第4 纪更新纪前期的土层，主要是固结度比较低的细砂和泥沙。从整体上看，地下水位较高，土粒子 均等系数4 以下，细砂含有率在1 0 ％以下。由于这些原因，地下水对于地层的安定性有很强的影响， 如沙的流失或顶部的塌落。 豳”“丽波麓道” 圆1 2 为。诵波隧道4P S S - A r c h 工法的施工范围。 隧道5 5 9 田1 2 “涌波隧道。P S S - A m h 工法施工范围嗣 2 P S S A r c h 施工状况 “涌波隧道’P S S - A r c h 工法施工状况见图1 3 和图1 4 。 围1 3 钢蕾推进状况圈1 4 钢管推进完成后的状况 施工初期，作业时间较长。而且部分土层因含有泥沙导致推进速度缓慢，完成1 环需要1 7 个小时。 后来，由于对机械和系统进行了改良，完成1 环需要的时间可控制在9 个小时左右。 在所定的位置，钢管推进的精度，受地质状况左右。碰到砾石或附近的管道，甚至无法推进。在不 能推进的地方，就采用传统隧道挖掘时的加固支撑体系。 3 P S S A r c h 工法的效果 P S S _ A r c h 工法，由于预先在土中设置了钢管支撑体系，本坑挖掘时隧道周围土的固结很好，工作 面的塌落或隧道表面混凝土掉落的危险性显著下降 见图1 5 。 圈1 5 挖掘时t 出的P S S 钢管 图1 6 表示了本工程的实测结果 地表面沉降和隧道顶部沉降 。实际的地表面沉降量略小于数值 分析的结果。与A G F 工法相比．地表面沉降量减小了1 0 ～1 5m m 减小了3 5 ％～5 0 ％ 。在隧道玻部沉 5 6 0 2 0 0 6 年中国交通土逭I 程学术论文集 降量方面，A G F 工法区间为1 0 ～2 5m m ，而P S S A r c h 工法却不满1 0m m ，显示了很好的沉降抑制效果。 另外，在A G F 工法区间，与先挖掘隧道相比，后挖掘隧道的沉降量还要大，而在P S S A r c h 工法区间， 两者的沉降量没有差别，可认为相邻隧道的影响受到了抑制。 5 结束语 图1 6 实测结果 P S S - A r c h 工法具有传统葩工方法所没有的优势，但成本比较高。今后，为了将这种工法在更大的 范围内推广，可对上述施工机械进行改善、改良，以适应中国国情。笔者认为，此工法还可适用于其 他类型的隧道工程中作者期待着本篇文章能对我国隧道界的工程技术人员的设计和研究提供参考或 帮助。 参考文献 f 1 】涌渡hy 丰灿，日本雅虎h t t p l l w w w ．w a k u n a r n i ．j p ．2 0 0 5 年9 月一日本电子文献 【2 】都市升画道路箭嵬新庄绦涌渡} y 丰肜先遣中央详坑r ■通式J 汇 o 、- - ，日本雅虎 h t t p ／／w w w ．p r e f ．i s h i k a w a ．j p ／k i s y a ／h 1 4 ／t o s h i ／1 0 0 3 ．h t m l 。2 0 0 2 年1 0 月。 日本电子文献 【3J 稻田正毅，松本壮太郎的∥扫h ，_ 木几，中央礴坑加6 0 本坑支保工 D 耩第，建彀。施工企画1 1 号，2 0 0 5 年1 1 月，出版社财团法人日本建毂横械化憾会 1 5 1 本