拱北隧道曲线顶管管幕施工关键技术

为了解决高水压复合软土地层曲线管幕施工技术难题,以拱北隧道曲线管幕工程施工为依托,分析临海复合软土地层、高地下水压力以及敏感周边环境对施工的苛刻要求和巨大风险。总结出包括顶管机选型、高水压顶管始发和接收技术、小间距曲线顶管精度控制技术、管道结构和密封测试、复合地层顶管泥浆及障碍物处理措施的曲线顶管管幕综合施工关键技术,解决了复合地层顶管设备和泥浆优选、高水压顶管施工密封性、曲线管幕精度控制和顶管事故处理等技术难题。

拱北隧道管幕冻结法现场原型试验解冻温度场实测研究

为了能够更加全面地掌握解冻阶段温度场变化规律,采用现场原型试验研究了在解冻阶段两种不同解冻方式(自然解冻和"自然+强制"解冻)下温度场变化规律。试验表明,由于冻土量较小,解冻时间相比于一般冻结工程来说较短,而且利用常温盐水强制解冻,就能达到很好的效果。在空顶管的防通风措施解除后,自然解冻条件下冻土融化速率较快,不需要开启加强管的热盐水循环。该试验作为系统研究管幕冻结法冻结效果动态控制研究的重要一环,探究了管幕冻结法解冻规律,为实际施工提供了可靠的研究依据,能够有效地降低融沉影响。

拱北隧道曲线钢顶管接头橡胶圈结构数值模拟研究

曲线钢顶管技术是给水工程和隧道支护工程中新的非开挖施工技术,其管节结构与传统混凝土顶管管节结构差别较大,但目前设计和施工缺乏理论依据和参考规范。为优化拱北隧道曲线钢顶管施工中采用的接头橡胶圈结构,采用ABAQUS有限元软件,建立接头安装模型,研究优化前后橡胶圈应力、接触压力和接头安装力的变化规律。结果表明:优化后的橡胶圈应力和接头安装力明显减小,且接触压力大于0.3 MPa,满足现场施工密封的要求,证明优化后的接头更加合理可靠。

拱北隧道管幕冻结施工中限位管的冻结效果控制研究

港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道采用管幕冻结法施工。为了获取合适的冻结施工参数,采用原型试验研究限位管的冻结效果控制作用。试验结果表明:当管幕冻结施工过程中实顶管正上方冻土发展较快时,可通过在限位管循环热盐水来控制冻土发展,其中,限位管温度为8℃比2℃时能更好地控制冻土厚度;但是,若实顶管与空顶管之间的冻土及空顶管上方的冻土仍需要发展时,可采用2℃盐水,此时,冻土帷幕厚度继续增加,但幅度减小。因此,采用限位管控制冻土帷幕发展是可行的。

拱北隧道“钢管-冻土”复合结构承载力试验研究

管幕冻结法作为一种新型的隧道预支护工法,目前已被应用于港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道施工中。管幕冻结法是利用顶管技术在隧道四周顶入大直径顶管,并利用冻结法将顶管之间的土体冻结起来,形成水密性的预支护结构。为了研究钢管-冻土复合结构在确保封水时的极限承载力和变形能力,以探求合理冻土温度,采用冻土单轴压缩试验机,对4种不同冻土温度进行钢管-冻土复合结构模型试验,并提出了封水条件下的极限状态判据,通过分析荷载-位移曲线,得到复合结构在封水条件下的极限承载力和变形能力。试验结果表明：温度较高时,冻土协调变形能力较好,但由于冻土本身强度较低,复合结构在封水条件下的极限承载力和变形能力较差;类似地,冻土温度较低时,强度较大,但由于冻土跟随钢管协调变形能力较差,在封水条件下的极限承载力和变形能力也较差;当温度适中时,冻土跟随钢管协调变形能力和冻土本身强度均处于相对理想状态,此时复合结构在封水条件下的极限承载力和变形能力相对较强,即在确保封水性能时所能承受变形的能力和极限荷载均较大。试验研究确定了该理想温度约为-10℃,该温度在拱北隧道管幕冻结实际施工中被采用,对类似工程施工具有一定的参考价值。

拱北隧道灌浆加固中注浆材料室内试验研究

为保证港珠澳大桥拱北隧道灌浆加固工程安全,进行了不同加固方法的注浆材料室内研究。研究了袖阀管单液注浆中水泥品种、水灰比、早强剂的品种、抗沉剂等对水泥浆液的物理性能和固结体抗压强度的影响,研究了袖阀管双液注浆中水泥品种、水灰比、水玻璃浆液浓度、水玻璃浆液与水泥浆的体积比等固结体抗压强度的影响,研究了高压双管旋喷注浆中水泥与土的质量比、养护条件对水泥固结体的抗压强度的影响。得到的灌浆材料优化配方可满足灌浆设计要求。

港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道曲线管幕顶管测量和轨迹控制技术

管幕工程是港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道暗挖段难度最大的项目之一,工程下穿拱北口岸限定区域,埋深4~5 m,管幕平均长度257.92 m,由36根直径1 620 mm的钢管组成。线路位于缓和曲线和圆曲线组成的复合曲线上,其特点是群管顶进、互为接收始发、间距小、曲线半径小、精度控制高、地表沉降小、周边环境敏感。本文对从导线测量、一井定向、顶管测量、轨迹控制到精度估算的技术要点做了详细介绍,可为类似工程提供借鉴。

拱北隧道设计方案

拱北隧道为港珠澳大桥珠海连接线的关键控制工程,是继港珠澳大桥主桥之后又一世界级工程,本项目设计方案新颖,暗挖段运用了管幕及冻结两种新的工艺,而且地质条件极差,环境敏感,管线众多,建设难度大。本文全面介绍拱北隧道的设计方案,为类似项目提供参考。

拱北隧道工作井超深地下连续墙特重型钢筋笼吊装施工技术

拱北隧道为港珠澳大桥珠海连接线关键控制性工程,其中暗挖段长度255 m,下穿拱北口岸,地理环境复杂,是国内第一座采用曲线管幕法施工的隧道。暗挖段用东、西2座工作井作为施工通道,其中东侧工作井深32 m,以地下连续墙作为围护结构。地下连续墙深52.4 m,钢筋笼长52 m,钢筋笼吊装总质量达105 t以上,是罕见的特重型钢筋笼,整幅吊装难度极大,可借鉴经验少。本文分析了施工技术难点,介绍了钢筋笼吊点布置、钢筋笼自身刚度控制、吊车配置和吊具选择、吊装工艺控制等关键施工技术,有效地解决了施工难题。

港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道曲线钢管幕管节连接技术

港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道暗挖段下穿拱北口岸限定区域,采用"曲线管幕+冻结法"施工。由于其地质条件复杂,施工方法特殊,对管节连接有较高要求。本文介绍了曲线管幕管节连接承插口F形接头的结构,通过有限元数字仿真模拟密封效果,进行了1∶1的模型接头受力分析试验以及管节连接安装施工工艺研究,系统地总结了曲线钢管幕管节连接的结构特征、密封效果、受力特性和操作要点。

拱北隧道水平控制性冻结止水帷幕施工方案

港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道工程口岸暗挖段预支护体系采用"超前曲线大管幕+水平控制性冻结止水"相结合的全新管幕冻结法施工。水平控制性冻结止水帷幕施工总体方案是全长整环积极冻结,分段分区维护冻结。在介绍水平冻结止水帷幕施工方案的冻结设计、冻结管布置和冻结施工步序之后,重点分析了该方案难点和施工注意事项,为工程顺利实施奠定了基础。

港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道信息化监测分析

港珠澳大桥连接线拱北隧道陆域明挖段全长1 229.895 m,宽度20.7~32.6 m,深度26.7~1.9 m,为典型的狭长且深度差异大的基坑工程。针对基坑及周边环境特点,随着基坑深度的增加,依次采用拉森Ⅳ型钢板桩、SMW密插桩、600~1 200 mm地下连续墙等围护结构。通过对陆域明挖段典型断面监测资料进行分析,得出了基坑施工对围护结构及周边环境的影响形式。监测结果表明,采用信息化施工的监测手段,能够及时解决发现的险情,确保基坑工程的安全。

港珠澳大桥拱北隧道曲线管幕管节现场制作技术

结合港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道曲线管幕工程实例,详细介绍曲线管幕管节制作与连接关键技术,包括管材切割下料、管身卷制、承插口F形接头制作、管节焊接组装技术,管节质量检测方法和验收标准等。顶管施工实践证明,管节制作精度、刚度和稳定性、防水密封性能等均达到预期效果,管节现场工厂化制作技术和产品质量是可靠的。

拱北隧道工程中曲线顶管顶进力实测分析

港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道工程口岸暗挖段采用曲线顶管管幕支护的施工方法,在复杂地层条件下计算曲线顶管顶进力是顶管施工的重点与难点。工程共计使用了37根外径为1 620 mm、平均长度约为255 m的钢顶管。结合现场施工记录,采用2种不同的计算方式对顶进力进行了估算并与实际顶进力进行对比验证。结果表明:经验公式中的摩阻力计算在埋深较大时比较符合实际情况,在浅层的淤泥质地层中则偏大;直接采用被动土压力计算迎面阻力是偏保守的;顶进力的大小与泥浆润滑关系密切,初始阶段泥浆的润滑作用并不显著,在形成稳定的泥浆套过程当中摩阻力会逐渐下降,甚至小于1 k N/m2。

拱北隧道管幕冻结法温度场数值计算

以港珠澳大桥珠海连接段拱北隧道为工程实例,研究管幕冻结法的温度场发展规律,基于二维多孔介质传热理论,采用有限元软件COMSOL对积极冻结期的实际工况进行数值计算,模拟结果通过现场实测验证,研究了温度场在异形冻结管开启前后的发展与分布规律。结果表明:冻结30 d时,实顶管完全被冻土包裹,并且顶管之间开始形成连续的冻土帷幕;冻结50 d时,空顶管被冻土完全包裹;冻结90 d时,实顶管和空顶管处冻土帷幕厚度达到2.0 m,满足设计要求。在异形冻结管开启前、开启后10 d内和开启后10~20 d内,两顶管间中点处温度测点的平均温度变化速率分别为-0.86℃/d,-0.88℃/d和-0.25℃/d,之后各测点温度趋于稳定,进而形成温度较为均匀的冻土帷幕。研究成果可为类似冻结工程提供技术参考。

拱北隧道管幕工程顶管间距计算分析

为使管幕相邻顶管之间能够形成稳定土拱,防止管幕周围土体发生局部坍塌,需要合理控制管幕顶管间距。针对全断面支护管幕工程,结合管幕支护机制,运用土拱效应理论,对管幕顶部、中部、底部3个特殊位置形成的管间土拱进行分析,建立相应的管间土拱模型,分析土拱的受力情况;运用土体的极限平衡条件对拱顶和拱脚进行稳定性验算,得出顶管间距的控制式。针对港珠澳大桥拱北隧道管幕工程,结合管幕所在地层的土体参数,对隧道顶管间距进行计算分析,得出拱北隧道顶管间距为0.47 m。与工程顶管间距实际取值(0.35 m)相比,计算值略微偏大,符合工程实际情况,说明建立的管间土拱模型是合理的。

港珠澳大通道拱北隧道暗挖段变形缝合理设置间距研究

变形缝的设置是为了解决地基不均匀沉降和混凝土收缩可能带来的结构物破坏问题,但其增加了隧道防水的难度。尽管目前隧道界有尽量少设变形缝的呼声,但是对于变形缝的设置间距,缺乏定量分析方法。文章依托港珠澳大通道拱北隧道工程实例,结合隧道实际的地质情况和结构型式,通过数值计算,从定量的角度分析变形缝的合理设置间距。研究结果表明:(1)如果不考虑底部管幕对地基的增强作用,即使设置22 m间距的变形缝也不能满足结构安全性要求;(2)考虑底部管幕作用时,提出的变形缝间距88 m是可行的;(3)考虑隧道全周管幕对地基的增强作用时,从纵向应力和竖向位移考虑,暗挖段可不设置变形缝。但考虑隧道运营后可能出现的地基不均匀沉降等复杂情况,从安全、经济的角度出发,并考虑施工方便,拱北隧道暗挖段变形缝间距可按不超过88 m设置。

拱北隧道超大管幕顶进横向地面沉降及管间作用分析

为研究小间距圆周群管顶进时的地面沉降规律及顶管间的相互作用,结合港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道管幕工程,对群管顶进引起的地面沉降进行分析,确定小间距圆周群管顶进时地层损失率的取值,提出沉降槽宽度系数的经验公式,并通过数值模拟分析先顶管群对后顶管引起地层损失及最大沉降的影响。研究结果表明:拱北隧道管幕工程群管顶进引起的地表沉降满足控制标准要求。随着顶管埋深的增加,单根顶管引起的沉降槽宽度系数随之增大,地表最大沉降量随之减小,顶管顶进时的初始地层损失率为1. 5%。由于顶管顶进技术熟练程度的提高以及先顶管群对土体的加固作用,地表沉降得到有效控制,管幕所有37根顶管顶进结束后的平均地层损失率减小至0. 8%。

拱北隧道暗挖段曲线管幕顶管施工精度控制技术

针对曲线顶管相对直线顶管精度控制难度更大,管幕形成难的问题,以拱北隧道暗挖段曲线管幕顶管施工为例,从顶管轨迹控制测量、顶管始发、顶管顶进、顶管接收等方面进行了研究,分析了在敏感的周边环境、复杂的地质条件下、长距离、曲线管幕顶管施工的精度及沉降控制技术。经分析,采用UNS导向系统并在合理的顶进参数及有效的控制措施条件下,通过纠偏手段和精度控制,可以有效降低后行管对先行管影响,确保管幕形成。

拱北隧道顶管管幕法工程定额测定方法及应用

港珠澳大桥拱北隧道暗挖段施工采用顶管管幕法进行超前支护,而且采用的新技术、新工艺、新材料、新设备较多,造成施工过程较为复杂。其定额若采用传统的技术测定法进行测定,虽然能满足测定要求,但费时费力。若采用其中的简易测定法,虽然测定效率有所提高,但测定工作量仍然较大。为进一步提高其定额的测定效率,减少测定工作量,此文根据简易测定法原理,结合该工程施工工序、工艺工法和施工组织的特点,对可采用的简易测定法进行了改进。并就改进后的测定方法的应用进行阐述。经验证,改进后的简易测定法可减少测定人员的工作量,提高测定工作效率。