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由于《交通安全法》中交通信号灯不包含月白灯,道口信号机取消月白灯后以无显示为定位。在道口停电或设备故障情况下,有列车接近道口时,经过道口的车辆及行人可能会认为道口设备正常、无列车接近而误闯道口,造成严重后果。《安全法实施细则》第四十二条规定:“闪光警告信号灯为持续闪烁的黄灯,提示车辆、行人通行时注意瞭望,确认安全后通过”。因此可以考虑当道口停电或设备故障时,道口信号机亮持续闪烁的黄灯。如图1所示。黄灯的电源可采用道口电源与UPS不间断电源并联的供电形式。
2铁路道口信号系统与道路交通信号系统联动
目前,铁路有人看守道口多数采用DX3型道口报警设备,铁路道口一般只设立道口信号机和道口栏木,对道路车辆、行人约束力度相对较弱,因此一些道路车辆、行人不重视道口信号机的显示,经常在列车已经接近道口,道口信号机已经亮红色闪光的情况下,加速冲撞道口,甚至酿成严重的交通事故。如果把铁路道口报警系统与城市道路交通信号系统联动起来,在平交道口处设置一套交通信号及电子警察系统,用于监控道口行车安全,同时也可以加大对道路车辆、行人的监管力度,大大降低此类交通事故的发生率。具体情况如图2所示。
2.1铁路道口信号系统与道路交通信号系统联动技术要求
1)列车接近道口时,道路交通灯亮红灯。2)列车离去道口后,道路交通灯亮绿灯。3)道口停电及道口信号设备故障时,道路交通信号灯亮黄闪灯光,此时需要道口值班员维护道通秩序。4)交通信号灯点灯电源,应采用独立的道路交通电源,没有道路交通电源时,可采用道口信号电源供电,当采用道口电源供电时,应配置UPS电源不间断供电。
2.2铁路道口信号系统与道路交通信号系统联动的工作模式
1)铁路道口信号系统向道路交通信号系统提供列车接近信息和道口停电及控制器故障信息,道路交通信号系统根据采集到的开关量信息按照相关技术要求控制道路交通信号灯的显示。2)道路交通信号灯纳入铁路道口信号系统,采用继电器接点控制模式。3)道口设备故障及停电时,采用道口值班员手动控制模式。当列车接近时,值班员按下交通信号手动按钮,交通信号亮黄色闪光,同时道口值班员注意维护道通秩序。列车出清道口时,值班员拔出交通信号手动按钮,交通信号亮绿灯。
3结束语
关键词:复杂地质山区 特长隧道 选线 研究
中图分类号:U21 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2015)10(b)-0064-03
1 引言
1.1 自然地理
玉蒙铁路属泛亚铁路东线的一段,位于云南省滇东南地区,北起昆玉线玉溪南站,经通海、建水、个旧等县(市)到达红河州蒙自县,线路全长141.5 km。
玉蒙线其中一段线路需从通海盆地(高程约1800 m)紧坡下至曲江盆地(高程约1300 m),需以秀山特长隧道横穿平顶山至里山一带山体,为全线重点控制工程。
该区域地质构造复杂,新构造运动强烈,是我国大陆现今地壳构造运动最为强烈的地区,以活动断裂规模大,分布密集,地震活动频繁,震级大,地震破裂带长,位错量大为主要特征,1970年通海曾发生7.7级地震。由此造成该区域工程地质条件极其复杂,存在众多不良地质体。因此,在设计阶段做好线路方案比选,确定技术可行、经济合理的重点控制工程,对下阶段的施工、运营都具有重要意义。
1.2 线路主要技术标准
国铁I级,单线;设计行车速度Vmax=120 km/h;限制坡度12‰,双机24‰;最小曲线半径:一般1200 m,特殊困难800 m;牵引种类:电力牵引,货机SS3b型、客机SS7C型;牵引质量:2000 t;到发线有效长度:650 m,预留850 m;闭塞类型:站间自动闭塞。
1.3 方案研究目的
该段线路为越岭地段,受地形地貌和两端盆地高程控制,线路从通海盆地需以紧坡下至曲江盆地,造成该段线路工程较大,桥隧相连。
可研线路方案存在的主要问题:通海隧道进口段漫坡进洞,有一段浅埋土质隧道,有近400 m路基拉槽,其坡面水将排往隧道,洞口条件较差,施工困难;同时,通海隧道进口之前穿过第四系湖积层较长,该段软土及砂土层厚度超过40 m,对路基工程不利。
针对上述问题,有必要对该段线路方案进行优化比选,遵循“线路方案服从重点工程选址”的原则,合理选定作为全线重点控制工程的特长隧道―― 通海隧道的位置,兼顾其他工程,稳定该段线路方案。
2 线路方案研究比选
2.1 方案研究的基础工作
从以往隧道施工情况看,隧道选址的好坏,工程地质和水文地质条件起决定作用,直接影响隧道安全、质量、工期和投资。因此,特长隧道选线,归根到底是地质选线,应在尽可能搞清楚地质条件的前提下,尽量绕避不良地质,合理选定隧址。
为了尽可能准确地为方案研究提供地质资料,在研究1:20万区域地质图、区域水文地质图、区域水文地质普查报告基础上,进行不同比例的工程地质遥感卫片、航片解译判释,工程地质调绘,物探结合控制性钻探等手段,并委托中国地震局地壳应力研究所完成《活动断裂鉴定报告》、《场地地震安全性评价报告》等工作,为隧址选定和线路方案比选研究提供了翔实、可靠的基础地质资料。
2.2 线路方案研究布置
2.2.1 设计原则
(1)线路服从重点特长隧道工程地质选址的原则。根据工程地质情况,选定地质条件相对较好的隧道位置,洞身轴线尽量以较大交角穿过地质构造线,避免顺断层破碎带布置。
(2)兼顾两端工程技术条件可行、安全的原则。适当控制高烈度地震区桥(墩)高度,确保安全。
(3)经济合理,有利施工、运营的原则。确保工程安全的前提下,尽量节省工程投资,改善运营条件。
2.2.2线路方案布置及综合技术经济比选
根据地形、水文及工程地质条件,结合工程特点,在进行大面积、多方案隧道选址比较后,重点选定了有比较价值的地质条件相对较好的通海隧道位置与可研设计方案进行比较,同时为了控制处于高烈度地震区的曲江大桥高度,在新选定的线路平面位置下进行不同桥高的纵断面设计比较。见图1。
各方案主要工程数量及投资比较见表1,主要优缺点比较见表2。
比较范围:DK23+600~DK53+400。
2.2.3 方案比选结论
高桥位方案虽然曲江大桥最大墩高为80 m,但该方案彻底改善了通海隧道进口条件和通海站设站条件,为下步施工和运营创造了有利条件,工程投资较工程可行性研究方案少2671.48万元。经综合比较,推荐采用高桥位方案,得到专家认可。
3 结语
随着铁路修建技术日趋成熟和施工水平不断提高,特长隧道和高墩、大跨桥梁被普遍采用作为铁路选线克服高程、改善运营条件的有利手段。铁路为带状建筑物,在特定的地形地貌和工程地质条件下,尤其在地质条件极为复杂的西南山区选线,应遵循“线路服从重大工程地质选址”的原则,对于控制线路方案的桥、隧等重大控制工程选址,采用综合地质勘察手段,在查明工程地质条件的基础上合理选定,然后再兼顾其它工程进行线路方案的综合技术经济比选,做到工程安全、技术可行、经济合理,切实稳定线路方案,缩短设计周期,为后续阶段施工、运营打下坚实基础。
参考文献
[1] GB50090-2006,铁路线路设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2006.
[2] 何振宁.区域工程地质与铁路选线[M].北京:中国铁道出版社,2004.
关键词:既有隧道;三维Ansys,有限元分析;安全
中图分类号:U45文献标识码: A 文章编号:
1引言
随着城市建设和市政基础工程的快速发展,地下空间不断被开发利用,各种地下工程诸如地下车库、地下商场、地下通道、地铁车站以及区间隧道等地下建筑物已在各大城市随处可见[1.2]。而随着此类地下建筑物的修建以及网络的形成,后期施工的建筑物与既有建筑物(尤其是地下管线隧道和地下铁道)的相遇也就不可避免[3]。这样对后期施工的建筑物来说,保证既有地下建筑物的安全使用就成为一个必须考虑的因素。本文正是基于施工过程中经常遇到的这种情况,以蓝天加油站与恩施金凤大道许家坪隧道为依托工程,对既有隧道与后建加油站的相互作用进行分析研究,评估既有隧道安全性,并提出相应的处治措施。
2项目背景
恩施金凤大道许家坪隧道位于红旗大道与施州大道平交口处,路线呈东西走向,终点至红旗大道与金桂大道平交口处,左线隧道长995m,右线范围隧道长980m,埋深约为60m。新建蓝天加油站位于隧道左洞正上方,长约72m,宽约55m,位置示意图如图1所示。
图1 加油站平面位置示意图 图2 模拟影响范围示意图
3建立有限元模型
3.1 计算假设及依据
本次计算采用Ansys软件进行三维数值模拟分析。计算范围内的岩体采用三维实体单元模拟;隧道锚杆采用杆单元单元模拟。为了确保三维模型有足够计算精度,本次计算对计算范围进行了一定的限制。计算范围示意图如图2所示。
3.2计算参数
1)岩体力学参数
表1 岩体力学参数
2)荷载取值
根据《汽车加油加气站设计与施工规范》[4],加油站等级为二级。依据《建筑结构荷载规范》[5],建筑结构重量(单位面积)取值约为16KN/m2。
3.3 分析步骤
有限元模拟计算以初始地应力场(重力荷载)、隧道开挖、施加加油站建筑荷载等过程进行,根据《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)[6]在模拟开挖过程时,隧道开挖和初期支护在相应边界节点应力释放60%,施作二衬和仰拱完成后在相应边界节点应力释放40%。数值模拟分5步进行,具体见表2:
表2 模拟分析步骤
3.4 模型
为减小边界效应保证计算的准确性,模型尺寸为:隧道中线右侧取70m,左线隧道左侧取100m,竖直向上取至地表,地表至拱顶60m,地表至下边界120m。计算模型示意图如下图2所示。 整个计算模型有限元网格共有167089个单元,节点总数为101982个,有限元网格划分如图3所示。
图3隧道洞门结构有限元模型
4 结语
通过加油站工程对既有隧道影响的有限元计算结构计算可以得到如下结论:
(1)对隧道位移沉降和应力对比表分析表明,位移及各项应力均变化较大,但总的位移和各支护内力都很小。隧道处于安全状态,但是由于加油站工程的施工会对隧道产生一定影响,因此建筑基础施工时应特别重视保护岩体完整性。
(2)通过对加油站修建后的隧道结构内力计算表明,建筑物修建时对隧道结构有一定的沉降和变形影响。为了保证隧道的安全,在工程施工的影响范围内的施工过程中,要对此影响范围进行监测,并根据监测结果指导加油站施工,以实现信息化施工,从而确保许家坪隧道的运营和结构安全。
参考文献
[1] 林丽芬. 高层建筑群对其下既有隧道的影响分析.[华南理工大学工程硕士学位论文]. 广州:华南理工大学,2010,1-7
【关键字】无砟轨道 测量 轨道精调 技术
中图分类号:U213.2文献标识码:A
无砟轨道是以整体道床代替碎石道床的一种新型轨道,其平顺性、稳定性、精度和标准要求高,传统的施工技术和工艺已不能满足设计和运营的要求。对于无砟轨道要求的高标准性,施工中一般是采用全站仪配合静态轨检小车对已铺设成型的线路轨道进行测量,人工配合进行线路调整。但是这项测量方法比较繁琐,且上没有成熟的调整顺序和方法,会出现调整过一遍后,再进行复测时又出现线路的几何状态不能满足规范要求,需进行反复测量反复调整。因此,为确保无砟轨道施工质量,需要了解无砟轨道铺设工艺铺轨测量和精调技术。
一、无砟轨道铺设流程
1.安装定位锥
在测试点安装定位锥,定位锥的材质是硬塑料,最大直径约为130mm(误差不超过1mm),圆锥体有一中心孔,直径为20mm。圆锥体为轨道板安装的辅助工具,可使安装精度达10mm,如此就可使精调工作量减少。
根据轨道安装标志点GVP 测设轨道安装基准点GRP 和圆锥体定位点,轨道安装基准点GRP 和圆锥体定位点位于轨道板端头半圆形凹槽处,且接近轴线。圆锥体的轴线与安装点重合。注意,在超高地段定位锥安装在轨道板较高的一侧。
根据安装测点钻孔,其大小需要符合标准,而后安装锚杆。轨道板垫层灌浆时圆锥体锚杆可作为压紧装置的螺杆使用,轨道板垫层灌浆后拆除压紧装置的同时拆除锚杆。
2.无砟轨道板粗铺
2.1无砟轨道板铺设
轨道板铺设包括路基支承层上轨道板铺设和桥上轨道板粗铺。
(1)支承层上轨道板铺设。
轨道板运到铺设点后,在确认轨道板编号与布板数据相符后实行铺设。而后,分左右施工,先安装右线轨道板,运板车在左线混凝土支撑层及线间填砟上通行。为了保证轨道板铺设的准确性,可以根据轨道板铺设基准点GRP 点弹出轨道板的边框线,轨道板与之相对应后即铺设到位,这可以为后续轨道板精调提供便利,提高精调速度。接着,在混凝土支撑层上放置6 个350mm×35mm×35mm 硬垫木,垫木紧靠吊具夹爪摆放,轨道板精调后再将垫木撤出运到下一个安装点。需注意的是,左线轨道板的安装须在右线轨道板精调、灌浆、纵向连接并且接缝砼施工完毕后进行。
(2)桥上轨道板粗铺
桥上轨道板粗铺时根据轨道板布板图和安装顺序依次铺板,轨道板安装前预先在精调装置的安设部位放上发泡材料制成的T 型模制件,并用硅胶固定,防止水泥乳化沥青砂浆灌浆时溢出。轨道板安装时,轨道板在存放时应充分考虑其位置。
2.2无砟轨道板精调
2.2.1确定无砟轨道基本轨
在轨道的2根钢轨中选择1条作为基本轨,一般在一段线路中选择没有曲线超高的一条钢轨作为高低基本轨;在曲线地段的外轨作为轨向基本轨。基本轨是轨道几何尺寸调整的基础轨,也是轨道调整的基本线,轨向基本轨的确定标志着线路中心线的确定。注意,隧道出口处有一左转曲线,右轨具有曲线超高。
2.2.2无砟轨道轨距的调整
轨距是轨道的重要几何尺寸之一,也是最基础的控制要素,在钢轨铺完后就应对轨距进行检测。轨距的检测方法采用带有毫米刻度的道尺,读数应读至0.1 mm,并做好记录,为下一步调整做好准备。调整按照1 435.5 mm的标准轨距进行,2根轨枕间的轨距变化不应超过0.5 mm,对已经调整过的地段重新进行轨距检测,保证在1 435~1 436 mm之间,其
变化率不应大于0.5 mm。
2.2.3无砟轨道的精测与调整
(1)轨道板调整和过渡处的精调
精调的第一步是轨道板过渡处和自由端的调节。轨道板近端的调整建议采用跟踪测量和精密测量相结合的方式。首先通过全站仪将1 号棱镜对准并进行跟踪测量。根据测量数据将轨道板活动端在精调爪上调到其应在的位置。得到改正值后通过在轨道板精调爪的调节来进行修正和复测。而后,借助辅助标尺对轨道板进行初步调整,以便实现搭接处近于平顺过渡。余下的偏差再使用全站仪改正。有时必须调整一两个棱镜。在调整轨道板角点之前,轨道板中间的精调爪是悬空的。
(2)消除无砟轨道板中的弯曲情况
因为组长对测量的评估,可修正超出允许范围的误差并进行单个复测。所以,在调整好误差后,需要再进行轨道板中间的弯曲的消除。
首先,全站仪的测量值不断刷新,使得精调过程得到监控,错误及时得到修改。其次,单个测量模式下测量两个单棱镜,这种模式的精度比较高。而且,应注意轨道板两面尽量同时调高,否则轨道板被扭曲浇注时可能会滑落;再者需要对超高区进行再次调整,否则轨道板有可能会从精调爪上滑落。
(3)整体测量
在所有棱镜调整过后(承轨槽处),还要通过一次整体测量来确定每个棱镜存在的位差,以完结其调整过程。当检查点测量被激活时,在整体测量时也同时对检查点进行坐标测量。在整体测量时,所有的棱镜要通过全站仪测量。在测量结束后还会读取倾斜传感器的信息,此外,还需对触点处的标尺1-3(水平挠度)、比较从倾斜传感器读数的高程修正值和全站仪测量值、竖向挠度以及相对原先轨道板上的定位棱镜的改正值/平移值进行检查计算。若计算结果存在误差,需试图将其消除。
在操作过程中,为实现测量准则的目标,操作人员可能需要重复完成测量或者重复单个棱镜。而且,在重复完成测量的过程总,只有调整多处测量点,其测量结果才具备相应价值。若只是变动了一个点,且其测量值在几毫米之间浮动时,其值完全符合对该点的检测。若出现无限点事,需保留整体数据,档案留存。
3.无砟轨道板检测技术
可在两种安装状态下进行对轨道板(GTP)进行检测,一是轨道板精调之后,二是轨道板灌浆之后。
3.1轨道板检测基础及前提
在对轨道板进行检测之前,必须提供一个经平差了的控制网,假如在接触网杆上或者是在桥上防撞墙上设置的CP3 网。控制点必须具有足够的点密度(间距约60m)。
3.2检测流程
(1)总体而言,测站一般最多可对6块轨道板进行检测,倘若隧道作业情况或者外界条件合适,也可检测8块轨道板。整个测量过程中需要使用测量标架。
(2)全站仪测站总是沿检测作业的运动方向选定的,其道理同轨道板精调相同。一般而言,测站的测定点可选用轨道CP3 点、已测定的位于轨道板首端的锥槽控制点或者已测的GRP 点。全站仪“自由设站”后,便可相对最后测完的板尾端(左和右检测点)进行再次定向,并进行高程检测,这样就可消除因换站所引起的高程和平面搭接折线。
(3)对不同枕轨断面进行编号,而后在让专业测量人员通过全站仪对其进行测量,其精度必须满足要求。
4.结束语
随着我国经济的发展,铁路建设力度不断加大。因此,做为铁路施工中重要组成部门的无砟轨道铺轨测量与精调技术也越来越受到人们的关注。它对施工质量、安全以及进度具有很大影响。因此,施工企业需要再施工过程中不断研究、引入先进技术,且依据相关规章和标准对轨道的数据进行测量,确保我国铁路质量,从而促进我国运输业以及社会经济的发展。
参考文献
[1] 潘洁晨,杨明东. 测量技术在CRTSⅡ无砟轨道板静态调整中的应用[J]. 北京测绘.2012(04)
[2] 黄旭东,刘光斌,王德佳. GEDO CE轨道精调系统在高铁测量中的应用[J]. 煤炭工程.2012
[3] 徐东祝. 双块式无砟轨道精调作业工艺研究[J]. 铁道科学与工程学报. 2009(02)
关键词: 高速客车 诱导空调
1 国内外铁路客车及其空调系统的发展
中国铁路拥有十分辉煌的过去。然而,随着中国航空业的重组和大量高速公路的修建,航空运输和长途公路运输开始兴起,到1996年,中国的公路客运量甚至超过了铁路客运量。从1997年开始,中国铁路开始进行全国性的铁路提速。此后中国铁路经过了几次提速,到2003年客车最高运行时速已经达到了200公里以上。[1]
在国外,高速铁路客车发展非常迅猛。例如,法国的高速铁路技术是一种比较成熟的技术,高速铁路(TGV)(Train a Grande Vitesse 法文超高速列车之意)已达到每小时513公里的实验速度。而日本也正在开发"21世纪之星"高速列车,这种列车除时速达350公里的超高速外,在性能上较以往有大幅度的提高,还具有乘坐舒适和车内安静的特点[2]。德国将磁悬浮列车作为未来的新型交通工具,几年内这种列车最高时速将达到400公里。
国内外高速铁路客车的发展告诉我们,铁路即将进入一个高速时代。为适应铁路高速化的要求,必须对现有的空调系统进行改进或提出新的空调理念。
2 铁路高速化对客车空调装置提出的挑战
与普通空调客车相比,高速空调客车无论是速度还是设计结构都有较大区别,因此只有针对高速客车的实际情况设计研制适宜的空气调节系统,才能保证客车内达到所要求的空气参数和空气品质,为旅客提供舒适的旅行环境。
针对高速客车的运行特点对其空调系统提出了如下要求:
1)空调设备的安装位置要求降低
高速客车由于其速度快(一般都在200km/h以上),为了保证行车的安全并且为了提高运行的平稳性,其辅助设备(包括空调系统)及车体重心位置必须降低,以利于整车重心的降低。
2)空调系统的运转部件要求少
高速客车由于其停站间隔长,同时维护正常运营的人员少,因此必须保证其空气调节系统具有较高的稳定性和可靠性,这就要求高速客车空气调节系统的运转部件尽可能减少,以降低事故率,易于维护管理。
3)空调装置的安装空间要求小
高速客车由于其独特的设计结构(车体一般采用流线型优化设计),给其空气调节系统设备预留的安装空间较小,因此,只有针对其预留空间的结构特点设计研制合适的空气调节系统,才能满足车内的空气参数设计要求。
4)空调系统的运行品质要求高
高速客车由于其速度快,车厢的气密性高,车内人员较密集,同时客车运行时间比较长,因此对车内的空气品质要求高,否则旅客极易产生疲劳、恶心、乏力等不适症状。
5)空调系统的调节性能要求好
高速客车中一般都将整个车厢分割为若干个小包间,要求每个包间内都能够方便的单独调节每个包间内的空气参数,而且由于客车经过的地域室外参数差别较大,这就要求其空气调节系统的调节性能好,以利于适应不同的工况要求。
6)空调系统的工作条件差
高速客车空调系统的空气处理装置置于野外高速行驶的运动载体上,经常处于不稳定的环境条件下工作,列车本身的振动和与车轨的撞击会给其空调系统的运行带来很大的负面影响。
综合以上条件可以看出,高速客车对空调系统有较高的要求,因此,必须针对高速客车实际的运行工作条件研制设计相应的空气调节系统。针对高速铁路客车对空调系统的新的、更高的要求,本文提出了诱导空调系统在高速客车上应用。
3 全空气诱导空调系统在高速客车上的应用分析
按照诱导器内是否设置盘管,诱导空调系统可以分为两种类别:“空气-水”诱导器系统和全空气诱导器系统。“空气-水”诱导器系统的一部分夏季室内冷负荷由空气负担,另一部分由水(通过二次盘管加热或冷却二次风)负担。但是由于此种系统内部结构较复杂,一旦损坏维修量大,且占用空间大,同时需要一套单独的水系统,所以不适于高速客车的要求。在高速客车上采用的是另一种诱导空调系统——全空气诱导空调系统。
采用全空气诱导空调系统时,车内所需的冷负荷全部由空气(一次风)负担。这种诱导器不带二次冷却盘管,实际是一个特殊的送风装置,能够诱导一定数量的室内空气,达到增加送风量和减少送风温差的作用,有时也可以在诱导器内部装置电加热器以适应室内负荷变动的需要。
全空气诱导空调系统在客车上工作过程是:一次风(车外空气经过处理由风机送入车内)进入到诱导器的静压箱,经喷嘴高速喷出。由于高速喷射气流的引射作用使得车内的空气(二次风)被诱导到诱导器中,在混合箱中与一次风充分混合,然后经出风口送入到车内[3]。
全空气诱导空调系统特别适用于高速客车,与高速客车对空调系统的特殊要求相对照可以看出,全空气诱导空调系统具有以下优点:
节省车厢内的空间 高速客车由于其独特的设计结构,对于空间要求极为严格,空调占用的车厢空间应尽可能的小。由于诱导器系统空气处理设备的送风量仅为一次风量,因而风量小,使得系统处理设备及风道截面也较小,与以往的集中式空调系统相比,较好的解决了风道安装空间狭小的矛盾。且诱导器在车内布置灵活,能适应各种车型的需要。
2)提高车厢内的空气品质及人体的舒适性
由于高速客车密闭性高,运行时间长,所以对车厢内的舒适性及空气品质要求较高。而全空气诱导空调系统送风温差较小,送风量大,新风量充足,人体的舒适感和室内的空气品质较高。另外,在软硬座客车中,常用的顶送风空调系统气流直接吹向旅客头部,这样,在冬季会使旅客感觉头晕、不适,而夏季冷风先吹头部也容易使人感冒。而诱导器通常安装在客车车窗下部,不会对人体直吹,而且从送风口出来的气流沿车窗贴附流动到车顶部,在横断面方向形成环流,使旅客居留区处于空气的回流区内,大大提高了舒适度;并且由于新风量大,人体的舒适感也会明显提高。而对于软硬卧客车来讲,由于一般是两层或三层卧铺,车内空间有限,如采用大风道通风系统,冷风会直接从顶部吹到上铺旅客身上,人体的舒适感较差;而采用全空气诱导空调系统,风道布置于车厢下部,而诱导器布置于车窗下部,不会造成直吹,这样会大大提高车厢内人体的舒适度。
系统的稳定性与可靠性高 高速客车由于停站间隔较长,且由于列车高速行驶,工作条件恶劣,要求空调的稳定性与可靠性较高。诱导器空调系统的运转部件远远少于其他空调系统,这对于稳定性与可靠性都要求很高的高速列车来讲无疑是一个很大的优势;而且由于系统需要处理的风量变少了,这样,空气处理设备的使用寿命会大大提高,同时也就降低了空气处理设备的损坏率,为高速列车在恶劣工作环境下正常运行提供了保证。
转贴于 4)设备安装位置低
高速客车由于速度快,为了保证车身平稳及运行安全,要求车体的重心尽可能低。相比于顶置式空调系统来说,全空气诱导空调系统采用下部送风,空调机组可以安装在车下,且诱导器安装于车厢下部,从而降低了车体重心。
5)系统适用范围大,并可以单独调节
铁路客车由于经过的区域范围大,外部环境差别非常明显,因此要求空调系统能根据情况,及时调整。诱导空调系统可以在诱导器内装置电加热器以适应车内负荷变化的需要。当车内负荷变化时,可以通过开启电加热装置进行适应调整,使得系统的工况调节范围变大,更好的保证车内空气参数。同时,在每个诱导器入口处可以设置锥形调节阀,以实现包间内系统的单独调节[4]。
6)诱导器通常安装于车窗下部,这样,冬季由于热风首先接触玻璃窗,可以解决窗口由于温度低而产生凝结水和结霜问题。
综上所述可以看出,诱导空调系统是一种非常适用于高速铁路客车的空调形式,但是,其也存在着一些缺点需要进行改进。
4 高速铁路客车诱导空调系统的改进
4.1诱导空调系统存在的缺点
虽然全空气诱导空调系统非常适合于高速铁路客车的要求,但是它还存在着以下缺点需要加以改进:
新风比大,风机压头高,致使系统的能量消耗大。 系统的噪声较大,会造成噪声污染,影响车内的舒适度。 春秋过渡季节无法充分利用室外新风,系统冷量消耗大。 4.2诱导空调系统的改进措施
针对以上存在的缺点,可以采用以下措施加以克服:
集中排风,设置能量回收装置 根据文献[5],可以设置集中排风装置,并在排风与新风管道系统设置全热交换器,以利于回收排风冷量,降低系统能量消耗。
采取消声措施,降低系统噪声 为了降低系统噪声,在风机的出口管路设置消声静压箱,以降低风机噪声;在诱导器内部的静压箱内壁以及混合箱内壁贴高频吸声材料,以消除喷射噪声。由于诱导器噪声主要是由于喷嘴气流速度太大而引起噪声,因此可以通过增加喷嘴数量,增大喷嘴面积,降低喷嘴的气流速度来降低喷嘴喷射噪声。
设置旁通风道,充分利用自然冷量 为了在春秋季节充分利用室外新风,可以在空调包间的送风支管上设置旁通风道,使过渡季节的室外新风不经过静压箱和喷嘴而直接进入室内,这样,既节约了冷量,又提高了空气品质。
5 结语
本文对诱导器的基本原理及特点进行了简单介绍,针对高速铁路客车进行了全空气诱导空调系统的适用性分析,并对其某些缺点采取了改进措施。诱导空调系统在高速列车上的应用目前在国内尚无研究,而在国外已经进行了多项研究并部分投入使用。随着我国高速铁路客车的发展,诱导空调系统由于其对高速客车的良好适用性定将渐受重视。
参考文献
1 俞展猷. 国外高速列车发展简述与我国提速列车试验的回顾, 铁道机车车辆, 1999,(3):1~6
2 郭荣生. 国外高速旅客列车发展概况,国外铁道车辆,1991,(1):7~11
3 赵荣义范存养等. 空气调节(第三版),中国建筑工业出版社,1994
4 杨晚生. 客车空调静压均匀送风道的性能研究及诱导器的研制:[硕士论文].青岛:青岛建筑工程学院,2002
关键词:高速客车诱导空调
1国内外铁路客车及其空调系统的发展
中国铁路拥有十分辉煌的过去。然而,随着中国航空业的重组和大量高速公路的修建,航空运输和长途公路运输开始兴起,到1996年,中国的公路客运量甚至超过了铁路客运量。从1997年开始,中国铁路开始进行全国性的铁路提速。此后中国铁路经过了几次提速,到2003年客车最高运行时速已经达到了200公里以上。[1]
在国外,高速铁路客车发展非常迅猛。例如,法国的高速铁路技术是一种比较成熟的技术,高速铁路(TGV)(TrainaGrandeVitesse法文超高速列车之意)已达到每小时513公里的实验速度。而日本也正在开发"21世纪之星"高速列车,这种列车除时速达350公里的超高速外,在性能上较以往有大幅度的提高,还具有乘坐舒适和车内安静的特点[2]。德国将磁悬浮列车作为未来的新型交通工具,几年内这种列车最高时速将达到400公里。
国内外高速铁路客车的发展告诉我们,铁路即将进入一个高速时代。为适应铁路高速化的要求,必须对现有的空调系统进行改进或提出新的空调理念。
2铁路高速化对客车空调装置提出的挑战
与普通空调客车相比,高速空调客车无论是速度还是设计结构都有较大区别,因此只有针对高速客车的实际情况设计研制适宜的空气调节系统,才能保证客车内达到所要求的空气参数和空气品质,为旅客提供舒适的旅行环境。
针对高速客车的运行特点对其空调系统提出了如下要求:
1)空调设备的安装位置要求降低
高速客车由于其速度快(一般都在200km/h以上),为了保证行车的安全并且为了提高运行的平稳性,其辅助设备(包括空调系统)及车体重心位置必须降低,以利于整车重心的降低。
2)空调系统的运转部件要求少
高速客车由于其停站间隔长,同时维护正常运营的人员少,因此必须保证其空气调节系统具有较高的稳定性和可靠性,这就要求高速客车空气调节系统的运转部件尽可能减少,以降低事故率,易于维护管理。
3)空调装置的安装空间要求小
高速客车由于其独特的设计结构(车体一般采用流线型优化设计),给其空气调节系统设备预留的安装空间较小,因此,只有针对其预留空间的结构特点设计研制合适的空气调节系统,才能满足车内的空气参数设计要求。
4)空调系统的运行品质要求高
高速客车由于其速度快,车厢的气密性高,车内人员较密集,同时客车运行时间比较长,因此对车内的空气品质要求高,否则旅客极易产生疲劳、恶心、乏力等不适症状。
5)空调系统的调节性能要求好
高速客车中一般都将整个车厢分割为若干个小包间,要求每个包间内都能够方便的单独调节每个包间内的空气参数,而且由于客车经过的地域室外参数差别较大,这就要求其空气调节系统的调节性能好,以利于适应不同的工况要求。
6)空调系统的工作条件差
高速客车空调系统的空气处理装置置于野外高速行驶的运动载体上,经常处于不稳定的环境条件下工作,列车本身的振动和与车轨的撞击会给其空调系统的运行带来很大的负面影响。
综合以上条件可以看出,高速客车对空调系统有较高的要求,因此,必须针对高速客车实际的运行工作条件研制设计相应的空气调节系统。针对高速铁路客车对空调系统的新的、更高的要求,本文提出了诱导空调系统在高速客车上应用。
3全空气诱导空调系统在高速客车上的应用分析
按照诱导器内是否设置盘管,诱导空调系统可以分为两种类别:“空气-水”诱导器系统和全空气诱导器系统。“空气-水”诱导器系统的一部分夏季室内冷负荷由空气负担,另一部分由水(通过二次盘管加热或冷却二次风)负担。但是由于此种系统内部结构较复杂,一旦损坏维修量大,且占用空间大,同时需要一套单独的水系统,所以不适于高速客车的要求。在高速客车上采用的是另一种诱导空调系统——全空气诱导空调系统。
采用全空气诱导空调系统时,车内所需的冷负荷全部由空气(一次风)负担。这种诱导器不带二次冷却盘管,实际是一个特殊的送风装置,能够诱导一定数量的室内空气,达到增加送风量和减少送风温差的作用,有时也可以在诱导器内部装置电加热器以适应室内负荷变动的需要。
全空气诱导空调系统在客车上工作过程是:一次风(车外空气经过处理由风机送入车内)进入到诱导器的静压箱,经喷嘴高速喷出。由于高速喷射气流的引射作用使得车内的空气(二次风)被诱导到诱导器中,在混合箱中与一次风充分混合,然后经出风口送入到车内[3]。
全空气诱导空调系统特别适用于高速客车,与高速客车对空调系统的特殊要求相对照可以看出,全空气诱导空调系统具有以下优点:
节省车厢内的空间
高速客车由于其独特的设计结构,对于空间要求极为严格,空调占用的车厢空间应尽可能的小。由于诱导器系统空气处理设备的送风量仅为一次风量,因而风量小,使得系统处理设备及风道截面也较小,与以往的集中式空调系统相比,较好的解决了风道安装空间狭小的矛盾。且诱导器在车内布置灵活,能适应各种车型的需要。
2)提高车厢内的空气品质及人体的舒适性
由于高速客车密闭性高,运行时间长,所以对车厢内的舒适性及空气品质要求较高。而全空气诱导空调系统送风温差较小,送风量大,新风量充足,人体的舒适感和室内的空气品质较高。另外,在软硬座客车中,常用的顶送风空调系统气流直接吹向旅客头部,这样,在冬季会使旅客感觉头晕、不适,而夏季冷风先吹头部也容易使人感冒。而诱导器通常安装在客车车窗下部,不会对人体直吹,而且从送风口出来的气流沿车窗贴附流动到车顶部,在横断面方向形成环流,使旅客居留区处于空气的回流区内,大大提高了舒适度;并且由于新风量大,人体的舒适感也会明显提高。而对于软硬卧客车来讲,由于一般是两层或三层卧铺,车内空间有限,如采用大风道通风系统,冷风会直接从顶部吹到上铺旅客身上,人体的舒适感较差;而采用全空气诱导空调系统,风道布置于车厢下部,而诱导器布置于车窗下部,不会造成直吹,这样会大大提高车厢内人体的舒适度。
系统的稳定性与可靠性高
高速客车由于停站间隔较长,且由于列车高速行驶,工作条件恶劣,要求空调的稳定性与可靠性较高。诱导器空调系统的运转部件远远少于其他空调系统,这对于稳定性与可靠性都要求很高的高速列车来讲无疑是一个很大的优势;而且由于系统需要处理的风量变少了,这样,空气处理设备的使用寿命会大大提高,同时也就降低了空气处理设备的损坏率,为高速列车在恶劣工作环境下正常运行提供了保证。
4)设备安装位置低
高速客车由于速度快,为了保证车身平稳及运行安全,要求车体的重心尽可能低。相比于顶置式空调系统来说,全空气诱导空调系统采用下部送风,空调机组可以安装在车下,且诱导器安装于车厢下部,从而降低了车体重心。
5)系统适用范围大,并可以单独调节
铁路客车由于经过的区域范围大,外部环境差别非常明显,因此要求空调系统能根据情况,及时调整。诱导空调系统可以在诱导器内装置电加热器以适应车内负荷变化的需要。当车内负荷变化时,可以通过开启电加热装置进行适应调整,使得系统的工况调节范围变大,更好的保证车内空气参数。同时,在每个诱导器入口处可以设置锥形调节阀,以实现包间内系统的单独调节[4]。
6)诱导器通常安装于车窗下部,这样,冬季由于热风首先接触玻璃窗,可以解决窗口由于温度低而产生凝结水和结霜问题。
综上所述可以看出,诱导空调系统是一种非常适用于高速铁路客车的空调形式,但是,其也存在着一些缺点需要进行改进。
4高速铁路客车诱导空调系统的改进
4.1诱导空调系统存在的缺点
虽然全空气诱导空调系统非常适合于高速铁路客车的要求,但是它还存在着以下缺点需要加以改进:
新风比大,风机压头高,致使系统的能量消耗大。
系统的噪声较大,会造成噪声污染,影响车内的舒适度。
春秋过渡季节无法充分利用室外新风,系统冷量消耗大。
4.2诱导空调系统的改进措施
针对以上存在的缺点,可以采用以下措施加以克服:
集中排风,设置能量回收装置
根据文献[5],可以设置集中排风装置,并在排风与新风管道系统设置全热交换器,以利于回收排风冷量,降低系统能量消耗。
采取消声措施,降低系统噪声
为了降低系统噪声,在风机的出口管路设置消声静压箱,以降低风机噪声;在诱导器内部的静压箱内壁以及混合箱内壁贴高频吸声材料,以消除喷射噪声。由于诱导器噪声主要是由于喷嘴气流速度太大而引起噪声,因此可以通过增加喷嘴数量,增大喷嘴面积,降低喷嘴的气流速度来降低喷嘴喷射噪声。
设置旁通风道,充分利用自然冷量
为了在春秋季节充分利用室外新风,可以在空调包间的送风支管上设置旁通风道,使过渡季节的室外新风不经过静压箱和喷嘴而直接进入室内,这样,既节约了冷量,又提高了空气品质。
5结语
本文对诱导器的基本原理及特点进行了简单介绍,针对高速铁路客车进行了全空气诱导空调系统的适用性分析,并对其某些缺点采取了改进措施。诱导空调系统在高速列车上的应用目前在国内尚无研究,而在国外已经进行了多项研究并部分投入使用。随着我国高速铁路客车的发展,诱导空调系统由于其对高速客车的良好适用性定将渐受重视。
参考文献:
1俞展猷.国外高速列车发展简述与我国提速列车试验的回顾,铁道机车车辆,1999,(3):1~6
2郭荣生.国外高速旅客列车发展概况,国外铁道车辆,1991,(1):7~11
3赵荣义范存养等.空气调节(第三版),中国建筑工业出版社,1994
关键词:顶管技术;市政工程;应用;施工工序
中图分类号:TU99 文献标识码:A 文章编号:
地下管网是城市基础设施的重要组成部分,日夜肩负着传送信息和能量的重要任务。为城市处理污水的系统、自来水、煤气、电力和通讯设施等等都属于地下管网之内,要对上述市政设施进行改建、新建、扩建,需要工程技术人员进行安全的管道安装。传统的挖槽埋管地下管线施工技术由于对地面交通影响较大,使本来就拥挤繁忙的城市交通如同雪上加霜,同时给市民工作、生活带来许多不便。市政工程如何使这些安装工程对城市的影响减至最小,如何尽可能减少对人们日常生活的影响。已经成了一个迫切解决的问题。
非开挖技术将完全能解决这些难题,提供安全及经济的施工方法。非开挖技术是指利用少开挖和不开挖技术来进行地下管线的铺设或更换的工艺。顶管技术就是在这种情况下发展起来的一种非开挖技术,其在国外已广泛使用,在国内也已逐渐普及。随着顶管技术在市政工程的广泛运用,本论文主要讨论在顶管作业施工过程中出现了一些具体的技术问题,值得施工技术人员重视,并以此和同行共享。
1 顶管施工的特点
顶管法又称为非开挖管道敷设技术,它具有不需要开挖面层,就能穿越地面构筑物和地下管线吸公路、铁路、河道的特点,相比开挖敷设技术,投资和工期将大大节省。概括起来,顶管施工技术具有几大方面的优点:施工面由线缩成点,占地面积小;地面活动不受施工影响,对交通干扰小;噪音和震动低,城市中施工对居民生活环境干扰小,不影响现有管线及构筑物的使用;可以在很深的地下或水下敷设管道,可以安全穿越铁路、公路、河流、建筑物,减少沿线的拆迁工作量,降低工程造价。
2 顶管技术施工应用分析
2.1 顶进管的选择
顶进管一般选用钢筋砼管,如没有腐蚀要求可选用钢管。钢筋砼管的规格设计、配筋和应力验算应遵守有关钢筋砼的标准和技术规程,特别是有关钢筋砼管的标准和技术规程。
①顶进管直径的选择:顶进管的直径选择是首先根据工程性质、工程需要确定内径,根据顶进管所受荷载确定砼管的配筋及壁厚,进而确定外径。因为顶管工程工作面上需要配备挖土工人,所以一般管内径不小于500mm;
②顶进管长度的选择:顶进管的长度对顶管过程的可控性和经济性有很大的影响。在直线推顶的情况下使用长管可以减少装管的次数,取得良好的效果,但随着管长度的增长,如果偏离原定的路线,使之恢复正确路线要比使用短管更加困难。建造顶压坑时顶压坑的长度也要增大,挖坑、支护、回填、修复的费用将相应地增加。一般情况下,管长度须相对于管径来衡量,当L/D外≤1.10时,为短管;当L/D外=1.15时,为标准管;当IJD外≥2.10时为长管。
2.2 顶管施工的前期准备
①现场平面布置:平面总体布置包括起重设备、自动控制室、料具间、管片堆场、拌浆棚及拌浆材料堆场、注水系统、弃土坑的布置等。始发工作井内安装发射架、顶管机、前顶铁、主推千斤顶、反力架等顶进设备,工作井边侧设置下井扶梯供施工人员上下;
②顶管机进、出洞处以及后靠土体加固:为确保顶管机出洞的绝对安全,需对后靠土体及进、出洞区域土体进行高压旋喷桩加固。为防止顶管机进、出预留洞导致泥水流失,并确保在顶进过程中压注的触变泥浆不流失,必须在工作井安装止水装置。
2.3 顶管施工的工艺
2.3.1 顶管井的设计
顶管井分工作井与接收井两种,顶管井的建造结构有很多种类,一般使用钢筋混凝土结构。工作井的结构形式通常有单孔井和单排孔井。前者形状有圆形、正方形、矩形等,后者则大多为矩形,它们的结构受力性能由高至低依次为圆形一正方形一矩形。
2.3.2 顶管施工工序
①穿墙:打开穿墙闷板将工具管顶出井外,并安装穿墙止水装置,主要技术施工措施
1)穿墙管内填夯压密实的纸筋粘土或低强度水泥粘土拌和土,以起到临时性阻水挡土作用;
2)为确保穿墙孔外侧一定范围内土体基本稳定并有足够强度,工作井工具管穿墙前,对穿墙管外侧采取注浆固结措施;
3)穿墙前对可能出现的问题进行分析并制定相应处理措施;
4)闷板开启后迅速推进工具管,同时做好穿墙止水,本工程采用止水法兰加压板,中间安入20mm厚的天然优质橡胶止水板环,要求具有较高的拉伸率和耐磨性,借助管道顶进带动安装好的橡胶板形成逆向止水装置,应防止因穿墙管外侧的土体暴露时间过长而产生扰动流变。
②顶管出洞:顶管出洞是顶管作业中一个很值得注意的问题,顶管出洞,即顶管机和第一节管子从工作井中破出洞口封门进入土中。开始正常顶管前的过程,是顶管技术中的关键工序,也是容易发生事故的工序。为防止管线出现偏斜,应采取工具管调零,在工具管下的井壁上加设支撑,若发现下跌立即用主顶油缸进行纠偏,工具管出洞前预先设定一个初始角弥补下跌等措施。
③注浆减阻:在顶管施工中还有一个重要的技术措施就是通过压注触变泥浆填充管道周围的空隙,形成一道泥浆保护套,起到支撑地层,减少地面沉降,减少顶进阻力的作用。在施工中,首先对顶管机头尾部压浆,并要与顶进工作同步,然后在中续间和混凝土管道的适当位置进行跟踪补浆,以补充在顶进中的泥浆损失。注浆工序一般多应用于长距离顶管施工中。
④顶管纠偏:纠偏是指机头偏离设计轴线后,利用设置在后部的纠偏千斤顶组,改变机头端面的方向,减少偏差,使管道沿设计轴线顶迸。顶进纠偏是采用调整4台纠偏千斤顶组方法,进行纠偏操作,若管道偏左则千斤顶采用左伸右缩,反之亦然。
3 膨润土悬浮液在疏松土层中的应用
在无粘性的疏松土层中以及在粘性很小的土壤中,例如在砂砾土中,若不采取其它辅助措施,土层由于本身极不稳定,以致在刃脚推进之后立刻就会坍落在管壁上。所以对这类土壤来说,膨润土悬浮液的支承作用尤其具有重要意义。为了起到这种支承作用,先决条件是要尽可能准确地掌握膨润土悬浮漓在砂砾上中的特性。膨润上悬浮液将渗人土层的孔隙内,充满孔隙,并继续在其中流动。流速取决于孔隙的横断面与悬浮液的流变特性。因此为了在同样的压浆压力下达刭相同的渗入深度,在孔隙横断面很小的细粒土层中便需要低流限的悬浮液,面孔隙横断面较大的粒粒土层则需要高流限的悬浮液。在克服流动阻力的过程中,压浆压力随着渗入深度的增加而成比例地衰减,所以相应每一种压浆压力,都有一个完全确定的渗入深度。
尽管就某种场合来说,随着管子的推进同时在管子整个圆周上和管路全部长度上均匀地压浆证明是相宜的,而在另一些场合下,正确的方法则又可能是分段压浆。例如现已得知,在管子下半部,膨润土在顶进过程中比静止状态下更容易流出,而上半部的压浆则是在管路静止的情况下更容易进行。因此最好是将管子下半都的注浆孔和上半部的注浆孔分别组合起来。这种半侧压出韵原因在于,静止状态的管道以其全部很大的重量沉落于底部。这样便在管道的顶部形成了小空隙,或者至少是形成了一个压力较低的区域。因而在这种状态下,膨澜土在管顶处比在管底部更容易流出。反之,在顶压力和浮力同时作用下,管道有向上拱起的倾向。这时管道离地升起,于是管底下方便形成了一个低压区,致使膨润土更加容易渗入其中并均匀地散开。
4 顶进管在膨润土悬浮浪中受到的浮力
只要顶进管在整个圆周上被膨润土悬浮液所包围,浮力定律便对它有效,即使悬浮液层的厚度很小也同样如此。在钢筋混凝土管情况下,浮力均为管子自重的1.4倍。这样,只要通过正确地压人膨润土悬浮液,从而在土层中围绕顶进管形成一个支承环带,并保持悬浮液压力等于土压力,于是管子就会在膨润土悬浮液中漂浮起来。为此必需的前提在于悬浮液应是液体状态的,亦即呈现为表观流限相应较低的溶胶状态。在悬浮液的膨润土含量低到接近运动状态下的稳定极限时,这个条件便能得到满足。浮力可使管外璧摩阻力减小,因为管底部由于自重产生的法向力减少了。这一效果首先会对大直径管子的长距离推顶产生有利的影响
5 结语
顶管设计在市政工程中,特别是深覆土大管径的管道工程和交通繁忙的城市主干道改造工程设计中显得尤为重要。在特定工程条件下,相对与开槽埋管更具优越性。时代要前进,城市要发展。市政设施配套完善,地下各种管道建设将会大量增加,顶管设计和施工也会增多。管径加大,长度加长,有直有曲,种类繁多,这将是今后大城市顶管施工的发展趋势。因此,我们要重视这个良机,进一步地完善和提高我们的顶管设计和施工技术,使之综合施工技术达到国际水平。
[参考文献]:
土木建筑施工领域是我国各行业中事故多发,因工致病、致残、致死较多的高危行业。国家安监总局统计数据分析显示,2009年,建筑施工坍塌坠落较大以上事故多发,因施救不当造成的重大、较大事故时有发生,包括非金属矿、尾矿库、隧道施工、铁路交通等行业较大涉险事故时有发生,安全生产形势不容乐观。可见,土木建筑施工安全技术与工程是目前需要重点研究和建设的重要方向。2002年,石家庄铁道大学(以下简称“我校”)在国内率先开设并确立了以土木施工安全技术为特色的土木安全工程专业发展方向,依托我校具有丰富的办学经验、雄厚的师资力量和良好的教学条件的国家特色专业——土木工程专业,为安全工程专业的建设和发展构筑了坚实的办学平台。
安全学科是理、工、文、法、管、医等学科的新兴、综合、交叉学科,土木工程也涵盖了建筑工程、交通土建、地下工程等近十个专业。因而,土木安全技术与工程要求学生应掌握的专业基础知识非常广泛,不但要求学生具备传统安全工程专业教学培养模式中最基本的“懂技术、会管理”,而且要求具备土木安全工程的实践技能,即综合性强、专业性强、实践性强的安全技术人才。由此可见,土木安全工程专业培养过程中实践的重要性,必须贯彻以实践教学为核心的办学理念。
伴随着现代化实践教学方法在高等院校专业教学领域中日渐广泛的运用,安全工程专业实践教学模式也开始萌生、发育与发展,并显示出强大的生命力,在土木安全工程人才培养方面发挥了不可替代的作用。
一、实践教学的特色办学理念
实践教学是指在整个教学过程中,学生通过参加一定的实践活动,把知识运用于实践的教学环节。通常,实践教学是为配合理论教学培养学生分析和解决问题的能力,加强专业训练和锻炼学生实践能力而设置的教学环节。
在高等教育强调重基础、淡专业、宽口径的培养模式下,安全工程的教学培养体系中,学生四年中大部分时间在学习公共基础课、人文社科类课程。同时,安全专业要求必须开设的安全类基础课和平台课也需要大量理论学时,由于受到本科教育年限和总学时的限制,特色专业技术类课程学时安排非常紧张,很多对于学生毕业后在实际工作中非常实用和现场特别紧缺的技术课程无法开设,课程设置困难,顾此失彼,课时捉襟见肘。
安全科学的交叉性造成了学生需要几乎所有科学的相关知识基础。在教学课时极为有限的条件下,专业课程设置受到限制,而且相应的专业基础、技术基础、实践环节、课程设计等内容无法跟上,违反了教学规律,学生学习后达不到希望的效果。[3]
为了解决这一问题,在土木安全工程培养模式中,确立了以实践教学为特色的办学理念。将实践教学模式贯穿课堂、专业课程实验、专业课程设计、实习环节、毕业论文以及课外活动之中。在教学中培养学生的实践能力,加大实践教学比重,抓基础、重实践,理论与实践相结合,以实践促进对理论的学习兴趣和学习效率。通过实践教学,在学习中对学生的科学思维方法、工程实践能力和创新意识进行实战性演习。
二、实践教学模式的建设与应用
如何在利用好学校现有资源的基础上,加大对土木安全工程专业的实践教学的改革与实践,建立更为“接近土木施工现场安全”的实践教学培养模式,是摆在我校安全工程系面前的一个亟待解决的客观问题。而且只有改革实践教学环节,才能更好地适应国家高等教育体制改革,才能办出特色,专业才能得以更好地生存与发展。经过不断探索,总结出以实践为特色的土木安全工程教学模式的建立,需要重点抓好课堂教学实践、课程设计实践、实习环节实践和毕业设计实践四个关键模块。
1.课堂教学以实践为导向
贯彻实践教学特色理念,首先是把以实践教学为核心的办学思想融入课堂教学。安全工程通过生产活动中各种事故分析为途径,应用自然科学技术和管理科学知识,识别和预测生产生活中存在的不安全因素,分析事故发生的原因和机理,并采取有效控制措施防止事故发生,这一科学技术知识体系是一门实践性、经验性非常强的工程学科。
在教学中,结合安全工程专业“安全管理学”、“安全学原理”等部分较为抽象的课程,教师采用计算机辅助教学,运用多媒体电子课件、图文影像纪录片、事故案例分析教学、事故情境模拟等方式进行授课,引导学生通过对事故分析、企业安全管理方法学习和考察等实践性活动,加强对事故理论和现代安全管理思想理念的掌握,建立和运用实践教学思想,吸引学生将精力集中到课堂教学内容之中,有效克服安全工程专业理论教学枯燥脱离实际、泛泛空谈、学而无用的被动局面。此外,鼓励学生自导自演DV小品,加强安全意识和安全文化的宣传教育。
在“土木安全工程”、“安全事故分析与处理”、“爆炸安全技术”、“灾害防治理论与技术”等课程中,教师采取动画演示、网络互动视频教学、事故案例分析教学,增加学生对理论学习的感官刺激,培养学习兴趣,引导学生通过对事故分析的实践性活动,加强对土木施工和工程灾害发生的原因、规律和基本原理的消化理解,运用启发式教学,使学生主动式、自主式学习,强调教学的引导与互动,培养学生灵活运用理论知识去观察、分析、解决安全生产问题,从而提高教学效果。
2.课程设计以实践为检验
课程设计是工科学生完成某一课程理论学习之后进行的一次知识综合应用,是课堂学习的一种实践性延伸。在以实践教学为特色的土木安全工程专业培养模式中是一个最基本的集中实践环节。开设安全类及直接相关课程设计的课程包括“安全人机工程”、“安全系统工程”、“土木安全工程”、“应急结构工程”、“消防安全工程”等。
为了使课程设计形成体系,规范实践教学内容和过程,提高教学质量,课程设计大纲中拟定了指导性设计题目和设计方向。在课程设计过程中,学生可以依照自身的兴趣特长,运用所学的知识,自己动手,结合真实或虚拟、简化的生产现场实际,独立地展开设计工作。
“安全人机工程”课程设计让学生就土木工程现场简单施工机械工具和设备的安全可靠性进行分析,按照人机工程学要求对工具结构、尺寸、形状、不同工作环境下使用的安全性、便捷性、作业效率等进行改进和优化,设计、加装、改装安全保护设施、防止事故的报警装置等,培养了学生理论与实践相结合的开拓创新精神,动手能力有了很大提高。
“土木安全工程”课程设计结合路基、桥梁、隧道、轨道结构及施工技术进行,如进行高填深挖路基、深大基坑、岩质高边坡、桥梁加固、隧道支护结构等进行安全稳定分析、对施工提出安全专项方案,还可结合特殊不良地质、病害工程结构物、既有结构改扩建等进行设计。
“应急结构工程”课程设计以我校原铁道兵时期形成并保留下来的国防交通应急工程学科前沿为导向,结合战时铁路和桥梁抢修、抢建及军事交通保障设施、抢险救灾、重载运输、大件吊装、桥梁架设等急难险重工程中的部分简单构件和结构进行简单化、虚拟化、验证性课程设计。
“消防安全工程”课程设计主要对高层民用建筑、地铁、长达隧道等重要结构进行消防设计,包括消火栓、自动喷水灭火、高压给水、消防安全门、紧急电话等设施,提出设计方案及防火安全措施,使学生从设计实践中加深消防安全基础理论知识掌握,提升应用技能。
为了体现土木安全工程实践教学体系中“加强基础,拓宽专业,注重实际,提高素质”的总体思路,加大安全专业学生接触土木工程基础理论知识的深度,除了开设安全工程专业课程外,将土木工程与安全工程部分专业基础课程模块实行交叉,土木工程专业方向的专业基础课程开设给安全工程专业,一方面体现淡化专业方向,使学生的专业适应能力更强,专业口径更宽;另一方面也利用土木工程实践性、综合性、专业性的特点和办学优势条件锻炼强化学生的实践能力,使学生更快掌握和了解土木施工现场最新技术,更好的结合安全专业特点真刀真枪实干,开阔视野、活跃思维,挖掘创造力。
3.实习环节以实践为主线
土木安全工程的实习环节由专业认识实习、生产实习、毕业实习构成,尤其是生产实习和毕业实习对于安全工程专业来说是非常关键的实践训练环节,是学生面向土木施工现场的集中训练和全方位锻炼。目前不少高校由于学生扩招等多方面原因,联系实习单位较为困难,使实习流于形式,严重影响到学生实践能力的培养,然而土木安全工程专业学生由于采取小班招生培养,加上我校与中铁建、中交、中航、等大型企业紧密联系的优势,管理制度上建立了严格的实习环节质量监控措施,学生认识实习、生产实习和毕业实习质量能够得到扎实开展,取得显著的实习效果。
专业认识实习借助石家庄周边条件和工、矿企业建立长期合作的实习基地,内容包括危化、矿山、土木、铁路、电力、消防等方面,使学生对本专业性质、内容及其重要地位有所认识。如深入河北卫星化工厂雷管生产车间,学习参观危险化学品、爆炸器材生产、重大危险源监控、危险有害因素,炸药雷管等火工品库的主要防雷和防静电措施等;参观井陉、元氏等周边矿山企业,了解矿山开采、危险有害因素,通风系统、排水系统、供电系统、提升运输系统的危险有害因素的辨识,以及各种安全管理措施、各种安全规章制度。结合石太、京石、石武等周边项目参观土木施工现场,初步使学生了解土木施工安全技术、文化、管理制度、职业卫生等土木安全的有关知识,了解土木施工工地存在的主要危险有害因素、防护措施等。
土木安全工程专业生产实习是在修完专业技术基础课与大部分主干专业课的基础上进行的,是安全技术理论与实际相结合,巩固、加深所学知识,提高生产安全技术应用技能和管理能力的重要环节,实习过程中学生吃住在施工现场,跟班生产实践。为了挖掘学生用脑思维、用眼观察、动手操作的潜力,我们提出目标-调研-发现-讨论-论证“1+4”实践教学模式。
由于施工现场安全是复杂的系统,人员、机械、设备、作业场所等均处于不断流动变化中,交叉作业多,临时工程多,安全隐患多,包括生产和施工技术安全、加工机具安全、供配电及临时用电安全,施工现场布置和材料加工堆放安全、企业安全生产管理组织结构和管理制度、企业安全文化宣传和职工安全教育培训、环境与职业安全健康管理体系及工伤保险等,为了提高实习针对性和深入程度,参加实习的学生自愿报名,按照特点和兴趣划分实习小组,划定生产实习中主要考察、学习、研究的主要方向,帮助施工单位发现问题、分析原因,提出切实可行的安全生产解决方案建议。
“1+4”实践教学模式的“1”即是指实习指导教师在生产实习开始提出实习目标,“4”即结合选定方向深入项目部和施工现场展开调研,针对发现的安全隐患和问题进行小组讨论。实习结束前,在教师指导下进行小组答辩,实习学生对问题和解决方案的可行性展开论证。这种实习模式在实际应用中取得了学生和单位的一致认可,能够以具体的实战演练代替抽象的理论说教,学生普遍感到安全专业知识实用性强,改变了以往那种对安全专业内容空洞乏味、泛泛空谈的偏见和错误看法,同时也受到了施工企业的普遍欢迎,收到了良好的实践效果和社会效益。
毕业实习在毕业设计(论文)的阶段,收集、调研与毕业设计有关的现场数据资料,为毕业设计顺利进行做好基础性准备工作。主要是结合具体指导教师的毕业设计(论文)方向安排,多数结合教师科研项目。如隧道施工安全监测、施工安全评价,土石方工程爆破振动控制测试与监控等进行安排。
4.毕业设计以实践为核心
毕业设计是高等教育培养计划方案中最后一个重要的实践教学环节。在实践教学体系中,我们将毕业设计的选题贴近土木施工安全生产工作实际,学生通过自己的分析、思辨、实践,在走向工作岗位之前进行一次安全工程专业知识的综合应用与业务能力的全面凝练提升。
毕业设计题目设置要求每位指导教师尽可能结合科研课题、合作项目以及技术服务项目进行题目申报,教学虚拟题目必须由具有原型依托的企事业单位安排毕业实习,由系主任和学院对题目进行审批和把关,侧重以实践为核心。毕业设计环节已经连续完成4届,每年更新毕业设计题目,基本方向涵盖了土石方工程爆破安全设计、高速铁路路基施工危险源辨识与监测、预应力混凝土连续梁桥施工安全设计与风险管理、隧道施工安全监控、深基坑工程施工风险分析、施工现场安全管理、职业安全卫生体系、人工神经网络与模糊综合安全评价、特殊地质隧道施工安全技术、地铁盾构隧道施工安全与质量控制、病害隧道安全状态评估与整治、高层建筑消防安全设计、施工现场应急响应与救援等方面。
在每届毕业生开始毕业设计的前一学期,通过讲座方式,组织每一位指导教师向学生介绍所指导的毕业设计题目、选题要求和特色,让学生做好正式选题前的准备工作。所有题目网上申报,网上选题系统可以实现学生和指导教师的双向选择,有利于充分发挥每个学生的个性特征和兴趣爱好,同时也鼓励土木工程专业学生跨专业选报,以实现学生知识结构体系的优势互补。
毕业设计过程中,学生在指导教师安排下,协调实习企业单位展开毕业设计工作。如将隧道施工安全分析小组的学生派驻天衡山隧道工程现场,对在建隧道进行施工过程跟踪和安全监测,现场调研施工危险源并提出解决措施和对策。机电设备安全管理分析小组的学生走进英科特(宁波)机电设备有限公司进行驻厂考察,对企业生产工艺、危险化学品和安全管理进行现状评价等。
以实践为核心,校企联合的新型指导模式是土木安全工程实践教学的大胆改革与创新。新举措推行的过程中,我们意识到培养土木安全工程领域高级应用型人才,必须强调与工程一线和生产一线的实际相结合,促使指导教师真正在指导学生毕业设计上下工夫,炼内功。无形中给每位指导教师施加了压力,增强了责任,提升了毕业设计质量,锻炼了学生扎实的实践技能。
三、实践教学软环境
实践教学的软环境,包括实践教学理念、教学方法和手段、实践教学管理制度改革、教材建设、课程建设、教学与科研等,是保障实践教学模式顺利推进实施的基本切入点。
安全工程系将实验课程教学作为人才培养过程中十分重要的实践教学环节,以“工程教育回归工程”的教育理念,构建了突出安全工程技术技能培养的完善实践教学体系。高度重视实验教学的地位,将狠抓实践教学、提高人才培养质量列入专业发展规划。
在实践教学中加大投入,通过引进现代化的实验手段和实验技术,实现实验手段的现代化。建立网络教学平台,实现实验教学的网络化。全面开放实验室,建立以学生为中心的开放式实验教学模式和以自主式、合作式、研究式为主的学习模式。对开设的实验课程进行整合,对整合后的实验教学修订教学计划,制定新的教学大纲,理论教学与实验教学统筹协调,建立与理论教学有机结合,以能力培养为核心,规划合理、适用性强,效果良好的实验教学新体系。改革实验考试考核的方法,充分发挥实验考试考核对教学质量的双向调控作用,提高学生自主实验的能力。
加快土木安全工程系列教材建设,从安全工程专业特色出发,开发适合我校特色的专业课程教材或讲义,制定了五年发展规划,编写了《土木施工安全技术》、《爆炸安全技术》、《隧道施工安全技术与评价》、《安全检测控制原理及应用》、《工程结构安全检测实验指导》等教材,满足了理论和实验教学的需要,下一步重点抓好修订和出版工作。
在课程建设中,借助申报《土木安全工程》省精品课的契机,以评促建,巩固加强实践特色模式在课堂教学的导向作用,同时抓好“两个结合”,即实践教学与工程实际应用紧密结合,实验教学与学生创新创业活动紧密结合:部分实验教学项目选题来源于科研工程实践活动,指导教师也利用实验教学平台,提升教学科研能力。学生通过实践活动从事创业研究、其中1人研究成果已获得专利,实践效果显著,成绩突出。
四、实践教学设施和基地建设
自专业筹建之初,针对如何强化学生的能力培养,如何构建一个完整、科学、合理的实践教学体系就成为重点考虑的问题。通过多方面调研,确立了“建设层次系统化、工程化、开放化实践教学体系”的指导思想。我校安全工程专业的建设目标是培养满足社会需求,能解决土木工程现场实际安全技术问题的人才。因此,实验室建设也围绕如何通过实验教学,使学生进一步加深对理论知识的理解,了解实际工程中可能存在的具体问题,并学会如何将所学的理论灵活应用于工程实践,逐渐培养自己解决实际问题的能力等。
近几年,我校为了夯实实践特色教学的基础,重点进行了实验室、校内、校外实习基地的建设。在隧道与岩土工程研究所、桥隧施工地质技术研究所、岩土与环境工程研究所、岩土与结构实验中心(省重点实验室)基础上,于2001年~2005年专门筹建爆破实验室、安全工程实验室,实验面积达到200平方米,设备经费为250万元,直接服务安全工程系本科实践教学。此外,学校还建立了仿真实验室,满足了开展安全事故模拟与仿真等课程实践教学的需要。目前,分院正继续努力发展和完善安全实验室的设备投入,加强实验室管理力度,力争使60%以上的专业课程开出相关实验,开出率达到90%以上。
为了拓宽学生接触学科前沿,开阔视野,参与工程技术实践,指导学生充分利用我校拥有的道路与铁道工程安全保障实验室、交通环境与安全工程研究所、大型结构健康诊断与控制研究所、振动与噪声控制实验室等的资源优势,为安全工程专业本科和研究生实践教学服务,形成了递阶层次系统化的实验教学平台。
在实习基地建设上,我们就学校周边条件建立认识实习点,包括石家庄市内高架桥、地道桥等市政建设工地、元氏煤矿、邢台煤矿、井陉矿区、市桥东污水处理厂、河北卫星化工厂、朔黄铁路、京广铁路、石家庄编组站、上安电厂等,生产实习和毕业实习紧跟国家大型基础设施建设,在北京地铁、天津地铁、京石客专、石武客专、石太客专等项目工地与北京城市轨道交通有限公司、中铁隧道局、中铁十二局、中铁十四局、中铁二十局等多家单位建立了实习场所,与房山桥梁厂、河北金安、河北英博等企业公司建立了良好的长期合作关系。保证了我校安全工程专业学生具有充足、优质的校外生产实习与毕业实习场所,为土木安全工程实践特色教学奠定了坚实的基础。
五、结论
【关键词】下穿公路 浅埋隧道施工
中图分类号:U45文献标识码: A
工程概况
福建省莆田至永定(闽粤界)高速公路永春至永定泉州段大鼓山隧道位于安溪县感德镇尾园村,隧道总体走向呈南东-北西向曲线形展布,隧道为上下行分离的四车道分离式隧道,隧道净空均为(宽×高)10.25×5.0m,设计时速80km/h。隧道与县道x339线斜交,夹角62°,隧道下穿县道,埋深16~18m,公路路肩距离隧道洞口最小处不足40m(见图1)。
此县道为安溪县通往龙岩的主要通道,日间有公交线路通行,且为连接后三个标段的唯一通道,业主及相关部门提出公路沉降值要求最大值不得超过30cm。地质情况:主要由残积砂质粘性土及全-强风化花岗岩组成,围岩呈松散结构,且节理、裂隙发育。
二、主要控制措施
大管棚施工
施工图设计采用40m长超前大管棚施工工艺,按照相对位置,大管棚已经深入到县道正下方,如何保证管棚的施工长度和注浆效果是控制公路下沉量和隧道安全开挖的关键。
管棚套拱施工
沿隧道衬砌设计外轮廓线外(考虑拱顶预留沉降量)设60cm厚C25钢架砼套拱,钢架采用3榀I18工字钢,纵向间距75cm,各榀钢架间焊接环向间距为1m的Φ25连接钢筋,套拱纵向长度200cm。施工时为了减少钻孔中钻杆因自重和钻杆刚度下沉带来的孔位下垂,根据施工经验在套拱中沿钻孔方向预埋仰角4°的φ127×4mm孔口管(考虑设计纵坡),用全站仪通过坐标法确定其平面位置,运用坡度尺设定孔口管仰角及外插角。孔口管密贴钢拱架外延焊接牢固,以防止套拱砼施工时产生偏移。
施工机械
超前大管棚钻孔机采用海王星-90B型多功能全液压履带钻机,该钻机最高水平钻进高度3m,主臂垂直360°回转。采用顶驱双作用冲击和回转,将套管和钻杆同时冲击回转钻入软弱围岩,钻孔时采用液压夹持器和大通孔动力头、大扭矩回转钻杆钻进穿孔,既提高了空向精度,也提高了钻孔深度。
管件制作
管棚采用42m长φ108×6mm热轧无缝钢管,环向间距40cm,共40根(图2)。为利于管棚整体受力,相邻钢管的接头应前后错开1m以上,选用节长3m、6m两种长度规格的钢管,钢管接头采用长15cm丝扣连接。钢管周边钻设φ10mm注浆孔,孔间距20cm梅花形布置,管头制作成锥形,尾部4.5m不钻孔(图3)。
图2管棚布置图
图3钢管制作示意图
钻孔
为了保证钢管安装质量,选用直径φ127mm钻头一次成孔。钻机开钻时,应先低速低压钻进,待成孔8m后根据地质情况调整钻速(图4),钻进过程中经常用坡度尺检测钻设角度。认真做好钻进过程的原始记录,并根据岩屑判断地质状况,作为洞身地质预报参考资料,指导洞身开挖施工。
顶管施工
成孔后,采用钻机的大扭矩、大动力头钻进工艺,旋转顶推钢管。钢管接头丝扣连接为满足管棚受力要求,同一横断面内的接头数量不大于50%,将编号为奇数的有孔钢花管的第一节管采用3m钢管,编号为偶数的钢管的第一节管采用6m钢管,以后每节均采用6m长钢管。
注浆
安装好长钢管后即对孔内注浆,注浆参数:
水泥浆水灰比:(0.8~1):1
水玻璃浓度:35波美度,模数2.4
水泥:水玻璃(体积比)1:(1~0.8)
注浆压力:0.5~1.5Mpa,终压2.0Mpa,持压10分钟。
注浆时若压力不符合要求,浆液流失时,采用间歇注浆,间歇时间5~15分钟。也可采用反复注入,稀浆与浓浆交替,压力控制与注入浆液量控制相结合的措施,注浆压力从低到高逐渐加压,确保钻孔周围岩体与钢管周围孔隙填充饱满。
洞顶及县道加固处理(图5)
洞顶加固处理
进洞开挖前沿隧道洞顶公路路肩外1m约40米长范围内,插打长度为15m的两排φ108×8mm有孔钢花管注浆,间距1×2m梅花型布置,外露1m,注浆结束后浇筑90cm高C25抗滑混凝土挡墙封闭成整体。增加钢管的刚度和强度。注浆参数同管棚注浆,应在施工中不断调整,以尽量保证钢管之间浆液充填饱满,形成稳定壳体。
公路加固处理。
此处县道为半填半挖地段,一侧靠近山体,一侧设置约6m高浆砌片石挡土墙,因此,注浆加固路面下方的填方路基可以减少公路的整体沉降,为此,我们采取了下列方案进行县道加固处理
县道外侧浆砌片石挡土墙坡面模筑50cm厚C25混凝土封闭层,增加挡土墙的整体性,并为压浆做准备。
沿挡土墙垂直墙面方向钻设ф42mm小导管注浆加固,长度6m,间距1.2×1.2m梅花形布置。注浆采用32.5R普通硅酸盐水泥净浆,注浆压力0.5Mpa,水灰比用0.5,掺入适量的外加剂,水泥用量应不少于25kg/m,若久注不满,在排除水泥浆液渗入地下或冒出地表等情况外,可采用二次注浆工艺注浆法。
洞内施工控制
洞身开挖采用三台阶加临时仰拱开挖法,施工工艺见图6,为了减小对隧道围岩的扰动,开挖过程中,应选用人工配合小型挖掘设备开挖,严禁采用大挖机开挖。主要施工工艺如下:
1)在上一循环的超前支护下,开挖①部施做①部周边的初期支护:初喷混凝土,铺钢筋网,架立钢架,钻设径向锚杆,复喷混凝土至设计厚度。
2)开挖②-1部施做②-1部初期支护:初喷混凝土,铺钢筋网,架立钢架,钻设径向锚杆,复喷混凝土至设计厚度施做临时仰拱:架设临时横撑A(每2榀初支钢架设一处),铺设钢筋网,并喷混凝土封闭临时仰拱。
3)同②-1部施工工序,开挖支护②-2。
4)开挖③-1部施做③-1部边墙初期支护,既初喷混凝土,铺钢筋网,架立钢架,钻设径向锚杆,复喷混凝土至设计厚度。
5)同③-1部施工工序,开挖③-2,开挖④部施做④部仰拱初期支护,既初喷混凝土,铺钢筋网,架设钢架,复喷混凝土至设计厚度。
6)灌筑部仰拱与边墙基础。待仰拱混凝土初凝后,灌注仰拱填充部至设计高度。
7)根据监控量测结果分析,待初期支护收敛后,利用衬砌模板台车一次性浇注衬砌(拱墙衬砌一次施做)。
三、沉降观察与安全防护
地表沉降观测
在隧道开挖施工开始观测,在隧道开挖到公路下方时,根据量测变化可调整至一天1到3次,待隧道通过公路,施做完二次衬砌且沉降稳定后停止量测。具体测量频率见下图:
路面下沉监控量测方法及频率
项目名称 方法及工具 布置 量测间隔时间
地表下沉量测 水平仪 测点间距5*5m 开挖面距离公路30m至隧道衬砌结束并衬砌稳定
掘进面距公路≥10m 10m>掘进面距公路≥0m 隧道穿越公路时 10m>二衬距公路≥0m
1次/1天 2次/1天 3次/1天 2次/1天
观测点设置
在公路两侧,距离隧道穿过公路轴线的前后二十米的范围内设置监控点,监控点设置间距为5m。监控点设置要求:设点牢固,位置正确,通视性良好。
防护方案
在县道距离洞顶200米处各设置一个警示标志,上写“前方200米为施工地段,请减速慢行”,要求行车速度不大于20公里/小时。沿挡土墙内侧1m处间隔2m设置锥形桶,夜间警示照明设施的灯照方向一律背向县道,并在公路行车方向设置遮挡,避免夜间影响行使车辆。同时安排专人进行24小时值守。
结束语
通过以上方法的运用,使得大鼓山隧道在下穿县道x339线施工中进展顺利,路面下沉累计最大为22cm。保证了公路的畅通和隧道安全施工要求,对今后类似工程具有一定的借鉴作用。
参考文献
[1] 彭立敏, 刘小兵. 交通隧道工程[M]. 湖南长沙:中南大学出版社, 2003.
[2] 章新生. 顺层软弱围岩隧道洞口段施工技术初探[J]. 铁道标准设计,2005(2):74-76.
【关键词】: 基坑工程 围护体系 安全性 施工技术
【 abstract 】 : tianjin ring road construction east seven jingjintang expressway engineering because of deck of deck built, change the original by the way of the north three road section, bridge pier site and retaining wall with the original pipeline road position the conflict, need to present situation of pipe demolished. The engineering line groove dig deep biggest 8.5 m, its engineering site for Ⅱ class environment, groundwater level still buried deep 0.76 ~ 2.20 m, within the scope of the special soil mainly for widely distributed and a thick layer of the larger soft soil, the engineering properties of poor. The thesis of construction of the project, the paper analyses the construction of foundation pit supporting structure security, on the basis of the construction of the foundation pit of the detailed papers, guide the project construction.
【 key words 】 : retaining system safety construction foundation pit engineering technology
中图分类号: TU990.3 文献标识码:A文章编号:
目前,我国基础施工的复杂程度越来越大,其开挖深度已经从最初的几米发展到目前的几十米。但是由于地下土体性质、荷载条件、施工环境的复杂性,以及在施工过程中引发的土体性状、环境、邻近建筑物、地下设施变化造成不连续性,都为基坑施工造成了很多困难,所以对基坑工程的研究势在必行。通过对基坑工程的研究,可以了解基坑在施工过程中的应力应变特征,进而为基坑施工和支、围护设计提供科学依据,使基坑在施工过程中,受力、变形等特性都控制在一个合理的范围内,从而使得人身安全和财产安全得到强有力的保障。
1. 工程概况
环东干道七京津塘高速公路跨线桥工程起于经三路与纬十路交口以北450m处,上跨纬十路、河道、京津塘高速公路、环东干道一,止于环东干道二以北300m处。由于修建环东干道七跨京津塘高速公路的跨线桥,改变原有北侧经三路的道路断面,桥梁墩位及道路挡墙位置与原有管线发生冲突,需对部分现状管线进行拆除。本工程管线沟槽最大挖深8.5m,桥梁4#墩挖深7m,5#、9#、10#墩挖深7.5m。本工程场地环境类型为Ⅱ类,地下水静止水位埋深0.76~2.20m,相当于标高-0.01~2.19m。场区地基土的标准冻结深度为0.60m。场地范围内特殊土主要为广泛分布且层厚较大的软土,工程性质差,其岩土层分布特征如表1所示。
根据设计提供资料,经三路上管线基坑最大挖深8.5m,槽深>4m采用钢桩卡板支撑开槽。为确保工字钢入土深度,先降去一步土,深度2m,然后再进行工字钢插打工作。钢板桩采用Ⅰ40a工字钢,桩长采用13m,入土深度6.5m,间距500mm;采用I50a型工字钢围檩,每隔4m设一道支撑,支撑采用φ180mm钢管,其支护图见图1所示。
2. 支护结构稳定相演算
为确保工程施工的稳定性,根据地质勘察报告、建筑基坑支护技术规范(JGJ120-99)和建筑基坑工程技术规范(YB9258-97)等,进行深基坑支护结构稳定性演算。
2.1支护结构验算参数及计算条件
根据本工程岩土工程勘察资料,各土层的设计计算参数如表2所示。根据环境条件、地下结构及土层分布厚度,本工程基坑分为三个区段,第一区段为经三路上管线工程,最大设计挖深8.5m;第二区段为桥梁4#墩工程;第三区段为桥梁5#、9#、10#墩工程。计算时取最不利经三路上管线开挖,其附加荷载中:地面荷载为20Kpa,设计开挖深度8.5m,降土深度2m,实际开挖深度6.5m、基坑长度436m、基坑宽度9.5m。
按照《建筑基坑支护技术规范》(JGJ120-99)的要求,土压力计算采用朗肯土压力理论,所有土层采用水土合算,因为地下水位充裕,用天然重度代替。求支撑轴力用等值梁法,对净土压力零点求力矩平衡而得。桩长是根据桩端力矩求出,并应满足抗隆起及整体稳定性要求。计算时基坑内外各土层参数均采用加权平均值,由于支护结构内力是随工况变化的,设计时按最不利情况考虑。
表1. 岩土层分布特征
图1. 经三路上管线基坑维护结构图
表2. 土层物理力学参数(坑外)
2.2经三路管线工程支护结构设计与计算
2.2.1支护结构计算
按照朗肯土压力计算理论作为土侧向压力设计的计算依据,计算时,不考虑支护桩体与土体的摩擦作用,且不对主、被动土压力系数进行调整,仅作为安全储备处理。经三路管线工程支护结构受力简图见图2所示。支护体系采用单支点板桩支护,内力计算采用等值梁法。
据净土压力零点处墙前被动土压力强度和墙后主动土压力强度相等的关系,根先求出零点的位置u(该点至基坑底的距离)。由公式t=1.2(u+x)求出桩墙的入土深度。最大弯距在剪力Q=0处,设从B点向下y米处Q=0,计算出板桩的最大弯矩Mmax。
计算土压力,第一阶段挖土深至3.0m,并在此处设支撑,此阶段结构稳定。第二阶段挖至基底,挖土深度6.5m,计算得:
进行零点位置u的计算和支撑力Ra、作为内力的剪力Qb计算如下:
计算桩墙的入土深度t,并求得最大弯矩Mmax有:
进行基坑支护结构的抗倾覆稳定性验算,抗倾覆系数为1.76,大于规范要求的1.2,因此满足要求。进行基坑抗隆起稳定性验算,其安全系数2.90,大于规范要求的1.7,满足要求。进行基坑的抗管涌验算,其水力坡降为0.33小于临界水力坡度0.52,因此抗渗流系数满足要求,按设计要求本工程采用大口井降水。综合以上几种安全控制条件,取入土深度t≧6.499m,桩总长H=6.5+6.499=12.999m,采用13m钢板桩,入土深度6.5m,满足规范要求。
因基坑周围存在道路及管线,为确保安全对变形进行估算。本工程按软弱地层计算最大变形,道路及管线距钢板桩支护2.5m:
图2 经三路管线工程支护结构受力简图
2.2.2 降水设计计算
降水设计为提高降水效果将大口井双排布置,井管下端滤水管埋入含水层内。本工程取50m为一个施工段,最大基坑深度8.5m,沟槽平均宽度9.5m,大口井基坑降水。水井的深度Hw取8.5m。按潜水完整井计算降水区域总涌水量Q,可得Q=1003.6m3/d;计算基坑等效半径r0,可得基坑等效半径r0为17.255m。计算单井出水量,其约为173 m3/d;因此降水井数及间距计算如下,井位布置图如图3所示。
井数: n=1.1×
间距:降水井在沟槽边以外1.5m双排布置,井深17.5m,井管间距a=50*2/6=16.67m
图3. 基坑降水井位布置图
3. 基坑支护施工工艺及施工程序
3.1钢板桩支护施工工艺及施工程序
钢板桩采用I40a工字钢板桩,钢板桩之间采用I50a工字钢围檩进行连接,围檩与每根钢板桩之间空隙须打入木楔抵紧,转角必须设置专用构件。采用直径φ180mm的钢管进行内支撑,间距4m一道,位于顶面以下3m下。管道安装须调整对撑间距并及时回填,管道回填后密实度达到要求后方可拆除管道上方的钢支撑,以此为准,每50m为一个作业段。
3.1.1钢板桩施工的一般要求
钢板桩施工的一般要求如下:(1)板桩的设置位置要符合设计要求,便于基础施工,即在基础最突出的边缘外留有施工作业面。(2)基坑护壁板桩的平面布置形状应尽量平直整齐,避免不规则的转角,以便标准板桩的利用和支撑设置,各周边尺寸尽量符合板桩模数。(3)整个基础施工期间,在挖土、吊运、浇筑混凝土等施工作业中,严禁碰撞支撑,禁止任意拆除支撑,禁止在支撑上任意切割、电焊,也不应在支撑上搁置重物。
3.1.2板桩施工的顺序
板桩准备围檩支架安装板桩打设偏差纠正拔桩。
3.1.3板桩的检验、吊装、堆放
板桩的检验:对板桩,一般有材质检验和外观检验,以便对不合要求的板桩进行矫正,以减少打桩过程中的困难。
板桩吊运:装卸板桩宜采用两点吊。吊运时,每次起吊的板桩根数不宜过多,注意保护免受损伤。吊运方式有成捆起吊和单根起吊。成捆起吊通常采用钢索捆扎,而单根吊运常用专用的吊具。
板桩堆放:板桩堆放的地点,要选择在不会因压重而发生较大沉陷变形的平坦而坚固的场地上,并便于运往打桩施工现场。
3.1.4导架的安装
在板桩施工中,为保证沉桩轴线位置的正确和桩的竖直,控制桩的打入精度,防止板桩的屈曲变形和提高桩的贯入能力,一般都需要设置一定刚度的、坚固的导架,亦称“施工围檩”。导架采用单层双面形式,通常由导梁和围檩桩等组成,围檩桩的间距一般为2.5~3.5m,双面围檩之间的间距不宜过大,一般略比板桩墙厚度大8~15mm。
3.1.5板桩施打
板桩用吊机带振锤施打,施打前一定要熟悉地下管线、构筑物的情况,认真放出准确的支护桩中线。打桩前,对板桩逐根检查,剔除锈蚀、变形严重的普通板桩,不合格者待修整后才可使用。在插打过程中随时测量监控每块桩的斜度不超过2%,当偏斜过大不能用拉齐方法调正时,拔起重打。
3.1.6板桩的拔除
基坑回填后,要拔除板桩,以便重复使用。拔除板桩前,应仔细研究拔桩方法、顺序和拔桩时间及土孔处理。否则,由于拔桩的振动影响,以及拔桩带土过多会引起地面沉降和位移,会给已施工的地下结构带来危害,并影响临近原有建筑物、构筑物或底下管线的安全。对拔桩后留下的桩孔,必须及时回填处理。回填的方法采用填入法,填入法所用材料为砂。
3.2大口井施工工艺及施工程序
降水采用直径500mm大口井,井深17.5m,间距16.67m,沿基坑两侧布置,每50m为一个作业段。降水从降水井打完后就立刻开始,昼夜不停,抽水时设置专人负责,昼夜两班,每班4人,循环抽水,抽水期间值班人员要随时观察井内水位的上升情况,并做好记录,保证井内水及时抽出,保证不影响现场土方开挖,并把水位降到沟槽开挖地面1m以下。
降水施工包括以下工序,:井位布设,结合现场实际地况,井位布置间距16.67m, 沿基坑两侧布置;埋设护筒,人工开挖井位处杂土,以挖到原土为宜,一般挖深在1.5m左右,然后埋设护筒,护筒埋设要调正,其中心位置偏离既定井位不超过10cm。钻机就位,钻机就位要平整,保证钻头于护筒同心,并保证钻机牢固。开钻、成孔,开钻初始,向孔内注水,人工控制钻头进尺速度,防止钻头偏移,根据设计深度,从地表向下成孔深入为设计深度另加30-50cm,成孔完毕后将孔内泥浆淘尽,泥浆比重控制在1.05以下。选管、下管、回填过滤层:成孔后马上下管,防止井口坍塌,下管前,选择坚固无裂缝的无砂管下到最底处,管与管连接一般选用长约2m的竹片,周围均放3根,每根管的上下距管口15cm左右,用铅丝绑牢,用导向架上的钢丝绳将管一根根放入孔内,最后一根管要求露出地表20cm左右。下完管后马上回填过滤层填料,选择粒径0.2-0.5的干净石屑沿井周边顺序回填捣实,回填过程中要保证井管垂直。洗井,洗井时水泵抽水水流变小,以免因井底泥浆比重过大,而井管内的水被抽静后造成井管上浮,抽出的水流应先大后小,先混后清,必要时可向井管内注入潜水,加强洗井效果。洗井完毕后,移机下一井位,重复上述工艺施工。
3.3基坑开挖
管槽开挖每个作业段用二台挖掘机开挖与人工配合清底的方式,挖土要遵循“纵向分段、竖向分层先支后挖”的原则进行。采取分层分段对称进行,在开挖过程中掌握好“分层、分步、对称、平衡、限时”五个要点,遵循“竖向分层、纵向分段、先支后挖”的施工原则。
(1)在基坑开挖过程中先掏槽安装-500mm(或-1000 mm)处钢围檩、架设钢支撑,以尽早对围护结构进行支撑。自卸汽车运输,基底以上30cm采用人工突击开挖,严格控制最后一次开挖,严禁超挖。
(2)分段开挖两端设截流沟和排水沟,渗水及雨水及时泵抽排走。雨季备足排水设备,做好预警工作,确保基坑安全。
4. 总结
在建天津环东干道七京津塘高速公路跨线桥工程由于修建跨线桥,改变原有北侧经三路的道路断面,桥梁墩位及道路挡墙位置与原有管线发生冲突,需对部分现状管线进行拆除。该工程管线沟槽最大挖深8.5m,其工程场地环境为Ⅱ类,地下水静止水位埋深0.76~2.20m,场地范围内特殊土主要为广泛分布且层厚较大的软土,工程性质差。论文在对该工程围护结构体系安全性分析基础上,就该工程的施工进行了论述,指导了该工程施工。该工程2011年3月1日进行基坑开挖施工,2010年5月30日竣工。
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关键词:连续刚构;0号块;施工
中图分类号: TE357.1+3 文献标识码:A
1 预应力连续刚构桥的发展概况
预应力砼连续刚构桥在体系上属于连续梁桥。但由于施工方法限制,50年前的连续梁跨径均在100 m以下,随着悬浇、悬拼等施工方法的出现,产生了T型刚构,既保持了连续梁无伸缩缝、行车平顺的特点,又有T型刚构桥不设支座、省料、梁体连续、梁墩固结,不转换体系的优点,施工方便、养护费用低的优点。连续刚构不仅在公路上较广泛地应用,而且在铁路上也开始采用,国外铁路连续刚构的最大跨径已达到250米。
2 本文研究的主要内容
本文结合工程实例,重点对大跨连续刚构桥0号块的施工过程中的问题进行了研究。
3 0号块的施工
以广珠铁路西江特大桥为例广珠铁路西江特大桥主要为跨越西江而设,桥中心里程为DK72+713.11m,全长为6709.53m。主桥采用(110+2×230+110)m连续刚构拱跨越主航道。主墩墩号分别为141#~143#,边墩墩号为140#、144#。142#墩为变截面空心墩,墩高为30.5m,141#和143#墩为变截面双柱式矩形板式墩,墩高为30.5m。主梁采用单箱双室截面,两边腹板为直腹板。吊杆索采用箱外牛腿锚固形式。箱梁中支点处梁高12.0m,端支点及中跨中处4.0m。主梁0号块采用墩顶托架法现浇施工。0号块设计长度为23m、墩顶处梁高为12m ,141#、143#砼量2652m3(含拱脚),142#砼量为2970 m3(含拱脚)。0号块施工考虑水平分层三次浇注施工方案。0号块完成两次浇注后在其上安装挂篮,然后利用挂篮逐块悬臂浇注主梁。待挂篮施工至4号节段时,再完成0号块第三次(即拱脚段第一期混凝土)混凝土的浇注。
3.1 0号块施工难点
在悬臂施工过程中,由于0号块的砼方量较大,且在高空施工,因此0号块的施工工时是悬浇梁施工所面临的首个难点。主要难点和易出现的问题是:①悬臂较薄且有波纹管,振捣捧插入困难,容易出现漏振现象。②托架和桥墩连接处,由于刚度不同,产生不均匀沉降,易出现裂缝现象。③腹板拐角较多,又有波纹管拐角处不易振捣密实,容易产生蜂窝和麻面现象。④因砼浇注体积较大,内外温差大,砼容易产生收缩裂缝。⑤砼方量较大,分层浇注时保证外观质量较难。针对以上施工难点及较易出现的问题,要认真搞好 0号块施工的每一道工序。
3.2 0号块施工工艺
(1)施工流程
安装墩顶托架平台及底模安装0#段外侧模安装卸落木楔或千斤顶调整0#段外侧模就位托架平台预压、卸载调整模板位置及标高绑扎底板钢筋和腹板的伸入钢筋安装底板上的预应力筋管道和预应力筋监理工程师验收安装腹板纵、横、竖向预应力管道和预应力筋安装腹板和横隔板模板监理工程师验收安装顶板底模绑扎顶板底层钢筋及管道定位筋安装顶板纵向预应力管道及横向预应力管道和预应力筋安装顶板上层钢筋网监理工程师验收浇筑0#段混凝土混凝土养护拆除端模两端混凝土连接面凿毛并用高压水冲洗干净混凝土达到设计要求强度、弹性模量、龄期后张拉纵向、横向及竖向预应力筋预应力管道压浆拆除内模、侧模和底模拆除墩顶托架平台。
(2)施工要点说明
墩身施工完成后,在矩形墩墩壁之间底托采用在δ=20mm厚的钢板,钢板横向间距1.0m,在钢板上安装横担工字钢后,纵向铺设工字钢,纵向工字钢上设横Ⅰ22,间距0.5m,在工字钢上安装木排架,在木排架上铺设0#段底模。矩形墩外侧预埋万能杆件节点板,拼装万能杆件托架、横担工字钢后,安设木排架形成0#段底模支承面,0#段底模采用组合钢模板。托架周围安装角钢围栏,挂防护网。
支架拼装好以后,采用砂袋法或水箱加水进行预压,预压荷载按0#段混凝土重量及其它相关施工荷载总重量的1.25倍考虑。
0号块施工时,根据安装挂篮需求,预留好各种预留孔道及预埋筋,以便挂篮拼装时能准确就位。
0号块管道密集,混凝土浇筑后采用高压水管冲洗管道。竖向预应力压浆孔设在箱梁腹板内侧面,在竖向波纹管上开孔设置注浆孔,并用密封胶带密封。
0#段钢筋及管道密集,钢束管道位置采用定位钢筋网片固定,定位钢筋网片牢固地焊在钢筋骨架上,定位钢筋网片间距为0.5m,并且定位钢筋网片所焊的钢筋骨架与水平钢筋采用点焊,防止管道位置移动。当预应力管道位置与骨架钢筋发生冲突时,保持管道位置不变,适当移动普通钢筋位置。
0#段腹板混凝土浇筑时,在内模处留设混凝土侧窗及捣固孔,以减少混凝土自由倾落高度,防止混凝土离析和对管道的过度冲击,并避免捣固棒与管道猛烈碰撞,浇筑至预留孔位置后,封闭并加固侧窗,继续向上施工。
(3)钢筋及预应力管道安装
钢筋及预应力管道、预埋件在加工场集中制作。钢筋制作成钢筋网片和钢筋骨架,汽车运至施工现场,塔吊提升,人工安装。钢筋及预应力管道、预埋件安装完毕后,布置好浇筑混凝土用的漏斗和串筒。对钢筋、预应力管道及有关预埋件位置等进行自检,检查无误后报监理工程师检查,确认合格后进行混凝土灌注。
混凝土灌注完后及时养护,当混凝土强度及相应的弹性模量达到设计要求后,按设计要求及对称同步原则张拉预应力筋,并进行压浆。用作挂篮后锚的竖向预应力筋暂不张拉,待挂篮前移后再张拉。
3.3 托架设计及安装
由于梁为刚性连接的 T 型刚构,结构本身具有一定的抗弯能力,根据设计和施工要求,故采用在墩旁临时托架的方法进行施工,托架经过预压( 预压的目的是为了消除非弹性变形) 。取得非弹性变形和弹性变形的经验值,同时结合梁体预应力产生的拱度,指导模板线形和高程的设置,以保证梁体线形和标高符合设计要求 ,并验证模板和支架的强度、刚度和稳定性。
(1)预压方法及措施
在托架搭建,焊接和底模铺设完成后,进行堆载预压。预压的荷载由尼龙袋装中砂提供,尼龙袋要求采用同一型号,以便于准确计量。尼龙袋装 2/3 体积的中砂,以便于堆码。通过称量取的每袋砂子的平均质量,每 10 袋砂子为 1 组,取 3 组称量。取得每袋砂子的平均质量,作为每袋砂子的标准质量。根据预压部位、单位面积的荷载标准,折算成砂子的堆码袋数。砂袋的堆码采用叠合堆码的方式,以保证堆码高度达到一定高度后砂袋子仍能够保持稳定。在铺设模板时,将模板的高程统一在设计值的基础上增大 2 cm,以抵消非弹性变形,提供部分弹性变形量,即所谓的模板抛高。
(2)测量观测及分析
在不同的预压部位,选比较有特征的位置设置观测点。观测点位要有代表性,用铁钉标识。预压的时间为 3 天,观测的时段按以下原则进行:砂袋前观测初始值;预压过程中,每天观测 1 次尽量在同一时间观测;拆除砂袋后观测终值。根据观测值,去除失,真值,分析数值的弹性和非弹性关系。经过数据处理后,预定出托架的沉降量,以指导梁体的施工。做到确保连续的线形,并防止梁体在砼浇筑过程中产生裂纹。预压荷载在箱梁砼浇筑前逐渐消除,之后进一步校核底模标高,再进入 0 号梁段的施工。
3.4 砼浇筑方案
由于0号梁段砼方量大,且在高空作业,所以本桥采用了分层浇筑的方法,即底板一次浇筑完成,腹板分层浇筑。在施工阶段应注意以下事项:
(1)砼的配制及拌和针对钢筋密又有波纹管,空隙较小的特点,优化配合比设计, 选用小石子砼进行浇筑以满足现浇梁施工工艺。
(2)外加剂的选用选择缓凝型外加剂,延缓初凝时间,以利于分层浇筑。
(3)砼拌和质量。采用自动计量拌和机拌制,严格控制配合比。砼输送采用输送泵进行时,保证砼的和易性,严格控制其坍落度。
(4)振捣设备的选用。针对臂薄钢筋密的特点,准备 φ40,φ20 的插入式振动棒并准备振捣扁铲和平板振动器。
(5)严格振捣操作规范。砼分层浇筑厚度控制在30 cm 左右,特别是腹板下部一定要本着“ 少下料勤振捣”的原则,确保波纹管处振捣密实。浇筑上层砼时振动棒要插入下层砼中5 cm~6 cm,振动棒振捣时本着“ 快插慢拔”的原则,移动距离不超过作用半径1.5倍。振捣时间以表面泛浆,砼不再下沉并无气泡冒出为准。
(6)合理安排浇筑顺序。砼从中间逐步向两端推进的方法,对称浇筑。砼采用分层浇筑,浇筑顺序是底板腹板下板肋腹板腹板上缘顶板。根据砼初凝时间及速度,每层砼推进的距离为 3 m~4 m。方法是:①第 1 层先浇底板,用插入式振动棒配合平板振动器振捣密实。第 1 层务必把腹板底口封住,防止浇筑腹板砼时水泥浆从腹板底口漏出,造成拐角处产生蜂窝、麻面。②第 2 层浇筑腹板下部。由于该处较深又有倒角和波纹管,最容易产生蜂窝、麻面,故是浇筑的重点和难点。为了保证该处砼浇筑质量,浇筑该处砼时,应严格控制砼浇筑厚度,坚持少下料、勤振捣的原则;在腹板底以上 30 cm 附近的模板上开工作孔,以利于下料、振捣和观察;用小半径振捣棒进行振捣,并配合人工用小扁铲进行插振,部分地方下料不足时,从工作孔上人工下料。③浇筑腹板中棒直接振波纹管,以防漏浆进入波纹管。注意保护预应力管道,棒直接振波纹管,浇筑后应及时对管道清孔。
(7)防止产生裂缝的措施。防止产生裂缝的措施有:①延缓砼初凝时间,加快浇筑速度。②浇筑完毕,及时养护,保持砼处于湿润状态,并将通气孔打开,以利于箱内砼水化热的散发,保持内外温差均衡,防止产生收缩、裂缝。
3.5 注意事项
在施工过程中应注意:①检查钢筋、管道、预埋件的位置;②检查已浇砼表面的润湿情况;③浇筑时随时检查锚垫板的固定情况;④检查压浆管是否通畅牢固;⑤严密监视模板与托架变化情况,发现问题及时处理;⑥检查对称浇筑进度。虽然 0 号梁的施工控制相对于整个连续刚构只是一小部分,但是它的重要性是不可忽视的。
结语
本论文结合悬臂浇筑大跨连续刚构桥0号段施工的理论分析,对施工控制的内容、方法以及施工过程进行了研究,得出以下结论:
(1) 通过优化混凝土配合比及选择合适的振捣方式进行振捣,避免了漏振产生空洞的现象的发生;
(2) 通过良好的焊接工艺及托架进行预压,消除非弹性变形,保证梁体线形和标高符合设计要求,防止了梁体在砼浇筑过程中产生裂纹的现象的发生;
(3) 0号块施工时要保证工序衔接紧密,尽量压缩两次浇筑混凝土的间隔时间防止出现施工温度裂纹。
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关键词:岩溶 ;隧道 ;风险管理;控制 Abstract: With the rapid development of transportation construction, high-pressure water rich karsts stratum tunnel more and more, and these extra long tunnel is often an important part of the project and control project, is also a high risk of construction project. This paper takes Chongqing Shuangbei tunnel project as the background risk definition, risk identification, risk estimation, risk evaluation of the large span of high-pressure water rich karst stratum tunnel project, thus make the risk decision, in order to take the elimination of risk, risk reduction, risk transfer and risk retention measures, to maximize revenue.
Keywords:Karst;Tunnel; risk management; control
中图分类号: [U45]文献标识码:A 文章编号:
1工程概况:
双碑隧道位于重庆市沙坪坝区,隧道全长4373m,隧道路线中线间距为20m,双向6车道,Ⅴ级围岩开挖宽度约16m,停车带开挖宽度19.31m。 隧道平面线形为直线,不均匀人字坡。隧址区大地貌位于川东平行岭谷区的中梁山南延部分。地貌构造剥蚀条带状低山地貌,山脉沿北北东-南南西方向延伸,隧道穿越华蓥山帚状褶皱束的观音峡背斜,其为不对称梳状扭转背斜,背斜轴在走向上呈波状起伏,且背斜轴线有南东偏转现象,隧道通过段背斜轴线近南北向。隧址区域地下水分布广泛,中梁山地表、地下水联系十分复杂,岩溶构造及富水主要发育在观音峡背斜两翼的三叠系雷口坡组和嘉陵江组地层中,同时,隧道所穿越的中梁地表水库、泉眼、鱼塘密布,地下水资源丰富,洞内可能涌水较大,施工困难,且可能会引起地表水大量流失;岩溶分布规模不均,隧道施工遇高压涌水、突泥风险性较高。隧道预计平时涌水量10592m3/d,雨季涌水量26480m3/d。静水压力达1.80~2.00MPa,属于静水压力较大的隧道。隧道道路等级为城市快速路,设计洪水频率为1/100。
2隧道风险管理理论
在隧道工程中,风险是指事故发生的可能性(概率)及其损失(后果)的组合;事故,是指可能造成工程发生人员伤亡、伤害、职业病、设备或财产损失、环境影响、经济损失的不利事件,也称为风险事件、风险事故。损失,是指工程建设中任何潜在的或外在的负面影响或不利的后果,包括人员伤亡、经济损失、环境影响、社会影响或其他等。隧道安全风险管理,是指工程建设各方通过风险界定、风险辨别、风险估计、风险评价、风险处理和风险检测等优化组合各种管理技术,对工程实施有效风险控制和妥善的跟踪处理,以求减少风险的影响,以较低合理的成本获得最大安全保障的安全管理行为。其管理流程图如下图一:
图1风险管理流程图
3双碑隧道风险管理
双碑隧道处于大跨、高压、富水岩溶地层条件下,自然因素、工程地质条件、水文地质条件、施工和设计水平都有可能引起隧道的大变形、塌方、突水、突泥等灾害事故,使得产生人员伤亡的风险,环境影响的风险,经济损失的风险,工程延期的风险和社会影响的风险。在项目管理中要充分认识项目的风险因素,对工程项目进行风险界定、风险辨别、风险估计、风险评价,从而做出风险抉择,以便于采取风险消除,风险降低,风险转移和风险自留的处理措施,达到收益的最大化。因此,对双碑隧道目前存在的各种施工风险进行有效的评估,对这些不确定因素进行分析,将不可预见的风险因素转化为定性、定量的指标,进而提出针对大跨、高压、富水岩溶隧道的风险管理与控制的具体措施,帮助建设单位和有关部门完成最后的决策,对工程潜在主要风险进行控制,从而实现工程建设的安全、经济、高效的管理目标。
3.1风险管理规划
风险管理规划就是根据风险管理目标,制定相关的风险控制手段,并评价其可行性,形成相关文件(主要指风险管理计划);隧道施工阶段的风险管理应首先针对工程特点、设计阶段风险评估成果、施工水平等制定风险管理计划,明确管理目标和手段。双碑隧道地处重庆市区,地下水与地表水联系密切,地表建筑密集,地下水对其的环境的影响为“不能接受”的严格标准,同时相邻隧道出现过突涌水的安全事故,所以对坍方、涌水是“零容忍”的极度严格的标准。
3.2.风险辨识
工程风险辨识就是明确风险辨识对象,选取适当的风险辨识方法,按照一定原则辨识出工程施工环节中可能存在的风险,这些风险可能对项目的进展产生哪些影响,各自具有哪些特点。双碑隧道处于大跨、高压、富水岩溶地层条件下,自然因素、工程地质条件(围岩级别、埋深、偏压、断层破碎带)、水文地质条件(地表水、地下水)、施工和设计水平(开挖方法的不合理、开挖跨度大小、施工技术和管理水平、设计的不完善)都有可能引起隧道的大变形、塌方、突水、突泥等灾害事故,使得产生人员伤亡的风险,环境影响的风险,经济损失的风险,工程延期的风险和社会影响的风险。双碑隧道采用风险因素核对表法确定了如下风险因素和风险种类(见图2)
图2 双碑隧道风险识别因素核对标
3.3.风险估计
工程风险估计是指对识别出来的风险的大小尽量化为风险事件发生的概率险后果等级,确定各个风险因素的大小,以此为基础可以形成的风险清单。各国对风险的分析已有多年的历史,取得了丰富的经验,提出了很多方法:专家评议法、层次分析法、故障树法、事件树法、蒙特卡罗模拟法、模糊数学法、统计和概率法、敏感性分析法、CIM 模型和影响图等办法。这些方法各有利弊,可以认为至目前为止尚未发现一种万能的方法。在双碑隧道的风险评价过程中,首先确定了风险因素,结合以往的工程实例、信息和风险分析管理专家的丰富经验,利用层次分析法和 matlab 编程计算了施工风险因素权重如图3 所示。
双碑隧道施工风险U
图3双碑隧道风险因素权重
3.4.风险评价
风险评价就是在风险估计的基础上,综合评价风险事件发生概率P和产生的后果C两个指标,对风险可能对应严重程度判断,重点是综合考虑各种风险因素对项目总体目标的影响;风险评价方法有定性和定量两种,定性的方法一般以表格分析的方式进行,定量的方法主要是通过建立数学模型进行。
在双碑隧道的风险评价中先后采用加权平均法对专家经验法得到的数据进行处理,确定风险概率的隶属度。将专家大致分为三类,一类最权威1.0.二类0.9,三类0.8。然后按照《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》进行风险概率分级和风险损失分级,如图4、图5. 然后根据第
图险发生可能性标准
图5风险损失等级 i个专家对第 j 个风险因素的 5 个发生概率等级隶属度作出评价,采用以下公式计算专家模糊估计:
然后根据 n 个专家对某基本风险因素 j 的概率隶属度评价结果,进行加权平均,则得到基本风险因素 j 发生概率的模糊集P.
根据以上过程,可得到双碑隧道基本风险因素的概率隶属。
根据风险发生的可能性和风险损失,工程建设风险可以分为四级,如下表5.
图5风险等级标准
针对不同等级风险,应采用不通的风险处置原则和控制方案,各等级风险控制准则应该符合下图6。
图6风险接受准则
通过测算得知,双碑隧道在塌方、涌水(突泥)的风险等级为II级,大变形风险为III级,隧道整体风险等级为II级,属于不愿接受的接受准则和应该实施风险管理降低风险,且风险降低所需成本不应该高于风险发生后发生的损失的处置原则,同时应该采取风险防范与监测,制定风险处置措施的控制方案,该风险属于政府主管部门和工程建设各方共同应对的风险。
险控制
4.1风险处理
工程项目中需要采取一定的风险处置对策来避免风险的发生或减少风险造成的损失。但是同时由于工程具体情况的不同,每类工程风险处置方法中有着不同的实施过程,因此不同工程的风险安排方案是不同的。目前常用的风险处理方式有以下四种:(1)风险消除,指的是避免从事产生风险的某一项任务来中断风险源,将工程风险发生的概率降低直至到零;(2)风险缓解,也称为风险降低,指的是通过采取措施或修改技术方案降低工程风险发生的概率和损失;(3)风险转移,指的是通过契约或者保险的形式,依法将某些风险转移给第三方;(4)风险自留(风险保留),指的是当项目主体找不到其他合适的风险应对策略,而自行承担风险后果;或者在认为某一风险较小,可以承受时,而主动保留这一风险。
根据以上四种处理方法,针对双碑隧道风险等级及大跨、高压、岩溶等特点,做出在开挖、支护、二次衬砌和施工防排水等方面的工程措施方案:
开挖:根据围岩条件和等级,在现场实测数据的基础上进行科学的爆破设计,严格执行“短进尺、弱爆破”的原则,做到开挖面规整度好,超欠挖有效控制。对于大断面和特大断面,隧道采用分部开挖法进行,如台阶法、侧壁导坑法、CD 法、CRD 法等,以此来进行风险消除或缓解处理。
支护和衬砌:初期支护对于隧道的稳定起到决定性的作用,支护的目的就是提高围岩的自稳能力,延长其自稳时间,以保证在施作二次衬砌之前不发生塌方。因此,隧道的初期支护的参数和质量务必达到设计要求,特殊情况下,还可以采用预应力锚杆、膨胀性锚杆、迈式锚杆,喷射混凝土可采用钢纤维喷射混凝土、碳纤维喷射混凝土等技术手段。 在围岩自稳时间小于循环支护时间的的段落采用超前支护,其主要内容有:超前锚杆、超前小导管注浆、管棚、全断面预注浆、帷幕注浆以及在洞口浅埋段采用地表注浆等措施。二次衬砌不得严重滞后初期支护,软弱围岩地段,应紧跟开挖,Ⅳ、Ⅴ级围岩,需根据量测结果确定最佳施作时间,但一般情况下,二次衬砌不应滞后开挖面三个月时间,或距开挖面的距离不得大于 150m,以此来进行风险消除或缓解处理
注浆堵水:从K5+380,隧道进入了涌水段落,流量达到1000方/小时,该隧道立即启动注浆堵水方案,采用全断面预注浆、帷幕注浆技术,堵水效果明显,以此来进行风险缓解处理。
监控量测:它是隧道的前沿信息,从围岩内位移、拱架受力、喷混压力、锚杆轴力、地表下沉等数据能准确预报坍方等事故的发生,以此来进行风险缓解处理。
工程保险:在施工开始,项目不采用了0.6%的费率进行工程保险,以此来进行风险转移处理。
4.2风险监控
风险因素以及风险管理的过程并非是出于静止状态的,影响项目风险管理目标的各种风险因素会随着工程项目的进展和相关措施的实施发生变化,这就要求风险管理人员对风险因素进行监控,发现新的风险因素和原有风险因素产生的变化,作为实时修改风险管理计划和风险处理措施的依据。
5结束语
国内风险管理还处于起步阶段,特别是地下工程的风险管理有待于进一步探索和直观化,本文本章首先简要地介绍了双碑隧道隧址区域地形地貌、地层岩性、水文和工程地质条件,指出了隧道所处区域的背斜不良地质构造和岩溶的分部特征,然后参照《铁路隧道风险评估与管理暂行规定》,结合专家经验得到了施工风险事件和风险因素;然后运用层次分析法和 matlab 编程确定了施工风险因素权重;由专家评议得到风险概率和风险损失的模糊隶属度;再利用前面的模糊层次综合分析法,按照《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》进行风险概率分级和风险损失分级,给出最终的风险评结果,即双碑隧道施工风险属于II级。最后根据风险等级的要求确定了风险消除、风险缓解和风险转移等处理方案。本文可为公路隧道施工过程中的风险管理提供参考。
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﹝7﹞圆梁山隧道特殊地质地段施工,张继奎,2004年岩溶地区隧道修筑技术专题研讨会
﹝8﹞大宝山隧道岩溶处理,曹志强,2004年岩溶地区隧道修筑技术专题研讨会
﹝9﹞圆梁山隧道特殊岩溶段处理,谭成中,2004年岩溶地区隧道修筑技术专题研讨会
﹝10﹞工程项目风险管理,曾华、耿海波、栗昊编著,中国建筑工业出版社2013.6
﹝11﹞RISK MANAGEMENT IN PROJECTS,第二版,刘俊颖 译,中国建筑工业出版社2011.4