国外竖井论文30：关于伦敦泰晤士河Lee通道竖井项目的设计及施工

发布时间:2024-08-28

关于伦敦泰晤士河Lee通道竖井项目的设计及施工

第一部分 竖井中地下连续墙的施作

 摘要：泰晤士水利公司提出将泰晤士河行潮段通道作为伦敦污水处理系统升级过程中重要的一部分，其中最先开始的是连通Beckton污水处理厂和Abbey Mills输送站点的Lee通道(长6.9km,内径7.2m)，它将拦截雨水通过Abbey Mills的出水口输送到Lee河。作为伦敦史上最大和最深的竖井工程，其包括4个竖井项目，其中3个在Beckton，1个在Abbey Mills。地下连续墙的施工深度在84m到98m之间，最终完成的竖井内径在20m到38m。每个竖井的初期支护为钢筋混凝土地下连续墙，并且还有一层滑模施工完成的纤维质混凝土二次衬砌。

这篇文章记录了4个竖井项目在建造过程中所面临的巨大挑战，以及采取的相应的解决方案。其中，第一部分主要阐述的是4个深井中作为初期支护的地下连续墙施工，第二部分主要阐述将要完工的Beckton溢出井的二次衬砌的设计与施工。

Design and Construction of the Thames Water Lee Tunnel Shafts, London Part 1. Construction of the Shaft Diaphragm Walls

Martin Stanley – Bachy Soletanche Limited Julian Gatward – Bachy Soletanche Limited David Puller – Bachy Soletanche Limited Chebli Matta – Vinci Construction Grands Projets Chris Pound – Mott MacDonald Limited Nick Dobson – Mott MacDonald Limited Peter Jewell – CH2M Hill Mark O’Connor – Aecom

Abstract：Thames Water has initiated the Thames Tideway Tunnels programme as a key component of the upgrade of London’s combined sewer and storm water system of wastewater disposal. The first section to be constructed is the 6.9km long, 7.2m internal diameter, Lee Tunnel between Beckton Sewage Treatment Works and Abbey Mills Pumping Station complex. The Lee Tunnel will intercept the storm flows currently discharging to the River Lee via the outfall at Abbey Mills. The project requires four shafts, the largest and deepest ever to be built in London. Three of the shafts are sited at Beckton and the fourth at Abbey Mills. Diaphragm wall depths range from 84m to 98m and finished internal diameters from 20m to 38m. Each shaft has a primary reinforced concrete lining formed of diaphragm walls and a secondary fibre reinforced concrete  lining formed by slipformed shutters.  

The paper describes the unique technical challenges posed by the four shafts and the solutions adopted. The installation of the diaphragm walls which form the primary lining for the four deep shafts is described in Part 1 of the paper. The design and construction of the secondary lining of the first shaft to be completed (the Beckton Overflow Shaft) is described in Part 2.

1. 介绍

泰晤士河Lee通道的建造是升级伦敦排水系统的第一阶段，它将减少向泰晤士河及其下游的Lee河排放污水及雨水。这个项目由Morgan Sindall、万喜大型建筑工程公司 ( Vinci Construction Grands Projects) 和法国地基建筑有限公司( Bachy Soletanche) 共同组成英法项目联合体 (MVB) 于2010年开始。泰晤士水利公司项目管理工作人员在现场协助工作，并与MVB签订了NEC3C形式的价值六亿三千五百万英镑的项目合同。

这个工程包括4个竖井项目和一个内径7.2m的地下通道项目，其中地下通道项目长6.9km，连通Abbey Mills的排水站和位于伦敦东部的Beckton污水处理厂。另外，此通道地下埋深平均有75m，计划容纳35万立方米的污水和雨水。这篇论文的主要内容是MVB正在施工的4个深井的作为初期支护的地下连续墙和即将完工的Beckton溢出井的二次衬层的设计与施工。图1所示的是Lee通道系统的重要组成部分。图1 lee  通道系统示意图

工程中主要存在4个结构用混凝土组成部分对于保证竖井的整体性至关重要：

(1)地下连续墙

(2)基础栓塞

(3)衬层的滑模

(4)环带空隙的填注

文章还包含了对于混凝土材料设计的研究和涉及到工程所需物资的施工组织设计。

2. 地质情况及水文地质条件

此项目所处位置的地质地层情况与伦敦东部的大部分地区相似，其地层包括连续沉淀形成的第三纪粘土层和砂土层以及白垩纪的石灰岩。

四个竖井所在地区的地质情况基本一致。大地表面沉积的是各种各样的人工填土（在Beckton污水处理厂平均有1到3m厚，但是在Abbey Mills最厚达到8m），其下的土层是松散和非常松散程度的冲积有机粘土（在Beckton污水处理厂最厚达到5m，而在Abbey Mills只有大约1m厚），再往下的土层是覆积在河流台地之上的密实和非常密实程度的砂砾层（基本4m到6m厚）。

地表一定范围的沉积土层的下方基本都是伦敦粘土（London Clay），其是一种坚硬和非常坚硬程度的带有裂缝的无机粉质粘土层。由于气候原因，伦敦粘土层最上面的2m厚度范围内的土体强度会下降。另外，伦敦粘土层在其中3个竖井位置的沉积厚度在5m到8m，在Beckton溢出井不存在此土层，但在伦敦粘土层下的哈里奇（Harwich）土层在这儿的最大厚度为3m。哈里奇土层，是一种包含多种砂质粘土和粉质粘土的混合土层，其中还含有平均直径在10mm左右的卵石。

每个竖井所在的区域里，在哈里奇土层的下方连续分布着朗伯斯群（Lambeth Group）和泰乃特沙（Thanet Sand）。朗伯斯群是坚硬和非常坚硬程度的带有裂隙的粘土层，土层表面及内部的裂隙都被密砂所填充，其还包括超过1m厚的石灰质混合地层。泰乃特沙通常指的是非常密实的沉积的粉质砂土层。

在每个竖井的地下基础位置都有白垩纪石灰岩，其在无侧限条件下的抗压强度通常在3Mpa到6Mpa，是脆性较大的一种石灰岩。它的破碎水平高低不一，但是在与泰乃特沙层交界处的破碎程度要严重一些。石灰岩中还包含有一些带状的坚硬的硅质矿物。

在Beckton，地表以下几米的位置存在一定的静水压力。在Abbey Mills，尽管地表以下几米的位置的含水层中有地下水压力，但是由于此地曾经的抽水人为活动，我们把测压平面放在了地下20m处的Thanet Sand层和白垩纪石灰岩中。

3. 地下连续墙工程——竖井中的初期支护

3.1  特性

Lee通道项目中的竖井项目是英国曾经建造的最大竖井项目之一，其内径范围从20m到38m。其中地下连续墙的设计需要符合欧盟标准，并且在此过程中还需要考虑到白垩纪石灰岩的刚度、周围较高的环箍应力、存在的大量开口和空隙以及非轴对称式荷载等一系列因素。因此，要完成多个砌块连接形成4个竖井的地下连续墙，需要达到以下目标：

(1)定制的混凝土配料设计。

(2)竖井垂直度误差在0.33%以内。

(3)长型钢筋笼的设计、安全保障和妥当安置。

(4)膨润土支承液的有效管理。

(5)通过监测证明设计的合理性。

从已经开挖完成的两个竖井项目（Beckton溢出井和连通井）的情况来看，地下连续墙工程很好的满足了对于竖井垂直度的要求。在其余的开挖过程中，对于垂直度的观测结果符合在地下连续墙设计安装过程中的勘察结果，并且在实际情况中上要好很多。

3.2混凝土材料设计

为了使地下连续墙达到一些特定的工作极限，在这些配有钢筋的地下连续墙中使用的混凝土需要满足一定的条件，如下：

(1)对于如此大浇筑量的混凝土工程（单独的衬砌浇筑量最高达到1400立方米），混凝土的和易性需要维持足够的时间来满足在整个浇筑工作的完成，防止混凝土凝结过快。

(2)混凝土中不能含有过多的水，否则会容易流出。

(3)地下连续墙支护的设计强度要求达到60Mpa。

地下连续墙由C50或C60等级的混凝土浇筑而成，并且掺入70%的磨细矿渣水泥。混凝土优良的和易性使得浇筑工作能够使用混凝土导管进行，从而保证了浇筑的很好的密实性，尤其是在钢筋布置最为密集的底板。为了避免在长时间浇筑工作中的“硬”接点的形成，混凝土的和易性要保持6个小时。混凝土配料中的磨细矿渣降低了混凝土的温度和强度的发展速率，使得其最少到浇筑完成第56天的时候具有最低60Mpa的强度。这保证了有序施工和空隙填注的密实性，从而保证了地下连续墙的整体性。

在混凝土材料设计实验中，我们发现，只有当加入的超级增韧剂很均匀地覆盖在水泥粒子表面的时候，才能达到符合要求的和易性。这种长时间的配和过程，使得我们对于配和装置方面有所担心，毕竟这种装置需要达到每小时120立方米的配和速率。

在Beckton溢出井和连接井通道开口的附近区，为了使隧道掘进机在掘进过程中更方便的进出，用纤维质杆件替代钢筋建立了比较“柔”的孔眼。图2 为大型浇筑而准备的混凝土搅拌机

3.3  开挖及垂直度的耐量

地下连续墙的形式是通过一系列的矩形墙板相互重叠，最终形成一个环面。初次开挖至最多7.2m深，随后的墙板与之前部分重叠，从而使之嵌入到初次衬砌的混凝土中。初次衬砌施工速率保持在每周一块，这样协调的墙板施工顺序使得开挖工作能够在钢筋笼放置和浇筑的一定安全距离之外进行。同时，这样的施工顺序使得在二次衬砌的每个边缘上的混凝土有基本相同的强度。

在施作过程当中，地下连续墙工程的垂直度误差控制在0.33%之内。在地表之上，使用常规抓斗机进行施工，在地下的朗伯斯群、哈里奇土层、泰乃特沙层和白垩纪石灰岩层中使用液压双轮掘削机配合贯通的膨润土支承液进行掘进。液压双轮掘削机（一种反向切削和碾碎的机器）特有多对带齿切削轮，配合膨润土循环系统可以将切削残留物从排出管道排除。这个机器的整体运作需要操作员知晓掘削机计划掘进任务的位置、倾向和切削的角度、速率。液压夯锤和压盘布置在机器的两侧。操作员通过抬起压盘对同侧的墙板施压来控制切削轮的倾向，从而到达并保持施工中的所要求的高精度。图2 混凝土搅拌机图3 地下连续墙施工过程当中的液压双轮掘削机

为了核实采自正在施工仪器的信息，一种光电技术——Koden，被应用到项目中来勘察开挖的位置及精度。法国地基建筑有限公司率先在Lee隧道项目上应用这种光电技术，并传输数据到CAD，绘制已开挖部分的3D图像。所应用的这种电脑软件还被公司技术人员所加强，并已经传播到世界范围内的工程中。3D勘察有很多重要的优点：

(1)它可以校准正在工作的仪器数据，并且有效提高精确度。

(2)如果墙板出现偏离，这些数据可以用来指导随后的施工，来获得与前一墙板重叠结合的最佳效果。

(3)它能够检查临近墙板的重叠情况，来确保它们之间没有空隙存在。

(4)完整的3D勘察能够帮助施工队伍在开挖过程中有效防止土体移动或较大的水流动。

3.4  骨架的设计与放置

由法国地基建筑有限公司发起的地基反应项目“Paroi”，来对竖井所受到的横向荷载进行一个最初的评估。由此得到的项目分析，考虑了整个圆柱体的等效刚度，并且符合在欧盟规范中所规定的最终可靠使用度的极限。

使用Plaxis 9 软件来进行一个轴对称式的有限元计算过程。在此分析中采用没有应变硬化的摩尔库伦土体模型。

每块地下连续墙墙板都包括一个贯通其深度的钢筋骨架。在初期支护项目上，很难设想到骨架可以设计满足三个分离的开挖形成的连接处，并且还要放置到地下100m的地方。因此，在初次支护设计上，放置三个分离的钢筋骨架，之间相距400mm。由于能够运送并放置的钢筋骨架的长度是22.5m，所以一块配有3个连接处的墙板就需要安装15个单独的钢筋骨架。骨架之间使用螺纹连接和短鼻连接，使得钢筋骨架能够安全的经历一些临时的设计工序，比如加工、上升、分离和放置等工序。

由于墙板之间的重叠类型是梯形重叠，所以在开挖二次衬砌的过程中，液压双轮掘削机需要能够切出一个凹凸不平的剖面。为了能够压平重复切削的地方，将聚苯乙烯板放置到初次衬砌的边缘并与钢筋骨架相连接。这种聚苯乙烯还需要进一步设计来克服一系列困难：

(1)当有100m厚的混凝土在它之上时，普通的聚苯乙烯将会压缩并减小厚度。所以，我们使用预压的聚苯乙烯来减小这种影响。

(2)由于浮力的原因，聚苯乙烯板需要牢固地连接到钢筋骨架。（事实上，100m长的聚苯乙烯貌似可以减少3.5t的骨架重量）。

(3)钢筋骨架需要分开并有约束的放置，这样的话，聚苯乙烯才能够在施工二次衬砌的时候分离出来。对于这个问题，我们在骨架各部分的边缘使用钢箔焊接来解决，从而分离骨架不同的部分。

3.5  膨润土支承液的管理

在使用液压双轮掘削机对地下连续墙工程进行开挖的时候，膨润土泥浆既作为支撑液，也作为将开挖碎屑带到地表的媒介。在普通的施工操作中，膨润土泥浆经过一系列除砂器和沉淀池，来去除开挖的碎土。膨润土泥浆经过多次开挖过程循环使用，最终会变得很难清洗干净而废弃。对于Lee通道项目而言，我们决定干燥膨润土泥浆，从而能够将弃土运出施工场地并将其中的水直接排入到Beckton污水厂。

随着工程的有序进行，我们清晰地发现，将絮凝剂与膨润土泥浆配合使用，再加上离心机的作用，我们能够有效的将固体和液体分开，这也是我们将开挖的弃土从墙板上分离到废水中的关键而有效的施工方法。同时，膨润土的使用策略，很快从最大清洗量和最小处理量，变成了每天处理超过400立方米的膨润土并需要补充几乎等量的膨润土。

3.6  在开挖过程中监测竖井的偏斜程度

由于深层土中石灰岩地质参数的不确定性，确保符合地下连续墙的设计要求是非常重要的。为了进行核实设计要求是否达到，在每个竖井的地下连续墙中都安置了4个测斜仪管。另外，地下连续墙在开挖过程中的偏移数据会每周监测，用于两种监测方法的比较。测点布置在地下连续墙的内衬当中，使得我们在开挖进行时能够得到明显的调查数据。测斜仪管和光学侧斜点的位置如图4和图5所示。图4  在beckton溢出井中测斜仪管测量位置示意图5  在beckton溢出井中光学测斜点位置示意

我们设定了地下连续墙的偏斜量不同的触发标准等级（绿色、黄褐色、红色），以及超过这些指标时的突发性措施。对于Beckton溢出井和连接井，以及Abbey Mills的F井，我们预测的最大偏斜量是5mm。对于Beckton泵出井，8mm是我们基本的预测量。触发标准如下所示：

表1  墙体偏斜量的触发标准等级

测斜仪的数据使用两种不同的收集形式：

(1)未修正数据

(2)根据仪器制造商的建议以及设计时15m下开挖过程没有偏移的假定，进行修正过的数据（偏心造成的误差）

在一定的开挖深度中，想要计算偏心位移是不可能的，所以我们使用在地下连续墙上部和下部都没有位移的假定来评估修正过的数据。未修正数据和修正后数据示例表格如图6和图7所示。

图6 代表性Beckton溢出井测斜量未修正数据图表  图7 代表性Beckton溢出井测斜量修正后数据图表

由光学勘测和测斜仪修正后数据所得的结论基本一致。它们已经证实了预测控制变形的有效性和设计的合理性。图8展示了开挖过程中的裸露地下连续墙表面图8 开挖过程中Beckton溢出井项目地下连续墙展示图

感 谢

作者感谢泰晤士水利公司对于文章的出版许可，以及那些工作在Lee通道项目的广大同事的支持。