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澳大利亚墨尔本MMSR污水总管更换工程

作者:  发布:2015/1/16  浏览:
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摘 要:在2005年,John Holland公司、GHD设计公司和项目管理Aurecon公司,接受了墨尔本百年老旧污水总管一段更换工程的挑战。John Holland公司项目经理Nick Lewis分享了他在建设MMSR 4年中从一些重要教训取得的深思。

 

2005年,业主墨尔本水务局连同项目合伙人:承包商John Holland公司、GHD设计公司和项目管理Aurecon公司,接受了墨尔本百年老旧污水总管一段更换工程的挑战。更换长2.3km污水总管需要严密的风险管理流程、横向思维和克服各种挑战的创新方案。

MMSR1800年代末首次冒险进入了富有挑战性的Yarra三角洲地质。除了为墨尔本未来的隧道工程提供了宝贵的地质和水文地质见解以外,MMSR还交付了穿越Yarra河合格的湿围堰,用不同工法挖掘了35条工作井,用5台不同掘进机,构筑总长4.2km的新污水管线。

John Holland公司项目经理Nick Lewis分享了他在建设MMSR 4年中从一些重要教训取得的深思。Lewis表示,“MMSR工程并非一帆风顺的。即使尽力构思计划和缓解各种意外情况,我们的情况经常需要创新方案来解决困难问题,但我可以骄傲地说,面对每个挑战,我们都迎难而上。”

1  澳大利亚的墨尔本

2  走线图显示既有污水总管和新污水管线

水文地质——排水或不排水

MMSR工程习得的首个教训是由于在墨尔本港Fennell保护区该工程的首个工作井减压操作造成沉降的潜在风险管理。临时工程包含了一面咬合桩墙,其设计要求从软弱地质单元到强风化玄武岩。该首条工作井设计成排水模式,最大进水量设定在2L/S,如果超过这个设定值将要进一步审视。

200812月,咬合桩和工作井挖掘按计划进行,测得的进水量依然低于设定值。盾构抵达工作井底部玄武岩构造,进水量增加,从周围监测到的数据显示存在沉降。虽未超过沉降预设警戒值,这项数据仍值得进一步检查,特别考虑到监测点显示数据表明它位于深处Coode Island粉土夹层带以上。

采取的决定性一步为团队计划在圣诞停工期间淹没工作井。随之而来的是充斥着调查和评论的紧张阶段,借此团队认识到了解和建立工作井局部地质间的水文连接的需要。Lewis表示,“我们需要考虑到用于减压的地下水监控系统,并为如何建成工作井拟定设计方案。”

来源于进水率和既有地下水监控系统的信息用于开发二维和三维水文地质模型。这些模型是用于针对大量工作井修复方案执行沉降评估。决定地层界面,在工作井上钻出14个战略定位的钻孔用来装设振动线压力计。压力计所获数据用于校准模型,再次核对工作井周围记录的实际沉降数据。另外,在工作井周围设计并建造了一个全面灌水系统作为应急措施。

Fennell保护区井修复成功,并于20094月完工。施工经验突出了地层对减压的灵敏度,所有后续临时工程设计都顾虑这个风险。这个过程中收集到的信息表明当地一个清晰的水力情况,无疑对Yarra三角洲未来工程的规划、设计和选方案都相当有利。

3  工程包括交付一条合格的跨越湿围堰通道

   Yarra三角洲隧道工程

Yarra三角洲的软性地质是墨尔本施工行业众所周知的问题。墨尔本水务局整理的历史数据说明了在1890年代原墨尔本污水总管施工中所克服的地层支护、进水、隧道走线和沉降的难点。

为了克服这些预见的挑战,墨尔本水务局找到早期承包商(ECI)在设计阶段拟定了一个可建方案。煞费苦心地规划出主隧道走线以避免大量障碍物,包括构筑物、第三方资产、建筑桩和桥梁。这样造成的一条走线在墨尔本城市边缘地区来去迂回,并包括一些较为陡峭的250m半径曲线。

1.2km南部隧道推进期间,驾驶TBM穿越Coode Island粉土夹层带被证明正如预期一样困难。由于重量集中在103m,重164tTBM前端,所以方向纠偏操作困难,而走线曲线段的轴线纠偏不稳定。

在南部掘进中驾驶TBM,轴线纠偏所需的偏向推力仅需克服地层阻力和地层材质的抗剪强度。在CoodeIsland粉土夹层带的挑战——偏向推力中仅存在极小的变化可以改变转向率,这是因为土层材质极低的摩擦系数和极低的抗剪强度。

为了能高效上坡掘进875m的北部隧道,MMSR团队与TBM生产商Caterpillar公司一起工作,改进TBM驾驶反应。切削刀盘尺寸缩小大大降低了推进率,极大化垂直偏向推力造成仰角增加。这些这些改变使得控制标高纠正的需要更加迫切,因为净仰角产生得又快又持久。

主隧道的最终设计利用了2种衬砌形式纠正隧道内最终污水管坡度,以应对TBM转向遇到困难。主要衬砌包括TBM安装的钢纤维加强混凝土管片(SFR)和由玻璃纤维增强塑料管道(GRP )组成的二次衬砌,将在隧道完成挖掘时分别进行安装和注浆。

总计,580段直径1.8m管道用长3m和长6m管节安装,并衬砌新的2.3km污水隧道。大约6000m3的注浆用于填充GRP管和直径2.4m混凝土衬砌隧道之间的空间。

在隧道挖掘过程中,施工队通过详细规划、工程管理和风险管理成功克服了一些其他主要工程挑战。这包括开发了:

*TBM盾构的主动式膨润土支护系统防止超挖缺口闭合,减少沉降发生。

*设计一个自动化气舱式膨润土注射系统用于隧道挖掘和白天停工时的监控,以及维护工作面压力。这包括实时监控、电子邮件和短讯报警通知服务。

*设计一个航空呼吸系统向所有TBM操作员工作时始终可呼吸新鲜空气。由于遇到高于预期浓度的二氧化硫气体,隧道强制通风系统无法尽快稀释气体。

顶管工法

沿着2.3km的主隧道,MMSR工程还包括建造长1.9km较小直径的分支网状污水管。这些工程的相关风险和挑战与建造主隧道类似,团队要尽最大努力来管理每次推进的不同参数。

Lewis表示,“我总不能第一次就选中机器,特别是用于在不同地质单元之间穿越,但是我们很快吸取教训,彻底了解在所有地层中的人机互动。”

穿越Yarra

最初的规划方案,这包括Yarra河底下的隧道工程,但由于其地层中的极软粉土和浅覆土,方案被证明隧道工程不可行。与MMSR项目团队合作,计划一个3阶段湿围堰顺序施工法。

由于时间紧迫,设计团队间的密切合作和专业人员的参与拟定一个简易且有效的方案。

数码和现实生活中的技术原型让大家全面了解整个流程,而无障碍的沟通保证了所有员工的最大安全。团队在整个河流穿越过程中遵循强劲的风险管理流程。

墨尔本长140m跨越Yarra 河的标志性工程于20112月合格完工,此后进行直径2.4m的管线最终段安装。

施工中,2/3Yarra河依然开放使用,而专业潜水员在零可见度的情况下,在湿围堰内安装管道段。

始于2009年年中的施工,在穿越干燥的枪管式直通导管过程中结束,这也是MMSR团队的亮点。Lewis补充道,“过河管段设计和施工的成功均归功于密切合作的团队工作法,并且是湿围堰施工技术最佳实例,同样适用于墨尔本和世界各地。”

旁越泵送——应急情况

在既有污水管线的北部和南部连接点建立起旁越泵送配置John Holland和澳大利亚工业均属首次。作为墨尔本污水管道唯一的出路,旁越既有污水总管的应急措施必须金属覆盖,以便有效避免洪灾破坏墨尔本的中央商业区、公交枢纽和弗林德斯火车站这些潜在风险。旁越整个城市污水系统是一项巨大工程,所需系统可以应对每秒1000升的湿季峰值。所使用的该系统设计规定峰值流量,再考虑100%冗余度,还带上了自动开关、快速检索功能和供电电源200%的冗余度。

另外,工程包括全时遥测技术和全时现场人员,用以监控该系统。加上,若实在没别的办法,工程按照顺序施工,让挖掘的工作井疏散,水流可以穿过未完工程,不致受到安全或者环境等问题的影响。

Lewis报道,自20118月,泵站溢流了35亿升的城市污水。在整个建设中,MMSR工程获得了业内众多关注。“我们去年有3篇论文被收入在新西兰的大洋洲隧道工程学会大会。这些论文演示了我们从MMSR工程所专注获得的经验,有益于行业发展。”

MMSR项目所使用的顶管机械概要:

   *Coode Island 粉土层推进的海瑞克1×2.1m直径顶管土压平衡盾构克服主隧道施工期内管片衬砌作业时经历到的驾驶困难。

   *1×300-500mm直径Akkerman 导坑地层掘进机(GBM),自带动力刀盘(PCH)―使用之后取得符合走线,快速生产率和弃土不处理的代价。

   *1×3001×500mm直径海瑞克小直径隧道掘进机,带有泥水搬离(AVN)―膨润土泥浆,用来控制流沙进入,使得这样的机械完美应对墨尔本港沙层。

4  1800年代原始污水隧道的施工

 

 

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