CN110566217A - 一种浅覆土盾构施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浅覆土盾构施工方法，依次包括以下步骤：始发井施工；始发段加固及降水：所述始发段加固包括始发段端头加固和地层加固；并在始发段加固后施工降水井，使盾构在始发和达到之前提前降水至隧道底部以下；始发台施工；盾构组装和调试；安装反力架和支撑结构；安装洞门密封装置：所述密封装置包括固定在洞口处预埋的环框上的第一密封和通过密封环管与所述第一密封固定连接的第二密封；在所述密封环中间位置处设有油脂加注孔；洞门凿除；安装负环管片、盾构顶推至刀盘接触掌子面；泥水仓建立平衡压力；盾构循环掘进。本发明解决了在浅覆土施工过程中出现的盾构姿态控制难、避免开挖面坍塌，提高施工安全性、加快掘进速度。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种浅覆土盾构施工方法。
背景技术
软土浅埋段盾构施工难点是控制盾构姿态，在施工过程中容易出现“上漂”、“冒浆”及因切口压力波动造成开挖面正面土体的流失造成开挖面坍塌。
盾构在浅覆盖淤泥及淤泥质软土掘进，淤泥及淤泥质软土孔隙比大、灵敏度高、覆盖层薄。施工中盾构姿态难以控制，管片接缝漏水漏浆，影响成型隧道质量，情况严重时出现掌子面坍塌。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种浅覆土盾构施工方法，该方法解决了在浅覆土施工过程中出现的盾构姿态控制难、避免开挖面坍塌，提高施工安全性、加快掘进速度。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种浅覆土盾构施工方法，包括以下步骤：
1）始发井施工：盾构始发井采用明挖逆作法施工，始发井的基坑围护结构采用1200mm厚地连墙，竖向设置六道斜砼支撑，中间设置临时中立柱，在所述临时中立柱下方设有Φ1200mm的钻孔桩；
2）始发段加固及降水：所述始发段加固包括始发段端头加固和地层加固；并在始发段加固后施工降水井，使盾构在始发和达到之前提前降水至隧道底部以下；
3）始发台施工：始发台采用混凝土浇注，盾构始发台定位按照测量放样的控制点进行，始发台的基座为弧形结构；在所述始发基座的纵向两道预留有沟槽，横向一道预留沟槽，所述沟槽为盾构组装焊接预留操作空间；
4）盾构组装和调试；
5）安装反力架和支撑结构；
6）安装洞门密封装置：所述密封装置包括固定在洞口处预埋的环框上的第一密封和通过密封环管与所述第一密封固定连接的第二密封，在所述密封环管上固定有一端与洞口连接的加筋板；所述第一密封和第二密封平行设置，间隔500mm；在所述密封环管中间位置处设有油脂加注孔；
7）洞门凿除；
8）安装负环管片、盾构顶推至刀盘接触掌子面；
9）泥水仓建立平衡压力：按设计值设定切口水压，并根据推进时刻的水位变化情况进行相应调整，严格控制泥水压力的波动值，使泥水压力的波动值控制在-0.2bar～+0.2bar；
10）盾构循环掘进。
优选的，步骤1）中所述临时中立柱采用460mm×460mm格构柱。
优选的，步骤2）中所述始发段端头加固包括如下步骤：
①在始发井的基坑围护结构位于洞门的一侧先采用C25素混凝土施作始发加固区外围结构，形成3面素混凝土连续墙，使3面素混凝土连续墙与始发井围护结构合围形成盾构始发加固区；
②在所述盾构始发加固区内位于洞门处施作第一洞门加固区，所述第一洞门加固区为1m厚的素混凝土连续墙；
③在所述第一洞门加固区在外表面上采用3排Φ1200@800mm三重管高压旋喷加固方式施作第二洞门加固区，并在始发井围护结构和始发加固区外围结构外侧施作第三洞门加固区；所述第三洞门加固区呈三角状，且其一侧面与始发井围护结构固定连接，底部与始发加固区外围结构固定连接；
④在所述盾构始发加固区内底部采用三轴搅拌桩进行加固。
优选的，步骤④中所述三轴搅拌桩的施作过程为：先做试桩，试验成功后再做大面积施做；当三轴搅拌桩加固施做完成后按照3%比例对三轴搅拌桩的咬合部位进行抽芯检查，检查不合格的继续补桩，直至合格。
优选的，所述试桩的试验参数为：水泥注入量为538.2kg/m、注浆压力为4-7bar、钻杆提升速度为0.5-1.0m/min、搅拌下沉速度为0.1-0.5m/min；所述三轴搅拌桩直径为850mm，相邻所述三轴搅拌桩之间形成桩间咬合区，使相邻所述三轴搅拌桩圆心之间的距离为600mm。
优选的，在所述素混凝土连续墙与三轴搅拌桩之间设有旋喷桩，并在洞门上钻设水平孔，检验洞门注浆效果，在不能满足要求时需继续补注浆，直至达到设计要求。
优选的，步骤2）中所述降水井的施做采用冲击成孔施工工艺，在所述降水井内下方设有滤管，在所述滤管上连有实管；所述实管的底部位于地表以下5m处，并在所述实管和降水井之间填充有粘土；在所述滤管与降水井之间填充碎石子；所述降水井的直径为600mm，所述降水井的底板位于隧道底线下方2000mm处。
优选的，步骤4）包括组装场地准备→始发准备→吊机组装就位→后配套拖车吊装与管线连接→主机吊装与连接→安装反力架→主机定位及与后配套连接→空载调试→安装负环管片→负载调试。
优选的，步骤6）中所述第一密封包括挂在环框上的第一橡胶帘布，并通过第一圆环板固定，在所述第一圆环板的底部可转动连接有第一翻板；所述第二密封包括与所述加筋板和密封环管的外侧固定连接的压板，通过螺栓挂在所述压板上的第二橡胶帘布，所述第二橡胶帘布通过第二圆环板固定，在所述第二圆环板的底部可转动连接有第二翻板。
优选的，步骤10）中在盾构掘进过程中仓内顶部压力值为0-1.46bar，地面监测频率为次/2h，推力为3500-6500t，掘进速度为5-10mm，刀盘转速为0.5-1.0r/min，刀盘扭矩为2000-6000Kn.m，注浆压力为2-3bar，进浆比重为1.05-1.08g/cm3, 出浆比重为1.08-1.25g/cm3。
本发明的有益效果是：
本发明在盾构始发时安装洞门临时密封装置有效防止盾构始发掘进时泥土、地下水及循环泥浆从盾壳和洞门的间隙处流失，以及盾尾通过洞门后背衬注浆浆液的流失；在盾构机进入预留洞门前需要在外围刀盘和橡胶帘布外侧涂润滑油以免盾构机刀盘挂破橡胶帘布影响密封效果。
当盾构刀盘全部通过第二密封后，开始向泥水仓内加压，压力仅满足泥浆充满泥水仓，然后在两道密封间利用预留注脂孔向内注油脂，使油脂充满两道橡胶帘布密封间的空隙，当盾构机盾尾通过第一密封且翻板下翻后，要及时利用注脂孔向内继续注油脂，使油脂压力始终低于泥水压力0.01Mpa；当盾尾通过第二密封且翻板下翻后，进一步加注油脂，使洞门临时密封起到很好的防水效果，从而使盾构顺利始发并减少始发时的地层损失。
按设计值设定切口水压，并根据推进时刻的水位变化情况进行相应调整，严格控制泥水压力的波动值，防止切口水压偏低无法支撑开挖面土体，造成土体塌陷；防止切口水压较高，对土体扰动过大，造成土体坍塌；泥水压力波动值控制在-0.2bar～+0.2bar之间,避免压力波动击穿海底浅埋覆盖软土层，增加施工安全性。
始发段端头加固一方面是为盾构始发提供稳定的地层条件，保证安全、顺利始发，另一方面是为盾构吊装提供足够的地基承载力，保证盾构组装时吊机在吊装作业过程中的安全。
搅拌桩加固使在浅覆土层始发和接收时，不易出现透水通道和涌水涌砂的情况，提高工程和人员的安全。
附图说明
图1为始发端头加固的结构示意图；
图2为搅拌桩加固示意图；
图3为降水井的结构示意图；
图4为本发明洞门密封装置的结构示意图。
图中：1基坑围护结构，2洞口，3第三洞门加固区，4第一洞门加固区，5第二洞门加固区，6始发加固区外围结构，7盾构始发加固区，21桩间咬合区，31地表，32实管，33滤管，34隧道底线，35碎石子，36粘土，41环框，42加筋板，43第一圆环板，44第一橡胶帘布，45第一翻板，46油脂加注孔，47压板，48第二圆环板，49密封环管，50第二橡胶帘布。
图1中的箭头指掘进方向。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
一种浅覆土盾构施工方法，包括以下步骤：
1）始发井施工：盾构始发井采用明挖逆作法施工，始发井的基坑围护结构1采用1200mm厚地连墙，竖向设置六道斜砼支撑，中间设置临时中立柱，临时中立柱采用460mm×460mm格构柱；在所述临时中立柱下方设有Φ1200mm的钻孔桩；
2）始发段加固及降水：所述始发段加固包括始发段端头加固和地层加固；并在始发段加固后施工降水井，使盾构在始发和达到之前提前降水至隧道底部以下；
其中，始发段端头加固的结构如图1所示，其施工过程包括如下步骤：
①在始发井的基坑围护结构1位于洞门的一侧先采用C25素混凝土施作始发加固区外围结构6，形成3面素混凝土连续墙，使3面素混凝土连续墙与始发井围护结构合围形成盾构始发加固区7；
②在所述盾构始发加固区7内位于洞门处施作第一洞门加固区4，所述第一洞门加固区4为1m厚的素混凝土连续墙；
③在所述第一洞门加固区4在外表面上采用3排Φ1200@800mm三重管高压旋喷加固方式施作第二洞门加固区5，并在始发井围护结构和始发加固区外围结构6外侧施作第三洞门加固区3；所述第三洞门加固区3呈三角状，且其一侧面与始发井围护结构固定连接，底部与始发加固区外围结构6固定连接；
④在所述盾构始发加固区7内底部采用三轴搅拌桩进行加固。
三轴搅拌桩加固示意图如2所示，其施作过程为：先做试桩，试验成功后再做大面积施做；当三轴搅拌桩加固施做完成后按照3%比例对三轴搅拌桩的咬合部位进行抽芯检查，检查不合格的继续补桩，直至合格。其中试桩的试验参数为：水泥注入量为538.2kg/m、注浆压力为4-7bar、钻杆提升速度为0.5-1.0m/min、搅拌下沉速度为0.1-0.5m/min；所述三轴搅拌桩直径为850mm，相邻所述三轴搅拌桩之间形成桩间咬合区21，使相邻所述三轴搅拌桩圆心之间的距离为600mm。
降水井如图3所示，其施做采用冲击成孔施工工艺，在所述降水井内下方设有滤管33，在所述滤管33上连有实管32；所述实管32的底部位于地表31以下5m处，并在所述实管32和降水井之间填充有粘土36；在所述滤管33与降水井之间填充碎石子35；所述降水井的直径为600mm，所述降水井的底板位于隧道底线34下方2000mm处。
3）始发台施工：始发台采用混凝土浇注，盾构始发台定位按照测量放样的控制点进行，始发台的基座为弧形结构；在所述始发基座的纵向两道预留有沟槽，横向一道预留沟槽，所述沟槽为盾构组装焊接预留操作空间；
4）盾构组装和调试；包括组装场地准备→始发准备→吊机组装就位→后配套拖车吊装与管线连接→主机吊装与连接→安装反力架→主机定位及与后配套连接→空载调试→安装负环管片→负载调试。
5）安装反力架和支撑结构；
6）安装洞门密封装置：所述密封装置包括固定在洞口2处预埋的环框41上的第一密封和通过密封环管49与所述第一密封固定连接的第二密封，在所述密封环管49上固定有一端与洞口2连接的加筋板42；所述第一密封和第二密封平行设置，间隔500mm；在所述密封环管49中间位置处设有油脂加注孔46；
步骤6）中所述第一密封包括挂在环框41上的第一橡胶帘布44，并通过第一圆环板43固定，在所述第一圆环板43的底部可转动连接有第一翻板45；所述第二密封包括与所述加筋板42和密封环管49的外侧固定连接的压板47，通过螺栓挂在所述压板47上的第二橡胶帘布50，所述第二橡胶帘布50通过第二圆环板48固定，在所述第二圆环板48的底部可转动连接有第二翻板。
7）洞门凿除；为常规凿除方式。
8）安装负环管片、盾构顶推至刀盘接触掌子面；为减小负环管片的失圆影响，负环管片采用错缝拼装方式。
9）泥水仓建立平衡压力：按设计值设定切口水压，并根据推进时刻的水位变化情况进行相应调整，严格控制泥水压力的波动值，使泥水压力的波动值控制在-0.2bar～+0.2bar；
10）盾构循环掘进；盾构始发时，盾构顶部位于淤泥层中，最大埋深8m；到达时，盾构位于淤泥和砂层中，盾构顶部埋深12m；在盾构掘进过程中仓内顶部压力值为0-1.46bar，地面监测频率为次/2h，推力为3500-6500t，掘进速度为5-10mm，刀盘转速为0.5-1.0r/min，刀盘扭矩为2000-6000Kn.m，注浆压力为2-3bar，进浆比重为1.05-1.08g/cm3, 出浆比重为1.08-1.25g/cm3。
另外，在所述素混凝土连续墙与三轴搅拌桩之间设有旋喷桩，并在洞门上钻设水平孔，检验洞门注浆效果，在不能满足要求时需继续补注浆，直至达到设计要求。
洞门密封的施工分两步进行，第一步在始发端墙施工过程中，做好防水装置预埋环框的埋设工作，预埋环框必须与端墙结构钢筋连接在一起；第二步在洞门第二层混凝土凿除完成之前，完成洞口密封压板、橡胶帘布板等的安装。
切口水压的设定方式如下：
理论计算：
a 切口水压上限值：
P上=P1＋P2＋P3
=γw•h＋K0•[（γ-γw）•h+γ•（H-h）]＋20
P上：切口水压上限值（kPa）；P1：地下水压力（kPa）；P2：静止土压力（kPa）；P3：变动土压力，一般取20kPa；γw：水的溶重（kN/m3）；h：地下水位以下的隧道埋深（算至隧道中心）（m）；K0：静止土压力系数；γ：土的容重（kN/m3）；H：隧道埋深（算至隧道中心）（m）。b 切口水压下限值：
P下=P1+P'2+P3
=γw•h+Ka•[（γ-γw）•h+γ•（H-h）]-2•Cu•sqr（Ka）+20
P下：切口水压下限值（kPa）；P'2：主动土压力（kPa）；Ka：主动土压力系数；Cu：土的凝聚力（kPa）。
盾构掘进作业流程为：试掘进100m→设备管理标准→开挖掘进同时进行同步注浆→达到掘进循环进尺→管片拼装→掘进→下一循环。
盾构试掘进100m要达到的目的：
1）熟悉盾构各项性能，完成盾构整机磨合负载运转；
2）熟练盾构和配套设备各项操作，掌握盾构施工操作流程和施工顺序；
3）检验后配套设备的匹配能力，如泥水处理系统、垂直运输系统和水平运输系统等；
4）收集数据，积累经验，为下一步正常快速掘进施工提供参考依据和信息。
盾构试掘进阶段的盾构掘进参数和指标如表1所示：
管片拼装、施工精度要求必须达到下列精度：
1）整环拼装的允许误差：相邻环的环面间隙5mm，纵缝相邻块块间间隙为6mm。
2）衬砌环直径圆度，拼装允许偏差±6‰Dmm。其中D指隧道的外直径单位：mm。
3）隧道圆环平面位置允许偏差±50mm。
盾构掘进速度设定时，需注意以下几点：
1）盾构启动时，盾构司机需检查千斤顶是否顶实，开始推进和结束推进之前速度不宜过快。每环掘进开始时，应逐步提高掘进速度，防止启动速度过大冲击扰动地层。
2）每环正常掘进过程中，掘进速度值应尽量保持衡定，减少波动，以保证切口水压稳定和送、排泥管的畅通。在调整掘进速度时，应逐步调整，避免速度突变对地层造成冲击扰动和造成切口水压摆动过大。
3）推进速度的快慢必须满足每环掘进注浆量的要求，保证同步注浆系统始终处于良好工作状态。
4）掘进速度选取时，必须注意与地质条件匹配，避免速度选择不合适对盾构刀盘、刀具造成非正常损坏和造成隧道周边土体扰动过大。
盾构在掘进施工过程中，第1环掘进为满仓掘进，气垫仓保压0.75bar。第2环到第7环掘进根据洞门密封情况每环逐步加压0.1-0.3bar；第7环掘进完成后进行洞门二次密封后第8环开始按照理论计算加压1.46bar。
施工过程中的注意事项：
(1)管片合理选型，居中安装，以防盾构与管片间隙一边过大，一边过小，造成盾尾间隙不均匀而降低盾尾密封效果，甚至损坏盾尾尾刷，施工时将盾尾间隙差值控制在20mm之内。
(2)按设计值设定切口水压，并根据推进时刻的水位变化情况进行相应调整，严格控制泥水压力的波动值，防止切口水压偏低无法支撑开挖面土体，造成土体塌陷；防止切口水压较高，对土体扰动过大，造成土体坍塌。压力波动控制在-0.2bar～+0.2bar,避免压力波动击穿海底浅埋覆盖软土层。
(3)加强海底段泥浆质量控制、送排泥监控，适当提高泥浆比重和并控制其粘度，保证泥膜质量，加强送排泥监控，提前计算掘进速度与进排泥的关系，发现排泥异常，及时调整参数，防止超挖造成塌陷；
(4)严格控制出土量，当干砂量过大时，提高地层探测装置的使用频率，以便及时掌握切口正面土体坍塌情况，并及时根据具体施工情况及时进行调整参数，使干砂量的数据接近理论值，减少正面土体塌方的可能；
(5)当发现海底冒浆时，如果是轻微的冒浆，在不降低开挖面水压下能进行推进，则向前推进，同时适当加快推进速度，提高拼装效率，使盾构尽早穿过冒浆区；
(6)当冒浆严重，不能推进时：将开挖面水压降低到（土压+水压）平衡为止；提高泥水比重，和粘度采用重浆推进；为了能使盾构向前推进，检查掘削干砂量，确认有无超挖；掘进一定距离后进行充分的壁后注浆；将开挖面水压返回到正常状态，进行正常掘进。
(7)提高同步注浆质量，要求浆液有较短的初凝时间，使其遇泥水后不产生裂化，并要求浆液具有一定的流动性，能均匀地布满隧道一周，及时充填建筑空隙；在同步注浆的基础上，注水泥水玻璃双液浆，在隧道周围形成环箍，每隔10进行封环处理，使隧道纵向形成间断的止水隔离带，以减缓、制约隧道上浮，从而控制隧道变形。
(8)当发现隧道上浮量较大，且波及范围较远时应立即采取对已建隧道进行二次注浆措施，以割断泥水继续流失路径。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种浅覆土盾构施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）始发井施工：盾构始发井采用明挖逆作法施工，始发井的基坑围护结构采用1200mm厚地连墙，竖向设置六道斜砼支撑，中间设置临时中立柱，在所述临时中立柱下方设有Φ1200mm的钻孔桩；
2）始发段加固及降水：所述始发段加固包括始发段端头加固和地层加固；并在始发段加固后施工降水井，使盾构在始发和达到之前提前降水至隧道底部以下；
3）始发台施工：始发台采用混凝土浇注，盾构始发台定位按照测量放样的控制点进行，始发台的基座为弧形结构；在所述始发基座的纵向两道预留有沟槽，横向一道预留沟槽，所述沟槽为盾构组装焊接预留操作空间；
4）盾构组装和调试；
5）安装反力架和支撑结构；
6）安装洞门密封装置：所述密封装置包括固定在洞口处预埋的环框上的第一密封和通过密封环管与所述第一密封固定连接的第二密封，在所述密封环管上固定有一端与洞口连接的加筋板；所述第一密封和第二密封平行设置，间隔500mm；在所述密封环管中间位置处设有油脂加注孔；
7）洞门凿除；
8）安装负环管片、盾构顶推至刀盘接触掌子面；
9）泥水仓建立平衡压力：按设计值设定切口水压，并根据推进时刻的水位变化情况进行相应调整，严格控制泥水压力的波动值，使泥水压力的波动值控制在-0.2bar～+0.2bar；
10）盾构循环掘进。
2.根据权利要求1所述的浅覆土盾构施工方法，其特征在于，步骤1）中所述临时中立柱采用460mm×460mm格构柱。
3.根据权利要求1所述的浅覆土盾构施工方法，其特征在于，步骤2）中所述始发段端头加固包括如下步骤：
①在始发井的基坑围护结构位于洞门的一侧先采用C25素混凝土施作始发加固区外围结构，形成3面素混凝土连续墙，使3面素混凝土连续墙与始发井围护结构合围形成盾构始发加固区；
②在所述盾构始发加固区内位于洞门处施作第一洞门加固区，所述第一洞门加固区为1m厚的素混凝土连续墙；
③在所述第一洞门加固区在外表面上采用3排Φ1200@800mm三重管高压旋喷加固方式施作第二洞门加固区，并在始发井围护结构和始发加固区外围结构外侧施作第三洞门加固区；所述第三洞门加固区呈三角状，且其一侧面与始发井围护结构固定连接，底部与始发加固区外围结构固定连接；
④在所述盾构始发加固区内底部采用三轴搅拌桩进行加固。
4.根据权利要求3所述的浅覆土盾构施工方法，其特征在于，步骤④中所述三轴搅拌桩的施作过程为：先做试桩，试验成功后再做大面积施做；当三轴搅拌桩加固施做完成后按照3%比例对三轴搅拌桩的咬合部位进行抽芯检查，检查不合格的继续补桩，直至合格。
5.根据权利要求4所述的浅覆土盾构施工方法，其特征在于，所述试桩的试验参数为：水泥注入量为538.2kg/m、注浆压力为4-7bar、钻杆提升速度为0.5-1.0m/min、搅拌下沉速度为0.1-0.5m/min；所述三轴搅拌桩直径为850mm，相邻所述三轴搅拌桩之间形成桩间咬合区，使相邻所述三轴搅拌桩圆心之间的距离为600mm。
6.根据权利要求4所述的浅覆土盾构施工方法，其特征在于，在所述素混凝土连续墙与三轴搅拌桩之间设有旋喷桩，并在洞门上钻设水平孔，检验洞门注浆效果，在不能满足要求时需继续补注浆，直至达到设计要求。
7.根据权利要求1所述的浅覆土盾构施工方法，其特征在于，步骤2）中所述降水井的施做采用冲击成孔施工工艺，在所述降水井内下方设有滤管，在所述滤管上连有实管；所述实管的底部位于地表以下5m处，并在所述实管和降水井之间填充有粘土；在所述滤管与降水井之间填充碎石子；所述降水井的直径为600mm，所述降水井的底板位于隧道底线下方2000mm处。
8.根据权利要求1所述的浅覆土盾构施工方法，其特征在于，步骤4）包括组装场地准备→始发准备→吊机组装就位→后配套拖车吊装与管线连接→主机吊装与连接→安装反力架→主机定位及与后配套连接→空载调试→安装负环管片→负载调试。
9.根据权利要求1所述的浅覆土盾构施工方法，其特征在于，步骤6）中所述第一密封包括挂在环框上的第一橡胶帘布，并通过第一圆环板固定，在所述第一圆环板的底部可转动连接有第一翻板；所述第二密封包括与所述加筋板和密封环管的外侧固定连接的压板，通过螺栓挂在所述压板上的第二橡胶帘布，所述第二橡胶帘布通过第二圆环板固定，在所述第二圆环板的底部可转动连接有第二翻板。
10.根据权利要求1所述的浅覆土盾构施工方法，其特征在于，步骤10）中在盾构掘进过程中仓内顶部压力值为0-1.46bar，地面监测频率为次/2h，推力为3500-6500t，掘进速度为5-10mm，刀盘转速为0.5-1.0r/min，刀盘扭矩为2000-6000Kn.m，注浆压力为2-3bar，进浆比重为1.05-1.08g/cm3, 出浆比重为1.08-1.25g/cm3。
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