CN101598023B - 临近侧面有地下结构时的盾构隧道轴线的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种建筑工程技术领域的临近侧面有地下结构时的盾构隧道轴线的控制方法，包括以下步骤：采用三维有限元模型对盾构进行数值模拟，设定地下结构对盾构近距离穿越开始产生影响的范围L₁，以及隧道轴线需要重点控制的区段长度L₂；将距离重点保护区段L₂米前20环作为盾构的试推进区间；在盾构隧道和临近地下结构之间的由步骤(1)确定的L₂范围内的土体中安装侧面开孔的直径为d₁的PVC管，增加孔隙水排出的通路，减少孔隙水压力的积聚；对控制隧道轴线质量指标进行精确测量；进行监控和实时调整。本发明解决了地下结构的存在对盾构隧道轴线控制的影响问题，保证了地下结构的正常使用和盾构隧道轴线的质量控制，适用于同类工况。

Description

临近侧面有地下结构时的盾构隧道轴线的控制方法

技术领域

本发明涉及一种建筑工程技术领域的方法，具体是一种临近侧面有地下结构时的盾构隧道轴线的控制方法。

背景技术

由于城市建设速度加快、建设规模不断扩大，地下空间的利用率日益提高，各种地下结构日益密集。另外为了缓解城市交通压力，同时也加速了地铁建设的步伐以及地铁路线网状结构的形成。城市发展过程中，受到规划设计滞后性的影响及建设资金的限制，地铁建设近距离穿越已建地下结构的情况将会日益普遍。

盾构法隧道施工是用盾构一边防止土砂的坍塌，一边进行开挖、推进，并在盾尾进行衬砌作业从而修建隧道的方法，是目前地铁建设和市政工程建设中的主要施工方法。盾构推进是采用盾构法建造隧道施工发案中很重要的一道工序，其中盾构轴线的控制是盾构推进施工的一项关键技术。一条优质的隧道需要满足其使用功能，减小对周围环境的影响，隧道轴线的控制质量是主要技术指标之一。在保证临近地下结构安全的前提下，如何减少其对盾构隧道轴线质量的影响进行超前预控，以及如何采取有效措施调整出现的盾构隧道轴线质量问题的解决，对于加强我国的地铁建设和城市地下空间开发利用，具有非常重要的指导作用。

经对现有的技术文献检索发现，吕宏权在《铁道勘察》2007年发表的“盾构法施工过程中隧道轴线的控制分析”，该文针对某地铁区间隧道，分析了始发阶段、掘进阶段、到达阶段影响盾构机的掘进姿态和衬砌管片姿态的原因，指出施工过程中开挖和衬砌管片轴线数据的直接反映就是盾构机的掘进姿态和衬砌管片姿态，这两个姿态从盾构机的始发、推进到最后到达始终相互关联，相辅相成。归纳出主要从姿态控制、背衬注浆、管片选型三方面采取相应措施，进行隧道轴线控制。该文没有考虑隧道临近存在地下结构情况以及施工中孔隙水压力积累的释放作用，在周围地层中没有采取任何减弱影响盾构轴线的控制的高压力的措施。另外，对隧道轴线进行纠偏的措施的也不够完善。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的不足和缺陷，提出一种临近侧面有地下结构时的盾构隧道轴线的控制方法。本发明解决了地下结构的存在对盾构隧道轴线控制的影响问题，保证了地下结构的正常使用和盾构隧道轴线的质量控制，适用于同类工况。

本发明是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤：

(1)采用三维有限元模型对盾构近距离通过地下结构的整个穿越过程进行数值模拟，确定地下结构对盾构近距离穿越开始产生影响的范围L₁以及隧道轴线需要重点控制的区段长度L₂。三维有限元模型范围：水平方向应大于(2H+3D+L)，深度方向应大于(2H+2D)，长度据工程实际确定。其中，H为隧道的顶部埋深，D为隧道的外直径，L为隧道和地下结构的最小净间距；隧道置于模型的中间，底面距隧道底为2D。边界条件设定如下：隧道内侧采用自由边界，模型两侧约束水平位移，模型底部同时约束竖向与水平位移。土体的本构关系采用考虑弹塑性应变的修正剑桥模型，隧道结构取为弹性体。

(2)在步骤(1)有限元分析确定L₁~L₂范围内，将距离重点保护区段L₂前20环作为盾构的试掘进区间。通过在此区间内的试推进，确定盾构的施工参数，主要包括：盾构的推力、推进速度、注浆量、注浆压力、注浆液的配合比。

(3)在盾构隧道和临近地下结构之间的由步骤(1)确定的L₂范围内的土体中安装侧面开孔的直径为d₁的PVC管，增加孔隙水排出的通路，减少孔隙水压力的积聚。PVC管埋深为H+2D，管侧壁对称开四排孔径为d₂、孔距为d₂+30mm的孔，管长方向开孔位置距离隧道顶部和底部各D，PVC排水管安装方法：

①采用钻孔埋设，在土层中预钻孔同时泥浆护壁，孔径为d₁+20mm。

②将开孔PVC管外裹一层涤纶衬布，用尼龙绳系紧放入钻好的孔内，送至预定深度，且管顶需高出地面10mm。

③管与孔壁之间的间隙由下而上逐段用透水性较好的细砂填实，以固定排水管。

④在排水管周围地表开一条200mm深400mm宽的引水槽将排水管冒出的引走。

(4)对控制隧道轴线质量的各项重要指标进行精确测量，包括：

①地面测量

在盾构隧道地表布置沿着隧道轴线方向和垂直隧道轴线方向的沉降测点，地表及构筑物沉隆控制标准-30mm～+10mm。

②盾构姿态测量

包括平面测量、高程测量(控制标准-50mm～+50mm)和转角测量(控制标准＜5°)。

③管片测量

每隔3环进行一次管片姿态测量，管片环面不平整度＜3mm，相邻环高差≤4mm，环、纵缝张开＜2mm。

(5)根据步骤(4)反馈的测量数据进行信息化施工，对出现的影响隧道轴线偏差的因素及时进行调整。包括：

①盾构姿态纠偏

通过利用左右、上下两侧千斤顶的行程差产生偏转力矩分别调整平面、高程偏差，利用反转刀盘来减少偏转值。

②管片纠偏

采用同步注浆和石棉橡胶板综合纠偏。根据隧道管片姿态和地面变形监测结果，控制好注浆量的分布和注浆压力进行纠偏。在管片背对千斤顶环缝凹处分段粘贴不同厚度的石棉橡胶板进行纠偏，分段粘贴好的石棉橡胶板经掘进过程中千斤顶压缩后，成为一平整楔形环面，以达到转弯和轴线纠偏的目的。

本发明在精确测量指导下，采取有效预控以及纠偏措施，有效解决了地下结构的存在对盾构隧道轴线控制的影响问题，使得盾构隧道轴线有效地控制在设计要求范围内，弥补了已有工艺的不足和缺陷。本发明方法简单实用，同时保证了地下结构的正常使用和盾构隧道轴线的质量控制，适用于同类工况。

附图说明

图1盾构侧面存在地下连续墙平面图

图2 PVC排水管安装立面示意图

图3 PVC排水管引起的孔隙水压变化图

图4盾构切口平面轴线偏差图

图5盾构切口高程轴线偏差图

图6盾构管片高程轴线偏差图

图7盾构管片平面轴线偏差图

图8千斤顶纠偏示意图

图9采用石棉橡胶板进行管片纠偏示意图

具体实施方式

下面结合图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例：

某地铁区间隧道旁有一待建地下通道，通道地下连续墙部分已完成施工，从区间隧道旁侧面近距离穿过。通道地下连续墙与端头盾构接受井呈L型相连接。

如图1所示，盾构侧面存在地下连续墙平面图，具体实施步骤如下：

(1)隧道顶部埋深H＝9m，隧道外直径D＝6.2m，L＝3.8m，三维有限元模型长度取为200m，宽60m，高50m。经过有限元计算，确定L₁＝60m，L₂＝30m，重点控制区段L₂内，隧道和地下连续墙的距离为3.8m~5.8m。

(2)将距离L₂为20环的区段作为试推区间，对试推结果进行分析，确定盾构的合理施工参数：土压力设定值：210kPa，正常推进过程中实际土压力控制在200kPa以下；推进速度：2.0cm/min；盾构机总推力：12750kN；注浆压力：0.56MPa，注浆量：3.0m³，注浆液的配合比：水泥：110kg，粉煤灰：230kg，石灰：40kg，砂：520kg，减水剂：3kg，水：210kg。

(3)在盾构隧道与地下连续墙之间30m范围内，沿隧道轴线方向每隔5m布置一直径90mm的PVC排水管，图1给出了排水板平面布置图，图2为立面示意图，PVC排水管埋深为15.2m，管侧壁开孔直径50mm，孔距80mm，钻孔直径为110mm，管长方向开孔位置距离隧道顶部和底部各6.2m。PVC排水管采用钻孔埋设，钻孔孔径为110mm。图3给出了安装PVC排水管和未安装PVC排水管两种情况下，盾构推过图1中孔隙水压计前后的孔隙水压变化情况，由图可以看出，PVC排水管明显减弱了孔隙水压的积聚作用。

(4)①地面测量

在隧道轴线及其两侧各6m的范围内沿隧道轴线每隔5m布置地表沉降测点，图1标出了地表沉降测点平面布置图。

②盾构推进测量

用激光测量仪、陀螺仪进行盾构姿态自动跟踪测量控制。对每一环都必须提交切口、盾尾高程及平面偏差、盾构转角实测结果，并由此计算出盾构姿态及成环隧道中心轴线与设计轴线的偏差，将测量的成果绘制成隧道施工轴线与设计轴线偏差图。图4和图5分别给出了盾构切口平面轴线偏差和高程轴线偏差图，图中部分位置出现了较大偏差，依据此图对盾构机进行纠偏。

③管片测量

管片的上下法面(俯仰度)，利用吊铅锤线的方法来量测，左右法面可采用反射片测出该环管片左右两边对称点坐标，并计算出其实际方位角与理论方位角的偏差的方式进行测量。图6和图7分别给出了盾构管片平面轴线偏差和高程轴线偏差图，同样图中部分位置出现了较大偏差，依据此图对管片进行纠偏。

(5)在盾构施工过程中，对步骤(4)反馈的数据及时分析，对盾构和管片产生的轴线偏差及时作出调整。

①盾构纠偏

盾构掘进中，采用调整盾构千斤顶的组合来实现纠偏，保证盾构推进轨迹和隧道设计中心线的偏差在设计允许范围内。盾构共有22个千斤顶，按上、下、左、右四个扇形分布，推进千斤顶的油泵为变量泵，当盾构需要调整方向时，可通过调整四个区域千斤顶调节泵的流量，来调节千斤顶的顶力。盾构推进到741环时，图4的监测数据显示产生了48mm的盾构平面轴线偏差最大偏差，通过调整图8中2区和4区的千斤顶行程，平面偏差可逐渐调整到设计轴线上下15mm范围内；图5的监测数据显示盾构高程轴线最大偏差为29mm，调整图8中1区和3区的千斤顶行程，平面偏差可逐渐调整到设计轴线上下10mm范围内。

②管片纠偏

在曲线段推进和纠偏时通过有目的地选择盾尾同步注浆孔，改变各个注浆孔的注浆量分配和注浆压力，来调整管片姿态。图6显示，当推进到745环时，管片高程出现了23mm的向下偏差，增大下部的注浆孔注浆量及注浆压力，上部注浆孔不注，通过浆液将管片往上压进行纠偏，下偏量逐渐减小，管片轴线往设计轴线靠近。当推进到757环时，管片高程出现了39mm的向上偏差，增大上部的注浆孔注浆量及注浆压力，下部注浆孔不注，通过浆液将管片往下压进行纠偏，上偏量逐渐减小，管片轴线往设计轴线靠近。图7显示，当推进到739环时，管片高程出现了51mm的向右的偏差，采取图9的贴片方式进行。贴片厚度要求呈阶梯形分布，以免因楔形量突变而使管片集中受力。通过纠偏，管片右偏量逐渐明显减小，管片轴线往设计轴线靠近。向左纠偏时贴片方式相反，贴片厚度同样要求呈阶梯形分布。

Claims (4)

1.一种临近侧面有地下结构时的盾构隧道轴线的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用三维有限元模型对盾构进行数值模拟，设定地下结构对盾构近距离穿越开始产生影响的范围L₁，以及隧道轴线需要重点控制的区段长度L₂；

(2)在步骤(1)有限元分析确定L₁～L₂范围内，将距离重点保护区段L₁米前20环作为盾构的试推进区间；

(3)在盾构隧道和临近地下结构之间的由步骤(1)确定的L₂范围内的土体中安装侧面开孔的直径为d1的PVC管，增加孔隙水排出的通路，减少孔隙水压力的积聚，PVC管埋深为H+2D，管侧壁对称开四排孔径为d₂、孔距为d₂+30mm的孔，管长方向开孔位置距离隧道顶部和底部各D，其中，H为隧道的顶部埋深，D为隧道的外直径，其安装方法：

①采用钻孔埋设，在土层中预钻孔同时泥浆护壁，孔径为d₁+20mm；

②将开孔PVC管外裹一层涤纶衬布，用尼龙绳系紧放入钻好的孔内，送至预定深度，且管顶需高出地面10mm；

③管与孔壁之间的间隙由下而上逐段用透水性较好的细砂填实，以固定排水管；

④在排水管周围地表开一条200mm深400mm宽的引水槽将排水管冒出的引走；

(4)对控制隧道轴线质量指标进行精确测量，范围包括：

①地面测量，在盾构隧道地表布置沿着隧道轴线方向和垂直隧道轴线方向的沉降测点，地表及构筑物沉隆控制标准-30mm～+10mm；

②盾构姿态测量，包括平面测量、控制标准：-50mm～+50mm的高程测量和控制标准＜5°的转角测量；

③管片测量，每隔3环进行一次管片姿态测量，管片环面不平整度＜3mm，相邻环高差≤4mm，环、纵缝张开＜2mm；

(5)根据步骤(4)反馈的测量数据进行监控和实时调整。

2.根据权利要求1所述的临近侧面有地下结构时的盾构隧道轴线的控制方法，其特征是，步骤(1)中所述的三维有限元模型，其范围：水平方向应大于2H+3D+L，深度方向大于2H+2D，长度根据现场实际大小，其中，L为隧道和地下结构的最小净间距；隧道置于模型的中间，底面距隧道底为2D；边界条件设定如下：隧道内侧采用自由边界，模型两侧约束水平位移，模型底部同时约束竖向与水平位移；土体的本构关系采用考虑弹塑性应变的修正剑桥模型，隧道结构取为弹性体。

3.根据权利要求1所述的临近侧面有地下结构时的盾构隧道轴线的控制方法，其特征是，通过步骤(2)中所述的试推进，选择盾构的施工参数，包括：盾构的推力、推进速度、注浆量、注浆压力、注浆液的配合比。

4.根据权利要求1所述的临近侧面有地下结构时的盾构隧道轴线的控制方法，其特征是，步骤(5)中所述的实时调整，是指对出现的影响隧道轴线的偏差及时调整，包括：

①盾构姿态纠偏，通过利用左右、上下两侧千斤顶的行程差产生偏转力矩分别调整平面、高程偏差，利用反转刀盘来减少偏转值；

②管片纠偏，采用同步注浆和石棉橡胶板综合纠偏，根据隧道管片姿态和地面变形监测结果，控制好注浆量的分布和注浆压力进行纠偏，在管片背对千斤顶环缝凹处分段粘贴不同厚度的石棉橡胶板进行纠偏，分段粘贴好的石棉橡胶板经掘进过程中千斤顶压缩后，成为一平整楔形环面，以达到转弯和轴线纠偏的目的。

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