CN102767194A

CN102767194A - 一种锚索法处治运营地铁隧道沉降的施工方法

Info

Publication number: CN102767194A
Application number: CN2012102420592A
Authority: CN
Inventors: 孔纲强; 刘汉龙; 丁选明
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2032-07-13
Also published as: CN102767194B

Abstract

一种锚索法处治运营地铁隧道沉降的施工方法，利用水平定向钻机沿设计弧形曲线钻进钻头形成导向钻孔，将导向钻头更换为反转扩孔钻头，回钻钻机并一次性回拖钢绞线，在钢绞线穿出地面的入土点和出土点位置浇注预留穿越钢绞线通道的混凝土墩和支撑混凝土墩的基桩，并施加预应力，形成一个穿越运营地铁隧道下方的预应力锚索体系构建物；软弱土地域沿运营地铁隧道方向每隔200-600m布置一个预应力锚索体系构建物。该技术方法属于非开挖施工技术，工程量少，工程造价低，对周围建筑物环境等影响小；施工期间不仅不影响地铁隧道的正常运行；而且可有效地解决地铁隧道在软弱土层地段区域土体沉降引起的差异沉陷变形问题，减小长期维护的费用，保证运营安全。

Description

一种锚索法处治运营地铁隧道沉降的施工方法

技术领域

本发明涉及隧道与地下工程技术领域，尤其涉及一种锚索法处治运营地铁隧道沉降的施工方法。主要适用于软弱土地基中运营地铁由于列车循环动荷载等因素影响而导致长期沉降控制等技术领域。

背景技术

随着国家软弱土地区地铁隧道等基础设施大量投入运营，这些工程作为国家城市生命线工程，在地铁隧道运营期容易逐步产生差异沉降等病害。例如，目前上海地区部分地铁运营以来已经有30-40 cm的沉降，长此以往将影响列车正常运营。运营期间内隧道差异沉降严重影响列车运营安全，其安全性极大地影响着人民生命财产安全，以及社会稳定。控制运营期隧道差异沉降是保证工程质量与安全的关键技术问题之一。若不从根本上解决此问题，每次都需要花费较多的费用处治差异变形，处治周期长、维修处治施工对隧道运营及周围环境影响大，而且往往处治效果不佳；因此，探讨从根本上处治运营期产生的差异沉降、且处治施工工艺对地铁隧道运营影响小的技术方案显得尤为迫切。

在本发明之前，中国发明专利“一种在运营隧道上方进行深大基坑施工的方法及防变形结构”（专利号：ZL200410015918.X），公布了一种当深大基坑开挖遇到运营隧道区间时，通过在运营隧道区间两侧打设抗拔桩、在抗拔桩排之间设置或浇注结构底板，抗拔桩排和结构底板有效连接防止隧道上方土体开挖卸荷造成隧道变形的技术方案。该技术方案主要针对局部开挖卸荷引起的运营隧道变形，而对于处治软弱土地区长距离地铁隧道在列车长期循环动荷载等因素影响下，引起的不同地铁隧道区段之间的差异沉降尚无明显效果；同时该法中结构底板只能在运营上方浇注，且只能用明挖完成后，再浇注底板，这导致工程量的增大，也增大了卸荷应力值，对运营隧道安全与稳定不利。中国发明专利“具有控制变形装置的双层结构圆隧道”（专利号：ZL200510112096.1），公布了一种在双层结构圆隧道预制管片拼装中设置拉杆以减少隧道变形的技术方案；该技术方法对于隧道预制管片拼接过程中的微小变形有效果，且能在一定程度上的减少隧道变形；但是这样的加强肋对于长细比过大的盾构隧道不适应，因为长细比过大表明柔性越强，即使是钢管，长细比过大也会沉降；同时该法仅在隧道施工期管节连接的差异沉降控制有效，一旦运营地铁隧道产生了差异沉降，该法无法对运营期产生的差异沉降起到控制效果。此外，预先采用软土地基处理方法使新建隧道地基土体固结沉降，从而减少后期土体沉降以控制地铁结构变形的技术也是一种沉降控制方法；但是此法对于运营期沉降无法进行有效控制。

列车循环动荷载作用下软弱土地基沉降情况复杂，由于受不同路段地质情况的变化、不同结构物之间的过渡连接，不同路段地基处治方式的差异，软弱土的固结沉降时间特性及其结构性，以及地下水变化等因素的影响，在地铁隧道运营期容易逐步产生差异沉降等病害，危害地铁隧道运营安全。目前已有技术方案中，尚无可以有效控制软弱土地区长细比超大的地铁隧道运营期的差异沉降的技术；若无限制的增大隧道支护结构既不经济、又不环保，且效果不佳，不能从根本上解决长细比超大的地铁隧道差异沉降；因此，开发一种可以有效控制地铁隧道运营期沉降的技术方法成为一个刻不容缓的工作。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足和缺陷，解决列车循环动荷载作用下软弱土地区运营地铁隧道沿隧道方向差异沉降问题，提出一种利用锚索法处治运营地铁隧道沉降的施工方法，沿地铁隧道方向间隔布置锚索体系支撑地铁隧道，以达到整体控制运营地铁隧道在软弱土地区差异沉降变形的目的。

本发明采用的技术方案为：设计一条穿越运营地铁隧道下方并穿出地表面的钻孔弧形曲线，利用水平定向钻机沿设计弧形曲线钻进钻头形成导向钻孔，钻进的过程中利用泥浆护壁，完成导向钻孔后，将导向钻头更换为反转扩孔钻头，通过单动接头连接带保护层的钢绞线，回钻钻机并一次性回拖钢绞线；重复工艺，在该条钢绞线附近3-4 m处施工第二条钢绞线；在钢绞线穿出地面的入土点和出土点位置浇注预留穿越钢绞线通道的混凝土墩和支撑混凝土墩的桩基础，钢绞线穿过混凝土墩并利用该墩作为反力施加预应力，形成一个穿越运营地铁隧道下方的预应力锚索体系构建物；根据运营地铁隧道三维计算分析确定，软弱土地域沿运营地铁隧道方向每隔200-600 m布置一个预应力锚索体系构建物，运营地铁隧道的附加动荷载引起下部软弱土沉降而散失的支撑力，由预应力锚索体系承担，从而有效地控制超长细比的运营地铁隧道结构的沉陷扭曲变形问题。

一种锚索法处治运营地铁隧道沉降的施工方法，包括以下技术步骤：

（1）确定软弱土层运营地铁隧道区域沉降变形较大所对应的地面位置，探明拟施工范围内地下各类管线分布情况，设计钻孔曲线并平整场地、测量放线，在运营地铁隧道两侧20-200 m处确定水平定向钻机工作坑、入土点及出土点位置；

（2）在工作坑内架设水平定向钻机施工机械，钻头和钻杆对应入土点，钻机必须安装在入土点和出土点的连线上，左右误差不超过0.3 m，并连接好地锚箱、泥浆系统、钻杆、辅助动力源、液压管线、以及控制电缆，并进行试运转调试表盘、操作手柄以及泥浆系统各部位运行情况；

（3）制作外套防腐保护层的直径为70-400 mm的钢绞线，外套保护层外面涂润滑油减少其在钻孔内的摩擦阻力，并放置在出土点附近；

（4）根据设计曲线，从入土点开始钻进导向钻孔并采用泥浆护壁，导向孔的钻具由导向钻头、控向仪和钻杆组成，曲线半径不小于1500倍的导向钻孔直径，每根钻杆倾角为0.4-0.6度，在入土点和出土点连线上每隔25 m布置监测标记，监测每根钻杆的位置，在实际钻进过程中，动态调控控向仪保证钻进方向；

（5）导向孔完成后，根据钻孔轨迹和数据记录，检查导向孔实际出土点纵向偏差是否小于穿越长度的1 %且小于10 m，横向偏差是否小于穿越长度的2 %且小于2 m，从而确定此导向孔是否可用；

（6）确定导向孔可用之后，卸下导向钻头、换上反转扩孔钻头，通过钻机旋转反转扩孔，并在反转扩孔器后面通过单动接头连接钻杆；

（7）完成反转扩孔至设计孔径之后，通过单动接头将孔内的钻杆与放置在出土点附近的带保护层外套的钢绞线连接，确保钢绞线与导向孔轴方向平行；

（8）将带保护层外套的钢绞线一次性回拖进入充满泥浆的孔中，并从入土点穿越出来；

（9）完成第一根钢绞线施工后，移动水平定向钻机，重复步骤（2）~（8），在第一根钢绞线附近3-4 m处施工完成第二根钢绞线；

（10）撤离水平定向钻机，并在入土点工作坑和出土点位置挖出6 m长、3 m宽和3 m深的坑，根据设计承载力验算结果，在坑底打设承载群桩；

（11）完成桩基施工之后，在两坑中浇注6 m长、3 m宽和4 m高的混凝土墩，浇注混凝土墩之前在混凝土墩中间预留钢绞线穿越的通道，并让钢绞线从预留的通道中穿越拟浇注的混凝土墩；

（12）待混凝土墩凝固完成后，利用锚索镙铨对钢绞线施加预应力；

（13）重复步骤（1）~（12），在沿运营地铁隧道方向软弱土层沉降量较大地段，每间隔200-600 m施工一个锚索构建物，最后完成软弱土地区运营地铁隧道差异沉降控制技术的整体施工。

所述的导向钻头，其直径为50-200 mm，导向钻头的类型和材质可根据相应的地质情况选择确定。

所述的钻杆，其直径为50-200 mm，每节杆长为2-3 m，每节钻杆之间通过环扣连接。

所述的反转扩孔钻头，其直径为150-600 mm，与钻杆环扣连接。

所述的钢绞线，其直径为70-400 mm，由钢丝缠绕构成，钢绞线外面包裹防腐蚀、防渗漏保护层，在回拖之前保护层外面涂润滑油，以减少在钻孔中的回拖阻力，钢绞线两端设置可供施加预应力的固定设备。

所述的混凝土墩，其尺寸为6 m长、3 m宽和4 m高，混凝土墩为现浇混凝土墩，且内部预留供钢绞线穿越的通道，混凝土材料为高强混凝土材料。

所述的支撑混凝土墩的钢筋混凝土桩，其直径为0.5-1.0 m，桩长根据设计承载力要求确定。

所述的钻孔曲线，包括直线段和曲线段，曲线段位于运营地铁隧道正下方范围内，其曲率半径大于1500倍的导向钻孔直径。

本发明的优点和效果在于：利用水平定向钻机在运营地铁隧道下方钻孔，形成绕过运营地铁隧道下方并穿出地面的弧形曲线，回钻钻机并埋设钢绞线，在钢绞线穿出地面的位置浇注混凝土墩，钢绞线穿过混凝土墩并利用该墩作为反力施加预应力；沿运营地铁隧道方向软弱土层地段区域间隔200-600 m布置一个预应力锚索构建物，运营地铁隧道的附加动荷载引起下部软弱土沉降而散失的支撑力，由预应力锚索体系承担，从而有效地控制超长细比的运营地铁隧道结构的沉陷扭曲变形问题。该技术方法属于非开挖施工技术，不需要进行大量开挖，工程量少，工程造价低，对运营地铁隧道以及周围建筑物环境等影响小；施工期间不仅不影响地铁隧道的正常运行，而且工程量小；可有效地解决长细比超大的地铁隧道在软弱土层地段区域土体沉降引起的差异沉陷变形问题，减小了长期维护的费用，保证运营安全。该方法施工工艺简单、可操作性强，便于质量控制，经济效益明显，处治效果显著。

附图说明

图1为本发明的导向钻孔施工纵向截面结构示意图；

图2为本发明的反转扩孔施工纵向截面结构示意图；

图3为本发明的钢绞线回拖纵向截面结构示意图；

图4为本发明施工完成后的纵向截面示意图；

图5为本发明混凝土墩及桩支撑结构纵向截面示意图；

其中，1为上部建筑物，2为运营地铁隧道，3为地表面，4为入土点，5为出土点，6为水平定向钻机，7为钻杆，8为导向钻头，9为钻孔曲线，10为带保护层的钢绞线，11为反转扩孔钻头，12为单动接头，13为混凝土墩，14为锚索镙拴，15为钢筋混凝土桩。

具体实施方式

以下结合附图详细叙述本发明的具体实施方式。本发明的保护范围并不仅仅局限于本实施方式的描述。

首先，确定软弱土层运营地铁隧道2区域沉降变形较大所对应的地面位置，探明拟施工范围内地下各类管线分布情况，设计钻孔曲线9并平整场地、测量放线，在运营地铁隧道2一侧20-100 m处确定工作坑位置，架设水平定向钻机6施工机械，施工机械必须安装在入土点4和出土点5的连线上，左右误差不超过0.3 m；在入土点4工作坑安装钻机6，并连接好地锚箱、泥浆系统、钻杆7、辅助动力源、液压管线、以及控制电缆，并进行试运转调试表盘、操作手柄以及泥浆系统各部位运行情况；制作外套防腐保护层的直径为20-50 mm的钢绞线10，外套保护层外面涂润滑油减少其在钻孔内的摩擦阻力，并放置在出土点5附近；根据设计钻孔曲线9，从入土点4开始钻进导向钻孔并采用泥浆护壁，导向孔的钻具由导向钻头8、控向仪和钻杆7组成，曲线半径不小于1500倍的导向钻孔直径，每根钻杆7倾角为0.4-0.6度，在入土点4和出土点5连线上每隔25 m布置监测标记，监测每根钻杆7的位置，在实际钻进过程中，动态调控控向仪保证钻进方向；导向孔完成后，根据钻孔轨迹和数据记录，检查导向孔实际出土点5纵向偏差是否小于穿越长度的1 %且小于10 m，横向偏差是否小于穿越长度的2 %且小于2 m，从而确定此导向孔是否可用；确定导向孔可用之后，卸下导向钻头8、换上反转扩孔钻头11，通过钻机旋转反转扩孔，并在反转扩孔器11后面通过单动接头12连接钻杆7；完成反转扩孔至设计孔径之后，通过单动接头12将孔内的钻杆7与放置在出土点附近的带保护层外套的钢绞线10连接，确保钢绞线10与导向孔轴方向平行；将带保护层外套的钢绞线10一次性回拖进入充满泥浆的孔中，并从入土点4穿越出来；完成第一根钢绞线10施工后，移动水平定向钻机6，重复上述步骤，在第一根钢绞线10附近3-4 m处施工完成第二根钢绞线10；撤离水平定向钻机6，并在入土点4工作坑和出土点5位置挖出6 m长、3 m宽和3 m深的坑；在坑底打设钢筋混凝土桩15；在两坑中浇注6 m长、3 m宽和4 m高的混凝土墩13，并在混凝土墩13中间预留钢绞线穿越的通道；待混凝土墩凝固完成后，钢绞线穿越预留的通道，并利用锚索镙铨14对钢绞线10施加预应力；重复上述步骤，在沿运营地铁隧道方向软弱土层沉降量较大地段，每间隔200-600 m施工一个锚索构建物，最后完成软弱土地区运营地铁隧道差异沉降控制技术的整体施工。

Claims

1.一种锚索法处治运营地铁隧道沉降的施工方法，包括以下技术步骤：

其特征在于还包括以下技术步骤：

2.权利要求1所述的一种锚索法处治运营地铁隧道沉降的施工方法，其特征在于：导向钻头直径为50-200 mm，钻杆直径为50-200 mm，每节杆长为2-3 m，每节钻杆之间通过环扣连接，反转扩孔钻头直径为150-600 mm，与钻杆环扣连接。

3.权利要求1所述的一种锚索法处治运营地铁隧道沉降的施工方法，其特征在于：钢绞线直径为70-400 mm，由钢丝缠绕构成，钢绞线外面包裹防腐蚀、防渗漏保护层，在回拖之前保护层外面涂润滑油，以减少在钻孔中的回拖阻力，钢绞线两端设置可供施加预应力的固定设备。