CN103032075B - 地面出入式盾构法隧道建造施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地面出入式盾构法隧道建造施工方法，包括但不限于以下次序步骤：确定隧道线路轴线；在地面或浅埋导坑设置盾构始发基座和导轨；盾构机安装于导轨上进行安装调试；盾构沿隧道线路轴线，斜向下方推入土体中，刀盘逐步切削土体，同时安装隧道衬砌管片；盾构沿隧道线路轴线斜向上方推出土面，进入预先设置在地面或浅埋导坑的盾构接收基座；将最后一环管片脱出盾构机盾尾，贯通隧道；对盾构地面始发位置和盾构地面接收位置的隧道端部设置防水端墙，并进行覆土施工。地面浅埋导坑替代深大工作井，节约了工程施工成本，缩短了建设工期。将节能、环保、低碳的建筑特色植入到地下空间开发领域。

Description

地面出入式盾构法隧道建造施工方法

技术领域

本发明涉及一种工程建筑领域的盾构法隧道建造方法，尤其是一种盾构从地面直接进出的地面出入式盾构法隧道建造施工方法。

背景技术

传统的盾构法隧道建造施工方法需要做两个工作井作为盾构始发井和接收井，盾构在工作井中始发和到达，隧道的引道段需要明挖。在采用常规盾构法进行始发和接收推进时，还需设置不宜小于盾构掘削机外径0.6倍的覆土。工作井施工和引道段明挖需要大量地面施工场地，带来了施工场地动拆迁、地面交通中断等一系列问题。而目前许多地下隧道工程，如城市地下立交、市政管道、地铁车辆段等，从功能上考虑都不需要设置工作井。这些都限制了盾构法技术的适用广度。

目前软土浅埋城市道路隧道、地道多采用明挖法施工，该施工方法将导致地面交通翻交改道、河道翻浇改道、管线搬迁，构筑物拆迁等，影响较大，前期业主需协调单位较多，拖延工期，增加投入。同时，由于明挖施工对临近建筑物的影响也产生了较大施工风险。深埋城市道路隧道，由于盾构机始发、到达的需要，需设置深大的工作井、设备段及暗埋段等。上述明挖基坑开挖深度大(一般20～30m)，造价昂贵，施工风险非常大。此外，轨道车辆段及部分由地面段渐入地下段的轨道交通线路，目前均设计工作井以满足盾构机始发、到达要求。工作井至地面段线路需采用明挖施工，工程量较大，工程周期长，投资较高。还有市政管路包括排水、蓄水、通信、电力、燃气、共同沟等隧道，设计设置工作井，仅作为临时施工结构，施工后覆土回填，造成较大浪费。

因此，取消工作井的地面出入式盾构法隧道新技术是解决上述问题的有效途径。提出地面出入式盾构施工新技术，盾构机可直接沿设计线路出入地面，将免去施工工作井及深埋明挖段带来的不利影响和投入，可大大节约成本、节省工期、减小对周边环境的影响。

该发明的核心理念是盾构机从地面始发，然后在超浅覆土(即覆土小于0.3倍隧道直径)条件下施工隧道，最终到达地面。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种有效减免大深工作井，改由盾构从地面直接进出的地面出入式盾构法隧道建造施工方法。

为实现上述技术效果，本发明公开了一种地面出入式盾构法隧道建造施工方法，包括但不限于以下次序步骤：

确定隧道线路轴线；

在地面或浅埋导坑设置盾构始发基座和导轨；

盾构机安装于导轨上进行安装调试；

盾构沿隧道线路轴线，斜向下方推入土体中，刀盘逐步切削土体，同时安装管片；

盾构沿隧道线路轴线斜向上方推出土面，进入预先设置在地面或浅埋导坑的盾构接收基座；

将最后一环管片脱出盾构机盾尾，贯通隧道；

对盾构地面始发位置和盾构地面接收位置的隧道端部设置防水端墙，并进行覆土施工。

本发明进一步的改进在于，所述浅埋导坑随所述隧道线路轴线倾斜，其在近土侧设置斜坡土面。

本发明进一步的改进在于，所述盾构始发基座为钢筋混凝土基座，所述盾构接收基座为可切削砂浆基座。

本发明进一步的改进在于，在所述管片中设置纵向拉紧螺栓，并均匀分布；在拼装时，使用扭力扳手将管片螺栓及纵向拉紧螺栓拧紧到预定扭矩。

本发明进一步的改进在于，在盾构地面始发位置和盾构地面接收位置对应盾构推进管片分别设置不同的覆土段，极浅覆土(即覆土小于0.3倍隧道直径)时选择盾构上、中部土压计，结合正常覆土段盾构推力情况，将推力控制在最大推力的20％～60％，盾构速度为5mm/min～15mm/min，推进出土量按理论出土量的98％～100％进行控制，适当欠挖；负覆土(即土面位于隧道顶部以下)时选择盾构下部土压计，盾构推力控制不大于最大推力的20％，盾构速度小于5mm/min，推进出土量按理论出土量的100％～102％进行控制，适当超挖；盾构机进入可切削砂浆基座时，盾构推力控制不大于最大推力的15％。

本发明进一步的改进在于，在极浅覆土和负覆土的工况时，采用刀盘改良和土仓改良相结合的方式来实现盾构机顺利切削土体和排渣，刀盘改良采用泡沫剂，泡沫剂浓度为1％～2％，发泡率为8～12，注入率为100％～200％；土仓改良采用专用改良剂，专用改良剂配比为高分子聚合物浓度4％～8％，初始粘度＞30S，两小时后粘度为滴流，注入率5％～10％。

本发明进一步的改进在于，所述盾构机包括盾构主机，所述盾构主机具有开口率大于45％的辐条式刀盘；盾构机盾尾设有四根注浆管路，采用两台注浆泵，四个注浆管路的压注口各自控制四个注浆点，实现盾尾四点连续注浆。

本发明进一步的改进在于，在极浅覆土时，采用双泵四点同步注浆工艺压注浆液，使盾尾后四点同步灌注浆液，浆液采用专用可流动厚浆，浆液注入率为建筑空隙的110％～150％，盾尾注浆口上下注浆量比例为1:2～2:3，盾尾注浆口左右注浆量比例为1:1，并根据盾构姿态纠偏适当调整；在负覆土时，采用双泵两点同步注浆工艺压注浆液，使盾尾下部两点同步灌注浆液，浆液采用专用可流动厚浆，浆液注入率为有效建筑空隙的90％～100％，盾尾注浆口左右注浆量比例为1:1，并根据盾构姿态纠偏适当调整；在盾构机进入可切削砂浆基座时，采用壁后跟踪注浆工艺，通过注浆管路压注浆液，浆液采用速凝性高强度砂浆，浆液注入率为有效建筑空隙的90％～100％。

本发明进一步的改进在于，所述盾构机包括管片支撑稳定装置，所述管片支撑稳定装置包含有八个支撑环，所述支撑环的两侧分别设有油缸驱动的可伸缩的半圆形的顶块，所述顶块圆周布置有滚轮，用来支撑管片，所述滚轮的伸缩量可手动调节。

本发明进一步的改进在于，每环管片除封顶块外，每块管片增加注浆孔和锚杆孔，通过所述锚杆孔在隧道内向外侧土体打设锚杆，锚固稳定隧道；管片接缝处采用特殊低硬度多孔断面三元乙丙胶弹性密封垫密封。

本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果是：通过隧道设计、专用盾构机设备和盾构地面始发接收施工，使盾构掘进替代暗埋段明挖，减少了对周边环境的影响；地面浅埋导坑替代深大工作井或直接取消深大工作井，节约了工程施工成本，缩短了建设工期。将节能、环保、低碳的建筑特色植入到地下空间开发领域，使盾构施工技术迈上了一个新的台阶。

附图说明

图1是本发明地面出入式盾构法隧道建造施工方法的隧道结构示意图。

图2是本发明地面出入式盾构法隧道建造施工方法的盾构地面始发的第一种实施方式的结构示意图。

图3是本发明地面出入式盾构法隧道建造施工方法的盾构地面接收的第一种实施方式的结构示意图。

图4是本发明地面出入式盾构法隧道建造施工方法的地面浅埋导坑的一种实施方式的结构示意图。

图5是本发明地面出入式盾构法隧道建造施工方法的盾构地面始发的第二种实施方式的结构示意图。

图6是本发明地面出入式盾构法隧道建造施工方法的盾构地面接收的第二种实施方式的结构示意图。

具体实施方式

为利于对本发明结构的进一步了解，本发明以图1～图6的一较佳实施例作说明。

首先参阅图1所示，本发明地面出入式盾构法隧道10的轴线为由地上进入地下的线形，盾构法隧道10包括出入地面的接线段隧道11和超浅覆土段隧道12。

盾构可以由地面直接始发和接收，如图2、图3所示。也可设置地面浅埋导坑，盾构在浅埋导坑中始发和接收，如图4、图5、图6所示。

配合图2所示，沿该隧道线路轴线分别在盾构地面始发位置设置盾构始发基座111和后靠支撑系统112，盾构机13沿轴线向下直接进入土体，完成出入地面的接线段隧道11。配合图3所示，沿该隧道线路轴线分别在盾构地面接收位置设置盾构接收基座113，盾构机13沿轴线向上直接推出土体，完成出入地面的接线段隧道11。

配合图4所示，沿该隧道线路轴线分别在盾构地面始发位置和盾构地面接收位置设置一地面浅埋导坑14，地面浅埋导坑14包括导坑底板141。

进一步结合图5所示，设置于盾构地面始发位置的地面浅埋导坑14的导坑底板141上设置盾构始发基座111，采用钢筋混凝土基座，以便于承载盾构机13，并且在盾构始发基座111上设有引导盾构机13进入土地的导轨，盾构机13安装于导轨上进行安装调试，斜向下方推进入土体中，开始挖掘隧道，铺设管片113，并进行相关施工，完成出入地面的接线段隧道11。

再结合图6所示，设置于盾构地面接收位置的地面浅埋导坑14的导坑底板141上设置盾构接收基座113，采用可切削砂浆基座，便于盾构机13切削进入其中。盾构机13斜向上推出土体，盾构机13至隧道10端部后，管片113脱出盾构机13，完成出入地面的接线段隧道11。

本发明地面出入式盾构法隧道建造施工方法的具体的施工内容如下：

第一、隧道设计

(1)直达地面的隧道线路轴线：具有一定坡度的斜线。

(2)地面浅埋导坑：设计在地面的浅埋盾构导向坑，放置盾构机设备。

(3)隧道抗浮设计：隧道衬砌结构和道床采用钢筋钢纤维混凝土，提高隧道的自重；在隧道内向外侧土体打设锚杆，锚固稳定隧道。

(4)特殊衬砌环设计：采用斜螺栓和纵向拉紧螺栓，每环管片除封顶块外，每块管片增加注浆孔和锚杆孔。

(5)特殊优化衬砌防水：管片接缝密封垫采用特殊低硬度多孔断面三元乙丙胶弹性密封垫。

(6)隧道与地面导坑端部连接结构：针对隧道管片露出地面的特点，设置隧道与导坑的特殊端部结构。

第二、专用盾构机设备

(1)盾构主机：刀盘为辐条式，有60％的开口率。具有这样的开口率，开挖面土体就能很容易地进入。盾构两侧各设有2只推进油缸可以通过临时拆掉固定块的方式使得油缸变成自由摆动状态，来取得更好的纠偏能力。土舱内设置了5个土压力传感器，传感器能合理正确地反映土舱的土压力，并能将数据传送到控制系统，进行土压的自动平衡控制。

(2)管片支撑稳定装置：该装置有8个支撑环各支撑8环管片，每环两侧有油缸驱动的可伸缩的半圆形顶块，顶块圆周上布置了滚轮用来撑住管片，可根据实际情况用油缸调节顶块的伸缩量，在特殊情况下可以手动调节每个滚轮的伸缩量；盾构行进时拖动该装置一起向前走，油缸上配备有压力和行程传感器，可检测每一支撑环的实际状态然后进行实时控制，能有效保证管片的稳定性。

(3)车架紧凑性集成化设计：针对液压系统、电气系统及辅助系统进行紧凑性集成化设计。液压技术采用紧凑型液压元器件，并对其进行高度集成和优化。电气系统技术将盾构控制系统、数据采集系统、导向系统、盾尾间隙测量系统集合一体监控，并采用远程控制模块设计。辅助系统技术将车架内的设备进行合理布置，提高空间利用率，缩短盾构车架长度。

(4)特殊同步注浆系统：盾构机盾尾设有4根注浆管路，采用两台注浆泵，4个压注口各自控制4个注浆点。注浆泵为自装填，全液压双缸柱塞泵，带液压控制提升阀。实现盾尾4点连续注浆，输送量精确。

第三、盾构地面始发接收

(1)盾构地面始发施工：根据隧道设计线形，施工地面浅埋导坑，并制作钢筋混凝土基座和导向轨；盾构放置于导轨上进行安装调试，并制作盾构后靠支撑系统。随后盾构斜向下方推进入土体中，并同时拼装隧道正环管片。当盾构推进进入土体一定距离后，隧道管片所产生的摩擦力足够时，拆除盾构后靠支撑系统，并制作隧道与地面导坑端部连接结构。

(2)盾构地面接收施工：根据隧道设计线形，施工地面浅埋导坑，并制作可切削砂浆基座；盾构斜向上推出土体，拼装管片露出地面时，采用筋板焊接管片间的钢板预埋件，使管片块与块之间刚度提高，隧道整体性加强；盾构至隧道端部后，管片脱出盾尾，并制作隧道与地面导坑端部连接结构。

(3)盾构地面始发接收施工时设置不同的覆土段，将盾构进出地面时覆土渐变的工况，设置成不同覆土段，并与盾构推进环号一一对应，同时确定各覆土段的技术措施。

(4)特殊施工参数设定及控制：土压平衡值根据不同覆土工况设定控制，极浅覆土时选择盾构上、中部土压计；负覆土时选择盾构下部土压计。土压值预先根据公式P＝K0×γ×z计算，并通过监测数据反馈调整确定K0值，再按该切口平衡压力P进行施工控制。

在极浅覆土时，为防止前方土体受压位移，应结合正常覆土段盾构推力情况，将推力控制控制在最大推力的20％～60％；在负覆土时，盾构推力控制应不大于最大推力的20％；盾构接收切削砂浆基座时，应不大于最大推力的15％。

在极浅覆土时，应控制盾构速度为5mm/min～15mm/min；在负覆土时，盾构速度应小于5mm/min。

在地面出入阶段，刀盘转速应不小于0.9rpm，可适当提高刀盘转速，促进土体改良。

(5)特殊改良土体：

在极浅覆土和负覆土工况时，正面土压力小，刀盘切削进土困难，且螺旋机土塞效应较难形成，需采用刀盘改良和土仓改良相结合的方式，从而实现盾构顺利切削土体和排渣。

刀盘改良采用泡沫剂，泡沫剂浓度为1％～2％，发泡率为8～12，注入率为100％～200％；土仓改良采用专用改良剂，专用改良剂配比为高分子聚合物浓度4％～8％，初始粘度＞30S，2h后粘度为滴流，注入率5％～10％。

(6)控制推进出土量：

极浅覆土时按理论出土量的98％～100％进行控制，适当欠挖；负覆土时按理论出土量的100％～102％进行控制，适当超挖。

由于盾构机从地面直接进出，因此盾构刀盘在短时间内就能进入到由土体组成的坡面，并在掘削土体的同时进入土体内，而且盾构刀盘切削土体的面积逐渐在变化。在土面斜面时，盾构的理论出土量随坡面高度而变化，施工时以保证出土为主，并适当超挖。

(7)特殊注浆工艺：

盾构进出地面因覆土不同，各阶段注浆工艺也采用针对性的措施。

在极浅覆土时，采用双泵四点同步注浆工艺压注浆液，使盾尾后四点同步灌注浆液，浆液采用专用可流动厚浆，浆液注入率为建筑空隙的110％～150％；盾尾注浆口上下注浆量比例为2:3～1:2，盾尾注浆口左右注浆量比例为1:1，并根据盾构姿态纠偏适当调整。

在负覆土时，采用双泵两点同步注浆工艺压注浆液，使盾尾下部两点同步灌注浆液，浆液采用专用可流动厚浆，浆液注入率为有效建筑空隙的90％～100％；盾尾注浆口左右注浆量比例为1:1，并根据盾构姿态纠偏适当调整。

在盾构接收进入砂浆基座时，采用壁后跟踪注浆工艺，通过管片注浆孔压注浆液，浆液采用速凝性高强度砂浆，浆液注入率为有效建筑空隙的90％～100％。

(8)管片拼装及支撑稳定控制：

在土体斜坡面、负覆土和极浅覆土段时，管片拼装阶段控制盾构千斤顶拼装顶力，并采用扭力扳手拧紧每根螺栓至预定扭矩，同时在利用管片支撑稳定装置控制管片变形。首先控制正常覆土段管片的椭圆度。在进入极浅覆土和负覆土工况段时，锁定稳定装置8个支撑环中的后6个支撑环驱动油缸，使其保证隧道支撑的整圆度，主要利用在盾尾环中的第一个支撑环。在管片拼装时，顶升靠近盾尾的2个支撑环的驱动油缸，使管片拼装后1～2环保持整圆度，以此控制拼装环的质量。此外，在隧道管片的内部和外部，焊接筋板和支撑钢管，进一步提高隧道管片的稳定性。

由此可见，本发明的一种地面出入式盾构法隧道建造方法通过隧道设计、专用盾构机设备和盾构地面始发接收施工，使盾构掘进替代暗埋段明挖，减少了对周边环境的影响；浅埋导坑替代深大工作井，节约了工程施工成本，缩短了建设工期。其可广泛应用于：轨道交通、公路隧道以及市政管路等领域。本发明将节能、环保、低碳的建筑特色植入到地下空间开发领域，使盾构施工技术迈上了一个新的台阶。

以下将结合附图对本发明的构思、产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

以上结合附图及具体实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种地面出入式盾构法隧道建造施工方法，其特征在于，所述施工方法包括但不限于以下次序步骤：

确定隧道线路轴线；

在地面或浅埋导坑设置盾构始发基座和导轨；

盾构机安装于导轨上进行安装调试；

盾构沿隧道线路轴线，斜向下方推入土体中，刀盘逐步切削土体，同时安装管片；

盾构沿隧道线路轴线斜向上方推出土面，进入预先设置在地面或浅埋导坑的盾构接收基座；

将最后一环管片脱出盾构机盾尾，贯通隧道；

对盾构地面始发位置和盾构地面接收位置的隧道端部设置防水端墙，并进行覆土施工；

其中，所述盾构始发基座为钢筋混凝土基座，所述盾构接收基座为可切削砂浆基座；

在盾构地面始发位置和盾构地面接收位置对应盾构推进管片分别设置不同的覆土段，极浅覆土时选择盾构上、中部土压计，结合正常覆土段盾构推力情况，将推力控制控制在最大推力的20％～60％，盾构速度为5mm/min～15mm/min，推进出土量按理论出土量的98％～100％进行控制，适当欠挖；负覆土时选择盾构下部土压计，盾构推力控制不大于最大推力的20％，盾构速度小于5mm/min，推进出土量按理论出土量的100％～102％进行控制，适当超挖；盾构机进入可切削砂浆基座时，盾构推力控制不大于最大推力的15％。

2.如权利要求1所述的施工方法，其特征在于：所述浅埋导坑随所述隧道线路轴线倾斜，其在近土侧设置斜坡土面。

3.如权利要求1所述的施工方法，其特征在于：在所述管片中设置纵向拉紧螺栓，并均匀分布；在拼装时，使用扭力扳手将管片螺栓及纵向拉紧螺栓拧紧到预定扭矩。

4.如权利要求1所述的施工方法，其特征在于：在极浅覆土和负覆土工况时，采用刀盘改良和土仓改良相结合的方式来实现盾构机顺利切削土体和排渣，刀盘改良采用泡沫剂，泡沫剂浓度为1％～2％，发泡率为8～12，注入率为100％～200％；土仓改良采用专用改良剂，专用改良剂配比为高分子聚合物浓度4％～8％，初始粘度＞30S，两小时后粘度为滴流，注入率5％～10％。

5.如权利要求4所述的施工方法，其特征在于：所述盾构机包括盾构主机，所述盾构主机具有开口率大于45％的辐条式刀盘；盾构机盾尾设有四根注浆管路，采用两台注浆泵，四个注浆管路的压注口各自控制四个注浆点，实现盾尾四点连续注浆。

6.如权利要求5所述的施工方法，其特征在于：在极浅覆土时，采用双泵四点同步注浆工艺压注浆液，使盾尾后四点同步灌注浆液，浆液采用专用可流动厚浆，浆液注入率为建筑空隙的110％～150％，盾尾注浆口上下注浆量比例为1:2～2:3，盾尾注浆口左右注浆量比例为1:1，并根据盾构姿态纠偏适当调整；在负覆土时，采用双泵两点同步注浆工艺压注浆液，使盾尾下部两点同步灌注浆液，浆液采用专用可流动厚浆，浆液注入率为有效建筑空隙的90％～100％，盾尾注浆口左右注浆量比例为1:1，并根据盾构姿态纠偏适当调整；在盾构机进入可切削砂浆基座时，采用壁后跟踪注浆工艺，通过注浆管路压注浆液，浆液采用速凝性高强度砂浆，浆液注入率为有效建筑空隙的90％～100％。

7.如权利要求1所述的施工方法，其特征在于：所述盾构机包括管片支撑稳定装置，所述管片支撑稳定装置包含有八个支撑环，所述支撑环的两侧分别设有油缸驱动的可伸缩的半圆形的顶块，所述顶块圆周布置有滚轮，用来支撑管片，所述滚轮的伸缩量可手动调节。

8.如权利要求7所述的施工方法，其特征在于：每环管片除封顶块外，每块管片增加注浆孔和锚杆孔，通过所述锚杆孔在隧道内向外侧土体打设锚杆，锚固稳定隧道；管片接缝处采用特殊低硬度多孔断面三元乙丙胶弹性密封垫密封。