CN104806257A - 砂卵石地层盾构施工帽式地面超前加固结构及其方法 - Google Patents

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代永文
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Abstract

本发明提出了一种砂卵石地层盾构隧道施工帽式超前加固结构及其方法。加固结构位于砂卵石地层中设计盾构隧道正上方、由隧道盾构掘进前通过地面注浆加固形成沿设计隧道纵向覆盖的帽式加固区;加固方法是从地面采用袖阀管注浆方法进行深层注浆,袖阀管注浆孔布置是:横向沿设计隧道中心线两侧对称布置两个地面注浆孔,两孔间隔为设计隧道直径,纵向两列沿设计隧道纵向间隔布置,纵向每列相邻孔间隔距离为设计隧道半径。本发明通过在盾构机到达之前在隧道上方注浆加固形成一个帽式加固区,采用袖阀管注浆,注浆孔布置准确,注浆后能形成有效的加固区,经工程实践证明是一种经济,稳定、高效的隧道盾构加固施工结构和方法。

Description

砂卵石地层盾构施工帽式地面超前加固结构及其方法
技术领域
本发明属于工程技术领域,涉及一种防止砂卵石地层盾构施工超挖的施工方法,具体指砂卵石地层盾构施工的帽式地面超前加固结构及其方法。
背景技术
目前国内地铁建设蓬勃发展,其中大部分采用盾构法施工。在砂卵石或漂石地层进行盾构法施工时经常发生掌子面受扰动散落、塌陷等引起超挖,从而产生空洞和地面塌陷,这给上部道路、管线和建筑物等带来严重影响;成都某地铁线曾因地铁施工超挖导致地面塌坑造成交通阻断、水管爆裂、建筑物倾斜开裂等事故。这主要是因为砂卵石是一种典型的力学不稳定地层,颗粒之间的孔隙大、没有粘聚力;砂卵石地层在无水状态下,颗粒之间点对点传力,地层反应灵敏;刀盘旋转切削时,地层很容易破坏原来的相对稳定或平衡状态而产生坍塌,引起较大的围岩扰动,使开挖面和洞壁失去约束而产生不稳定。当卵石含量大到一定程度,含有的漂石最大粒径达到1000mm以上,土仓内渣土改良效果无法保证,土压平衡机理无法形成,掌子面塌陷等造成的超挖基本处于无法控制状态,甚至有学者得出结论此地层不适合土压平衡盾构施工,建议明挖或者用敞开式盾构施工。
考虑到明挖法需要施工大量维护桩,成本高,工期长,施工给道路交通带来诸多不便;敞开式盾构适应性差,砂卵石地层渗透性大,当地下水位较多时很容易涌入隧道,因此施工潜在风险较高。土压平衡盾构施工速度快,效率高,成本较低,但是砂卵石地层渣土改良效果较软土差很多,真正土压平衡难以保证,当土仓内满仓时掘进速度降低,而且容易发生扭矩过高而卡到盘,因此为保证出渣顺利经常进行欠压掘进,掌子面上部卵石很容易发生散落、塌陷等造成超出土;如若能发明一种辅助工法避免掌子面塌陷,控制出土量避免超挖,配合土压平衡盾构施工能够有效解决砂卵石地层盾构隧道施工问题,从而推动地铁建设发展。
发明内容
本发明根据现有技术的不足之处,提出了一种砂卵石地层盾构隧道施工帽式超前加固结构及其方法。本发明要解决的问题是提供一种适用于砂卵石地层盾构隧道施工的帽式超前加固结构,本发明还提供了上述帽式超前加固结构的加固方法。
本发明通过以下技术方案实现:
砂卵石地层盾构施工帽式地面超前加固结构,其特征在于:
所述加固结构位于砂卵石地层中设计盾构隧道正上方、由隧道盾构掘进前通过地面注浆加固形成沿设计隧道纵向覆盖的帽式加固区;
帽式加固区厚度1~3m、宽度其中,与倾角θ的关系是R是盾构隧道半径、单位m,θ是倾角,θ是帽式加固区边缘与设计盾构隧道边缘的连线与水平线的夹角。
进一步所述帽式加固区宽度大于设计隧道直径,倾角θ小于90度。
本发明还公开了上述砂卵石地层盾构施工帽式地面超前加固结构的加固方法,加固方法是从地面采用袖阀管注浆方法进行深层注浆,注浆区域为上述加固结构区域;袖阀管注浆孔布置是:横向沿设计隧道中心线两侧对称布置两个地面注浆孔,两孔间隔为设计隧道直径,纵向两列沿设计隧道纵向间隔布置,纵向每列相邻孔间隔距离为设计隧道半径。
袖阀管注浆方法进行深层注浆的具体步骤包括:
1)成孔
根据盾构隧道掘进施工计划安排,确定加固施工范围,在盾构掘进前采用潜孔钻从地面进行钻孔,选定盾构隧道设计轴线并根据隧道埋深确定钻孔点位和钻孔深度,钻孔深度为隧道拱顶上方0.5m;
2)浇注套壳料
向钻孔内浇注套壳料,插入袖阀管后套壳料深度为帽式加固区高度即隧道上方2~3m,套壳料利用钻机钻杆进行灌注;
3)安装袖阀管
在套壳料浇筑完成后,安装注浆段花管和空段实管,地面预留高度0.2~0.3m,袖阀管下底端有锥形堵头;
4)固管止浆
浆液配合比为水:水泥=1:1,在袖阀管与孔壁之间的空隙中下入1/2″钢管至套壳料面,从1/2″钢管中注入配置好的浆液直至孔口返出;
5)注浆
采取分段式注浆,每段注浆长度为注浆步距,花管长度为注浆步距长度;注浆步距为0.6~1m;注浆过程中,每段注浆完成后,向上或向下移动一个步距的心管长度;
浆液水灰比:水:水泥=1:1;
注浆压力:注浆压力控制在1~2Mpa;
终灌标准:单孔注浆结束标准,要求少量多次、反复灌浆;每段注浆压力达到设计终压并继续注浆10min以上,或虽未达到设计终压,但注浆量已达到设计注浆量,即可结束本孔注浆;
注浆量:设计注浆量V=V1×f×k×(1+β),其中,V1加固体积,f为地层空隙率,k为浆液填充率,β为浆液耗散系数;当实际注浆量低于设计注浆量时,停止注浆,待孔压消散后再继续注浆,直至注浆量达到设计注浆量为止;
注浆速度:注浆速度为20~70L/min。
进一步所述套壳料重量配合比为水泥:粘土:水=1:1.5:2;套壳料用量(m3)=1.3×π×(检测孔半径2-袖阀管半径2)×注浆段高度。
本发明在盾构隧道掘进前,通过地面注浆加固形成帽式加固区。砂卵石地层颗粒间无粘聚力,当刀盘转动时很容易发生颗粒脱落;或者设计轴线范围内大漂石被强行带入土仓时,周围细小颗粒和中等颗粒卵石很容易坍塌涌入土仓。当采用帽式加固时,改善了砂卵石地层颗粒间性质,产生具有一定胶结性能的整体土层,当大漂石被带入土仓时,中等颗粒卵石和细砂不会发生散落而进入土仓,避免空洞的形成。
加固方法中,从地面采用袖阀管注浆方案,直接进行深层注浆,注浆区域为隧道上方,袖阀管布置区域和范围是沿着隧道中心线左右各打一地面注浆孔,两孔间隔为隧道直径,在隧道纵向间隔为隧道半径向前排列,由于密实的砂卵石地层需要多次反复注浆,点位布置可以根据地层渗透性和注浆效果进行细微调整。
加固方法中,注浆范围为隧道拱顶上部帽形区域,加固范围相对较小。采用袖阀管注浆方式注浆效果好,采用平行施工,在盾构到达之前注浆并凝固达到一定强度,不影响工期进度,地面移动围挡注浆施工方便。
加固方法中,注浆浆液采用水灰比为水:水泥1:1,并添加适量水泥添加剂,浆液填充地层空隙初凝之后能够形成具有一定强度的整体,能够减少刀盘扰动造成的砂卵石垮塌涌入土仓,控制超挖;能够保证同步注浆效果,减少迟滞沉降,控制地面沉降量和沉降速率。
加固方法中,采取分段式注浆,每段注浆长度称为注浆步距,少量多次、反复灌浆,注浆压力控制在1~2Mpa,当注浆量不足时可增大注浆压力。设计注浆量V=V1×f×k×(1+β),其中,V1加固体积,f为地层空隙率,k为浆液填充率,β为浆液耗散系数。当实际注浆量低于设计注浆量时,停止注浆,待孔压消散后再继续注浆,直至注浆量达到设计注浆量为止。
加固方法中,在套壳料浇筑完成经过24小时后再进行注浆,浆液可以冲破套壳料进入地层而不发生上下串浆。待浆液经过初凝时间与地层形成具有一定强度的整体后方可进行盾构施工快速掘进。
本发明通过在盾构机到达之前在隧道上方注浆加固形成一个帽式加固区,浆液使卵石与周围的砂胶结形成具有整体,当盾构到达时,该整体不会发生散落并且具有成拱能力从而防止发生超挖。由于地铁从市区往郊区线路设计大多在道路下方,因此可以直接通过道路围挡,然后注浆加固形成帽式加固区,适用于砂卵石地层道路下方的盾构隧道施工。本发明能够弥补土压平衡盾构在砂卵石地层施工时容易发生超挖的不足,增大土压平衡盾构的适用性和降低工程事故的风险。本发明采用袖阀管注浆,注浆孔布置准确,注浆后能形成有效的加固区,经工程实践证明是一种经济,稳定、高效的隧道盾构加固施工结构和方法。
附图说明
图1是本发明帽式地面超前加固结构及其方法横截面布置示意图;
图2是本发明帽式地面超前加固结构及其方法纵向布置示意图。
图中,1是地面,2是袖阀管,3是帽式结构区,4是盾构隧道。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述,实施例只用于对本发明进行进一步的说明,不能理解为对本发明保护范围的限制,本领域的技术人员根据上述本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整也属于本发明保护的范围。
结合图1和图2。
如图所示,砂卵石地层盾构施工帽式地面超前加固结构,加固结构位于砂卵石地层中设计盾构隧道正上方、由隧道盾构掘进前通过地面注浆加固形成沿设计隧道纵向覆盖的帽式加固区;
帽式加固区厚度1~3m、宽度其中,与倾角θ的关系是R是盾构隧道半径、单位m,θ是倾角,如图1所示,θ是帽式加固区边缘与设计盾构隧道边缘的连线与水平线的夹角。
帽式加固区宽度大于设计隧道直径,倾角θ小于90度。
加固及其盾构施工包括以下方法:
(1)根据盾构隧道掘进施工计划安排,确定帽式加固方法的施工范围,在盾构掘进前先从地面进行钻孔进行袖阀管注浆。选定盾构设计轴线,根据隧道埋深,确定钻孔点位和钻孔深度。点位布置沿着隧道中心线左右各打一地面注浆孔,两孔间隔1D隧道直径,在隧道纵向间隔0.5D向前排列。钻孔深度为隧道拱顶上方0.5m。
(2)采用袖阀管注浆的帽式加固方法施工流程
a)成孔
钻孔机械采用潜孔钻,108套筒。
b)浇注套壳料
向钻孔内浇注套壳料,插入袖阀管后套壳料深度为帽式加固区高度即隧道上方2~3m,套壳料利用钻机钻杆进行灌注,用来防止袖阀注浆管在注浆过程中变形、变位或损坏,并能保证水泥浆通过。套壳料要求收缩性小,脆性较高,粘度较低,析水率较小,稳定性高,早期强度高。套壳料配制采用粘性土、水泥主要材料配制,为了提高套壳料的脆性,可掺入细砂或粉煤灰等。套壳料有多种配比方案,根据成都地铁工程实践建议一种套壳料配合比为(重量比)水泥:粘土:水=1:1.5:2。套壳料用量(m3)=1.3×π×(检测孔半径2-袖阀管半径2)×注浆段高度,套壳料浇注方法:采用直接浇注的方法灌入孔内。
c)下袖阀管
在套壳料浇筑完成后,按要求注浆段下花管,空段下实管,地面预留高度(0.2~0.3m)(花管为注浆管,实管为隔离输浆管)。并在管内充满清水,可克服浮力,检查密封性。下管时尽量使袖阀管垂直居于孔中心,花管连接牢固,袖阀管下底端要套好锥形堵头,上顶端要戴上保护帽。
d)固管止浆
浆液配合比为水:水泥=1:1,在袖阀管与孔壁之间的空隙中下入1/2钢管至套壳料面,从1/2″钢管中注入配置好的浆液直至孔口返出,孔口浆面下沉后应多次回灌,保证固管止浆效果。
e)注浆
采取分段式注浆,每段注浆长度称为注浆步距。花管长度为注浆步距长度。注浆步距一般选取0.6~1m,这样可以有效地减少地层不均一性对注浆效果的影响。对于砂卵石,注浆步距宜选用高值。
注浆过程中,每段注浆完成后,向上或向下移动一个步距的心管长度。人工采用2个管钳对称夹住心管,两侧同时均匀用力,将心管移动。注浆结束后,在注浆管上盖上闷盖,以便于复注施工。
浆液水灰比:水:水泥1:1。
注浆压力:注浆压力控制在1~2Mpa,当注浆量不足时可增大注浆压力。
终灌标准:单孔注浆结束标准,要求少量多次、反复灌浆;每段注浆都正常进行,注浆压力达到设计终压并继续注浆10min以上,或虽未达到设计终压,但注浆量已达到设计注浆量,即可结束本孔注浆。
注浆量:设计注浆量V=V1╳f╳k╳(1+β),V1加固体积,f为地层空隙率,k为浆液填充率,β为浆液耗散系数。当实际注浆量低于设计注浆量时,停止注浆,待孔压消散后再继续注浆,直至注浆量达到设计注浆量为止。
注浆速度:注浆速度宜为20~70L/min。
注浆前检查注浆管路和注浆枪的止浆塞与袖阀管间是否密闭。封口料和套壳料达到强度后进行注浆,按要求拌制水泥浆,不得随意改变比例。施工中控制好参数及注浆步距,严密监视注浆压力和注浆量,出现异常立即停止,查明原因并采取相应措施。注浆完成后及时清洗袖阀管,以备下一轮次注浆。
(3)盾构施工掘进
待注入浆液凝固隧道拱顶上方形成一定强度的胶结整体时,进行盾构快速施工掘进,施工参数设定采用较快的掘进速度和适当欠压掘进模式。由于加固区域在刀盘上前方,帽式加固方法可以避免掘进时刀盘扰动造成的散落涌入,起到控制超挖,控制迟滞沉降和地表最终沉降,预防地面塌陷的效果。

Claims (5)

1.一种砂卵石地层盾构施工帽式地面超前加固结构,其特征在于:
所述加固结构位于砂卵石地层中设计盾构隧道正上方、由隧道盾构掘进前通过地面注浆加固形成沿设计隧道纵向覆盖的帽式加固区;
帽式加固区厚度1~3m、宽度其中,与倾角θ的关系是R是盾构隧道半径、单位m,θ是倾角。
2.根据权利要求1所述的砂卵石地层盾构施工帽式地面超前加固结构,其特征在于:所述帽式加固区宽度大于设计隧道直径,倾角θ小于90度。
3.一种砂卵石地层盾构施工帽式地面超前加固工艺,其特征在于:所述加固工艺是从地面采用袖阀管注浆方法进行深层注浆,注浆区域为权利要求1或2所述加固结构;袖阀管注浆孔布置是:横向沿设计隧道中心线两侧对称布置两个地面注浆孔,两孔间隔为设计隧道直径;纵向两列沿设计隧道纵向布置,纵向每列相邻孔间隔距离为设计隧道半径。
4.根据权利要求3所述的砂卵石地层盾构施工帽式地面超前加固方法,其特征在于所述袖阀管注浆方法进行深层注浆的具体步骤包括:
1)成孔
根据盾构隧道掘进施工计划安排,确定加固施工范围,在盾构掘进前采用潜孔钻从地面进行钻孔,选定盾构隧道设计轴线并根据隧道埋深确定钻孔点位和钻孔深度,钻孔深度为隧道拱顶上方0.5m;
2)浇注套壳料
向钻孔内浇注套壳料,插入袖阀管后套壳料深度为帽式加固区高度即隧道上方2~3m,套壳料利用钻机钻杆进行灌注;
3)安装袖阀管
在套壳料浇筑完成后,安装注浆段花管和空段实管,地面预留高度0.2~0.3m,袖阀管下底端有锥形堵头;
4)固管止浆
浆液配合比为水:水泥=1:1,在袖阀管与孔壁之间的空隙中下入1/2″钢管至套壳料面,从1/2″钢管中注入配置好的浆液直至孔口返出;
5)注浆
采取分段式注浆,每段注浆长度为注浆步距,花管长度为注浆步距长度;注浆步距为0.6~1m;注浆过程中,每段注浆完成后,向上或向下移动一个步距的心管长度;
浆液水灰比:水:水泥=1:1;
注浆压力:注浆压力控制在1~2Mpa;
终灌标准:单孔注浆结束标准,要求少量多次、反复灌浆;每段注浆压力达到设计终压并继续注浆10min以上,或虽未达到设计终压,但注浆量已达到设计注浆量,即可结束本孔注浆;
注浆量:设计注浆量V=V1×f×k×(1+β),其中,V1加固体积,f为地层空隙率,k为浆液填充率,β为浆液耗散系数;当实际注浆量低于设计注浆量时,停止注浆,待孔压消散后再继续注浆,直至注浆量达到设计注浆量为止;
注浆速度:注浆速度为20~70L/min。
5.根据权利要求4所述的砂卵石地层盾构施工帽式地面超前加固方法,其特征在于:所述套壳料重量配合比为水泥:粘土:水=1:1.5:2;套壳料用量(m3)=1.3×π×(检测孔半径2-袖阀管半径2)×注浆段高度。
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