CN105041322A - 顶管机进出洞的加固方法及加固系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种顶管机进出洞的加固方法及加固系统，该加固系统包括：采用SMW工法形成的围护结构，所述围护结构设于顶管机的始发井与接收井的周缘，所述围护结构包括打设于土体内的一圈三轴搅拌桩和插设于所述三轴搅拌桩内的内排型钢；以及采用SMW工法形成的加固结构，所述加固结构设于所述始发井和所述接收井的前部所述加固结构包括打设于土体内的一排三轴搅拌桩和插设于所述三轴搅拌桩内的外排型钢，所述外排型钢与相邻的所述内排型钢并行设置。采用SMW工法制作双排型钢进行顶管机进出洞加固，减小了顶管机进出洞加固区的范围，提高顶管机进出洞的效率，降低进出洞的成本。

Description

顶管机进出洞的加固方法及加固系统

技术领域

本发明涉及顶管机施工领域，特指一种顶管机进出洞的加固方法及加固系统。

背景技术

顶管机进出洞技术是顶管机施工过程中的重大风险源，对目前世界上断面最大的顶管机更是如此。传统进出洞工法，小顶管机也是借鉴盾构进出洞经常采用的三轴搅拌桩、高压旋喷桩、冰冻法等洞外土体加固技术，保证洞外土体强度和止水效果。随着我国城市建设的不断发展，越来越多的城市开始采用隧道的方式构筑城市地下快速路。这其中，采用大断面矩形顶管机进行城市下穿道路隧道施工成为一种较为普遍的选择。早期的泥水平衡盾构隧道施工场区周边通常较为空旷，受环境条件制约较小，但是随着地下构筑物和地下管线的逐渐增多，可供大断面矩形顶管机隧道施工的空间被日渐压缩，对矩形隧道的施工环境、设备和技术要求也越来越高。现有技术方案高压旋喷加固、三轴搅拌桩加固、冰冻法等均是对洞门外的土体进行大面积的加固，以提高土体的强度和抗渗性能，但是存在以下缺陷：施工工期比较长，成本相对较高，场地大小受限、地下管线影响，并且顶管机进入加固土体后掘进效率低，顶管机进出洞时顶进速度比较慢，延误工期，影响进度。现有的施工设备和技术已很难满足要求，因此建立一种快速安全的顶管机进出洞施工方法对于大断面的矩形顶管机尤为重要，可以在降低施工的风险的同时大大提高施工效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种顶管机进出洞的加固方法及加固系统，解决现有加固方案存在的施工工期长、成本高、顶管机掘进效率低等问题。

实现上述目的的技术方案是：

本发明一种顶管机进出洞的加固方法，包括：

在始发井和接收井的周缘采用SMW工法形成围护结构，包括在土体内打设一圈三轴搅拌桩并在所述三轴搅拌桩内插设内排型钢；

在所述始发井和所述接收井的前部中所述围护结构的外侧采用SMW工法施工形成加固结构，包括在土体内打设一排三轴搅拌桩并在所述三轴搅拌桩内插设外排型钢，所述外排型钢与相邻的所述内排型钢并行设置；

所述顶管机出洞时，拔出所述始发井前部的内排型钢和外排型钢，同时对拔出所述内排型钢和所述外排型钢的间隙进行注浆；

所述顶管机进洞时，拔出所述接收井前部的外排型钢和内排型钢，同时对拔出所述外排型钢和所述内排型钢的间隙进行注浆。

采用SMW工法制作双排型钢进行顶管机进出洞加固，减小了顶管机进出洞加固区的范围，提高顶管机进出洞的效率，降低进出洞的成本。

本发明顶管机进出洞的加固方法的进一步改进在于，所述加固结构施工时，所述三轴搅拌桩中注浆水泥的水泥掺量小于20％，所述加固结构的加固强度小于1.5MPa。外排型钢的水泥掺量低，其钻进提升速度快，施工效率较高。

本发明顶管机进出洞的加固方法的进一步改进在于，所述加固结构施工时，所述外排型钢的插入深度小于所述内排型钢的插入深度，所述外排型钢的插入深度超出所述顶管机底部标高，超出部分大于所述顶管机高度的一半。外排型钢的插入深度仅有内排型钢插入深度的一半左右，大大缩短了进出洞的加固施工工期。

本发明顶管机进出洞的加固方法的进一步改进在于，所述加固结构的宽度大于所述顶管机宽度的一半。

本发明顶管机进出洞的加固方法的进一步改进在于，所述顶管机出洞时，先拔出所述始发井前侧的内排型钢，当所述顶管机的机头靠近所述始发井前侧的外排型钢后，再拔出所述始发井前侧的外排型钢。

本发明顶管机进出洞的加固方法的进一步改进在于，所述顶管机进洞时，先拔出所述接收井前部的外排型钢，当所述顶管机的机头靠近所述接收井处的内排型钢后，再拔出所述接收井前部的内排型钢。

本发明一种顶管机进出洞的加固系统，包括：

采用SMW工法形成的围护结构，所述围护结构设于顶管机的始发井与接收井的周缘，所述围护结构包括打设于土体内的一圈三轴搅拌桩和插设于所述三轴搅拌桩内的内排型钢；以及

采用SMW工法形成的加固结构，所述加固结构设于所述始发井和所述接收井的前部，所述加固结构设于所述围护结构的外侧，所述加固结构包括打设于土体内的一排三轴搅拌桩和插设于所述三轴搅拌桩内的外排型钢，所述外排型钢与相邻的所述内排型钢并行设置。

本发明一种顶管机进出洞的加固系统的进一步改进在于，所述加固结构的所述三轴搅拌桩中注浆水泥的水泥掺量小于20％，所述加固结构的加固强度小于1.5MPa。

本发明一种顶管机进出洞的加固系统的进一步改进在于，所述外排型钢的插入深度小于所述内排型钢的插入深度，所述外排型钢的插入深度超出所述顶管机底部标高，超出部分大于所述顶管机高度的一半。

本发明一种顶管机进出洞的加固系统的进一步改进在于，所述加固结构的宽度大于所述顶管机宽度的一半。

附图说明

图1为本发明顶管机进出洞的加固系统的俯视示意图；

图2为本发明顶管机进出洞的加固系统位于始发井处的俯视图；

图3为本发明顶管机进出洞的加固方法中顶管机出洞的流程图；以及

图4为本发明顶管机进出洞的加固方法中顶管机进洞的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种顶管机进出洞的加固方法及加固系统，主要是对始发井和接收井处的土体进行加固，以满足顶管机进出洞的工艺要求，利用始发井和接收井周缘的围护结构，对始发井和接收井的基坑起到围护和止水的作用，在顶管机进洞和出洞时，需要保证洞外的土体强度和止水效果，本发明采用了在始发井的前部(也就是顶管机出始发井的一侧)和接收井的前部(也就是顶管机进入接收井的一侧)设置加固结构，利用一排三轴搅拌桩和插入三轴搅拌桩内的型钢对始发井和接收井前部的土体进行加固，该加固结构采用SMW工法，与围护结构的施工工法相同，但是采用的水泥浆的水泥掺量小于围护结构的水泥掺量，加固结构的加固强度也要控制小于1.5MPa，实现在满足土体加固强度要求的情况下，提高顶管机顶进施工的速率，且水泥掺量低，三轴搅拌桩的钻进提升速度快，施工效率较高。另外，加固结构的外排型钢插入深度小于围护结构的内排型钢的插入深度，仅为其插入深度的一半左右，大大缩短了加固结构的施工工期。本发明的加固结构相比于传动的加固方案，在同等加固强度的情况下，本发明的加固结构具有加固面积小，进而降低了加固成本。下面结合附图对本发明顶管机进出洞的加固方法及加固系统进行说明。

参阅图1，显示了本发明顶管机进出洞加固系统的俯视示意图位于始发井处的俯视图。下面结合图1，对本发明顶管机进出洞的加固系统进行说明。

如图1所示，顶管机在施工隧道13的挖掘时，先在始发井11处拼装顶管机，顶管机在从始发井11处出发进行隧道13的挖掘，顶管机出始发井11称为出洞，当顶管机挖掘完成时，顶管机在从隧道13中进入到接收井12内，顶管机进入接收井12称为进洞，这样就完成了隧道的施工，而本发明的加固系统是用于对始发井11和接收井12处进行土体加固，以满足顶管机的施工要求，本发明顶管机进出洞的加固系统包括围护结构21和加固结构22，围护结构21采用SMW工法施工形成，围护结构21设于始发井11和接收井12的周缘，该围护结构21包括打设于土体内的一圈三轴搅拌桩211和插设于三轴搅拌桩211内的内排型钢212，该内排型钢212较佳为H型钢，围护结构21对始发井11和接收井12的基坑起到围护和止水的作用。加固结构22也采用SMW工法施工形成，加固结构22设于始发井11的前侧111和接收井12的前侧121，该始发井11的前侧111供顶管机出始发井(也就是顶管机出洞)，始发井11处的加固结构22设于围护结构21远离始发井11的一侧(也就是围护结构21的外侧)，接收井12处的加固结构22设于围护结构21的外侧，该加固结构22与围护结构21设有一定间距，较佳为20cm的间距。加固结构22包括打设于土体内的一排三轴搅拌桩221和插设于三轴搅拌桩221内的外排型钢222，外排型钢222与相邻的内排型钢212并行设置。结合图2所示，显示了始发井处的俯视图，围护结构21内的三轴搅拌桩211紧邻贴合设置，围护结构21内的内排型钢212间隔设置，围护结构21具有受力和抗渗的作用。加固结构22的三轴搅拌桩222紧邻贴合设置，加固结构22内的外排型钢222间隔设置，该加固结构22起到了对始发井11和接收井12外侧土体加固的作用，确保洞外土体强度以满足顶管机的施工要求。

加固结构22和围护结构21都采用SMW工法施工，为施工带来方便，可以根据围护结构21的SMW施工参数，确定加固结构22中三轴搅拌桩221的钻进速度、提示速度、水灰比、以及喷浆量，但是加固结构22的施工参数与围护结构21的施工参数存在不同，由于三轴搅拌桩成桩后的强度较高，所以加固结构22内的三轴搅拌桩221中注浆水泥的水泥掺量小于20％，较佳的水泥掺量为10％，加固结构22的加固强度小于1.5MPa，避免了顶管机进入加固土体区域后掘进效率低的问题，在顶管机掘进至加固结构22处时，将加固结构22内的外排型钢222拔出，有效减小了顶管机掘进土体的强度，确保了顶管机的施工效率，不会影响施工进度。加固结构22内的外排型钢222的插入深度小于内排型钢212的插入深度，该外排型钢222的插入深度根据顶管机底部埋深进行控制，外排型钢222的插入深度大于顶管机底部h/2为宜，h为顶管机的高度，即外排型钢222的插入深度超出顶管机底部标高，超出部分大于等于顶管机高度的一半，较佳的该超出部分为顶管机高度的一半。加固结构22的宽度大于等于顶管机宽度的一半，加固结构22的长度与始发井和接收井前侧的长度适配。

下面对本发明顶管机进出洞的加固方法进行说明。

始发井的前部位顶管机出始发井的一侧，也就是顶管机出洞的一侧，接收井的前部位顶管机进入接收井的一侧，也就是顶管机进洞的一侧。

在始发井和接收井的周缘采用SMW工法施工形成围护结构，包括在土体内打设一圈三轴搅拌桩并在三轴搅拌桩内插设内排型钢；围护结构对始发井和接收井的基坑进行围护，起到了保护基坑和止水的作用；

在始发井和接收井的前部中围护结构的外侧采用SMW工法施工形成加固结构，包括在土体内打设一排三轴搅拌桩并在三轴搅拌桩内插设外排型钢，外排型钢与相邻的内排型钢并行设置；

在顶管机出洞时，拔出所述始发井前部的内排型钢和外排型钢，同时对拔出所述内排型钢和所述外排型钢的间隙进行注浆，防止地面变形，保护顶管机周围的泥浆套；

在顶管机进洞时，拔出所述接收井前部的内排型钢和外排型钢，同时对拔出所述内排型钢和所述外排型钢的间隙进行注浆，防止地面变形，保护顶管机周围的泥浆套。

如图3所示，显示了顶管机出洞的流程图，下面结合图3，对顶管机出洞过程进行说明。

顶管机出洞的施工步骤包括：

执行步骤S101，外排型钢施工及降水，在始发井的基坑施工时，采用SMW工法施工加固结构，钻孔施工三轴搅拌桩，再将外排型钢插设于三轴搅拌桩内，加固结构的施工参数根据围护结构的施工参数确定，比如钻进速度、提升速度、水灰比、以及喷浆量等，由于三轴搅拌桩成桩后的强度较高，加固结构的三轴搅拌桩中的水泥浆的水泥掺量小于20％，较佳的水泥掺量为10％，加固结构的加固强度小于1.5MPa，避免了顶管机进入加固土体区域后掘进效率低的问题，在顶管机掘进至加固结构处时，将加固结构内的外排型钢拔出，有效减小了顶管机掘进土体的强度，确保了顶管机的施工效率，不会影响施工进度。外排型钢的水泥掺量低，其钻进提升速度快，施工效率较高。外排型钢的插入深度根据顶管机底部埋深控制，大于顶管机底部h/2为宜，h为顶管机的高度，外排型钢的插入深度小于内排型钢的插入深度，外排型钢的插入深度仅有内排型钢插入深度的一半左右，大大缩短了进出洞的加固施工工期。加固结构的宽度大于b/2，b为顶管机的宽度。加固结构的长度为始发井和接收井前部的长度，完成加固结构的施工后，接着执行步骤S102。

执行步骤S102，洞圈放样安装，在始发井内进行洞圈放样安装，同时进行辅助降水措施，由于仅采用双排的SMW工法桩进行止水，也就是围护结构和加固结构起到的止水效果，由于加固结构的范围较小，使得始发井前方的土体加固范围小，为了防止地下水的渗入，破坏加固结构，采用降水措施作为辅助应急预案，保障顶管机进出洞的施工安全。顶管机底部埋深在12.5m左右，为防止地下水沿加固缝隙、薄弱带或未加固区渗入，控制顶管始发的风险，布设了2口降水井，通过抽取地下水，降低洞门处的动水压力，保障了顶管始发安全。在顶管机始发前，监测到地下水位位于顶管底以下2m，满足始发条件。接着执行步骤S103。

执行步骤S103，顶管机机架与后靠安装。接着执行步骤S104。

执行步骤S104，顶管机安装、调试。接着执行步骤S105。

执行步骤S105，洞口止水圈安装，由于顶管机始发时始发井上的洞圈直径与顶管机外径存有15cm的间隙，为了防止顶管机始发过程及施工期间土体从该间隙中流失，在洞圈周围安装了由橡胶帘布带、压板、箱体等组成的密封装置，并设置注浆孔，作为洞口防水堵漏的预防措施。接着执行步骤S106。

执行步骤S106，拔出内排型钢，在顶管机出洞时，先拔出始发井前部的内排型钢，然后顶管机向前顶进施工。接着执行步骤S107。

执行步骤S107，顶管机靠上外排型钢，顶管机向始发井前部顶进，靠上外排型钢后，接着执行步骤S108。

执行步骤S108，拔出外排型钢，顶管机靠上始发井前部的外排型钢后再拔出外排型钢接着执行步骤S109。

执行步骤S109，顶管始发推进，外排型钢拔出后，顶管机顶出始发井，并建立初始切口压力，开始隧道顶进施工。内排型钢和外排型钢拔出后，需要及时对型钢间隙进行注浆，防止地面变形，保护顶管周围的泥浆套。

在顶管机出洞过程中，先拔出始发井前侧的内排型钢，而不拔出外排型钢，确保始发井前侧土体的强度，顶管机向前顶进，靠上始发井前部的外排型钢后再拔出外排型钢，此时顶管机以进入到土体内，在切口处建立的初始的切口压力，这时拔出外排型钢，可以有效防止土体坍塌的情形。

如图4所示，显示了顶管机进洞的流程图，下面结合图4，对顶管机进洞过程进行说明。

顶管机进洞的施工步骤包括：

执行步骤S201，顶管机姿态复测，隧道贯通前的测量包括控制网测量、联系测量和顶管姿态自动测量。通过测量复核确定顶管机所处的方位、确认顶管机姿态、评估顶管机接收时的姿态和拟定顶管机接收段的施工轴线，使顶管机在施工中始终按预定的方案，以良好的姿态进入接收井，并在顶管接收基座上准确就位。接着执行步骤S202。

执行步骤S202，井外降水，接收井地区潜水初始水位埋深7.5m，承压水初始水位位于16.7m，均高于顶管底部。根据始发井的降水经验，此处布设了2口降水井，通过抽取地下水，降低洞门处的动水压力，保障了顶管接收安全。在顶管机到达接收井之前，地下水位已经降至顶管底以下2m的位置，满足接收条件。接着执行步骤S203。

执行步骤S203，顶管机靠上洞圈外排型钢，顶管机掘进至接收井前部的外排型钢，接着执行步骤S204。

执行步骤S204，接收架安装，在接收井内安装顶管机接收架，确保顶管机沿轨道进入接收井，接着执行步骤S205。

执行步骤S205，洞口止水圈安装，为防止地下水渗入接收井，在洞圈橡胶止水装置内侧设置2道钢板刷。顶管机进入接收井的过程中，在2道钢板刷之间压注高止水性油脂，有效地确保了高水压作用下的止水可靠性。接着执行步骤S206。

执行步骤S206，拔出外排型钢，当顶管机靠上接收井前部的外排型钢后，将外排型钢拔出，顶管机继续向前顶进，接着执行步骤S207。

执行步骤S207，拔出内排型钢，当顶管机机头靠上接收井前部的内排型钢后，再进行内排型钢的拔出，型钢拔出后，顶管机接入接收井。接着执行步骤S208。

执行步骤S208，顶进工作井，顶管机进入接收井，顶管机安全进洞，封堵洞门。内排型钢和外排型钢拔出后，需要及时对型钢间隙进行注浆，防止地面变形，保护顶管周围的泥浆套。

以上结合附图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 (10)

1.一种顶管机进出洞的加固方法，其特征在于，包括：

在始发井和接收井的周缘采用SMW工法施工形成围护结构，包括在土体内打设一圈三轴搅拌桩并在所述三轴搅拌桩内插设内排型钢；

在所述始发井和所述接收井的前部中所述围护结构的外侧采用SMW工法施工形成加固结构，包括在土体内打设一排三轴搅拌桩并在所述三轴搅拌桩内插设外排型钢，所述外排型钢与相邻的所述内排型钢并行设置；

在顶管机出洞时，拔出所述始发井前部的内排型钢和外排型钢，同时对拔出所述内排型钢和所述外排型钢的间隙进行注浆；

在顶管机进洞时，拔出所述接收井前部的外排型钢和内排型钢，同时对拔出所述外排型钢和所述内排型钢的间隙进行注浆。

2.如权利要求1所述的顶管机进出洞的加固方法，其特征在于，所述加固结构施工时，所述三轴搅拌桩中注浆水泥的水泥掺量小于20％，所述加固结构的加固强度小于1.5MPa。

3.如权利要求1或2所述的顶管机进出洞的加固方法，其特征在于，所述加固结构施工时，所述外排型钢的插入深度小于所述内排型钢的插入深度，所述外排型钢的插入深度超出所述顶管机底部标高，超出部分大于等于所述顶管机高度的一半。

4.如权利要求1或2所述的顶管机进出洞的加固方法，其特征在于，所述加固结构的宽度大于所述顶管机宽度的一半。

5.如权利要求1所述的顶管机进出洞的加固方法，其特征在于，所述顶管机出洞时，先拔出所述始发井前部的内排型钢，当所述顶管机的机头靠近所述始发井前侧的外排型钢后，再拔出所述始发井前部的外排型钢。

6.如权利要求1所述的顶管机进出洞的加固方法，其特征在于，所述顶管机进洞时，先拔出所述接收井前部的外排型钢，当所述顶管机的机头靠近所述接收井处的内排型钢后，再拔出所述接收井前部的内排型钢。

7.一种顶管机进出洞的加固系统，其特征在于，包括：

采用SMW工法形成的围护结构，所述围护结构设于顶管机的始发井与接收井的周缘，所述围护结构包括打设于土体内的一圈三轴搅拌桩和插设于所述三轴搅拌桩内的内排型钢；以及

采用SMW工法形成的加固结构，所述加固结构设于所述始发井和所述接收井的前部，所述加固结构设于所述围护结构的外侧，所述加固结构包括打设于土体内的一排三轴搅拌桩和插设于所述三轴搅拌桩内的外排型钢，所述外排型钢与相邻的所述内排型钢并行设置。

8.如权利要求7所述的顶管机进出洞的加固系统，其特征在于，所述加固结构的所述三轴搅拌桩中注浆水泥的水泥掺量小于20％，所述加固结构的加固强度小于1.5MPa。

9.如权利要求7所述的顶管机进出洞的加固系统，其特征在于，所述外排型钢的插入深度小于所述内排型钢的插入深度，所述外排型钢的插入深度超出所述顶管机底部标高，超出部分大于等于所述顶管机高度的一半。

10.如权利要求7所述的顶管机进出洞的加固系统，其特征在于，所述加固结构的宽度大于所述顶管机宽度的一半。