CN105952470A - 一种地铁穿越下软上硬软土地层控制盾构上浮的施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地铁穿越下软上硬软土地层控制盾构上浮的施工方法。方法具体为在盾构推进过程中，同步进行如下控制：1)向新开挖隧道和盾构壳体之间的缝隙中进行同步注浆,注入的浆液为密度大于盾构上部硬土层密度的硬性浆液；2)增加千斤顶对盾构上部的作用力和减少千斤顶对盾构下部的作用力，以调整盾构壳体位置有利于维持盾构轴线设计行进轨迹。与现有技术相比，本发明主要优点在于：先做盾构机位状态的力学平衡分析，寻找宏观定性控制方法；依据宏观定性控制方法制定调整方案，并严格控制；调整盾构壳体位置逐渐返到盾构轴线设计行进轨迹。
Description
技术领域
本发明属于施工方法领域，具体涉及一种地铁穿越下软上硬软土地层控制盾构上浮的施工方法。
背景技术
沿海城市软土地层分层现象较多，特别地铁穿越下软上硬软土地层盾构施工容易出现上浮现象，当软土地层分层组合不利时，通过铅块压重也难以阻止盾构上浮现象，影响管片安装和地铁纵向线位。
而现有地铁穿越下软上硬软土地层盾构施工处理方法容易忽视地层与盾构相互作用的整体力学分析，缺乏宏观定性控制方法。例如：某中等埋深土压平衡式盾构在区间推进过程中，出现盾构机姿态整体上浮的情况，其行进轴线轨迹如图1所示。盾构出现上浮时，盾构掘进断面的上半部为相对较硬的砂质粉土夹粉砂③61(标准贯入14)、砂质粉土淤泥质粉质黏土③7(标准贯入4)，下半部为相对较软的砂质粉土淤泥质粉质黏土③7(标准贯入4)、淤泥质粉质黏土⑥1(标准贯入2)。盾构机为Φ6340mm加泥式土压平衡盾构，盾长8.0m，盾构顶部埋深为12m。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种地铁穿越下软上硬软土地层控制盾构上浮的施工方法。
现有地铁穿越下软上硬软土地层盾构施工处理方法容易忽视地层与盾构相互作用的整体力学分析，缺乏宏观定性控制方法。本发明的创新点在于通过盾构整体力学分析，第一步先做盾构机位状态的力学平衡分析，寻找宏观定性控制方法。本发明的理论基础如下：
为了有利于力学分析，对千斤顶的推力简化为盾头顶部的F1和底部的F2。F土1和F土2为开挖面土体反力；F3为机体对机头弹性约束力，当机头上浮时，阻止上浮，当机头下压时，阻止下压。另外，盾构还同时受到周围土体作用力的影响，盾构重量W盾＝435.5t，同体积土体重量W土＝577t，两者相差141.5t。通常盾体中，盾头半径略大于后方盾构壳体，因此开挖过程中，壳体与新开挖隧道内壁之间存在空隙。而软土相对于硬土，其回淤填充速度较快。当地层上硬下软时，由于上部土质较硬，因此上部土层相对于会延时填充上部空隙而导致阻止盾体上浮的阻力F4减少；但快速回填的盾体下部空隙却产生了向上推力F5，最终导致盾体垂直方向上力学失衡，盾体受到的向上推力变大，逐渐上浮(如图1所示)。
盾构机位状态稳定平衡状态条件有以下三个。水平方向上：
F1+F2＝F土1+F土2 (1.1)
通常在推进过程中，上式容易满足。而在垂直方向上：
F3+F4+F5+W盾＝0 (1.2)
因前述的不利变形空间和压力差W盾－W土＝－141.5t，只有同步增加F4才能满足(1.2)。从力矩角度看：
F1D1-F土1D1+F3D2-F2D1+F土2D1＝0 (1.3)
因此，只有增加F1和减少F2才能满足(1.3)。
在上述力学分析基础上，第二步可制定调整方案，并严格控制；
一方面，利用式(1.2)的启示，给盾构壳体同步注入密度大于上硬土层密度的硬性浆液，消除F4在(t+Δt)中时差Δt→0，其中t为盾体开挖后软土层回填时间，Δt为盾体开挖后硬土层和软土层回填时间差，实现同步增加F4基本控制盾构壳体位置；另一方面，同时利用式(1.3)的启示，增加F1和减少F2，有利于调整盾构壳体位置逐渐返到盾构轴线设计行进轨迹。
为实现上述目的，本发明具体采用如下技术方案：
地铁穿越下软上硬软土地层控制盾构上浮施工方法，具体为：在盾构推进过程中，同步进行如下1)和2)的控制：
1)向新开挖隧道和盾构壳体之间的缝隙中进行同步注浆,注入的浆液为密度大于盾构上部硬土层密度的硬性浆液；
2)增加千斤顶对盾构上部的作用力和减少千斤顶对盾构下部的作用力，以调整盾构壳体位置有利于维持盾构轴线设计行进轨迹。
作为优选，所述的1)中，同步注浆过程控制参数包括注浆量和注浆压力控制，盾构推进过程中主要以注浆量为控制指标，注浆量设为建筑空隙体积的120％～140％。
作为优选，盾构沿设计行进轨迹推进过程中，控制参数需满足下述公式：
F1+F2＝F土1+F土2
F3+F4+F5+W盾＝0
F1D1-F土1D1+F3D2-F2D1+F土2D1＝0
式中：F1为千斤顶对盾头上半部的推力在盾头顶部的简化力，F2千斤顶对盾头下半部的推力在盾头底部的简化力，F3为盾构机体对机头弹性约束力，W盾为盾构本体重量，F4为盾体上部土层对盾体上浮的阻力，F5为盾体下部土层对盾体的向上浮力，F土1为开挖面土体对盾头上半部的反作用力在盾头顶部的简化力，F土2为开挖面土体对盾头下半部的反作用力在盾头底部的简化力，D1为盾头半径，D1为盾头水平方向的半宽。但本领域技术人员应当知道，虽然盾构机位状态平衡分析时限定上述公式，但其并不一定要求时刻都满足，例如盾体推进瞬间，千斤顶推力必然会大于土层反力。因此前后或瞬时偏差也应当理解为本发明保护范围内，发明的本质是在推进过程中尽量保持水平力、垂直力和旋转力矩的平衡。
作为优选，所述的盾构推进过程中推进速度控制在20mm/min以下。
作为优选，所述的盾构推进过程中连续监测盾体是否沿设计行进轨迹前进，当发现其产生偏离时，及时执行所述的2)，调整盾构壳体位置逐渐返到盾构轴线设计行进轨迹。
作为优选，所述的盾构推进过程中通过管片注浆孔进行二次注浆，并控制注浆压力和注浆量，减小管片上浮，控制管片安装质量和地铁纵向线位。
与现有技术相比，本发明主要优点在于：先做盾构机位状态的力学平衡分析，寻找宏观定性控制方法；依据宏观定性控制方法制定调整方案，并严格控制；调整盾构壳体位置逐渐返到盾构轴线设计行进轨迹。
附图说明
图1是盾构行进轨迹偏移示意图；
图2是盾构机位状态力学分析示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
地铁穿越下软上硬软土地层控制盾构上浮的施工方法，步骤如下：
(1)穿越前技术准备
严格按照盾构机制造商提供的盾构机设备保养手册对盾构机进行检查、维护和保养,确保盾构机处于良好的状态。
(2)穿越时盾构推进措施
在盾构推进过程中，同步进行如下控制：
(2.1)加强同步注浆管理。向新开挖隧道和盾构壳体之间的缝隙中进行同步注浆,注入的浆液为密度大于盾构上部硬土层密度的硬性浆液。同步注浆过程控制参数包括注浆量和注浆压力控制，盾构推进过程中主要以注浆量为控制指标，注浆量设为建筑空隙(即盾头新开挖隧道壁和盾构壳体之间的缝隙)体积的120％～140％，实现同步增加F4基本控制盾构壳体位置。
(2.2)推进速度和纠偏控制：此阶段推进速度不宜太快，一般控制在20mm/min以下，较正常推进速度50mm/min慢。推进过程中，连续监测盾体是否沿设计行进轨迹前进，当发现其产生偏离时，及时增加千斤顶对盾构上部的作用力和减少千斤顶对盾构下部的作用力，调整盾构壳体位置逐渐返到盾构轴线设计行进轨迹。通过增加F1和减少F2，调整盾构壳体位置逐渐返到盾构轴线设计行进轨迹，但避免过多、过量的盾构纠偏，以减少盾构推进对土层的扰动，控制地表变形。
一般来说，盾构沿设计行进轨迹推进过程中，控制参数需同时满足下述公式：
F1+F2＝F土1+F土2
F3+F4+F5+W盾＝0
F1D1-F土1D1+F3D2-F2D1+F土2D1＝0
式中：F1为千斤顶对盾头上半部的推力在盾头顶部的简化力，F2千斤顶对盾头下半部的推力在盾头底部的简化力，F3为盾构机体对机头弹性约束力，W盾为盾构本体重量，F4为盾体上部土层对盾体上浮的阻力，F5为盾体下部土层对盾体的向上浮力，F土1为开挖面土体对盾头上半部的反作用力在盾头顶部的简化力，F土2为开挖面土体对盾头下半部的反作用力在盾头底部的简化力，D1为盾头半径，D1为盾头水平方向的半宽。
(2.3)做好管片补压浆措施：通过管片注浆孔进行二次注浆，控制好注浆压力和注浆量，减小管片上浮，控制管片安装质量和地铁纵向线位。
(3)信息化施工
施工时对已安装管片及盾构自身均严密进行监控量测，做到信息化施工。
沿隧道轴线纵向监测点需加密，监测点间距3m。监测频率为每推进一环测一次，并及时将信息反馈于施工现场。当实测上浮量或上浮速率较大时，根据实际情况适当增加测点和测频。
监测累计上浮量报警10mm，预警8mm；当累计上浮量大于报警值的60％后，日上浮量2mm报警。
每一次监测成果都及时汇总反馈，以便确定新的施工参数和注浆量等技术参数，最后通过监测确定效果，从而反复循环、验证、完善，确保大堤安全和隧道施工质量。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种地铁穿越下软上硬软土地层控制盾构上浮的施工方法，其特征在于在盾构推进过程中，同步进行如下控制：
1)向新开挖隧道和盾构壳体之间的缝隙中进行同步注浆,注入的浆液为密度大于盾构上部硬土层密度的硬性浆液；
2)增加千斤顶对盾构上部的作用力和减少千斤顶对盾构下部的作用力，以调整盾构壳体位置有利于维持盾构轴线设计行进轨迹。
2.如权利要求1所述的施工方法，其特征在于所述的1)中，同步注浆过程控制参数包括注浆量和注浆压力控制，盾构推进过程中主要以注浆量为控制指标，注浆量设为建筑空隙体积的120％～140％。
3.如权利要求1所述的施工方法，其特征在于盾构沿设计行进轨迹推进过程中，控制参数需满足下述公式：
F1+F2＝F土1+F土2
F3+F4+F5+W盾＝0
F1D1-F土1D1+F3D2-F2D1+F土2D1＝0
式中：F1为千斤顶对盾头上半部的推力在盾头顶部的简化力，F2千斤顶对盾头下半部的推力在盾头底部的简化力，F3为盾构机体对机头弹性约束力，W盾为盾构本体重量，F4为盾体上部土层对盾体上浮的阻力，F5为盾体下部土层对盾体的向上浮力，F土1为开挖面土体对盾头上半部的反作用力在盾头顶部的简化力，F土2为开挖面土体对盾头下半部的反作用力在盾头底部的简化力，D1为盾头半径，D1为盾头水平方向的半宽。
4.如权利要求1所述的施工方法，其特征在于所述的盾构推进过程中推进速度控制在20mm/min以下。
5.如权利要求1所述的施工方法，其特征在于所述的盾构推进过程中连续监测盾体是否沿设计行进轨迹前进，当发现其产生偏离时，及时执行所述的2)，调整盾构壳体位置逐渐返到盾构轴线设计行进轨迹。
6.如权利要求1所述的施工方法，其特征在于所述的盾构推进过程中通过管片注浆孔进行二次注浆，并控制注浆压力和注浆量，减小管片上浮，控制管片安装质量和地铁纵向线位。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160921 |