CN106285695A - 一种盾构隧道端头微生物加固结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构隧道端头微生物加固结构及其施工方法，加固结构是在围护结构的前端设有微生物加固区，微生物加固区靠近围护结构侧设置有垂直管。微生物加固区的范围：其中隧道横向断面的上下距离为盾构机外径底部下方3.0m处至地面，隧道横向断面的左右距离为盾构机外径左边3.0m至盾构机外径右边3.0m处，隧道纵向断面方向为盾构主机长度加上2‑3倍管片宽度为纵向加固长度，施工方法为：第一步、微生物加固区的施工；第二步、加热循环系统的施工；第三步、垂直冻结的施工；第四步、冻结管的拔除。有益效果：可有效解决该地区常规加固方式加固效果不佳的问题，保证盾构机顺利进出洞。

Description

一种盾构隧道端头微生物加固结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及一种微生物加固结构及其施工方法，特别涉及一种盾构隧道端头微生物加固结构及其施工方法。

背景技术

目前，在盾构进出洞时，一般采用的施工方法是先完成盾构井主体结构，再对盾构隧道端头土体进行改良加固，然后凿除洞门处钢筋混凝土围护结构，进而完成盾构机始发或到达。其中，洞门破除要求的时间非常紧，施工难度大。洞门破除后对加固体强度及密封性要求很高，加固效果不佳时，在洞门破除时极易出现盾构与洞门间隙涌泥涌砂及地表沉降现象，进而危及附近地下管线和建筑物的安全。为防止此类现象发生，以满足强度和抗渗性的要求，如何选择合理的盾构隧道端头加固处理方案，或者是选择合理的盾构进出洞施工方法，是目前需要解决的关键技术问题。

盾构隧道端头常用的加固方式有深层搅拌法、高压旋喷法、SMW工法、人工冻结法、注浆法、素混凝土灌注桩法和降水法等。土体加固可以采用一种工法或多种工法相结合的加固手段。加固方式应根据工程地质条件、地下水位、结构埋深、盾构机型与直径、作业环境等条件来进行选择，同时考虑安全性、施工方便性、经济性、工期等因素。目前，端头地层加固方式可以分为以下两大类：

（1）化学加固方式——高压喷射注浆法、深层搅拌法、注浆法、素混凝土灌注桩法等；

（2）物理加固方式——冻结法、降水法等。

可以看出，上述两大类土体加固方法都是利用机械能或人造材料对土体进行物理化学加固，而在机械施工及材料生产过程中均需要消耗大量的能源。其中，基于水泥、石灰或化学浆材的化学加固技术是一种极为常用的土体加固方法，它是将浆液灌入土体的孔隙或者与土体强制搅拌混合，从而达到增强土体强度，降低其渗透性的目的。然而，水泥与石灰等传统的胶凝材料能改变土体的pH值，使土体呈碱性并形成一定范围的侵蚀环境，对地下水与周围植被均会造成不良的影响。水泥生产过程中还会排放大量的温室气体，每生产1t水泥熟料，因燃煤和石灰石分解会排放出1t的CO₂，其存在能耗高、污染环境等缺点，势必会对生态环境构成威胁，严重阻碍建设资源节约型和环境友好型社会的发展进程。对于其它化学灌浆材料而言，除了水玻璃（Na2SiO3）外，所有化学浆材（环氧树脂类、丙烯酸盐类、酚醛树脂类、聚氨酯类等）都是有毒的。因此，研究节能减排、生态环保、经济高效的新型土体加固方法意义重大。如何寻找到具有能耗小、污染少且性能优良的新型土体加固技术是目前亟待坚决的关键问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的盾构隧道端头常用加固方式存在诸多问题而提供的一种盾构隧道端头微生物加固结构及其施工方法。

本发明提供的盾构隧道端头微生物加固结构是在围护结构的前端设有微生物加固区，微生物加固区靠近围护结构侧设置有垂直管。

微生物加固区的范围：其中隧道横向断面的上下距离为盾构机外径底部下方3.0m处至地面，隧道横向断面的左右距离为盾构机外径左边3.0m至盾构机外径右边3.0m处，隧道纵向断面方向为盾构主机长度加上2-3倍管片宽度为纵向加固长度，盾构机外径周圈3.0m范围内为强加固区，隧道顶部以上3.0m至地面为弱加固区。

垂直管为加热管兼做冻结管，直径为127mm，垂直管设有1-3排，插花布置，垂直管间距为800mm，排间距为800mm；垂直管深度为地面至盾构机外径底部3m，垂直管的材质为无缝低碳钢管或PVC或PPR或ABS或PE管，垂直管截面为圆形或工字形或X形或T形或Y形。

本发明提供的盾构隧道端头微生物加固结构的施工方法，其具体方法如下所述：

第一步、微生物加固区的施工，具体工艺如下：

定位→预搅拌喷菌液下沉→至设计深度时，原地喷菌液1min→搅拌喷菌液上升→重复搅拌喷菌液下沉→重复搅拌喷菌液上升→搅拌喷胶结溶液下沉→至设计深度时，原地喷胶结溶液1min→搅拌喷胶结溶液上升→重复搅拌喷胶结溶液下沉→重复搅拌喷胶结溶液上升→完成移机；

第二步、加热循环系统的施工：在第一步的微生物加固区施工完毕后，即刻进行加热循环系统的施工，具体为：采用热水或热盐水在微生物加固区内布设的垂直管内循环，热水或热盐水温度控制在30-70℃，热水循环施工时温度监测同时进行，当95%以上的测温点温度达到30℃以上时停止循环热水；

第三步、垂直冻结的施工：在第二步的加热循环系统施工后、微生物加固区的强度达到要求以及盾构机准备始发或到达时，在微生物加固区内布设的垂直管内循环冷媒介质，使得端头地层在围护结构外侧形成垂直冻土帷幕，加大洞门处微生物土的强度和封水性能，在垂直冻土帷幕的保护下使盾构机顺利进出洞，围护结构的垂直冻土墙厚度大于1.6m，冻结30天后，槽壁破除前先在洞门上有分布的打数个探孔，以判断冻土与槽壁的胶结情况，探孔深度为进入连续墙内10-15cm，然后，采用测温仪进行量测，各探孔实测温度要低于-2℃，当通过探孔实测温度与水平测温孔实测温度判断冻土墙与槽壁完全可靠胶结方可全部破壁；

第四步、冻结管的拔除：

1）强制解冻：

采用人工局部解冻的方案，利用热盐水在冻结管里循环，使冻结管周围的冻土融化；

2）盐水加热：

加热盐水的温度控制在75±10℃；

3）盐水循环：

利用盐水泵循环盐水，每个冻结孔的盐水循环流量控制在5－7m³/h；

4）解冻测量：

利用冻结帷幕内的测温孔，每天定时测量帷幕温度的变化，直至冻结帷幕上升至正温为止，则停止解冻作业；

5）冻结管起拔

冻结管解冻后，用压缩空气将管内盐水排出。采用吊车进行试拔，拔起0.5m左右时，确保无异常后，快速拔出冻结管，如拔不动时，要继续循环热盐水解冻，直至能拔起冻结管为止；

6）冻胀与融沉控制：

在冻结管拔出后，要及时地将冻结孔洞用黄砂充填密实，在冻土体的融化阶段，利用隧道管片的注浆孔向冻结加固区进行注浆压密加固冻融土体，采取小压力、多注次的方式进行注浆，注浆压力为0.20.5MPa，浆液选用单液水泥浆，选用制冷量匹配的冷冻机组,在短时间内把盐水温度降到设计值,以加快冻土发展,提高冻土强度,减少冻胀和融沉量，掌握和调整盐水温度和盐水流量,采取间歇式冻结,控制冻土发展量，以减少冻胀和融沉。

在上述方法的第一步中所述的菌液由浓度OD600=1.5的巴氏芽孢杆菌及其营养盐溶液共同组成，每1L的营养盐溶液中含有6g的大豆蛋白胨、16g的胰蛋白胨、5g的氯化钠以及20g的尿素，营养盐溶液的pH值为7.25。

在上述方法的第一步中所述的胶结溶液为浓度为0.60mol/L-1.50mol/L的氯化钙溶液和浓度为0.60mol/L-1.50mol/L的尿素溶液混合而成，胶结溶液的具体浓度还必须根据现场地基中的土粒级配来合理确定。

在上述方法的第三步中所述的冷媒介质为氯化钙混合溶液或液氮，选用氯化钙溶液作冷媒剂时，应使该浓度的冰点比制冷工质的沸点低6℃-8℃，否则氯化钙溶液易出现冰析现象。浓度太大时，因低温析盐将会堵塞管路。在蒸发温度t₀=-25℃～-35℃时，选择氯化钙溶液浓度为29-31°Be（相应的密度ρ=1.250～1.270g/cm³），其冰点为-34.6℃～-42.6℃。

溶液浓度波美度的定义为：

°Be=145（ρ-1）/ρ

式中：ρ——盐水溶液的密度（g/cm³）。

为了进一步降低盐水溶液的凝固点，可用85%的CaCl₂、10%的MgCl₂和5%的甲醇混合溶液，配制出凝固温度在-50℃以下的冷媒剂。

本发明的设计原理：

本发明是一种盾构隧道端头微生物加固结构及其施工方法，是一种新型的盾构隧道端头加固方式。是对盾构隧道端头一定范围内的土体先进行微生物加固处理，之后在地面靠近围护结构一侧布设1-3排垂直管做为加热管兼冻结管，通过在垂直管中循环30-70℃的热水，使得土体温度升高，达到微生物最佳生长的温度范围，提高微生物的新陈代谢，促进其生长繁殖，微生物诱导生成的碳酸钙沉淀速率越快且含量越多，最终大大提高微生物土的强度以及抗渗性能。在盾构机准备始发或到达时，再在垂直管中循环低温冷媒介质，使得端头地层在围护结构外侧形成垂直冻土帷幕，加大洞门处微生物土的强度和封水性能，在垂直冻土帷幕的保护下盾构机顺利进出洞。

本发明所述方法中微生物加固区内的垂直管钻孔、安装施工工艺以及具体的冻结工艺均为现有普遍采用的工法，因此，本发明没有进一步进行详细赘述。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种新的盾构隧道端头土体加固方式，拓展了盾构隧道端头加固方式的类别，具有施工实用性强、施工质量控制方便、加固效果特别是止水效果好且安全可靠等突出优点，具有较大的推广应用价值。本发明提供的技术方案特别适合作为软土地区富含水砂层的端头地层加固方式，可有效解决该地区常规加固方式加固效果不佳的问题，保证盾构机顺利进出洞。

附图说明

图1为本发明所述加固结构的侧视图。

图2为本发明所述加固结构的俯视图。

图3为本发明所述加固结构施工方法的工艺流程图。

1、围护结构 2、微生物加固区 3、垂直管 4、盾构机5、隧道。

具体实施方式

请参阅图1、图2和图3所示：

本发明提供的盾构隧道端头微生物加固结构是在围护结构1的前端设有微生物加固区2，微生物加固区3靠近围护结构1侧设置有垂直管3。

微生物加固区2的范围：其中隧道5横向断面的上下距离为盾构机4外径底部下方3.0m处至地面，隧道5横向断面的左右距离为盾构机4外径左边3.0m至盾构机4外径右边3.0m处，隧道5纵向断面方向为盾构主机长度加上2-3倍管片宽度为纵向加固长度，盾构机4外径周圈3.0m范围内为强加固区，隧道5顶部以上3.0m至地面为弱加固区。

垂直管3为加热管兼做冻结管，直径为127mm，垂直管3设有1-3排，插花布置，垂直管3间距为800mm，排间距为800mm；垂直管3深度为地面至盾构机4外径底部3m，垂直管3的材质为无缝低碳钢管或PVC或PPR或ABS或PE管，垂直管3截面为圆形或工字形或X形或T形或Y形。

本发明提供的盾构隧道端头微生物加固结构的施工方法，其具体方法如下所述：

第一步、微生物加固区2的施工，具体工艺如下：

定位→预搅拌喷菌液下沉→至设计深度时，原地喷菌液1min→搅拌喷菌液上升→重复搅拌喷菌液下沉→重复搅拌喷菌液上升→搅拌喷胶结溶液下沉→至设计深度时，原地喷胶结溶液1min→搅拌喷胶结溶液上升→重复搅拌喷胶结溶液下沉→重复搅拌喷胶结溶液上升→完成移机；

施工注意事项

①开机前必须调试，检查桩机运转和输料管是否顺畅。

②桩位布置与设计值偏差≤4％，搅拌桩身垂直度偏差≤1％。

③开工前应明确菌液和胶结溶液经输浆管到达搅拌桩机喷浆口的时间、搅拌机的浆泵输浆量、起吊设备提升速度等施工参数；并根据设计要求进行试桩以确定菌液和胶结溶液等成分参数和成桩的施工工艺。采用流量泵控制浆液输送速度，使注浆泵出口压力保持在0.5MPa-0.8MPa之间，施工过程中确保搅拌提升速度与泵的输浆速度同步。

④制备好的菌液和胶结溶液不得离析，泵送不得间断。拌制浆液的数量、泵送浆液的时间等派专人记录，喷浆量及搅拌深度必须采用经国家计量部门认证的监测仪器进行自动记录。

⑤为确保搅拌桩桩端质量，当浆液达到出浆口后，应喷浆座底60s，在菌液和胶结溶液与桩端土充分搅拌后，再开始提升搅拌头。

⑥搅拌次数以试桩时确定的二次喷浆三次搅拌工艺为准，最后一次提升搅拌采用慢速提升。当喷浆口到达设计桩顶高程时，应停止提升，搅拌数秒，以确保桩头均匀密实。

⑦在施工过程中因故停浆，应将搅拌机下沉至停浆点以下50cm，待恢复供浆时再喷浆提升。

⑧施工连续墙或者壁状加固时，桩与桩之间的搭接时间≤24h，如因特殊原因超过24h，应对最后一根桩先进行空钻留出榫头以待下一批桩搭接；遇到间隔时间过长，导致与第二根无法搭接情况下，可采取局部补桩或注浆措施。

第二步、加热循环系统的施工：在第一步的微生物加固区2施工完毕后，即刻进行加热循环系统的施工，具体为：采用热水或热盐水在微生物加固区2内布设的垂直管3内循环，热水或热盐水温度控制在30-70℃，热水循环施工时温度监测同时进行，当95%以上的测温点温度达到30℃以上时停止循环热水；

第三步、垂直冻结的施工：在第二步的加热循环系统施工后、微生物加固区2的强度达到要求以及盾构机4准备始发或到达时，在微生物加固区2内布设的垂直管3内循环冷媒介质，使得端头地层在围护结构1外侧形成垂直冻土帷幕，加大洞门处微生物土的强度和封水性能，在垂直冻土帷幕的保护下使盾构机4顺利进出洞，围护结构1的垂直冻土墙厚度大于1.6m，冻结30天后，槽壁破除前先在洞门上有分布的打数个探孔，以判断冻土与槽壁的胶结情况，探孔深度为进入连续墙内10-15cm，然后，采用测温仪进行量测，各探孔实测温度要低于-2℃，当通过探孔实测温度与水平测温孔实测温度判断冻土墙与槽壁完全可靠胶结方可全部破壁；

第四步、冻结管的拔除：

1）强制解冻：

采用人工局部解冻的方案，利用热盐水在冻结管里循环，使冻结管周围的冻土融化；

2）盐水加热：

加热盐水的温度控制在75±10℃；

3）盐水循环：

利用盐水泵循环盐水，每个冻结孔的盐水循环流量控制在5－7m³/h；

4）解冻测量：

利用冻结帷幕内的测温孔，每天定时测量帷幕温度的变化，直至冻结帷幕上升至正温为止，则停止解冻作业；

5）冻结管起拔

冻结管解冻后，用压缩空气将管内盐水排出。采用吊车进行试拔，拔起0.5m左右时，确保无异常后，快速拔出冻结管，如拔不动时，要继续循环热盐水解冻，直至能拔起冻结管为止；

6）冻胀与融沉控制：

在冻结管拔出后，要及时地将冻结孔洞用黄砂充填密实，在冻土体的融化阶段，利用隧道管片的注浆孔向冻结加固区进行注浆压密加固冻融土体，采取小压力、多注次的方式进行注浆，注浆压力为0.20.5MPa，浆液选用单液水泥浆，选用制冷量匹配的冷冻机组,在短时间内把盐水温度降到设计值,以加快冻土发展,提高冻土强度,减少冻胀和融沉量，掌握和调整盐水温度和盐水流量,采取间歇式冻结,控制冻土发展量，以减少冻胀和融沉。

在上述方法的第一步中所述的菌液由浓度OD600=1.5的巴氏芽孢杆菌及其营养盐溶液共同组成，每1L的营养盐溶液中含有6g的大豆蛋白胨、16g的胰蛋白胨、5g的氯化钠以及20g的尿素，营养盐溶液的pH值为7.25。

在上述方法的第一步中所述的胶结溶液为浓度为0.60mol/L-1.50mol/L的氯化钙溶液和浓度为0.60mol/L-1.50mol/L的尿素溶液混合而成，胶结溶液的具体浓度还必须根据现场地基中的土粒级配来合理确定。

在上述方法的第三步中所述的冷媒介质为氯化钙混合溶液或液氮，选用氯化钙溶液作冷媒剂时，应使该浓度的冰点比制冷工质的沸点低6℃-8℃，否则氯化钙溶液易出现冰析现象。浓度太大时，因低温析盐将会堵塞管路。在蒸发温度t₀=-25℃～-35℃时，选择氯化钙溶液浓度为29-31°Be（相应的密度ρ=1.250～1.270g/cm³），其冰点为-34.6℃～-42.6℃。

溶液浓度波美度的定义为：

°Be=145（ρ-1）/ρ

式中：ρ——盐水溶液的密度（g/cm³）。

为了进一步降低盐水溶液的凝固点，可用85%的CaCl₂、10%的MgCl₂和5%的甲醇混合溶液，配制出凝固温度在-50℃以下的冷媒剂。

本发明的设计原理：

本发明是一种盾构隧道端头微生物加固结构及其施工方法，是一种新型的盾构隧道端头加固方式。是对盾构隧道端头一定范围内的土体先进行微生物加固处理，之后在地面靠近围护结构1一侧布设1-3排垂直管3做为加热管兼冻结管，通过在垂直管3中循环30-70℃的热水，使得土体温度升高，达到微生物最佳生长的温度范围，提高微生物的新陈代谢，促进其生长繁殖，微生物诱导生成的碳酸钙沉淀速率越快且含量越多，最终大大提高微生物土的强度以及抗渗性能。在盾构机4准备始发或到达时，再在垂直管3中循环低温冷媒介质，使得端头地层在围护结构1外侧形成垂直冻土帷幕，加大洞门处微生物土的强度和封水性能，在垂直冻土帷幕的保护下盾构机4顺利进出洞。

本发明所述方法中微生物加固区2内的垂直管3钻孔、安装施工工艺以及具体的冻结工艺均为现有普遍采用的工法，因此，本发明没有进一步进行详细赘述。

Claims (7)

1.一种盾构隧道端头微生物加固结构，其特征在于：是在围护结构的前端设有微生物加固区，微生物加固区靠近围护结构侧设置有垂直管。

2.根据权利要求1所述的一种盾构隧道端头微生物加固结构，其特征在于：所述的微生物加固区的范围：其中隧道横向断面的上下距离为盾构机外径底部下方3.0m处至地面，隧道横向断面的左右距离为盾构机外径左边3.0m至盾构机外径右边3.0m处，隧道纵向断面方向为盾构主机长度加上2-3倍管片宽度为纵向加固长度。

3.根据权利要求1所述的一种盾构隧道端头微生物加固结构，其特征在于：所述的垂直管为加热管兼做冻结管，直径为127mm，垂直管设有1-3排，插花布置，垂直管间距为800mm，排间距为800mm；垂直管深度为地面至盾构机外径底部3m，垂直管的材质为无缝低碳钢管或PVC或PPR或ABS或PE管，垂直管截面为圆形或工字形或X形或T形或Y形。

4.一种盾构隧道端头微生物加固结构的施工方法，其特征在于：其具体方法如下所述：

第一步、微生物加固区的施工，具体工艺如下：

定位→预搅拌喷菌液下沉→至设计深度时，原地喷菌液1min→搅拌喷菌液上升→重复搅拌喷菌液下沉→重复搅拌喷菌液上升→搅拌喷胶结溶液下沉→至设计深度时，原地喷胶结溶液1min→搅拌喷胶结溶液上升→重复搅拌喷胶结溶液下沉→重复搅拌喷胶结溶液上升→完成移机；

第二步、加热循环系统的施工：在第一步的微生物加固区施工完毕后，即刻进行加热循环系统的施工，具体为：采用热水或热盐水在微生物加固区内布设的垂直管内循环，热水或热盐水温度控制在30-70℃，热水循环施工时温度监测同时进行，当95％以上的测温点温度达到30℃以上时停止循环热水；

第三步、垂直冻结的施工：在第二步的加热循环系统施工后、微生物加固区的强度达到要求以及盾构机准备始发或到达时，在微生物加固区内布设的垂直管内循环冷媒介质，使得端头地层在围护结构外侧形成垂直冻土帷幕，加大洞门处微生物土的强度和封水性能，在垂直冻土帷幕的保护下使盾构机顺利进出洞，围护结构的垂直冻土墙厚度大于1.6m，冻结30天后，槽壁破除前先在洞门上有分布的打数个探孔，以判断冻土与槽壁的胶结情况，探孔深度为进入连续墙内10-15cm，然后，采用测温仪进行量测，各探孔实测温度要低于-2℃，当通过探孔实测温度与水平测温孔实测温度判断冻土墙与槽壁完全可靠胶结方可全部破壁；

第四步、冻结管的拔除：

1)强制解冻：

采用人工局部解冻的方案，利用热盐水在冻结管里循环，使冻结管周围的冻土融化；

2)盐水加热：

加热盐水的温度控制在75±10℃；

3)盐水循环：

利用盐水泵循环盐水，每个冻结孔的盐水循环流量控制在5－7m³/h；

4)解冻测量：

利用冻结帷幕内的测温孔，每天定时测量帷幕温度的变化，直至冻结帷幕上升至正温为止，则停止解冻作业；

5)冻结管起拔

冻结管解冻后，用压缩空气将管内盐水排出，采用吊车进行试拔，拔起0.5m左右时，确保无异常后，快速拔出冻结管，如拔不动时，要继续循环热盐水解冻，直至能拔起冻结管为止；

6)冻胀与融沉控制：

在冻结管拔出后，要及时地将冻结孔洞用黄砂充填密实，在冻土体的融化阶段，利用隧道管片的注浆孔向冻结加固区进行注浆压密加固冻融土体，采取小压力、多注次的方式进行注浆，注浆压力为0.20.5MPa，浆液选用单液水泥浆，选用制冷量匹配的冷冻机组,在短时间内把盐水温度降到设计值,以加快冻土发展,提高冻土强度,减少冻胀和融沉量，掌握和调整盐水温度和盐水流量,采取间歇式冻结,控制冻土发展量，以减少冻胀和融沉。

5.根据权利要求4所述的一种盾构隧道端头微生物加固结构的施工方法，其特征在于：第一步中所述的菌液由浓度OD600＝1.5的巴氏芽孢杆菌及其营养盐溶液共同组成，每1L的营养盐溶液中含有6g的大豆蛋白胨、16g的胰蛋白胨、5g的氯化钠以及20g的尿素，营养盐溶液的pH值为7.25。

6.根据权利要求4所述的一种盾构隧道端头微生物加固结构的施工方法，其特征在于：第一步中所述的胶结溶液为浓度为0.60mol/L-1.50mol/L的氯化钙溶液和浓度为0.60mol/L-1.50mol/L的尿素溶液混合而成。

7.根据权利要求4所述的一种盾构隧道端头微生物加固结构的施工方法，其特征在于：第三步中所述的冷媒介质为氯化钙混合溶液或液氮，氯化钙混合溶液为85％的CaCl₂、10％的MgCl₂和5％的甲醇混合溶液。