CN106907164A - 一种水底矿山盾构隧道组合对接结构形式及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
一种水底矿山盾构隧道组合对接结构形式及其施工方法，它涉及城市轨道交通施工技术领域；从矿山法隧道段采用台阶法开挖、施工接收段隧道初期支护，开挖至对接点时封闭堵头墙；对对接段前方地层进行注浆加固；然后浇筑接收段封闭箱体衬砌，内部填充水泥砂浆；接着盾构匀速掘进直接破除堵头墙和填充水泥砂浆后进入箱体衬砌；盾构机刀盘设计为可拆卸式，接着在盾构机外壳上设置吊点，拆除盾构机各部件从后方盾构隧道运出，盾构机钢壳留置在洞内；最后在其内部施作二次衬砌连接各段。本发明适用于水下及海底隧道和地下结构采用矿山法和盾构法的对接施工，结构稳定性和施工安全性好，丰富了盾构工法的组织形式。
Description
技术领域
本发明涉及城市轨道交通施工技术领域，具体涉及一种水底矿山盾构隧道组合对接结构形式及其施工方法。
背景技术
随着城市建设进程的加快，对地面交通、环境影响小的地下空间越来越多地受到青睐。我国城市地铁建设正在快速发展，海滨城市的地铁过海线路规划也越来越多。目前我国海底隧道的建设尚处于起步阶段，而且各个城市其地层的差异性及施工环境的复杂性都有不同，过海区间隧道适合采用的施工方法和结构型式也有所区别。适合水下隧道建设的施工方法主要有围堰明挖法、矿山法、盾构法和沉管法，根据所处环境条件和地质条件采用不同工法。
矿山法和盾构法作为暗挖工法，对周边环境影响小，在城市隧道和地下工程中采用较多。矿山法机动灵活，实施组织方便，造价低，控制地层变形能力稍差；盾构法控制地层能力强，施工速度快，采用大型盾构机设备，需要大型空间合理组织盾构始发和接收。在城市轨道交通或铁路、公路等地下工程中，区间隧道盾构组织一般通过明挖地铁车站或竖井来实现盾构机的始发和接收。
穿越水域的海底隧道或水下隧道，一般在水域范围采用的都是单一工法。矿山法可双向掘进，海底实现贯通后浇筑二衬混凝土实现隧道连接。沉管法分节沉放，最终接头设置在岸边水深较浅处实现整条隧道贯通。盾构法一般在海边陆地设置竖井始发，对岸陆地设置竖井接收；或者两台盾构机在岸边相向掘进，海域中部对地层加固，实施机械对接。在海底或水下隧道采用两种工法时，一般也都是在岸边设置竖井，实现盾构法和矿山法的连接。
采用上述常规盾构组织隧道施工的方法存在一些不足，首先是施工组织不灵活，限制了盾构工法的利用范围。盾构和其他工法连接时，只能采用明挖竖井进行大型盾构机的吊拆，对于穿越水域只能设置在岸边陆地。其次，如果盾构法和矿山法区间连接点位于水域，需要在海中设置竖井，设置竖井要先围堰筑岛，影响航道通行，投资费用和施工难度都将显著增加。再次，如果在海底先用矿山法施工施工一个扩大接收洞室，盾构空推通过矿山法区间，这样需要整个矿山法断面都需加大断面，投资增加；同时在海域设置大型接收洞室和长距离空推盾构施工风险高。最后是海域隧道一般都是控制性节点工程，工期要求高，采用单一盾构法组织不够灵活，盾构一旦出现问题没有好的应对解决方案，影响整个工程进度。
从上面的分析可以看出，一般采用盾构法和矿山法施工水下隧道，连接位置设置在陆域通过竖井方式，存在施工组织不灵活和效率低明显缺点。结合地层条件和加固处理，为提高施工组织灵活性和效率，减小施工风险，提出一种利用矿山法隧道的端头施工接收洞，盾构机械刀盘设置为可拆卸，采用接收箱体、管片衬砌、模筑衬砌联合组成，实现在海域中部矿山法和盾构工法对接施工。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种安全可靠、施工方便快捷、节省工程造价的水底矿山盾构隧道机械土木组合对接的施工方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种水底矿山盾构隧道组合对接结构形式，它包含矿山段和盾构段，矿山段的一端设置有盾构段；所述的矿山段包含接收段隧道初期支护、堵头墙、加固锚杆、接收地层加固、矿山段隧道二次衬砌、接收段隧道箱体衬砌、箱体衬砌端墙、填注水泥砂浆、盾构管片衬砌、盾构机钢壳、接收段二次衬砌、二衬堵头墙、加强二次衬砌；所述的接收段隧道初期支护的端部设置有堵头墙，堵头墙上设置有加固锚杆；所述的接收段隧道初期支护的一端设置有接收地层加固；所述的接收段隧道初期支护内设置有矿山段隧道二次衬砌和接收段隧道箱体衬砌，接收段隧道箱体衬砌的一端设置有箱体衬砌端墙，接收段隧道箱体衬砌和箱体衬砌端墙内设置填注水泥砂浆；所述的接收段隧道箱体衬砌的一端插设有盾构管片衬砌；所述的盾构机钢壳内设置有接收段二次衬砌，接收段二次衬砌上设置有二衬堵头墙；所述的盾构管片衬砌内设置有加强二次衬砌。
作为优选，所述的盾构管片衬砌上设置管片背后注浆。
作为优选，所述的盾构机钢壳上设置有钢壳背后注浆。
作为优选，所述的加强二次衬砌上设置加强圈梁。
一种水底矿山盾构隧道组合对接结构形式的施工方法，它包含如下步骤：
1、从矿山法隧道段采用钻爆法或浅埋暗挖法进行接收段隧道初期支护施工，接收段隧道采用上下台阶法人工开挖，开挖完成后立即在开挖断面外缘施作隧道初期支护，开挖至预定对接点时对端墙进行喷射混凝土封闭形成堵头墙，并在堵头墙上设置加固锚杆注浆以稳定端墙；
2、进行接收地层加固，分段向盾构隧道方向进行超前深孔注浆堵水加固地层；
3、加固完成后进行钻孔检查，然后施作矿山段隧道二次衬砌、接收段隧道箱体衬砌，箱体衬砌拱部预留注浆钢管压住水泥浆保证衬砌拱部密实，接着模筑箱体衬砌端墙进行封闭，而后开孔在箱体衬砌内填注水泥砂浆，充满整个箱体衬砌；
4、盾构机沿盾构法隧道向对接点掘进，拼装管片衬砌，掘进至预定对接点时盾构机刀盘直接破除堵头墙，然后匀速持续掘进至箱体衬砌端墙位置，边掘进边拼装管片，加强管片背后同步注浆；盾构掘进过程中挖除箱体衬砌内水泥砂浆，使得盾构机在平衡状态下接收；
5、对盾构机后部管片注浆密实度进行检测，然后拆除盾构机后配套系统从盾构隧道后方运出；接着在盾构机钢壳上设置吊点，配合洞内地面千斤顶依次拆除尾盾、中盾和前盾；凿除箱体衬砌端墙，拆解盾构机刀盘，施作钢壳背后注浆，对盾构机钢壳背后压住水泥浆填充后方空隙密实；
6、在上述结构内缘铺设防水层，从矿山法段开始分段安装模板台车或脚手架，模筑接收段二次衬砌和正常矿山法段交接处二衬堵头墙；与盾构法段交界段在管片内模筑加强二次衬砌，设置加强圈梁，即完成矿山盾构隧道机械土木组合对接的施工。
作为优选，上述步骤1中，所述接收段隧道采用类圆形断面，长度不小于盾构机头长度与1.5倍盾构管片外径之和。
作为优选，上述步骤1中，所述隧道初期支护采用格栅钢架喷射混凝土结构，根据地层情况厚度取250～300mm。所述堵头墙采用喷射混凝土结构或素混凝土结构。
作为优选，上述步骤1中，所述堵头墙加固锚杆采用玻璃纤维锚杆并注浆，横竖向间距1.5m，梅花型布置。
作为优选，上述步骤2中，所述接收地层加固的范围为隧道开挖外轮廓以外3.0m，加固长度不小于12m；采用注浆法加固，注浆浆液为超细水泥浆，保证堵水和加固效果。
作为优选，上述步骤3中，所述矿山段隧道二次衬砌、接收段隧道箱体衬砌及端墙均采用钢筋混凝土结构；所述接收段隧道箱体衬砌内轮廓比盾构管片外轮廓外放至少300mm。
作为优选，上述步骤4中，所述盾构机为泥水平衡式盾构机，刀盘为可拆卸式。
作为优选，上述步骤4中，所述盾构机在进入加固区之前，盾构管片增设2个注浆孔，加强二次注浆和多次注浆，注浆浆液可采用水泥水玻璃双液浆，保证封堵管片背后地下水不形成纵向串流。
作为优选，上述步骤5中，盾构机钢壳不拆除留设在洞中，其余盾构机部件分段分开拆除运出洞外，钢壳背后采用水泥砂浆或普通水泥单液浆进行注浆填充，盾构机拆除后，如发现个别部位存在渗漏水情况，需重复注浆进行堵漏。
作为优选，上述步骤6中，所述接收段二次衬砌和加强二次衬砌均采用钢筋混凝土结构，圆形断面，断面厚度250～600mm。在二次衬砌拱部预埋注浆钢管对二衬后面空隙注浆填充。
作为优选，上述步骤6中，所述加强二次衬砌长度范围不小于1.5D。
本发明的有益效果为：
1、实现在水域中部下方地层中矿山法隧道与盾构法隧道的对接施工，避免了复杂、投资大的筑岛工程，丰富了盾构工法的组织形式；
2、设置了多个支护环节，接收支护结构由超前注浆、初期支护、封闭箱体衬砌、填充水泥砂浆、二衬钢筋混凝土结构组合形成，适用于水下隧道矿山法和盾构法的对接施工，有效封堵地下水，保证盾构接收施工安全；
3、工艺简单、便于操作，控制地层变形和结构稳定性好，并可针对土层和岩层进行施工，适用范围广，废弃工程量少，节省工程造价。
附图说明
图1是本具体实施方式对接段初期支护结构开挖支护施工示意图；
图2是本具体实施方式对接段超前注浆加固地层施工示意图；
图3是本具体实施方式对接段封闭箱体衬砌施工示意图；
图4是本具体实施方式盾构机对接矿山法施工示意图；
图5是本具体实施方式盾构机拆解施工示意图；
图6是本具体实施方式对接段二次衬砌和接头完成施工示意图；
图7是本具体实施方式施工完成示意图。
附图标记说明：
矿山段A、盾构段B、接收段隧道初期支护1、堵头墙2、加固锚杆3、接收地层加固4、矿山段隧道二次衬砌5、接收段隧道箱体衬砌6、箱体衬砌端墙7、填注水泥砂浆8、盾构管片衬砌9、管片背后注浆10、盾构机11、盾构机钢壳12、钢壳背后注浆13、接收段二次衬砌14、二衬堵头墙15、加强二次衬砌16、加强圈梁17。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
参看如图1——图7所示，一种水底矿山盾构隧道组合对接结构形式，它包含矿山段和盾构段，矿山段的一端设置有盾构段；所述的矿山段包含接收段隧道初期支护、堵头墙、加固锚杆、接收地层加固、矿山段隧道二次衬砌、接收段隧道箱体衬砌、箱体衬砌端墙、填注水泥砂浆、盾构管片衬砌、盾构机钢壳、接收段二次衬砌、二衬堵头墙、加强二次衬砌；所述的接收段隧道初期支护的端部设置有堵头墙，堵头墙上设置有加固锚杆；所述的接收段隧道初期支护的一端设置有接收地层加固；所述的接收段隧道初期支护内设置有矿山段隧道二次衬砌和接收段隧道箱体衬砌，接收段隧道箱体衬砌的一端设置有箱体衬砌端墙，接收段隧道箱体衬砌和箱体衬砌端墙内设置填注水泥砂浆；所述的接收段隧道箱体衬砌的一端插设有盾构管片衬砌；所述的盾构机钢壳内设置有接收段二次衬砌，接收段二次衬砌上设置有二衬堵头墙；所述的盾构管片衬砌内设置有加强二次衬砌。
作为优选，所述的盾构管片衬砌上设置管片背后注浆。
作为优选，所述的盾构机钢壳上设置有钢壳背后注浆。
作为优选，所述的加强二次衬砌上设置加强圈梁。
一种水底矿山盾构隧道组合对接结构形式的施工方法，以轨道交通单线区间为例，盾构法断面外径6.7m、内径6.0m，包括按顺序进行的下列步骤：
1、首先从矿山法隧道段采用钻爆法或浅埋暗挖法进行接收段隧道初期支护1施工。接收段隧道采用上下台阶法人工开挖，开挖完成后立即在开挖断面外缘施作隧道初期支护1。接收段隧道初期支护采用格栅钢架喷射混凝土结构，开挖宽度和高度约8.5m，喷射C25混凝土厚度300mm。开挖至预定对接点时对端墙进行喷射混凝土封闭形成堵头墙2，并在堵头墙2上设置加固锚杆3注浆以稳定端墙。堵头墙2采用C25喷射混凝土，厚度150mmm；加固锚杆3采用直径25mm玻璃纤维锚杆，横竖向间距1.5m，对堵头墙进行超前注浆加固地层，注浆浆液采用水泥水玻璃双液浆；
2、进行接收地层加固4，由矿山法段隧道开挖面分段向盾构隧道方向进行超前深孔注浆堵水加固地层；加固范围为隧道开挖轮廓线以外3.0m，加固长度纵向12m，根据地层情况采用全孔一次性注浆或前进法注浆，注浆浆液为超细水泥浆，注浆压力约为静水压力的2倍，保证注浆加固和堵水效果；
3、加固完成后进行钻孔检查，如不能满足设计加固要求应补充加固注浆。然后施作矿山段隧道二次衬砌5、接收段隧道箱体衬砌6，箱体衬砌6拱部预留注浆钢管压住水泥浆保证衬砌拱部密实。矿山段隧道二次衬砌5和接收段箱体衬砌6为钢筋混凝土结构，采用模板台阶浇筑，矿山段二次衬砌5结构厚度450mm，接收段箱体衬砌6结构厚度250mm。箱体衬砌结构内净空宽度为7.3m，相对盾构管片外轮廓外放300mm，保证盾构机能够顺利接收。接着模筑箱体衬砌端墙7进行封闭，而后开孔在箱体衬砌内填注水泥砂浆8，充满整个箱体衬砌6。至此形成封闭的接收箱体，减小盾构接收过程中的突涌水风险；箱体内部填充水泥砂浆，为盾构机平衡状态下稳定接收创造条件；
4、箱体衬砌施工完成之前，盾构掌子面应距离对接段20m之外。接收段隧道箱体衬砌6和填注水泥砂浆8完成后，盾构机11沿盾构法隧道向对接点掘进，拼装盾构管片衬砌9，盾构管片衬砌9的每环管片上增设2个注浆孔，加强二次注浆和多次注浆，注浆浆液采用水泥水玻璃双液浆，保证封堵管片背后地下水不形成纵向串流。确认盾构管片衬砌9背后注浆的效果后，盾构机11掘进至预定对接点，盾构机11的刀盘直接破除堵头墙2，然后匀速持续掘进至箱体衬砌端墙7位置，边掘进边拼装管片，加强管片背后注浆10；盾构掘进过程中挖除箱体衬砌6内水泥砂浆8，使得盾构机在平衡状态下接收。管片背后注浆10采用普通水泥单液浆；
5、采用超声波法对盾构机后部管片注浆密实度进行检测，保证盾构管片衬砌9与围岩结合紧密。盾构机为泥水平衡盾构机，前方刀盘设计为可拆卸式。然后拆除盾构机后配套系统包括泥水运输、管片安装、注浆系统等从盾构隧道后方运出；接着在盾构机钢壳12上设置吊点，配合洞内地面千斤顶依次拆除尾盾、中盾和前盾；凿除箱体衬砌端墙7，拆解盾构机刀盘，将刀盘拆解为3～4块，分块运出洞外。施作钢壳背后注浆13，对盾构机钢壳12背后压住水泥浆填充后方空隙密实；钢壳背后注浆13采用普通水泥单液浆；
6、盾构机拆解运出洞外后，在连接段初期支护、盾构钢壳、管片衬砌结构内缘铺设防水层，从矿山法段开始分段安装模板台车或脚手架，模筑接收段二次衬砌14和正常矿山法段交接处二衬堵头墙15；接收段二次衬砌14为钢筋混凝土结构，厚度600mm，通过堵头墙15与先期施作的矿山段二次衬砌5平顺连接；与盾构法段交界段在管片内模筑加强二次衬砌16，设置加强圈梁17，即可完成矿山盾构隧道机械土木组合对接的施工。加强二次衬砌15为钢筋混凝土结构，厚度为250mm，沿隧道纵向长度为12m。
其中，施工时应做好超前地质预报和地质确认工作，对接点选择在岩层等围岩较好地段；在进入盾构接收点前200米时，盾构施工加强管片背后注浆堵水；对接点前施工加强盾构姿态控制调整，水平控制±15mm,竖直控制在±30mm以内。
本具体实施方式的有益效果为：
1、实现在水域中部下方地层中矿山法隧道与盾构法隧道的对接施工，避免了复杂、投资大的筑岛工程，丰富了盾构工法的组织形式；
2、设置了多个支护环节，接收支护结构由超前注浆、初期支护、封闭箱体衬砌、填充水泥砂浆、二衬钢筋混凝土结构组合形成，适用于水下隧道矿山法和盾构法的对接施工，有效封堵地下水，保证盾构接收施工安全；
3、工艺简单、便于操作，控制地层变形和结构稳定性好，并可针对土层和岩层进行施工，适用范围广，废弃工程量少，节省工程造价。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种水底矿山盾构隧道组合对接结构形式，其特征在于：它包含矿山段和盾构段，矿山段的一端设置有盾构段；所述的矿山段包含接收段隧道初期支护、堵头墙、加固锚杆、接收地层加固、矿山段隧道二次衬砌、接收段隧道箱体衬砌、箱体衬砌端墙、填注水泥砂浆、盾构管片衬砌、盾构机钢壳、接收段二次衬砌、二衬堵头墙、加强二次衬砌；所述的接收段隧道初期支护的端部设置有堵头墙，堵头墙上设置有加固锚杆；所述的接收段隧道初期支护的一端设置有接收地层加固；所述的接收段隧道初期支护内设置有矿山段隧道二次衬砌和接收段隧道箱体衬砌，接收段隧道箱体衬砌的一端设置有箱体衬砌端墙，接收段隧道箱体衬砌和箱体衬砌端墙内设置填注水泥砂浆；所述的接收段隧道箱体衬砌的一端插设有盾构管片衬砌；所述的盾构机钢壳内设置有接收段二次衬砌，接收段二次衬砌上设置有二衬堵头墙；所述的盾构管片衬砌内设置有加强二次衬砌。
2.一种水底矿山盾构隧道组合对接结构形式的施工方法，其特征在于它包含如下步骤：
(1)、从矿山法隧道段采用钻爆法或浅埋暗挖法进行接收段隧道初期支护施工，接收段隧道采用上下台阶法人工开挖，开挖完成后立即在开挖断面外缘施作隧道初期支护，开挖至预定对接点时对端墙进行喷射混凝土封闭形成堵头墙，并在堵头墙上设置加固锚杆注浆以稳定端墙；
(2)、进行接收地层加固，分段向盾构隧道方向进行超前深孔注浆堵水加固地层；
(3)、加固完成后进行钻孔检查，然后施作矿山段隧道二次衬砌、接收段隧道箱体衬砌，箱体衬砌拱部预留注浆钢管压住水泥浆保证衬砌拱部密实，接着模筑箱体衬砌端墙进行封闭，而后开孔在箱体衬砌内填注水泥砂浆，充满整个箱体衬砌；
(4)、盾构机沿盾构法隧道向对接点掘进，拼装管片衬砌，掘进至预定对接点时盾构机刀盘直接破除堵头墙，然后匀速持续掘进至箱体衬砌端墙位置，边掘进边拼装管片，加强管片背后同步注浆；盾构掘进过程中挖除箱体衬砌内水泥砂浆，使得盾构机在平衡状态下接收；
(5)、对盾构机后部管片注浆密实度进行检测，然后拆除盾构机后配套系统从盾构隧道后方运出；接着在盾构机钢壳上设置吊点，配合洞内地面千斤顶依次拆除尾盾、中盾和前盾；凿除箱体衬砌端墙，拆解盾构机刀盘，施作钢壳背后注浆，对盾构机钢壳背后压住水泥浆填充后方空隙密实；
(6)、在上述结构内缘铺设防水层，从矿山法段开始分段安装模板台车或脚手架，模筑接收段二次衬砌和正常矿山法段交接处二衬堵头墙；与盾构法段交界段在管片内模筑加强二次衬砌，设置加强圈梁，即完成矿山盾构隧道机械土木组合对接的施工。
3.根据权利要求1所述的一种水底矿山盾构隧道组合对接结构形式，其特征在于：所述的盾构管片衬砌上设置管片背后注浆。
4.根据权利要求1所述的一种水底矿山盾构隧道组合对接结构形式，其特征在于：所述的盾构机钢壳上设置有钢壳背后注浆。
5.根据权利要求1所述的一种水底矿山盾构隧道组合对接结构形式，其特征在于：所述的加强二次衬砌上设置加强圈梁。
6.根据权利要求2所述的一种水底矿山盾构隧道组合对接结构形式的施工方法，其特征在于：上述步骤(1)中，所述接收段隧道采用类圆形断面，长度不小于盾构机头长度与1.5倍盾构管片外径之和。
7.根据权利要求2所述的一种水底矿山盾构隧道组合对接结构形式的施工方法，其特征在于：上述步骤(1)中，所述隧道初期支护采用格栅钢架喷射混凝土结构，根据地层情况厚度取250～300mm。所述堵头墙采用喷射混凝土结构或素混凝土结构。
8.根据权利要求2所述的一种水底矿山盾构隧道组合对接结构形式的施工方法，其特征在于：上述步骤(1)中，所述堵头墙加固锚杆采用玻璃纤维锚杆并注浆，横竖向间距1.5m，梅花型布置。
9.根据权利要求2所述的一种水底矿山盾构隧道组合对接结构形式的施工方法，其特征在于：上述步骤(2)中，所述接收地层加固的范围为隧道开挖外轮廓以外3.0m，加固长度不小于12m；采用注浆法加固，注浆浆液为超细水泥浆，保证堵水和加固效果。
10.根据权利要求2所述的一种水底矿山盾构隧道组合对接结构形式的施工方法，其特征在于：上述步骤(3)中，所述矿山段隧道二次衬砌、接收段隧道箱体衬砌及端墙均采用钢筋混凝土结构；所述接收段隧道箱体衬砌内轮廓比盾构管片外轮廓外放至少300mm。
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