CN108301842B - 一种用于控制盾构隧道管片上浮的固定装置及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及盾构隧道施工技术领域，具体涉及一种用于控制盾构隧道管片上浮的固定装置及施工方法，固定装置包括沿盾构隧道路线方向依次设置的多个抗浮桩，各个所述抗浮桩从隧道上方沿隧道径向方向朝隧道一侧延伸，使得盾构隧道管片安装后被约束在抗浮桩下方，通过在盾构隧道路线上设置抗浮桩，盾构隧道穿过抗浮桩后，盾构隧道管片与抗浮桩间距仅为盾构机外径与管片外径之间间隙的间距，当管片脱出盾尾，浆液尚未凝固前，抗浮桩对管片上浮产生约束作用，利用抗浮桩与泥岩地层摩擦力对盾构隧道管片形成很好的约束作用，从而控制盾构隧道管片的上浮，该抗浮方式简单易行，容易操作控制，并且成本较低，工期短，具有较好的应用推广价值。

Description

一种用于控制盾构隧道管片上浮的固定装置及施工方法

技术领域

本发明涉及盾构隧道施工技术领域，特别涉及一种用于控制盾构隧道管片上浮的固定装置及施工方法。

背景技术

随着我国城市地铁建设的快速发展，盾构法以其高效、安全、环保的优点被广泛采用。但在泥岩地层地质条件下进行施工时，盾构隧道管片上浮问题异常突出，盾构隧道管片上浮是指管片在脱出尾盾后，受地质、地下水、同步浆液等因素的影响，造成管片向上位移的现象，上浮严重者上浮量可达200~300mm。

盾构隧道管片上浮量过大造成的危害主要有：一是管片上浮造成管片成型质量缺陷，存在相邻盾构隧道管片错台的现象，当管片错台达到控制量时，管片螺栓连接处会出现破损，同时管片上浮影响管片密封垫的止水效果，造成管片渗漏水；二是隧道设计轴线偏差过大，直接影响隧道线型是否符合设计轴线和是否满足隧道建筑界限，如图2所示，盾构隧道管片3安装在地面1下方的泥岩地层2中，由于盾构隧道管片3的上浮，导致上浮后隧道轴线4发生上拱，导致与设计隧道轴线5的偏差过大，不能满足设计要求。

为解决泥岩地层中管片上浮的技术问题，现有技术中的控制方法包括以下几种：（1）如图1所示，盾构机姿态调整法控制盾构隧道管片上浮，盾构机在泥岩地层2中掘进时，依据监测数据，调整盾构机姿态，将盾构机掘进轴线调整为向下偏移，即向设计隧道轴线5偏移，使得盾构轴线11与设计隧道轴线5形成盾构转动角α，盾构机尾部的千斤顶9将盾构隧道管片3顶出后，盾构隧道管片3产生上浮，上浮量与偏移量形成抵消，通过盾构机姿态调整法，在盾构机前端下部设置超挖刀12，使得盾构机掘进的开挖面10满足姿态调整要求；（2）在管片底部吊装孔处开孔，进行洞内抽排，或施做降水井降水，降低管片外部的水压，从而减小管片的上浮力，避免管片发生上浮；（3）优化盾构机掘进参数，控制掘进速度；（4）通过地面注浆改善上方土体自重和强度；（5）优化同步注浆参数（包括浆液类型、注浆压力）。

但上述技术的方案存在着不足之处，如控制方法（2）中采用降水处理时，长距离大范围的降水可造成地面沉陷，采用控制方法（4）时，大面积的地面注浆的成本高、工期长，而采用控制方法（1）、（3）和（5）中的调整盾构机姿态、优化掘进参数和优化注浆参数等方式，则过多的依据施工经验，并且和土层的地质条件相关，较难控制。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术中控制盾构隧道管片上浮采用降水处理时存在地面沉陷，同时采用大面积地面注浆的控制方法存在成本较高、工期较长，并且无法对盾构隧道管片上浮进行有效控制的问题，提供一种用于控制盾构隧道管片上浮的固定装置及施工方法，该固定装置通过在盾构隧道路线方向布置多个抗浮桩，使盾构隧道管片被约束在设计部位，有效控制管片上浮，该固定装置控制盾构隧道管片上浮的方式简单易行，容易操作控制，并且成本较低，工期短，具有较好的应用推广价值。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种用于控制盾构隧道管片上浮的固定装置，包括沿盾构隧道路线方向依次设置的多个抗浮桩，各个所述抗浮桩从隧道上方沿隧道径向方向朝隧道一侧延伸，使得盾构隧道管片安装后被约束在抗浮桩下方。

通过在盾构隧道路线上设置抗浮桩，盾构隧道穿过抗浮桩后，盾构隧道管片与抗浮桩间距仅为盾构机外径与管片外径之间间隙的间距，当管片脱出盾尾，浆液尚未凝固前，抗浮桩对管片上浮产生约束作用，利用抗浮桩与泥岩地层摩擦力对盾构隧道管片形成很好的约束作用，从而控制盾构隧道管片的上浮，利用一定间距抗浮桩结合盾构隧道本身的抗弯刚度，控制隧道纵向轴线变形。

采取上述结构的固定装置，解决了现有技术中采用降水处理时存在地面沉陷的问题，并且该控制方法较地面注浆的成本更低、工期更短，对盾构隧道管片的上浮能进行有效控制。

进一步地，所述抗浮桩设置在隧道顶部，并沿竖直方向向隧道一侧延伸。

优选的，还包括同时连接在多个所述抗浮桩上的冠梁，将各个抗浮桩连接为整体结构。

冠梁起到连接各个抗浮桩的作用，使多个抗浮桩成为整体结构，从而保证固定装置更好地发挥阻止泥岩地层中管片上浮的作用。

优选的，所述冠梁为钢筋混凝土结构，该冠梁的截面形状为矩形。

优选的，所述抗浮桩为柱状结构，用于约束盾构隧道管片时，所述抗浮桩的轴线竖直向下。

进一步地，所述抗浮桩的截面形状为矩形结构。将抗浮桩设置为这种结构，便于浇筑抗浮桩，提高施工效率。

优选的，所述抗浮桩为素混凝土抗浮桩。

采用素混凝土抗浮桩，当盾构机沿隧道设计轴线掘进穿越泥岩地层时，能继续掘进，切断设置在泥岩地层中的若干素混凝土抗浮桩，从而在实现抗浮桩对管片约束避免其上浮的同时，能不停机，提高隧道掘进施工效率。

优选的，所述抗浮桩从地面延伸至隧道底部下方，且位于隧道底部下方的端部埋深介于0.5～2m之间。

将抗浮桩布置在该深度位置，盾构机掘进后，在切断设置在泥浆地层中的若干素混凝土抗浮桩的条件下，也能保证抗浮桩将盾构隧道管片约束在限定位置，从而有效避免盾构隧道管片上浮或移位。

进一步地，所述抗浮桩底部位于隧道底部下方1m。

对应地，本发明还提供了一种控制盾构隧道管片上浮的施工方法，在采用如上述所述的用于控制盾构隧道管片上浮的固定装置来限制管片上浮时，按照如下步骤进行：

a、确定抗浮桩埋深及各个抗浮桩之间的间距；

b、制作抗浮桩；

c、制作冠梁，所述冠梁连接各个抗浮桩，形成整体抗浮结构；

d、盾构机掘进，穿过抗浮桩，使盾构隧道管片被约束在抗浮桩下方。

采取上述方式，使抗浮结构更好发挥泥岩地层管片上浮的作用，利用一定间距抗浮桩来控制隧道纵向轴线位移，利用抗浮桩与泥岩地层摩擦力及抗浮结构整体作用控制盾构隧道管片上浮。

优选的，在步骤b中制作抗浮桩时，采用旋喷桩加固法、三轴搅拌桩加固法或钻孔灌注法的方式施做。

优选的，在步骤a确定抗浮桩间距时，按照以下步骤进行：

a1、计算相邻两个抗浮桩之间向下的载荷F1，包括土体载荷、管片自重载荷和车辆载荷；

a2、计算步骤a中的两个抗浮桩之间盾构隧道管片向上的浮力F2，所述浮力F2为地下水及同步注浆浆液对盾构隧道管片的浮力；

a3、所述浮力F2减去所述载荷F1，得到盾构隧道管片的上浮力，从而确定盾构隧道管片的上浮量，进而确定抗浮桩的最小设置距离D1；

a4、确定抗浮桩实际设置间距D，D=D1×0.8。

所述步骤a1和步骤a2 的顺序可互换。

国家标准和行业规范允许盾构隧道管片存在一定的上浮量，只要上浮量满足规范规定的盾构隧道的上浮量要求，就能满足规范要求。

通过设置本方案的抗浮桩，抗浮桩之间的间距越小，对盾构隧道管片的约束越大，盾构隧道管片越不容易上浮，但是，布置太多密集的抗浮桩，经济成本较高，并不经济，而抗浮桩之间的间隙过大，盾构隧道管片的上浮量又会超过规范要求，因此确定抗浮桩之间的间距，既满足规范要求，也使经济最大化。

通过上述方式，得到抗浮桩的设置最小距离D1，进而确定抗浮桩实际设置间距D，将抗浮桩实际设置间距设置为抗浮桩的最小设置距离D1的0.8倍，降低盾构隧道管片上浮量，进而提高盾构隧道成型质量。

进一步地，在确定盾构隧道管片的上浮量时，具体按以下步骤进行：

①若上浮量大于规范规定的盾构隧道的上浮量要求，为满足规范要求，减小抗浮桩设置间距d1，重复a1～a3；

②若上浮量小于规范规定的盾构隧道的上浮量要求，为减小经济成本，增大抗浮桩设置间距d1，重复a1～a3；

③若上浮量等于规范规定的盾构隧道的管片衬砌上浮量要求，此抗浮桩设置间距d1即为最小距离D1。

优选的，在步骤c制作冠梁时，采用现浇法制作冠梁。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、通过在盾构隧道路线上设置抗浮桩，盾构隧道穿过抗浮桩后，盾构隧道管片与抗浮桩间距仅为盾构机外径与管片外径之间间隙的间距，当管片脱出盾尾，浆液尚未凝固前，抗浮桩对管片上浮产生约束作用，利用抗浮桩与泥岩地层摩擦力对盾构隧道管片形成很好的约束作用，从而控制盾构隧道管片的上浮，利用一定间距抗浮桩结合盾构隧道本身的抗弯刚度，控制隧道纵向轴线变形；

2、本发明突破了传统的盾构机姿态调整法、降水减压法、注浆加固法等控制泥岩地层盾构隧道上浮的问题的思路，通过设置抗浮桩并将多个抗浮桩用冠梁进行连接，这种控制盾构隧道管片上浮的方法解决了现有技术中采用降水处理时存在地面沉陷的问题，有效降低了工程量，节约了施工成本，能对盾构隧道管片的上浮能进行有效控制；

3、采用素混凝土抗浮桩，当盾构机沿隧道设计轴线掘进穿越泥岩地层时，能继续掘进，切断设置在泥岩地层中的若干素混凝土抗浮桩，从而在实现抗浮桩对管片约束避免其上浮的同时，能不停机施工，提高隧道掘进施工效率。

附图说明：

图1为盾构机姿态调整法控制盾构隧道管片上浮的结构示意图。

图2为盾构隧道管片上浮后轴线变形的结构示意图。

图3为实施例1中的固定装置在盾构隧道掘进前的布置示意图。

图4为实施例1中的固定装置在盾构隧道掘进后的布置示意图。

图5为实施例2中的固定装置在盾构隧道掘进前的布置示意图。

图6为实施例2中的固定装置在盾构隧道掘进后的布置示意图。

图中标记：1-地面，2-泥岩地层，3-盾构隧道管片，4-上浮后隧道轴线，5-设计隧道轴线，6-盾构隧道掘进限界，7-抗浮桩，8-冠梁，9-千斤顶，10-开挖面，α-盾构转动角，11-盾构轴线，12-超挖刀。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

如图3～图6所示，用于控制盾构隧道管片上浮的固定装置，包括沿盾构隧道路线方向依次设置的多个抗浮桩7，各个所述抗浮桩7从隧道上方沿隧道径向方向朝隧道一侧延伸，使得盾构隧道管片3安装后被约束在抗浮桩7下方。

通过在盾构隧道路线上设置抗浮桩7，盾构隧道穿过抗浮桩7后，盾构隧道管片3与抗浮桩7间距仅为盾构机外径与管片外径之间间隙的间距，当管片脱出盾尾，浆液尚未凝固前，抗浮桩7对管片上浮产生约束作用，利用抗浮桩7与泥岩地层摩擦力对盾构隧道管片3形成很好的约束作用，从而控制盾构隧道管片3的上浮，利用一定间距抗浮桩7结合盾构隧道本身的抗弯刚度，控制隧道纵向轴线变形。

进一步地，所述抗浮桩7设置在隧道顶部，并沿竖直方向向隧道一侧延伸。

作为其中的一种实施方式，还包括同时连接在多个所述抗浮桩7上的冠梁8，将各个抗浮桩7连接为整体结构，冠梁8起到连接各个抗浮桩7的作用，使多个抗浮桩7成为整体结构，从而保证固定装置更好地发挥阻止泥岩地层中管片上浮的作用。

作为其中的一种实施方式，所述冠梁8为钢筋混凝土结构，该冠梁8的截面形状为矩形。

作为其中的一种实施方式，所述抗浮桩7为柱状结构，用于约束盾构隧道管片3时，所述抗浮桩7的轴线竖直向下，抗浮桩7沿垂直于隧道轴线方向的宽度小于盾构隧道的宽度，使得抗浮桩向下延伸时，位于盾构隧道掘进限界6之内，盾构隧道管片3安装后，被约束在上下两段抗浮桩7之间。

进一步地，所述抗浮桩7的截面形状为矩形结构，将抗浮桩7设置为这种结构，便于浇筑抗浮桩7，提高施工效率。

作为其中的一种实施方式，所述抗浮桩7为素混凝土抗浮桩，当盾构机沿隧道设计轴线5掘进穿越泥岩地层时，能继续掘进，切断设置在泥岩地层中的若干素混凝土抗浮桩，从而在实现抗浮桩对管片约束避免其上浮的同时，能不停机，提高隧道掘进施工效率。

作为其中的一种实施方式，所述抗浮桩7从地面延伸至隧道底部下方，且位于隧道底部下方的端部埋深介于0.5～2m之间，将抗浮桩7布置在该深度位置，盾构机掘进后，在切断设置在泥浆地层中的若干素混凝土抗浮桩的条件下，也能保证抗浮桩将盾构隧道管片约束在限定位置，从而有效避免盾构隧道管片上浮或移位。

进一步地，所述抗浮桩底部位于隧道底部下方1m。

实施例2

控制盾构隧道管片上浮的施工方法，在采用如实施例1中的用于控制盾构隧道管片上浮的固定装置来限制管片上浮时，按照如下步骤进行：

a、确定抗浮桩7的埋深及各个抗浮桩7之间的间距；

b、制作抗浮桩7；

c、制作冠梁8，所述冠梁8连接各个抗浮桩7，形成整体抗浮结构；

d、盾构机掘进，穿过抗浮桩7，使盾构隧道管片3被约束在抗浮桩7下方。

本实施例中，抗浮桩设置为三根，冠梁设置为一根，在具体应用时，抗浮桩及冠梁的设置数量根据工程泥岩分布特征确定。

作为其中的一种实施方式，在步骤b中制作抗浮桩时，采用旋喷桩加固法、三轴搅拌桩加固法或钻孔灌注法的方式施做。

作为其中的一种实施方式，在步骤a确定抗浮桩间距时，通过间距控制盾构隧道纵向轴线变形量，在计算间距时，假设两抗浮桩处的盾构隧道轴线满足设计要求（即此处隧道轴线未发生移动或偏移），计算按照以下步骤进行：

a1、计算相邻两个抗浮桩之间向下的载荷F1，包括土体载荷、管片自重载荷和车辆载荷；

a2、计算步骤a中的两个抗浮桩之间盾构隧道管片向上的浮力F2，所述浮力F2为地下水及同步注浆浆液对盾构隧道管片的浮力；

a3、所述浮力F2减去所述载荷F1，得到盾构隧道管片的上浮力，从而确定盾构隧道管片的上浮量，进而确定抗浮桩的最小设置距离D1；

a4、确定抗浮桩实际设置间距D，D=D1×0.8。

所述步骤a1和步骤a2 的顺序可互换。

国家标准和行业规范允许盾构隧道管片存在一定的上浮量，只要上浮量满足规范规定的盾构隧道的上浮量要求，就能满足规范要求。在计算上浮量的过程中，将盾构隧道管片简化为单环片（不考虑单环内的拼接）构成，单环片不发生几何变形，使得抗浮桩与盾构隧道相对固定。

进一步地，在确定盾构隧道管片的上浮量时，具体按以下步骤进行：

①若上浮量大于规范规定的盾构隧道的上浮量要求，为满足规范要求，减小抗浮桩设置间距d1，重复a1～a3；

②若上浮量小于规范规定的盾构隧道的上浮量要求，为减小经济成本，增大抗浮桩设置间距d1，重复a1～a3；

③若上浮量等于规范规定的盾构隧道的管片衬砌上浮量要求，此抗浮桩设置间距d1即为最小距离D1。

作为其中的一种实施方式，在步骤c制作冠梁时，采用现浇法制作冠梁。

施做完成后的固定装置结构如图3和图5所示，盾构机到达泥岩地层后，沿原设计轴线掘进，无需改变掘进姿态，通过泥岩地层，并切断素混凝土抗浮桩，并拼装盾构隧道管片，盾构机通过泥岩地层后，盾构隧道管片与抗浮桩及冠梁形成抗浮结构如图4和图6所示。

与相比现有技术，本发明采用固定装置作为抗浮措施，其工程量大为降低，节省了施工成本。利用抗浮桩的摩擦作用、约束作用，结合盾构隧道本身的纵向抗弯、抗剪能力，实现了对泥岩地层隧道管片上浮的控制，同时减少了对隧道管片的破坏，实施操作性较强。

Claims (6)

1.一种用于控制盾构隧道管片上浮的固定装置，其特征在于，包括沿盾构隧道路线方向依次设置的多个抗浮桩，各个所述抗浮桩从隧道上方沿隧道径向方向朝隧道一侧延伸，使得盾构隧道管片安装后被约束在抗浮桩下方；还包括同时连接在多个所述抗浮桩上的冠梁，将各个抗浮桩连接为整体结构；所述抗浮桩设置在隧道顶部，并沿竖直方向向隧道一侧延伸；所述抗浮桩为柱状结构，用于约束盾构隧道管片时，所述抗浮桩的轴线竖直向下；抗浮桩沿垂直于隧道轴线方向的宽度小于盾构隧道的宽度，所述抗浮桩为素混凝土抗浮桩；所述抗浮桩从地面延伸至隧道底部下方，且位于隧道底部下方的端部埋深介于0.5～2m之间。

2.根据权利要求1所述的用于控制盾构隧道管片上浮的固定装置，其特征在于，所述冠梁为钢筋混凝土结构，该冠梁的截面形状为矩形。

3.一种控制盾构隧道管片上浮的施工方法，其特征在于，在采用如权利要求1-2之一所述的用于控制盾构隧道管片上浮的固定装置来限制管片上浮时，按照如下步骤进行：

a、确定抗浮桩埋深及各个抗浮桩之间的间距；

b、制作抗浮桩；

c、制作冠梁，所述冠梁连接各个抗浮桩，形成整体抗浮结构；

d、盾构机掘进，穿过抗浮桩，使盾构隧道管片被约束在抗浮桩下方。

4.根据权利要求3所述的控制盾构隧道管片上浮的施工方法，其特征在于，在步骤b中制作抗浮桩时，采用旋喷桩加固法、三轴搅拌桩加固法或钻孔灌注法的方式施做。

5.根据权利要求3或4所述的控制盾构隧道管片上浮的施工方法，其特征在于，在步骤a确定抗浮桩间距时，按照以下步骤进行：

a1、计算相邻两个抗浮桩之间向下的载荷F1，包括土体载荷、管片自重载荷和车辆载荷；

a2、计算步骤a中的两个抗浮桩之间盾构隧道管片向上的浮力F2，所述浮力F2为地下水及同步注浆浆液对盾构隧道管片的浮力；

a3、所述浮力F2减去所述载荷F1，得到盾构隧道管片的上浮力，从而确定盾构隧道管片的上浮量，进而确定抗浮桩的最小设置距离D1；

a4、确定抗浮桩实际设置间距D，D=D1×0.8。

6.根据权利要求3或4所述的控制盾构隧道管片上浮的施工方法，其特征在于，在步骤c制作冠梁时，采用现浇法制作冠梁。