CN108361045A - 一种适应于软土地层的盾构隧道管片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适应于软土地层的盾构隧道管片，该管片为1块封顶块、连接在所述封顶块两侧的邻接块及连接所述邻接块的两块标准块构成闭环。与现有技术相比，本发明通过增加管片厚度和减少单环管片分块来提高管片承载性能，同时增加预留注浆孔进而以洞内注浆加固对盾构隧道横向收敛变形及长期沉降进行调整和改善。
Description
技术领域
本发明涉及盾构领域，尤其是涉及一种适应于软土地层的盾构隧道管片。
背景技术
盾构施工技术的发展使盾构隧道成为小直径地铁区间隧道的主要结构形式。然而，软土地层中的盾构隧道随着服役时间的增加、周边环境的变化以及隧道结构本身结构和施工特点，出现了大量危及隧道结构安全的病害，如纵向不均匀沉降、隧道横向变形、裂缝等。
因此，可以通过提升管片承载能力和稳定性能及改善周边土体性质来控制隧道结构横向变形和沉降的发展。管片厚度是盾构隧道管片设计的一项重要指标，直接影响隧道结构受力和使用性能。现有的管片分块设计主要考虑盾构机拼装手的作业性能和拼装设备的吊装重量。管片分块过多会增加施工工作量，增加造价，同时也会降低隧道结构的整体受力性能。随着机械设备的不断革新，盾构机的拼装性能有较大提升。管片5分块的拼装应用可以改善管片横向抗弯刚度进而增加管片承载性能。同时，在盾构隧道运营期间，当地面加固条件不允许时，通常采用洞内注浆加固的方法对横向变形和长期沉降进行调整和改善。目前常用的注浆方法是通过注浆管插入吊装孔，注入一定压力的浆液改善周边土体的性质。
但目前对盾构隧道的管片设计和注浆加固方法主要是依据工程经验展开，其中注浆参数也主要依据经验进行选取，注浆加固的范围与方法没有统一的标准和规范限制。再加上管片的设计形式固定，可选择的注浆孔的位置也很少，针对不同性质的土层，侧向注浆和洞底注浆加固范围很难有相应的调整，尤其是对一些软土地区而言，由于土层性质差，原有的注浆孔数量很难达到注浆量的要求，加固体难以给隧道提供足够的抗力，导致注浆加固效果有限，难以抑制病害的发展。因此，研究一种合理、科学、可靠的改善盾构隧道结构横向收敛变形和长期沉降的适用于软土地层的盾构隧道管片设计方法是很有必要的，对降低养护维修成本、保证地铁安全运营具有重要意义。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适应于软土地层的盾构隧道管片，可以改善盾构隧道结构横向收敛变形和长期沉降，对传统的管片尺寸设计和注浆孔设计进行改进，在提高注浆加固效果的同时尽量减少施工成本。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种适应于软土地层的盾构隧道管片，管片设计时增加管片厚度，减少分块数，并预留注浆孔，通过注浆孔向隧道两侧及洞底进行注浆，提高土体强度进而改善隧道结构与土体的相互作用关系，具体来说，该管片为1块封顶块、连接在所述封顶块两侧的邻接块及连接所述邻接块的两块标准块构成闭环。通过上述5分块设计方案来改善隧道结构受力和使用性能。其中封顶块对应圆弧圆心角为28°，每个邻接块对应圆弧圆心角为82°，每个标准块对应圆弧圆心角为84°，并且将管片的厚度提高为400-450mm范围，具体厚度可根据盾构隧道埋深及土层等进行相应调整。
所述封顶块、邻接块及标准块之间采用通缝拼装方式，并保证了隧道底部道床范围内无纵向接缝。
所述邻接块及所述标准块的几何中心处均开设有吊装孔，在所述吊装孔的两侧预留注浆孔，每块邻接块及标准块形成3个注浆通道。在邻接块以及标准块的吊装孔两侧各增加一个注浆孔，相较于传统的注浆方式，加大了注浆加固的范围，能够显著减小隧道横向变形和长期沉降，提高注浆加固效果。
增加预留注浆孔进而以洞内注浆加固对盾构隧道横向收敛变形及长期沉降进行调整和改善。洞内注浆加固包括侧向注浆加固和洞底注浆加固。所述洞内注浆加固沿横断面方向呈扇形布置。
通过注浆孔注入浆液后，土体形成抗力区和非加固区，
所述抗力区包括横向收敛变形控制主要抗力区、横向收敛变形控制次要抗力区及沉降控制抗力区，所述主要抗力区为距离隧道横截面水平轴线一定范围内的提供主要横向抗力的土体，所述次要抗力区是处于加固范围内，除主要抗力区之外的加固部分，
所述非加固区是隧道两侧未在加固范围内的土体区域。
注浆加固的范围同样是与地质条件、隧道尺寸设计、施工技术等一系列因素相关，实际注浆前，应综合分析各项因素合理选取注浆孔和注浆范围，通过注浆孔注入浆液时，单孔注浆宽度≤2m时，注浆长度≥3m；单孔注浆宽度>2m时，注浆长度≥6m。
所述浆液为水泥浆和水玻璃双浆液，所述水泥浆的水灰比为1:1～1:0.8，水泥浆与水玻璃的质量比为1:1～1:0.6，浆液初凝时间稳定在5～35min以内，纯浆液试块28d抗压强度在15MPa以上。采用初凝时间较短的水泥和水玻璃双浆液可以使得改善效果更为明显，浆液快速凝固后拱腰和拱底两侧土体抗力的提高，对减小隧道横向变形和长期沉降有重要作用。
当确定浆液配比及其性质之后，注浆顺序采用先对拱腰进行注浆加固，最后对拱底加固的注浆加固，增加管片的受力范围，减小注浆对隧道结构的影响。注浆方式为渗透注浆。
当对隧道周围土体进行注浆加固时，注浆时注浆压力应控制在0.1MPa～0.4MPa，避免土体因注浆压力过大产生劈裂。当下方软土层较厚、隧道横向结构状态不良时，应选取较小的注浆压力，以保证在加固地层的同时，减小注浆对下卧土层扰动。水泥浆泵流量控制在14～16L/min，水玻璃泵流量控制在4～6L/min。
当对隧道周围土体进行注浆加固时，注浆中采取分层注浆的方式，单层注浆厚度一般控制在20cm左右，对每个注浆孔沿深度方向由内到外逐层注浆，以减小注浆加固对隧道结构的影响。
最后，采用本发明加固地层加固后，原软弱土层性质发生改变，主要引起隧道垂直方向位移和横断面变形，因此应对管片垂直位移和横断面收敛变形进行监测，在曲线地段还应加入对水平变形的监测。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、将传统的1块封顶块(F块)+2块邻接块(B1块、B2块)+3块标准块(A1块、A2块、A3块)的盾构隧道管片分块方案，调整为包含2块标准块的5分块方案，从而加快施工进度、降低造价，还具有提高隧道的横向抗弯刚度，提升隧道整体受力性能等优点。
2、将传统的350mm管片厚度改为不小于400mm，提高了盾构隧道的承载性能以及抗变形能力，提升了管片在不同地层和周边环境的适应性；
3、在传统注浆孔设计的基础上，在加固区相应管片位置处增设注浆孔，侧向注浆孔注浆可以改善隧道横向收敛变形，洞底注浆孔注浆可以减少隧道的长期沉降。
4.相比于传统的管片注浆孔设计，增加了主要抗力区注浆孔的数量，实际施工中可根据加固需要选择重点加固范围，节约了建设成本。
附图说明
图1是管片分块及注浆孔布置示意图。
图2是图1中标准块以及邻接块各注浆孔位置示意图。
图3是图1中各注浆孔加固范围及抗力区和非加固区划分示意图。
图4是图3注浆孔注浆先后顺序示意图。
图5是图3径向注浆顺序示意图。
图6是图3插管注浆示意图。
图中，1-盾构隧道管片；2-吊装孔；3-注浆孔；4-横向收敛变形控制主要抗力区；5-横向收敛变形控制次要抗力区；6-沉降控制抗力区；7-非加固区；8-注浆管；F-封顶块；A1-标准块；A2-标准块；B1-邻接块；B2-邻接块。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例
一种适应于软土地层的盾构隧道管片，管片设计时增加管片厚度，减少分块数，并预留注浆孔，通过注浆孔向隧道两侧及洞底进行注浆，提高土体强度进而改善隧道结构与土体的相互作用关系，其结构如图1所示，该管片为1块封顶块F、连接在封顶块两侧的邻接块B1和邻接块B2，以及连接上述邻接块的标准块A1和标准块A2构成闭环。通过上述5分块设计方案来改善隧道结构受力和使用性能。
本实施例中小直径地铁区间盾构隧道管片外径6.2m，内径5.4m，将传统管片厚度调整至400-450mm，并舍去一个标准块，调整为5分块的管片分块方案。如图2所示，在邻接块B1、邻接块B2以及标准块A1、标准块A2几何中心处的吊装孔2两侧各预留一个注浆孔3。如图3所示，隧道管片拼装型式采用1封顶块+2邻接块+2标准块，邻接块对应圆弧圆心角为82°，标准块为84°，每个注浆孔加固范围对应约28°范围内的土体，加固范围的远近可隧注浆管深度进行调整。如图3所示，通过注浆孔注入浆液后，土体形成抗力区和非加固区7，其中抗力区包括横向收敛变形控制主要抗力区4及横向收敛变形控制次要抗力区5、沉降控制抗力区6，其中，主要抗力区为距离隧道横截面水平轴线一定范围内的提供主要横向抗力的土体，该范围的土体在改善隧道横向变形和长期沉降的过程中承担了主要作用，实际注浆过程中，可根据需要对该区域进行重点加固。次要抗力区是处于加固范围内，除主要抗力区之外的加固部分，非加固区7是隧道两侧未在加固范围内的土体区域。
如图4和图5所示，为洞内注浆加固施工顺序，每环管片各注浆孔中先对拱腰进行注浆加固，最后对拱底加固。同时，对每个注浆孔沿深度方向由内到外逐层注浆，以减小注浆加固对隧道结构的影响。如图6所示，为注浆管8插入注浆孔对周边土体进行注浆加固，管路可以采用各种规格接长到要求长度来达到希望的深度。
注浆加固的范围同样是与地质条件、隧道尺寸设计、施工技术等一系列因素相关，实际注浆前，应综合分析各项因素合理选取注浆孔和注浆范围，通过注浆孔注入浆液时，单孔注浆宽度≤2m时，注浆长度≥3m；单孔注浆宽度>2m时，注浆长度≥6m。
浆液为水泥浆和水玻璃双浆液，水泥浆的水灰比为1:1～1:0.8，水泥浆与水玻璃的质量比为1:1～1:0.6，浆液初凝时间稳定在5～35min以内，纯浆液试块28d抗压强度在15MPa以上。当确定浆液配比及其性质之后，注浆顺序采用先对拱腰进行注浆加固，最后对拱底加固的注浆加固，增加管片的受力范围，减小注浆对隧道结构的影响。注浆方式为渗透注浆。
当对隧道周围土体进行注浆加固时，注浆时注浆压力应控制在0.1MPa～0.4MPa，避免土体因注浆压力过大产生劈裂。当下方软土层较厚、隧道横向结构状态不良时，应选取较小的注浆压力，以保证在加固地层的同时，减小注浆对下卧土层扰动。水泥浆泵流量控制在14～16L/min，水玻璃泵流量控制在4～6L/min。
当对隧道周围土体进行注浆加固时，注浆中采取分层注浆的方式，单层注浆厚度一般控制在20cm左右，对每个注浆孔沿深度方向由内到外逐层注浆，以减小注浆加固对隧道结构的影响。
最后，采用本发明加固地层加固后，原软弱土层性质发生改变，主要引起隧道垂直方向位移和横断面变形，因此应对管片垂直位移和横断面收敛变形进行监测，在曲线地段还应加入对水平变形的监测。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (9)
1.一种适应于软土地层的盾构隧道管片，其特征在于，该管片在盾构隧道环向分为5块，由1块封顶块(F)、连接在所述封顶块两侧的邻接块(B1、B2)及连接所述邻接块的两块标准块(A1、A2)构成闭环。
2.根据权利要求1所述的一种适应于软土地层的盾构隧道管片，其特征在于，该管片的厚度范围宜为400-450mm。
3.根据权利要求1所述的一种适应于软土地层的盾构隧道管片，其特征在于，所述封顶块、邻接块及标准块之间采用通缝拼装方式，并保证了隧道底部道床范围内无纵向接缝。
4.根据权利要求1所述的一种适应于软土地层的盾构隧道管片，其特征在于，所述邻接块及所述标准块的几何中心处均开设有吊装孔，在所述吊装孔的两侧预留注浆孔，每块邻接块及标准块形成3个注浆通道。
5.根据权利要求4所述的一种适应于软土地层的盾构隧道管片，其特征在于，通过注浆孔注入浆液后，土体形成抗力区和非加固区，
所述抗力区包括横向收敛变形控制主要抗力区、横向收敛变形控制次要抗力区及沉降控制抗力区，所述主要抗力区为距离隧道横截面水平轴线一定范围内的提供主要横向抗力的土体，所述次要抗力区是处于加固范围内，除主要抗力区之外的加固部分，
所述非加固区是隧道两侧未在加固范围内的土体区域。
6.根据权利要求4所述的一种适应于软土地层的盾构隧道管片，其特征在于，通过注浆孔注入浆液时，单孔注浆宽度≤2m时，注浆长度≥3m；单孔注浆宽度>2m时，注浆长度≥6m。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的一种适应于软土地层的盾构隧道管片，其特征在于，所述浆液为水泥浆和水玻璃双浆液，所述水泥浆的水灰比为1:1～1:0.8，水泥浆与水玻璃的质量比为1:1～1:0.6，浆液初凝时间稳定在5～35min以内，纯浆液试块28d抗压强度在15MPa以上。
8.根据权利要求7所述的一种适应于软土地层的盾构隧道管片，其特征在于，注浆压力控制在0.1MPa～0.6MPa，水泥浆泵流量控制在14～16L/min，水玻璃泵流量控制在4～6L/min。
9.根据权利要求7所述的一种适应于软土地层的盾构隧道管片，其特征在于，注浆采取分层注浆的方式，单层注浆厚度控制在20cm。
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