CN108590678B - 基于浅埋软土层土压平衡盾构下穿多股道铁路的施工方法 - Google Patents

基于浅埋软土层土压平衡盾构下穿多股道铁路的施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于浅埋软土层土压平衡盾构下穿多股道铁路的施工方法，属于地铁施工技术领域。该方法包括如下步骤：施工准备：确定隧道下穿建筑物段施工地质情况差，地表环境复杂，所在地层扰动较大，为保证盾构机通过期间减少地下水流失，防止房屋附近地层超挖，减小对地面建筑物的扰动，保证下开挖安全。试验段的选取与确认；增加管片注浆孔；加强管片配筋；盾构机设计增加超前钻探与注浆系统；盾构掘进参数的控制措施；采用克泥效抑制沉降；通过上述技术流程，保证定开挖前、开挖中及开挖后整个施工工艺的顺利、完整，保证施工质量。

Description

基于浅埋软土层土压平衡盾构下穿多股道铁路的施工方法
技术领域
本发明公开了在多股道地铁深基坑在复杂环境及狭小空间下的开挖参数控制方法，属于地铁施工技术领域。
背景技术
地铁施工过程中，经常会遇到各种各样的施工环境，尤其在面对一些复杂地面环境、施工空间狭小，以及多股道地铁同时施工时，需要合理对开挖参数进行控制。
深基坑土方开挖一般来说均是采用长臂挖机分层开挖，但是施工效率低，投入大，要求场地高。在有限的空间内，需要制定合理有效的深基坑开挖方案和施工技术。
发明内容
本发明的目的在于结合工程实际及盾构施工中的地表沉降、邻近建筑变形沉降和裂缝调查，根据盾构施工监测经历，对监测过程中遇到的监测程序内及程序外的问题进行针对性的分析。分析盾构法施工引起地表变形的本质因素和机理内涵，结合所依托的盾构工程归纳整理了盾构区间隧道开挖影响范围内建筑容许变形指标参考值及其制定流程。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为复杂环境及狭小空间下多股道地铁深基坑开挖施工方法，该方法包括如下步骤：
S1施工准备：确定隧道下穿建筑物段施工地质情况差，地表环境复杂，所在地层扰动较大，为保证盾构机通过期间减少地下水流失，防止房屋附近地层超挖，减小对地面建筑物的扰动，保证下开挖安全。
S2试验段的选取与确认；
(1)通过设置试验段进一步检验之前确定的盾构掘进参数的地层适应性；另外，重点测量地表沉降的控制效果，进一步检验既定的穿越建筑物施工方案可行性。
(2)试验监测段落的确定；
由于盾构建筑物下层地质对于沉降控制的要求远高于盾构通过普通区域，因此需要在盾构前，要在盾构通过的普通区域设置试验段，试验段要与建筑物保护区盾构隧道埋深相近、水文相近、地质情况相近，试验段以保护区的沉降控制标准作为目标，不断调整盾构参数，从而得到能够控制保护区沉降的盾构参数。
S3增加管片注浆孔；
在管片拱部新增两个注浆孔，并在原有吊装孔对区间拱部土体进行加固。
S4加强管片配筋；
将试验段和保护区域中的盾构管片内侧主筋直径增大，以加强管片之间的连接强度并有效控制沉降。
S5盾构机设计增加超前钻探与注浆系统；
在盾构机的中盾上环向设置12个超前注浆装置，用于穿越特殊地层时对土体的超前注浆加固，从而提高掌子面的稳定性，有利于维持土仓压力的稳定，减小地面沉降值。
S6盾构掘进参数的控制措施；
盾构掘进由刀盘和土仓土压力、排土量和推进速度、螺旋机转速、千斤顶推进力、注浆压力与时间、注浆方式与注浆量、浆液性能、盾构坡度、盾构姿态和管片拼装偏差参数控制。施工中熟悉盾构性能和操作方法，并根据隧道埋深、地质情况和环境条件，对掘进参数进行预测计算，同时紧随盾构推进对地面沉降变形进行监测反馈，以验证施工参数的合理性，根据监测结果，对施工参数进行综合协调、优化。
(1)严格进行压力管理；
盾构掘进的压力管理包括开挖舱土压管理和注浆压力管理。通过压力管理，一方面减少压力过大波动对土体的反复扰动，避免前期过大沉降；另一方面通过注浆压力的管理保证后部间隙及时填充密实均匀，减少盾构通过后地层沉降。保持土仓压力稳定，通过注入材料调整土仓压力保持稳定，不能忽大忽小，注浆压力必须满足压力需要，确保注浆密实避免出现空隙：
①采用的盾构为土压平衡盾构，以土仓内的泥土压力来平衡刀盘前端水土压力，从而保证掌子面稳定，而盾构掘进的前期沉降和土仓平衡压力的设定有直接关系，若土仓压力小于掌子面水土压力，那刀盘前端土体就会产生沉降，因此平衡土压力也是盾构掘进时地面沉降的重要控制因素，通过严格控制掘进过程中土压力，避免波动过大引起开挖面的不稳定。
根据建筑物的地质情况将掘进土压力控制在1.3-1.4bar，确保土仓压力与开挖面水土压力平衡，不要出现过大的波动，土压波动控制在±0.1bar范围之内。盾构掘进的前期沉降和土仓平衡压力的设定有直接关系，若土仓压力小于掌子面水土压力，那刀盘前端土体就会产生沉降，因此平衡土压力也是盾构掘进时地面沉降的重要控制因素，通过严格控制掘进过程中土压力，避免波动过大引起开挖面的不稳定。
②注浆压力与水土压力平衡。除考虑注浆处的水土压力，还要考虑后方来水、开挖面来水的水压，故注浆压力是在注浆处水土压力基础上提高0.01-0.02MPa，且使浆液不进入土仓和压坏管片、不因注浆压力过大造成隆起。
(2)严格进行出土量管理，确保不超挖；
盾构掘进出土量管理即在盾构掘进施工过程中要严格控制出土量不能大于理论开挖碴土量。出土量与掘进进尺平衡。严格控制出土量，进尺量与出土量均衡。
(3)拟定掘进速度；
①推进速度控制；
盾构推进时通过对土压力传感器检测数据来控制盾构千斤顶的推进速度，使盾构推进速度与出土速度相匹配，以保持适当土压力值。
②刀盘转速、推力、扭矩的确定；
以对土体的最小扰动为原则，施工过程中要根据试验段参数的修正动态调整。
(4)掘进姿态控制；
盾构掘进施工过程中的轴线控制是下穿建筑物施工过程中的一个重要的环节，盾构在施工中大多数情况下不是沿着设计轴线掘进，而是在设计轴线的上、下、左、右方向上摆动，偏离设计轴线的差值必须要满足相关规范的要求，因此在盾构掘进中要采取一定的控制程序来控制隧道轴线的偏离。
盾构姿态监控通过自动导向系统和人工测量复核进行盾构姿态监测。自动导向系统包括导向仪、自动定位仪、掘进程序软件和显示器等，导向仪、自动定位仪监测的数据与掘进程序软件进行交互，掘进程序软件显示的出具在显示器中显示；在盾构机主控室动态显示盾构机当前位置与隧道设计轴线的偏差以及趋势。施工过程中严格控制管片环间空隙，盾尾间隙精确测量避免过程中过大调整方向对土体产生扰动造成沉降。
(5)严格控制同步注浆
同步注浆浆液的主要物理力学性能满足下列指标：
A.胶凝时间:普通段配比胶凝时间为6～8小时，风险源配比胶凝时间为2～4小时，根据地层条件和掘进速度，通过现场试验加入促凝剂及变更配比来调整胶凝时间，必要时可通过现场试验进一步调整配比和加入早强剂，进一步缩短胶凝时间。
B.固结体强度：一天不小于0.2MPa，28天不小于2.5MPa。
D.浆液结石率：>95％，即固结收缩率<5％。
D.浆液稠度：8～12Dm。
E.浆液稳定性：倾析率小于5％。
同步注浆时要求在压入口的压力大于该点的静止水压及土压力之和，做到尽量填补而不是劈裂。注浆压力过大，管片外的土层将会被浆液扰动而造成较大的后期地层沉降及隧道本身的沉降，并易造成跑浆。而注浆压力过小，浆液填充速度过慢，填充不充足，也会使地表变形增大。因此，同步注浆上压力控制在0.16～0.18MPa。
根据刀盘开挖直径和管片外径，计算出一环管片的注浆量。
同步注浆速度与掘进速度匹配，按盾构完成一环掘进的时间内完成当环注浆量来确定其平均注浆速度。对拱顶部分采用超声波探测法通过频谱分析进行检查，对未满足要求的部位，进行补充注浆。
在刀盘面和土仓内注入泡沫方法进行改良，必要时向螺旋输送机内注入泡沫。
S7采用克泥效抑制沉降；
(1)克泥效施工特点
在下穿建筑物的盾构施工中，引进克泥效施工工法，来有效控制盾构施工中地表沉陷。
克泥效将特殊膨润土液(黏土)与强塑剂(水玻璃)以一定的比例混合后，瞬间形成为高黏度、不会硬化的可塑性黏土(黏度通过改变两液配合比的方式调整，黏土与强塑剂不同混合比例具有不同的黏稠度)。混合后的液体呈黏稠状，可以及时充填盾构机掘进引起的盾体与土体的间隙。
采用不同的配合比和注入方法，克泥效工法可用于控制刀盘上方沉降、盾体上方沉降、急曲线段施工时的沉降等方面。运用克泥效工法抑制盾体上方的沉降。
(2)施工工艺流程；
①克泥效混合液材料准备；
克泥效材料是采用特殊黏土与强塑剂以一定的比例混合后，瞬间形成为高黏度、不会硬化的可塑性黏土。
生产的克泥效材料是由合成钙基黏土矿物、纤维素衍生剂、胶体稳定剂和分散剂构成，合成钙基黏土矿物占总重量的98％～99％，纤维素衍生剂占总重量的0.5％～1.5％，胶体稳定剂占总重量的0.4％～0.8％，分散剂占总重量的0.1％～0.3％。强塑剂采用水玻璃，采用波美度为40be，按照一定比例注入。
②注入设备选择；
克泥效是由A液、B液按照一定的比例混合而成，
控制A液和B液的注入量，注入比例要求精确，混合液的黏度大，注入量需要精确、快速可调。基于以上因素，选择两台独立变频控制的软管挤压泵并制备搅拌器、混合器、电子流量计等配套设备，实现克泥效注浆。
③施工场地；
在盾构机靠近盾尾附近台车一侧放置并固定拌合、注入设备，接入临时水电，进行设备调试。高压注入管道长度满足接入前盾预留径向孔要求。克泥效材料为袋装计量，水玻璃为桶装，所有材料通过洞内运输设施运至现场。
④克泥效配合比确定；
克泥效＝特殊膨润土浆液A(膨润土：水＝1:2)+水玻璃液B(水玻璃：水＝1:1)
B液添加率为5％-6％
经过试验确定的配合比，每环1.2m宽理论注入克泥效混合液体积0.5m3；注入特殊膨润土浆液A(膨润土：水＝450kg:800kg)+水玻璃液B:55kg(水玻璃：水＝1:1)。
(4)克泥效注入施工；
使用两台注浆机，各自负责A、B液体的泵送，依次安装流量计、注入软管，最后将两个注浆机的注入软管连接安装混合器，形成最后注入管道。按照配合比计算，A液体:B液体。
首先按照A液的配合比，在搅拌桶中依次放入成比例的水、克泥效材料，搅拌均匀，拌合时间不小于120s，完成A液的拌合配置。B液为水玻璃混合液，浓度为39.2波美度；混合液注入。
S8盾构下穿建筑物过后的技术措施；
(1)二次注浆；
管片脱出盾尾后采用二次补强注浆来满足工程质量要求。
二次补强注浆根据始发时地层情况选择材料和浆液配比，拟采用双液浆，双液浆配比：水泥浆液水灰质量比为0.8：1；水玻璃溶液体积配比为水玻璃：水＝0.6：1，水泥浆液：水玻璃溶液＝1：1。
(2)地面注浆加固；
在盾构穿越建筑物后，继续对掘进过后的该建筑物结构进行监控量测。
1)注浆孔布置；
注浆孔沿建筑物周边轮廓线布置，在线路穿越范围内布置，间距1.5m，孔深比建筑物桩基深2m。
2)浆液；
采用水泥浆—水玻璃双液浆，浆液配合比初步确定：注浆浆液浓度由稀到浓逐级变换，双液浆配比：水泥浆液水灰质量比为0.8：1，水玻璃溶液体积配比为水玻璃：水＝0.6：1，水泥浆液：水玻璃溶液＝1：1。具体的浆液配合比通过在注浆前及起先几个孔注浆时的现场试验确定。
3)注浆量及压力；
注浆以加固土体，提高建筑物基础承载力为目的，同时也考虑到建筑物的安全，施工过程中通过加强监测，缓慢加大注浆压力，注浆压力控制在1～2Mpa；注浆量根据地层加固区需充填的地层孔隙数量及现场试验来确定；同时也应加强各方面的监测，以便指导注浆。
在刀盘面和土仓内注入泡沫的方法中，泡沫的组成比例如下：
a)泡沫溶液的组成：泡沫添加剂3％，水97％。
b)泡沫组成：90-95％压缩空气和5-10％泡沫溶液混合而成。
c)泡沫的注入量按开挖方量计算：300ml/m3-600ml/m3。
d)泡沫的注入方式采用手持半自动操作方式和自动操作方式。
注入膨润土进行改良，膨润土以悬浮液的形式加入，其体积使用量为30％-40％，拌合的悬浮液泵入储浆罐中后通过不同的注入口分别注入开挖仓及螺旋输送机进口处。
盾构隧道掘进过程中，盾尾密封脂是盾构防水的一道重要屏障。盾尾密封脂的压注由盾构机司机在控制室控制。盾尾密封脂由注脂泵根据计算机设定压力自动压注，也能够根据推进时间手动压注。
注浆步骤如下：
①注浆孔采用钻机钻孔，用双液注浆泵注浆，浆液在进入土体前混合。
②注浆前先注水试压，注水压力1Mpa，持续20分。
③根据选定的参数配制注浆浆液，水泥浆液配好后用筛过滤一遍。按设计连接注浆管路并做好注浆系统的检查。
④按设计压力、注浆量及时注浆。注浆时，压力逐渐由低到高，排量逐渐减少，并逐渐趋于平衡，可视为正常。时刻注意泵口及孔内压力、流量变化。若压力不升，流量不减，或注入30分后压力上升过快，流量减少亦快，调换浆液配比或调整浆液凝胶时间，并防止堵管事故的发生。
⑤当每个孔段达到终压之后，且注浆量单液浆小于20～30升/分，稳定20-30分钟后，即可结束注浆。双液浆泵量小于30～40升/分，持续20分钟后可结束注浆。
通过上述技术流程，保证定开挖前、开挖中及开挖后整个施工工艺的顺利、完整，保证施工质量。
附图说明
图1为本发明实施的流程图。
图2为克泥效同步注入抑制沉降施工工艺流程图。
图3为克泥效混合液注入工艺流程。
具体实施方式
复杂环境及狭小空间下多股道地铁深基坑开挖参数控制方法，该方法包括如下步骤：
S1施工准备：确定隧道下穿建筑物段施工地质情况差，地表环境复杂，所在地层扰动较大，为保证盾构机通过期间减少地下水流失，防止房屋附近地层超挖，减小对地面建筑物的扰动，保证下开挖安全。
(1)设备准备；
在盾构机下穿建筑物之前，对盾构机及后配套设备进行一次全面、细致的检修。对盾构机的注浆系统、控制电路及液压系统、龙门吊刹车系统、行走系统、电瓶车刹车及电路进行检修。损坏的部件立即更换，对存在故障隐患的部位及时排除，各润滑部位及时加注润滑脂或润滑油。对注浆管路进行清洗疏通，避免输送管在盾构下穿建筑物时堵塞，导致浆液供应中断，从而造成盾构机停机，同时对盾尾密封系统进行监测，确保下穿时不发生漏浆现象从而保证注浆量。检修前制定详细的设备检修计划，并安排经验丰富的机修人员对设备进行彻底的检修，将检修任务落实到个人，确保盾构穿越建筑物前所有设备均处在正常工作状态，保证连续施工。
(2)物资准备；
盾构施工主要物资为钢筋混凝土衬砌管片及防水材料、浆液拌合原材料(包括水泥、沙子、粉煤灰、膨润土)，在下穿建筑物之前对各种原材料库存数量进行统计(包含轨道、轨枕、夹板、水管等)，保证数量充足，并在盾构穿越期间对各原材料库存量进行严密监控，每天统计仓库内物资存量，数量低于仓库容量1/2时立即补充，并严格控制原材料质量。
施工期间考虑天气条件对材料供应的影响，每天关注未来七天的天气情况，对受天气影响的原材料要提前进行储备。
(3)技术准备；
①在盾构掘进通过建筑物前，对施工的人员、机械、物资、材料等进行详细部署。
②优化掘进参数，对影响范围内的地质条件、水文条件、隧道覆土厚度、地面状况进行分析，确立合理的掘进参数，控制沉降。
③对专项图纸进行图纸会审，针对施工中的各种设计及施工参数进行分析研究。对施工的每一道施工工序进行进行详细技术交底和安全技术交底。让每一名参与施工的人员，对盾构施工的重要性、风险性有足够的了解；对施工过程的安全控制点，施工技术重、难点，重要的施工掘进参数相当熟悉，并按照既定的施工方案和技术交底要求进行现场作业和施工。
(4)人员准备；
根据盾构施工的特点及施工要求，承担本段施工任务的工区管理层人员，由具有类似项目管理经验的工程技术人员和管理人员组成。
S2试验段的选取与确认；
(1)通过设置试验段进一步检验之前确定的盾构掘进参数的地层适应性；另外，重点测量地表沉降的控制效果，进一步检验既定的穿越建筑物施工方案可行性。
(2)试验监测段落的确定；
由于盾构建筑物下层地质对于沉降控制的要求远高于盾构通过普通区域，因此需要在盾构前，要在盾构通过的普通区域设置试验段，试验段要与建筑物保护区盾构隧道埋深相近、水文相近、地质情况相近，试验段以保护区的沉降控制标准作为目标，不断调整盾构参数，从而得到能够控制保护区沉降的盾构参数。基于以上原则和工程实际情况，建筑物前50m，房屋稀疏，地基相对稳定，影响区域也小，固本项目把下穿江宏新村老旧房屋区间段作为重点监控区间段落，在建筑物保护段前50m选取为试验段落，此试验段落地表需重点监测的建筑物、管线、附属物少，便于数据收集。
水文状况：承压水层绝对标高为15米，位于盾构穿越区域以上。
地质状况：试验段和建筑物下的土质地层相似或相同。
埋深：试验段埋深为9.5m-10m。
S3增加管片注浆孔；
在管片拱部新增两个注浆孔，并在原有吊装孔对区间拱部土体进行加固；每环在A1、A2、A3、B1、B2、K型管片6个吊装孔的基础上，在A型、B型每片管片上再增设两个注浆孔。
S4加强管片配筋；
将试验段和保护区域中的盾构管片内侧主筋直径增大，以加强管片之间的连接强度并有效控制沉降；试验段和保护区域中的盾构管片内侧选择直径为20/22/25的HRB400钢筋，外侧主筋直径为18/20的HRB400钢筋。
S5盾构机设计增加超前钻探与注浆系统；
在盾构机的中盾上环向设置12个超前注浆装置，用于穿越特殊地层时对土体的超前注浆加固，从而提高掌子面的稳定性，有利于维持土仓压力的稳定，减小地面沉降值。
S6盾构掘进参数的控制措施；
盾构掘进由刀盘和土仓土压力、排土量和推进速度、螺旋机转速、千斤顶推进力、注浆压力与时间、注浆方式与注浆量、浆液性能、盾构坡度、盾构姿态和管片拼装偏差等参数控制。施工中熟悉盾构性能和操作方法，并根据隧道埋深、地质情况和环境条件等，对掘进参数进行预测计算，同时紧随盾构推进对地面沉降变形进行监测反馈，以验证施工参数的合理性，根据监测结果，对施工参数进行综合协调、优化。
(1)严格进行压力管理
盾构掘进的压力管理包括开挖舱土压管理和注浆压力管理。通过压力管理，一方面减少压力过大波动对土体的反复扰动，避免前期过大沉降；另一方面通过注浆压力的管理保证后部间隙及时填充密实均匀，减少盾构通过后地层沉降。保持土仓压力稳定，通过注入材料调整土仓压力保持稳定，不能忽大忽小，注浆压力必须满足压力需要，确保注浆密实避免出现空隙：
①采用的盾构为土压平衡盾构，以土仓内的泥土压力来平衡刀盘前端水土压力，从而保证掌子面稳定，而盾构掘进的前期沉降和土仓平衡压力的设定有直接关系，若土仓压力小于掌子面水土压力，那刀盘前端土体就会产生沉降，因此平衡土压力也是盾构掘进时地面沉降的重要控制因素，通过严格控制掘进过程中土压力，避免波动过大引起开挖面的不稳定。
根据建筑物的地质情况将掘进土压力控制在1.3-1.4bar，确保土仓压力与开挖面水土压力平衡，不要出现过大的波动，土压波动控制在±0.1bar范围之内。盾构掘进的前期沉降和土仓平衡压力的设定有直接关系，若土仓压力小于掌子面水土压力，那刀盘前端土体就会产生沉降，因此平衡土压力也是盾构掘进时地面沉降的重要控制因素，通过严格控制掘进过程中土压力，避免波动过大引起开挖面的不稳定。
②注浆压力与水土压力平衡。除考虑注浆处的水土压力，还要考虑后方来水、开挖面来水的水压，故注浆压力是在注浆处水土压力基础上提高0.01-0.02MPa，且使浆液不进入土仓和压坏管片、不因注浆压力过大造成隆起。
(2)严格进行出土量管理，确保不超挖；
盾构掘进出土量管理即在盾构掘进施工过程中要严格控制出土量不能大于理论开挖碴土量。出土量与掘进进尺平衡。严格控制出土量，进尺量与出土量均衡。
在掘进期间以碴车的装载量进行观察记录，严禁出土超量。若出土超量，立即采取措施处理。出土量：推进450mm～520mm出1斗土，推进1.5m出土量控制在49.22～55.49m3，即推进1.5m出3.2斗土；土斗容量为17m3；
除出土量的控制外，对每环的渣样进行地质水文记录，若发现与开挖断面地质情况不符时，马上采取补救措施。
(3)拟定掘进速度；
①推进速度控制；
盾构推进时通过对土压力传感器检测数据来控制盾构千斤顶的推进速度，使盾构推进速度与出土速度相匹配，以保持适当土压力值。
盾构下穿时，需严格控制掘进速度，避免出现速度的较大波动，因为速度过快易造成土压增大，注浆欠饱满等一系列问题；速度过慢则延长了对地层的扰动时间。因此掘进时需选择速度在20～40mm/min之间，保证在下穿时匀速的通过，把对地层的扰动降至最小。推进速度要根据试验段参数的修正后的数据进行设定。
②刀盘转速、推力、扭矩的确定；
以对土体的最小扰动为原则，设定刀盘转速为1.0～1.1r/min，推力为8000～10000KN，扭矩为1200～1800KN/m。推力、扭矩都不大，对土体扰动小，施工过程中要根据试验段参数的修正动态调整。
(4)掘进姿态控制；
盾构掘进施工过程中的轴线控制是下穿建筑物施工过程中的一个重要的环节，盾构在施工中大多数情况下不是沿着设计轴线掘进，而是在设计轴线的上、下、左、右方向上摆动，偏离设计轴线的差值必须要满足相关规范的要求，因此在盾构掘进中要采取一定的控制程序来控制隧道轴线的偏离。
为保证隧道轴线的方向，建立一套严密的人工测量和自动测量控制系统，严格控制测量的精度，合理布设洞内的测量控制点和导线，根据工程中的实际情况合理控制测量和复核的频率。
对盾构掘进进行严格线形控制和姿态控制，姿态控制调整不宜过大、过频，减小纠偏，姿态调整控制在±4mm范围内，避免对土体的超挖和扰动。
盾构姿态监控通过自动导向系统和人工测量复核进行盾构姿态监测。自动导向系统包括导向仪、自动定位仪、掘进程序软件和显示器等，导向仪、自动定位仪监测的数据与掘进程序软件进行交互，掘进程序软件显示的出具在显示器中显示；在盾构机主控室动态显示盾构机当前位置与隧道设计轴线的偏差以及趋势。施工过程中严格控制管片环间空隙，盾尾间隙精确测量避免过程中过大调整方向对土体产生扰动造成沉降。
①盾构姿态平稳。推进过程应保持盾构有良好的姿态，避免蛇行，不宜出现过大的波动。
②管片姿态平稳。做好管片选型，现场对盾尾间隙每环进行测量，尤其是要控制不能使一侧的间隙过小。同时注意管片拼装的椭圆度，防止尾刷与管片碰撞导致盾尾密封、铰接密封损坏及管片变形。
③推进速度平稳。速度的变化会加大对土体的扰动，因此将速度要平稳，控制在20mm/min～40mm/min之间。掘进过程中向土仓内及刀盘面注入泡沫添加材料，改善渣土性能，提高渣土的流动性和止水性，有利于保持速度的稳定。
④调整好盾构的姿态，特别是盾构始发后马上进入小曲线半径段掘进，应严格控制盾构姿态，在盾构开始穿越前将盾构姿态调整到理论中线位置。
(5)严格控制同步注浆
①注浆材料
同步注浆采用单液浆，该浆材具有结石率高、结石体强度高、耐久性好和能防止地下水浸析的特点。水泥采用42.5抗硫酸盐水泥，以提高注浆结石体的耐腐蚀性，使管片处于耐腐蚀注浆结石体的保护中，减弱地下水对管片混凝土的腐蚀。根据盾构施工经验，在地层自稳性较好的地段，采用表1内的配比；在此风险源地段，为加快浆液固结时间，同步注浆配比如表2。在施工中，根据地层条件、地下水情况及周边条件等，通过现场试验优化确定。
表1底层自稳性较好地段同步注浆材料配比和性能指标表
表2风险源地段同步注浆材料配比和性能指标表
②浆液配比及主要物理力学指标
同步注浆浆液的主要物理力学性能满足下列指标：
A.胶凝时间:普通段配比胶凝时间为6～8小时，风险源配比胶凝时间为2～4小时，根据地层条件和掘进速度，通过现场试验加入促凝剂及变更配比来调整胶凝时间，必要时可通过现场试验进一步调整配比和加入早强剂，进一步缩短胶凝时间。
B.固结体强度：一天不小于0.2MPa，28天不小于2.5MPa。
D.浆液结石率：>95％，即固结收缩率<5％。
D.浆液稠度：8～12Dm。
E.浆液稳定性：倾析率(静置沉淀后上浮水体积与总体积之比)小于5％。
③注浆压力；
同步注浆时要求在压入口的压力大于该点的静止水压及土压力之和，做到尽量填补而不是劈裂。注浆压力过大，管片外的土层将会被浆液扰动而造成较大的后期地层沉降及隧道本身的沉降，并易造成跑浆。而注浆压力过小，浆液填充速度过慢，填充不充足，也会使地表变形增大。因此，同步注浆上压力控制在0.16～0.18MPa。
④注浆量；
根据刀盘开挖直径和管片外径，可以按下式计算出一环管片的注浆量。
V＝π/4×K×L×(D1-D2)
根据上面经验公式计算，注浆量取环形间隙理论体积的1.5～2.0倍(K值)，则每环(1.5m)注浆量Q＝5.4～7.2m3。
⑤注浆时间和掘进速度；
同步注浆速度与掘进速度匹配，按盾构完成一环掘进的时间内完成当环注浆量来确定其平均注浆速度。
⑥注浆结束标准及注浆效果检查；
采用注浆压力和注浆量双指标控制标准，即当注浆压力达到设定值，注浆量达到设计值的85％以上时，即可认为达到了质量要求。
注浆效果检查主要采用分析法，即根据压力-注浆量-时间曲线，结合管片、地表及周围建筑物量测结果进行综合评价。
对拱顶部分采用超声波探测法通过频谱分析进行检查，对未满足要求的部位，进行补充注浆。
⑦同步注浆的注意事项
A.在开工前制定详细的注浆作业指导书，并进行详细的浆材配比试验，选定合适的注浆材料及浆液配比。
B.、制订详细的注浆施工设计和工艺流程及注浆质量控制程序，严格按要求实施注浆、检查、记录、分析，及时做出注浆压力P-注浆量Q-时间t的曲线，分析注浆速度与掘进速度的关系。
C.根据洞内管片衬砌变形和地面及周围建筑物变形监测结果，及时进行信息反馈，修正注浆参数和施工工艺。
D.做好注浆设备的维修保养，注浆材料供应，定时对注浆管路及设备进行清洗，保证注浆作业顺利连续不中断进行。
E.每环掘进之前，都要确认注浆系统的工作状态处于正常，并且浆液储量足够。
⑧土体改良及盾尾密封脂压注；
A.碴土改良的方法
①在刀盘面和土仓内注入泡沫方法进行改良，必要时向螺旋输送机内注入泡沫。
泡沫的组成比例如下：
e)泡沫溶液的组成：泡沫添加剂3％，水97％。
f)泡沫组成：90-95％压缩空气和5-10％泡沫溶液混合而成。
g)泡沫的注入量按开挖方量计算：300ml/m3-600ml/m3。
h)泡沫的注入方式采用手持半自动操作方式和自动操作方式。
②注入膨润土进行改良，膨润土以悬浮液的形式加入，其体积使用量为30％-40％，拌合的悬浮液泵入储浆罐中后通过不同的注入口分别注入开挖仓及螺旋输送机进口处。
盾构隧道掘进过程中，盾尾密封脂是盾构防水的一道重要屏障，在盾构掘进过程中，切实地做好盾尾密封脂的压注工作。盾尾密封脂的压注由盾构机司机在控制室控制。盾尾密封脂由注脂泵根据计算机设定压力自动压注，也能够根据推进时间手动压注。
S7采用克泥效抑制沉降；
(1)克泥效施工特点
在下穿建筑物的盾构施工中，引进克泥效施工工法，来有效控制盾构施工中地表沉陷。
克泥效将特殊膨润土液(黏土)与强塑剂(水玻璃)以一定的比例混合后，瞬间形成为高黏度、不会硬化的可塑性黏土(黏度通过改变两液配合比的方式调整，黏土与强塑剂不同混合比例具有不同的黏稠度)。混合后的液体呈黏稠状，可以及时充填盾构机掘进引起的盾体与土体的间隙。
采用不同的配合比和注入方法，克泥效工法可用于控制刀盘上方沉降、盾体上方沉降、急曲线段施工时的沉降等方面。运用克泥效工法抑制盾体上方的沉降。
(2)施工工艺流程
①克泥效混合液材料准备
克泥效材料是采用特殊黏土与强塑剂以一定的比例混合后，瞬间形成为高黏度、不会硬化的可塑性黏土。
生产的克泥效材料是由合成钙基黏土矿物、纤维素衍生剂、胶体稳定剂和分散剂构成，合成钙基黏土矿物占总重量的98％～99％，纤维素衍生剂占总重量的0.5％～1.5％，胶体稳定剂占总重量的0.4％～0.8％，分散剂占总重量的0.1％～0.3％。强塑剂采用水玻璃，采用波美度为40be，按照一定比例注入。
②注入设备选择
克泥效是由A液、B液按照一定的比例混合而成，
控制A液和B液的注入量，注入比例要求精确，混合液的黏度大，注入量需要精确、快速可调。基于以上因素，选择两台独立变频控制的软管挤压泵并制备搅拌器、混合器、电子流量计等配套设备，实现克泥效注浆。
③施工场地
在盾构机靠近盾尾附近台车一侧放置并固定拌合、注入设备，接入临时水电，进行设备调试。高压注入管道长度满足接入前盾预留径向孔要求。克泥效材料为袋装计量，水玻璃为桶装，所有材料通过洞内运输设施运至现场。
④克泥效配合比确定
克泥效＝特殊膨润土浆液A(膨润土：水＝1:2)+水玻璃液B(水玻璃：水＝1:1)
B液添加率为5％-6％
经过试验确定的配合比，每环1.2m宽理论注入克泥效混合液体积0.5m3；注入特殊膨润土浆液A(膨润土：水＝450kg:800kg)+水玻璃液B:55kg(水玻璃：水＝1:1)。
(4)克泥效注入施工
使用两台注浆机，各自负责A、B液体的泵送，依次安装流量计、注入软管，最后将两个注浆机的注入软管连接安装混合器，形成最后注入管道。按照配合比计算，A液体:B液体。
首先按照A液的配合比，在搅拌桶中依次放入成比例的水、克泥效材料，搅拌均匀，拌合时间不小于120s，完成A液的拌合配置。B液为水玻璃混合液，浓度为39.2波美度；混合液注入。
S8盾构下穿建筑物过后的技术措施；
(1)二次注浆；
管片脱出盾尾后采用二次补强注浆来满足工程质量要求。
二次补强注浆根据始发时地层情况选择材料和浆液配比，拟采用双液浆，双液浆配比：水泥浆液水灰比为0.8：1(质量比)，水玻璃溶液配比为水玻璃：水＝0.6：1(体积比)，水泥浆液：水玻璃溶液＝1：1(体积比)。
(2)地面注浆加固；
在盾构穿越建筑物后，继续对掘进过后的该建筑物结构进行监控量测，并进行24h巡视，一旦发现异常现象或建筑物变形超标，及时采取地面注浆加固。
1)注浆孔布置；
注浆孔沿建筑物周边轮廓线布置，在线路穿越范围内布置，间距1.5m，孔深比建筑物桩基深2m。
2)浆液；
采用水泥浆—水玻璃双液浆，浆液配合比初步确定：注浆浆液浓度由稀到浓逐级变换，双液浆配比：水泥浆液水灰比为0.8：1(质量比)，水玻璃溶液配比为水玻璃：水＝0.6：1(体积比)，水泥浆液：水玻璃溶液＝1：1(体积比)。具体的浆液配合比通过在注浆前及起先几个孔注浆时的现场试验确定。
3)注浆量及压力；
注浆以加固土体，提高建筑物基础承载力为目的，同时也考虑到建筑物的安全，施工过程中通过加强监测，缓慢加大注浆压力，注浆压力一般控制在1～2Mpa；注浆量根据地层加固区需充填的地层孔隙数量及现场试验来确定；同时也应加强各方面的监测，以便指导注浆。
注浆步骤：
①注浆孔采用钻机钻孔，用双液注浆泵注浆，浆液在进入土体前混合。
②注浆前先注水试压，注水压力1Mpa，持续20分。
③根据选定的参数配制注浆浆液，水泥浆液配好后用筛过滤一遍。按设计连接注浆管路并做好注浆系统的检查。
④按设计压力、注浆量及时注浆。注浆时，压力逐渐由低到高，排量逐渐减少，并逐渐趋于平衡，可视为正常。时刻注意泵口及孔内压力、流量变化。若压力不升，流量不减，或注入30分后压力上升过快，流量减少亦快，调换浆液配比或调整浆液凝胶时间，并防止堵管事故的发生。
⑤当每个孔段达到终压之后，且注浆量单液浆小于20～30升/分，稳定20-30分钟后，即可结束注浆。双液浆泵量小于30～40升/分，持续20分钟后可结束注浆。

Claims (3)

1.基于浅埋软土层土压平衡盾构下穿多股道铁路的施工方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1施工准备：确定隧道下穿建筑物段施工地质情况差，地表环境复杂，所在地层扰动较大，为保证盾构机通过期间减少地下水流失，防止房屋附近地层超挖，减小对地面建筑物的扰动，保证下开挖安全；
S2试验段的选取与确认；
(1)通过设置试验段进一步检验之前确定的盾构掘进参数的地层适应性；另外，重点测量地表沉降的控制效果，进一步检验既定的穿越建筑物施工方案可行性；
(2)试验监测段落的确定；
由于盾构建筑物下层地质对于沉降控制的要求远高于盾构通过普通区域，因此需要在盾构前，要在盾构通过的普通区域设置试验段，试验段要与建筑物保护区盾构隧道埋深相近、水文相近、地质情况相近，试验段以保护区的沉降控制标准作为目标，不断调整盾构参数，从而得到能够控制保护区沉降的盾构参数；
S3增加管片注浆孔；
在管片拱部新增两个注浆孔，并在原有吊装孔对区间拱部土体进行加固；
S4加强管片配筋；
将试验段和保护区域中的盾构管片内侧主筋直径增大，以加强管片之间的连接强度并有效控制沉降；
S5盾构机设计增加超前钻探与注浆系统；
在盾构机的中盾上环向设置12个超前注浆装置，用于穿越特殊地层时对土体的超前注浆加固，从而提高掌子面的稳定性，有利于维持土仓压力的稳定，减小地面沉降值；
S6盾构掘进参数的控制措施；
盾构掘进由刀盘和土仓土压力、排土量和推进速度、螺旋机转速、千斤顶推进力、注浆压力与时间、注浆方式与注浆量、浆液性能、盾构坡度、盾构姿态和管片拼装偏差参数控制；施工中熟悉盾构性能和操作方法，并根据隧道埋深、地质情况和环境条件，对掘进参数进行预测计算，同时紧随盾构推进对地面沉降变形进行监测反馈，以验证施工参数的合理性，根据监测结果，对施工参数进行综合协调、优化；
(1)严格进行压力管理；
盾构掘进的压力管理包括开挖舱土压管理和注浆压力管理；通过压力管理，一方面减少压力过大波动对土体的反复扰动，避免前期过大沉降；另一方面通过注浆压力的管理保证后部间隙及时填充密实均匀，减少盾构通过后地层沉降；保持土仓压力稳定，通过注入材料调整土仓压力保持稳定，不能忽大忽小，注浆压力必须满足压力需要，确保注浆密实避免出现空隙：
①采用的盾构为土压平衡盾构，以土仓内的泥土压力来平衡刀盘前端水土压力，从而保证掌子面稳定，而盾构掘进的前期沉降和土仓平衡压力的设定有直接关系，若土仓压力小于掌子面水土压力，那刀盘前端土体就会产生沉降，因此平衡土压力也是盾构掘进时地面沉降的重要控制因素，通过严格控制掘进过程中土压力，避免波动过大引起开挖面的不稳定；
根据建筑物的地质情况将掘进土压力控制在1.3-1.4bar，确保土仓压力与开挖面水土压力平衡，不要出现过大的波动，土压波动控制在±0.1bar范围之内；盾构掘进的前期沉降和土仓平衡压力的设定有直接关系，若土仓压力小于掌子面水土压力，那刀盘前端土体就会产生沉降，因此平衡土压力也是盾构掘进时地面沉降的重要控制因素，通过严格控制掘进过程中土压力，避免波动过大引起开挖面的不稳定；
②注浆压力与水土压力平衡；除考虑注浆处的水土压力，还要考虑后方来水、开挖面来水的水压，故注浆压力是在注浆处水土压力基础上提高0.01-0.02MPa，且使浆液不进入土仓和压坏管片、不因注浆压力过大造成隆起；
(2)严格进行出土量管理，确保不超挖；
盾构掘进出土量管理即在盾构掘进施工过程中要严格控制出土量不能大于理论开挖碴土量；出土量与掘进进尺平衡；严格控制出土量，进尺量与出土量均衡；
(3)拟定掘进速度；
①推进速度控制；
盾构推进时通过对土压力传感器检测数据来控制盾构千斤顶的推进速度，使盾构推进速度与出土速度相匹配，以保持适当土压力值；
②刀盘转速、推力、扭矩的确定；
以对土体的最小扰动为原则，施工过程中要根据试验段参数的修正动态调整；
(4)掘进姿态控制；
盾构掘进施工过程中的轴线控制是下穿建筑物施工过程中的一个重要的环节，盾构在施工中大多数情况下不是沿着设计轴线掘进，而是在设计轴线的上、下、左、右方向上摆动，偏离设计轴线的差值必须要满足相关规范的要求，因此在盾构掘进中要采取一定的控制程序来控制隧道轴线的偏离；
盾构姿态监控通过自动导向系统和人工测量复核进行盾构姿态监测；自动导向系统包括导向仪、自动定位仪、掘进程序软件和显示器，导向仪、自动定位仪监测的数据与掘进程序软件进行交互，掘进程序软件显示的出具在显示器中显示；在盾构机主控室动态显示盾构机当前位置与隧道设计轴线的偏差以及趋势；施工过程中严格控制管片环间空隙，盾尾间隙精确测量避免过程中过大调整方向对土体产生扰动造成沉降；
(5)严格控制同步注浆
同步注浆浆液的主要物理力学性能满足下列指标：
A.胶凝时间:普通段配比胶凝时间为6～8小时，风险源配比胶凝时间为2～4小时，根据地层条件和掘进速度，通过现场试验加入促凝剂及变更配比来调整胶凝时间，必要时可通过现场试验进一步调整配比和加入早强剂，进一步缩短胶凝时间；
B.固结体强度：一天不小于0.2MPa，28天不小于2.5MPa；
D.浆液结石率：>95％，即固结收缩率<5％；
D.浆液稠度：8～12Dm；
E.浆液稳定性：倾析率小于5％；
同步注浆时要求在压入口的压力大于该点的静止水压及土压力之和，做到尽量填补而不是劈裂；注浆压力过大，管片外的土层将会被浆液扰动而造成较大的后期地层沉降及隧道本身的沉降，并易造成跑浆；而注浆压力过小，浆液填充速度过慢，填充不充足，也会使地表变形增大；因此，同步注浆上压力控制在0.16～0.18MPa；
根据刀盘开挖直径和管片外径，计算出一环管片的注浆量；
同步注浆速度与掘进速度匹配，按盾构完成一环掘进的时间内完成当环注浆量来确定其平均注浆速度；对拱顶部分采用超声波探测法通过频谱分析进行检查，对未满足要求的部位，进行补充注浆；
在刀盘面和土仓内注入泡沫方法进行改良，必要时向螺旋输送机内注入泡沫；
S7采用克泥效抑制沉降；
(1)克泥效施工特点
在下穿建筑物的盾构施工中，引进克泥效施工工法，来有效控制盾构施工中地表沉陷；
克泥效将特殊膨润土液(黏土)与强塑剂(水玻璃)以一定的比例混合后，瞬间形成为高黏度、不会硬化的可塑性黏土(黏度通过改变两液配合比的方式调整，黏土与强塑剂不同混合比例具有不同的黏稠度)；混合后的液体呈黏稠状，可以及时充填盾构机掘进引起的盾体与土体的间隙；
采用不同的配合比和注入方法，克泥效工法可用于控制刀盘上方沉降、盾体上方沉降、急曲线段施工时的沉降方面；运用克泥效工法抑制盾体上方的沉降；
(2)施工工艺流程；
①克泥效混合液材料准备；
克泥效材料是采用特殊黏土与强塑剂以一定的比例混合后，瞬间形成为高黏度、不会硬化的可塑性黏土；
生产的克泥效材料是由合成钙基黏土矿物、纤维素衍生剂、胶体稳定剂和分散剂构成，合成钙基黏土矿物占总重量的98％～99％，纤维素衍生剂占总重量的0.5％～1.5％，胶体稳定剂占总重量的0.4％～0.8％，分散剂占总重量的0.1％～0.3％；强塑剂采用水玻璃，采用波美度为40be，按照一定比例注入；
②注入设备选择；
克泥效是由A液、B液按照一定的比例混合而成，
控制A液和B液的注入量，注入比例要求精确，混合液的黏度大，注入量需要精确、快速可调；基于以上因素，选择两台独立变频控制的软管挤压泵并制备搅拌器、混合器、电子流量计配套设备，实现克泥效注浆；
③施工场地；
在盾构机靠近盾尾附近台车一侧放置并固定拌合、注入设备，接入临时水电，进行设备调试；高压注入管道长度满足接入前盾预留径向孔要求；克泥效材料为袋装计量，水玻璃为桶装，所有材料通过洞内运输设施运至现场；
④克泥效配合比确定；
克泥效＝特殊膨润土浆液A+水玻璃液B；特殊膨润土浆液A中，膨润土：水＝1:2；水玻璃液B中，水玻璃：水＝1:1；
B液添加率为5％-6％
经过试验确定的配合比，每环1.2m宽理论注入克泥效混合液体积0.5m3；注入特殊膨润土浆液A+水玻璃液B:55kg；，膨润土：水＝450kg:800kg；
(4)克泥效注入施工；
使用两台注浆机，各自负责A、B液体的泵送，依次安装流量计、注入软管，最后将两个注浆机的注入软管连接安装混合器，形成最后注入管道；按照配合比计算，A液体:B液体；
首先按照A液的配合比，在搅拌桶中依次放入成比例的水、克泥效材料，搅拌均匀，拌合时间不小于120s，完成A液的拌合配置；B液为水玻璃混合液，浓度为39.2波美度；混合液注入；
S8盾构下穿建筑物过后的技术措施；
(1)二次注浆；
管片脱出盾尾后采用二次补强注浆来满足工程质量要求；
二次补强注浆根据始发时地层情况选择材料和浆液配比，拟采用双液浆，双液浆配比：水泥浆液水灰质量比为0.8：1；水玻璃溶液体积配比为水玻璃：水＝0.6：1，水泥浆液：水玻璃溶液＝1：1；
(2)地面注浆加固；
在盾构穿越建筑物后，继续对掘进过后的该建筑物结构进行监控量测；
1)注浆孔布置；
注浆孔沿建筑物周边轮廓线布置，在线路穿越范围内布置，间距1.5m，孔深比建筑物桩基深2m；
2)浆液；
采用水泥浆—水玻璃双液浆，浆液配合比初步确定：注浆浆液浓度由稀到浓逐级变换，双液浆配比：水泥浆液水灰质量比为0.8：1，水玻璃溶液体积配比为水玻璃：水＝0.6：1，水泥浆液：水玻璃溶液＝1：1；具体的浆液配合比通过在注浆前及起先几个孔注浆时的现场试验确定；
3)注浆量及压力；
注浆以加固土体，提高建筑物基础承载力为目的，同时也考虑到建筑物的安全，施工过程中通过加强监测，缓慢加大注浆压力，注浆压力控制在1～2Mpa；注浆量根据地层加固区需充填的地层孔隙数量及现场试验来确定；同时也应加强各方面的监测，以便指导注浆。
2.根据权利要求1所述的基于浅埋软土层土压平衡盾构下穿多股道铁路的施工方法，其特征在于：在刀盘面和土仓内注入泡沫的方法中，泡沫的组成比例如下：
a)泡沫溶液的组成：泡沫添加剂3％，水97％；
b)泡沫组成：90-95％压缩空气和5-10％泡沫溶液混合而成；
c)泡沫的注入量按开挖方量计算：300ml/m3-600ml/m3；
d)泡沫的注入方式采用手持半自动操作方式和自动操作方式；
注入膨润土进行改良，膨润土以悬浮液的形式加入，其体积使用量为30％-40％，拌合的悬浮液泵入储浆罐中后通过不同的注入口分别注入开挖仓及螺旋输送机进口处；
盾构隧道掘进过程中，盾尾密封脂是盾构防水的一道重要屏障；盾尾密封脂的压注由盾构机司机在控制室控制；盾尾密封脂由注脂泵根据计算机设定压力自动压注，也能够根据推进时间手动压注。
3.根据权利要求1所述的基于浅埋软土层土压平衡盾构下穿多股道铁路的施工方法，其特征在于，注浆步骤如下：
①注浆孔采用钻机钻孔，用双液注浆泵注浆，浆液在进入土体前混合；
②注浆前先注水试压，注水压力1Mpa，持续20分；
③根据选定的参数配制注浆浆液，水泥浆液配好后用筛过滤一遍；按设计连接注浆管路并做好注浆系统的检查；
④按设计压力、注浆量及时注浆；注浆时，压力逐渐由低到高，排量逐渐减少，并逐渐趋于平衡，可视为正常；时刻注意泵口及孔内压力、流量变化；若压力不升，流量不减，或注入30分后压力上升过快，流量减少亦快，调换浆液配比或调整浆液凝胶时间，并防止堵管事故的发生；
⑤当每个孔段达到终压之后，且注浆量单液浆小于20～30升/分，稳定20-30分钟后，即可结束注浆；双液浆泵量小于30～40升/分，持续20分钟后可结束注浆。
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