CN109779639A - 适用于砂性地层盾构上穿既有大直径隧道的抗浮控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于砂性地层盾构上穿既有大直径隧道的抗浮控制方法，其包括步骤：盾构上穿施工前，对规定范围内的工程地质和环境进行查勘，采用有限元数值计算对盾构上穿施工引起既有大直径隧道结构变形进行事前三维模拟，判断实施方法的可行性，并确定既有大直径隧道结构的变形控制指标；在盾构上穿施工过程中，针对所述变形控制指标中的各项指标进行实时监测和反馈控制，确保既有大直径隧道结构在盾构上穿施工的全过程满足所述各项指标；盾构上穿施工完成后，继续对既有大直径隧道结构进行上浮监测和预警。本发明对穿越施工前、中、后三个阶段的施工方法、参数选取原则及各项关键技术参数进行全面控制。

Description

适用于砂性地层盾构上穿既有大直径隧道的抗浮控制方法

技术领域

本发明涉及轨道交通建设技术领域，尤其涉及一种适用于砂性地层盾 构上穿既有大直径隧道的抗浮控制方法。

背景技术

盾构法隧道目前普遍应用于城市轨道交通建设中，随着地下空间的逐 步开发，越来越多的城市轨道交通建设面临着盾构掘进施工需穿越众多既 有地下管线及建构筑物，特别是在不良地质条件下的盾构穿越技术难度大、 风险高。

现有技术中有一些针对盾构穿越既有隧道的做法：

中国发明专利CN 108104824 A(发明名称：一种软土区泥水盾构穿越 既有地铁隧道施工方法；申请号：201711145032.0；申请日：2017-11-17) 中公布了一种软土区泥水盾构穿越既有地铁隧道施工方法，包括施工准备、 试验段施工措施、穿越前施工措施、穿越段施工措施和穿越后施工措施， 其中穿越后施工措施包括地铁隧道微扰动注浆和泥水盾构隧道二次注浆。 该发明的有益效果是：该发明能够使泥水盾构顺利安全的穿越既有地铁隧道，并且能够很好的控制既有地铁及邻近土体的变形，保证既有地铁的正 常运营；该发明能够很好的适应软土区泥水盾构穿越既有地铁的环境，同 时能很好的起到整体支护作用，能保证施工质量，保障泥水盾构的后续工 程施工。

中国发明专利CN 107288655 A(发明名称：一种盾构隧道双线下穿既 有隧道洞内注浆加固围岩方法；申请号：201710501515.3；申请日： 2017-06-27)中公开一种盾构隧道双线下穿既有隧道洞内注浆加固围岩方 法，该方法步骤包括：S1：在既有隧道管片环左右两侧与垂线约呈第一夹 角的对称位置上设置注浆孔，该对称设置的注浆孔之间保持第一距离间隔； S2：在既有隧道的断面上安装监测装置；S3：通过注浆管向注浆孔内注入 双液型浆液；S4：通过监测装置观测在注浆过程中隧道衬砌结构应变及衬 砌形状变化并实时调节注浆压力。

现有技术中存在的不足之处如下：

1.以往技术主要针对盾构下穿既有地下结构，主要解决的问题是控制 下穿结构的沉降问题。并没有针对上穿既有地下结构，来解决控制上穿结 构的上浮问题，且本发明上穿的既有地下结构为大直径盾构隧道，结构直 径大且距离近；

2.以往发明的技术主要针对软土地区，地层为粘土为主，施工风险较 小。并没有针对砂性地层，砂性地层的地层条件差，不利于施工安全与质 量控制，极易造成上穿下部大直径隧道周围土体变形与扰动，从而导致下 部大直径隧道的变形。砂性土地层盾构上穿既有大直径隧道结构存在以下 问题：

1)砂土地层中透水性很强，盾构施工在穿越时，对土体产生扰动极易 发生流砂或板结现象；

2)砂土土层极易引起的涌水、涌砂现象使盾构开挖面失去稳定平衡， 产生开挖面失稳，进而对隧道本身和下方既有大直径隧道的安全产生影响；

3)盾尾和螺旋输送机后仓门突水、涌砂。盾构推进过程中砂层受振动 孔隙水压力增大，造成喷涌。

4)在稳定性差砂土地层中，国内盾构穿越既有大直径隧道的施工经验 不足，风险较大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供了一种适用于砂性地层 盾构上穿既有大直径隧道的抗浮控制方法，其能够克服上穿施工引起的既 有大直径隧道的上浮及结构变形。

本发明实现上述目的的方案是：一种适用于砂性地层盾构上穿既有大 直径隧道的抗浮控制方法，其包括步骤：

盾构上穿施工前，对规定范围内的工程地质和环境进行查勘，采用有 限元数值计算对盾构上穿施工引起既有大直径隧道结构变形进行事前三维 模拟，判断实施方法的可行性，并确定既有大直径隧道结构的变形控制指 标；

在盾构上穿施工过程中，针对所述变形控制指标中的各项指标进行实 时监测和反馈控制，确保既有大直径隧道结构在盾构上穿施工的全过程满 足所述各项指标；以及

盾构上穿施工完成后，继续对既有大直径隧道结构进行上浮监测和预 警。

在本发明的一些实施例中，所述变形控制指标中的指标包括竖向沉降 控制值和隆起变形控制值，并且，针对所述竖向沉降控制值和所述隆起变 形控制值分别提供沉降值、预警值、报警值和变形控制速率。

在本发明的一些实施例中，盾构上穿施工过程包括：

a.土压力值设定：

根据确定的水平侧向力、地层水压力及施工土压力调整值得出初步的 盾构施工土仓压力设定值，即

σ_初步设定＝σ_{水平侧向力}+σ_{水平水压力}+σ_调整 (公式一)

式中：σ_初步设定为初步确定的盾构土仓土压力；σ_{水平侧向力}为水平侧向力； σ_{水平水压力}为地层水压力；σ_调整为修正施工土压力；

根据公式一计算穿越区域土压力的理论值，实际土压力的设定值根据 沉降数据分析进行微调，得出合理的施工土压力值，同时在推进过程中要 保证实际土压力与设定值之间的差值控制在±5％内。

在本发明的一些实施例中，盾构上穿施工过程包括：

b.推进速度与刀盘转速控制：盾构推进速度控制在30～40mm/min。

5.如权利要求1所述的适用于砂性地层盾构上穿既有大直径隧道的抗 浮控制方法，其特征在于，盾构上穿施工过程包括：

c.出土量控制：出土量为开挖断面的98％～100％。

在本发明的一些实施例中，盾构上穿施工过程包括：

d.盾构姿态控制：单次平面纠偏量控制在5mm/环内，单次高程坡度 纠偏量不超过1‰；

在本发明的一些实施例中，盾构上穿施工过程包括：

e.同步注浆及二次注浆控制：在穿越段前后一定范围内的管片上增开 注浆孔；在盾构掘进过程中，采用同步注浆量与同步注浆压力双控的标准 进行控制；

其中，同步注浆量控制包括：

注浆量和注浆压力根据监测数据进行动态调整，同步注浆量计算公式 为：Q＝V·λ；

其中，V为填充体积，λ为注入率；V＝π(D²-d²)L/4；D为盾构切削外径， d为预制管片外径，L为管片环宽；

同步注浆压力控制包括：

同步注浆压力的最佳值在综合考虑地基条件、设备性能、浆液特性和 土仓压力的基础上确定，下临界注浆压力维持上部土块的稳定，使上部土 块不下塌；上临界注浆压力维持下部土块的稳定，使下部土块不隆起；

注浆压力上临界值表示为：

注浆压力下临界值表示为：

式中：γ为土体容重；h为注浆孔埋深，c为土体粘聚力；

注浆压力上临界值和注浆压力下临界值确定后，将注浆压力上临界值除 以一个安全系数n>1，将注浆压力下临界值乘以安全系数 n>1，得到最优注浆压力：

在本发明的一些实施例中，盾构上穿施工过程还包括：

采用铁块进行上部施工隧道进行压重，压重范围为穿越段及穿越段两 侧各20环；在进行压重的堆载区域采用轨枕将电机车和车架抬升，在轨枕 以下空间堆载压铁。

在本发明的一些实施例中，盾构第一节车架与拼装工作面之间有9环 距离，在第一节车架前3环开始进行压铁堆载，与盾构推进同步进行堆载 作业。

在本发明的一些实施例中，在压铁堆载区域与盾构拼装工作面之间的 区域采用管片进行压重；并且，在管片吊离后，后续管片运至工作面补充。

本发明由于采用上述技术方案，使其具有以下有益效果：

1、对穿越施工前、中、后三个阶段的施工方法、参数选取原则及各项 关键技术参数进行全面控制；

2.盾构上穿既有大直径隧道施工各项措施具有针对性和有效性；

3.能够有效控制盾构在砂土地层中掘进过程中受扰动而对周边环境 产生影响；

4.通过各项措施有效控制既有大直径隧道的沉降和隆起，保证穿越施 工和既有大直径隧道安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述 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 劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明适用于砂性地层盾构上穿既有大直径隧道的抗浮控制方 法在具体施工实例中的实施示意图。

图2为本发明实施例中的施工过程的监测反馈流程图。

图3为本发明实施例中上部施工隧道内铁块压重断面图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可 由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还 可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细 节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰 或改变。

盾构法隧道目前普遍应用于城市轨道交通建设中，随着地下空间的逐 步开发，越来越多的城市轨道交通建设面临着盾构掘进施工需穿越众多既 有地下管线及建构筑物，特别是在不良地质条件下的盾构穿越技术难度大、 风险高。本发明所要解决的技术问题主要包括以下几点：

1.盾构上穿既有大直径(直径达12.4m)隧道，既有大直径隧道顶部 距离穿越盾构隧道底部仅8.61m，距离近易引起既有大直径隧道的上浮及结 构变形；

2.盾构穿越过程中所属地层为全断面砂性土，含水量18.9％易液化， 渗透系数0.5易透水，粘聚力C值14kPa、内摩擦角φ值23°易坍塌。

而且，以往技术主要针对盾构下穿既有地下结构，主要解决的问题是 控制下穿结构的沉降问题。而本发明针对的是上穿既有地下结构，主要解 决的问题是控制上穿结构的上浮问题，且本发明上穿的既有地下结构为大 直径盾构隧道，结构直径大且距离近。

另外，以往技术主要针对软土地区，地层为粘土为主，施工风险较小。 而本发明针对的是砂性地层，地层条件差，不利于施工安全与质量控制， 极易造成上穿下部大直径隧道周围土体变形与扰动，从而导致下部大直径 隧道的变形。

本发明实施例主要提供了一种适用于砂性地层盾构上穿既有大直径隧 道的抗浮控制方法，其主要包括：

(一)盾构上穿施工前，对规定范围内的工程地质和环境进行查勘， 采用有限元数值计算对盾构上穿施工引起既有大直径隧道结构变形进行事 前三维模拟，判断实施方法的可行性，并确定既有大直径隧道结构的变形 控制指标；

(二)在盾构上穿施工过程中，针对所述变形控制指标中的各项指标 进行实时监测和反馈控制，确保既有大直径隧道结构在盾构上穿施工的全 过程满足所述各项指标；以及

(三)盾构上穿施工完成后，继续对既有大直径隧道结构进行上浮监 测和预警。

本发明采用上述方案对穿越施工前、中、后三个阶段的施工方法、参 数选取原则及各项关键技术参数进行全面控制。

下面结合附图和具体实施例来对本发明做进一步详细说明如下。

以在一已建成未运营的机登洛城际铁路隧道作为既有大直径隧道结构 为例，在其上方采用本发明抗浮控制方法进行盾构上穿施工。

1、施工前的查勘模拟预测与抉择

施工前对规定范围内的工程地质和环境进行查勘，包括以下内容：

(1)地层的物理力学性质；

(2)水文地质特性；

(3)既有大直径隧道的状态(设计、施工资料及既有变形的统计和服 务状态评价)；

(4)相关法律法规、政府文件对环境保护的要求标准等；

(5)既有大直径隧道使用阶段内的基础和周边施工扰动调查；

(6)对穿越部分加强勘察密度和强度，用多种查勘方式相结合的方法 保证查勘资料的准确性；

(7)采用有限元数值计算程序迈达斯GTS-NX对盾构上跨施工引起既 有大直径隧道结构变形进行事前三维模拟，判断实施方法的可行性；

(8)确定大直径隧道结构变形控制指标；

盾构区间上跨既有大直径隧道的结构变形控制标准如表1所示。

表1既有大直径隧道结构变形控制标准表

以上标准建立的依据是：

①因盾构施工引起的变形增量不能对既有大直径隧道造成明显破坏， 建立增量控制指标；

②既有变形和变形增量之和不能超过建(构)筑物的允许变形量，建 立总量控制指标；

③在建(构)筑物增量变形或总量变形可能超过变形控制标准时，及 时采取应急控制措施。

2、施工过程中的监测与反馈控制

结合图2所示，施工过程中的监测与反馈控制方法，包括以下内容：

(1)施工过程中的监测方法

由于盾构施工对既有大直径隧道影响的不可预见性和24h的连续施 工，因此在穿越施工时提高监测频率。监测项目的测点布设需考虑各分项 工程的施工顺序、保护对象的要求、与盾构隧道的相对位置关系、周围环 境保护等因素。通过对监测数据的分析来动态调整施工参数。

(2)穿越施工过程中的方法控制要点

①盾构掘进机装备的参数、功能选择

盾构机主要配置参数见下表：

表2盾构机主要配置、特点及功能表

②土压力值设定

盾构推进平衡土压力值设定的方法、依据及计算公式如下：

根据确定的水平侧向力、地层水压力及施工土压力调整值得出初步的 盾构施工土仓压力设定值，即

σ_初步设定＝σ_{水平侧向力}+σ_{水平水压力}+σ_调整

式中：σ_初步设定为初步确定的盾构土仓土压力；σ_{水平侧向力}为水平侧向力； σ_{水平水压力}为地层水压力；σ_调整为修正施工土压力。

根据以上公式计算穿越区域土压力的理论值，实际土压力设定值根据 沉降数据分析进行微调，得出合理的施工土压力值，同时在推进过程中要 保证实际土压力与设定值之间的差值控制在±5％内。

③推进速度与刀盘转速控制

盾构推进速度控制在30～40mm/min，尽量保持推进速度稳定，盾构推 进施工将根据监测情况做必要的调整，如必要时可推进一箱土(约50cm)， 然后暂停5～10min，再推进一箱土，依次组织施工以便更好地控制沉降。

④出土量控制

大约为开挖断面的98％～100％。

⑤盾构姿态控制

推进时不急纠、不猛纠，单次平面纠偏量控制在5mm/环内，单次高程 坡度纠偏量不超过1‰。

⑥同步注浆及二次注浆控制

根据以往施工经验，盾构穿越过后，隧道及地面都会产生一定的后期 沉降量。此现象将会对构筑物及其基础产生不利影响，甚至造成构筑物基 础的不均匀沉降，影响其结构安全。为此在穿越段前后一定范围内的管片 上增开注浆孔，每环增开4个(落地块增加2个，相邻标准块各增加1个)， 根据实际情况进行二次注浆，注浆孔位及注浆量可现场确定。

注浆量和注浆压力参数的设定方法如下：

a.同步注浆量：

在盾构掘进过程中，应采用注浆量与注浆压力双控的标准进行控制。 注浆量和注浆压力根据监测数据进行动态调整。同步注浆量计算公式如下：

Q＝V·λ(单位：m³)；

V：填充体积，及盾构施工引起的空隙；λ：注入率

其中V＝π(D²-d²)L/4

D:盾构切削外径d：预制管片外径L：管片环宽

穿越构筑物时同步注浆量一般为建筑空隙的170％左右，即每推进一环 同步注浆量约为3.4m3。

b.同步注浆压力：

同步注浆压力的最佳值应在综合考虑地基条件、设备性能、浆液特性 和土仓压力的基础上确定。下临界注浆压力P_ma下必须维持上部土块的稳 定，使之不下塌；上临界注浆压力P_up必须维持下部土块的稳定，使之不隆 起。

注浆压力上临界值可表示为：

注浆压力上临界值可表示为：

式中：γ为土体容重；h为注浆孔埋深，c为土体粘聚力。

注浆压力上、下临界值确定后，将上、下临界值分别除以及乘以一个安 全系数得到最优注浆压力。即：

⑦其他措施

配合图3所示，根据对机登洛城际隧道上浮情况的监测，必要时在穿越 施工中的上部隧道内采用铁块进行压重，压重范围为穿越段及其两侧各20 环。堆载区域采用3m长的长轨枕将电机车和车架抬升，轨枕上表面与隧道 底部距离56cm，轨枕以下空间可堆载压铁，堆载量约为5T/环。盾构第一 节车架与拼装工作面之间有9环距离，压铁堆载在第一节车架前3环开始， 与盾构推进同步进行堆载作业。堆载压铁以不影响正常施工为前提条件，见图3。

在压铁堆载区域与盾构拼装工作面之间区域采用管片进行压重，管片 可叠放2层，当管片吊离并拼装后，后续管片运至工作面补充。在管片堆载 区域两侧，在不影响盾构正常掘进的情况下，在隧道两侧制作支架，采用 压铁进行压重。

3、施工结束后的长期预测与控制方法

穿越后，加强既有大隧道的上浮监测，上浮速率>1mm/d，且总上浮 量>4mm即预警，并采取相应措施。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

1.盾构上穿既有大直径隧道施工各项措施具有针对性和有效性；

2.能够有效控制盾构在砂土地层中掘进过程中受扰动而对周边环境产 生影响；

3.通过各项措施有效控制既有大直径隧道的沉降和隆起，保证穿越施 工和既有大直径隧道安全。

需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均 仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并 非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结 构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功 效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的 范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、 “中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发 明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下， 当亦视为本发明可实施的范畴。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上 的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明， 任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利 用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但 凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例 所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种适用于砂性地层盾构上穿既有大直径隧道的抗浮控制方法，其特征在于，包括步骤：

盾构上穿施工前，对规定范围内的工程地质和环境进行查勘，采用有限元数值计算对盾构上穿施工引起既有大直径隧道结构变形进行事前三维模拟，判断实施方法的可行性，并确定既有大直径隧道结构的变形控制指标；

在盾构上穿施工过程中，针对所述变形控制指标中的各项指标进行实时监测和反馈控制，确保既有大直径隧道结构在盾构上穿施工的全过程满足所述各项指标；以及

盾构上穿施工完成后，继续对既有大直径隧道结构进行上浮监测和预警。

2.如权利要求1所述的适用于砂性地层盾构上穿既有大直径隧道的抗浮控制方法，其特征在于：所述变形控制指标中的指标包括竖向沉降控制值和隆起变形控制值，并且，针对所述竖向沉降控制值和所述隆起变形控制值分别提供沉降值、预警值、报警值和变形控制速率。

3.如权利要求1所述的适用于砂性地层盾构上穿既有大直径隧道的抗浮控制方法，其特征在于，盾构上穿施工过程包括：

a.土压力值设定：

根据确定的水平侧向力、地层水压力及施工土压力调整值得出初步的盾构施工土仓压力设定值，即

σ_初步设定＝σ_{水平侧向力}+σ_{水平水压力}+σ_调整 (公式一)

式中：σ_初步设定为初步确定的盾构土仓土压力；σ_{水平侧向力}为水平侧向力；σ_{水平水压力}为地层水压力；σ_调整为修正施工土压力；

根据公式一计算穿越区域土压力的理论值，实际土压力的设定值根据沉降数据分析进行微调，得出合理的施工土压力值，同时在推进过程中要保证实际土压力与设定值之间的差值控制在±5％内。

4.如权利要求1所述的适用于砂性地层盾构上穿既有大直径隧道的抗浮控制方法，其特征在于，盾构上穿施工过程包括：

b.推进速度与刀盘转速控制：盾构推进速度控制在30～40mm/min。

5.如权利要求1所述的适用于砂性地层盾构上穿既有大直径隧道的抗浮控制方法，其特征在于，盾构上穿施工过程包括：

c.出土量控制：出土量为开挖断面的98％～100％。

6.如权利要求1所述的适用于砂性地层盾构上穿既有大直径隧道的抗浮控制方法，其特征在于，盾构上穿施工过程包括：

d.盾构姿态控制：单次平面纠偏量控制在5mm/环内，单次高程坡度纠偏量不超过1‰；

7.如权利要求1所述的适用于砂性地层盾构上穿既有大直径隧道的抗浮控制方法，其特征在于，盾构上穿施工过程包括：

e.同步注浆及二次注浆控制：在穿越段前后一定范围内的管片上增开注浆孔；在盾构掘进过程中，采用同步注浆量与同步注浆压力双控的标准进行控制；

其中，同步注浆量控制包括：

注浆量和注浆压力根据监测数据进行动态调整，同步注浆量计算公式为：

Q＝V·λ；

其中，V为填充体积，λ为注入率；V＝π(D²-d²)L/4；D为盾构切削外径，d为预制管片外径，L为管片环宽；

同步注浆压力控制包括：

同步注浆压力的最佳值在综合考虑地基条件、设备性能、浆液特性和土仓压力的基础上确定，下临界注浆压力维持上部土块的稳定，使上部土块不下塌；上临界注浆压力维持下部土块的稳定，使下部土块不隆起；

注浆压力上临界值表示为：

注浆压力下临界值表示为：

式中：γ为土体容重；h为注浆孔埋深，c为土体粘聚力；

注浆压力上临界值和注浆压力下临界值确定后，将注浆压力上临界值除以一个安全系数将注浆压力下临界值乘以安全系数 得到最优注浆压力：

8.如权利要求1所述的适用于砂性地层盾构上穿既有大直径隧道的抗浮控制方法，其特征在于，盾构上穿施工过程还包括：

采用铁块进行上部施工隧道进行压重，压重范围为穿越段及穿越段两侧各20环；在进行压重的堆载区域采用轨枕将电机车和车架抬升，在轨枕以下空间堆载压铁。

9.如权利要求8所述的适用于砂性地层盾构上穿既有大直径隧道的抗浮控制方法，其特征在于，盾构第一节车架与拼装工作面之间有9环距离，在第一节车架前3环开始进行压铁堆载，与盾构推进同步进行堆载作业。

10.如权利要求9所述的适用于砂性地层盾构上穿既有大直径隧道的抗浮控制方法，其特征在于，在压铁堆载区域与盾构拼装工作面之间的区域采用管片进行压重；

并且，在管片吊离后，后续管片运至工作面补充。