CN110630271A - 用于富水砂层盾构穿越钢管土钉区的施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于富水砂层盾构穿越钢管土钉区的施工方法。所述方法采用大功率旋挖钻跳孔切、扭断钢管土钉，被切断的压底钢管直接压入隧道底500mm以下，遗留在隧道内的留置钢管不大于500mm，满足盾构排出的要求，最大限度地减少横向清障孔钻孔工程量，用砂浆回填钻孔，控制盾构掘进参数，掘进通过钢管土钉区域，此方法操作简单，降低了盾构直接穿越钢管区的刀盘刀具磨损，避免了盾构直接掘进导致钢管土钉缠在盾构刀盘上引起土体扰动，导致地面塌陷、建筑物破坏等重大事故的发生。本发明解决了盾构机穿越障碍区施工困难，施工成本高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及城市轨道交通施工技术领域，具体而言，涉及一种用于富水砂层盾构穿越钢管土钉区的施工方法。
背景技术
土钉墙支护结构施工操作简单方便，施工成本较低，广泛运用于深基坑围护结构，基础施工完成后，由于老城区的建设缺乏统一规划性，没有及时对土钉进行拔除，给后续工程建设带来了系列的困扰，哈尔滨地铁2号线盾构在穿越经纬街360大厦时，线路从第440环至第549环长度130m范围遇到了大量直径φ75mm，壁厚5.5mm的钢管土钉，长度15～18m不等，钢管壁上有焊接长度为500mm的、直径φ22的螺纹钢筋锚钉，有两层共计76根钢管土钉侵入了盾构隧道内，钢管土钉材质为Q345B，其抗拉强度为490～665Mpa，屈服强度为325Mpa，由于土钉钢管是刚性材质，强度高、韧性强、管壁厚，盾构刀具切削破坏难度大。
现有技术中，在掘进区间外侧开挖竖井，竖井内开挖横向通道直达钢管土钉区，采用拆除设备对掘进区间内的钢管土钉进行拆除。
例如中国专利公开号为CN107461200A的发明专利公开了一种处理盾构机穿越锚索障碍区域锚索的施工工艺，该发明公开一种处理盾构机穿越锚索障碍区域锚索的施工工艺，包括以下步骤，根据施工图纸中盾构预掘进和既有锚索的位置确定影响盾构掘进的锚索集中带，在盾构预掘进区间的外侧开挖竖井，在竖井内施工横向通道达到影响盾构掘进的既有锚索集中带，在横向通道内将预先安装处理锚索装置的钢顶管沿着盾构预掘进方向不断顶进，切除出现在钢顶管掌子面处的锚索，然后在管外切割矩形口，使用锚索拔除装置拔除管外影响盾构掘进的锚索。本发明采用预安装处理锚索装置的钢顶管拔除锚索，针对影响盾构施工区域的管内锚索和管外影响盾构掘进的锚索进行拔除；并能直接借助钢顶管形成衬砌，形成锚索处理过程中的安全空间，安全性高，施工工期短，节约施工成本。
现有技术中至少存在以下问题：
现有技术中，锚索采用的钢绞线与土钉采用的钢管从材质上有着本质的区别，钢绞线强度高，但有柔韧性，钢管强度高，刚度强，盾构掘进时，钢绞线可以缠绕在旋挖钻机钻头上和刀盘刀具上，而钢管是不能缠绕在旋挖钻机钻头上和刀盘刀具上，通过旋挖钻机取出困难，也不能直接采用盾构切割高强度钢管，而且掘进时对刀盘刀具的磨损也是非常严重的，从而导致盾构穿越钢管土钉区施工困难，甚至无法掘进，施工成本高。
针对现有技术中盾构穿越钢管土钉区施工困难，施工成本高的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于富水砂层盾构穿越钢管土钉区的施工方法。
所述方法包括：
步骤1、清理施工场地内碎石杂物，平整施工场地，夯实硬化施工场地。
步骤2、沿隧道中心线设计纵向探孔的位置，纵向探孔钻孔直径φ800mm，孔距为750mm，咬合宽度为50mm，依次排序编号，根据纵向探孔探明的钢管土钉位置确定横向清障孔位置，横向清障孔钻孔直径φ800mm，孔距为1300mm，在纵向探孔编号的基础上添加子序号作为横向清障孔编号，依次排序编号。
步骤3、采用旋挖钻机钻孔，旋挖钻机钻头采用齿形高强合金钻头，钻孔时将钢管土钉切、扭断，并将切断的压底钢管压入隧道轮廓线500mm以下：
步骤3.1、埋设钢护筒，钢护筒埋深大于1.5m，且钢护筒顶端高出原地面30cm：
步骤3.11、开挖筒坑，筒坑直径比钢护筒大0.2-0.4m，筒坑深度比钢护筒高度小30cm。
步骤3.12、将钢护筒埋入筒坑，钢护筒中心与钻孔中心重合，偏差不大于20mm，检测钢护筒垂直度，偏差不大于1％，同时钢护筒顶部高出地面30cm。
步骤3.2、利用齿形高强合金钻头的旋挖钻机钻进，钻进同时注入泥浆护壁，保持泥浆面不低于钢护筒顶50cm。
步骤3.3、纵向探孔施工：
纵向探孔按照“隔三钻一”的跳孔钻孔法成孔，当钻孔遇到钢管土钉时，记录钢管土钉对应的钻孔编号和钢管土钉埋深，绘制钢管土钉位置示意图。
步骤3.4、横向清障孔施工：
根据钢管土钉位置示意图记录，按照“左右交替”的钻孔成孔法对纵向探孔探明的钢管土钉所对应的横向清障孔进行钻孔施工。
步骤4、钻孔完成后，采用砂浆回填钻孔，回填时，采用导管法进行水下灌注施工：
步骤4.1、制作导管，导管壁厚不小于8mm，直径为273mm，直径偏差不超过2mm，采用无缝钢管制作，导管分节制作，每节长度为1.5-2m，两节之间采用法兰接头连接，导管长度不小于6m。
步骤4.2、钻孔回填前，储料斗内设有一次性将导管的底端埋入砂浆中1.5m以上深度的砂浆储存量。
步骤4.3、向钻孔内灌注砂浆，随着砂浆面的上升，提升和拆卸导管，并始终保持导管底端埋入砂浆面以下至少1.5m。
步骤4.4、当砂浆面距离钻孔口2m时，停止砂浆灌注，采用振动棒对钻孔内砂浆进行振捣密实。
步骤4.5、砂浆振捣密实后，继续灌注砂浆，直至将钻孔灌满。
步骤5、盾构掘进通过钢管土钉区：
步骤5.1、盾构掘进前，在刀盘前方采用土体改良泡沫剂对土体改良,土体改良泡沫剂由泡沫剂原液与水混合制得。
步骤5.2、土体改良后进行盾构掘进，盾构掘进过程中，严格控制盾构掘进参数。
步骤5.3、管片拼装，当盾构机推进油缸伸出量达到1.4m时，关闭螺旋输送机闸门，盾构机继续向前推进2-3cm后停止推进，进行管片拼装工作，每环管片拼装完成后，进行下一环盾构掘进。
步骤5.4、盾构向前推进，当盾尾空隙形成时，通过同步注浆系统及盾尾的内置注浆管向盾尾空隙进行同步注浆，同步注浆的注浆压力为2.5-4bar，浆液凝结时间控制在3-4h。
步骤5.5、管片脱出盾尾3-5环后,采用注浆阀,通过管片上的注浆孔对管片壁后同步注浆空隙处实施二次注浆,二次注浆的注浆压力为3.5-5bar。
进一步地，在步骤2中，纵向探孔采取咬合孔方式，横向清障孔的孔净间距为500mm。
进一步地，在步骤3.2中，泥浆的泥浆比重控制在1.1-1.3，胶体率不低于95％，含砂率不大于5％。
进一步地，在步骤3.2中，齿形高强合金钻头包括圆柱形钢体，圆柱形钢体底部均匀间隔设置有钻头胎体，钻头胎体分为第一钻头胎体和第二钻头胎体，第一钻头胎体和第二钻头胎体交错设置于圆柱形钢体底部，第一钻头胎体和第二钻头胎体均成齿形结构。
进一步地，在步骤4中，砂浆中添加外加剂，外加剂为早强剂。
进一步地，在步骤5.1中，土体改良泡沫剂中泡沫原液与水的体积比为3％∶97％。
进一步地，在步骤5.5中，通过管片上四个注浆孔进行二次注浆施工。
进一步地，按重量份数计,早强剂由以下组分组成：氯化钙22份、硫酸铝钾6份、甲酸钙7份、硫酸钠8份、酒石酸氢钾3份、亚烷基三胺5份、硝酸钠12份、乙醇6份。
相对于现有技术，本发明所述的方法具有以下显著的优越效果：
1、通过采用大功率旋挖钻跳孔切、扭断钢管土钉，钻头直径为φ800mm，被切断的压底钢管直接压入隧道底500mm以下，遗留在隧道内的留置钢管不大于500mm，满足盾构排出的要求，用低标号砂浆回填钻孔，控制盾构掘进参数掘进通过钢管土钉区域，降低了盾构刀盘刀具磨损，避免了直接掘进造成钢管土钉缠在盾构刀盘上引起土体扰动。
2、在满足盾构掘进排出留置钢管的前提下，横向清障孔采取孔净间距500mm的方式，大大减少了旋挖钻机钻孔的工作量，节约了施工成本，加快了施工进度。
3、由于大量的钻孔回填砂浆，相当于对富水砂层地质进行了一次弱加固，起到了一定的隔水作用。
4、按重量份数计,早强剂由以下组分组成：氯化钙22份、硫酸铝钾6份、甲酸钙7份、硫酸钠8份、酒石酸氢钾3份、亚烷基三胺5份、硝酸钠12份、乙醇6份，该早强剂能够具有优良的长期强度和耐久性。
附图说明
图1为本发明所述方法的施工剖面示意图；
图2为本发明所述方法的平面布孔示意图。
附图标记说明：
1-隧道中心线，2-纵向探孔，3-横向清障孔，4-砂浆，5-钢管土钉，6-边缘钢管，7-压底钢管，8-留置钢管，9-隧道轮廓线。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。
如图1和图2所示，所述方法包括：
步骤1、清理施工场地内碎石杂物，平整施工场地，夯实硬化施工场地。
步骤2、沿隧道中心线1设计纵向探孔2的位置，纵向探孔2直径φ800mm，孔距为750mm，咬合宽度为50mm，纵向探孔2编号排序为1#、2#、3#，依次类推，根据纵向探孔2位置确认横向清障孔3位置，横向清障孔3直径φ800mm，孔距为1300mm，用于满足切断后遗留在隧道内的留置钢管8通过盾构(图中未示出)排出，并在纵向探孔2编号的基础上添加子序号作为横向清障孔3编号，编号1#的纵向探孔2对应的横向清障孔3编号排序为1-1#、1-2#、1-3#、1-4#，依次类推，用于避免钻孔出现遗漏，给盾构掘进带来困难。
步骤3、按照横向清障孔3和纵向探孔2的位置，采用旋挖钻机(图中未示出)钻孔，旋挖钻机采用齿形高强合金钻头，钻孔时将钢管土钉5切、扭断，并将切断的压底钢管7压入隧道轮廓线9以下至少500mm：
步骤3.1、埋设钢护筒(图中未示出)，钢护筒埋深大于1.5m，且钢护筒顶端高出原地面30cm：
步骤3.11、开挖筒坑，筒坑直径比钢护筒大0.2-0.4m，筒坑深度比钢护筒高度小30cm。
步骤3.12、将钢护筒埋入筒坑，钢护筒中心与钻孔中心重合，偏差不大于20mm，检测钢护筒垂直度，偏差不大于1％，同时钢护筒顶部高出地面30cm。
步骤3.2、利用齿形高强合金钻头(图中未示出)的旋挖钻机钻进，钻进同时注入泥浆护壁，保持泥浆面不低于钢护筒顶50cm。
步骤3.3、纵向探孔2施工：按照“隔三钻一”的跳孔钻孔法成孔，按照编号1#、5#、9#、13#、3#、7#、11#、2#、6#、10#、4#、8#、12#的顺序依次钻孔，依次类推，用于防止旋挖钻机施工时相邻两钻孔施工距离太近或钻孔间隔时间太短，造成塌孔，当钻孔遇到钢管土钉5时，记录钢管土钉5对应的钻孔编号和钢管土钉5埋深，绘制钢管土钉5位置示意图。
步骤3.4、横向清障孔3施工：根据钢管土钉5位置示意图记录，按照“左右交替”的钻孔成孔法对埋设钢管土钉5的纵向探孔2对应的横向清障孔3进行钻孔施工，当编号1#的纵向探孔2遇到侵入盾构隧道内的钢管土钉5时，按照编号1-1#、1-3#、1-2#、1-4#的顺序依次钻孔，依次类推。
步骤4、钻孔完成后，采用砂浆4回填钻孔，回填时，采用导管法进行水下灌注施工：
步骤4.1、制作导管(图中未示出)，导管壁厚不小于8mm，直径为273mm，直径偏差不超过2mm，采用无缝钢管制作，导管分节制作，每节长度为1.5-2m，两节之间采用法兰接头连接，导管长度不小于6m。
步骤4.2、钻孔回填前，储料斗内设有一次性将导管的底端埋入砂浆4中1.5m以上深度的砂浆4储存量。
步骤4.3、向钻孔内灌注砂浆4，随着砂浆面的上升，提升和拆卸导管，并始终保持导管底端埋入砂浆面以下至少1.5m。
步骤4.4、当砂浆面距离钻孔口2m时，停止砂浆4灌注，采用振动棒对钻孔内砂浆4进行振捣密实，用于防止盾构掘进过程中泡沫或膨润土冒出地面。
步骤4.5、砂浆4振捣密实后，继续灌注砂浆4，直至将钻孔灌满。
步骤5、盾构掘进通过钢管土钉区：
步骤5.1、盾构掘进前，在刀盘前方采用土体改良泡沫剂对土体改良,土体改良泡沫剂由泡沫剂原液与水混合制得。
步骤5.2、土体改良后进行盾构掘进，盾构掘进过程中，严格控制盾构掘进参数，盾构掘进参数如下：
推力13000-18000KN；
扭矩1300-1800KN.m；
掘进速度20-30mm/min；
贯入度不大于25mm；
土仓压力1.5-2.5bar。
步骤5.3、管片(图中未示出)拼装，当盾构机推进油缸伸出量达到1.4m时，关闭螺旋输送机闸门，盾构机继续向前推进2-3cm后停止推进，进行管片拼装工作，每环管片拼装完成后，进行下一环盾构掘进。
步骤5.4、盾构向前推进，当盾尾空隙形成时，通过同步注浆系统及盾尾的内置注浆管向盾尾空隙进行同步注浆，同步注浆的注浆压力为2.5-4bar，浆液凝结时间控制在3-4h，同步注浆量为理论值的180-200％。
步骤5.5、管片脱出盾尾3-5环后,采用注浆阀,通过管片上的注浆孔对管片壁后同步注浆空隙处实施二次注浆,二次注浆的注浆压力为3.5-5bar。
进一步地，在步骤3中，旋挖钻型号为SR250型，钻头直径为φ800mm。
进一步地，在步骤3.1中，钢护筒采用板厚4-6mm的钢板焊接而成，直径1m，长度为1.8-2.0m，且钢护筒上设有2个溢水口。
进一步地，在步骤2中，纵向探孔2采取咬合孔方式，用于防止钢管土钉5遗漏，避免影响盾构掘进，横向清障孔3的孔净间距为500mm，在确保遗留下来的留置钢管8能满足盾构机螺旋输送机排出的要求前提下，减少横向清障孔3的工作量。
进一步地，在步骤3.2中，泥浆的泥浆比重控制在1.1-1.3，胶体率不低于95％，含砂率不大于5％。
进一步地，在步骤3.2中，齿形高强合金钻头包括圆柱形钢体，圆柱形钢体底部均匀间隔设置有钻头胎体，钻头胎体分为第一钻头胎体和第二钻头胎体，第一钻头胎体和第二钻头胎体交错设置于圆柱形钢体底部，第一钻头胎体和第二钻头胎体均成齿形结构。
进一步地，在步骤4中，砂浆4中添加外加剂，砂浆4各组分配合比为水泥：砂：水：外加剂＝33：255：47：1。
更进一步地，在步骤4中，外加剂为早强剂，用于提高砂浆4早期强度。
进一步地，按重量份数计,早强剂由以下组分组成：氯化钙22份、硫酸铝钾6份、甲酸钙7份、硫酸钠8份、酒石酸氢钾3份、亚烷基三胺5份、硝酸钠12份、乙醇6份，能够具有优良的长期强度和耐久性。
进一步地，在步骤5.1中，土体改良泡沫剂中泡沫原液与水的体积比为3％∶97％。
进一步地，在步骤5.4中，浆液组分以重量份计算的配合比为：
水泥180份；
细砂630份；
粉煤灰400份；
膨润土75份；
水470份。
进一步地，在步骤5.5中，通过管片上四个注浆孔进行二次注浆施工。
需要说明的是，钢管土钉5切断采用大功率并配备齿形高强合金钻头的旋挖钻机，通过钻头的反复切削、旋转，依靠旋挖钻机的扭力将钢管土钉5切、扭断，由于钢管土钉5刚度大，没柔性，无法缠绕在旋挖钻机钻头上，旋挖钻机无法将切断的压底钢管7取出，因此，旋挖钻机切断的800mm长的压底钢管7直接压入隧道底轮廓线9以下至少500mm，横向清障孔3钻孔间隔500mm，留下的500mm长留置钢管8通过盾构掘进排出，剩余隧道两侧的边缘钢管6通过盾构的推力将其推挤入岩土中。
需要说明的是，孔距是相邻两个钻孔的中心间距，孔净间距是相邻两个钻孔孔边的最小距离。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于富水砂层盾构穿越钢管土钉区的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、清理施工场地内碎石杂物，平整施工场地，夯实硬化施工场地；
步骤2、沿隧道中心线设计纵向探孔的位置，纵向探孔钻孔直径φ800mm，孔距为750mm，咬合宽度为50mm，依次排序编号，根据纵向探孔探明的钢管土钉位置确定横向清障孔位置，横向清障孔钻孔直径φ800mm，孔距为1300mm，在纵向探孔编号的基础上添加子序号作为横向清障孔编号，依次排序编号；
步骤3、采用旋挖钻机钻孔，旋挖钻机钻头采用齿形高强合金钻头，钻孔时将钢管土钉切、扭断，并将切断的压底钢管压入隧道轮廓线500mm以下：
步骤4、钻孔完成后，采用砂浆回填钻孔，回填时，采用导管法进行水下灌注施工：
步骤5、盾构掘进通过钢管土钉区：
步骤5.1、盾构掘进前，在刀盘前方采用土体改良泡沫剂对土体改良,土体改良泡沫剂由泡沫剂原液与水混合制得；
步骤5.2、土体改良后进行盾构掘进，盾构掘进过程中，严格控制盾构掘进参数；
步骤5.3、管片拼装，当盾构机推进油缸伸出量达到1.4m时，关闭螺旋输送机闸门，盾构机继续向前推进2-3cm后停止推进，进行管片拼装工作，每环管片拼装完成后，进行下一环盾构掘进；
步骤5.4、盾构向前推进，当盾尾空隙形成时，通过同步注浆系统及盾尾的内置注浆管向盾尾空隙进行同步注浆，同步注浆的注浆压力为2.5-4bar，浆液凝结时间控制在3-4h；
步骤5.5、管片脱出盾尾3-5环后,采用注浆阀,通过管片上的注浆孔对管片壁后同步注浆空隙处实施二次注浆,二次注浆的注浆压力为3.5-5bar。
2.根据权利要求1所述的用于富水砂层盾构穿越钢管土钉区的施工方法，其特征在于，在步骤2中，纵向探孔采取咬合孔方式，横向清障孔的孔净间距为500mm。
3.根据权利要求1所述的用于富水砂层盾构穿越钢管土钉区的施工方法，其特征在于，在步骤3.2中，泥浆的泥浆比重控制在1.1-1.3，胶体率不低于95％，含砂率不大于5％。
4.根据权利要求1所述的用于富水砂层盾构穿越钢管土钉区的施工方法，其特征在于，在步骤3.2中，齿形高强合金钻头包括圆柱形钢体，圆柱形钢体底部均匀间隔设置有钻头胎体，钻头胎体分为第一钻头胎体和第二钻头胎体，第一钻头胎体和第二钻头胎体交错设置于圆柱形钢体底部，第一钻头胎体和第二钻头胎体均成齿形结构。
5.根据权利要求1所述的用于富水砂层盾构穿越钢管土钉区的施工方法，其特征在于，在步骤4中，砂浆中添加外加剂，外加剂为早强剂。
6.根据权利要求1所述的用于富水砂层盾构穿越钢管土钉区的施工方法，其特征在于，在步骤5.1中，土体改良泡沫剂中泡沫原液与水的体积比为3％∶97％。
7.根据权利要求1所述的用于富水砂层盾构穿越钢管土钉区的施工方法，其特征在于，在步骤5.5中，通过管片上四个注浆孔进行二次注浆施工。
8.根据权利要求1所述的用于富水砂层盾构穿越钢管土钉区的施工方法，其特征在于，步骤3包括以下步骤：
步骤3.1、埋设钢护筒，钢护筒埋深大于1.5m，且钢护筒顶端高出原地面30cm：
步骤3.11、开挖筒坑，筒坑直径比钢护筒大0.2-0.4m，筒坑深度比钢护筒高度小30cm；
步骤3.12、将钢护筒埋入筒坑，钢护筒中心与钻孔中心重合，偏差不大于20mm，检测钢护筒垂直度，偏差不大于1％，同时钢护筒顶部高出地面30cm；
步骤3.2、利用齿形高强合金钻头的旋挖钻机钻进，钻进同时注入泥浆护壁，保持泥浆面不低于钢护筒顶50cm；
步骤3.3、纵向探孔施工：
纵向探孔按照“隔三钻一”的跳孔钻孔法成孔，当钻孔遇到钢管土钉时，记录钢管土钉对应的钻孔编号和钢管土钉埋深，绘制钢管土钉位置示意图；
步骤3.4、横向清障孔施工：
根据钢管土钉位置示意图记录，按照“左右交替”的钻孔成孔法对纵向探孔探明的钢管土钉所对应的横向清障孔进行钻孔施工。
9.根据权利要求1所述的用于富水砂层盾构穿越钢管土钉区的施工方法，其特征在于，步骤4包括以下步骤：
步骤4.1、制作导管，导管壁厚不小于8mm，直径为273mm，直径偏差不超过2mm，采用无缝钢管制作，导管分节制作，每节长度为1.5-2m，两节之间采用法兰接头连接，导管长度不小于6m；
步骤4.2、钻孔回填前，储料斗内设有一次性将导管的底端埋入砂浆中1.5m以上深度的砂浆储存量；
步骤4.3、向钻孔内灌注砂浆，随着砂浆面的上升，提升和拆卸导管，并始终保持导管底端埋入砂浆面以下至少1.5m；
步骤4.4、当砂浆面距离钻孔口2m时，停止砂浆灌注，采用振动棒对钻孔内砂浆进行振捣密实；
步骤4.5、砂浆振捣密实后，继续灌注砂浆，直至将钻孔灌满。
10.根据权利要求5所述的用于富水砂层盾构穿越钢管土钉区的施工方法，其特征在于，按重量份数计,早强剂由以下组分组成：氯化钙22份、硫酸铝钾6份、甲酸钙7份、硫酸钠8份、酒石酸氢钾3份、亚烷基三胺5份、硝酸钠12份、乙醇6份。
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