CN110985017B - 膨胀土地层盾构下穿雨水箱涵的施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于隧道工程建设领域，公开了一种膨胀土地层盾构下穿雨水箱涵的施工方法。首先，对雨水箱涵周围地层进行勘察加固；其次，进行盾构始发：安装盾构机使其就位、启动盾构机加压贯入作业面并进行试掘进；然后，采用土压平衡模式进行隧道的掘进，下穿雨水箱涵。本发明通过对盾构的始发、盾构的掘进过程中施工参数进行严格控制，确保盾构掘进精度，避免盾构下穿雨水箱涵的过程中调整姿态的幅度过大，避免盾构产生的振动影响雨水箱涵的稳定性。通过对盾构刀盘进行改进，改善盾构过程中渣土的流动性，更有利于实现土压平衡。本施工方法对盾构下穿雨水箱涵等脆弱建筑具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于隧道工程建设领域，涉及膨胀土地层盾构下穿建（构）筑物的施工技术，特别是一种膨胀土地层盾构下穿雨水箱涵的施工方法。
背景技术
市政工程中，雨水箱涵用于雨水排放工作，对保障市政道路正常运转和城市居民生活不受影响有着重要的作用。地铁工程一般沿城市道路修建，盾构隧道下穿城市既有雨水箱涵成为地铁施工中不可避免的问题。盾构隧道开挖引起地层运动，地层的变化导致既有雨水箱涵产生沉降和变形，进而产生附加内力和变形，一旦附加内力和变形超过允许范围，将会使雨水箱涵结构发生开裂，从而影响正常使用。特别是在遇水膨胀失水收缩的膨胀地层中盾构下穿会对被下穿的雨水箱涵造成影响而无法使用。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种膨胀土地层盾构下穿雨水箱涵的施工方法，以至少解决目前盾构隧道引起雨水箱涵沉降、变形开裂的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种膨胀土地层盾构下穿雨水箱涵的施工方法，所述施工方法包括如下步骤：
步骤S1，雨水箱涵周围地层的加固，对雨水箱涵附近地质进行勘察，对地质塌陷形成的空洞或漏水情况进行填充处理；
步骤S2，盾构的始发，安装盾构机使盾构机就位、启动盾构机加压贯入作业面并进行试掘进；
步骤S3，盾构的掘进下穿，采用土压平衡模式进行隧道的掘进，下穿雨水箱涵，包括：盾构掘进下穿参数控制，盾构参数控制包括推进速度20~30mm/min，土仓上部压力1.3~2.0bar，推力12000~18000kN，刀盘扭矩2000~3000kN·m，刀盘转速1.2~1.4rpm，土仓螺旋机转速10~14rpm；同步注浆，在盾构过程中向盾构管片与周围地层之间注入同步注浆材料，同步注浆量4.8~5.4m3/环，注浆压力2~3.5bar；盾构姿态控制，在盾构的掘进过程中使纠偏坡度控制在±1‰之内，平面偏差小于15mm，一次纠偏量不超过5mm；
所述施工方法还包括在盾构前对盾构刀盘进行改造，改造后的所述盾构刀盘包括辐条、小面板和掘进刀，多个所述小面板和多个所述辐条沿改造后的所述盾构刀盘的周向交替间隔分布，改造后的所述盾构刀盘的整体开口率为42%~47%，所述掘进刀分布在所述辐条和所述小面板上，所述辐条为圆管状；
多个所述辐条和多个所述小面板在改造后的所述盾构刀盘的中心围合形成开口率为60%的大面积开口，所述大面积开口的圆心位于改造后的所述盾构刀盘的轴线上，所述大面积开口的直径为2800mm~3500mm，所述大面积开口内设置有中心鱼尾刀；所述辐条和所述小面板均设置有6个，所述掘进刀包括主刀、先行刀和外周保护刀；所述主刀、先行刀和外周保护刀均设置有多把，所述辐条上的多把所述主刀形成两列，所述先行刀位于所述辐条上的两列所述主刀之间，所述主刀的高度为110mm，所述先行刀的高度为150mm；所述外周保护刀设置在所述小面板上，防止盾构掘进过程中所述小面板上结泥饼。
在如上所述的膨胀土地层盾构下穿雨水箱涵的施工方法中，作为优选方案，改造后的所述盾构刀盘上设置有渣土改良注入口，用于向掘进面注入渣土改良材料；所述渣土改良注入口与注入泵连接，所述注入泵通过所述渣土改良注入口向掘进面注入渣土改良材料；所述渣土改良注入口设置有多个，对应地，所述注入泵也设置有多个，所述渣土改良注入口与所述注入泵一一对应设置；所述渣土改良注入口包括泡沫喷口、膨胀土喷口和膨润土喷口，所述泡沫喷口设置有多个，用于向掘进面喷泡沫，多个所述泡沫喷口均布在改造后的所述盾构刀盘上；所述膨胀土喷口用于向掘进面喷膨胀土；所述膨润土喷口设置在所述鱼尾刀中心处，用于向掘进面喷膨润土；所述渣土改良注入口处设置有喷口保护刀，防止掘进过程中堵塞破坏所述渣土改良注入口。
在如上所述的膨胀土地层盾构下穿雨水箱涵的施工方法中，作为优选方案，在盾构掘进过程中，通过改造后的盾构刀盘的泡沫喷口向掘进面喷入泡沫以改良掘进面的渣土，所述泡沫由质量百分比90~95%压缩空气和5~10%泡沫溶液混合而成，所述泡沫的注入量为20~35L/m3；当注入泡沫后掘进面渣土改良效果不好而在刀盘上产生泥饼时，通过膨胀土喷口向掘进面注入膨胀土，或者通过膨润土喷口向掘进面注入膨润土。
在如上所述的膨胀土地层盾构下穿雨水箱涵的施工方法中，作为优选方案，所述步骤S3还包括地面监测，雨水箱涵中心沿盾构线路的横断面两侧30m范围内为监测区域，在监测区域地面沿盾构线路方向每隔2m布置一个监测点，用于监测地面沉降。
在如上所述的膨胀土地层盾构下穿雨水箱涵的施工方法中，作为优选方案，当地面监测显示局部发生沉降后在沉降位置的地面打设注浆孔至地面与盾构之间的地层，并进行注浆加固；在进行地面注浆时，盾构机要缓慢运动，同时还要通过盾构机超前注浆孔及盾体上的注浆孔向盾体外侧注入膨胀土，使盾构机周围被膨胀土包围，形成蛋糕状，确保盾构机能正常掘进。
在如上所述的膨胀土地层盾构下穿雨水箱涵的施工方法中，作为优选方案，所述同步注浆中的所述同步注浆材料为水泥砂浆，所述水泥砂浆的成分包括水泥110kg，粉煤灰380kg，膨润土110kg，砂831kg，水462kg。
在如上所述的膨胀土地层盾构下穿雨水箱涵的施工方法中，作为优选方案，在盾构过程中需要密切关注已铺设管片上部土体的稳定情况，当管片上部土体发生沉降或管片间有较大渗漏时，在管片内部通过管片中心的吊装孔向管片与土体之间进行二次注浆，二次注浆压力为0.4~0.6Mpa。
在如上所述的膨胀土地层盾构下穿雨水箱涵的施工方法中，作为优选方案，所述二次注浆采用双液注浆机，二次注浆材料由A液和B液混合而成，A液和B液的体积比为1：（0.5~1）；按照质量百分比计，A液包括稳定剂1%~3%，减水剂0~0.7%，余量为35°Bé的水玻璃；按照质量百分比计，B液包括稳定剂1%~3%，减水剂0~0.7%，余量为水灰比1:1的水泥浆。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
本发明提供的膨胀土地层盾构下穿雨水箱涵的施工方法，通过对盾构的始发、盾构的掘进过程中施工参数进行严格控制，确保盾构掘进精度，避免盾构下穿雨水箱涵的过程中调整姿态的幅度过大，避免盾构产生的振动影响雨水箱涵的稳定性。通过对盾构刀盘进行改进，改善盾构过程中渣土的流动性，更有利于实现土压平衡。本施工方法对盾构下穿雨水箱涵等脆弱建筑具有重要意义。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
图1是本发明实施例1中盾构区间与雨水箱涵立面关系示意图；
图2是本发明实施例1中始发托架横断面示意图；
图3是本发明实施例1中反力架安装示意图；
图4是本发明实施例1中始发负环固定示意图；
图5是本发明实施例1中盾构设备刀盘布置图；
图6是本发明实施例1中二次注浆效果示意图。
图中：1、①2粉质黏土填土层；2、⑥2黏土层；3、⑦2粉质黏土层；4、⑨12强风化砂质泥岩层；5、⑨13中风化砂质泥岩层；6、盾构区间；7、雨水箱涵；8、始发托架；9、反力架；10、反力支撑；11、盾构机；12、负环；13、支撑槽钢；14、L型槽钢；15、中心鱼尾刀；16、主刀；17、先行刀；18、外周保护刀；19、喷口保护刀；20、复合耐磨钢板；21、耐磨合金条；22、辐条；23、小面板；24、管片；25、单向逆止阀；26、二次注浆材料；27、连接架。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
根据本发明的具体实施例，本实施例提供一种膨胀土地层盾构下穿雨水箱涵的施工方法，该施工方法包括如下步骤：
步骤S1，雨水箱涵周围地层的加固，对雨水箱涵附近地质进行勘察，对地质塌陷形成的空洞或漏水情况进行填充处理；
步骤S2，盾构的始发，安装盾构机使盾构机就位、启动盾构机加压贯入作业面并进行试掘进；该步骤具体包括：装盾构机始发基座、盾构机就位、组装、安装反力架、安装洞门密封帘布橡胶板、拼装负环管片、盾构机试运转、洞门处理、盾构机加压贯入作业面和试掘进。
始发掘进阶段，利用井下控制点对盾构姿态进行人工复测，及时将人工复测的数据与导向系统记录的数据进行比较，当差值较大时，用全站仪对盾构机导向系统进行检查，修改导向系统中的设置参数，以确保掘进过程中的盾构姿态的正确。盾构姿态人工复测毎10环复测一次，在掘进到100m时，进行一次包括联系测量在内的地下导线复测。根据始发井现场实际情况，始发掘进阶段地面监测的主要对象为线路下穿的路面和线路附件建筑物。地面监测点布置在路面上，在隧道中心沿线路横断面左右30m范围内为监测区域，沿线路方向每隔5m布置一个监测点；线路附件建筑物监测点位选取始发井开挖时使用的检测点中部分点。监测初始值在盾构机始发前一个星期观测。盾构机正式掘进时，每天监测两次，上下午各一次。及时得到地面沉降与盾构机掘进参数间的关系，为后续的下穿雨水箱涵施工提供指导。
步骤S3，盾构的掘进下穿，采用土压平衡模式进行隧道的掘进，下穿雨水箱涵，包括盾构的掘进：盾构掘进、管片拼装、材料运输、掘进注浆、注浆处理、管线的延长。
盾构掘进下穿参数控制，盾构参数控制包括推进速度20~30mm/min，土仓上部压力1.3~2.0bar，推力12000~18000kN，刀盘扭矩2000~3000kN·m，刀盘转速1.2~1.4rpm，土仓螺旋机转速10~14rpm；
同步注浆，在盾构过程中向盾构管片与周围地层之间注入同步注浆材料，同步注浆量4.8~5.4m3/环，注浆压力2~3.5bar；
盾构姿态控制，在盾构的掘进过程中使纠偏坡度控制在±1‰之内，平面偏差小于15mm，一次纠偏量不超过5mm。
进一步地，施工方法还包括在盾构前对盾构刀盘进行改造，改造后的盾构刀盘包括辐条、小面板和掘进刀，多个小面板和多个辐条沿改造后的盾构刀盘的周向交替间隔分布，改造后的盾构刀盘的整体开口率为42%~47%，掘进刀分布在辐条和小面板上，辐条为圆管状。
进一步地，多个辐条和多个小面板在改造后的盾构刀盘的中心围合形成开口率为60%的大面积开口，6个小面板23在改造后的盾构刀盘的中心围合形成开口率为60%的大面积开口，大面积开口的圆心位于改造后的盾构刀盘的轴线上，大面积开口的直径为2800mm~3500mm，优选为3200mm。大面积开口内设置有中心鱼尾刀；辐条和小面板均设置有6个，掘进刀包括主刀、先行刀和外周保护刀；主刀、先行刀和外周保护刀均设置有多把，主刀均匀设置在辐条的两侧，先行刀分布在辐条上，且先行刀位于辐条两侧的两列主刀之间，主刀的高度为110mm，先行刀的高度为150mm；外周保护刀设置在小面板上，防止盾构掘进过程中小面板上结泥饼。在本实施例中，改造后的盾构刀盘还包括连接架27，连接架27为六边形，连接架27与辐条连接，小面板23靠近改造后的盾构刀盘轴线处的端部搭接在连接架27上。
进一步地，改造后的盾构刀盘上设置有渣土改良注入口，用于向掘进面注入渣土改良材料；优选地，渣土改良注入口与注入泵连接，注入泵通过渣土改良注入口向掘进面注入渣土改良材料；渣土改良注入口设置有多个，对应地，注入泵也设置有多个，渣土改良注入口与注入泵一一对应设置；渣土改良注入口包括泡沫喷口、膨胀土喷口和膨润土喷口，泡沫喷口设置有多个，用于向掘进面喷泡沫，多个泡沫喷口均布在刀盘上；膨胀土喷口用于向掘进面喷膨胀土；膨润土喷口设置在鱼尾刀中心处，用于向掘进面喷膨润土；优选地，在渣土改良注入口处设置有喷口保护刀，防止掘进过程中堵塞破坏渣土改良注入口。在本实施例中，所有的小面板23在一起统称为刀盘面板。进一步地，在盾构掘进过程中，通过改造后的盾构刀盘的泡沫喷口向掘进面喷入泡沫以改良掘进面的渣土，泡沫由质量百分比90~95%压缩空气和5~10%泡沫溶液混合而成，泡沫的注入量为20~35L/m3；当注入泡沫后掘进面渣土改良效果不好而在刀盘上产生泥饼时，通过膨胀土喷口向掘进面注入膨胀土，或者通过膨润土喷口向掘进面注入膨润土。
进一步地，步骤S3还包括地面监测，在雨水箱涵中心沿盾构线路横断面两侧30m范围内为监测区域，在监测区域地面沿盾构线路方向每隔2m布置一个监测点，用于监测地面沉降。
进一步地，当地面监测显示局部发生沉降后在沉降位置地面打设注浆孔至地面与盾构之间的地层并进行注浆加固；在进行地面注浆时，注浆时盾构机要缓慢运动，同时还要通过盾构机超前注浆孔及盾体上的注浆孔向盾体外侧注入膨胀土，使盾构机周围被膨胀土包围，形成蛋糕状，确保盾构机能正常掘进。
进一步地，同步注浆过程中，同步注浆材料为水泥砂浆，水泥砂浆的成分为水泥110kg，粉煤灰380kg，膨润土110kg，砂831kg，水462kg。
进一步地，在盾构过程中需要密切关注已铺设管片上部土体稳定情况，当管片上部土体发生沉降或管片间有较大渗漏时，在管片内部通过管片中心的吊装孔向管片与土体之间进行二次注浆，二次注浆压力0.4~0.6Mpa。
进一步地，二次注浆采用双液注浆机，二次注浆采用双液注浆机，二次注浆材料由A液和B液混合而成，A液和B液的体积比为1：（0.5~1）；按照质量百分比计，A液包括稳定剂1%~3%，减水剂0~0.7%，余量为35°Bé的水玻璃；按照质量百分比计，B液包括稳定剂1%~3%，减水剂0~0.7%，余量为水灰比1:1的水泥浆。
实施例1
如图1至图6所示，本实施例为某轨道交通线路区间采用盾构法施工，区间线路由西向东敷设，区间隧道为两条单洞单线圆形隧道，线路间距约为14~16m，最小曲线半径为900m。隧道掘进采用2台Φ6240中交天和铰接式土压平衡盾构机11。雨水箱涵7全长848.5m，宽约为16.8m，为筏板基础，基础埋深约为10m，雨水箱涵7排水为从南到北，北侧排入污水渠，雨水箱涵7排水量正常。雨水箱涵7所处地层从上至下主要为⑥2黏土层2和⑦2粉质黏土层3，在⑥2黏土层2中混合有少量⑥3粉质黏土和⑦1黏土。其中雨水箱涵7上部2-3m处于⑥3粉质黏土层，雨水箱涵7下部2-3m处于⑦2粉质黏土层3，盾构下穿地层主要为⑨12强风化砂质泥岩层4以及⑨13中风化砂质泥岩层5。雨水箱涵7底部距离地表约13.5m，隧道顶部距离地表约18.19m。雨水箱涵7上方的地层为①2粉质黏土填土层1，该土层位于⑥2黏土层2上方。盾构区间6与雨水箱涵7立面关系具体如图1所示。具体施工方法如下：
步骤S1，雨水箱涵7周围地层的加固，对雨水箱涵7附近地质进行勘察，对地质塌陷形成的空洞或漏水情况进行填充处理；具体为搜集研究雨水箱涵7的图纸及相关施工资料，了解具体结构，建设年代等信息，现场调查雨水箱涵7周围环境及使用状况。下穿之前，要调查是否有长期漏水造成雨水箱涵7周围土体松软或水土流失形成空洞，盾构下穿时，扰动地层，容易造成雨水箱涵7周围土体塌陷，从而导致雨水箱涵7破环或者路面塌陷，同时区间隧道周围有水也容易造成盾构前方掌子面端陷，如果存在上述情况，在盾构通过前，提前从地面注浆进行加固。
步骤S2，盾构的始发，安装盾构机11使盾构机11就位、启动盾构机11加压贯入作业面并进行试掘进；该步骤具体包括：装盾构机11始发基座、盾构机11就位、组装、安装反力架9、安装洞门密封帘布橡胶板、拼装负环管片、盾构机11试运转、洞门处理、盾构机11加压贯入作业面和试掘进。
盾构始发是控制盾构掘进施工的首要环节，盾构机11主机重量较大，始发托架8必须具有足够的强度、刚度和稳定性。始发托架8定位、加固采用工字钢，垫块采用15cm×150cm×1cm钢板，高程微调时采用5mm钢板及3mm钢板，始发托架8通过千斤顶进行位置调整，始发托架8的中心线与隧道中心线重合后，即完成了始发托架8的平面定位，始发托架8一侧用工字钢顶在侧墙上加固，另一侧工字钢顶在上翻梁上加固，共加固六道。完成平面定位后，再通过千斤顶进行高程方向的定位，采用测定洞门实际中心线在底板面的投影线定位出托架的中心线，根据洞门中心高程，计算出始发托架8设计高程，按照盾构机11始发坡度，尾部设计轴线一致，刀盘位置降低1cm，待升到特定高程时将始发托架8的四角用钢板垫实，松开千斤顶后，将每个横架下用双拼工字钢小盒垫实，过程中使用水准仪跟踪测量。下垫位置为始发托架8受力点位置，具体为一个横梁5个断面处，始发托架8的轴线位置和标高误差控制在5mm以内。始发托架8横断面如图2所示。
反力架9高7.6m，宽6.3m，厚1.0m。反力架9安装前先清理车站底板，找出预埋钢板，组装时反力架9与车站底板预埋钢板焊接牢固，顶部及底部横梁采用型钢支撑与结构中板水平支撑牢固，两侧立杆采用长7474mm，3444mm，Φ608mm，厚14mm的钢管（或者采用双拼56a工字钢）与车站底板预埋钢板焊接。反力架9安装左右偏差控制在±10mm之内，高程偏差控制在±5mm之内，上下偏差控制在±10mm之内。反力支撑10要及时安装，利用龙门吊将反力支撑10起吊并与反力架9以及预埋钢板连接牢固。在盾构主机与后配套连接之前进行反力架9的安装；反力架9端面应与始发台水平轴垂直，以便盾构轴线与隧道设计轴线保持平行；反力架9与盾构始发井连接部位的间隙要垫实，保证反力架9脚板安全稳定。反力架9安装如图3所示。
反力架9安装之后将盾尼钢丝刷内填充盾尾密封油脂，盾尾密封油脂能起止水、防止同步注浆液回流的作用，另外盾尾密封油脂也有减小钢丝刷的摩损作用，所以在拼装第一环管片24时一定要填满盾尾密封油脂，并且在管片24组装前，要分开钢丝刷，在钢丝刷中部的不锈钢网及钢丝刷上要充分填满。
（1）手抹盾尾密封油脂分6层涂抹，必须确保手抹盾尾密封油脂在盾尾刷内尽量均匀分布。
（2）开始施工前，加工好长条形钢片，准备好手套，便于施工。
（3）用钢片拨开钢丝，用手将盾尾密封油脂揉成团，然后塞入拨开的钢丝之间，并尽量塞到根部。
（4）涂抹顺序原则上从下向上，以免部涂完后盾尾密封油脂掉落至下部作业人员身上。
（5）已涂完部分要注意保护，上部涂抹之前，应用帆布将临近设备覆盖，以免油脂污染设备。
（6）手抹油脂与盾构机11调试穿插进行，不得妨碍盾构机11调试。
在盾构机11调试后开始拼装负环12并缓慢开始始发掘进，负环12由多个负环管片拼装而成，负环管片为钢筋砼管片24，负环管片作用是为了提供盾构始发推进作用力，管片24环厚300mm，内径为5500mm，外径为6100mm，负环12均以设计轴线进行错缝拼装。负环管片最接近反力架9的为-7环，由-7环沿盾构方向依次为-6环、-5环、-4环、-3环、-2环、-1环、0环，首先安装-7环，为便于安装，-7环的K块选择在12点位置（即-7环的K块安装在该环最上部的位置）。为满足安装要求，在拼装-7环前，在管片24拼装区下部140度范围内安放6根长1.5m、宽70mm的支撑槽钢13。拼装过程中，在管片24拼装区上部140度范围，当管片24拼装机每安装固定一块管片24时，用加工好的L型槽钢14焊接在盾体内部，以保护所拼装的管片24，避免出现侧翻，确保安全，在-7环成环之后将其拆除。在盾构机11内拼装好整环后利用主推油缸将管片24缓慢推出，油缸推出过程中，要注意各组油缸的行程差。当-7环管片24推出900mm后开始拼装-6环管片24（不可将前一环管片24全部推出槽钢段再拼装另一环，避免管片24下沉错台）。当-7环将要出盾尾，使-7环能顺利与反力架9钢环对位，当-7环推至距反力钢环100mm左右时，进行-7环管片24的加固。油缸分组推进，利用油缸行程差调整-7环管片24姿态，当-7环与反力架9钢环有一点接触后，立即停止推进，并将-7环管片24与反力架9间的空隙用钢板垫实并焊接牢固。完成后，继续启动推进油缸，将负环管片与反力架9压紧。在推出的过程中要及时将负环管片支撑，具体包括对底部以及侧面进行支撑。同时，每环负环12推出盾尾400mm时，必须用钢丝绳和手拉葫芦箍紧，避免负环管片失圆过大引起管片24拼装困难。始发负环12固定如图4所示。
始发掘进阶段，利用井下控制点对盾构姿态进行人工复测，及时将人工复测的数据与导向系统记录的数据进行比较，当差值较大时，用全站仪对盾构机11导向系统进行检查，修改导向系统中的设置参数，以确保掘进过程中的盾构姿态的正确。盾构姿态人工复测每10环复测一次，在掘进到100m时，进行一次包括联系测量在内的地下导线复测。根据始发井现场实际情况，始发掘进阶段地面监测的主要对象为线路下穿的路面和线路附件建筑物。地面监测点布置在路面上，在隧道中心沿线路横断面左右30m范围内为监测区域，沿线路方向每隔5m布置一个监测点；线路附件建筑物监测点位选取始发井开挖时使用的检测点中部分点。监测初始值在盾构机11始发前一个星期观测。盾构机11正式掘进时，每天监测两次，上下午各一次。及时得到地面沉降与盾构机11掘进参数间的关系，为后续的下穿雨水箱涵7施工提供指导。
步骤S3，盾构的掘进下穿，采用土压平衡模式进行隧道的掘进，下穿雨水箱涵7，包括：
首先，现有技术的盾构刀盘渣土收集不及时导致土仓压力不平衡引起地表沉降或隆起，容易对雨水箱涵7产生影响，本实施例中为了克服上述问题，对原有盾构刀盘进行改进形成改造后的盾构刀盘，该改造后的盾构刀盘具体配置如图5所示，具体为：一把中心鱼尾刀15、84把主刀16（切刀，高度110mm）、42把先行刀17（贝壳刀，高度150mm）、12把外周保护刀18、6把喷口保护刀19。为了确保改造后的盾构刀盘的正常使用，需要在刀盘面板焊接复合耐磨钢板20，沿改造后的盾构刀盘的掘进方向，复合耐磨钢板20的表面高于小面板23的表面。具体为选取合适的复合耐磨钢板20并将其一端焊接在小面板23上，使整个复合耐磨钢板20悬空在小面板23与辐条22之间的空隙内，由于复合耐磨钢板20的表面高于小面板23的表面，可以大大增加小面板23的耐磨强度。主刀16的长度为200mm、宽度为150mm，大合金的设计可以及时收集渣土，避免了在主刀16侧边形成泥饼，位于改造后的盾构刀盘周向的主刀16侧面设置有复合耐磨合金条21，具体位于改造后的盾构刀盘周向的主刀16侧面堆焊耐磨合金条21，以有效防止改造后的盾构刀盘轮廓边缘处形成泥饼。刀盘结构采用6个辐条22和6个小面板23的结构，辐条22采用锻圆厚壁钢管型式，规格Φ400×80mm，即辐条22外径400mm，厚度80mm，相比较普通钢管，材料的力学性能稳定可靠，可以保证刀盘具有足够的强度与刚度，有利于土砂流动，不易结泥饼，使渣土能够快速地进入土仓。刀盘开挖直径为Φ6200mm，整体开口率约45%，开口在整个盘面均匀分布，中心部位设有大面积开口（中心部位是指小面板23靠近改造后的盾构刀盘中心的端部围合形成的区域），开口率达到60%，利于土压传递及保持土压平衡，避免在粘土和粉质粘土中掘进产生泥饼。
渣土改良在刀盘正面设5个泡沫喷口，2个膨胀土喷口，其中鱼尾刀中心1个膨润土喷口，总共8个渣土改良注入口，均为单管单泵(即每个渣土改良注入口单独对应一个注入泵)，保证各渣土改良注入口的流畅。
为了保证箱体的稳定以及上方路面的稳定，盾构掘进下穿雨水箱涵7过程中对盾构参数进行控制，主要包括推进速度20~30mm/min，土仓上部压力1.3~2.0bar，推力12000~18000kN，刀盘扭矩2000~3000kN·m，刀盘转速1.2~1.4rpm，土仓螺旋机转速10~14rpm。
同步注浆，在盾构过程中向盾构管片24与周围地层之间注入同步注浆材料，同步注浆量4.8~5.4m3/环，注浆压力2~3.5bar；同步注浆材料为水泥砂浆，水泥砂浆的成分包括水泥110kg，粉煤灰380kg，膨润土110kg，砂831kg，水462kg。采用上述配方的同步注浆材料的浆液具有结石率高，结石体强度高、耐久性能好和防止地下水浸析的特点。在本发明的其他实施例中，上述同步注浆材料使用过程中可以另外加入适量的外加剂以改善其性能。
盾构在粉质粘土层、砂质泥岩掘进中，主要是要稳定开挖面，防止刀盘产生泥饼，并降低刀盘扭矩。拟采取分别向刀盘面和土舱内注入泡沫的方法进行渣土改良，必要时可向螺旋输送机内注入泡沫。同时，采用增大刀盘开口率等方法来防止泥饼形成。泡沫通过盾构机11上的泡沫系统注入，泡沫由质量百分比90~95%压缩空气和5~10%泡沫溶液混合而成，泡沫的注入量为20~35L/m3；当注入泡沫后掘进面渣土改良效果不好而在刀盘上产生泥饼时，通过膨胀土喷口向掘进面注入膨胀土，或者通过膨润土喷口向掘进面注入膨润土。膨胀土的自由膨胀率一般为40%至120%，而膨润土可达200%以上，泡沫、膨胀土和膨润土的作用都是改良渣土性能，其效果依次增强，一般情况下采用泡沫进行渣土改良，因其成本较低，当泡沫改良效果不好时可以喷入膨胀土或膨润土进行改良，也可以同时喷入上述渣土改良剂中至少两种进行渣土改良。
在盾构下穿雨水箱涵7的过程中，在雨水箱涵7中心沿盾构线路横断面两侧30m范围内为监测区域，在监测区域地面沿盾构线路方向每隔2m布置一个监测点，用于监测地面沉降。当地面监测显示局部发生沉降后在沉降位置地面打设注浆孔至地面与盾构之间的地层并进行注浆加固；在进行地面注浆时，注浆时盾构机11要缓慢运动，同时还要通过盾构机11超前注浆孔及盾体上的注浆孔向盾体外侧注入膨胀土，使盾构机11周围被膨胀土包围，形成蛋糕状，确保盾构机11能正常掘进。
整个盾构掘进过程中对盾构姿态进行控制，使纠偏坡度控制在±1‰之内，平面偏差小于15mm，一次纠偏量不超过5mm。
在盾构过程中需要密切关注已铺设管片24上部土体稳定情况，当管片24上部土体发生沉降或管片24间有较大渗漏时，在管片24内部通过管片24中心的吊装孔向管片24与土体之间进行二次注浆，二次注浆压力0.4~0.6Mpa。二次注浆具体操作如图6所示，采取“多点、均匀、少量、多次”的注浆原则进行注浆。二次注浆采用双液注浆机，注浆前需凿除管片24外侧的混凝土并在起吊孔内装入单向逆止阀25，单项止逆阀的入口处与注浆机连接，以便进行注浆。
进一步地，二次注浆采用双液注浆机，二次注浆材料26由A液和B液混合而成，A液和B液的体积比为1：（0.5~1）；按照质量百分比计，A液包括稳定剂1%~3%，减水剂0~0.7%，余量为35°Bé的水玻璃（即水玻璃的相对密度用波美比重计测得的度数为35）；减水剂可以使用德国巴斯夫减水剂F10。按照质量百分比计，B液包括稳定剂1%~3%，减水剂0~0.7%，余量为水灰比（即水和灰的质量比）1:1的水泥浆，稳定剂可以使用聚乙烯蜡。在使用的时候双液注浆机的两个管子分别插入A液和B液中。该双浆液的优点是凝结速度快，便于迅速硬化提供支撑力。
盾构下穿雨水箱涵7范围布置监测点，实施监控监测点的变化，根据监测的点的变化进行二次补浆和多次补浆。二次补浆和多次补浆所用浆液为上述双浆液。盾构推进后根据变形监测结果，如果变形超过监测图中的报警值，利用管片24二次注浆孔进行管片24外径向注浆。
盾构的到达：工作井端头加固、洞门凿除、接收架安装、洞门密封装置安装、盾构掘进至到达段姿态调整及掘进参数控制、管片24壁后二次注浆、洞门凿除、盾构机11推出洞门。
当盾构机11到达接受井端头加固区域时，首先利用同步注浆、管片24壁后二次注浆等措施，切断流向盾构刀盘面的水源。当盾构机11掘进到刀盘抵拢工作井洞门临时封堵墙时即停止掘进，将土仓清空，检查地下水情况，在确保无地下水流的情况下开始进行洞门凿除，在凿除洞门前完成洞门密封安装和接受台就位工作。完成洞门凿除后，快速清理渣土，将盾构机11顶出洞门；盾构机11顶出洞门时利用洞门帘布橡胶、扇形压板等密封装置快速将盾壳包裹形成密封，同时通过同步注浆、二次注浆和洞门处注浆封闭可能沿开挖面和盾壳间隙出现的涌水；盾构按照掘进循环继续向前推进至接受台上；在盾壳脱离洞门密封前应打穿洞门位置管片24的二次注浆孔检查是否有地下水涌出，在确认无地下水由端头向洞门涌出时方可将盾尾脱离洞门密封，盾构机11主机完全推进到接受台上后，开始盾构机11拆机工作。
在盾构到达掘进期间，盾构姿态和管片24姿态必须保证每环一测，并及时将人工测量的结果反馈，地面监测要3小时一次，监测数据要及时传达。严格控制注浆及吊装时地面的沉降和监测围护结构的稳定性，地表要埋设观测点，要严格观测地表变化情况，防止地表变形影响路面及基础管线、建筑物等。
综上所述，本发明提供的膨胀土地层盾构下穿雨水箱涵的施工方法，通过对盾构的始发、盾构的掘进过程中施工参数进行严格控制，确保盾构掘进精度，避免盾构下穿雨水箱涵的过程中调整姿态的幅度过大，避免盾构产生的振动影响雨水箱涵的稳定性。通过对盾构刀盘进行改进，改善盾构过程中渣土的流动性，更有利于实现土压平衡。本施工方法对盾构下穿雨水箱涵等脆弱建筑具有重要意义。
以上所述仅为本发明的优选实施例，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种膨胀土地层盾构下穿雨水箱涵的施工方法，其特征在于，所述施工方法包括如下步骤：
步骤S1，雨水箱涵周围地层的加固，对雨水箱涵附近地质进行勘察，对地质塌陷形成的空洞或漏水情况进行填充处理；
步骤S2，盾构的始发，安装盾构机使盾构机就位、启动盾构机加压贯入作业面并进行试掘进；
步骤S3，盾构的掘进下穿，采用土压平衡模式进行隧道的掘进，下穿雨水箱涵，包括：
盾构掘进下穿参数控制，盾构参数控制包括推进速度20~30mm/min，土仓上部压力1.3~2.0bar，推力12000~18000kN，刀盘扭矩2000~3000kN·m，刀盘转速1.2~1.4rpm，土仓螺旋机转速10~14rpm；
同步注浆，在盾构过程中向盾构管片与周围地层之间注入同步注浆材料，同步注浆量4.8~5.4m3/环，注浆压力2~3.5bar；
盾构姿态控制，在盾构的掘进过程中使纠偏坡度控制在±1‰之内，平面偏差小于15mm，一次纠偏量不超过5mm；
所述施工方法还包括在盾构前对盾构刀盘进行改造，改造后的所述盾构刀盘包括辐条、小面板和掘进刀，多个所述小面板和多个所述辐条沿改造后的所述盾构刀盘的周向交替间隔分布，改造后的所述盾构刀盘的整体开口率为42%~47%，所述掘进刀分布在所述辐条和所述小面板上，所述辐条为圆管状；
多个所述辐条和多个所述小面板在改造后的所述盾构刀盘的中心围合形成开口率为60%的大面积开口，所述大面积开口的圆心位于改造后的所述盾构刀盘的轴线上，所述大面积开口的直径为2800mm~3500mm，所述大面积开口内设置有中心鱼尾刀；所述辐条和所述小面板均设置有6个，所述掘进刀包括主刀、先行刀和外周保护刀；所述主刀、先行刀和外周保护刀均设置有多把，所述辐条上的多把所述主刀形成两列，所述先行刀位于所述辐条上的两列所述主刀之间，所述主刀的高度为110mm，所述先行刀的高度为150mm；所述外周保护刀设置在所述小面板上，防止盾构掘进过程中所述小面板上结泥饼。
2.根据权利要求1所述的膨胀土地层盾构下穿雨水箱涵的施工方法，其特征在于，改造后的所述盾构刀盘上设置有渣土改良注入口，用于向掘进面注入渣土改良材料；
所述渣土改良注入口与注入泵连接，所述注入泵通过所述渣土改良注入口向掘进面注入渣土改良材料；所述渣土改良注入口设置有多个，对应地，所述注入泵也设置有多个，所述渣土改良注入口与所述注入泵一一对应设置；所述渣土改良注入口包括泡沫喷口、膨胀土喷口和膨润土喷口，所述泡沫喷口设置有多个，用于向掘进面喷泡沫，多个所述泡沫喷口均布在改造后的所述盾构刀盘上；所述膨胀土喷口用于向掘进面喷膨胀土；所述膨润土喷口设置在所述鱼尾刀中心处，用于向掘进面喷膨润土；
所述渣土改良注入口处设置有喷口保护刀，防止掘进过程中堵塞破坏所述渣土改良注入口。
3.根据权利要求2所述的膨胀土地层盾构下穿雨水箱涵的施工方法，其特征在于，在盾构掘进过程中，通过改造后的盾构刀盘的泡沫喷口向掘进面喷入泡沫以改良掘进面的渣土，所述泡沫由质量百分比90~95%压缩空气和5~10%泡沫溶液混合而成，所述泡沫的注入量为20~35L/m3；当注入泡沫后掘进面渣土改良效果不好而在刀盘上产生泥饼时，通过膨胀土喷口向掘进面注入膨胀土，或者通过膨润土喷口向掘进面注入膨润土。
4.根据权利要求1所述的膨胀土地层盾构下穿雨水箱涵的施工方法，其特征在于，所述步骤S3还包括地面监测，雨水箱涵中心沿盾构线路的横断面两侧30m范围内为监测区域，在监测区域地面沿盾构线路方向每隔2m布置一个监测点，用于监测地面沉降。
5.根据权利要求4所述的膨胀土地层盾构下穿雨水箱涵的施工方法，其特征在于，当地面监测显示局部发生沉降后在沉降位置的地面打设注浆孔至地面与盾构之间的地层，并进行注浆加固；
在进行地面注浆时，盾构机要缓慢运动，同时还要通过盾构机超前注浆孔及盾体上的注浆孔向盾体外侧注入膨胀土，使盾构机周围被膨胀土包围，形成蛋糕状，确保盾构机能正常掘进。
6.根据权利要求1所述的膨胀土地层盾构下穿雨水箱涵的施工方法，其特征在于，所述同步注浆中的所述同步注浆材料为水泥砂浆，所述水泥砂浆的成分包括水泥110kg，粉煤灰380kg，膨润土110kg，砂831kg，水462kg。
7.根据权利要求1所述的膨胀土地层盾构下穿雨水箱涵的施工方法，其特征在于，在盾构过程中需要密切关注已铺设管片上部土体的稳定情况，当管片上部土体发生沉降或管片间有较大渗漏时，在管片内部通过管片中心的吊装孔向管片与土体之间进行二次注浆，二次注浆压力为0.4~0.6Mpa。
8.根据权利要求7所述的膨胀土地层盾构下穿雨水箱涵的施工方法，其特征在于，所述二次注浆采用双液注浆机，二次注浆材料由A液和B液混合而成，A液和B液的体积比为1：（0.5~1）；按照质量百分比计，A液包括稳定剂1%~3%，减水剂0~0.7%，余量为35°Bé的水玻璃；按照质量百分比计，B液包括稳定剂1%~3%，减水剂0~0.7%，余量为水灰比1:1的水泥浆。
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2019
- 2019-12-19 CN CN201911319952.9A patent/CN110985017B/zh active Active
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