CN111075457A - 一种复杂地质条件下盾构机尾盾变形的洞内修复方法 - Google Patents
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Abstract
一种复杂地质条件下盾构机尾盾变形的洞内修复方法，包括步骤一：工作区止水；步骤二：盾尾开孔，地质条件检测；步骤三：盾尾搭设反力支架；步骤四：盾尾开设天窗并安装闸板，开凿土体，为盾构机复位提供空间；步骤五：矫正尾盾变形，利用千斤顶提供盾构机壳体复位动力；步骤六：切割制作矩形板封堵天窗，避免盾构机壳体修复后其后续盾构掘进施工中，天窗位置结构强度缺陷导致的土体塌方等危险情况发生。该方法可在不便于开设地面竖井且地质条件复杂的情况下，在洞内修复盾构机机体形变，且操作简便，维修速度快，施工成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及盾构施工技术领域，涉及一种盾构机变形修复方法，尤其是一种复杂地质条件下盾构机尾盾变形的洞内修复方法。
背景技术
本发明研究背景为我公司负责的南宁市轨道交通5号线01标土建3工区江南公园站～周家坡站区间段的施工实践，该江南公园站～周家坡站区间左线起止里程ZDK15+950.331～ZDK16+744.354，长793.559m，短链0.464m；右线起止里程YDK5+950.331～YDK16+744.354，右线长794.023m,线路由江南公园站端头引出后进入半径为R＝700m和半径R＝450m的连续曲线段，然后沿壮锦大道向北敷设，经过半径为R＝800m曲线段后接入周家坡站，线间距13-16m,隧道的最大埋深约20m。其中区间右线YDK16+415.333(左线ZDK16+416.781)设联络通道一处，兼做废水泵房各区间隧道线路设计,采用矿山法施工。
江南公园站～周家坡站区间主要穿越地层为：古近系半成岩地层，岩性为泥岩(粉砂质泥岩)、粉砂岩(泥质粉砂岩)，透镜状炭质泥岩(泥煤)，各层相间分布。隧道局部拱顶有不稳定夹层粉砂岩(泥质粉砂岩)。
区间由江南公园站车站大里程端引出后，线路沿壮锦大道向北行进，区间隧道由西侧绕避壮锦大道铁路跨线桥桥桩，并下穿既有湘桂铁路线，然后线路继续沿壮锦大道向北敷设，随后下穿云桂铁路线箱涵，最后接入周家坡站。沿线控制性因素主要有壮锦大道跨线桥、湘桂铁路线、云桂铁路线箱涵，施工环境复杂。
在施工过程中盾构机在掘进第238环-242环期间，盾构机的盾尾间隙上下和值越来越小，盾尾间隙上下和值不足80mm左右(设计上下间隙和值为130mm)检查发现盾尾凹陷变形，经测量盾尾圆度得出尾盾变形为尾盾12点(20号油缸位置)最大处为下凹63mm。因为盾尾变形过大，盾尾间隙和值较小，导致现场管片拼装困难。成型管片拖出尾盾后，因受到尾盾的挤压，导致管片破损。
若采用应地面竖井法处理，虽有利于查清盾构机形变原因，便于彻底修复，但是考虑到地面计划外开设竖井至盾构机位置，其施工的风险、工期及成本均不可控，故选择洞内施工修复方案。
经对公开专利进行检索，发现与本技术方案最相关的如下专利文献：
一种盾构尾刷修复方法(CN109098721A)公开了一种盾构尾刷修复方法，包括步骤：一、盾构机推进至停机位置：将盾构机向前推进至停机位置；二、停机加固土体；三、拆除管片：对前端管片环进行拆除，并使前端盾尾刷外露；四、新增盾尾刷布设：在盾构机的盾尾内侧布设一道盾尾刷；所布设盾尾刷为新增盾尾刷，新增盾尾刷位于前端盾尾刷前侧，新增盾尾刷位于管片环拆除区域内侧；五、盾尾刷修复：对外露的前端盾尾刷进行修复，获得修复后的前端盾尾刷；新增盾尾刷与修复后的前端盾尾刷之间的空腔为油脂腔。该发明方法步骤简单、设计合理且使用效果好，采用新增盾尾刷与修复盾尾刷相结合的尾刷修复方式，能有效增加盾尾密封的安全性能，并且能避免同时更换两道尾刷的风险。
通过对上述公开专利文献的对比分析，申请人认为，上述对比文件为盾构机洞内修复尾盾的盾尾刷，为外部零件修理，并非整体结构形变的修复，与本发明尾盾壳体形变修复存在较大区别，经分析上述专利不影响本申请的新颖性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种复杂地质条件下盾构机尾盾变形的洞内修复方法，该方法可在不便于开设地面竖井且地质条件复杂的情况下，在洞内修复盾构机机体形变，且操作简便，维修速度快，施工成本低廉。
一种复杂地质条件下盾构机尾盾变形的洞内修复方法，包括以下步骤：
步骤一：工作区止水，已成型管片止水；为防止管片背后地层裂隙水汇入尾盾，在尾盾后方位置采用洞内二次注双液浆做止水环，达到止水效果；止水环完成后，打开盾尾后管片顶部的注浆孔和盾构机尾盾膨润土径向孔，放水观察止水环效果，无明显出水后方可进行下步工序；
步骤二：盾尾外部地质检测，用磁力钻在盾尾变型处开孔，孔径为20mm，开孔完成后采用Φ18钢管垂直插入尾盾外部岩体取芯，并检测变形处尾盾外部的地质情况；
步骤三：盾尾搭设反力支架，拆除环管片，在盾尾底部铺设管片，而后填充细沙并确保底部管片与盾尾间隙用细砂填充密实；后撤管片拼装机，并在盾尾内部选用450H型钢搭设反力支架，反力支架的支撑架支点与盾尾壳体内壁刚性固结，反力支架对称设置斜撑，满焊连接；
步骤四：盾尾开设天窗
(1)在尾盾开设天窗前，首先做好安全防护措施；在磁力钻开孔处(即尾盾变形最大处)下方铰接安装可开启的闸板(尺寸：400×500mm)，防止土体由盾尾窗口泄漏；出现紧急情况闸板关闭，为保证闸板的有效性，设置拉筋绳(采用18钢丝绳)，用手拉葫芦拉紧，将闸板与盾尾内壁固定；另外现场准备20工字钢，关闭闸板后在闸板下做支撑；
(2)在尾盾变形最大处开设天窗，用气刨割除尾盾钢板尺寸为300×400mm；开设天窗后，利用冲击钻、洛阳铲清理盾尾与土体间水泥凝结块、渣土，清理间隙为最大变形量+10mm；
步骤五：矫正尾盾变形，在反力支架顶部安装2个200t千斤顶(千斤顶高度为35cm)，该千斤顶对称固设在盾尾窗口两侧，由千斤顶为盾体变形处提供复位支撑力。
步骤六：切割制作矩形板封堵天窗，对天窗进行开坡口层层堆焊密实并对焊缝进行探伤检测。
根据权利要求1的一种复杂地质条件下盾构机尾盾变形的洞内修复方法，：步骤五中，在连接好200t千斤顶及液压泵站油管管路后，用千斤顶支撑盾体变形处，调节千斤顶油压至40Mpa并持续保压20分钟，及时测量盾尾的形变量；若无效果，采用烤枪将变形处加热，直至尾盾变形处复位。
本发明的优点和技术效果是：
本发明的一种复杂地质条件下盾构机尾盾变形的洞内修复方法，采用洞内修复的方法解决盾构机机体形变问题，通过步骤一：工作区止水，解决盾构机机体修复时的漏水问题；通过步骤二：盾尾外部地质检测，检测盾构机壳体外部的地质条件，判定施工方案可行性及安全性；通过步骤三：盾尾搭设反力支架，便于在盾构机机壳上打孔、开设天窗以及便于后续步骤中千斤顶的固定支撑；通过步骤四：盾尾开设天窗并安装闸板，有效避免盾构机壳体开设天窗后其外部土体塌方，是一种开设天窗的保护措施，开设天窗后挖掘盾构机壳体外部的土体，为盾构机复位提供空间，避免土体紧压盾构机外壳导致复位修复阻力加大，甚至无法修复的问题；通过步骤五：矫正尾盾变形，利用千斤顶提供复位动力，由反力支架在盾构机壳体内部形成反力支撑，同时用烤枪为盾构机壳体提供局部加热，降低其局部结构强度，便于盾构机壳体复位；最后通过步骤六：切割制作矩形板封堵天窗，避免盾构机壳体修复后其后续盾构掘进施工中，天窗位置结构强度缺陷导致的土体塌方等危险情况发生。
本发明的一种复杂地质条件下盾构机尾盾变形的洞内修复方法，无需开设地面竖井即可在洞内修复盾构机的机体形变，有效缩短了施工工期，降低了施工风险及施工成本，是一种具有较高创造性的复杂地质条件下盾构机尾盾变形的洞内修复方法。
附图说明
图1为本发明的盾构机结构示意图；
图2为图1中A-A处的圆心形变拟合计算表；
图3为图1中A-A处的圆心拟合结果；
图4为图1中B-B处的圆心形变拟合计算表；
图5为图1中B-B处的圆心拟合结果；
图6为本发明的反力支架安装结构示意图；
图7为本发明的闸板安装结构示意图；
图中：1-千斤顶；2-反力支架；3-盾构机；4-天窗；5-闸板；6-拉筋绳。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。需要说明的是，本实施例是描述性的，不是限定性的，不能由此限定本发明的保护范围。
一种复杂地质条件下盾构机尾盾变形的洞内修复方法，包括以下步骤：
步骤一：工作区止水，已成型管片止水；为防止管片背后地层裂隙水汇入尾盾，在尾盾后方位置采用洞内二次注双液浆做止水环，达到止水效果；止水环完成后，打开盾尾后管片顶部的注浆孔和盾构机3尾盾膨润土径向孔，放水观察止水环效果，无明显出水后方可进行下步工序；
步骤二：盾尾外部地质检测，用磁力钻在盾尾变型处开孔，孔径为20mm，开孔完成后采用Φ18钢管垂直插入尾盾外部岩体取芯，并检测变形处尾盾外部的地质情况；
步骤三：盾尾搭设反力支架2，拆除环管片，在盾尾底部铺设管片，而后填充细沙并确保底部管片与盾尾间隙用细砂填充密实；后撤管片拼装机，并在盾尾内部选用450H型钢搭设反力支架，反力支架的支撑架支点与盾尾壳体内壁刚性固结，反力支架对称设置斜撑，满焊连接；
步骤四：盾尾开设天窗4
(1)在尾盾开设天窗前，首先做好安全防护措施；在磁力钻开孔处(即尾盾变形最大处)下方铰接安装可开启的闸板5(尺寸：400×500mm)，防止土体由盾尾窗口泄漏；出现紧急情况闸板关闭，为保证闸板的有效性，设置拉筋绳6(采用18钢丝绳)，用手拉葫芦拉紧，将闸板与盾尾内壁固定；另外现场准备20工字钢，关闭闸板后在闸板下做支撑；
(2)在尾盾变形最大处开设天窗，用气刨割除尾盾钢板尺寸为300×400mm；开设天窗后，利用冲击钻、洛阳铲清理盾尾与土体间水泥凝结块、渣土，清理间隙为最大变形量+10mm；
步骤五：矫正尾盾变形，在反力支架顶部安装2个200t千斤顶1(千斤顶高度为35cm)，该千斤顶对称固设在盾尾窗口两侧，由千斤顶为盾体变形处提供复位支撑力。
步骤六：切割制作矩形板封堵天窗4，对天窗进行开坡口层层堆焊密实并对焊缝进行探伤检测。
根据权利要求1的一种复杂地质条件下盾构机尾盾变形的洞内修复方法，：步骤五中，在连接好200t千斤顶及液压泵站油管管路后，用千斤顶支撑盾体变形处，调节千斤顶油压至40Mpa并持续保压20分钟，及时测量盾尾的形变量；若无效果，采用烤枪将变形处加热，直至尾盾变形处复位。
为更清楚的说明本发明的具体实施方式，下面提供一种实例：
在本发明施工过程中对盾构机壳体形变原因分析发现，在施工位置179～191环时得出强纠偏，上下铰接油缸行程差过大，因当时盾构垂直姿态偏差过大，强行抬头，上下铰接行程差为80mm(上部铰接油缸行程28mm，上部铰接油缸行程108mm)，且铰接压力240bar，总推力19000KN。对盾体造成局部受力，导致变形。
针对形变原因，本发明对尾盾变形程度进行了准确测量，选取了两个断面，测量断面A-A为距铰接密封处约50cm处，测量断面B-B，距离第一道盾尾刷约90cm处。测量结果及拟合数据如图2～图5所示。
在进行本发明的步骤二时，通过检测岩芯成分发现尾盾盾壳外包裹一层水泥凝结块，结果为样品中含有20-30％水泥成分的固体岩块，为步骤四的进行提供安全检测保障，避免松软土质或地下水涌入天窗造成施工事故。
另外，在进行本发明的步骤3时，反力支架选用450H型钢制成，在反力支架上固装两个或多个千斤顶，分别对称支撑在天窗周边的盾构机壳体内壁上，连接好200t千斤顶及液压泵站油管管路后，用千斤顶向上顶盾体变形处，液压泵站压力表高限不得超过40Mpa。并及时用钢板尺测量盾尾与20号推进油缸的间隙变化，当油压达到40Mpa(按公式换算油缸作用力约为240t)并持续保压20分钟，并测量观察盾尾变化。若无效果可采用烤枪将变形处加热，继续使用200t千斤顶顶，当油压达到40Mpa(按公式换算油缸作用力约为240t)并持续保压20分钟，及时测量尾盾矫正程度。
最后根据尾盾修复施工方案，对尾盾进行了开天窗、清理盾壳外渣土、采用200t千斤顶矫正盾体、尾盾天窗修复等措施。尾盾修复取得了预期的效果。矫正盾尾变形，最大变形量控制在15-20mm范围内。盾尾间隙和值可以达到120mm左右，即满足盾构推进需求。尾盾修复完成后，对尾盾修复结果进行最终测量结果如下表所示。
目前盾构机已经正常掘进至隧道贯通，隧道成型管片完好，推进参数正常。推力从20000KN左右降到了8000KN左右，铰接压力从200-250bar降到了20-50bar，推进顺利。结合此次盾尾变形事故总结分析原因如下：
1、首先尾盾材质为Q345B厚度50mm的钢板，若是均匀荷载，圆形首先结构是相对较稳定，不易形变，造成这样的局部变形实属罕见；那么只能推测在顶部受到了局部集中荷载，导致了局部变形。
2、主要原因：尾盾盾壳外包裹浆液凝结硬块。盾构机刀盘开挖半径为6280mm，尾盾外径外6230mm，盾构外理想状态下与土体应有25mm间隙。若尾盾盾壳外包裹较厚的浆液凝结块，盾构区间穿越地层主要为粉砂质泥岩，较密实可压缩性小，那么土体就对尾盾造成局部挤压。
3、回顾盾构机在掘进到242环之前的推进参数，推进一般都在20000KN左右，铰接油缸压力高居200bar左右，假定盾壳外侧已经有了包裹的浆液凝结块，增加了盾壳与土体之间的摩擦力，导致推进推力过大，同时铰接压力也跟着增大，致使盾构推进困难，最终推力过大管片成型质量很难得到保证。
4、洞门封堵，在丰都洞门时注浆量、注浆压力较大，造成了尾盾盾壳最早期的包裹。自从封完始发洞门后，推进的总推进就一直居高不下的根本原因。在后续施工过程中，介于多种因素推推停停，推进过程中同步注浆压力过大(3.5bar-4.5bar)，同步浆液可能返到尾盾盾壳外侧，形成再一次的凝结。常有通知停机后，台车同步注浆罐中还剩余1-2m3浆液。往往就是强行压进去，后再注入膨润土停机。这样的情况没有得到重视，最终酿成了盾构外的层层堆积，层层包裹浆液凝结块，越来越厚。推力越来越大，伴随铰接油压大，土体对尾盾的挤压也是一步一步增大，最终达到变形临界发生形变。
5、179～191环得出强纠偏，上下铰接油缸行程差过大，因当时盾构垂直姿态偏差过大，强行抬头，上下铰接行程差为80mm(上部铰接油缸行程28mm，上部铰接油缸行程108mm)，且铰接压力240bar，总推力19000KN。加之盾体外侧已有浆液凝结块包裹，土体对盾体尾盾造成局部较大的应力，导致变形。当时变形过小，未能影响到管片拼装，所以尾盾变形在当时未能引起重视。
6、在后续盾构掘进施工中吸取经验教训，严控注浆施工细节。尽量减少不必要的停机，保证连续掘进。二次注浆在推进时施工，停机期间严禁二次注浆。
7、盾构掘进过程中纠偏应采取“缓纠，慢纠”的原则，每环纠偏量不应超过5mm。纠偏的关键在于预防，预防的关键在于谨小慎微。姿态出现波动时及时制止，仔细分析原因制定可行的纠偏措施，不能任由发展恶化。
8、管片选型根据隧道设计线性合理选型，拼装点位选择应充分考虑修复位置的盾尾间隙，保证成型隧道质量。在掘进过程中，安排专人关注盾尾是否存在二次变形，观察变形区铰接密封，若出现渗漏现象，首选紧固调节螺栓，如果无效可采用盘根填充于铰接间隙。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
断面一 距241环管片前沿30cm
断面二 距241环管片前沿90cm
断面三 距20号油缸撑靴40cm
Claims (2)
1.一种复杂地质条件下盾构机尾盾变形的洞内修复方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：工作区止水，已成型管片止水；为防止管片背后地层裂隙水汇入尾盾，在尾盾后方位置采用洞内二次注双液浆做止水环，达到止水效果；止水环完成后，打开盾尾后管片顶部的注浆孔和盾构机尾盾膨润土径向孔，放水观察止水环效果，无明显出水后方可进行下步工序；
步骤二：盾尾外部地质检测，用磁力钻在盾尾变型处开孔，孔径为20mm，开孔完成后采用Φ18钢管垂直插入尾盾外部岩体取芯，并检测变形处尾盾外部的地质情况；
步骤三：盾尾搭设反力支架，拆除环管片，在盾尾底部铺设管片，而后填充细沙并确保底部管片与盾尾间隙用细砂填充密实；后撤管片拼装机，并在盾尾内部选用450H型钢搭设反力支架，反力支架的支撑架支点与盾尾壳体内壁刚性固结，反力支架对称设置斜撑，满焊连接；
步骤四：盾尾开设天窗
(1)在尾盾开设天窗前，首先做好安全防护措施；在磁力钻开孔处(即尾盾变形最大处)下方铰接安装可开启的闸板，防止土体由盾尾窗口泄漏；出现紧急情况闸板关闭，为保证闸板的有效性，设置拉筋绳，用手拉葫芦拉紧，将闸板与盾尾内壁固定；另外现场准备20工字钢，关闭闸板后在闸板下做支撑；
(2)在尾盾变形最大处开设天窗，用气刨割除尾盾钢板尺寸为300×400mm；开设天窗后，利用冲击钻、洛阳铲清理盾尾与土体间水泥凝结块、渣土，清理间隙为最大变形量+10mm；
步骤五：矫正尾盾变形，在反力支架顶部安装2个200t千斤顶，该千斤顶对称固设在盾尾窗口两侧，由千斤顶为盾体变形处提供复位支撑力。
步骤六：切割制作矩形板封堵天窗，对天窗进行开坡口层层堆焊密实并对焊缝进行探伤检测。
2.根据权利要求1所述的一种复杂地质条件下盾构机尾盾变形的洞内修复方法，其特征在于：所述步骤五中，在连接好200t千斤顶及液压泵站油管管路后，用千斤顶支撑盾体变形处，调节千斤顶油压至40Mpa并持续保压20分钟，及时测量盾尾的形变量；若无效果，采用烤枪将变形处加热，直至尾盾变形处复位。
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