CN111456744A - 富水砂卵石地层盾构开挖盾体注浆结构及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种富水砂卵石地层盾构开挖盾体注浆结构及施工方法，包括：盾构开挖通道，盾构开挖通道布设于富水砂卵石地层中，且由富水砂卵石地层延伸至与富水砂卵石地层相连的相邻地层中。盾构开挖通道内喷注成型有结构相同但喷注成型方式不同的第一注浆双环道和第二注浆双环道，第一注浆双环道位于富水砂卵石地层中，第二注浆双环道与第一注浆双环道的端部连通且由富水砂卵石地层延伸至相邻地层中。第一注浆双环道和第二注浆双环道均为由材料不同的内环道和外环道构成的双环道结构，以使在前施工的外环道填充盾构开挖通道内壁面的颗粒孔隙并形成封闭泥膜，且第一注浆双环道和第二注浆双环道还用于配合支承盾构开挖通道。
Description
技术领域
本发明涉及盾构隧道领域，特别地，涉及一种富水砂卵石地层盾构开挖盾体注浆结构。此外，本发明还涉及一种用于施工出如上述的富水砂卵石地层盾构开挖盾体注浆结构的富水砂卵石地层盾构开挖盾体注浆结构施工方法。
背景技术
随着我国城市化建设发展的不断深入，地下空间开发与建设受到前所未有的关注和重视，交通轨道与市政管廊的隧道设计及建设里程不断刷新记录，且未来将继续保持高速的发展态势。而作为城市地下空间开发建设的利器神剑-盾构技术，在我国的应用和创新一直保持前进发展的步伐，但是，受建设发展速度和地下环境复杂性影响，仍有诸多工程难题未能得到有效解决，严重制约盾构技术在我国城市化建设中的积极作用，城市复杂环境下富水砂卵石地层的盾构施工扰动控制就是其中最为突出的一个难题。
富水砂卵石地层存在的主要工程问题有：①敏感性地层的级配较差，地层具有一定结构性，对扰动的敏感响应性较强，在盾构等地下工程活动施工扰动后，其稳定状态破坏失稳，较难恢复，容易发生土层颗粒间的大变形运移；②大量的工程表明，富水砂卵石地层在盾构盾尾脱出后极易发生突发性的沉降变形，且变形量较大，因而及时管控脱出盾尾前的开挖间隙填充及地层加固，成为富水砂卵石地层盾构施工控制的关键；③富水地层在盾构施工中，土水压力变化较大，特别是水环境变化较大，渗流性强，传统的盾构水泥注浆体极易被富水地层稀释掉，跑浆问题难以避免。目前，解决富水砂卵石地层工程问题还没有有效的方式，多采取水泥浆配方的改善及多次注浆方法实现施工目的，但是从应用效果来看，依然存在较大问题：
①泥浆的早期粘性较差，流动性强，保水性差，且在现有水泥材料和技术下难以达到粘性、流动及保水有机统一的流塑态；②水泥浆在盾尾注入以后，不能短时间内形成塑性注浆体，起不到对地层的有力支撑，且对开挖期盾体部分的开挖间隙未及时填充也是导致工程问题的主要原因，共同引发的盾构施工扰动地表大量沉降变形及盾尾渗水问题依然突出。
发明内容
本发明提供了一种富水砂卵石地层盾构开挖盾体注浆结构及施工方法，以解决传统的富水砂卵石地层开挖过程中存在的盾尾脱出后极易发生突发性沉降变形、水泥注浆体极易被富水地层稀释、跑浆和串浆问题严重及渗水问题突出的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种富水砂卵石地层盾构开挖盾体注浆结构，包括：沿隧道或管廊延伸方向设置的盾构开挖通道，盾构开挖通道布设于富水砂卵石地层中，且由富水砂卵石地层延伸至与富水砂卵石地层相连的相邻地层中；盾构开挖通道内喷注成型有结构相同但喷注成型方式不同的第一注浆双环道和第二注浆双环道，第一注浆双环道和第二注浆双环道均沿盾构开挖通道的长度方向延伸，且第一注浆双环道位于富水砂卵石地层中，第二注浆双环道与第一注浆双环道的端部连通，且第二注浆双环道由富水砂卵石地层延伸至相邻地层中；第一注浆双环道和第二注浆双环道均为由材料不同的内环道和外环道构成的双环道结构，以使在前施工的外环道填充盾构开挖通道内壁面的颗粒孔隙并形成封闭泥膜，以封堵富水砂卵石地层和相邻地层中的渗流通道，且第一注浆双环道和第二注浆双环道还用于配合支承盾构开挖通道。
进一步地，第一注浆双环道和第二注浆双环道均包括用于形成外环道的壳膜外环及用于形成内环道的水泥内环，壳膜外环和水泥内环均呈空心轴筒状；壳膜外环的外壁面内嵌于盾构开挖通道的内壁面内，且壳膜外环用于在盾构开挖通道的内壁面上形成一层封闭泥膜；水泥内环同轴设置于壳膜外环内，且水泥内环的外壁面与壳膜外环的内壁面紧贴。
进一步地，壳膜外环和水泥内环均为沿长度方向截面厚度不变的等截面空心轴筒；或者壳膜外环和水泥内环均为沿长度方向截面厚度存在波动的变截面空心轴筒。
进一步地，壳膜外环的内径等于盾构机前盾的壳体外径；水泥内环的外径等于壳膜外环的内径，水泥内环的内径等于盾构机后盾的壳体外径。
根据本发明的另一方面，还提供了一种富水砂卵石地层盾构开挖盾体注浆结构施工方法，用于施工出如上述中任一项的富水砂卵石地层盾构开挖盾体注浆结构，施工方法包括以下步骤：衡盾泥和水泥浆调配：根据施工要求采用衡盾泥粉料、塑化剂及稀释溶液调配出衡盾泥，及采用水泥粉料、水玻璃及稀释溶液调配出水泥浆；注浆体注入量计算：计算成型一环第一注浆双环道所需水泥浆体积，及成型一环第二注浆双环道所需水泥浆体积；注浆体喷注成型：喷注成型第一注浆双环道：盾构开挖推进，同时使衡盾泥以设定压力和速度连续由盾构机前盾的前盾径向注浆孔喷射注入盾构开挖通道内壁面以形成壳膜外环，并同步开启前盾的前盾径向喷气孔向盾构开挖通道的内壁面喷射高压空气，同时还使水泥浆以设定压力和速度连续由盾构机中盾的中盾径向注浆孔喷射注入前序形成的壳膜外环与盾构机盾体外壳之间的盾体外间隙内形成水泥内环，进而成型出第一注浆双环道；喷注成型第二注浆双环道：盾构开挖停止，交替开启前盾径向注浆孔和前盾径向喷气孔、中盾的中盾径向喷气孔及后盾的后盾径向喷气孔，使衡盾泥以设定压力和速度多次由前盾径向注浆孔喷射注入盾构开挖通道内壁面，同时使前盾径向喷气孔、中盾径向喷气孔及后盾径向喷气孔对每次喷射至盾构开挖通道内壁面内的衡盾泥喷射高压空气以形成壳膜外环，还使水泥浆以设定压力和速度连续由中盾径向注浆孔喷射注入前序形成的壳膜外环与盾体外壳之间的盾体外间隙内形成水泥内环，进而成型出第二注浆双环道。
进一步地，调配衡盾泥时，可以根据施工所需衡盾泥的比重Gs通过多次试验调配出符合施工要求的衡盾泥，并通过比重试验进一步核对检验所配衡盾泥的比重Gs是否满足要求；或者直接通过公式一：Gs＝0.0571x2-0.3326x+1.635，计算出稀释溶液与衡盾泥粉料的质量之比x。
进一步地，进行步骤“注浆体注入量计算”时，采用公式二：
计算出一环第一注浆双环道所需水泥浆体积W；采用公式三：V＝V1+V2+V3其中，
计算出一环第二注浆双环道所需水泥浆体积V，其中：π取3.14；D为盾构机刀盘的外径，单位：米；R1、R2、R3分别为盾构机前盾、中盾及后盾的外壳直径，单位：米；L1、L2、L3分别为前盾、中盾及后盾长度，单位：米；V1、V2、V3分别为一环第二注浆双环道前盾、中盾及后盾所需水泥浆体积，单位：米；L为盾尾管片长度，单位：米。
进一步地，步骤“喷注成型第一注浆双环道”，具体包括以下步骤：将调配的衡盾泥输送至盾构机的衡盾泥罐，将水泥浆输送至盾构机的水泥浆罐；盾构开挖推进，并启动盾构机的衡盾泥注浆泵送管将衡盾泥压送至前盾径向注浆孔，以使衡盾泥按设定压力和速度喷射注入盾构开挖通道的内壁面，同时开启前盾径向喷气孔向盾构开挖通道的内壁面喷射高压空气，以使衡盾泥内嵌于盾构开挖通道的内壁面并在盾构开挖通道的内壁面上形成封闭泥膜式的壳膜外环；同时启动盾构机的水泥浆注浆泵送管将水泥浆压送至中盾径向注浆孔，以使水泥浆按设定压力和速度喷射注入壳膜外环与盾体外壳之间的盾体外间隙内，以形成水泥内环；开挖达到一环盾尾管片长度后，停止开挖工作并依次关停水泥浆和衡盾泥的注入，最终在后盾与盾构开挖通道间成型出第一注浆双环道。
进一步地，步骤“喷注成型第二注浆双环道”中，喷注成型壳膜外环具体包括以下步骤：将调配的衡盾泥输送至盾构机的衡盾泥罐，将水泥浆输送至盾构机的水泥浆罐；盾构开挖停止，启动盾构机的衡盾泥注浆泵送管将衡盾泥压送至前盾径向注浆孔，并使衡盾泥在0.4Mpa～0.5Mpa压力下喷射注入盾体全长范围的盾构开挖通道的内壁面；关闭衡盾泥注浆泵送管，同时开启前盾、中盾及后盾上的径向注浆孔，以向盾构开挖通道的内壁面喷射注入0.3Mpa～0.4Mpa压力空气10～15分钟；停止压力空气注入，启动衡盾泥注浆泵送管将衡盾泥压送至前盾径向注浆孔，并使衡盾泥在0.3Mpa～0.4Mpa压力下补充喷射注入盾体全长范围的盾构开挖通道的内壁面；关闭衡盾泥注浆泵送管，同时开启前盾、中盾及后盾上的径向注浆孔，以向盾构开挖通道的内壁面喷射注入0.2Mpa～0.3Mpa压力空气15～20分钟；停止压力空气注入，启动衡盾泥注浆泵送管将衡盾泥压送至前盾径向注浆孔，并使衡盾泥在0.2Mpa～0.3Mpa压力下加强喷射注入盾体全长范围的盾构开挖通道的内壁面；关闭衡盾泥注浆泵送管，同时开启前盾、中盾及后盾上的径向注浆孔，以向盾构开挖通道的内壁面喷射注入0.2Mpa～0.3Mpa压力空气15～20分钟，最终在盾构开挖通道的内壁面上形成嵌入地层的封闭泥膜式的壳膜外环。
进一步地，步骤“喷注成型第二注浆双环道”中，喷注成型水泥内环具体为：喷射成型出壳膜外环后，在盾构开挖停止状态下，启动水泥浆注浆泵送管将水泥浆压送至中盾径向注浆孔，并按公式三计算的体积V使水泥浆以设定压力和速度均匀喷射注入壳膜外环与盾体外壳之间的盾体外间隙以形成水泥内环部分结构；盾构开挖推进，再启动水泥浆注浆泵送管将水泥浆压送至中盾径向注浆孔，以使水泥浆以设定压力和速度均匀补充喷射注入后盾与水泥内环部分结构之间的间隙以成型出第二注浆双环道。
本发明具有以下有益效果：
本发明中，针对富水砂卵石地层盾构施工难题，提出了一种富水砂卵石地层盾构开挖盾体注浆结构，相比现有富水砂卵石地层盾构开挖结构中，仅通过盾构机盾尾的尾盾径向注浆孔喷注形成管外水泥环的注浆结构，本发明结构中，在盾构机开挖过程中，在盾构机的盾体外喷注成型第一注浆双环道或第二注浆双环道，以用于及时填充盾体与盾构开挖通道之间的盾体间隙，进而对盾构开挖通道进行加固，防止盾尾脱出后产生的突发性沉降变形；本发明中，由于第一注浆双环道和第二注浆双环道均为由材料不同的内环道和外环道构成的双环道结构，且外环道用于喷射填充盾构开挖通道内壁面的颗粒孔隙并在内壁面上形成封闭式的封闭泥膜，以用于减少后续喷注成型内环道的水泥浆向富水土层中渗透，防止水泥浆被地下水稀释，控制富水砂卵石地层或相邻地层内的地下水向隧道或管廊内部及盾构机内渗流，同时也减少后续内环道水泥浆喷注成型过程中向富水土层中渗透，降低水泥浆的使用量，且第一注浆双环道和第二注浆双环道还用于支承盾构开挖通道，有效控制富水砂卵石地层或相邻地层内隧道或管廊拱顶变形；
本发明的富水砂卵石地层盾构开挖盾体注浆结构施工方法，相比现有富水砂卵石地层盾构开挖施工方法中，仅通过盾构机盾尾的尾盾径向注浆孔喷注形成管外水泥环的注浆结构，本发明方法中，在盾构机开挖过程中，首先在盾构开挖通道的内壁上成型出由衡盾泥构筑的壳膜外环，以封堵对应的富水砂卵石地层或相邻地层内的渗流通道，防止富水砂卵石地层或相邻地层内的地下水向隧道或管廊内部及盾构机内渗流，同时也减少后续水泥内环喷注成型过程中向富水土层中渗透，进而防止喷注的水泥内环被地下水稀释，且第一注浆双环道或第二注浆双环道还用于及时填充盾体与盾构开挖通道之间的盾体外间隙，进而对盾构开挖通道进行加固，防止盾尾脱出后产生的突发性沉降变形，且第一注浆双环道和第二注浆双环道还用于配合支承盾构开挖通道，有效控制富水砂卵石地层或相邻地层内隧道或管廊拱顶变形，并位于富水砂卵石地层中的第二注浆双环道还由富水砂卵石地层穿过界面后延伸至相邻地层中，避免不同界面处渗流涌水造成的盾构施工安全事故。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的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。在附图中：
图1是富水砂卵石地层盾体盾构开挖间隙示意图；
图2是盾构开挖阶段形成的本发明优选实施例的富水砂卵石地层盾构开挖盾体注浆结构的剖视主视结构示意图；
图3是图2中壳膜外环施工剖面图；
图4是图3和水泥内环喷注成型为一体时的施工剖面图；
图5是富水砂卵石地层中第一注浆双环道施工流程图。
图例说明
10、盾构开挖通道；20、富水砂卵石地层；30、相邻地层；40、第一注浆双环道；41、壳膜外环；42、水泥内环；50、第二注浆双环道；60、盾构机；601、前盾径向注浆孔；602、中盾径向注浆孔；603、前盾径向喷气孔；604、盾体外间隙；61、前盾；62、中盾；63、后盾；64、盾尾管片；65、刀盘。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
参照图2，本发明的优选实施例提供了一种富水砂卵石地层盾构开挖盾体注浆结构，包括：沿隧道或管廊延伸方向设置的盾构开挖通道10，盾构开挖通道10布设于富水砂卵石地层中，且由富水砂卵石地层延伸至与富水砂卵石地层相连的相邻地层中。盾构开挖通道10内喷注成型有结构相同但喷注成型方式不同的第一注浆双环道40和第二注浆双环道50，第一注浆双环道40和第二注浆双环道50均沿盾构开挖通道10的长度方向延伸，第一注浆双环道40位于富水砂卵石地层中，第二注浆双环道50与第一注浆双环道40的端部连通，且第二注浆双环道50由富水砂卵石地层延伸至相邻地层中。第一注浆双环道40和第二注浆双环道50均为由材料不同的内环道和外环道构成的双环道结构，以使在前施工的外环道的材料填充盾构开挖通道10内壁面的颗粒孔隙并形成封闭泥膜，以封堵富水砂卵石地层和相邻地层中的渗流通道，且第一注浆双环道40和第二注浆双环道50还用于配合支承盾构开挖通道10。
本发明中，针对富水砂卵石地层盾构施工难题，提出了一种富水砂卵石地层盾构开挖盾体注浆结构，相比现有富水砂卵石地层盾构开挖结构中，仅通过盾构机盾尾的尾盾径向注浆孔喷注形成管外水泥环的注浆结构，本发明结构中，在盾构机开挖过程中，在盾构机的盾体外喷注成型第一注浆双环道40或第二注浆双环道50，以用于及时填充盾体与盾构开挖通道10之间的盾体间隙，进而对盾构开挖通道10进行加固，防止盾尾脱出后产生的突发性沉降变形；本发明中，由于第一注浆双环道40和第二注浆双环道50均为由材料不同的内环道和外环道构成的双环道结构，且外环道用于喷射填充盾构开挖通道10内壁面的颗粒孔隙并在内壁面上形成封闭式的封闭泥膜，以用于减少后续喷注成型内环道的水泥浆向富水土层中渗透，防止水泥浆被地下水稀释，控制富水砂卵石地层或相邻地层内的地下水向隧道或管廊内部及盾构机内渗流，同时也减少后续内环道水泥浆喷注成型过程中向富水土层中渗透，降低水泥浆的使用量，且第一注浆双环道40和第二注浆双环道50还用于支承盾构开挖通道10，有效控制富水砂卵石地层或相邻地层内隧道或管廊拱顶变形。
可选地，如图3和图4所示，第一注浆双环道40和第二注浆双环道50均包括用于形成外环道的壳膜外环41及用于形成内环道的水泥内环42，壳膜外环41和水泥内环42均呈空心轴筒状。壳膜外环41的外壁面内嵌于盾构开挖通道10的内壁面内，且壳膜外环41用于在盾构开挖通道10的内壁面上形成一层封闭泥膜，进而封堵富水砂卵石地层或相邻地层内的渗流通道，防止富水砂卵石地层或相邻地层内的地下水向隧道或管廊内部及盾构机内渗流，解决注浆串流跑浆问题，同时也减少后续内环道喷注成型过程中水泥浆向富水土层中渗透，防止喷注的内环道被地下水稀释，同时减少水泥浆的用量。水泥内环42同轴设置于壳膜外环41内，且水泥内环42的外壁面与壳膜外环41的内壁面紧贴，水泥内环42用于进一步防止地下水向隧道或管廊内部及盾构机内渗流，且水泥内环42还用于配合壳膜外环41对盾构开挖通道10进行支承，防止富水砂卵石地层和相邻地层内隧道或管廊拱顶变形、及盾构盾尾脱出后发生突发性的沉降变形。
本可选方案中，如图3和图4所示，壳膜外环41和水泥内环42均为沿长度方向截面厚度不变的等截面空心轴筒，以便更稳定的支承盾构开挖通道10，同时防止地下水渗入隧道或管廊内部及盾构机内。在其它实施例中，由于壳膜外环41的外壁面内嵌于盾构开挖通道10的内壁面以填充内壁面上的颗粒孔隙，故而由于盾构开挖通道10内壁面的结构形态不同，壳膜外环41可为沿长度方向截面厚度存在波动的变截面空心轴筒，从而水泥内环42也为沿长度方向截面厚度存在波动的变截面空心轴筒。
本发明具体实施例中，如图2所示，由于壳膜外环41的外壁面内嵌于盾构开挖通道10的内壁面内，故而壳膜外环41的外径根据盾构开挖通道10内壁面结构形态的不同而不同，而壳膜外环41的内径等于盾构机60前盾61的壳体外径。水泥内环42的外径等于壳膜外环41的内径，水泥内环42的内径等于盾构机60后盾63的壳体外径。盾构开挖过程中，由于壳膜外环41是由内嵌于盾构开挖通道10内壁面内与盾构机60的前盾61之间的浆泥成型，故而壳膜外环41的内径等于盾构机60前盾61的壳体外径；同样的，水泥内环42是由喷注于壳膜外环41与盾构机60的后盾63之间的泥浆成型，故而水泥内环42的外径等于壳膜外环41的内径，水泥内环42的内径等于盾构机60后盾63的壳体外径。
可选地，第一注浆双环道40的壳膜外环41的厚度一般为5cm～10cm，第一注浆双环道40的水泥内环42的厚度一般为2cm～10cm，且第一注浆双环道40的壳膜外环41和水泥内环42的厚度还与盾构开挖通道10内壁面的结构形态、刀盘65的外径、盾壳的外径及盾尾管片的外径相关。第二注浆双环道50的壳膜外环41的厚度一般为5cm～15cm，第二注浆双环道50的水泥内环42的厚度一般为5cm～15cm，且第二注浆双环道50的壳膜外环41和水泥内环42的厚度还与盾构开挖通道10内壁面的结构形态、刀盘65的外径、盾壳的外径及盾尾管片的外径相关，但由于第二注浆双环道50处于富水砂卵石地层与相邻地层的交界处，底层形态更复杂，且稳定性更差，故而第二注浆双环道50的壳膜外环41的厚度和水泥内环42的厚度一般比第一注浆双环道40的对应的壳膜外环41的厚度和水泥内环42的厚度大。
可选地，如图2所示，多环第一注浆双环道40沿盾构开挖通道10的长度方向依次设置且相连，且每环第一注浆双环道40的长度等于盾构机60的盾尾管片64的长度。实际成型过程中，当壳膜外环41和水泥内环42成型后，盾构机继续掘进过程中，位于盾构机60尾部的盾尾上的径向注浆孔继续在水泥内环42的内壁面上喷注成型出管外水泥环，该管外水泥环的外径等于水泥内环42的内径，且管外水泥环的内径等于盾尾管片64的外径，故而每环第一注浆双环道40的长度等于盾构机60的盾尾管片64的长度。
可选地，多环第二注浆双环道50沿盾构开挖通道10的长度方向依次设置且相连，且每环第二注浆双环道50的长度等于盾构机60盾体的长度。实际成型过程中，由于壳膜外环41和水泥内环42是在盾构机停机状态下喷注成型的，故而每环第二注浆双环道50的长度等于盾构机60盾体的长度，即等于盾构机60的前盾61、中盾62及后盾63三者的长度之和。
可选地，壳膜外环41由衡盾泥粉料和稀释溶液拌合喷压形成。由衡盾泥粉料和稀释溶液拌合形成的衡盾泥粘度大，流动性差，不容易被地下水稀释，从而便于更好的封堵渗流通道，同时尽快黏紧盾构开挖通道10的内壁面，且衡盾泥抗渗透性强，可进一步防止地下水渗出至隧道或管廊内及盾构机内。水泥内环42由水泥粉料和水玻璃拌合喷压形成。
参照图1，本发明的优选实施例还提供了一种富水砂卵石地层盾构开挖盾体注浆结构施工方法，用于施工出如上述中任一项的富水砂卵石地层盾构开挖盾体注浆结构，施工方法包括以下步骤：
衡盾泥和水泥浆调配：根据施工要求采用衡盾泥粉料、塑化剂及稀释溶液调配出衡盾泥，及采用水泥粉料、水玻璃及稀释溶液调配出水泥浆；
注浆体注入量计算：计算成型一环第一注浆双环道40所需水泥浆体积，及成型一环第二注浆双环道50所需水泥浆体积；
注浆体喷注成型：
喷注成型第一注浆双环道40：盾构开挖推进，同时使衡盾泥以设定压力和速度连续由盾构机60前盾61的前盾径向注浆孔601喷射注入盾构开挖通道10内壁面以形成壳膜外环41，并同步开启前盾61的前盾径向喷气孔603向盾构开挖通道10的内壁面喷射高压空气，同时还使水泥浆以设定压力和速度连续由盾构机60中盾62的中盾径向注浆孔602喷射注入前序形成的壳膜外环41与盾构机60盾体外壳之间的盾体外间隙内形成水泥内环42，进而成型出第一注浆双环道40；
喷注成型第二注浆双环道50：盾构开挖停止，交替开启前盾径向注浆孔601和前盾径向喷气孔603、中盾的中盾径向喷气孔及后盾的后盾径向喷气孔，使衡盾泥以设定压力和速度多次由前盾径向注浆孔601喷射注入盾构开挖通道10内壁面，同时使前盾径向喷气孔603、中盾径向喷气孔及后盾径向喷气孔对每次喷射至盾构开挖通道10内壁面内的衡盾泥喷射高压空气以形成壳膜外环41，还使水泥浆以设定压力和速度连续由中盾径向注浆孔602喷射注入前序形成的壳膜外环41与盾体外壳之间的盾体外间隙内形成水泥内环42，进而成型出第二注浆双环道50。
本发明的富水砂卵石地层盾构开挖盾体注浆结构施工方法，相比现有富水砂卵石地层盾构开挖施工方法中，仅通过盾构机盾尾的尾盾径向注浆孔喷注形成管外水泥环的注浆结构，本发明方法中，在盾构机开挖过程中，首先在盾构开挖通道10的内壁上成型出由衡盾泥构筑的壳膜外环41，以封堵对应的富水砂卵石地层20或相邻地层30内的渗流通道，防止富水砂卵石地层20或相邻地层30内的地下水向隧道或管廊内部及盾构机60内渗流，同时也减少后续水泥内环42喷注成型过程中向富水土层中渗透，进而防止喷注的水泥内环42被地下水稀释，且第一注浆双环道40或第二注浆双环道50还用于及时填充盾体与盾构开挖通道10之间的盾体外间隙，进而对盾构开挖通道10进行加固，防止盾尾脱出后产生的突发性沉降变形，且第一注浆双环道40和第二注浆双环道50还用于配合支承盾构开挖通道10，有效控制富水砂卵石地层20或相邻地层30内隧道或管廊拱顶变形，并位于富水砂卵石地层中的第二注浆双环道50还由富水砂卵石地层20穿过界面后延伸至相邻地层30中，避免不同界面处渗流涌水造成的盾构施工安全事故。
可选地，调配衡盾泥时，可以根据施工所需衡盾泥的比重Gs通过多次试验调配出符合施工要求的衡盾泥，并通过比重试验进一步核对检验所配衡盾泥的比重Gs是否满足要求。或者直接通过公式一：Gs＝0.0571x2-0.3326x+1.635，计算出稀释溶液与衡盾泥粉料的质量之比x。
具体地，衡盾泥的流塑状及粘性与衡盾泥中各组份的比例直接相关，施工前应先通过试验确定满足工程需要的衡盾泥生产比例，本发明方案实际施工中，所用衡盾泥的比例范围为：衡盾泥粉料与稀释溶液(水)的质量比为1：1.5～1：2.5；塑化剂与水的质量比为1：0.5～1：1.5；衡盾泥混合料与塑化剂混合液的质量比为10：1～20：1，比重范围为1.16～1.28。推荐比例为：衡盾泥粉料与水质量比为1：1.5；塑化剂与水质量比为1:0.75；衡盾泥混合料与塑化剂混合液质量比为17.5：1，对应比重为1.255。调配出的衡盾泥的粘度为350～600dpa.s，载荷能力不低于1.5kg/cm2，失水率为39.4％～47％(恒温30°)，附着力为1～7级(恒温40°)。
本发明方案实际施工中，所用水泥浆的比例范围为：水玻璃溶液为30～45Be，水泥灰溶液中水泥粉料与稀释溶液(水)的质量比为0.8：1～1.0：1.0，水玻璃溶液与水泥灰溶液的混合体积比为1:1～1:0.3。
可选地，进行步骤“注浆体注入量计算”时，因衡盾泥体积与盾构开挖通道10内壁面的结构形态及高压空气的喷射状况、喷射次数相关，故而衡盾泥的体积以实际施工中所需达到的施工效果确定。
可选地，进行步骤“注浆体注入量计算”时，
采用公式二：
计算出一环第一注浆双环道40所需水泥浆体积W；
采用公式三：V＝V1+V2+V3其中，
计算出一环第二注浆双环道50所需水泥浆体积V，其中：
π取3.14；D为盾构机60刀盘65的外径，单位：米；R1、R2、R3分别为盾构机60前盾61、中盾62及后盾63的外壳直径，单位：米；L1、L2、L3分别为前盾61、中盾62及后盾63长度，单位：米；V1、V2、V3分别为一环第二注浆双环道50前盾、中盾及后盾所需水泥浆体积，单位：米；L为盾尾管片64长度，单位：米。
可选地，如图1、图2和图5所示，步骤“喷注成型第一注浆双环道40”，具体包括以下步骤：
将调配的衡盾泥输送至盾构机60的衡盾泥罐，将水泥浆输送至盾构机60的水泥浆罐；
盾构开挖推进，并启动盾构机60的衡盾泥注浆泵送管将衡盾泥压送至前盾径向注浆孔601，以使衡盾泥按设定压力和速度喷射注入盾构开挖通道10的内壁面，同时开启前盾径向喷气孔603向盾构开挖通道10的内壁面喷射高压空气，以使衡盾泥内嵌于盾构开挖通道10的内壁面并在盾构开挖通道10的内壁面上形成封闭泥膜式的壳膜外环41；
同时启动盾构机60的水泥浆注浆泵送管将水泥浆压送至中盾径向注浆孔602，以使水泥浆按设定压力和速度喷射注入壳膜外环41与盾体外壳之间的盾体外间隙内，以形成水泥内环42；
开挖达到一环盾尾管片64长度后，停止开挖工作并依次关停水泥浆和衡盾泥的注入，最终在后盾63与盾构开挖通道10间成型出第一注浆双环道40。
具体地，衡盾泥喷射注入过程中，由于衡盾泥具有良好的流动性，故而小盾构机60仅需单点注入即可，即通过前盾61上其中一个前盾径向注浆孔601喷射注入即可；大盾构机60则需两点同时注入，可选用前盾61顶部的11点至1点范围的两个前盾径向注浆孔601同时喷射注入。衡盾泥注入过程中，会向盾体四周的土层中渗透一部分衡盾泥，从而形成封闭泥膜，有效减少后续注浆的水泥浆向富水土层中的渗透，防止水泥浆被地下水稀释，并有效控制富水砂卵石地层20隧道拱顶变形。
可选地，如图1所示，步骤“喷注成型第二注浆双环道50”中，喷注成型壳膜外环41具体包括以下步骤：
将调配的衡盾泥输送至盾构机60的衡盾泥罐，将水泥浆输送至盾构机60的水泥浆罐；
盾构开挖停止，启动盾构机60的衡盾泥注浆泵送管将衡盾泥压送至前盾径向注浆孔601，并使衡盾泥在0.4Mpa～0.5Mpa压力下喷射注入盾体全长范围的盾构开挖通道10的内壁面；
关闭衡盾泥注浆泵送管，同时开启前盾61、中盾62及后盾63上的径向注浆孔，以向盾构开挖通道10的内壁面喷射注入0.3Mpa～0.4Mpa压力空气10～15分钟；
停止压力空气注入，启动衡盾泥注浆泵送管将衡盾泥压送至前盾径向注浆孔601，并使衡盾泥在0.3Mpa～0.4Mpa压力下补充喷射注入盾体全长范围的盾构开挖通道10的内壁面；
关闭衡盾泥注浆泵送管，同时开启前盾61、中盾62及后盾63上的径向注浆孔，以向盾构开挖通道10的内壁面喷射注入0.2Mpa～0.3Mpa压力空气15～20分钟；
停止压力空气注入，启动衡盾泥注浆泵送管将衡盾泥压送至前盾径向注浆孔601，并使衡盾泥在0.2Mpa～0.3Mpa压力下加强喷射注入盾体全长范围的盾构开挖通道10的内壁面；
关闭衡盾泥注浆泵送管，同时开启前盾61、中盾62及后盾63上的径向注浆孔，以向盾构开挖通道10的内壁面喷射注入0.2Mpa～0.3Mpa压力空气15～20分钟，最终在盾构开挖通道10的内壁面上形成嵌入地层的封闭泥膜式的壳膜外环41。
具体地，喷注成型第二注浆双环道50的壳膜外环41时，在盾构机60从富水砂卵石地层20逐渐进入相邻地层30的最后6～7环开始施工，或者在由相邻地层30进入富水砂卵石地层20的前6～7环开始施工。衡盾泥补充注入压力控制在0.2MPa～0.4MPa，实际压力根据现场注浆效果最终确定。衡盾泥加强注入一般情况下以压力控制，达到设计注浆压力则结束注浆，视注浆效果可再次进行补注浆。
可选地，步骤“喷注成型第二注浆双环道50”中，喷注成型水泥内环42具体为：
喷射成型出壳膜外环41后，在盾构开挖停止状态下，启动水泥浆注浆泵送管将水泥浆压送至中盾径向注浆孔602，并按公式三计算的体积V使水泥浆以设定压力和速度均匀喷射注入壳膜外环41与盾体外壳之间的盾体外间隙以形成水泥内环部分结构；
盾构开挖推进，再启动水泥浆注浆泵送管将水泥浆压送至中盾径向注浆孔602，以使水泥浆以设定压力和速度均匀补充喷射注入后盾63与水泥内环部分结构之间的间隙以成型出第二注浆双环道50。
喷注成型第二注浆双环道50过程中，水泥浆的补充注入速度应与盾构掘进推进速度相匹配，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，达到均匀补充注浆的目的。本发明中，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时，则注浆量达到设计值的90％以上时，即可认为达到了质量要求。第二注浆双环道50喷注成型过程中，衡盾泥的注入压力为0.2Mpa～0.4Mpa，水泥浆的注入压力为0.2Mpa～0.3Mpa。
本发明针对富水砂卵石地层盾构施工难题，提出了一种富水砂卵石地层盾构开挖盾体注浆结构施工方法，通过衡盾泥技术解决了富水砂卵石地层等强渗水地层的注浆串流跑浆问题，特别是衡盾泥在盾体部分的注浆方式有效控制了开挖期砂卵石地层的扰动沉降变形问题，实现了多级分步填充开挖间隙的重要目标；本发明通过采用衡盾泥技术分步式填补富水砂卵石地层成功推广了衡盾泥技术的应用范围，提升了其工程实践应用价值，对特殊地层的抗扰动、防控沉降难题的解决具有重大借鉴指导意义；本发明施工方法实施简单、参数设计合理、施工出的第一注浆双环道和第二注浆双环道结构稳定可靠且经济效益突出，对富水砂卵石地层的盾构施工扰动控制应用而言具有广泛前景。
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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种富水砂卵石地层盾构开挖盾体注浆结构，其特征在于，包括：
沿隧道或管廊延伸方向设置的盾构开挖通道(10)，所述盾构开挖通道(10)布设于富水砂卵石地层(20)中，且由所述富水砂卵石地层延伸至与所述富水砂卵石地层相连的相邻地层(30)中；
所述盾构开挖通道(10)内喷注成型有结构相同但喷注成型方式不同的第一注浆双环道(40)和第二注浆双环道(50)，所述第一注浆双环道(40)和所述第二注浆双环道(50)均沿所述盾构开挖通道(10)的长度方向延伸，且所述第一注浆双环道(40)位于所述富水砂卵石地层中，所述第二注浆双环道(50)与所述第一注浆双环道(40)的端部连通，且所述第二注浆双环道(50)由所述富水砂卵石地层延伸至所述相邻地层中；
所述第一注浆双环道(40)和所述第二注浆双环道(50)均为由材料不同的内环道和外环道构成的双环道结构，以使在前施工的所述外环道的材料填充所述盾构开挖通道(10)内壁面的颗粒孔隙并形成封闭泥膜，以封堵所述富水砂卵石地层和所述相邻地层中的渗流通道，且所述第一注浆双环道(40)和所述第二注浆双环道(50)还用于配合支承所述盾构开挖通道(10)。
2.根据权利要求1所述的富水砂卵石地层盾构开挖盾体注浆结构，其特征在于，
所述第一注浆双环道(40)和所述第二注浆双环道(50)均包括用于形成外环道的壳膜外环(41)及用于形成内环道的水泥内环(42)，所述壳膜外环(41)和所述水泥内环(42)均呈空心轴筒状；
所述壳膜外环(41)的外壁面内嵌于所述盾构开挖通道(10)的内壁面内，且所述壳膜外环(41)用于在所述盾构开挖通道(10)的内壁面上形成一层封闭泥膜；
所述水泥内环(42)同轴设置于所述壳膜外环(41)内，且所述水泥内环(42)的外壁面与所述壳膜外环(41)的内壁面紧贴。
3.根据权利要求2所述的富水砂卵石地层盾构开挖盾体注浆结构，其特征在于，
所述壳膜外环(41)和所述水泥内环(42)均为沿长度方向截面厚度不变的等截面空心轴筒；或者
所述壳膜外环(41)和所述水泥内环(42)均为沿长度方向截面厚度存在波动的变截面空心轴筒。
4.根据权利要求3所述的富水砂卵石地层盾构开挖盾体注浆结构，其特征在于，
所述壳膜外环(41)的内径等于盾构机(60)前盾(61)的壳体外径；
所述水泥内环(42)的外径等于所述壳膜外环(41)的内径，所述水泥内环(42)的内径等于所述盾构机(60)后盾(63)的壳体外径。
5.一种富水砂卵石地层盾构开挖盾体注浆结构施工方法，其特征在于，用于施工出如权利要求1-4中任一项所述的富水砂卵石地层盾构开挖盾体注浆结构，施工方法包括以下步骤：
衡盾泥和水泥浆调配：根据施工要求采用衡盾泥粉料、塑化剂及稀释溶液调配出衡盾泥，及采用水泥粉料、水玻璃及稀释溶液调配出水泥浆；
注浆体注入量计算：计算成型一环第一注浆双环道(40)所需水泥浆体积，及成型一环第二注浆双环道(50)所需水泥浆体积；
注浆体喷注成型：
喷注成型第一注浆双环道(40)：盾构开挖推进，同时使衡盾泥以设定压力和速度连续由盾构机(60)前盾(61)的前盾径向注浆孔(601)喷射注入盾构开挖通道(10)内壁面以形成壳膜外环(41)，并同步开启前盾(61)的前盾径向喷气孔(603)向盾构开挖通道(10)的内壁面喷射高压空气，同时还使水泥浆以设定压力和速度连续由盾构机(60)中盾(62)的中盾径向注浆孔(602)喷射注入前序形成的壳膜外环(41)与盾构机(60)盾体外壳之间的盾体外间隙(604)内形成水泥内环(42)，进而成型出第一注浆双环道(40)；
喷注成型第二注浆双环道(50)：盾构开挖停止，交替开启前盾径向注浆孔(601)和前盾径向喷气孔(603)、中盾的中盾径向喷气孔及后盾的后盾径向喷气孔，使衡盾泥以设定压力和速度多次由前盾径向注浆孔(601)喷射注入盾构开挖通道(10)内壁面，同时使前盾径向喷气孔(603)、中盾径向喷气孔及后盾径向喷气孔对每次喷射至盾构开挖通道(10)内壁面内的衡盾泥喷射高压空气以形成壳膜外环(41)，还使水泥浆以设定压力和速度连续由中盾径向注浆孔(602)喷射注入前序形成的壳膜外环(41)与盾体外壳之间的盾体外间隙内形成水泥内环(42)，进而成型出第二注浆双环道(50)。
6.根据权利要求5所述的富水砂卵石地层盾构开挖盾体注浆结构施工方法，其特征在于，
调配衡盾泥时，可以根据施工所需衡盾泥的比重Gs通过多次试验调配出符合施工要求的衡盾泥，并通过比重试验进一步核对检验所配衡盾泥的比重Gs是否满足要求；或者
直接通过公式一：Gs＝0.0571x2-0.3326x+1.635，计算出稀释溶液与衡盾泥粉料的质量之比x。
7.根据权利要求5所述的富水砂卵石地层盾构开挖盾体注浆结构施工方法，其特征在于，进行步骤“注浆体注入量计算”时，
采用公式二：
计算出一环第一注浆双环道(40)所需水泥浆体积W；
采用公式三：V＝V1+V2+V3其中，
计算出一环第二注浆双环道(50)所需水泥浆体积V，其中：
π取3.14；D为盾构机(60)刀盘(65)的外径，单位：米；R1、R2、R3分别为盾构机(60)前盾(61)、中盾(62)及后盾(63)的外壳直径，单位：米；L1、L2、L3分别为前盾(61)、中盾(62)及后盾(63)长度，单位：米；V1、V2、V3分别为一环第二注浆双环道(50)前盾、中盾及后盾所需水泥浆体积，单位：米；L为盾尾管片(64)长度，单位：米。
8.根据权利要求5所述的富水砂卵石地层盾构开挖盾体注浆结构施工方法，其特征在于，步骤“喷注成型第一注浆双环道(40)”，具体包括以下步骤：
将调配的衡盾泥输送至盾构机(60)的衡盾泥罐，将水泥浆输送至盾构机(60)的水泥浆罐；
盾构开挖推进，并启动盾构机(60)的衡盾泥注浆泵送管将衡盾泥压送至前盾径向注浆孔(601)，以使衡盾泥按设定压力和速度喷射注入盾构开挖通道(10)的内壁面，同时开启前盾径向喷气孔(603)向盾构开挖通道(10)的内壁面喷射高压空气，以使衡盾泥内嵌于盾构开挖通道(10)的内壁面并在盾构开挖通道(10)的内壁面上形成封闭泥膜式的壳膜外环(41)；
同时启动盾构机(60)的水泥浆注浆泵送管将水泥浆压送至中盾径向注浆孔(602)，以使水泥浆按设定压力和速度喷射注入壳膜外环(41)与盾体外壳之间的盾体外间隙内，以形成水泥内环(42)；
开挖达到一环盾尾管片(64)长度后，停止开挖工作并依次关停水泥浆和衡盾泥的注入，最终在后盾(63)与盾构开挖通道(10)间成型出第一注浆双环道(40)。
9.根据权利要求5所述的富水砂卵石地层盾构开挖盾体注浆结构施工方法，其特征在于，步骤“喷注成型第二注浆双环道(50)”中，喷注成型壳膜外环(41)具体包括以下步骤：
将调配的衡盾泥输送至盾构机(60)的衡盾泥罐，将水泥浆输送至盾构机(60)的水泥浆罐；
盾构开挖停止，启动盾构机(60)的衡盾泥注浆泵送管将衡盾泥压送至前盾径向注浆孔(601)，并使衡盾泥在0.4Mpa～0.5Mpa压力下喷射注入盾体全长范围的盾构开挖通道(10)的内壁面；
关闭衡盾泥注浆泵送管，同时开启前盾(61)、中盾(62)及后盾(63)上的径向注浆孔，以向盾构开挖通道(10)的内壁面喷射注入0.3Mpa～0.4Mpa压力空气10～15分钟；
停止压力空气注入，启动衡盾泥注浆泵送管将衡盾泥压送至前盾径向注浆孔(601)，并使衡盾泥在0.3Mpa～0.4Mpa压力下补充喷射注入盾体全长范围的盾构开挖通道(10)的内壁面；
关闭衡盾泥注浆泵送管，同时开启前盾(61)、中盾(62)及后盾(63)上的径向注浆孔，以向盾构开挖通道(10)的内壁面喷射注入0.2Mpa～0.3Mpa压力空气15～20分钟；
停止压力空气注入，启动衡盾泥注浆泵送管将衡盾泥压送至前盾径向注浆孔(601)，并使衡盾泥在0.2Mpa～0.3Mpa压力下加强喷射注入盾体全长范围的盾构开挖通道(10)的内壁面；
关闭衡盾泥注浆泵送管，同时开启前盾(61)、中盾(62)及后盾(63)上的径向注浆孔，以向盾构开挖通道(10)的内壁面喷射注入0.2Mpa～0.3Mpa压力空气15～20分钟，最终在盾构开挖通道(10)的内壁面上形成嵌入地层的封闭泥膜式的壳膜外环(41)。
10.根据权利要求9所述的富水砂卵石地层盾构开挖盾体注浆结构施工方法，其特征在于，步骤“喷注成型第二注浆双环道(50)”中，喷注成型水泥内环(42)具体为：
喷射成型出壳膜外环(41)后，在盾构开挖停止状态下，启动水泥浆注浆泵送管将水泥浆压送至中盾径向注浆孔(602)，并按公式三计算的体积V使水泥浆以设定压力和速度均匀喷射注入壳膜外环(41)与盾体外壳之间的盾体外间隙以形成水泥内环部分结构；
盾构开挖推进，再启动水泥浆注浆泵送管将水泥浆压送至中盾径向注浆孔(602)，以使水泥浆以设定压力和速度均匀补充喷射注入后盾(63)与水泥内环部分结构之间的间隙以成型出第二注浆双环道(50)。
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