CN111502672B - 盾构刀盘开仓前地层加固的施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种盾构刀盘开仓前地层加固的施工方法，包括如下步骤：于盾构机的设计换刀位置处施工横通道，所形成的横通道位于所述盾构机待挖掘形成的隧道的上方；以及于所述横通道的底部对应所述盾构机待通过的位置施工注浆孔，并向所述注浆孔内进行注浆以形成加固桩，从而利用所形成的加固桩加固位于所述盾构机待通过的位置处的土体。本发明利用横通道作为加固土体的施工作业面，于横通道的底部对应的加固盾构机刀盘前方的土体，以确保刀盘开仓的施工安全。解决了现有地面处的已存在的建构筑物影响地面垂直加固的问题。

Description

盾构刀盘开仓前地层加固的施工方法

技术领域

本发明涉及盾构施工技术领域，特指一种盾构刀盘开仓前地层加固的施工方法。

背景技术

在盾构长掘进过程中，难免会出现盾构机刀盘磨损需要中途开仓换刀的情况，正常情况下在盾构机刀盘前上方地面垂直加固即可完成，但是大多数盾构掘进都会穿越城市道路、地面建筑物或构筑物，在这样的条件下就无法完成地面垂直加固的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种盾构刀盘开仓前地层加固的施工方法，解决地面既有建筑物的存在使得无法完成地面垂直加固土体的问题。

实现上述目的的技术方案是：

本发明提供了一种盾构刀盘开仓前地层加固的施工方法，包括如下步骤：

于盾构机的设计换刀位置处施工横通道，所形成的横通道位于所述盾构机待挖掘形成的隧道的上方；以及

于所述横通道的底部对应所述盾构机待通过的位置施工注浆孔，并向所述注浆孔内进行注浆以形成加固桩，从而利用所形成的加固桩加固位于所述盾构机待通过的位置处的土体。

本发明的施工方法在盾构机上方施工横通道，利用该横通道作为加固土体的施工作业面，于横通道的底部对应的加固盾构机刀盘前方的土体，以确保刀盘开仓的施工安全。解决了现有地面处的已存在的建构筑物影响地面垂直加固的问题。本发明在狭小的横通道内对盾构机刀盘前方的土体进行加固，可使用小型设备进行钻孔注浆，降低了设备成本。另外本发明的施工方法可提前在盾构机设计换刀位置处进行施工，也即在盾构机还未掘进到该设计换刀位置处时就可以先行施工，从而提高了施工效率，待盾构机掘进到该设计换刀位置处时，土体已经加固完成，不会影响盾构机的施工进度。

本发明的施工方法的进一步改进在于，施工横通道的步骤包括：

于地面对应盾构机的设计换刀位置处施工一竖井，施工所形成的竖井位于所述盾构机待通过的位置的旁侧，且所述竖井的底部标高低于待施工的横通道的底部标高；

于所述竖井的侧壁挖掘土体以形成横通道。

本发明的施工方法的进一步改进在于，施工注浆孔前进行注浆孔的设计，包括：

于所述横通道的底部设计多排注浆孔，每一排注浆孔的设置方向与盾构机的掘进方向相同，且每一排注浆孔均包括位于中部的两个竖直孔和位于两个竖直孔两侧的多个斜向孔，靠近所述竖直孔的斜向孔的深度与所述竖直孔的深度相一致，远离所述竖直孔的深度小于所述竖直孔的深度。

本发明的施工方法的进一步改进在于，施工注浆孔及加固桩时，令同一排中相邻的两个加固桩间相互咬合，各排中相邻的两个加固桩间也相互咬合。

本发明的施工方法的进一步改进在于，施工注浆孔及加固桩时，采用由外侧向内侧的顺序进行施工：

针对同一排的加固桩，先施工位于外侧斜向孔及加固桩，最后施工位于内侧的竖直孔及加固桩，且间隔施工各加固桩；

针对不同排的加固桩，先施工对应待形成的隧道外侧的加固桩，最后施工对应待形成的隧道内侧的加固桩，且间隔施工各加固桩。

本发明的施工方法的进一步改进在于，采用同步双液注浆机进行注浆，且注浆浆液包括第一注浆浆液和第二注浆浆液，所述第一注浆浆液包括水玻璃和磷酸，所述第二注浆浆液包括水玻璃和水泥浆；

先注入所述第一注浆浆液进行排水，再注入第二注浆浆液形成所述加固桩。

本发明的施工方法的进一步改进在于，还包括：

于土体加固区域内施工检修孔；

待盾构机掘进至所述检修孔处时，利用所述检修孔对所述盾构机的刀盘进行换刀作业。

附图说明

图1为本发明盾构刀盘开仓前地层加固的施工方法的流程图。

图2为本发明盾构刀盘开仓前地层加固的施工方法中横通道与盾构机掘进形成隧道的剖视图。

图3为本发明盾构刀盘开仓前地层加固的施工方法中横通道处加固桩的俯视图。

图4为本发明盾构刀盘开仓前地层加固的施工方法的中加固桩的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参阅图1，本发明提供了一种盾构刀盘开仓前地层加固的施工方法，用于解决在地面由于既有建构筑物的存在而无法完成地面垂直加固土体的问题。本发明的施工方法采用横通道作为加固土体施工的作业面，该横通道设于盾构机掘进形成的隧道的上方，对盾构机刀盘换刀时的前方土体进行加固时，于横通道的底部进行钻孔注浆加固，避开了地面处的既有建构筑物，解决地面无法垂直加固土体的问题。且利用横通道进行土体加固的施工，能够预先施工，即在盾构机还未掘进至该换刀位置处时先将土体加固完成，待盾构机掘进到该换刀位置时，直接进行换刀作业即可，提高了施工效率。下面结合附图对本发明盾构刀盘开仓前地层加固的施工方法进行说明。

参阅图1，显示了本发明盾构刀盘开仓前地层加固的施工方法的流程图。参阅图2，显示了本发明盾构刀盘开仓前地层加固的施工方法中横通道与盾构机掘进形成隧道的剖视图。下面结合图1和图2，对本发明盾构刀盘开仓前地层加固的施工方法进行说明。

如图1和图2所示，本发明的盾构刀盘开仓前地层加固的施工方法，包括如下步骤：

执行步骤S11，于盾构机的设计换刀位置处施工横通道22，所形成的横通道22位于盾构机待挖掘形成的隧道31,32的上方；其中的隧道31为左线隧道，隧道32为右线隧道；接着执行步骤S12；

执行步骤S12，于横通道22的底部对应盾构机待通过的位置施工注浆孔，并向注浆孔内进行注浆以形成加固桩，从而利用所形成的加固桩加固位于盾构机待通过的位置处的土体，形成土体加固区域23。

盾构机掘进施工的距离较长，其刀盘上的刀具会发生磨损，故而需要更换刀具，在盾构机掘进中途开仓进行刀具检修时，需要确保开仓工作安全进行，也即需要保证开仓前地层加固效果好，为开仓提供安全稳定的环境。在盾构机掘进路线上根据刀具磨损经验预先设计处多个设计换刀位置，在盾构机掘进至该设计换刀位置处时就进行刀具检修与更换，而本发明的施工方法就是为刀具检修提供准备，在盾构机掘进至该设计换刀位置前，就对该设计换刀位置处的土体进行加固，该土体加固区域23位于盾构机刀盘的前方，在盾构机掘进至该设计换刀位置处时，土体加固区域23为盾构机刀盘提供了稳定可靠的检修环境。且本发明的施工方法可提前施工，不会影响盾构机的掘进施工，避免影响施工进度，从而提高了施工效率。

在本发明的一种具体实施方式中，如图2所示，施工横通道22的步骤包括：

于地面对应盾构机的设计换刀位置处施工一竖井21，施工所形成的竖井21位于盾构机待通过的位置的旁侧，且竖井21的底部标高低于待施工的横通道22的底部标高；

于竖井21的侧壁挖掘土体以形成横通道22。

因隧道31，32上方的地面处存有既有建构筑物，无法在地面处进行土体加固，竖井21和横通道22可避开地面的既有建构筑物，竖井21设于隧道31，32的旁侧，该竖井21由地面向上挖掘形成，利用竖井21施工横通道22，该横通道22位于待形成的隧道31,32的上方，利用横通道22为加固桩提供施工作业面，对土体进行加固，实现加固待掘进至该位置处的盾构机刀盘前方的土体。

在换刀作业时，需要对盾构机刀盘前方一定范围内的土体进行加固，故根据加固范围设计横通道22的标高，以满足土体加固范围的要求。

在本发明的一种具体实施方式中，如图3和图4所示，施工注浆孔前进行注浆孔的设计，包括：

于横通道22的底部设计多排注浆孔，每一排注浆孔的设置方向与盾构机的掘进方向相同，且每一排注浆孔均包括位于中部的两个竖直孔和位于两个竖直孔两侧的多个斜向孔，靠近竖直孔的斜向孔的深度与竖直孔的深度相一致，远离竖直孔的深度小于竖直孔的深度。

其中竖直孔处注浆形成竖直加固桩241，斜向孔处注浆形成斜向加固桩242。横通道22的截面呈圆形，注浆孔设于横通道22的下部，即在横通道22的底部并排设置两个竖直孔，在横通道22的底部靠近侧部的位置顺次设置深度由深至浅的斜向孔，如此可在隧道31,32的前方形成全断面的土体加固区域23，确保刀具检修安全。土体加固区域23的截面尺寸大于隧道31,32的截面尺寸。

进一步地，施工注浆孔及加固桩24时，令同一排中相邻的两个加固桩24间相互咬合，各排中相邻的两个加固桩间24也相互咬合。向注浆孔内注浆施工形成加固桩24时，根据地层实际情况确定浆液扩散半径，从而确定注浆孔的尺寸及具体的排布位置，这样就可以确定注浆施工后形成的加固桩24的直径。

再进一步地，施工注浆孔及加固桩24时，采用由外侧向内侧的顺序进行施工：

针对同一排的加固桩24，先施工位于外侧斜向孔及加固桩，最后施工位于内侧的竖直孔及加固桩，且间隔施工各加固桩；

针对不同排的加固桩24，先施工对应待形成的隧道外侧的加固桩，最后施工对应待形成的隧道内侧的加固桩，且间隔施工各加固桩。

具体地，在施工加固桩24时，先施工最外周的加固桩，且加固桩均采用间隔施工的方法，即先施工两侧的加固桩，而后再施工已施工好的两个加固桩中间的加固桩，该加固桩形成后就与其两侧的加固桩相咬合。由外周向内侧逐步的施工加固桩，利用外周施工好的加固桩作为土体加固区域23的围墙，而后施工内侧的加固桩时，围墙可有效的约束注浆，提高注浆效果，也提高了土体加固的效果。

在本发明的一种具体实施方式中，采用同步双液注浆机进行注浆，且注浆浆液包括第一注浆浆液和第二注浆浆液，第一注浆浆液包括水玻璃和磷酸，第二注浆浆液包括水玻璃和水泥浆；

先注入第一注浆浆液进行排水，再注入第二注浆浆液形成加固桩。

第一注浆浆液可将土层颗粒中的水强迫排除，第二注浆浆液可使土层粘接力、内摩擦角增大，从而起到加固隔水的作用。

较佳地，注浆加固工艺流程包括：先定位孔位，再钻孔，配浆，注浆，回抽一节钻孔，继续注浆，再回抽一节钻孔，再继续注浆如此往复直至注浆结束。定位孔位时，根据设计要求，对准孔位，不同入射角度钻进，要求孔位偏差为±3cm，入射角度偏差不大于1°。钻机就位，调整钻杆的垂直度，对准孔位后，钻机不得移位，也不得随意起降。钻杆采用多节连接形成，每节钻杆为1m。钻进成孔施工，第一个孔施工时，要慢速运转，掌握地层对钻机的影响情况，以确定在该地层条件下的钻进参数。密切观察溢水出水情况，出现大量溢水出水时，应立即停钻，分析原因后再进行施工。每钻进一段，检查一段，及时纠偏，孔底位置应小于30cm。钻孔和注浆顺序由外向内，同一圈孔间隔施工；回抽钻杆：严格控制提升幅度，每步不大于15-20cm，匀速回抽，注意注浆参数变化。浆液配比：采用经计量准确的计量工具，按照设计配方配料进行配比。注浆：注浆孔开孔直径不小于45mm，严格控制注浆压力，同时密切关注注浆量，当压力突然上升或从孔壁、断面砂层溢浆时，应立即停止注浆，查明原因后采取调整注浆参数或移位等措施重新注浆。容易造成坍孔时，采用前进式注浆，否则采用后退式注浆，标准配合比如表1所示：

表1浆液标准配合比

在本发明的一种具体实施方式中，如图2所示，还包括：

于土体加固区域23内施工检修孔25；

待盾构机掘进至检修孔25处时，利用检修孔25对盾构机的刀盘进行换刀作业。

结合图2和图3所示，检修孔25的设置位置对应盾构机刀盘的中心位置，检修孔25的深度与刀盘中部的位置相一致，也可略低于刀盘的中部，如此在检修刀盘上的刀具时，可通过旋转刀盘就能够在检修孔25处检修到所有的刀具。检修孔25设置在土体加固区域23内，土体加固区域23能够为检修孔25提供较稳定的支撑，避免检修孔25发生塌孔。

在本发明的一种具体实施方式中，注浆顺序遵循由外侧到内侧：由外到内进行注浆，宜将注浆区域围住形成注浆区域的极密、压实，有效地实现约束注浆，提高注浆效果。注浆由下层到上层：在注浆施工中，由于浆液存在重力作用，钻孔中泥砂也会对下部造成堆积，宜采用由下至上的逐步提升的注浆顺序。注浆孔位布设应根据地层选择浆液扩散半径取值：具体见下表2：

表2浆液扩散半径取值范围(mm)

注：浆液扩散半径取值应遵循的原则为：(1)地层空隙大，浆液扩散半径宜取高值；(2)地层水压低，浆液扩散半径宜取高值；(3)注浆压力高，浆液扩散半径宜取高值；(4)浆液颗粒细，浆液扩散半径宜取高值；(5)在不同地层界面处，浆液扩散半径宜取低值。

注浆顺序先注外侧斜孔，后注垂直孔。注浆孔直径:42mm；钻杆长度：每节1m；注浆扩散半径750mm(本工程地层属于卵石)。垂直孔以及斜孔加固长度8.4m，深度及宽度为隧道外1m；注浆凝结时间:20～30min；注浆压力:0.1～0.3MPa。

注浆量计算：

由于浆液的扩散半径与围岩孔隙很难精密确定，按以往施工经验及隧道工程地质、水文条件、注浆压力进行注浆量的计算及浆液注入量控制。

总注浆量Q＝V.n.a.β；式中：Q-注浆量m3；V-被加固土体体积m3；N地层孔隙率。

可按照地质勘察报告中给出的地层孔隙率取值，或参考下表3；

表3 地层孔隙率表

名称	孔隙率(％)
		中砂、粗砂、砾砂	33～46
粉砂、细砂	33～49
		粉质沾土	35～50
粘土	41～52.4
		风化岩	5～45

a-地层填充系数，深孔注浆宜取0.6-1.0，小导管注浆及径向注浆宜取0.2～0.5；β-浆液损失系数，宜取1.2～1.4。

注浆压力的选定：

注浆压力是注浆施工中的重要参数，它关系到注浆施工的质量及经济性。因此，正确确定注浆压力和合理运用注浆压力有着重要的意义。

注浆压力与围岩孔隙发育程度、涌水压力、浆液材料的黏度和凝胶时间长短等有关，目前均按经验确定。

(1)按已知的地下水静水压力计算。设计的注浆压力(终压值)为静水压力的2～3倍，最大可达到3～5倍，即p'＜p＜(3～5)p'。

式中：p为设计注浆压力(终压值)，单位MPa；p'为注浆处静水压力，单位MPa。

(2)根据注浆处地层深度计算。设计注浆压力(终压值)

p＝KH。

式中:H为注浆处深度，单位m；K为由注浆深度确定的压力系数，压力系数K的取值如下表4所示。

表4 压力系数取值表

注浆深度H约为4～11m，K的取值为0.023～0.02；P＝0.1～0.3MPa

因此，注浆压力取值范围为0.1～0.3MPa。现场施工过程中注浆前在同等地质条件下，试注浆并记录注浆数据，根据试注浆施工记录及注浆效果确定最终确定注浆压力及配合比。

本发明的施工方法的有益效果为：

提供有限空间竖井横通道内盾构机刀盘开仓前地层加固，减少施工时间，有效加快工期；

工艺步骤简单，加固效果好；

减少大型设备投入，有效利用小型设备，降低成本；

本发明的施工方法适用于有限空间竖井横通道内底板以下地层加固，方法灵活多变，加固范围广阔，特别适合盾构机刀盘开仓检修前的地层加固。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种盾构刀盘开仓前地层加固的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

于盾构机的设计换刀位置处施工横通道，所形成的横通道位于所述盾构机待挖掘形成的隧道的上方；以及

于所述横通道的底部对应所述盾构机待通过的位置施工注浆孔，并向所述注浆孔内进行注浆以形成加固桩，从而利用所形成的加固桩加固位于所述盾构机待通过的位置处的土体；

施工注浆孔前进行注浆孔的设计，包括：

于所述横通道的底部设计多排注浆孔，每一排注浆孔的设置方向与盾构机的掘进方向相同，且每一排注浆孔均包括位于中部的两个竖直孔和位于两个竖直孔两侧的多个斜向孔，靠近所述竖直孔的斜向孔的深度与所述竖直孔的深度相一致，远离所述竖直孔的深度小于所述竖直孔的深度；

施工注浆孔及加固桩时，令同一排中相邻的两个加固桩间相互咬合，各排中相邻的两个加固桩间也相互咬合；

采用由外侧向内侧的顺序进行施工：

针对同一排的加固桩，先施工位于外侧斜向孔及加固桩，最后施工位于内侧的竖直孔及加固桩，且间隔施工各加固桩；

针对不同排的加固桩，先施工对应待形成的隧道外侧的加固桩，最后施工对应待形成的隧道内侧的加固桩，且间隔施工各加固桩。

2.如权利要求1所述的施工方法，其特征在于，施工横通道的步骤包括：

于地面对应盾构机的设计换刀位置处施工一竖井，施工所形成的竖井位于所述盾构机待通过的位置的旁侧，且所述竖井的底部标高低于待施工的横通道的底部标高；

于所述竖井的侧壁挖掘土体以形成横通道。

3.如权利要求1所述的施工方法，其特征在于，采用同步双液注浆机进行注浆，且注浆浆液包括第一注浆浆液和第二注浆浆液，所述第一注浆浆液包括水玻璃和磷酸，所述第二注浆浆液包括水玻璃和水泥浆；

先注入所述第一注浆浆液进行排水，再注入第二注浆浆液形成所述加固桩。

4.如权利要求1所述的施工方法，其特征在于，还包括：

于土体加固区域内施工检修孔；

待盾构机掘进至所述检修孔处时，利用所述检修孔对所述盾构机的刀盘进行换刀作业。

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