CN112253162B - 一种富水砂层大直径顶管群进出洞加固结构及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种富水砂层大直径顶管群进出洞加固结构及施工方法，包括地下连续墙、高压旋喷桩，地下连续墙设置在始发井和接收井的边缘位置处，地下连续墙深度至顶管机底部标高以下；在始发井和接收井内侧中部设置钻孔灌注桩，钻孔灌注桩与地下连续墙同深度，地下连续墙之间采用横撑支撑，横撑和钻孔灌注桩固定连接；高压旋喷桩设置在顶管群进出洞及地下连续墙外侧，高压旋喷桩设置为梅花式咬合的排状结构，与地下连续墙并行布置；本发明对大直径顶管群进出洞进行加固处理，不但提高了进出洞口的加固效率，简化加工工艺步骤，而且大大提高了地层加固的质量，施工难度和施工成本降低，保证了工程的工期、质量性和经济性。
Description
技术领域
本发明涉及多排顶管施工技术领域，具体涉及一种富水砂层大直径顶管群进出洞加固结构及施工方法。
背景技术
随着城市化的不断进行，顶管施工在城市管网中的应用越来越广泛和系统化，对于富水砂层地区，大直径顶管群在顶管进出洞过程中经常会出现工程质量缺陷等问题。富水砂层作为一种力学不稳定地层，其地层流动性大，容易造成大范围的地层扰动，在施工时，地表沉降不易控制，大直径顶管群在进出洞口时，是施工风险较大的关键过程。因此，大直径顶管群进出洞加固是工程的难点之一，进出洞加固方法显得尤为重要。
在富水砂层地区顶管施工，常在出进出洞口发生渗流、管涌、流土，严重时，甚至造成土体失稳、基坑的坍塌等现象。加固是顶管始发、接收技术的一个重要组成部分，是指对顶管机进出工作井部位的地层加固。加固的主要目的是：提高工作井区土体强度，控制地表沉降；防止由渗流引发的管涌、流土；提高洞口端头土体的承载能力。在一般的软土地层中，多采用深层搅拌桩、冻结法等加固技术。当地质条件为复杂时，常规搅拌桩加固技术在复杂地质条件下难以成桩；冷冻法施工成本过高、施工难度大且工期长。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种富水砂层大直径顶管群进出洞加固结构，包括地下连续墙、高压旋喷桩，所述地下连续墙设置在始发井和接收井的边缘位置处，所述地下连续墙深度至顶管机底部标高以下，在所述始发井和所述接收井内侧中部设置钻孔灌注桩，所述钻孔灌注桩与所述地下连续墙同深度，所述地下连续墙之间采用横撑支撑；所述横撑和所述钻孔灌注桩固定连接；所述高压旋喷桩设置在顶管群进出洞及所述地下连续墙外侧，所述高压旋喷桩设置为梅花式咬合的两排，与所述地下连续墙并行布置，且与所述地下连续墙之间设置间距，所述高压旋喷桩深度超出顶管机底部，宽度沿所述地下连续墙超出顶管机。
较佳的，所述地下连续墙厚度为0.8m。
较佳的，所述顶管群进出洞前方地表土层进行加固硬化处理，并在所述高压旋喷桩及所述地下连续墙外侧均匀设置降水井。
较佳的，所述地下连续墙的埋深超出顶管机群底部标高的10m。
较佳的，所述高压旋喷桩群的宽度超出顶管机宽度的一半，所述高压旋喷桩深度超出顶管机底部5m。
较佳的，所述高压旋喷桩高度超出顶管机标高的一倍，与所述地下连续墙的间距为0.5m。
较佳的，一种所述富水砂层大直径顶管群进出洞加固结构的施工方法，包括步骤：
S1，确定加固要求及区域；
S2，地表加固处理；
S3，工作井内加固处理；
S4，顶管进出洞端头加固。
S5，顶管进出质量控制。
较佳的，在步骤S2中，在场区边缘沿着地下水流势走向均匀对称设置所述降水井，所述降水井深度为顶管机顶进隧道底部以下2m。
较佳的，所述降水井设置完成后进行地表整平，加固采用对场区清理并对地表注浆硬化处理，注浆采用水泥单浆液。
较佳的，在步骤S3中，在工作井外缘进行所述地下连续墙施工，所述地下连续墙施工完成后，在所述工作井内部中心对称施工所述钻孔灌注桩，所述钻孔灌注桩采用泥浆护壁成孔，后采用三序成槽的方式进行所述工作井的开挖，开挖采用分步开挖，由两边向中间对称开挖，在开挖设计标高后设置所述横撑，并施工所述工作井底板。
较佳的，在步骤S5中，所述顶管群进出洞的洞口设置止水圈，所述止水圈内嵌在内衬结构和围护结构，所述围护结构为地下连续墙，所述内衬结构为地下连续墙向工作井延伸的混凝土加固结构；所述止水圈包括预埋钢环、压板、橡胶圈和安装钢环，所述压板和所述橡胶圈设置在所述预埋钢环和所述安装钢环之间，在设置所述围护结构时，预埋所述预埋钢环，所述预埋钢环内部凿除后形成预留洞口，所述预埋钢环的内径同预留洞口一样大小；所述预埋钢环内设置环形钢筋混凝土保护圈，所述橡胶圈设置在所述工作井一侧，并通过所述压板对所述橡胶圈进行压紧。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：本发明对大直径顶管群进出洞进行加固处理，不但提高了进出洞口的加固效率，简化加工工艺步骤，而且大大提高了地层加固的质量，施工难度和施工成本降低，保证了工程的工期、质量性和经济性。
附图说明
图1为所述富水砂层大直径顶管群进出洞加固结构的结构视图；
图2为所述始发井的结构视图；
图3为所述高压旋喷桩的梅花式咬合结构图；
图4为顶管进出洞加固构造图；
图5为所述富水砂层大直径顶管群进出洞加固结构的施工方法的流程图。
图中数字表示：
1-降水井；2-地下连续墙；3-横撑；4-钻孔灌注桩；5-高压旋喷桩；6-第一进洞口；7-第二进洞口；8-第三进洞口；9-始发井；10-接收井；11-工作井底板；12-洞口处；13-内衬结构；14-围护结构；15-预埋钢环；16-环形钢筋混凝土保护圈；17-经加固的土体；18-安装钢环； 19-压板；20-橡胶圈；61-第一出洞口；71-第二出洞口；81-第三出洞口。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例一
本发明所述富水砂层大直径顶管群进出洞加固结构包括地下连续墙、高压旋喷桩，所述地下连续墙设置在始发井和接收井的边缘位置处，且所述地下连续墙厚度为0.8m，所述地下连续墙深度至顶管机底部标高以下10m，从而有效的形成止水帷幕，相对的所述地下连续墙采用横撑支撑。
较佳的，在所述始发井和所述接收井内侧中部设置一排两根直径为0.6m的C30钻孔灌注桩，所述钻孔灌注桩与所述地下连续墙同深度，均为顶管机底部标高以下10m，所述横撑和所述钻孔灌注桩固定连接，从而通过所述钻孔灌注桩加固支撑井内的所述横撑。
所述高压旋喷桩设置在顶管群进出洞及所述地下连续墙外侧，单根所述高压旋喷桩的直径为0.6m，一般设置为梅花式咬合的两排，与所述地下连续墙并行布置，且与所述地下连续墙之间的距离设置为0.5m，所述高压旋喷桩深度超出顶管机底部5m，宽度沿所述地下连续墙超出顶管机2m。
较佳的，所述顶管群进出洞前方地表土层进行加固硬化处理，并在所述高压旋喷桩及所述地下连续墙外侧均匀设置直径1.6m的降水井，用以降排水，基坑开挖深12m，为有效达到富水砂层降水效果，降水井深度超出坑底10m。
本发明所述富水砂层大直径顶管群进出洞加固结构是一种适用于富水砂层顶管施工隧道。主要利用降水井、高压旋喷咬合桩、地下连续墙等体系，对顶管始发井和接收井区间内的土体进行加固，来实现顶管机群在富水砂层进出洞的加固方法。通过高压旋喷咬合桩和工作井的围护结构，对始发井的前端和接收井的后端外缘土体进行加固，形成致密连续和刚性的支护体系，并配以降水井起到围护和止水的作用。外侧增设的高压旋喷咬合桩，可以有效地弥补因顶管机群开洞顶进过程中所造成的水土流失、地层不稳问题。本顶管机直径3.5m，下穿富水砂层，采用此发明方法不但提高了进出洞口的加固效率，简化加工工艺步骤，而且大大提高了地层加固的质量和施工安全性，施工难度和施工成本降低，能满足不同地层的顶管机群施工。
实施例二
如图1所示，图1为所述富水砂层大直径顶管群进出洞加固结构的结构视图；本实施例通过实际案例进行解释说明；
三台顶管机在始发井9内进行拼装，分别由第一进洞口6、第二进洞口7、第三进洞口8 从左向右顶进，再由第一出洞口61、第二出洞口71、第三出洞口81到达接收井。
顶管机群取出所述始发井9称为出洞，顶管机群进入所述接收井10称为进洞，如此就完成了一个循环。
如图2所示，图2为所述始发井的结构视图；本发明富水砂层大直径顶管群进出洞加固结构主要是对所述始发井9和所述接收井10之间土层进行土层加固，另对工作井即所述始发井9和所述接收井10内施做所述支撑3和所述钻孔灌注桩4对所述地下连续墙2进行井内加固。所述地下连续墙2底部设置工作井底板11，所述地下连续墙2、所述高压旋喷桩5和所述钻孔灌注桩4均深入所述工作井底板11以下。
所述降水井1直径为1.6m，沿工作井均匀布置。
如图3所示，图3为所述高压旋喷桩的梅花式咬合结构图；所述高压旋喷桩5直径为0.6m，采用梅花式两排并列咬合成桩，与所述地下连续墙2顶进洞口并列设置，靠近所述地下连续墙2的一排高压旋喷桩5的排间距离为0.5m，注浆材料为普硅42.5水泥，水泥浆(单液)，水灰比为1∶1的抗渗浆液，如此整个地层可以得到有效加固，与所述地下连续墙2形成一个致密整体，防止所述始发井9和所述接收井10破洞时的管涌和渗流。
同时控制所述高压旋喷桩5的水泥用量少于所述地下连续墙2的水泥用量，确保加固的土体强度在1.2MPa～1.5MPa，可以确保顶管机群的正常顶进，避免顶进刀盘难以破桩。
所述地下连续墙2入土深度是顶管机群底部标高的两倍，可以很好的形成止水帷幕，防止基底涌起。
所述始发井9和所述接收井10的井内横撑3为钢筋混凝土结构，起着对所述地下连续墙的支撑作用，抵抗土压力，所述横撑3主要由所述钻孔灌注桩4来承重、维稳，其组合支撑体系也可用于顶管设备的吊运和安装。
在所述始发井9和所述接收井10外缘土层，沿着地下水流势方向设置降水井1，进行井点降水，增强土体强度，提高洞门的密闭性。
在所述始发井9和所述接收井10的边缘采用地下连续墙工法形成围护结构，所述地下连续墙2厚为0.8m，入土深度是顶管机群底部标高的两倍，可以形成止水帷幕，有效的防止水土渗流进入所述始发井9和所述接收井10。地下连续墙顶部制作截面尺寸为1m*0.8m的圈梁，使地下连续墙形成整体。地下连续墙接头形式采用刚性接头十字钢板进行接缝。
在所述始发井9和所述接收井10的周边地下连续墙施工完成后，施工内部横撑3和钻孔灌注桩4，所述横撑3用于维持工作井的稳定，阻止由外部土压力所造成的地下连续墙2向内变形，防止坍塌。所述钻孔灌注桩4直径为0.6m，采用42.5级以上普通硅酸盐水泥，C30混凝土，用以所述始发井9和所述接收井10内横撑和吊运设备的承重。
在始发井9的前端即顶管机群出洞的一侧，接收井10的前端即顶管机群进洞的一侧间的土层进行加固。在加固区域地表进行硬化处理，采用高压旋喷桩法进行地层加固和隔水，采用42.5级以上普通硅酸盐水泥，等级为C20，采用梅花式间隔咬合布置，直径为0.6m。所述高压旋喷桩与始发井出洞一侧地下连续墙和接收井进洞一侧地下连续墙间隔0.5m，所述高压旋喷桩群超出宽度是顶管及直径的一半，所述高压旋喷桩群深度超出顶管机标高的一倍，并能穿过透水层，在高压旋喷桩施工时，可有效与地下连续墙形成一个致密整体。
实施例三
如图4所示，图4为所述顶管进出洞加固构造图，所述洞口12设置有止水圈，所述洞口 12为所述顶管群进出洞的洞口，所述止水圈内嵌在内衬结构13和围护结构14，所述围护结构14为地下连续墙，所述内衬结构13为地下连续墙向工作井延伸的混凝土加固结构。图中经加固的土体17可以为所述高压旋喷桩5。
所述止水圈包括预埋钢环15、压板19、橡胶圈20和安装钢环18，所述压板19和所述橡胶圈20设置在所述预埋钢环15和所述安装钢环18之间，在设置所述围护结构14时，预埋所述预埋钢环15，所述预埋钢环15内部凿除后形成预留洞口，所述预埋钢环的内径同预留洞口一样大小。在所述止水圈长度较长的情况下，所述预埋钢环15内还可设置环形钢筋混凝土保护圈16，采用所述环形钢筋混凝土保护圈16替代部分所述橡胶圈20，所述橡胶圈20设置在所述工作井一侧，并通过所述压板19对所述橡胶圈20进行压紧，从而保证所述预埋钢环15和所述安装钢环18之间密封效果良好。
为了使所述预埋钢环15能牢固地预埋在洞口井壁上，在它与混凝土接触的一面焊接数根开叉的锚杆，主要是方便顶管机出洞时凿除地连墙洞门，稳固地连续墙上部结构，不使其他部位受到洞门凿除的影响；在所述安装钢环18上焊数根螺栓用来安装所述橡胶圈20和所述压板19，所述压板19用来固定所述橡胶圈20的位置，防止其发生变形移位。
较佳的，所述橡胶圈20和所述环形钢筋混凝土保护圈16连接位置处设置卡接结构，通过所述卡接结构实现所述橡胶圈20和所述环形钢筋混凝土保护圈16之间的咬合，形成柔性和刚性搭接，所述橡胶圈20置于洞门口处，由其弹性膨胀特性，可以更好的密封管节与上部结构，防止渗水。
实施例四
如图5所示，图5为所述富水砂层大直径顶管群进出洞加固结构的施工方法的流程图；本发明所述富水砂层大直径顶管群进出洞加固结构的施工方法，包括以下步骤：
S1，确定加固要求及区域；
本地层为富水砂层，测得地下水位埋深1.3～7.6米，水位标高4.5～20.0米。人工素填土土体渗透系数≤1.00×10-5cm/s，属于中等透水等级，故地层表面只需简单注浆硬化处理。底部粉砂、中砂、强风化玄武岩和粗砂层，其渗透系数k，1.10×10-2cm/s≤k≤1.08×10-3cm/s，属强透水层，水理性质较差，存在渗透变形稳定问题，属于较不稳定土层，易于发生渗透变形，故加固要求较高，要使土体形成致密连续土层，不发生流塑现象。根据设计要求确定地层加固要求，保证地层的稳定性。
本顶管机直径为3.5m，考虑到顶管机群设备的吊运安装和顶进后背的制作，设置工作井的开挖设计为：工作井长24.1m，宽11.4m，以此来确定场区加固区域。
S2，地表加固处理；
首先在场区边缘沿着地下水流势走向均匀对称设置直径1.6m的降水井，设计标准值只需将坑底降水，降到坑底0.5m以下，本工程考虑到土层主要为粉砂、中砂、粗砂、粉质粘土和强风化玄武岩，降水井深度为顶管机顶进隧道底部以下10m。
然后进行地表整平，加固采用对场区清理并对地表注浆硬化处理，注浆采用水泥单浆液，按设计要求提供场区材料、进场设备。
S3，工作井内加固处理；
工作井长24.1m，宽11.4m。围护结构采用地下连续墙+1.0m×0.8m钢筋混凝土内支撑体系，连续墙宽80cm，8幅标准“-”段，4幅异型“L”段，标准段宽度为6m，异型段宽度为5.75m，
工作井外缘采用0.8m厚的地下连续墙，地下连续墙的施工包括按设计图纸测量定位、放样画线、顶部基槽开挖、施做导墙、泥浆护壁系统、深层沟槽开挖、下放钢筋笼浇筑混凝土、拔出导管。地下连续墙顶部制作截面尺寸为1m*0.8m的圈梁，使地下连续墙形成整体。地下连续墙接头形式采用刚性接头十字钢板进行接缝。
接着在工作井内部中心对称施工一排两根间距6m的C30钻孔灌注桩，采用泥浆护壁成孔，直径0.6m。泥浆系统采用膨润土制备的泥浆循环系统，配以泥浆池，钻孔采用冲击钻成孔。然后进行工作井的开挖，开挖采用分步开挖，由两边向中间对称开挖，采用三序成槽的方式，开挖过程中实时监测、随偏随纠，然后在开挖标高9.5m处设置钢筋混凝土水平横撑和水平纵向支撑，本工程支撑均为永久支撑，不涉及换拆撑工艺。接着施工底板结构，采用素混凝土垫层封底，一次性浇筑完成，紧接着用钢筋混凝土结构施做底板，施工缝位于底板侧墙上方1.2m处。
S4，顶管进出洞端头加固；
所述顶管进出洞端头加固采用高压旋喷桩加固，根据富水砂层特性，设计高压旋喷桩的直径和间距，旋喷桩采用单管法，在砂土中单管法设计直径为0.6～1.0m，考虑其经济合理性和相互搭接连续性，桩径采用0.6m，采用二排注浆孔；孔距标准设计值为0.866R，故桩间孔距取0.5m；排距设计值为0.75R，故排距取0.45m，采用普通硅酸盐42.5水泥，水泥单浆液水灰比1∶1，进行同步注浆和跟进补浆过程，控制注浆速率和均匀程度；在始发井出洞外侧和接收井进洞外侧采用梅花式双排咬合布置，其具体布置方式按图3中“Z”型布置，按图中“a-b-c-d-e-f-g”施工顺序搭接咬合，咬合搭接可以有效地形成整体搭接；高压旋喷桩施工包括测量放线、确定孔位、钻机造孔、清孔、喷浆作业。
在步骤S4中，施工高压旋喷桩之前应先进行高压旋喷桩工艺性试桩试验，根据高压旋喷桩工艺性试验确定了高压旋喷施工技术参数，作为项目高压旋喷桩施工的技术参数依据，从而保证高压旋喷桩的施工质量。
S5，在洞口安装止水圈，洞口止水圈主要由预埋钢环、压板、橡胶圈和安装钢环组成。为了使预埋钢环能牢固地预埋在洞口井壁上，在它与混凝土接触的一面焊接数根开叉的锚杆，预埋钢环的内径同预留洞口一样大小；安装钢环是焊在预埋钢环上的，在安装钢环上焊数根螺栓用来安装橡胶圈和压板。
安装位置要根据出洞轴心位置进行调整，由于顶管出洞时不可避免有一定偏离出洞轴线位置，止水圈允许机头有2cm轴线位置，若机头偏差超过2cm，止水圈的安装位置必须根据实际偏差进行调整。
机头的直径一般比管外径大2cm，使得管与洞之间有2cm的空隙，容易形成泥浆套，便于减少管壁与土之间的摩擦阻力。管环长度采用2.6m，使首节管环完全顶进后，其断面处在旋喷桩加固区柱断面处。
考虑到地下连续墙厚0.8m，旋喷桩直径0.6m，二排排距0.45m，为防止首管破洞顶进出现洞口流土现象，管环长度采用2.6m，使首节管环完全顶进后，其断面处在旋喷桩加固区柱断面处。
较佳的，所述地下连续墙的埋深超出顶管机群底部标高的10m，可以有效形成止水帷幕。
较佳的，所述高压旋喷桩群的宽度超出顶管机宽度的一半。
较佳的，所述高压旋喷桩高度超出顶管机标高一倍，与所述地下连续墙的间距为0.5m，可以与之有效结合加固洞口前方土层。
高压旋喷桩所用的材料为水泥浆，利用高压经过旋转的喷嘴将水泥浆喷入土层与土体混合形成水泥土加固体，相互搭接形成排桩，用来挡土和止水，减少了架设临时支护这一工序。提高顶管机进出洞的效率，降低进出洞的成本。
通过本发明方法对大直径顶管群进出洞进行加固处理，不但提高了进出洞口的加固效率，简化加工工艺步骤，而且大大提高了地层加固的质量，施工难度和施工成本降低，保证了工程的工期、质量性和经济性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种富水砂层大直径顶管群进出洞加固结构，其特征在于，包括地下连续墙、高压旋喷桩，所述地下连续墙设置在始发井和接收井的边缘位置处，所述地下连续墙深度至顶管机底部标高以下；在所述始发井和所述接收井内侧中部设置钻孔灌注桩，所述钻孔灌注桩与所述地下连续墙同深度，所述地下连续墙之间采用横撑支撑，所述横撑和所述钻孔灌注桩固定连接；所述高压旋喷桩设置在顶管群进出洞及所述地下连续墙外侧，所述高压旋喷桩设置为梅花式咬合的排状结构，与所述地下连续墙并行布置，且与所述地下连续墙之间设置间距，所述高压旋喷桩深度超出顶管机底部，宽度沿所述地下连续墙超出顶管机；
所述顶管群进出洞的洞口设置止水圈，所述止水圈内嵌在内衬结构和围护结构，所述围护结构为地下连续墙，所述内衬结构为地下连续墙向工作井延伸的混凝土加固结构；所述止水圈包括预埋钢环、压板、橡胶圈和安装钢环，所述压板和所述橡胶圈设置在所述预埋钢环和所述安装钢环之间，在设置所述围护结构时，预埋所述预埋钢环，所述预埋钢环内部凿除后形成预留洞口，所述预埋钢环的内径同预留洞口一样大小；所述预埋钢环内设置环形钢筋混凝土保护圈，所述橡胶圈设置在所述工作井一侧，并通过所述压板对所述橡胶圈进行压紧；
所述高压旋喷桩及所述地下连续墙外侧均匀设置有降水井。
2.如权利要求1所述的富水砂层大直径顶管群进出洞加固结构，其特征在于，所述地下连续墙厚度为0.6m～1m。
3.如权利要求1所述的富水砂层大直径顶管群进出洞加固结构，其特征在于，所述顶管群进出洞前方地表土层进行加固硬化处理。
4.如权利要求1所述的富水砂层大直径顶管群进出洞加固结构，其特征在于，所述地下连续墙的埋深超出顶管机群底部标高的10m。
5.如权利要求1所述的富水砂层大直径顶管群进出洞加固结构，其特征在于，所述高压旋喷桩群的宽度超出顶管机宽度的一半，所述高压旋喷桩深度超出顶管机底部5m。
6.如权利要求1所述的富水砂层大直径顶管群进出洞加固结构，其特征在于，所述高压旋喷桩高度超出顶管机标高的一倍，与所述地下连续墙的间距为0.5m。
7.一种如权利要求1-6中任一项所述的富水砂层大直径顶管群进出洞加固结构的施工方法，其特征在于，包括步骤：
S1，确定加固要求及区域；
S2，地表加固处理；
S3，工作井内加固处理；
S4，顶管进出洞端头加固；
S5，顶管进出质量控制。
8.如权利要求7所述的施工方法，其特征在于，在步骤S2中，在场区边缘沿着地下水流势走向均匀对称设置所述降水井，所述降水井深度为顶管机顶进隧道底部以下10m；所述降水井设置完成后进行地表整平，加固采用对场区清理并对地表注浆硬化处理，注浆采用水泥单浆液。
9.如权利要求7所述的施工方法，其特征在于，在步骤S3中，在工作井外缘进行所述地下连续墙施工，所述地下连续墙施工完成后，在所述工作井内部中心对称施工所述钻孔灌注桩，所述钻孔灌注桩采用泥浆护壁成孔，后采用三序成槽的方式进行所述工作井的开挖，开挖采用分步开挖，由两边向中间对称开挖，在开挖设计标高后设置所述横撑，并施工工作井底板。
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