CN112302669B - 一种复杂环境条件下地铁盾构到达辅助施工方法及结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复杂环境条件下地铁盾构到达辅助施工方法。它包括如下步骤，步骤一：地面进行高压旋喷桩、垂直冻结加固；步骤二：破除洞门，安装钢套筒并回填，盾构机推进至加固体附近；步骤三：逐个拔除垂直冻结管，盾构逐步掘进穿过加固体并到达钢套筒；步骤四：洞内进行环向注浆；步骤五：拆除钢套筒，吊出盾构机，完成外包洞门结构浇筑。本发明克服了现有技术地下三层车站周边环境限制，因排水箱涵占据高压旋喷桩或搅拌桩加固，洞门破除危险系数高，车站内水平冻结影响地面排水箱涵运营等问题；具有施工风险小，对现有的排水箱涵影响小，对各类地层适应性好的优点。本发明还公开了复杂环境条件下地铁盾构到达辅助结构。
Description
技术领域
本发明涉及地铁盾构隧道技术领域，适用于复杂地质环境条件下的盾构隧道工程，,更具体地说它是一种复杂环境条件下地铁盾构到达辅助施工方法。本发明还涉及复杂环境条件下地铁盾构到达辅助结构。
背景技术
目前随着国内轨道交通的迅猛发展，盾构法工艺凭借着速度快、安全性高、影响小等优势，在隧道工程中的占比越来越高。盾构法隧道在施工过程中，盾构始发、到达阶段为高风险源。尤其是在富水的软土、砂土这类地层时，此类地层具有承压水头高、地层渗透性强等特点，盾构能否顺利到达车站直接影响到工程成败。
目前富水软土地层中的各种盾构到达辅助施工方法，主要作用为挡土、挡水，即在盾构机进入车站期间，外部的水、土不进入车站，具体方法主要分为以下几种：高压旋喷桩或搅拌桩加固、降水(必要时设置U型或口型素地下连续墙辅助)、垂直或水平冻结、站内设置箱形结构或钢套筒。
一般地下两层车站隧道加固区的高压旋喷桩或搅拌桩加固纵向长度一般为6～9m，当隧道埋深较深时，如地下三层车站，纵向长度一般取9～12m(盾构主机+2～3环管片)，必要时设置U型或口型素地下连续墙，如现有专利CN106545005B-一种地铁隧道盾构端头的加固体和加固方法；为提高洞门封水效果，可在隧道开挖范围周边设置垂直冻结或水平冻结；为提高盾构主机到达车站前后安全性，可在站内设置箱型结构或钢套筒，如现有专利CN108533278B-复杂环境强透水地层工况下大直径泥水盾构覆土平衡综合接收施工工法。
以上各种技术方法的场地条件要求、工程投资大小、技术实施难易和风险等各方面均不同，需要根据工程实际情况进行选择。
一般地下三层车站埋深约24～30m，在富水软土地层中盾构到达车站时，常用U型或口型素地下连续墙+高压旋喷桩或搅拌桩加固、降水，必要时在站内设置箱型结构或钢套筒。当加固区周边有管线时，一般需要将管线进行改迁。
当三层地下车站周边环境限制(比如加固区附近排水箱涵无法改迁)，无法布置纵向长度9～12m的高压旋喷桩或搅拌桩加固时，可采用以下三种方案：(1)钢套筒+玻璃纤维筋方案，即车站围护结构采用玻璃纤维筋，车站内设置钢套筒，盾构到达车站时直接切削围护结构并进入钢套筒。(2)水平冻结方案，即在车站内设置水平冻结管，将开洞范围及盾构主机开挖周边冻结。(3)钢套筒+人工破除洞门+高压旋喷桩或三轴搅拌桩加固，如现有专利CN108397206A-富水软土地层中短加固区工况下盾构到达接收方法，但该工艺存在加固土体强度低，破除洞门期间存在一定安全风险。
当地下三层车站外无法布置9～12m的高压旋喷桩或搅拌桩加固、车站围护结构未采用玻璃纤维筋时，常规钢套筒+玻璃纤维筋方案无法实现；若采用水平冻结方案，加固土体的冻胀融沉将对地面排水箱涵产生不均匀沉降，影响排水箱涵安全，且在车站内部布置水平冻结管将需要提前在站内40～50天施工，对车站施工影响较大；采用钢套筒+人工破除洞门+高压旋喷桩或三轴搅拌桩加固方案，无法保障破除洞门安全；综上，现有技术方案无法满足复杂环境条件下盾构到达要求。
因此，为了解决以上问题，现亟需开发一种适用于隧道埋深较深、富水软土地层等复杂环境条件的盾构到达施工方法。
发明内容
本发明的第一目的是为了提供一种复杂环境条件下地铁盾构到达辅助施工方法，施工风险小，对现有的排水箱涵影响小，对各类地层适应性好，施工期间不占用车站场地及工期；解决了现有技术当地下三层车站周边环境限制(比如加固区附近排水箱涵无法改迁、前期车站已采用常规钢筋布置的地下连续墙)，因排水箱涵占据高压旋喷桩或搅拌桩加固(纵向长度9～12m)，洞门破除范围必须人工破除、危险系数高，车站内水平冻结影响地面排水箱涵运营等问题。
本发明的第二目的是为了提供复杂环境条件下地铁盾构到达辅助结构，采用高压旋喷桩加固，垂直冻结管止水，结构稳固，适用于隧道埋深较深、富水软土地层等复杂环境条件的盾构到达。
为了实现上述本发明的第一目的，本发明的技术方案为：一种复杂环境条件下地铁盾构到达辅助施工方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：地面进行高压旋喷桩、垂直冻结加固；
在地面排水箱涵布置监测点，在地面对盾构拟穿越范围周边进行高压旋喷桩加固以及垂直冻结的加固，形成加固体；
在高压旋喷桩、垂直冻结加固过程中，监测排水箱涵和地面情况，当排水箱涵和地面异常，则调整高压旋喷桩、垂直冻结加固施工参数；
当排水箱涵和地面正常，则进行下一步；
步骤二：破除洞门，安装钢套筒并回填，盾构机推进至加固体附近；
破除洞门前，钻孔检测加固土体的范围、温度、强度是否达到设计要求，并在洞内钻孔取芯检验漏水情况；
当加固土体的范围、温度、强度未达到设计要求和/或有渗漏时，返回步骤一，继续对加固体进行加固；
当加固土体的范围、温度、强度达到设计要求、且无渗漏时，进行下一步，破除洞门；破除洞门时按照先上后下的顺序，破除后立即安装钢套筒并采用回填体回填；
步骤三：逐个拔除垂直冻结管，盾构逐步掘进穿过加固体并到达钢套筒；
盾构机推进到加固体之前，全面检查盾构机设备，确保盾构机各参数处于优良状态后进入加固体；在盾构机推进至加固体过程中，沿盾构机行进方向逐个拔除垂直冻结管；
盾构机推进时保持匀速，并保持稳定土仓压力进入钢套筒；
步骤四：洞内进行环向注浆；
待盾构机进入钢套筒后，在盾构隧道内进行多次环向注浆，直至浆液无法注入；
步骤五：拆除钢套筒，吊出盾构机，完成外包洞门；
待注浆范围检测无渗漏后、拆除钢套筒；
在拆除钢套筒时，按照由上向下顺序逐步拆除；
钢套筒拆除后、立即吊出盾构机，并完成外包洞门结构浇筑。
在上述技术方案中，在步骤一中，经高压旋喷桩加固的土体28天无侧限抗压强度大于或等于0.8MPa，加固纵向厚度为3.0m；
高压旋喷桩的桩位偏差小于或等于100mm，桩径偏差小于或等于50mm，垂直度偏差小于或等于1％；
高压旋喷桩的水泥浆液采用42.5级以上的硅酸盐水泥；水泥浆液的水灰比为1.0～1.5；
高压旋喷桩的提升速度为10～15cm/min，旋转速度为8～12rpm。
在上述技术方案中，在步骤一中，经垂直冻结法加固后的土体单轴抗压大于或等于3.6MPa，弯折抗拉大于或等于2.0MPa，抗剪大于或等于1.5MPa；
在冻结壁附近车站内侧敷设保温层，敷设范围至设计冻结壁边界外2m；
保温层采用阻燃的软质塑料泡沫软板；保温层厚度大于或等于40mm，导热系数小于或等于0.04w/mk；
设计积极冻结时间为40～50天，要求冻结孔单孔流量大于或等于5m3/h；
积极冻结时采用以下方法调整盐水温度：积极冻结7天盐水温度降至-18℃以下；积极冻结15天盐水温度降至-24℃以下；开挖时去、回路盐水温差小于或等于2℃，盐水温度降至-28℃以下；当盐水温度和盐水流量未达到设计要求时，延长积极冻结时间。
在上述技术方案中，在步骤二中，钢套筒的筒体部分长10500mm，直径6800mm。
为了实现上述本发明的第二目的，本发明的技术方案为：所述的复杂环境条件下地铁盾构到达辅助施工方法采用的复杂环境条件下地铁盾构到达辅助结构，其特征在于：包括高压旋喷桩、垂直冻结管和钢套筒；
钢套筒与盾构隧道连接；
钢套筒安装在外包洞门处、且与车站侧墙呈垂直设置；外包洞门设置在车站侧墙上；
垂直冻结管设置在盾构隧道上、且位于排水箱涵与车站地下连续墙之间；垂直冻结管与车站侧墙呈平行设置；
高压旋喷桩设置在盾构隧道上、且位于车站地下连续墙侧面；高压旋喷桩和钢套筒分别位于车站洞门两侧；车站洞门设置在车站地下连续墙上；车站地下连续墙设置在车站侧墙上；
垂直冻结管垂直固定在高压旋喷桩上；
垂直冻结管与高压旋喷桩组合成加固体。
在上述技术方案中，垂直冻结管有多根；多根垂直冻结管呈间隔设置。
在上述技术方案中，高压旋喷桩的尺寸大于车站洞门的尺寸。
在上述技术方案中，钢套筒与盾构隧道相连通。
本发明具有如下优点：
(1)本发明技术简单，施工风险小，对现有的排水箱涵影响小，对各类地层适应性好，施工期间不占用车站场地及工期；本发明主要解决处于复杂外部环境条件下的地铁盾构隧道到达地下三层车站安全问题；
(2)本发明通过在地面设置高压旋喷桩、垂直冻结管，保障人工破除洞门安全后，在车站内安装钢套筒，盾构掘进至钢套筒内，最后通过洞内环向注浆，将隧道外部水土加固从而顺利将盾构安全吊出；解决了现有受地面管线影响，无法布置9～12m的素地下连续墙、高压旋喷桩或三轴搅拌桩，受站内工期影响，无法布置水平冻结管的问题；
(3)本发明适用于复杂地质环境条件下的盾构隧道工程。
附图说明
图1为本发明复杂环境条件下盾构高压旋喷桩加固平面布置图。
图2为本发明复杂环境条件下盾构垂直冻结加固平面布置图。
图3为图2的A-A剖面图。
图4为本发明复杂环境条件下盾构到达辅助施工图一。
图5为本发明复杂环境条件下盾构到达辅助施工图二。
图6为本发明复杂环境条件下盾构到达辅助施工图三。
图7为本发明复杂环境条件下盾构到达辅助施工图四。
图8为本发明复杂环境条件下盾构到达辅助施工图五。
图中1-盾构隧道，2-盾构机，3-1-车站地下连续墙，3-2-车站洞门，4-车站侧墙，5-排水箱涵，6-高压旋喷桩，7-加固体，8-垂直冻结管，9-钢套筒，10-回填体，11-环向注浆，12-外包洞门。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
本发明通过在地面设置高压旋喷桩、垂直冻结管，保障人工破除洞门安全后，在车站内安装钢套筒，盾构掘进至钢套筒内，最后通过洞内环向注浆，将隧道外部水土加固从而顺利将盾构安全吊出。
参阅附图可知：一种复杂环境条件下地铁盾构到达辅助施工方法，包括如下步骤，
步骤一：地面进行高压旋喷桩、垂直冻结加固；
在地面排水箱涵5布置监测点，在地面对盾构拟穿越范围周边进行高压旋喷桩加固以及垂直冻结加固，形成加固体7；其中，高压旋喷桩加固方法为采用高压旋喷桩6进行加固，为现有技术；垂直冻结加固方法为采用垂直冻结管8进行加固，为现有技术；
在高压旋喷桩、垂直冻结加固过程中，需要密切监测排水箱涵5和地面情况(如排水箱涵变形、裂缝变化，地面隆起等)，当排水箱涵5和地面异常，则调整高压旋喷桩、垂直冻结加固施工参数；
当排水箱涵5和地面正常，则进行下一步；
步骤二：破除洞门，安装钢套筒并回填，盾构机推进至加固体附近；
破除洞门前，需钻孔检测加固土体的范围、温度、强度是否达到设计要求，并在洞内钻孔取芯检验漏水情况；
当加固土体的范围、温度、强度未达到设计要求和/或有渗漏时，返回步骤一，继续对加固体7进行加固；
当加固土体的范围、温度、强度达到设计要求、且无渗漏时，进行下一步，破除洞门；破除洞门时应按照先上后下的顺序，破除后立即安装钢套筒9并采用回填体10回填钢套筒；
步骤三：逐个拔除垂直冻结管，盾构逐步掘进穿过加固体并到达钢套筒；
盾构机2推进到加固体7之前，要求全面检查盾构机设备，确保盾构机2各参数处于优良状态后方可进入加固体7；在盾构机2推进至加固体7过程中，沿盾构机2行进方向逐个拔除垂直冻结管8；
盾构机2推进时保持匀速，并保持稳定土仓压力进入钢套筒9；
步骤四：洞内进行环向注浆；
待盾构机2进入钢套筒9后，在盾构隧道内进行多次环向注浆(环向注浆为现有技术)，直至浆液无法注入；
步骤五：拆除钢套筒，吊出盾构机，完成外包洞门；
待注浆范围检测无渗漏后方可、拆除钢套筒9；
在拆除钢套筒9时，应按照由上向下顺序逐步拆除；
钢套筒9拆除后、立即吊出盾构机2，并完成地下三层车站的外包洞门12结构浇筑；其中，吊出盾构机2，并完成外包洞门12结构浇筑的施工操作均为现有技术。
进一步地，在步骤一中，经高压旋喷桩加固的土体应有很好的均质性、自立性，加固土体28天无侧限抗压强度大于或等于0.8MPa，加固纵向厚度为3.0m；
高压旋喷桩6的桩位偏差小于或等于100mm，桩径偏差小于或等于50mm，垂直度偏差小于或等于1％；
高压旋喷桩6的水泥浆液宜采用42.5级以上的普通硅酸盐水泥，可根据需要加入适量的外加剂及掺合料，用量应通过实验确定，水泥浆液的水灰比为1.0～1.5；
高压旋喷桩6的提升速度为10～15cm/min，旋转速度为8～12rpm。
进一步地，在步骤一中，经垂直冻结法加固后的土体单轴抗压大于或等于3.6MPa，弯折抗拉大于或等于2.0MPa，抗剪大于或等于1.5MPa(-10℃)；
设计冻结纵向帷幕厚度为3.0m；冻结帷幕平均温度-10℃；
为保证冻土平均温度达到设计时计算值，冻土验收时平均温度小于或等于-10℃；积极冻结时，在冻结区附近200m范围内不得采取降水措施；在冻结区内土层中不得有集中水流；在冻结壁附近车站内侧敷设保温层，敷设范围至设计冻结壁边界外2m；
保温层采用阻燃(或难燃)的软质塑料泡沫软板；保温层厚度大于或等于40mm，导热系数小于或等于0.04w/mk；
设计积极冻结时间为40～50天，要求冻结孔单孔流量大于或等于5m3/h；
积极冻结时应以按以下方法调整盐水温度：积极冻结7天盐水温度降至-18℃以下；积极冻结15天盐水温度降至-24℃以下；开挖时去、回路盐水温差小于或等于2℃，盐水温度降至-28℃以下；当盐水温度和盐水流量未达到设计要求时，应适当延长积极冻结时间；
洞门外围冻结孔布置圈上冻结壁与车站结构交界面处平均温度小于或等于-5℃；其它部位设计冻结壁平均温度小于或等于-10℃。
进一步地，在步骤二中，钢套筒的筒体部分长10500mm，直径(内径)6800mm；
钢套筒9的筒体分四段，每段又分为上、下两块；
钢套筒9的筒体材料用16mm厚的Q235A钢板，每段筒体的外周焊接纵、环向筋板形成网状以保证筒体刚度，筋板厚20mm，高150mm，间隔约550×600mm；
钢套筒9每段筒体的端头和上、下两段圆弧接合面均焊接连接法兰，法兰采用24mm厚的Q235A钢，上、下两段连接处以及两段筒体之间均采用8.8级M30×90螺栓连接，中间加3mm厚橡胶垫，以保证密封效果；
在钢套筒9的筒体底部框架分三块制作，其中，底部框架承力板用20mm厚Q235A钢板，筋板用20mmQ235A钢，底板用20mmQ235A钢板；底部框架与下部筒体焊接连成一体，焊接时底部框架板先与筒体焊接，再焊接横向筋板，焊接底板和工字钢；底部框架组装完后，工字钢底边与车站底板预埋件焊接，托架须用型钢与车站侧墙顶紧，钢套筒上部采用槽钢与中板梁顶紧。
进一步地，在步骤二中，回填体10为砂土。
参阅附图可知：所述的复杂环境条件下地铁盾构到达辅助施工方法采用的复杂环境条件下地铁盾构到达辅助结构，包括高压旋喷桩、垂直冻结管和钢套筒；
钢套筒9与盾构隧道1连接；
钢套筒9安装在外包洞门12处、且与车站侧墙4呈垂直设置；外包洞门12设置在车站侧墙4上；
垂直冻结管8设置在盾构隧道1上、且位于排水箱涵5与车站地下连续墙3-1之间；垂直冻结管8与车站侧墙4呈平行设置；
高压旋喷桩6设置在盾构隧道1上、且位于车站地下连续墙3-1侧面；高压旋喷桩6和钢套筒9分别位于车站洞门3-2两侧；高压旋喷桩6对地铁盾构到达区域进行加固；
车站洞门3-2设置在车站地下连续墙3-1上；车站地下连续墙3-1设置在车站侧墙4上；其中，车站地下连续墙3-1和外包洞门12分别设置在车站侧墙4两侧；
垂直冻结管8垂直固定在高压旋喷桩6上；
垂直冻结管8与高压旋喷桩6组合成加固体7；垂直冻结管8与高压旋喷桩6结合成加固体共同对车站洞门3-2及其外周的土体进行加固、使加固后的土体满足施工要求。
进一步地，垂直冻结管8有多根；多根垂直冻结管8呈间隔设置，通过垂直冻结管8对车站洞门3-2及其外周的土体进行加固、使加固后的土体满足施工要求。
进一步地，高压旋喷桩6的尺寸大于车站洞门3-2的尺寸；通过高压旋喷桩6对车站洞门3-2及其外周的土体进行加固、使加固后的土体满足施工要求。
更进一步地，钢套筒9与盾构隧道1相连通，回填体10填充在钢套筒9内，便于盾构机推保持稳定土仓压力进入钢套筒。
其它未说明的部分均属于现有技术。
Claims (5)
1.一种复杂环境条件下地铁盾构到达辅助施工方法，其特征在于：采用的复杂环境条件下地铁盾构到达辅助结构，包括高压旋喷桩(6)、垂直冻结管(8)和钢套筒(9)；
钢套筒(9)与盾构隧道(1)连接；
钢套筒(9)安装在外包洞门(12)处、且与车站侧墙(4)呈垂直设置；外包洞门(12)设置在车站侧墙(4)上；
垂直冻结管(8)设置在盾构隧道(1)上、且位于排水箱涵(5)与车站地下连续墙(3-1)之间；垂直冻结管(8)与车站侧墙(4)呈平行设置；
高压旋喷桩(6)设置在盾构隧道(1)上、且位于车站地下连续墙(3-1)侧面；高压旋喷桩(6)和钢套筒(9)分别位于车站洞门(3-2)两侧；车站洞门(3-2)设置在车站地下连续墙(3-1)上；车站地下连续墙(3-1)设置在车站侧墙(4)上；
垂直冻结管(8)垂直固定在高压旋喷桩(6)上；
垂直冻结管(8)与高压旋喷桩(6)组合成加固体(7)；
具体方法，包括如下步骤，
步骤一：地面进行高压旋喷桩、垂直冻结加固；
在地面排水箱涵(5)布置监测点，在地面对盾构拟穿越范围周边进行高压旋喷桩加固以及垂直冻结加固，形成加固体(7)；
在高压旋喷桩、垂直冻结加固过程中，监测排水箱涵(5)和地面情况，当排水箱涵(5)和地面异常，则调整高压旋喷桩、垂直冻结加固施工参数；
经垂直冻结法加固后的土体单轴抗压强度大于或等于3.6MPa，弯折抗拉强度大于或等于2.0MPa，当温度为-10℃时抗剪强度大于或等于1.5MPa；设计冻结纵向帷幕厚度为3.0m；冻结帷幕平均温度-10℃；在冻结壁附近车站内侧敷设保温层，敷设范围至设计冻结壁边界外2m；保温层采用阻燃的软质塑料泡沫软板；保温层厚度大于或等于40mm，导热系数小于或等于0.04w/mk；设计积极冻结时间为40～50天，要求冻结孔单孔流量大于或等于5m3/h；积极冻结时采用以下方法调整盐水温度：积极冻结7天盐水温度降至-18℃以下；积极冻结15天盐水温度降至-24℃以下；开挖时去、回路盐水温差小于或等于2℃，盐水温度降至-28℃以下；当盐水温度和盐水流量未达到设计要求时，延长积极冻结时间；
当排水箱涵(5)和地面正常，则进行下一步；
步骤二：破除洞门，安装钢套筒(9)并回填，盾构机(2)推进至加固体(7)附近；
破除洞门前，钻孔检测加固土体的范围、温度、强度是否达到设计要求，并在洞内钻孔取芯检验漏水情况；
当加固土体的范围、温度、强度未达到设计要求和/或有渗漏时，返回步骤一，继续对加固土体进行加固；
当加固土体的范围、温度、强度达到设计要求、且无渗漏时，进行下一步，破除洞门；破除洞门时按照先上后下的顺序，破除后立即安装钢套筒(9)并采用回填体(10)回填；
步骤三：逐个拔除垂直冻结管，盾构逐步掘进穿过加固体并到达钢套筒；
盾构机(2)推进到加固体(7)之前，全面检查盾构机设备，确保盾构机(2)各参数处于优良状态后进入加固体；在盾构机(2)推进至加固体过程中，沿盾构机(2)行进方向逐个拔除垂直冻结管(8)；
盾构机(2)推进时保持匀速，并保持稳定土仓压力进入钢套筒(9)；
步骤四：洞内进行环向注浆；
待盾构机(2)进入钢套筒(9)后，在盾构隧道内进行多次环向注浆，直至浆液无法注入；
步骤五：拆除钢套筒，吊出盾构机，完成外包洞门；
待注浆范围检测无渗漏后、拆除钢套筒(9)；
在拆除钢套筒(9)时，按照由上向下顺序逐步拆除；
钢套筒(9)拆除后、立即吊出盾构机(2)，并完成外包洞门(12)结构浇筑。
2.根据权利要求1所述的复杂环境条件下地铁盾构到达辅助施工方法，其特征在于：在步骤一中，经高压旋喷桩加固的土体28天无侧限抗压强度大于或等于0.8MPa，加固纵向厚度为3.0m；
高压旋喷桩(6)的桩位偏差小于或等于100mm，桩径偏差小于或等于50mm，垂直度偏差小于或等于1％；
高压旋喷桩(6)的水泥浆液采用42.5级以上的硅酸盐水泥，水泥浆液的水灰比为1.0～1.5；
高压旋喷桩(6)的提升速度为10～15cm/min，旋转速度为8～12rpm。
3.根据权利要求2所述的复杂环境条件下地铁盾构到达辅助施工方法，其特征在于：在步骤二中，钢套筒(9)的筒体部分长10500mm，直径6800mm。
4.根据权利要求3所述的复杂环境条件下地铁盾构到达辅助施工方法，其特征在于：垂直冻结管(8)有多根；多根垂直冻结管(8)呈间隔设置。
5.根据权利要求4所述的复杂环境条件下地铁盾构到达辅助施工方法，其特征在于：高压旋喷桩(6)的尺寸大于车站洞门(3-2)的尺寸。
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