CN112727470A - 一种重叠段盾构隧道施工加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种重叠段盾构隧道施工加固方法，包括以下步骤：S1、掘进前地层加固，包括S11、浇筑混凝土桩；S2、掘进中加固，包括S21、盾构下线掘进；S22、隧道线路接近区域管片壁后二次注浆加固；S23、下线已有衬砌设置钢支撑加固；S24、盾构上线掘进；S3、掘进后加固，包括沉降过大区域注浆加固。本发明的优点是：采取掘进前、中、后三段式综合加固的方法以达到加固地层及隧道衬砌的目的，从而保证盾构高风险作业的安全、稳定和高效，维持地铁后期的安全运营。

Description

一种重叠段盾构隧道施工加固方法

技术领域

本发明涉及城市轨道交通工程领域，尤其是涉及一种重叠段盾构隧道施工加固方法。

背景技术

随着城市地铁盾构隧道的大力发展，隧道类近接工程出现频率增加，重叠隧道作为隧道及地下工程近接施工的一种常见特殊情况，因重叠隧道后施工线路掘进过程中的盾构掘进扰动与开挖区域卸荷作用，会对已完成隧道衬砌有较大影响，易导致地面沉降过大、已有隧道衬砌内部变形等情况出现，甚至导致地面塌陷，老旧建(构)造物失稳倾倒，已有隧道衬砌破坏等严重后果。

发明内容

本发明的目的是提供一种重叠段盾构隧道施工方法，其优点是：采取掘进前、中、后三段式综合加固的方法以达到加固地层及隧道衬砌的目的，从而保证盾构高风险作业的安全、稳定和高效，维持地铁后期的安全运营。

本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：一种重叠段盾构隧道施工加固方法，包括以下步骤：

S1、掘进前地层加固，包括S11、浇筑混凝土桩；

S2、掘进中加固，包括S21、盾构下线掘进；S22、隧道线路接近区域管片壁后二次注浆加固；

S23、下线已有衬砌设置钢支撑加固；S24、盾构上线掘进；

S3、掘进后加固，包括沉降过大区域注浆加固。

通过上述技术方案，采用掘进前地面混凝土桩加固，上线掘进前已有下线管片内表面增设型钢支撑，管片壁后二次注浆，掘进后及时监测顶管注浆的一系列加固措施，可起到较好的地层、隧道衬砌加固作用，有效避免重叠隧道影响过大而造成的地面塌陷，老旧建(构)造物失稳倾倒，已有隧道衬砌破坏等事故发生。

本发明进一步设置为：步骤S11包括：

S110、定位放线，根据设计提供的桩位，按桩平面图准确无误地将桩位放样到现场，并根据管线挖探情况，对桩位进行调整；

S111、成孔，桩位验收后，钻机就位并调整机身，校正位置，使钻杆垂直对准桩位中心，以保证桩身垂直度偏差不大于1％。使钻杆向下移动至钻头触及地面时，开动钻机旋动钻头；

S112、灌注混凝土，灌注混凝土前需用高压风洗孔，洗孔完成后及时浇筑混凝土，由孔底开始灌注，成桩过程连续进行，桩体混凝土高出桩顶设计标高。

通过上述技术方案，确保桩位准确；成桩过程连续进行，可以避免混凝土供料不足、停机待料现象；桩体混凝土高出桩顶设计标高，可以确保设计桩顶标高无浮浆。

本发明进一步设置为：步骤S112中桩体混凝土高出桩顶设计标高40-80cm。

通过上述技术方案，可以确保设计桩顶标高无浮浆。

本发明进一步设置为：进行步骤S21和步骤S24时，盾构机掘进参数为：推力800-1400t、扭矩100-451t·m、刀盘转速1-1.5rpm、土仓压力0.8-1.3bar、注浆压力0.2-0.4Mpa、出土量55-57m³、每环注浆量6-9m³、掘进速度30-50mm/min。

通过上述技术方案，掘进过程中掘进参数特殊控制，可以减少盾构机对围岩、土体的扰动，并可将掘进沉降尽可能的控制在合理范围内。

本发明进一步设置为：步骤S22中，左右重叠段下方隧道采用D型配筋的加强盾构管片，管片采用特制多注浆孔设计制造，除在掘进时加大同步注浆量和注浆压力外，在管片背后2-4米范围进行二次注浆加固，采用单液浆通过每环管片上预留的注浆孔进行管片壁后注浆，加固范围为隧道之间半断面范围。

通过上述技术方案，提高地层整体性与稳定性，改善地层性质，从而保证盾构高风险作业的安全、稳定和高效，维持地铁后期的安全运营。

本发明进一步设置为：同步注浆采用水泥、砂子、膨润土、粉煤灰和水混合浆液，初凝时间控制在3.8-4.2h，结实率大于95％，终凝强度不小于3MPa，注浆压力0.2-0.4MPa。

通过上述技术方案，保证隧道结构强度符合要求。

本发明进一步设置为：二次注浆采用单液浆，注浆材料采用水泥浆液，注浆压力控制在0.2-0.4MPa之间，渗透系数≤1×10^-7cm/s。

通过上述技术方案，保证隧道结构强度符合要求。

本发明进一步设置为：所述钢支撑包括若干沿隧道长度方向设置的支撑单元，所述支撑单元包括横向支撑梁、若干沿横向支撑梁长度方向间隔固定在横向支撑梁上侧的上支撑立柱和若干沿横向支撑梁长度方向间隔固定在横向支撑梁下侧的下支撑立柱，所述上支撑立柱数量多于下支撑立柱；相邻所述支撑单元中的下支撑立柱之间固定有连接梁。

通过上述技术方案，同以往型钢支撑结构相比，支撑效果相近，大大减少了敷设时间，节约施工成本。

本发明进一步设置为：所述支撑单元与管片之间用钢和/或木楔子撑紧。

通过上述技术方案，可以保证支撑体系的整体稳定性。

综上所述，本发明的有益技术效果为：1、当修建高风险重叠隧道时，可采取掘进前、中、后三段式综合加固的方法以达到加固地层及隧道衬砌的目的，从而保证盾构高风险作业的安全、稳定和高效，维持地铁后期的安全运营；2、施工工艺可行简洁，掘进时加固效果明显，掘进过程中不会发生地面及建筑坍塌、隧道衬砌变形过大的事故，具有良好的应用效果。

附图说明

图1是重叠段盾构隧道施工加固方法的流程图；

图2是素混凝土桩施工工艺流程图；

图3是步骤S22中二次注浆加固范围的示意图；

图4是为体现钢支撑的结构所做的示意图。

图中，1、横向支撑梁；2、上支撑立柱；3、下支撑立柱；4、楔子。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例：

一种重叠段盾构隧道施工加固方法，参照图1，包括步骤S1、掘进前地层加固，包括S10、拟确定需加固区域，并做勘探准备。

S11、浇筑混凝土桩，由于重叠隧道段多位于城市中心区域，交通拥挤，施工占道打围狭小，且地下管线较多，若无法采用大型设备成孔，也可采用小直径素混凝土桩等面积替代进行地层加固，一般采用Φ300@1000 C25素混凝土桩呈梅花型布置，竖向伸入盾构上侧1.5m下侧2m范围。

结合图2，素混凝土桩施工工艺流程包括：S110、(1)施工准备，正式进场前应对整套施工设备进行检查，保证设备状态良好，禁止带故障设备进场，进场后及时向监理工程师进行设备进场报验工作，进场前作好与桩施工相关的水、电管线布置工作，保证进场后可立即投入施工。施工现场内道路应符合设备运输车辆的行驶要求，保证运输安全。

设备组装时应设专人指挥，严格按程序组装，非安装人员不得在组装区域内，以杜绝安全事故。安排材料进场，按要求进行材料复检。开工前进行安全、技术交底。

(2)定位放线，根据设计提供的桩位，由专职测量人员按桩平面图准确无误地将桩位放样到现场。根据管线挖探情况，可适当调整桩位。

(3)管线勘探，在钻孔前，依据设计图纸进行管线调查，施工前采用人工开挖沟槽的形式探明管线的具体埋深及走向，确保钻孔不破坏地下管线。

S111、成孔，桩位验收后，钻机就位并调整机身，校正位置，使钻杆垂直对准桩位中心，以保证桩身垂直度偏差不大于1％。使钻杆向下移动至钻头触及地面时，开动钻机旋动钻头。一般应先慢后快，在成孔过程中如发现钻杆摇晃或难钻时，应停机或放慢进度，遇到障碍物应停止钻进，分析原因，禁止强行钻进。

根据设计桩长确定钻孔深度，并在钻机塔身相应位置作醒目标注作为施工时控制桩长的依据，当动力头底面到达标志时，桩长即满足设计要求。钻杆下钻到预定深度,现场施工技术人员必须进行自检，自检合格后报监理工程师验收，合格后进行下一道工序施工。

S112、灌注混凝土，灌注混凝土前需用高压风洗孔，洗孔完成后及时浇筑混凝土，由孔底开始灌注，成桩过程宜连续进行(避免混凝土供料不足、停机待料现象)，直至桩体混凝土高出桩顶设计标高40-80cm，以确保桩顶标高无浮浆，优选的桩体混凝土高出桩顶设计标高50cm。整个桩孔灌混凝土时间尽量短，如果灌注时间太长，混凝土凝固后会造成拔套管困难，引起施工事故。泵送采用商混标号C25细石混凝土。灌注混凝土前，应进行坍落度的检查，坍落度要求100mm-120mm。

S113、套管拔出，当混凝土桩灌注完成，检查无误后，使用锚杆钻机配套装置将套管拔出。起拔速度控制≦1m/min，自浇注完成后，拔管时间控制在30分钟内完成，最长不得超过60分钟。

S114、验孔验收，检测时，将检孔器吊起，把测绳的零点系于检孔器的顶端，使检孔器的中心、孔的中心与吊钢丝绳的中心处于同一铅垂线上，慢慢放入孔内，通过测绳的刻度加上检孔器的长度判断其下放位置。如上下畅通无阻直到孔底，表明钻孔桩成孔质量合格，如中途遇阻则表明在遇阻部位有缩径或孔倾斜现象，则需重新处理。当钻孔深度达到设计要求并成孔检查验收后，立即进行清孔，以免间隔时间长，钻渣沉淀，造成清孔困难。

素混凝土桩质量保证措施。1、施工前采用人工开挖沟槽的形式探明管线的具体埋深及走向，确保钻孔不破坏地下管线。2、桩位验收后，钻机就位桩身垂直度偏差不大于1％，应先慢后快，在成孔过程中如发现钻杆摇晃或难钻时，应停机或放慢进度，遇到障碍物应停止钻进，分析原因，禁止强行钻进。3、灌注混凝土前需用高压风洗孔，洗孔完成后及时浇筑混凝土，由孔底开始灌注，成桩过程宜连续进行，直至桩体混凝土高出桩顶设计标高50cm，灌注混凝土时间尽量短。4、灌注完成检查无误后，使用锚杆钻机配套装置将套管拔出。起拔速度控制≦1m/min，自浇注完成后，拔管时间控制在30分钟内完成，最长不得超过60分钟。

参照图1，步骤S1、掘进前地层加固，还包括：S12、路面修复，路面修复分为临时修复和永久修复两种。临时修复适用于单次素桩施工完成后立即撤围修复路面交通，临时修复主要采用冷补沥青修补，沥青厚度10cm为宜，沥青反复碾压至与地面齐平。永久修补时，素桩加固区域内全部采用热沥青覆盖。

参照图1，重叠段端勾隧道施工加固方法还包括：S2、掘进中加固，包括S21、盾构下线掘进；S22、隧道线路接近区域管片壁后二次注浆加固；S23、下线已有衬砌设置改良型钢支撑加固；S24、盾构上线掘进。S3、掘进后控制，进行滞后沉降监测，并对沉降过大区域注浆加固。

在步骤S21和步骤S24中需要对盾构机的掘进过程中需要进行一下控制措施：掘进参数控制、盾尾密封控制、防喷涌控制、掘进出渣控制以及重叠段施工控制。

对于掘进参数控制：盾构隧道穿越重叠段时，先施工下方隧道，再施工上方隧道。下方隧道盾构掘进过程中根据实际地质情况适当调整掘进参数，为上方隧道盾构通过重叠段提供指导性掘进参数。在左线、右线盾构机靠近重叠段前，应对盾构机进行检修，确保盾构机的各功能构件完好，垂直、水平运输等后配套设施齐全，加强各流程间的施工工序衔接，保证施工连续性和盾构匀速、快速通过，减少开挖过程中对土体的扰动。掘进参数应满足表1。

表1

其中，掘进控制措施：(1)土压力的设定值要与地层实际地质情况、隧道埋深相匹配，以弥补盾尾沉降损失；(2)对盾构掘进实行严格线形控制和盾构机姿态控制，减小轴线偏差并及时纠偏，减小对围岩的扰动。施工中应以勤纠、缓纠为原则，保持掘进施工迅速、连贯，杜绝强行纠偏；(3)砂卵石地层中正常推进时速度控制在30～50mm/min之间。若速度异常，应及时分析原因，避免盲目掘进导致刀盘及刀具的损坏等意外事故发生。

对于盾尾密封控制：盾尾密封质量严格控制，保证盾构始发油脂涂抹质量，控制施工中盾尾油脂量和压力，控制同步注浆压力，避免浆液击穿盾尾刷，保证管片拼装质量，盾构司机盾尾油脂注入和盾尾密封管理进行交底。

对于防喷涌控制：严格控制盾构掘进方向和铰接油缸的行程差，以确保铰接密封效果，土仓中加入膨润土，改善土仓内土质的和易性，避免喷涌。

对于掘进出渣控制，在掘进时应对渣土进行改良，对盾构出渣量采取体积与质量双控的管理模式，严格控制出渣量。

对于重叠段施工控制：重叠段施工时，后行盾构机应快速通过。即在保持盾构机正常掘进速度同时，尽量避免盾构机因非正常原因造成停滞，如机械故障、人为因素等，从而避免对下方隧道产生不良影响。

步骤S22中，左右重叠段下方隧道采用D型配筋的加强盾构管片，管片采用特制多注浆孔设计制造，除在掘进时加大同步注浆量和注浆压力外，结合图3，在管片背后2-4米(优选为3米)范围进行二次注浆加固，采用单液浆通过每环管片上预留的注浆孔进行管片壁后注浆，加固范围为隧道之间半断面范围。

同步注浆采用水泥、砂子、膨润土、粉煤灰和水混合浆液，初凝时间控制在4h，结实率大于95％，终凝强度不小于3MPa，注浆压力0.2-0.4MPa。同步注浆质量保证措施：1、对注浆设备、材料及配合比进行严格控制，过程中制定专人负责记录；2、施工过程根据实际情况及时调整注浆量和浆液配比，可适当加大浆液中水泥用量3、加强对左右线隧道的沉降和收敛监测，根据监测结果，及时调整注浆量和浆液配比。注浆材料配比如表2所示，根据具体地质情况进行针对性调整。

水泥	粉煤灰	膨润土	砂子	水
					100kg	300-350kg	40kg	600-650kg	650kg

二次注浆压力根据实际地质情况、地面监测情况可做出适当调整，渗透系数需≤1×10-7cm/s。

二次注浆质量保证措施：1、在隧道掘进过程中，首先加大同步注浆量和注浆压力，以保证盾尾的土体与管片空隙及相邻土体的密实性；2、采用洞内管片背后3米范围进行二次加强注浆加固，注浆位置不宜距盾尾太近，以免浆液窜至土仓内形成泥饼，一般控制在距盾尾6m位置处，注浆位置可根据实际情况适当调整；3、二次注浆采用单液浆，注浆材料采用水泥浆液，注浆压力控制在0.2～0.4MPa之间，注浆压力根据实际地质情况、地面监测情况可做出适当调整，渗透系数≤1×10-7cm/s；4、管片背后注浆利用每环管片上预留的注浆孔进行隧道背后注浆，加固范围为隧道之间半断面范围。

步骤S23中，预先对下线隧道内部设钢支撑进行衬砌加强，将上线盾构掘进过程中产生的力大多卸载到型钢支撑上，通过钢支撑来保护下线已成型管片。钢支撑包括若干沿隧道长度方向设置的支撑单元，参照图4，支撑单元包括横向支撑梁1、若干沿横向支撑梁1长度方向间隔螺栓连接在横向支撑梁1上侧的上支撑立柱2和若干沿横向支撑梁1长度方向间隔螺栓连接在横向支撑梁1下侧的下支撑立柱3，上支撑立柱2数量多于下支撑立柱3；相邻支撑单元中的下支撑立柱3之间螺栓连接有连接梁(图中未示出)。支撑单元与管片之间用钢和/或木楔子4撑紧，同以往型钢支撑结构相比，支撑效果相近，大大减少了敷设时间，节约施工成本。

为尽量减小上线盾构机在穿越重叠段时对下线成型管片的影响，待上线盾构机完全通过重叠段后，根据监测情况决定是否撤除型钢支撑，当监测数据稳定后，撤出型钢支撑的同时再次对下线管片螺栓进行拧紧。

盾构施工线路上方道路、建筑密集，一旦发生滞后沉降就极易发生地面沉陷，后果极其严重。故针对地层特点，确立了“防控为主，监测巡视为辅，建立有效应急机制”的治理方针。

施工时按预警值、报警值和极限值三级控制，预警值为极限值的70％，报警值为极限值的80％。监测数据应及时处理并反馈，以便指导施工。当发现有异常情况应立即采取措施，防止发生工程事故。如实测数据超过允许值时，应及时采取措施并加密观测次数。

对盾构通过后的地段要进行全面、及时地分析，包括掘进原始资料整理分析、地面监测资料整理分析。根据各种数据比对，筛选不良地段，及时进行后期顶管注浆，补回地层损失。

本发明的重叠段盾构隧道施工加固方法作为盾构在重叠段施工情况下的加固方法较注浆加固方法和旋喷桩加固方法具有多项优点，对比如表3：

表3

工艺原理分析：在重叠盾构隧道，使用单一加固方法往往无法满足各重大风险的控制，且单一加固方法需加固面积过大，经济性不高的情况下无法有效避免地面沉降过大、地表建筑失稳、隧道衬砌大变形等风险。一旦施工中某风险控制效果不良，可能会造成难以弥补的事故。采用掘进前重叠段混凝土桩加固隧道上方地层，以改善土层稳定性，加强隧道成型后整体性，上线掘进前已有下线隧道管片沿线增设改良型钢支撑以抵御上线盾构掘进中的扰动对衬砌的力学作用及上线隧道土方挖出后上部土体自重减少而造成的卸荷作用，防止作用力使已有衬砌变形破坏，如图3所示。特殊近接位置管片壁后注浆加固地层，提高地层整体性与稳定性，改善地层性质。掘进过程中掘进参数特殊控制防控因掘进速度、操作不当导致掘进过程沉降过大，掘进后及时监测顶管注浆及管片壁后补浆以防控滞后沉降过大的一系列综合针对性加固措施，从而有效保证在隧道重叠掘进互相影响的高风险情况下安全、高效掘进。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种重叠段盾构隧道施工加固方法，其特征是：包括以下步骤：

S1、掘进前地层加固，包括S11、浇筑混凝土桩；

S2、掘进中加固，包括S21、盾构下线掘进；S22、隧道线路接近区域管片壁后二次注浆加固；S23、下线已有衬砌设置钢支撑加固；S24、盾构上线掘进；

S3、掘进后加固，包括沉降过大区域注浆加固。

2.根据权利要求1所述的一种重叠段盾构隧道施工加固方法，其特征是：步骤S11包括：

S110、定位放线，根据设计提供的桩位，按桩平面图准确无误地将桩位放样到现场，并根据管线挖探情况，对桩位进行调整；

S111、成孔，桩位验收后，钻机就位并调整机身，校正位置，使钻杆垂直对准桩位中心，以保证桩身垂直度偏差不大于1%。

3.使钻杆向下移动至钻头触及地面时，开动钻机旋动钻头；

S112、灌注混凝土，灌注混凝土前需用高压风洗孔，洗孔完成后及时浇筑混凝土，由孔底开始灌注，成桩过程连续进行，桩体混凝土高出桩顶设计标高。

4.根据权利要求1所述的一种重叠段盾构隧道施工加固方法，其特征是：步骤S112中桩体混凝土高出桩顶设计标高40-80cm。

5.根据权利要求2所述的一种重叠段盾构隧道施工加固方法，其特征是：进行步骤S21和步骤S24时，盾构机掘进参数为：推力800-1400t、扭矩100-451t·m、刀盘转速1-1.5rpm、土仓压力0.8-1.3bar、注浆压力0.2-0.4Mpa、出土量55-57m³、每环注浆量6-9m³、掘进速度30-50mm/min。

6.根据权利要求1所述的一种重叠段盾构隧道施工加固方法，其特征是：步骤S22中，左右重叠段下方隧道采用D型配筋的加强盾构管片，管片采用特制多注浆孔设计制造，除在掘进时加大同步注浆量和注浆压力外，在管片背后2-4米范围进行二次注浆加固，采用单液浆通过每环管片上预留的注浆孔进行管片壁后注浆，加固范围为隧道之间半断面范围。

7.根据权利要求5所述的一种重叠段盾构隧道施工加固方法，其特征是：同步注浆采用水泥、砂子、膨润土、粉煤灰和水混合浆液，初凝时间控制在3.8-4.2h，结实率大于95%，终凝强度不小于3MPa，注浆压力0.2-0.4MPa。

8.根据权利要求5所述的一种重叠段盾构隧道施工加固方法，其特征是：二次注浆采用单液浆，注浆材料采用水泥浆液，注浆压力控制在0.2-0.4MPa之间，渗透系数≤1×10^-7cm/s。

9.根据权利要求1所述的一种重叠段盾构隧道施工加固方法，其特征是：所述钢支撑包括若干沿隧道长度方向设置的支撑单元，所述支撑单元包括横向支撑梁(1)、若干沿横向支撑梁(1)长度方向间隔固定在横向支撑梁(1)上侧的上支撑立柱(2)和若干沿横向支撑梁(1)长度方向间隔固定在横向支撑梁(1)下侧的下支撑立柱(3)，所述上支撑立柱(2)数量多于下支撑立柱(3)；相邻所述支撑单元中的下支撑立柱(3)之间固定有连接梁。

10.根据权利要求1所述的一种重叠段盾构隧道施工加固方法，其特征是：所述支撑单元与管片之间用钢和/或木楔子(4)撑紧。

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