CN112983442B - 一种使用盾构机超近距离下穿带压燃气管道施工工法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用盾构机超近距离下穿带压燃气管道施工工法，涉及盾构机施工工法技术领域。本发明包括以下步骤：盾构机进行停机；对燃气管线进行精确定位；三维建模；线路调坡，计算出盾构机与燃气管道最近距离；燃气置换；盾构机复推；二次注浆；燃气恢复。本发明工法采用氮气置换燃气保压，降低盾构通过时的风险；本发明工法采用克泥效工法保证盾体处土体沉降，确保穿越过程土压平衡；本工法使用机器人管线探测，方便精确探测地下管线位置；本工法极大降低了盾构下穿燃气管线时，对管线的影响，减少了地面沉降、确保了燃气管线安全，消除了管线改道的经济成本以及长时间盾构停机的窝工费，取得了极大的经济效益。

Description

一种使用盾构机超近距离下穿带压燃气管道施工工法

技术领域

本发明属于盾构机施工工法技术领域，特别是涉及一种使用盾构机超近距离下穿带压燃气管道施工工法。

背景技术

近年城市基础建设发展迅猛，地下管线网络布设纵横交错。盾构施工与管线的交集越来越多，这就给盾构施工工作带来了前所未有的困难与风险。工程中经常遇近距离下穿管线情况，通常采用管线改道或者盾构线路调整的方法通过风险源，该方式成本较大，延误工期，不利于盾构施工的开展；如果直接穿越风险源，极有可能破环管线，其后果将打乱一大片区域的生产和生活,甚至发生火灾或者爆炸，经济损失惊人。

如何在盾构穿越既有管线时、控制管线的差异沉降、沉降速率及沉降均匀性对管线的安全控制极其关键。为此，我们研究出本发明的一种使用盾构机超近距离下穿带压燃气管道施工工法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使用盾构机超近距离下穿带压燃气管道施工工法，以解决了现有的问题：采用管线改道或者盾构线路调整的方法通过风险源，成本较大，延误工期，不利于盾构施工的开展；直接穿越风险源，极有可能破环管线，其后果将打乱一大片区域的生产和生活,甚至发生火灾或者爆炸，经济损失大。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种使用盾构机超近距离下穿带压燃气管道施工工法，所述工法包括以下步骤：

盾构机进行停机；

对燃气管线进行精确定位；

对燃气管道进行三维建模；

根据燃气管线定位信息和三维建模模型进行线路调坡，通过调整水平、垂直路线调整，增大管线与盾构距离，并计算出盾构机与燃气管道最近距离；

对燃气管道进行燃气置换；

盾构机按照调整的路线进行复推，在复推过程中进行同步注浆的控制，并通过克泥效工法对土体维稳；

进行二次注浆，以充分填充管片与土层之间空隙；

对燃气管道进行燃气恢复。

进一步优选的，其中，盾构机进行停机，主要包括：

根据燃气管道的位置确定盾构机停机地点；

调节停机时的土仓压力，对盾尾后6～10环管片进行二次注浆；

停机5～7小时后，再掘进50～100mm，且掘进过程不进行注浆和出土；

在盾尾注入密封油脂。

进一步优选的，所述停机时的土仓压力为比设定压力大0.2～0.3bar。

进一步优选的，其中，对燃气管线进行精确定位，主要包括：

在燃气管线两端进行开挖，为燃气管线探明提供切割条件；

对管线两端进行切割；

采用吹气球穿线法或者机器人穿线法或者吹海绵球穿线法对管线进行探明，通过管线机器人对燃气管线进行测量。

进一步优选的，其中，对燃气管道进行燃气置换，主要包括：

关闭两端燃气阀门，两端同时使用解压排空阀排放并燃烧燃气；

待管道内压力减小到大气压后，保持一端燃气继续燃烧排放，称为排放端，另一端封闭准备氮气，称为置换端；

待氮气到场，置换端置换管线连接好后开始氮气置换燃气；

待排放端火势熄灭，测量氮气浓度，达到要求后封闭排放端；

置换端继续向燃气管道内充入氮气，直到内外压力差达到0.1MPa时停止置换保压，并接压力表监测。

进一步优选的，其中，复推过程中进行同步注浆的控制，主要包括：

注浆材料采用水泥砂浆作为同步注浆材料；

注浆压力取1.1～1.2倍的静止水土压力；

从盾尾圆周上的四个点同时注浆，且下部每孔的压力比上部每孔的压力大0.5～1.0bar；

注浆量取环形间隙理论体积的1.5～2.0倍。

进一步优选的，所述三维建模为采用BIM技术进行三维建模。

进一步优选的，其中，二次注浆，主要包括：

人工凿穿管片吊装孔处混凝土及管片外侧壁；

安装好注浆设备及管路；

选择从隧道顶部吊装孔位置的两个孔位左右交叉进行注浆，每环注两个点；

浆液选用双液浆；

注浆压力高于同步注浆压力0.2～0.3bar，注浆量控制在1.5～2.0m³。

本发明具有以下有益效果：

本发明工法采用氮气置换燃气保压，降低盾构通过时的风险；本发明工法采用克泥效工法保证盾体处土体沉降，确保穿越过程土压平衡；本发明工法调整同步注浆浆液配比，确保同步注浆的有效性，控制地面沉降在最小范围内。

本工法使用机器人管线探测，解决了资料缺失和无法实际开挖情况下精确探测地下管线位置的难题，取得了良好的技术效益。

本工法极大降低了盾构下穿燃气管线时，对管线的影响，减少了地面沉降、确保了燃气管线安全，消除了管线改道的经济成本以及长时间盾构停机的窝工费，取得了极大的经济效益。

附图说明

图1为本发明的工法步骤示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅附图图1，本发明为一种使用盾构机超近距离下穿带压燃气管道施工工法，具体的，步骤如下：

S1.盾构机停机

(1)召开停机技术会议，根据燃气管道的位置确定停机地点。

(2)做好停机前的最后一环的掘进，调节停机时的土仓压力比设定压力略大于0.2～0.3bar，对盾尾后6～10环管片进行二次注浆。

(3)根据同步浆液的初凝时间，安排停机5～7小时后，再掘进50～100mm。掘进过程不进行注浆和出土，防止浆液凝固盾尾密封刷。

(4)停机前需做好盾尾密封油脂的注入工作，防止发生盾尾漏水现象。

(5)停机后对刀盘主驱动、盾体、拼装机等所有机械做好维保措施。

S2.燃气管线精确定位

(1)为探明管线，征得燃气公司意见后对管线两端进行切割，随后采用管道机器人进行管线探测，最终达到获取管线精确位置信息的目的

首先，在燃气管线两端进行开挖，为燃气管线探明提供切割条件。燃气管道切割完毕后，测量班对切割管顶坐标及高程进行测量记录。

管线探明采用穿钢丝绳法测量，以下可以任选其一：

A、吹气球穿线法：在燃气管线开挖处，气球带着风筝线，风机将气球吹至燃气管道另一头，风筝线绑上钢丝绳，将其拖拉至燃气管道另一头，钢丝绳固定好后，测量机器人进行测量

B、机器人穿线法：穿线机器人在老关村车辆段站南端头处进入燃气管道穿线，钢丝绳固定好后，测量机器人进行测量。

C、吹海绵球穿线法：焊法兰，海绵球和钢丝绳固定好(钢丝绳穿过法兰外盘预留孔)，安装法兰外盘，用空压机吹气将海绵球吹至另一端，钢丝绳固定好后，测量机器人进入测量。

数据采集与处理：

钢丝绳穿线完成后，测量人员用管道测量机器人进行管线数据采集，并实时对数据进行处理，数据处理后由探测单位对处理结果做出分析解释，最终获得燃气管线与盾构隧道的相对空间位置。

通过管道机器人顺利完成了对燃气管线位置精准探明，精确探测为后续盾构施工提供了有力的理论基础，帮助施工单位有效规避盾构施工风险。

S3.盾构线路调坡

情况核实清楚后报业主单位、设计、监理等单位进行情况说明，并与设计沟通进行线路调坡，通过调整水平、垂直路线调整，增大管线与盾构距离，最终采用BIM技术进行了三维建模，计算出盾构机与燃气管道最近距离。

S4.燃气置换

(1)关闭两端燃气阀门，两端同时使用解压排空阀排放并燃烧燃气；

(2)待管道内压力减小到大气压后，保持一端燃气继续燃烧排放(称为排放端)，另一端封闭准备氮气(称为置换端)；

(3)待氮气到场，置换端置换管线连接好后开始氮气置换燃气；

(4)待排放端火势熄灭，测量氮气浓度，达到要求封闭排放端；

(5)置换端继续向燃气管道内充入氮气，直到内外压力差达到0.1MPa时停止置换保压，并接压力表监测；

(6)盾构掘进过程中，时刻关注燃气管道内压力变化情况，确保管线无异常。

S5.盾构机复推

(1)复推准备。机械保障方面：机修班组对盾构机进行全面检修，保证所有设备的正常运作；盾构班组需对轨道、隧道等进行检查和清理，防止电瓶车掉道的发生。物资保障方面：现场准备足以通过燃气管线的全部物资，渣土池清空保证出土顺畅，确保盾构一次性顺利通过。人员保障方面：施工组织合理安排，昼夜两班盾构人员随时待命。技术总工系统需对盾构路线、最低点环数做精确核实。

(2)通过时的掘进控制

盾构下穿燃气管道时，严格遵守“慢推快过”的原则。严格保持土仓压力与出土量，确保土体密实，以防地面沉降；掘进参数尽量保持在预算范围之内，确保盾构机匀速通过风险源，杜绝出现较大的参数波动情况。以上，根据地层情况结合经验计算得出，具体见下表：

掘进参数控制表

(3)同步注浆控制

注浆材料采用水泥砂浆作为同步注浆材料，该浆材具有结石率高、结石体强度高、耐久性好和能防止地下水浸析的特点。水泥采用32.5普通硅酸盐水泥，以提高注浆结石体的耐腐蚀性，使管片处在耐腐蚀注浆结石体的包裹内，减弱地下水对管片混凝土的腐蚀。

浆液配比根据现场配比试验确定，同步注浆采用的配比详见下表。在施工中，根据地层条件、地下水情况及周边条件等，通过现场试验优化确定。同步注浆浆液的主要物理力学性能应满足下列指标：

同步注浆材料配比和性能指标表

物理性质：

A、胶凝时间：一般为3～10h，根据地层条件和掘进速度，通过现场试验加入促凝剂及变更配比来调整胶凝时间。对于强透水地层和需要注浆提供较高的早期强度的地段，可通过现场试验进一步调整配比和加入早强剂，进一步缩短胶凝时间。

B、固结体强度：一天不小于0.2MPa，28天不小于2.5MPa。

C、浆液结石率：>95％，即固结收缩率<5％。

D、浆液稠度：8～12cm。

E、浆液稳定性：倾析率(静置沉淀后上浮水体积与总体积之比)小于5％。

注浆压力：

注浆压力略大于该地层位置的静止水土压力，同时避免浆液进入盾构机的土仓中。

最初的注浆压力是根据理论静止水土压力确定的，在实际掘进中将不断优化。如果注浆压力过大，会导致地面隆起和管片变形，还易漏浆。如果注浆压力过小，则浆液填充速度赶不上空隙形成速度，又会引起地面沉陷。一般而言，注浆压力取1.1～1.2倍的静止水土压力，最大不超过3.0～4.0bar。

由于从盾尾圆周上的四个点同时注浆，考虑到水土压力的差别和防止管片大幅度下沉和浮起的需要，各点的注浆压力将不同，并保持合适的压差，以达到最佳效果。在最初的压力设定时，下部每孔的压力比上部每孔的压力略大0.5～1.0bar。故根据本区间工程地质情况及水文地质条件，单环注浆压力参考范围在2～3bar。

注浆量：

根据刀盘开挖直径和管片外径，可以按下式计算出一环管片的注浆量。

式中:

Q——单环注浆量(m3)

L——环宽(m)

D1——开挖直径(m)

D2——管片外径(m)

K——充填系数取1.5～2.0

代入相关数据，可得:

Q1＝π/4×(1.5～2)×1.5×(41.7-38.4)＝5.82～7.76m3/环

Q2＝π/4×(1.5～2)×1.2×(41.7-38.4)＝4.66～6.22m3/环

根据上面经验公式计算，注浆量取环形间隙理论体积的1.5～2.0倍，则每环(1.5m)注浆量Q1＝5.82～7.76m3，每环(1.2m)注浆量Q2＝4.66～6.22m3。

注浆时间和速度：

在不同的地层中根据需不同凝结时间的浆液及掘进速度来具体控制注浆时间的长短。做到“掘进、注浆同步，不注浆、不掘进”，通过控制同步注浆压力和注浆量双重标准来确定注浆时间。

注浆量和注浆压力达到设定值后才停止注浆，否则仍需补浆。

同步注浆速度与掘进速度匹配，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。

注浆结束标准及注浆效果检查：

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，注浆量达到设计值的85％以上时，即可认为达到了质量要求。

注浆效果检查主要采用分析法，即根据压力-注浆量-时间曲线，结合管片、地表及周围建筑物量测结果进行综合评价。对未满足要求的部位，进行补充注浆。

(4)土体维稳

燃气管道处在淤泥质粘土层中，土质软塑性。下穿燃气管道期间，为防止盾体处土体失稳，采用克泥效工法。

A液与B液按一定比例混合搅拌，胶结成不易被水稀释、有一定支撑力、低强度的永不凝固的黏土。盾构机中盾的径向孔同步注入克泥效，及时填充盾构施工过程中由于刀盘超挖造成的盾体与土体之间的空隙，同时起到隔离前部土仓掘进压力和盾尾同步注浆的压力的作用，更好的管控施工过程中的各处压力。

(5)地面实时监测

掘进过程中，要增加地面沉降监测频率，最低点处前后5环监测频率增加为两小时一次，数据及时上报以便及时采取应对措施。富有掘进经验的专业技术人员，在监控室现场盯控指导盾构掘进参数，确保盾构机姿态无偏差，掘进过程匀速平稳。

S6.二次注浆

盾构同步注浆施工后，由于浆液的脱水会造成浆液体积收缩，会加大地表的后期沉降。实时监测地面沉降情况，进行二次注浆是解决地表沉降的最有效措施，注浆浆液充分填充管片与土层之间空隙，一方面提升隧道防水能力，另一方面提高软土承载力。

(1)注浆方式

人工凿穿管片吊装孔处混凝土及管片外侧壁后注浆层，注意保护注浆孔内的套丝，以防对其造成破坏。安装好注浆设备及管路后，开始进行注浆作业。

注浆时主要选择从隧道顶部吊装孔位置3#位和13#位左右交叉进行注浆，每环注两个点。

(2)浆液配比

浆液选用双液浆，采用水泥—水玻璃浆液，水泥浆的水灰比为0.8:1～1:1；水泥浆与水玻璃的体积比1:0.5～1:0.8；水玻璃波美度40°。

(3)注浆压力与注浆量

注浆压力高于同步注浆压力0.2～0.3bar，注浆量初步控制在1.5～2.0m³范围内，以注浆压力为主控。注浆分次进行，若浆液由管片中渗出，应立即停止注浆。

二次注浆每隔3环注一次，以提高填充率，减小建筑物后期沉降，避免发生建筑物沉降超限的情况。

S7.燃气恢复

盾构掘进通过风险源后，用燃气置换氮气。其置换措施与氮气置换燃气一致。值得注意的有以下几点：

(1)排放端监测燃气含量达到限定值后，点燃排放气体；

(2)待管内压力达到限定值后，关闭封闭端，停止燃气置换；

(3)检查保压情况，通知燃气公司恢复供气。

(4)持续监测地面沉降情况，直到数据收敛。

在此，为进一步公开本发明，附上实时本发明需要用到的材料与设备。具体见下表：

管线探明使用到的材料设备总结表

燃气置换材料设备表

二次注浆材料设备表

以下，附上本发明工法的主要安全措施：

管线探明安全措施：

(1)为确保燃气管线切割安全，切割前需要用氮气置换燃气管线中的燃气，置换完成后进行燃气管线切割。

(2)开挖时采用机械与人工组合开挖，先用挖机进行路面破除，挖至燃气顶端0.5m时改用人工开挖至燃气管底以下0.5m，确保安全。

燃气置换安全措施：

(1)放散区域设置20米安全警戒区(警示带)。

(2)在置换放散时每隔5min对放散区可燃气体浓度进行一次测量。

(3)警戒区内禁止明火，不得拨打手机。

(4)警戒区内非施工人员不得入内。

(5)严格执行抢险应急预案。

(6)现场准备8kg干粉灭火器6具，燃气检漏仪，取样球10只。

(7)发生燃气泄漏时及时关闭燃气阀门，必要时关闭上一级燃气阀门或调压箱总阀，并及时对低压管网系统泄压。

注浆安全措施：

(1)注浆泵及高压管路必须试运转，确认机械性能和各种阀门管路，压力表完好后，方准施工。

(2)每次注浆前，要认真检查安全阀、压力表的灵敏度，并调整到规定注浆压力位置。

(3)安装高压管路和泵头各部件时，各丝扣的联接必须拧紧，确保联接完好。

(4)注浆过程中，禁止现场人员在注浆孔附近停留，防止密封胶冲式阀门破裂伤人。

(5)注浆时不得随意停水停电，必要时要事先通知，待注浆完成并冲洗后才可停水停电。

(6)注浆施工期间，必须有专门机电修理工，以便出现机械和电器故障时能及时处理。

(7)注浆现场操作人员必须配制安全帽、防护眼镜、口罩和手套等劳保用品，方可进行注浆施工。

由上述可知，本发明具备以下效益：

本工法针对近距离下穿软土层中带压燃气管线工程，取得了良好的技术效益。

本工法使用机器人管线探测，解决了资料缺失和无法实际开挖情况下精确探测地下管线位置的难题，取得了良好的技术效益。

本工法极大降低了盾构下穿燃气管线时，对管线的影响。减少了地面沉降、确保了燃气管线安全，消除了管线改道的经济成本以及长时间盾构停机的窝工费，取得了极大的经济效益。

且，本工法避免了管线改道造成的长时间停工、影响标段整体进度、不经济等缺点。本工法降低施工成本，大大提高了经济效益及社会效益，本工法在节约时间成本的同时取得了极大的社会效益

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.一种使用盾构机超近距离下穿带压燃气管道施工工法，其特征在于：所述工法包括以下步骤：

盾构机进行停机；

对燃气管线进行精确定位；

对燃气管道进行三维建模；

根据燃气管线定位信息和三维建模模型进行线路调坡，通过调整水平、垂直路线，增大管线与盾构距离，并计算出盾构机与燃气管道最近距离；

对燃气管道进行燃气置换；

盾构机按照调整的路线进行复推，在复推过程中进行同步注浆的控制，并通过克泥效工法对土体维稳；

进行二次注浆，以充分填充管片与土层之间空隙；

对燃气管道进行燃气恢复；

其中，对燃气管道进行燃气置换，主要包括：

关闭两端燃气阀门，两端同时使用解压排空阀排放并燃烧燃气；

待管道内压力减小到大气压后，保持一端燃气继续燃烧排放，称为排放端，另一端封闭准备氮气，称为置换端；

待氮气到场，置换端置换管线连接好后开始氮气置换燃气；

待排放端火势熄灭，测量氮气浓度，达到要求后封闭排放端；

置换端继续向燃气管道内充入氮气，直到内外压力差达到0.1MPa时停止置换保压，并接压力表监测。

2.根据权利要求1所述的一种使用盾构机超近距离下穿带压燃气管道施工工法，其特征在于：其中，盾构机进行停机，主要包括：

根据燃气管道的位置确定盾构机停机地点；

调节停机时的土仓压力，对盾尾后6～10环管片进行二次注浆；

停机5～7小时后，再掘进50～100mm，且掘进过程不进行注浆和出土；

在盾尾注入密封油脂。

3.根据权利要求2所述的一种使用盾构机超近距离下穿带压燃气管道施工工法，其特征在于：所述停机时的土仓压力为比设定压力大0.2～0.3bar。

4.根据权利要求1所述的一种使用盾构机超近距离下穿带压燃气管道施工工法，其特征在于：其中，对燃气管线进行精确定位，主要包括：

在燃气管线两端进行开挖，为燃气管线探明提供切割条件；

对管线两端进行切割；

采用吹气球穿线法或者机器人穿线法或者吹海绵球穿线法对管线进行探明，通过管线机器人对燃气管线进行测量。

5.根据权利要求1所述的一种使用盾构机超近距离下穿带压燃气管道施工工法，其特征在于：其中，复推过程中进行同步注浆的控制，主要包括：

注浆材料采用水泥砂浆作为同步注浆材料；

注浆压力取1.1～1.2倍的静止水土压力；

从盾尾圆周上的四个点同时注浆，且下部每孔的压力比上部每孔的压力大0.5～1.0bar；

注浆量取环形间隙理论体积的1.5～2.0倍。

6.根据权利要求1所述的一种使用盾构机超近距离下穿带压燃气管道施工工法，其特征在于：所述三维建模为采用BIM技术进行三维建模。

7.根据权利要求1所述的一种使用盾构机超近距离下穿带压燃气管道施工工法，其特征在于：其中，二次注浆，主要包括：

人工凿穿管片吊装孔处混凝土及管片外侧壁；

安装好注浆设备及管路；

选择从隧道顶部吊装孔位置的两个孔位左右交叉进行注浆，每环注两个点；

浆液选用双液浆；

注浆压力高于同步注浆压力0.2～0.3bar，注浆量控制在1.5～2.0m3。

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