CN113137273A - 一种大直径盾构隧道变形控制结构及其施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大直径盾构隧道变形控制结构及其施工方法，该结构在盾构隧道施工期进行安装，包括囊袋扩大式降排水预应力锚杆、囊袋扩大式预应力锚杆、蓄排水箱和控制系统；本发明通过扩大式囊袋增大了囊袋扩大式降排水预应力锚杆和囊袋扩大式预应力锚杆分别与盾构隧道下方和上方土层的接触面积，增加抗拔阻力，可有效预防大直径盾构隧道发生不均匀上浮或沉降灾害；在囊袋扩大式降排水预应力锚杆和囊袋扩大式预应力锚杆上对称施加预应力，在大直径盾构隧道断面上形成收敛变形的抗力，有效防治大直径盾构隧道断面的收敛变形及其可能引起的工程病害；通过囊袋扩大式降排水预应力锚杆和蓄排水箱联合作用，控制大直径盾构隧道上浮或沉降。

Description

一种大直径盾构隧道变形控制结构及其施工方法
技术领域
本发明涉及盾构隧道的收敛变形控制技术领域，尤其涉及一种大直径盾构隧道变形控制结构及其施工方法。
背景技术
近年来，国内外大型及特大型城市已陆续规划和修建了许多大直径盾构隧道工程，通过“双洞双线”和“公轨混合交通”等行车模式增加城市地下交通的通行车道或轨道数量，在一定程度上增加了车辆通行效率、缓解交通压力，提供城市发展动力。
城市浅层空间开发完善，以及过江隧道和过海隧道建设需求，使得新增的大直径隧道的埋置深度日益增大。针对穿越软土地层的大直径盾构隧道，由于自身的横断面尺寸、顶覆土要求以及周边工程建设的影响，盾构隧道结构整体处于受压状态，一般覆土较深的情况下隧道断面呈“横鸭蛋”状的收敛变形。既有运营大直径隧道除断面收敛变形风险以外，在长期运营过程中受近接施工以及地下水位变化的影响，沿盾构隧道纵向将产生不均匀上浮或沉降变形。
大直径盾构隧道的断面收敛变形以及纵向上浮或沉降变形将导致管片之间出现裂缝或错台，严重时会导致盾构隧道螺栓断裂、接头部位损坏、管片局部破碎以及裂缝扩张等病害，甚至造成隧道主体结构发生破坏，对盾构隧道内列车或车辆的运营安全造成威胁。针对大直径盾构隧道变形控制技术的研究和开发，主要集中在收敛变形的监控和预测方面。目前，尚无针对大直径隧道收敛变形或纵向不均匀上浮和沉降变形的有效预防和控制措施，通常是在超限变形产生甚至导致灾变事故后，进行具有针对性的加固处理。
因此，为预防和治理大直径盾构隧道变形及其可能导致的工程灾害，针对大直径盾构隧道的断面收敛变形以及纵向不均匀上浮或沉降等变形问题，亟需一种有效控制大直径盾构隧道变形的措施。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种大直径盾构隧道变形控制结构及其施工方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种大直径盾构隧道变形控制结构，包括囊袋扩大式降排水预应力锚杆、囊袋扩大式预应力锚杆、蓄排水箱和控制系统；
所述囊袋扩大式降排水预应力锚杆由囊袋扩大式降排水预应力锚杆主体、排水通道、第一注浆体、第一预应力钢筋和第一注浆囊袋组成；所述囊袋扩大式降排水预应力锚杆主体上周向交错贯穿均布第一注浆孔和排水孔；在所述囊袋扩大式降排水预应力锚杆主体内侧布设排水通道，其余空间由外向内地置第一注浆体和第一预应力钢筋；
所述排水通道环向均布贯穿地沿囊袋扩大式降排水预应力锚杆主体布置在其内侧，并紧密嵌入第一注浆体，通过排水孔与土层中的地下水水力连通，通过密封材料与第一注浆体水力不连通；部分所述排水孔内设置孔隙水压力传感器，孔隙水压力传感器表面的透水石与土层紧密贴合；
所述第一注浆囊袋包括第一端头注浆囊袋和第一中间注浆囊袋；所述第一端头注浆囊袋布置在囊袋扩大式降排水预应力锚杆主体端头，若干第一中间注浆囊袋按一定间距环向布置在囊袋扩大式降排水预应力锚杆主体外侧；所述第一端头注浆囊袋和第一中间注浆囊袋通过第一注浆孔与第一注浆体连通；
所述囊袋扩大式降排水预应力锚杆通过第一防水层、第一环向钢梁和第一纵向钢梁沿盾构隧道断面径向地布置于蓄排水箱下方，囊袋扩大式降排水预应力锚杆的顶部位于蓄排水箱内；所述囊袋扩大式降排水预应力锚杆的顶部通过第一锚头和第一固定螺栓密封，在排水通道所在的第一锚头区域留有排水通孔，在第一注浆体所在的第一锚头区域留有第一注浆通孔；
所述蓄排水箱内设有降排水泵，所述降排水泵通过第一锚头上的排水通孔和水管，与排水通道水力连通；
所述蓄排水箱位于盾构隧道底部，通过蓄排水箱周侧板和隧道底板，与盾构隧道内的交通空间、附属设备空间分隔；所述蓄排水箱的底部和周侧铺设第一防水层，防止蓄排水箱内的水渗入土层和盾构隧道的其他区域；所述蓄排水箱通过蓄水或排水分别控制盾构隧道的上浮或沉降；
所述囊袋扩大式预应力锚杆由囊袋扩大式预应力锚杆主体、第二注浆体、第二预应力钢筋和第二注浆囊袋组成；所述囊袋扩大式预应力锚杆主体上周向交错贯穿均布第二注浆孔；在所述囊袋扩大式预应力锚杆主体内，由外向内地置第二注浆体和第二预应力钢筋；
所述第二注浆囊袋包括第二端头注浆囊袋和第二中间注浆囊袋；所述第二端头注浆囊袋布置在囊袋扩大式预应力锚杆主体端头，若干第二中间注浆囊袋按一定间距环向布置在囊袋扩大式预应力锚杆主体外侧；所述第二端头注浆囊袋和第二中间注浆囊袋通过第二注浆孔与第二注浆体连通；
所述囊袋扩大式预应力锚杆通过第二防水层、第二环向钢梁和第二纵向钢梁沿盾构隧道断面径向地布置于盾构隧道上方；所述囊袋扩大式预应力锚杆的顶部通过第二锚头和第二固定螺栓密封，在第二注浆体所在的第二锚头区域留有第二注浆通孔；
所述隧道底板和盾构隧道上设置若干位移传感器；
所述控制系统包括信号采集仪和报警器；所述控制系统与孔隙水压力传感器、位移传感器和降排水泵连接；采集仪能够通过孔隙水压力传感器自动读取和保存盾构隧道底部土层中孔隙水压力数据，通过位移传感器自动读取和保存盾构隧道的位移数据，所述盾构隧道的位移数据包括隧道的上浮量、上浮速率或沉降量、沉降速率等数据；报警器能够对采集到的孔隙水压力数据和位移数据进行读取、预警和处理。
进一步地，所述囊袋扩大式降排水预应力锚杆和囊袋扩大式预应力锚杆对称地布置在盾构隧道断面的上下侧，两者的长度、数量和外径应满足抗拔设计和收敛变形控制要求，且两者与盾构隧道管片接触处做封闭处理，防止漏水事故发生；所述囊袋扩大式降排水预应力锚杆主体和囊袋扩大式预应力锚杆主体为钢管。
进一步地，所述注浆囊袋材料为PVC膜袋或其他高强度高聚合物膜袋；所述排水孔的直径、间距与数量、所述排水通道的数量和水流通量由降排水设计流量确定；所述注浆囊袋的体积、所述第一中间注浆囊袋和第二中间注浆囊袋的数量和间距根据抗拔设计和收敛变形控制要求确定；所述孔隙水压力传感器和位移传感器的数量和分布由盾构隧道的监测设计确定。
进一步地，所述排水通道内铺设排水板，并通过PVC板或其他高强度高聚合物材料，与第一注浆体隔离、水力不连通；所述降排水泵的功率由降排水设计流量确定；所述降排水泵可在有水或无水条件下正常作业；所述蓄排水箱的体积由降排水设计需求、盾构隧道的交通空间和附属设备空间确定；所述蓄排水箱的周侧板强度及各个连接处强度应满足设计需求。
进一步地，所述第二防水层和第二环向钢梁的长度一致，与盾构隧道贴紧，且两者长度应覆盖住潜在发生收敛变形破坏的结构点；所述第二纵向钢梁应避开潜在发生收敛变形破坏的结构点布置。
本发明还提供一种大直径盾构隧道变形控制结构的施工方法，包括：
(1)在大直径盾构隧道经过的地下水丰富、地下空间开发建设活动密集等存在断面收敛变形和纵向不均匀上浮或沉降风险的区间段设置所述大直径盾构隧道变形控制结构。
(2)通过隧道底板和周侧板在盾构隧道底部形成蓄排水箱，并铺设第一防水层。
(3)在蓄排水箱底部第一防水层上铺设第一环向钢梁和第一纵向钢梁；按设计要求在蓄排水箱底部、第一环向钢梁和第一纵向钢梁上钻孔，将布置有待注浆囊袋、排水通道和孔隙水压力传感器的囊袋扩大式降排水预应力锚杆主体安装于钻孔内，插入第一预应力钢筋，安装带第一注浆通孔和排水通孔的第一锚头后进行注浆，根据注浆压力反馈，实时调整注浆压力，待第一端头注浆囊袋、第一中间注浆囊袋以及囊袋扩大式降排水预应力锚杆主体内空隙充满加压浆液后，停止注浆，并将第一注浆通孔封闭。
(4)在盾构隧道顶部依次铺设第二防水层、第二环向钢梁和第二纵向钢梁；按设计要求在盾构隧道顶部、第二环向钢梁和第二纵向钢梁上钻孔，将布置有待注浆囊袋的囊袋扩大式预应力锚杆主体安装于钻孔内，插入第二预应力钢筋，安装带第二注浆通孔的第二锚头后进行注浆，根据注浆压力反馈，实时调整注浆压力，待第二端头注浆囊袋、第二中间注浆囊袋以及囊袋扩大式预应力锚杆主体内空隙充满加压浆液后，停止注浆，并将第二注浆通孔封闭。
(5)待第一注浆体和第二注浆体强度达到设计强度的75％以上时，对称张拉第一预应力钢筋和第二预应力钢筋至设计要求，分别安装第一固定螺栓和第二固定螺栓密封，完成囊袋扩大式降排水预应力锚杆和囊袋扩大式预应力锚杆的安装。
(6)将降排水泵安装在蓄排水箱内，通过水管将第一锚头上的排水通孔和降排水泵连接。
(7)在隧道底板和盾构隧道上设置若干位移传感器；将控制系统与孔隙水压力传感器、位移传感器和降排水泵连接；通过控制系统的采集仪自动读取和保存孔隙水压力传感器和位移传感器数据，通过控制系统的报警器对采集到的孔隙水压力数据和位移数据进行读取、预警和处理。
(8)通过囊袋扩大式降排水预应力锚杆和囊袋扩大式预应力锚杆协同作用，控制大直径盾构隧道断面的收敛变形。
(9)通过囊袋扩大式降排水预应力锚杆、降排水泵、蓄排水箱和控制系统的协同作用控制大直径盾构隧道上浮或沉降；
当控制系统的采集仪采集到的土层中的超静孔隙水压力或隧道的上浮量或上浮速率超过隧道上浮预警值时，警报器报警并自动启动降排水泵抽水，及时降低盾构隧道底部土层中的孔隙水压力以减少盾构隧道的浮力，同时增加蓄排水箱中的储水量以增加盾构隧道的自重；根据实时采集到的超静孔隙水压力或隧道的上浮量或上浮速率的数据，实时调整降排水泵作业功率，直至排除大直径盾构隧道的上浮风险；
当控制系统的采集仪采集到的沉降量或沉降速率超过隧道沉降预警值时，降排水泵不作业，同时利用盾构隧道自带的外排系统向外排出蓄排水箱中的水，以减小盾构隧道的自重；根据实时采集到的隧道沉降量或沉降速率数据，调整蓄排水箱中的储水量；
当蓄排水箱排空仍未控制住隧道沉降量或沉降速率时，解除降排水泵与囊袋扩大式降排水预应力锚杆顶部的通孔的连接，将回灌水泵与囊袋扩大式降排水预应力锚杆顶部的通孔连接；启动回灌水泵，通过囊袋扩大式降排水预应力锚杆向盾构隧道底部土层中回灌地下水，以提高土层中的孔隙水压力，增加盾构隧道的浮力；根据实时采集到的超静孔隙水压力或隧道的沉降量或沉降速率的数据，实时调整回灌水泵作业功率，直至排除大直径盾构隧道的不均匀沉降风险。
进一步地，所述步骤(2)中，所述蓄排水箱可根据盾构隧道各个区间的降排水设计的不同，在区间交界处设置分隔板，安装具有合适数量的排水通道和第一中间注浆囊袋的囊袋扩大式降排水预应力锚杆，选用配套功率的降排水泵，沿盾构隧道形成具有不同蓄排水和抗浮能力的区间蓄排水箱。
进一步地，所述步骤(2)-(4)中，所述第一防水层和第二防水层为柔性防水层，便于长期运营阶段的养护和更换；所述第一端头注浆囊袋、第一中间注浆囊袋、囊袋扩大式降排水预应力锚杆主体、第二端头注浆囊袋、第二中间注浆囊袋以及囊袋扩大式预应力锚杆主体空隙内充满的加压浆液的压力大小由收敛变形控制要求以及囊袋体积和强度确定。
进一步地，所述步骤(5)中，同一断面上设置的第一预应力钢筋和第二预应力钢筋对称张拉，且预应力的设计要求由收敛变形控制要求确定。
进一步地，所述步骤(9)中，当控制系统的采集仪采集到的土层中的超静孔隙水压力与隧道的位移数据冲突时，以隧道的位移数据为准；所述降排水泵作业功率、蓄排水箱中增加的储水量和增加储水量的速率、回灌水泵作业功率由设计确定；所述控制系统预留接口连接地下空间智能监测系统，提供盾构隧道服役期的运维监测数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明中的大直径盾构隧道变形控制结构是在盾构隧道施工期进行安装，与整个盾构隧道同时完成交付并投入使用，可有效避免盾构隧道运营期间发生断面收敛或纵向变形病害但整治时间少(运营盾构地铁隧道的整治只能在夜间非列车运营的天窗时间进行，实施难度大、工效低、要求高)的现状，将有效地服务于大直径盾构隧道运营阶段的全寿命周期。
2、本发明中囊袋扩大式降排水预应力锚杆和囊袋扩大式预应力锚杆的设置，不仅可以预防沿大直径盾构隧道纵向的不均匀上浮或沉降，还能防治大直径盾构隧道断面的收敛变形。
一方面，通过扩大式囊袋不仅增大了囊袋扩大式降排水预应力锚杆和囊袋扩大式预应力锚杆分别与盾构隧道下方和上方土层的接触面积，增加抗拔阻力，而且囊袋加压注浆后嵌固于土体中，充分利用嵌固土体的强度提供抗拔阻力，进一步地增加了囊袋扩大式降排水预应力锚杆的抗拔效果，即采用扩大式囊袋提供足够的抗拔阻力，可有效预防大直径盾构隧道发生不均匀上浮或沉降灾害。
另一方面，在囊袋扩大式降排水预应力锚杆和囊袋扩大式预应力锚杆上对称施加预应力，在大直径盾构隧道断面上形成收敛变形的抗力，有效防治大直径盾构隧道断面的收敛变形及其可能引起的工程病害
3、本发明采用环向钢梁和纵向钢梁，使得囊袋扩大式降排水预应力锚杆和囊袋扩大式预应力锚杆提供的抗拔反力和抗收敛预应力均布于盾构隧道底部的蓄排水箱区域处的管片上，使得变形协调，有效防止管片不均匀受力导致的变形和错台或局部破损，使得囊袋扩大式降排水预应力锚杆和囊袋扩大式预应力锚杆能够安全地防治大直径盾构隧道的断面收敛变形以及纵向的不均匀上浮和沉降。
4、采用的蓄排水箱充分利用盾构隧道的底部预留空间，将蓄排水箱布置在隧道底部，与囊袋扩大式降排水预应力锚杆连接，内置降排水泵，通过控制系统有效地控制复杂水文地质条件和近接施工引起的盾构隧道的上浮或沉降。
5、本发明中囊袋扩大式降排水预应力锚杆和蓄排水箱联合作用，通过降排水降低盾构隧道底部土层中的孔隙水压力以减少盾构隧道的浮力，同时增加蓄排水箱中的储水量以增加盾构隧道的自重，综合防治盾构隧道上浮；
通过减少蓄排水箱中的储水量以减小盾构隧道的自重，必要时通过囊袋扩大式降排水锚杆向盾构隧道底部土层中回灌地下水，以提高土层中的孔隙水压力增加盾构隧道的浮力，达到综合治理盾构隧道下沉的目的。
6、本发明蓄排水箱在各个隧道区间段交界处设置分隔板，通过调整囊袋扩大式降排水预应力锚杆的排水通道和第一中间注浆囊袋的数量、以及降排水泵的功率，根据盾构隧道各个区间段的降排水设计的不同，沿盾构隧道形成具有不同蓄排水能力的区间蓄排水箱，因地制宜，有效地控制盾构隧道的上浮或沉降。
7、本发明中采集仪实时采集和保存的土层中的超静孔隙水压力和盾构隧道的位移数据，可用于分析监测区域盾构隧道下部土层中的孔压响应和隧道位移响应特点，开展隧道应力场和位移场分布的科学研究；同时，结合盾构隧道变形控制过程中的实时反馈数据和有效的变形控制成果，可建立盾构隧道的周边工程环境和变形控制的大数据库，并为该区域或类似区域其他盾构隧道的变形控制设计与施工提供一定的参考和指导。
附图说明
图1是大直径盾构隧道变形控制结构的示意图；
图2是囊袋扩大式降排水预应力锚杆的示意图；
图3是A-A的剖面图；
图4是B-B的剖面图；
图5是囊袋扩大式预应力锚杆的示意图；
图6是C-C的剖面图；
图中，囊袋扩大式降排水预应力锚杆1、囊袋扩大式降排水预应力锚杆主体1-1、第一注浆孔1-1-1、第一锚头1-1-2、第一固定螺栓1-1-3、排水通道1-2、排水孔1-2-1、第一注浆体1-3、第一预应力钢筋1-4、第一端头注浆囊袋1-5-1、第一中间注浆囊袋1-5-2、第一环向钢梁1-6、第一纵向钢梁1-7、降排水泵1-8、蓄排水箱2、第一防水层2-1、囊袋扩大式预应力锚杆3、囊袋扩大式预应力锚杆主体3-1、第二注浆孔3-1-1、第二锚头3-1-2、第二固定螺栓3-1-3、第二注浆体3-2、第二预应力钢筋3-3、第二端头注浆囊袋3-4-1、第二中间注浆囊袋3-4-2、第二防水层3-5、第二环向钢梁3-6、第二纵向钢梁3-7、隧道底板4、盾构隧道5。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本实施例提供的一种大直径盾构隧道变形控制结构，包括囊袋扩大式降排水预应力锚杆1、囊袋扩大式预应力锚杆3、蓄排水箱2和控制系统。
如图2-4所示，所述囊袋扩大式降排水预应力锚杆1由囊袋扩大式降排水预应力锚杆主体1-1、排水通道1-2、第一注浆体1-3、第一预应力钢筋1-4和第一注浆囊袋组成；所述囊袋扩大式降排水预应力锚杆主体1-1上周向交错贯穿均布第一注浆孔1-1-1和排水孔1-2-1；在所述囊袋扩大式降排水预应力锚杆主体1-1内侧布设排水通道1-2，其余空间由外向内地置第一注浆体1-3和第一预应力钢筋1-4。
所述排水通道1-2环向均布贯穿地沿囊袋扩大式降排水预应力锚杆主体1-1布置在其内侧，并紧密嵌入第一注浆体1-3，通过排水孔1-2-1与土层中的地下水水力连通，通过密封材料与第一注浆体1-3水力不连通；部分所述排水孔1-2-1内设置孔隙水压力传感器，孔隙水压力传感器表面的透水石与土层紧密贴合。
所述第一注浆囊袋包括第一端头注浆囊袋1-5-1和第一中间注浆囊袋1-5-2；所述第一端头注浆囊袋1-5-1布置在囊袋扩大式降排水预应力锚杆主体1-1的端头，若干所述第一中间注浆囊袋1-5-2按一定间距环向布置在囊袋扩大式降排水预应力锚杆主体1-1外侧；所述第一端头注浆囊袋1-5-1和第一中间注浆囊袋1-5-2通过第一注浆孔1-1-1与第一注浆体1-3连通。
所述囊袋扩大式降排水预应力锚杆1通过第一防水层2-1、第一环向钢梁1-6和第一纵向钢梁1-7沿盾构隧道5断面径向地布置于蓄排水箱2下方，囊袋扩大式降排水预应力锚杆1的顶部位于蓄排水箱2内；所述囊袋扩大式降排水预应力锚杆1的顶部通过第一锚头1-1-2和第一固定螺栓1-1-3密封，在排水通道1-2所在的第一锚头1-1-2区域留有排水通孔，在第一注浆体1-3所在的第一锚头1-1-2区域留有第一注浆通孔。
所述蓄排水箱2内设有降排水泵1-8，所述降排水泵1-8通过第一锚头1-1-2上的排水通孔和水管，与排水通道1-2水力连通。
所述蓄排水箱2位于盾构隧道5底部，通过蓄排水箱2周侧板和隧道底板4，与盾构隧道5内的交通空间、附属设备空间分隔；所述蓄排水箱2的底部和周侧铺设第一防水层2-1，防止蓄排水箱2内的水渗入土层和盾构隧道5的其他区域。所述蓄排水箱2具有一定的蓄排水能力，通过蓄水或排水分别控制盾构隧道5的上浮或沉降；
如图5、6所示，所述囊袋扩大式预应力锚杆3由囊袋扩大式预应力锚杆主体3-1、第二注浆体3-2、第二预应力钢筋3-3和第二注浆囊袋组成；所述囊袋扩大式预应力锚杆主体3-1上周向交错贯穿均布第二注浆孔3-1-1；在所述囊袋扩大式预应力锚杆主体3-1内，由外向内地置第二注浆体3-2和第二预应力钢筋3-3。
所述第二注浆囊袋包括第二端头注浆囊袋3-4-1和第二中间注浆囊袋3-4-2；所述第二端头注浆囊袋3-4-1布置在囊袋扩大式预应力锚杆主体3-1的端头，若干所述第二中间注浆囊袋3-4-2按一定间距环向布置在囊袋扩大式预应力锚杆主体3-1外侧；所述第二端头注浆囊袋3-4-1和第二中间注浆囊袋3-4-2通过第二注浆孔3-3-1与第二注浆体3-2连通。
所述囊袋扩大式预应力锚杆3通过第二防水层3-5、第二环向钢梁3-6和第二纵向钢梁3-7沿盾构隧道5断面径向地布置于盾构隧道5上方；所述囊袋扩大式预应力锚杆3的顶部通过第二锚头3-1-2和第二固定螺栓3-1-3密封，在第二注浆体3-2所在的第二锚头3-1-2区域留有第二注浆通孔。
所述隧道底板4和盾构隧道5上设置一定数量的位移传感器。
所述控制系统包括信号采集仪和报警器；所述控制系统与孔隙水压力传感器、位移传感器和降排水泵1-8连接；采集仪能够通过孔隙水压力传感器自动读取和保存盾构隧道5底部土层中孔隙水压力数据，通过位移传感器自动读取和保存盾构隧道5的位移数据，所述盾构隧道5的位移数据包括隧道的上浮量、上浮速率或沉降量、沉降速率等数据；报警器能够对采集到的孔隙水压力数据和位移数据进行读取、预警和处理。
具体地，所述囊袋扩大式降排水预应力锚杆1和囊袋扩大式预应力锚杆3对称地布置在盾构隧道5断面的上下侧，两者的长度、数量和外径应满足抗拔设计和收敛变形控制要求，且两者与盾构隧道5管片接触处做封闭处理，防止漏水事故发生；所述囊袋扩大式降排水预应力锚杆主体1-1和囊袋扩大式预应力锚杆主体3-1为钢管。
具体地，所述注浆囊袋材料为PVC膜袋或其他高强度高聚合物膜袋；所述排水孔1-2-1的直径、间距与数量、所述排水通道1-2的数量和水流通量由降排水设计流量确定；所述注浆囊袋的体积、所述第一中间注浆囊袋1-5-2和第二中间注浆囊袋3-4-2的数量和间距根据抗拔设计和收敛变形控制要求确定；所述孔隙水压力传感器和位移传感器的数量和分布由盾构隧道5的监测设计确定。
具体地，所述排水通道1-2内铺设排水板，并通过PVC板或其他高强度高聚合物材料，与第一注浆体1-3隔离、水力不连通；所述降排水泵1-8的功率由降排水设计流量确定；所述降排水泵1-8可在有水或无水条件下正常作业；所述蓄排水箱2的体积由降排水设计需求、盾构隧道5的交通空间和附属设备空间确定；所述蓄排水箱2的周侧板强度以及各个连接处强度应满足设计需求。
具体地，所述第二防水层3-5和第二环向钢梁3-6的长度一致，与盾构隧道5贴紧，且两者长度应覆盖住潜在发生收敛变形破坏的结构点；所述第二纵向钢梁3-7应避开潜在发生收敛变形破坏的结构点布置。
本实施例还提供一种大直径盾构隧道变形控制结构的施工方法，该方法包括以下步骤：
(1)在大直径盾构隧道经过的地下水丰富、地下空间开发建设活动密集等存在断面收敛变形和纵向不均匀上浮或沉降风险的区间段设置所述大直径盾构隧道变形控制结构。
(2)通过隧道底板4和周侧板在盾构隧道5底部形成蓄排水箱2，并铺设第一防水层2-1；
具体地，可根据盾构隧道5各个区间的降排水设计的不同，在区间交界处设置分隔板，安装具有合适数量的排水通道1-2和第一中间注浆囊袋1-5-2的囊袋扩大式降排水预应力锚杆1，选用配套功率的降排水泵1-8，沿盾构隧道5形成具有不同蓄排水和抗浮能力的区间蓄排水箱2。
(3)在蓄排水箱2底部第一防水层2-1上铺设第一环向钢梁1-6和第一纵向钢梁1-7；按设计要求在蓄排水箱2底部、第一环向钢梁1-6和第一纵向钢梁1-7上钻孔，将布置有待注浆囊袋、排水通道1-2和孔隙水压力传感器的囊袋扩大式降排水预应力锚杆主体1-1安装于钻孔内，插入第一预应力钢筋1-4，安装带第一注浆通孔和排水通孔的第一锚头1-1-2后进行注浆，根据注浆压力反馈，实时调整注浆压力，待第一端头注浆囊袋1-5-1、第一中间注浆囊袋1-5-2以及囊袋扩大式降排水预应力锚杆主体1-1内空隙充满加压浆液后，停止注浆，并将第一注浆通孔封闭。
(4)在盾构隧道5顶部依次铺设第二防水层3-5、第二环向钢梁3-6和第二纵向钢梁3-7；按设计要求在盾构隧道5顶部、第二环向钢梁3-6和第二纵向钢梁3-7上钻孔，将布置有待注浆囊袋的囊袋扩大式预应力锚杆主体3-1安装于钻孔内，插入第二预应力钢筋3-3，安装带第二注浆通孔的第二锚头3-1-2后进行注浆，根据注浆压力反馈，实时调整注浆压力，待第二端头注浆囊袋3-4-1、第二中间注浆囊袋3-4-2以及囊袋扩大式预应力锚杆主体3-1内空隙充满加压浆液后，停止注浆，并将第二注浆通孔封闭。
(5)待第一注浆体1-3和第二注浆体3-2强度达到设计强度的75％以上时，对称张拉第一预应力钢筋1-4和第二预应力钢筋3-3至设计要求，分别安装第一固定螺栓1-1-3和第二固定螺栓3-1-3密封，完成囊袋扩大式降排水预应力锚杆1和囊袋扩大式预应力锚杆3的安装；
具体地，同一断面上设置的第一预应力钢筋1-4和第二预应力钢筋3-3对称张拉，且预应力的设计要求由收敛变形控制要求确定。
(6)将降排水泵1-8安装在蓄排水箱2内，通过水管将第一锚头1-1-2上的排水通孔和降排水泵1-8连接。
(7)在隧道底板4和盾构隧道5上设置一定数量的位移传感器；将控制系统与孔隙水压力传感器、位移传感器和降排水泵1-8连接；通过控制系统的采集仪自动读取和保存孔隙水压力传感器和位移传感器数据，通过控制系统的报警器对采集到的孔隙水压力数据和位移数据进行读取、预警和处理。
(8)通过囊袋扩大式降排水预应力锚杆1和囊袋扩大式预应力锚杆3协同作用，控制大直径盾构隧道断面的收敛变形。
(9)通过囊袋扩大式降排水预应力锚杆1、降排水泵1-8、蓄排水箱2和控制系统的协同作用控制大直径盾构隧道上浮或沉降；
当控制系统的采集仪采集到的土层中的超静孔隙水压力或隧道的上浮量或上浮速率超过隧道上浮预警值时，警报器报警并自动启动降排水泵1-8抽水，及时降低盾构隧道5底部土层中的孔隙水压力以减少盾构隧道5的浮力，同时增加蓄排水箱2中的储水量以增加盾构隧道5的自重；根据实时采集到的超静孔隙水压力或隧道的上浮量或上浮速率的数据，实时调整降排水泵1-8作业功率，直至排除大直径盾构隧道的上浮风险；
当控制系统的采集仪采集到的土层中的超静孔隙水压力与隧道的位移(上浮量或上浮速率)数据冲突时，以隧道的位移(上浮量或上浮速率)数据为准；
当控制系统的采集仪采集到的沉降量或沉降速率超过隧道沉降预警值时，降排水泵2不作业，同时利用盾构隧道自带的外排系统向外排出蓄排水箱2中的水，以减小盾构隧道5的自重；根据实时采集到的隧道沉降量或沉降速率数据，调整蓄排水箱2中的储水量；
当蓄排水箱2排空仍未控制住隧道沉降量或沉降速率时，解除降排水泵1-8与囊袋扩大式降排水预应力锚杆1顶部的通孔的连接，将回灌水泵与囊袋扩大式降排水预应力锚杆1顶部的通孔连接；启动回灌水泵，通过囊袋扩大式降排水预应力锚杆1向盾构隧道5底部土层中回灌地下水，以提高土层中的孔隙水压力，增加盾构隧道5的浮力；根据实时采集到的超静孔隙水压力或隧道的沉降量或沉降速率的数据，实时调整回灌水泵作业功率，直至排除大直径盾构隧道的不均匀沉降风险。
具体地，所述降排水泵1-8作业功率、蓄排水箱2中增加的储水量和增加储水量的速率、回灌水泵作业功率由设计确定。
具体地，所述步骤(2)-(4)中，所述第一防水层2-1和第二防水层3-5为柔性防水层，便于长期运营阶段的养护和更换；所述第一端头注浆囊袋1-5-1、第一中间注浆囊袋1-5-2、囊袋扩大式降排水预应力锚杆主体1-1、第二端头注浆囊袋3-4-1、第二中间注浆囊袋3-4-2以及囊袋扩大式预应力锚杆主体3-1空隙内充满的加压浆液的压力大小由收敛变形控制要求以及囊袋体积和强度确定。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大直径盾构隧道变形控制结构，其特征在于：包括囊袋扩大式降排水预应力锚杆(1)、囊袋扩大式预应力锚杆(3)、蓄排水箱(2)和控制系统；
所述囊袋扩大式降排水预应力锚杆(1)由囊袋扩大式降排水预应力锚杆主体(1-1)、排水通道(1-2)、第一注浆体(1-3)、第一预应力钢筋(1-4)和第一注浆囊袋组成；所述囊袋扩大式降排水预应力锚杆主体(1-1)上周向交错贯穿均布第一注浆孔(1-1-1)和排水孔(1-2-1)；在所述囊袋扩大式降排水预应力锚杆主体(1-1)内侧布设排水通道(1-2)，其余空间由外向内地置第一注浆体(1-3)和第一预应力钢筋(1-4)；
所述排水通道(1-2)环向均布贯穿地沿囊袋扩大式降排水预应力锚杆主体(1-1)布置在其内侧，并紧密嵌入第一注浆体(1-3)，通过排水孔(1-2-1)与土层中的地下水水力连通，通过密封材料与第一注浆体(1-3)水力不连通；部分所述排水孔(1-2-1)内设置孔隙水压力传感器，孔隙水压力传感器表面的透水石与土层紧密贴合；
所述第一注浆囊袋包括第一端头注浆囊袋(1-5-1)和第一中间注浆囊袋(1-5-2)；所述第一端头注浆囊袋(1-5-1)布置在囊袋扩大式降排水预应力锚杆主体(1-1)端头，若干第一中间注浆囊袋(1-5-2)按一定间距环向布置在囊袋扩大式降排水预应力锚杆主体(1-1)外侧；所述第一端头注浆囊袋(1-5-1)和第一中间注浆囊袋(1-5-2)通过第一注浆孔(1-1-1)与第一注浆体(1-3)连通；
所述囊袋扩大式降排水预应力锚杆(1)通过第一防水层(2-1)、第一环向钢梁(1-6)和第一纵向钢梁(1-7)沿盾构隧道(5)断面径向地布置于蓄排水箱(2)下方，囊袋扩大式降排水预应力锚杆(1)的顶部位于蓄排水箱(2)内；所述囊袋扩大式降排水预应力锚杆(1)的顶部通过第一锚头(1-1-2)和第一固定螺栓(1-1-3)密封，在排水通道(1-2)所在的第一锚头(1-1-2)区域留有排水通孔，在第一注浆体(1-3)所在的第一锚头(1-1-2)区域留有第一注浆通孔；
所述蓄排水箱(2)内设有降排水泵(1-8)，所述降排水泵(1-8)通过第一锚头(1-1-2)上的排水通孔和水管，与排水通道(1-2)水力连通；
所述蓄排水箱(2)位于盾构隧道(5)底部，通过蓄排水箱(2)周侧板和隧道底板(4)，与盾构隧道(5)内的交通空间、附属设备空间分隔；所述蓄排水箱(2)的底部和周侧铺设第一防水层(2-1)，防止蓄排水箱(2)内的水渗入土层和盾构隧道(5)的其他区域；所述蓄排水箱(2)通过蓄水或排水分别控制盾构隧道(5)的上浮或沉降；
所述囊袋扩大式预应力锚杆(3)由囊袋扩大式预应力锚杆主体(3-1)、第二注浆体(3-2)、第二预应力钢筋(3-3)和第二注浆囊袋组成；所述囊袋扩大式预应力锚杆主体(3-1)上周向交错贯穿均布第二注浆孔(3-1-1)；在所述囊袋扩大式预应力锚杆主体(3-1)内，由外向内地置第二注浆体(3-2)和第二预应力钢筋(3-3)；
所述第二注浆囊袋包括第二端头注浆囊袋(3-4-1)和第二中间注浆囊袋(3-4-2)；所述第二端头注浆囊袋(3-4-1)布置在囊袋扩大式预应力锚杆主体(3-1)端头，若干第二中间注浆囊袋(3-4-2)按一定间距环向布置在囊袋扩大式预应力锚杆主体(3-1)外侧；所述第二端头注浆囊袋(3-4-1)和第二中间注浆囊袋(3-4-2)通过第二注浆孔(3-3-1)与第二注浆体(3-2)连通；
所述囊袋扩大式预应力锚杆(3)通过第二防水层(3-5)、第二环向钢梁(3-6)和第二纵向钢梁(3-7)沿盾构隧道(5)断面径向地布置于盾构隧道(5)上方；所述囊袋扩大式预应力锚杆(3)的顶部通过第二锚头(3-1-2)和第二固定螺栓(3-1-3)密封，在第二注浆体(3-2)所在的第二锚头(3-1-2)区域留有第二注浆通孔；
所述隧道底板(4)和盾构隧道(5)上设置若干位移传感器；
所述控制系统包括信号采集仪和报警器；所述控制系统与孔隙水压力传感器、位移传感器和降排水泵(1-8)连接；采集仪能够通过孔隙水压力传感器自动读取和保存盾构隧道(5)底部土层中孔隙水压力数据，通过位移传感器自动读取和保存盾构隧道(5)的位移数据，所述盾构隧道(5)的位移数据包括隧道的上浮量、上浮速率或沉降量、沉降速率等数据；报警器能够对采集到的孔隙水压力数据和位移数据进行读取、预警和处理。
2.根据权利要求1所述的一种大直径盾构隧道变形控制结构，其特征在于：所述囊袋扩大式降排水预应力锚杆(1)和囊袋扩大式预应力锚杆(3)对称地布置在盾构隧道(5)断面的上下侧，两者的长度、数量和外径应满足抗拔设计和收敛变形控制要求，且两者与盾构隧道(5)管片接触处做封闭处理，防止漏水事故发生；所述囊袋扩大式降排水预应力锚杆主体(1-1)和囊袋扩大式预应力锚杆主体(3-1)为钢管。
3.根据权利要求1所述的一种大直径盾构隧道变形控制结构，其特征在于：所述注浆囊袋材料为PVC膜袋或其他高强度高聚合物膜袋；所述排水孔(1-2-1)的直径、间距与数量、所述排水通道(1-2)的数量和水流通量由降排水设计流量确定；所述注浆囊袋的体积、所述第一中间注浆囊袋(1-5-2)和第二中间注浆囊袋(3-4-2)的数量和间距根据抗拔设计和收敛变形控制要求确定；所述孔隙水压力传感器和位移传感器的数量和分布由盾构隧道(5)的监测设计确定。
4.根据权利要求1所述的一种大直径盾构隧道变形控制结构，其特征在于：所述排水通道(1-2)内铺设排水板，并通过PVC板或其他高强度高聚合物材料，与第一注浆体(1-3)隔离、水力不连通；所述降排水泵(1-8)的功率由降排水设计流量确定；所述降排水泵(1-8)可在有水或无水条件下正常作业；所述蓄排水箱(2)的体积由降排水设计需求、盾构隧道(5)的交通空间和附属设备空间确定；所述蓄排水箱(2)的周侧板强度及各个连接处强度应满足设计需求。
5.根据权利要求1所述的一种大直径盾构隧道变形控制结构，其特征在于：所述第二防水层(3-5)和第二环向钢梁(3-6)的长度一致，与盾构隧道(5)贴紧，且两者长度应覆盖住潜在发生收敛变形破坏的结构点；所述第二纵向钢梁(3-7)应避开潜在发生收敛变形破坏的结构点布置。
6.一种权利要求1-5任一项所述大直径盾构隧道变形控制结构的施工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)在大直径盾构隧道经过的地下水丰富、地下空间开发建设活动密集等存在断面收敛变形和纵向不均匀上浮或沉降风险的区间段设置所述大直径盾构隧道变形控制结构。
(2)通过隧道底板(4)和周侧板在盾构隧道(5)底部形成蓄排水箱(2)，并铺设第一防水层(2-1)。
(3)在蓄排水箱(2)底部第一防水层(2-1)上铺设第一环向钢梁(1-6)和第一纵向钢梁(1-7)；按设计要求在蓄排水箱(2)底部、第一环向钢梁(1-6)和第一纵向钢梁(1-7)上钻孔，将布置有待注浆囊袋、排水通道(1-2)和孔隙水压力传感器的囊袋扩大式降排水预应力锚杆主体(1-1)安装于钻孔内，插入第一预应力钢筋(1-4)，安装带第一注浆通孔和排水通孔的第一锚头(1-1-2)后进行注浆，根据注浆压力反馈，实时调整注浆压力，待第一端头注浆囊袋(1-5-1)、第一中间注浆囊袋(1-5-2)以及囊袋扩大式降排水预应力锚杆主体(1-1)内空隙充满加压浆液后，停止注浆，并将第一注浆通孔封闭。
(4)在盾构隧道(5)顶部依次铺设第二防水层(3-5)、第二环向钢梁(3-6)和第二纵向钢梁(3-7)；按设计要求在盾构隧道(5)顶部、第二环向钢梁(3-6)和第二纵向钢梁(3-7)上钻孔，将布置有待注浆囊袋的囊袋扩大式预应力锚杆主体(3-1)安装于钻孔内，插入第二预应力钢筋(3-3)，安装带第二注浆通孔的第二锚头(3-1-2)后进行注浆，根据注浆压力反馈，实时调整注浆压力，待第二端头注浆囊袋(3-4-1)、第二中间注浆囊袋(3-4-2)以及囊袋扩大式预应力锚杆主体(3-1)内空隙充满加压浆液后，停止注浆，并将第二注浆通孔封闭。
(5)待第一注浆体(1-3)和第二注浆体(3-2)强度达到设计强度的75％以上时，对称张拉第一预应力钢筋(1-4)和第二预应力钢筋(3-3)至设计要求，分别安装第一固定螺栓(1-1-3)和第二固定螺栓(3-1-3)密封，完成囊袋扩大式降排水预应力锚杆(1)和囊袋扩大式预应力锚杆(3)的安装。
(6)将降排水泵(1-8)安装在蓄排水箱(2)内，通过水管将第一锚头(1-1-2)上的排水通孔和降排水泵(1-8)连接。
(7)在隧道底板(4)和盾构隧道(5)上设置若干位移传感器；将控制系统与孔隙水压力传感器、位移传感器和降排水泵(1-8)连接；通过控制系统的采集仪自动读取和保存孔隙水压力传感器和位移传感器数据，通过控制系统的报警器对采集到的孔隙水压力数据和位移数据进行读取、预警和处理。
(8)通过囊袋扩大式降排水预应力锚杆(1)和囊袋扩大式预应力锚杆(3)协同作用，控制大直径盾构隧道断面的收敛变形。
(9)通过囊袋扩大式降排水预应力锚杆(1)、降排水泵(1-8)、蓄排水箱(2)和控制系统的协同作用控制大直径盾构隧道上浮或沉降；
当控制系统的采集仪采集到的土层中的超静孔隙水压力或隧道的上浮量或上浮速率超过隧道上浮预警值时，警报器报警并自动启动降排水泵(1-8)抽水，及时降低盾构隧道(5)底部土层中的孔隙水压力以减少盾构隧道(5)的浮力，同时增加蓄排水箱(2)中的储水量以增加盾构隧道(5)的自重；根据实时采集到的超静孔隙水压力或隧道的上浮量或上浮速率的数据，实时调整降排水泵(1-8)作业功率，直至排除大直径盾构隧道的上浮风险；
当控制系统的采集仪采集到的沉降量或沉降速率超过隧道沉降预警值时，降排水泵(2)不作业，同时利用盾构隧道自带的外排系统向外排出蓄排水箱(2)中的水，以减小盾构隧道(5)的自重；根据实时采集到的隧道沉降量或沉降速率数据，调整蓄排水箱(2)中的储水量；
当蓄排水箱(2)排空仍未控制住隧道沉降量或沉降速率时，解除降排水泵(1-8)与囊袋扩大式降排水预应力锚杆(1)顶部的通孔的连接，将回灌水泵与囊袋扩大式降排水预应力锚杆(1)顶部的通孔连接；启动回灌水泵，通过囊袋扩大式降排水预应力锚杆(1)向盾构隧道(5)底部土层中回灌地下水，以提高土层中的孔隙水压力，增加盾构隧道(5)的浮力；根据实时采集到的超静孔隙水压力或隧道的沉降量或沉降速率的数据，实时调整回灌水泵作业功率，直至排除大直径盾构隧道的不均匀沉降风险。
7.根据权利要求6所述的一种大直径盾构隧道变形控制结构的施工方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述蓄排水箱(2)可根据盾构隧道(5)各个区间的降排水设计的不同，在区间交界处设置分隔板，安装具有合适数量的排水通道(1-2)和第一中间注浆囊袋(1-5-2)的囊袋扩大式降排水预应力锚杆(1)，选用配套功率的降排水泵(1-8)，沿盾构隧道(5)形成具有不同蓄排水和抗浮能力的区间蓄排水箱(2)。
8.根据权利要求6所述的一种大直径盾构隧道变形控制结构的施工方法，其特征在于：所述步骤(2)-(4)中，所述第一防水层(2-1)和第二防水层(3-5)为柔性防水层，便于长期运营阶段的养护和更换；所述第一端头注浆囊袋(1-5-1)、第一中间注浆囊袋(1-5-2)、囊袋扩大式降排水预应力锚杆主体(1-1)、第二端头注浆囊袋(3-4-1)、第二中间注浆囊袋(3-4-2)以及囊袋扩大式预应力锚杆主体(3-1)空隙内充满的加压浆液的压力大小由收敛变形控制要求以及囊袋体积和强度确定。
9.根据权利要求6所述的一种大直径盾构隧道变形控制结构的施工方法，其特征在于：所述步骤(5)中，同一断面上设置的第一预应力钢筋(1-4)和第二预应力钢筋(3-3)对称张拉，且预应力的设计要求由收敛变形控制要求确定。
10.根据权利要求6所述的一种大直径盾构隧道变形控制结构的施工方法，其特征在于：所述步骤(9)中，当控制系统的采集仪采集到的土层中的超静孔隙水压力与隧道的位移数据冲突时，以隧道的位移数据为准；所述降排水泵(1-8)作业功率、蓄排水箱(2)中增加的储水量和增加储水量的速率、回灌水泵作业功率由设计确定；所述控制系统预留接口连接地下空间智能监测系统，提供盾构隧道服役期的运维监测数据。
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