CN113464150A - 一种盾构端头加固结构及加固施作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种盾构端头加固结构及加固施作方法，加固结构包括素墙和端头水平加固结构，素墙与围护结构之间设有用于止水的注浆加固体或旋喷桩加固体。加固施作方法：先在基坑围护结构外侧钻孔咬合成槽或液压抓斗成槽，槽内浇筑混凝土，形成一道平行于围护结构的素墙；再在隧道洞口处钻水平孔，穿过围护结构和素墙，对盾构端头加固区土体进行注浆加固；然后对围护结构和素墙之间的土体进行钻孔注浆止水或旋喷桩止水，最后，在端头水平加固结构周围施工备用降水井。本发明能够有效加强端头加固效果，保证凿除钢筋混凝土围护结构期间的洞门安全的同时降低设备体积和设备投入成本，地面作业面积小，施工成本低，作业时间短。
Description
技术领域
本发明属于隧道工程技术领域，具体涉及一种盾构端头加固结构及加固施作方法。
背景技术
盾构进出洞时，一般采用的施工方法是先完成盾构井围护及主体结构，再对盾构隧道端头土体进行改良加固，然后凿除洞门处钢筋混凝土围护结构，进而完成盾构机始发或到达。由于东门在凿除钢筋混凝土围护结构期间处于裸露状态，极易发生洞门涌水涌沙、土体坍塌等现象，严重危及附近地下管线和建筑物的安全，影响盾构机进出洞作业，因此才需要提前对端头土体进行改良加固。
目前，端头加固最常用的方法是采用三轴搅拌桩与高压旋喷桩相结合进行地面垂直注浆加固，即在端头一定范围内打设三轴搅拌桩，再采用高压旋喷桩补强，以达到端头加固的效果。但该方法主要存在以下两点缺点：(一)需要使用大型设备三轴搅拌机，机械设备投入大且占用作业面大，施工成本高，工期长，极大影响施工进度；(二)该方法仅适用于地面下18m以上地层加固，当隧道埋深大于20m时，该法加固效果不佳，难以满足盾构始发、接收需要。因此，如何设计一种加固效果好且施工成本低、安全性强的加固结构，是目前亟待解决的关键技术问题。
发明内容
本发明的目的在于改善现有技术中存在的不足,提供一种盾构端头加固结构及加固施作方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种盾构端头加固结构，设于盾构隧道始发端或接收端的基坑围护结构外侧盾构端头加固区土层内，包括素墙和端头水平加固结构；所述素墙由在咬合钻孔或液压抓斗所形成的连续槽内浇筑素混凝土构成，素墙径向截面边缘超出隧道断面轮廓线3m；所述端头水平加固结构为设于素墙外侧的水泥土实心结构,端头水平加固结构由水平钻孔注浆形成并满布盾构端头加固区，端头水平加固结构径向截面外边缘超出隧道断面轮廓线3m，且沿隧道轴线长度不小于9m；所述素墙与围护结构之间设有用于封堵地下水的加固体，加固体为注浆加固体或旋喷桩加固体。
2、根据权利要求1所述的盾构端头加固结构，其特征在于：所述素墙外设有多个贯穿盾构端头加固区并用于端头加固的注浆孔，注浆孔包括水平孔和斜孔，注浆孔的孔间距小于所用注浆液在端头水平加固区域土体内的扩散半径的2倍。
进一步地，所述端头水平加固结构所用注浆液采用水泥浆或水泥水玻璃双液浆。
进一步地，所述素墙靠近围护结构一侧墙面与基坑围护结构之间的距离不大于100mm，素墙厚度不小于600mm。
进一步地，所述素墙厚度为600mm至800mm。
进一步地，所述加固体强度不小于1Mpa，渗透系数不大于1.0×10-6cm/s。
一种基于上述盾构端头加固结构的加固施作方法，包括以下步骤：
S01、在基坑围护结构外侧钻孔咬合成槽或液压抓斗成槽，在槽内浇筑混凝土，形成一道平行与围护结构的素墙；素墙靠近围护结构一侧墙面与基坑围护结构之间的距离不大于100mm，素墙厚度为600mm至800mm，素墙径向截面边缘超出隧道断面轮廓线3m；
S02、在隧道洞口处钻水平孔，穿过围护结构和素墙，对盾构端头加固区土体进行注浆加固，构成端头水平加固结构；端头水平加固结构径向截面外边缘超出隧道断面轮廓线3m，且水平加固体沿隧道轴线长度不小于9m，水平钻孔间距小于所注浆液在加固区土体中的浆液扩散半径的2倍；
S03、在地面上向围护结构和素墙之间土体进行钻孔注浆止水或旋喷桩止水，形成用于降低围护结构与素墙间土体渗透系数的加固体；
S04、在端头水平加固结构周围施工备用降水井。
进一步地，所述步骤S02具体包括：
S201：由洞门向土体内钻孔注浆，注浆孔沿隧道轴向贯通素墙及素墙外盾构端头加固区；
所述注浆孔数量为多环且包括水平孔和斜孔，注浆孔的孔间距小于所用注浆液在盾构端头区域土体的扩散半径的2倍；
S202：通过注浆孔向素墙外侧浇筑包括水泥浆或水泥水玻璃双液浆的注浆液。
进一步地，所述注浆孔采用同心四环环形布置，相邻两环间距为0.8m，相邻注浆孔之间距离为0.8m；内圈两圈为水平孔，外圈两环为斜孔；钻孔施工时，由外环向内环依次钻孔且统一环的孔位间隔施工；注浆施工时，由内环向外环依次进行，且同一环上的孔位由上至下依次注浆。
进一步地，所述步骤S03加固体的形成包括以下两种方式：
S03a：采用旋喷桩由地面向下钻孔注浆；
S03b：在地面采用垂直钻孔方式进行注浆。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、通过在围护结构外侧土体内设置混凝土浇筑而成的素墙，在素墙外侧设置端头水平加固结构，在素墙与围护结构之间注浆构成加固体，实现了对盾构端头的多重加固和有效加固，有效解决凿除钢筋混凝土围护结构期间的洞门安全问题，且端头加固效果较好，施工成本低，作业时间短。
2、通过采用贯穿于素墙外侧盾构端头加固区的注浆孔进行水平注浆构成端头水平加固结构的方式，解决了传统盾构端头加固需要大型机械设备施做的占地面积大的缺陷，不仅降低设备投入成本，且占用作业面积小，灵活度强，同时兼具施工效率高、加固效果佳等优点。
附图说明
图1为本发明中加固结构的结构示意图。
图2为本发明中加固施工方法的流程图。
附图表及说明：
1、围护结构；2、加固体；3、素墙；4、端头水平加固结构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。
本发明公开了一种盾构端头加固结构，设于盾构隧道始发端或接收端的基坑围护结构1外侧盾构端头加固区土层内，本发明包括素墙3和端头水平加固结构4。
素墙3设于基坑围护结构1外侧土体，并由在咬合钻孔或液压抓斗所形成的连续槽内浇筑素混凝土构成，素墙3径向截面边缘超出隧道断面轮廓线3m，素墙3靠近围护结构1一侧墙面与基坑围护结构1之间的距离不大于100mm，素墙3厚度不小于600mm，优选为600mm至800mm。
素墙3外盾构端头加固区设有多个用于浇筑端头水平加固结构4的注浆孔，注浆孔包括水平孔和斜孔，注浆孔的孔间距小于所用注浆液在端头水平加固区土体内的扩散半径的2倍。
素墙3与围护结构1之间设有用于封堵地下水的加固体2，加固体2为钻孔注浆加固体或旋喷桩加固体。加固体2以能够有效降低封堵围护结构1与素墙3间土体渗透系数，保证坑外地下水不能渗入坑内为目的，其强度不小于1MPa，渗透系数不大于1.0×10-6cm/s。
端头水平加固结构4为设于素墙3外侧的水泥土实心结构，端头水平加固结构4由水平钻孔注浆形成并满布盾构端头加固区，注浆液采用水泥浆或水泥水玻璃双液浆。端头水平加固结构4径向截面外边缘超过隧道断面轮廓线3m，且沿隧道轴线长度不小于9m。
本发明还公开了一种基于盾构端头加固结构的加固施作方法，包括以下步骤：
S01、在基坑围护结构1外侧钻孔咬合成槽或液压抓斗成槽，在槽内浇筑混凝土，形成一道平行与围护结构1的素墙3；素墙3靠近围护结构1一侧墙面与基坑围护结构1之间的距离不大于100mm，素墙3厚度不小于600mm，素墙3径向截面边缘超出隧道断面轮廓线3m。
S02、在隧道洞口处钻水平孔，穿过围护结构1和素墙3向盾构端头加固区注浆加固，构成端头水平加固结构4。
钻孔注浆加固区域应覆盖隧道轮廓线内及其周围不小于3m的土体范围，即端头水平加固结构4径向截面外边缘超过隧道断面轮廓线3m，且水平加固体2沿隧道轴线长度不小于9m。
具体包括：
S201：由洞门向土体内钻孔注浆，注浆孔沿隧道轴向贯通素墙3及素墙3外盾构端头加固区；
注浆孔从洞门处钻孔，穿过素墙3到达盾构端头加固区。注浆孔数量为多环且包括水平孔和斜孔，注浆孔的孔间距小于所用注浆液在对应作业区域土体(盾构端头区域土体)的扩散半径的2倍。
本实施例中优选注浆孔采用同心四环环形布置，相邻两环间距为0.8m，相邻注浆孔之间距离为0.8m；内圈两圈为水平孔，外圈两环为斜孔；钻孔施工时，由外环向内环依次钻孔且统一环的孔位间隔施工。
S202：通过注浆孔向素墙3外侧浇筑包括水泥浆或水泥水玻璃双液浆的注浆液；注浆施工时，由内环向外环依次进行，且同一环上的孔位由上至下依次注浆。
S03、从地面向围护结构1和素墙3之间土体浇筑混凝土，形成用于降低封堵围护结构1与素墙3间土体渗透系数的加固体2。加固体2的形成采用旋喷桩由地面向下钻孔注浆或通过在地面采用垂直钻孔方式进行注浆。
加固体2应以能够有效降低封堵围护结构1与素墙3间土体渗透系数，保证坑外地下水不能渗入坑内为目的，其强度不小于1MPa，渗透系数不大于1.0×10-6cm/s。
S04、在端头水平加固结构4周围施工备用降水井。降水井可在隧道两侧均匀布置，并根据地层降水漏斗半径确定降水井数量。
下面通过具体项目实例对本发明进行详细说明。
首先，先选定定位钻孔位置，并通过钻机对准孔位进行钻孔操作。
具体为：
1.1：沿端头的轴向布置若干环孔位，若干环孔位由外环向内环依次同心设置。在布置孔位时，孔位偏差范围控制在±20mm内，且入射角度偏差不大于1°。
若干环孔位包括水平孔和斜孔，斜孔位于水平孔的外圈，且斜孔与水平孔的夹角为25°。
1.2：钻机按指定位置就位，调整钻杆的垂直度，对准孔位后钻机不得移位或起降，钻孔。
1.3：已完成钻孔的孔位安装球阀密封。
1.4：钻机由外环向内环依次钻孔，且同一环上的孔位间隔钻孔施工。在钻孔时，第一个孔洞施工时，要慢速运转，掌握地层对钻机的影响情况，以确定在该地层条件下的钻进参数，同时密切观察溢水出水情况，出现大量溢水出水时，应立即停钻，分析原因后再进行施工。每钻进一段，检查一段，及时纠偏，孔底位置应小于30cm。
然后，配比注浆液，并通过注浆孔进行注浆加固。
施工隧道的直径为6.8m，钻孔采用同心4环环形布置，共布置66个孔位，相邻两环的间距为0.8m，孔位中心与孔位中心的间距为0.8m。其中，内圈两环为水平孔100，外圈两环为斜孔200，斜孔200与水平孔100之间的夹角为25°，且水平孔100加固长度为8m，斜孔200加固长度为8.83m，加固宽度为隧道外3m，即斜孔200沿隧道径向向外倾斜的距离为3m。
在钻孔时，由外环向内环依次钻孔，且同一环上的孔位间隔施工。在注浆时，由内环向外环依次进行，且同一环上的孔位由上至下依次注浆。
具体为：
2.1：注浆液包括水玻璃、磷酸和水泥浆，将水玻璃与磷酸的混合溶液进行注浆，使土层颗粒中的水被强迫排出。水玻璃、磷酸和水泥浆的用量可根据现场施工需要调整。
2.2：将水玻璃与水泥浆的混合溶液进行注浆，使土层粘结力、内摩擦角增大，起到加固、隔水的作用。
步骤2.1和2.2可采用同步双液注浆机同步注浆。
浆液采用水玻璃、磷酸和水泥浆混合而成，其中，水玻璃的密度为1.37g/cm3，体积为250L，质量为243.5kg；磷酸为多种化学物质的混合剂，体积为500L；水泥浆的质量为200kg。
采用同步双液注浆机先将水玻璃与磷酸的混合溶液进行注浆，使土层颗粒中的水被强迫排出，再将水玻璃与水泥浆的混合溶液进行注浆，使土层粘结力、内摩擦角增大，起到加固、隔水的作用。注浆凝结时间为20-30min。
根据总注浆量的计算公式Q＝Anα(1+β)计算实际总注浆量，式中：A为注浆范围体积，单位m3；n为孔隙率，单位％；α为浆液填充系数，取值0.7-0.9；β为注浆材料损耗系数，取值1.2。在本实施例中，填充率nα(1+β)取粉质粘土40％，即0.4，得到总注浆量Q＝12.2*12.2*8*0.4＝476.288m3。
注浆深度H约为7.1-19.3m，压力系数K取值为0.023-0.016，注浆压力为p＝KH≈0.4-1.5Mpa。因此，注浆压力p的取值范围为0.4-1.5MPa。现场施工过程中注浆前在同等地质条件下，试注浆并记录注浆数据，根据试注浆施工记录及注浆效果确定最终确定注浆压力及配合比。
2.3：在注浆的过程中匀速回抽钻杆，且钻杆回抽的提升幅度每步不大于15-20cm，并注意注浆参数的变化。
2.4：移至新孔位，继续注浆，直至所有孔位注浆完成。
注浆需按照如下要求进行操作：
(1)注浆孔开孔直径不小于45mm，严格控制注浆压力，同时密切关注注浆量，当压力突然上升或从孔壁、断面砂层溢浆时，应立即停止注浆，查明原因后采取调整注浆参数或移位等措施重新注浆。
(2)容易造成坍孔时，采用前进式注浆，否则采用后退式注浆。
(3)由专人负责每道工序的操作记录，注浆全过程应加强施工检查和监测，监测施工地段的地面沉降，注浆加固前先进行端头区域内管线探明施工，保证紧急情况出现时能够及时进行处理，降低社会影响。
由于浆液的扩散半径与围岩孔隙很难精密确定，按施工经验及隧道工程地质、水文条件、注浆压力进行注浆量的计算及浆液注入量控制，总注浆量的计算公式如下：
Q＝Anα(1+β)
式中，A为注浆范围体积，单位m3；nα(1+β)为填充率，不同地质条件的填充率不同，具体如表1填充率选用表所示：
表1：
| 地质条件 | 填充率％ |
| 杂填土 | 25-45 |
| 粉质黏土、砂土 | 30-45 |
| 粉细砂、砂层 | 40-50 |
| 中砂、中粗砂 | 50-60 |
注浆压力是注浆施工中的重要参数，它关系到注浆施工的质量及经济性。因此，正确确定注浆压力和合理运用注浆压力有着重要的意义。注浆压力与围岩孔隙发育程度、涌水压力、浆液材料的黏度和凝胶时间长短等有关，注浆压力可采用以下方式进行确定。
(1)按已知的地下水静水压力计算。设计的注浆压力(终压值)为静水压力的2-3倍，最大可达到3-5倍，即p'＜p＜(3-5)p'。其中，p为设计注浆压力(终压值)，单位MPa；p'为注浆处静水压力，单位MPa。
(2)根据注浆处地层深度计算设计注浆压力p(终压值)，计算公式为p＝KH；其中，H为注浆处深度，单位m；K为由注浆深度确定的压力系数，K的取值如表2所示：
表2：
| 注浆深度/m | ＜8 | 10-12 | 12-16 | 16-20 | ＞20 |
| K | 0.023-0.021 | 0.021-0.020 | 0.020-0.018 | 0.018-0.016 | 0.016 |
最后，在隧道两侧均匀布置降水井，降水井数量根据地层降水漏斗半径确定。
本发明端头加固效果较好，能在有效保证凿除钢筋混凝土围护结构1期间的洞门安全的同时降低设备体积和设备投入成本，且适用于多种深度的盾构端头加固施作需求，地面作业面积小，施工成本低，作业时间短，应用前景广阔。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种盾构端头加固结构，设于盾构隧道始发端或接收端的基坑围护结构外侧盾构端头加固区土层内，其特征在于：包括素墙和端头水平加固结构；所述素墙由在咬合钻孔或液压抓斗所形成的连续槽内浇筑素混凝土构成，素墙径向截面边缘超出隧道断面轮廓线3m；所述端头水平加固结构为设于素墙外侧的水泥土实心结构,端头水平加固结构由水平钻孔注浆形成并满布盾构端头加固区，端头水平加固结构径向截面外边缘超出隧道断面轮廓线3m，且沿隧道轴线长度不小于9m；所述素墙与围护结构之间设有用于封堵地下水的加固体，加固体为注浆加固体或旋喷桩加固体。
2.根据权利要求1所述的盾构端头加固结构，其特征在于：所述素墙外设有多个贯穿盾构端头加固区并用于端头加固的注浆孔，注浆孔包括水平孔和斜孔，注浆孔的孔间距小于所用注浆液在端头水平加固区域土体内的扩散半径的2倍。
3.根据权利要求1或2所述的盾构端头加固结构，其特征在于：所述端头水平加固结构所用注浆液采用水泥浆或水泥水玻璃双液浆。
4.根据权利要求1所述的盾构端头加固结构，其特征在于：所述素墙靠近围护结构一侧墙面与基坑围护结构之间的距离不大于100mm，素墙厚度不小于600mm。
5.根据权利要求4所述的盾构端头加固结构，其特征在于：所述素墙厚度为600mm至800mm。
6.根据权利要求1所述的盾构端头加固结构，其特征在于：所述加固体强度不小于1Mpa，渗透系数不大于1.0×10-6cm/s。
7.一种基于权利要求1所述盾构端头加固结构的加固施作方法，其特征在于：包括以下步骤：
S01、在基坑围护结构外侧钻孔咬合成槽或液压抓斗成槽，在槽内浇筑混凝土，形成一道平行与围护结构的素墙；素墙靠近围护结构一侧墙面与基坑围护结构之间的距离不大于100mm，素墙厚度为600mm至800mm，素墙径向截面边缘超出隧道断面轮廓线3m；
S02、在隧道洞口处钻水平孔，穿过围护结构和素墙，对盾构端头加固区土体进行注浆加固，构成端头水平加固结构；端头水平加固结构径向截面外边缘超出隧道断面轮廓线3m，且水平加固体沿隧道轴线长度不小于9m，水平钻孔间距小于所注浆液在加固区土体中的浆液扩散半径的2倍；
S03、在地面上向围护结构和素墙之间土体进行钻孔注浆止水或旋喷桩止水，形成用于降低围护结构与素墙间土体渗透系数的加固体；
S04、在端头水平加固结构周围施工备用降水井。
8.根据权利要求7所述的盾构端头加固结构的加固施作方法，其特征在于：所述步骤S02具体包括：
S201：由洞门向土体内钻孔注浆，注浆孔沿隧道轴向贯通素墙及素墙外盾构端头加固区；
所述注浆孔数量为多环且包括水平孔和斜孔，注浆孔的孔间距小于所用注浆液在盾构端头区域土体的扩散半径的2倍；
S202：通过注浆孔向素墙外侧浇筑包括水泥浆或水泥水玻璃双液浆的注浆液。
9.根据权利要求8所述的盾构端头加固结构的加固施作方法，其特征在于：所述注浆孔采用同心四环环形布置，相邻两环间距为0.8m，相邻注浆孔之间距离为0.8m；内圈两圈为水平孔，外圈两环为斜孔；钻孔施工时，由外环向内环依次钻孔且统一环的孔位间隔施工；注浆施工时，由内环向外环依次进行，且同一环上的孔位由上至下依次注浆。
10.根据权利要求7所述的盾构端头加固结构的加固施作方法，其特征在于：所述步骤S03加固体的形成包括以下两种方式：
S03a：采用旋喷桩由地面向下钻孔注浆；
S03b：在地面采用垂直钻孔方式进行注浆。
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