CN113944475A - 上软下硬地层大尺寸矩形顶管施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了上软下硬地层大尺寸矩形顶管施工方法，属于顶管施工技术领域。上软下硬地层大尺寸矩形顶管施工方法，包括以下步骤：S01，硬岩预处理：对侵入顶管隧道的硬岩进行预破碎处理；S02，扩大开挖直径：调整刀盘，扩大顶管机底部的开挖直径；S03，压注泥浆和增稠剂：向刀盘前压注泥浆和增稠剂，增加土体和易性和平衡土体的压力，保持砂层开挖面稳定；S04，防沉降处理：向管片外围注入高稠度的膨润土填充；S05，姿态调整：顶进过程中，对顶管机进行轴线纠偏及姿态纠滚，保证顶进精准。本发明有效解决了上软下硬复杂地质大尺寸矩形顶管施工中，顶管机姿态上浮、左右滚动的技术难题。
Description
技术领域
本发明涉及顶管施工技术领域，尤其涉及上软下硬地层大尺寸矩形顶管施工方法。
背景技术
在城市地铁出入口人行通道、地下停车场、过街通道、综合管廊等领域中，常用大尺寸矩形顶管施工。大尺寸矩形顶管施工避免了道路的开挖，方便了交通出行；同时，其施工安全、效率高，越来越受到重视。
但是，城市的地质情况复杂，现有的大尺寸矩形顶管施工一般适应于软土或者砂土地层。在上软下硬复杂地层的顶进过程中，因刀盘不能完全切屑底部的硬岩地层，导致未完全切屑的硬岩使矩形顶管机产生姿态上浮、左右滚动。
上软下硬复杂地层大尺寸矩形顶管施工一直没有解决的方法，相关技术中也没有类似的施工技术。因此，上软下硬复杂地层大尺寸矩形顶管施工方法研究意义重大。
发明内容
本发明的目的是，提出上软下硬地层大尺寸矩形顶管施工方法，通过硬岩预处理、扩大开挖直径、平衡挖面、防沉降处理、姿态纠偏，实现在上软下硬地层中大尺寸矩形顶管的正常施工；以解决现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
上软下硬地层大尺寸矩形顶管施工方法，包括以下步骤：
S01，硬岩预处理：对侵入顶管隧道的硬岩进行预破碎处理；
S02，扩大开挖直径：调整刀盘，扩大顶管机底部的开挖直径；
S03，压注泥浆和增稠剂：向刀盘前压注泥浆和增稠剂，增加土体和易性和平衡土体的压力，保持砂层开挖面稳定；
S04，防沉降处理：向管片外围注入高稠度的膨润土填充；
S05，姿态调整：顶进过程中，对顶管机进行轴线纠偏及姿态纠滚，保证顶进精准。
优选的，在步骤S01硬岩预处理中，采用水平钻机对侵入顶管隧道的硬岩进行钻透。
优选的，在钻透后，对钻孔填充膨润土浸泡。
优选的，在步骤S02扩大开挖直径中，加大刀盘电机减速比，增强切削能力。
优选的，在步骤S03压注泥浆和增稠剂中，从刀盘主轴孔向前压注泥浆和增稠剂。
优选的，在步骤S03压注泥浆和增稠剂中，减慢顶进速度，使砾石与泥浆充分搅拌均匀。
优选的，在步骤S05姿态纠偏中，轴线纠偏采用纠偏机构与多螺机协同纠偏模式；
各螺机转速独立调控，通过调整不同位置螺机的转速，控制对应的出土量；
前盾后设置若干个纠偏油缸，调整前盾姿态；
对盾体周向注浆打泥，实现盾体抬升与左右侧移；
结合搭配调整，控制主机轴线姿态稳定，实现姿态纠偏。
优选的，在步骤S05姿态纠偏中，通过前盾的倾角状态，对不同区域的刀盘转速与转向进行调整、控制；
通过调整前盾周向的注浆流向，对前盾滚动进行纠正；
结合搭配调整，实现姿态纠滚。
与现有技术相比，本发明提供了上软下硬地层大尺寸矩形顶管施工方法，具备以下有益效果：
1、本发明，有效解决了上软下硬复杂地质大尺寸矩形顶管施工中，顶管机姿态上浮、左右滚动的技术难题；同时，其施工安全性高，节约施工成本，加快施工速度，提高施工效率。
2、本发明，通过硬岩预处理、扩大开挖直径，解决硬岩层对顶进的影响；增加底部刀盘的刀具，并减小刀盘刀具的运动间隙，使其拥有更强的切削力；加大刀盘电机减速比，更加增强切削能力；对钻孔填充膨润土，浸泡硬岩，减小顶管顶进时的阻力；向管片外围注入高稠度的膨润土填充，填充空隙、消除沉降，同时起到很好的润滑作用，更便于顶进；压注泥浆和增稠剂，保持开挖面稳定；减慢顶进速度，使砾石与泥浆充分搅拌均匀。
3、本发明，多种调整形式互相结合、搭配，实现轴线纠偏及姿态纠滚，保证顶进过程精准。
该装置中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现，本发明有效解决了上软下硬复杂地质大尺寸矩形顶管施工中，顶管机姿态上浮、左右滚动的技术难题；同时，其施工安全性高，节约施工成本，加快施工速度，提高施工效率。
附图说明
图1为发明的流程图；
图2为硬岩预处理示意图；
图3为双螺旋机辅助纠偏示意图；
图4为纠偏油缸设置示意图；
图5为纠偏油缸调整示意图；
图6为盾体周向注浆示意图；
图7为盾体周向注浆流向示意图；
图8为纠滚控制原理图；
图9为增加刀具的示意图。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参照图1-9，上软下硬地层大尺寸矩形顶管施工方法，包括以下步骤：S01，硬岩预处理；S02，扩大开挖直径；S03，压注泥浆和增稠剂；S04，防沉降处理；S05，姿态调整。
S01，硬岩预处理：对侵入顶管隧道的硬岩进行预破碎处理。
具体的，在顶管施工前，采用水平钻机对侵入顶管隧道的硬岩进行钻透；钻孔直径及间距，根据地质情况进行布置。若干个钻孔分布于硬岩层，使其整体强度降低，便于盾构开挖。
请参阅图2，硬岩预处理示意图。从水平方向上，向前深入钻孔，若干个钻孔密布于硬岩。
进一步的，在钻透后，对钻孔填充膨润土浸泡；浸泡硬岩，减小顶管顶进时的阻力。
S02，扩大开挖直径：调整刀盘，扩大顶管机底部的开挖直径。
具体的，根据施工顶管的尺寸调整所需增加的开挖直径；一般情况下，5~10厘米即可满足。
增加底部刀盘的刀具，并减小刀盘刀具的运动间隙，使其拥有更强的切削力。
进一步的，加大刀盘电机减速比，更加增强切削能力。
S03，压注泥浆和增稠剂：向刀盘前压注泥浆和增稠剂，以增加土体和易性和平衡土体的压力，保持砂层开挖面稳定。
具体的，从刀盘主轴孔向前压注泥浆和增稠剂；注入操作便捷、均匀。
进一步的，对顶管机减慢顶进速度，以使砾石与泥浆充分搅拌均匀。并，在顶进过程中，随时注意开挖面前端的土压力情况，保证使开挖面前端砾石层不发生流沙流泥和坍塌。
S04，防沉降处理：为防止顶管穿越后触变泥浆消散，带来地面沉降，在顶管机壁后及管片上预留注入孔，向管片外围注入高稠度的膨润土填充。
其，既能填充空隙、消除沉降，同时也能起到很好的润滑作用，更便于顶进。
顶进过程中，矩形顶管机发生滚转偏差后对隧道限界影响较大；一旦发生滚转，将直接影响隧道功能。因此，大尺寸矩形顶管机对主机姿态更加敏感。设置具备多种调整形式相结合的姿态调整控制系统，保证对姿态的精确测量、前进路径的高度精准控制。具体如下。
S05，姿态调整：大尺寸矩形顶管机姿态偏差，包含轴线偏差以及滚转偏差；顶进过程中，对顶管机进行轴线纠偏及姿态纠滚，保证顶进精准。
由于大尺寸矩形顶管机横向跨度大，土压容易产生不均匀；轴线纠偏采用纠偏机构与多螺机协同纠偏模式。
具体的，各螺机转速独立调控，通过调整不同位置螺机的转速，控制对应的出土量；从而与纠偏油缸相结合，控制前端的土压平衡及盾构各点的前进一致。
请参阅图3，双螺旋机辅助纠偏示意图。如图中，右侧超前，则相应的降低右侧螺机转速，使其出土量减少；在左侧螺机转速不变，或增加转速的情况下，盾构左侧向前速度较右侧更快；待两者前进一致后，相应调整至左右侧螺机转速一致。
同时，在前盾后侧设置若干个纠偏油缸；若出现顶进轴线偏离，则启动纠偏油缸进行纠偏，调整前盾的姿态。
请参阅图4，纠偏油缸设置示意图。
在前盾的后侧，设置若干个主动铰接的纠偏油缸；纠偏油缸在后侧的上下左右位置，各设置一个或多个；以搭配前盾形状、均衡各处压力为宜。前盾的弯曲角度，根据不同位置铰接的纠偏油缸行程，设置为任意倾斜、弯曲，从而调整盾构的姿态。在顶进过程中，若出现顶进轴线偏离设计一定角度，则启动纠偏油缸进行纠偏；纠偏油缸属于主动铰接，可满足上下、左右纠偏的效果。
请参阅图5，纠偏油缸调整示意图。若，前盾方向向设定轴线的下侧偏离，则伸长底侧的纠偏油缸，使前进方向向上侧偏移；待回归至设定轴线后，调整各个纠偏油缸，使盾体前进方向与设定轴线一致，继续向前顶进。
同时，对盾体周向注浆打泥，实现盾体抬升与左右侧移。
请参阅图6，盾体周向注浆示意图。
通过在盾体外侧设置注浆通道，与内部的泵站相连，向盾体的四周注浆打泥。通过控制上下左右不同位置的注加量，相应调整盾体的位置。如，盾体整体向下倾斜，则增加盾体下方的注加量，使其压力增大，将盾体抬升。同理，可进行盾体的左下、右下抬升，左、右侧偏离调整。
以上三种形式，互相结合、搭配调整，控制主机轴线姿态稳定，实现姿态纠偏。
对于姿态纠滚，通过在盾体内设置倾角仪，根据倾角仪所测得数据，获得盾构状态的倾角信息；根据倾角状态数据，对不同区域的刀盘转速与转向进行控制。如，盾体左侧向上方偏离，则可相应的降低左侧区域的刀盘转速，或增加右侧区域的刀盘转速，使其恢复水平一致后，再次调整各刀盘转速至一致。
同时，通过调整注浆流向，对前盾滚动进行纠正。
请参阅图7，盾体周向注浆流向示意图。
对向盾体周向注浆打泥的出浆角度进行调整，从而实现不同方向的注浆流动方向；如，设置注浆流为逆时针，或顺时针方向，相应的注浆流带动盾体产生一定方向的滚动，从而调整平衡。
请参阅图8，纠滚控制原理图。控制系统的若干传感器，获取当前顶管机的位置、状态；通过单刀盘同步控制模块，对各刀盘分组驱动；根据压力传感器获取的信息，通过单点压力控制模块，控制注浆流，向盾体周向加压。刀盘控制与压力控制两种形式，互相结合、搭配调整，实现姿态纠滚。
轴线纠偏及姿态纠滚结合，实现姿态调整，保证顶进过程精准。
以下，以某地铁站大尺寸矩形顶管施工为例。
该项目区域，地层由上向下依次为沥青路面、素填土、杂填土、粉质粘土、粉土、圆砾、中风化泥质粉砂岩；且，需要下穿快速路、电力管廊和雨污水管线。隧道洞身穿越的地层，主要是粉质粘土、粉土、圆砾、中等风化泥质粉砂岩，属于上软下硬地质层。在该处施工中，采用上述的上软下硬地层大尺寸矩形顶管施工方法，具体如下：
在顶管施工前，通过地质勘察，确定侵入顶管施工通道底部的硬岩高度，以及底部硬岩的长度；提前进行预处理。设置布孔净间距100毫米，钻孔直径120毫米；采用履带式水平钻机，把硬岩的岩层面全部打透，然后向水平钻孔里面填充膨润土，浸泡硬岩。
对刀盘进行改造，扩大开挖直径。
本项目中，顶管机前端设置为六个刀盘，对底部的三个刀盘进行调整，增加刀具，减小刀盘刀具的运动间隙，加大刀盘电机减速比。
请参阅图9，增加刀具的示意图。在顶管机前端的下部，中间对称左右侧分开设置两个刀具，两个刀具的下侧面与顶管机的下侧面相平；左右两侧，略高于硬岩层高度的位置，各设置增加一个刀具；注意增加刀具的位置设置，不得影响刀盘的正常运行；增加刀具后，扩大开挖直径5厘米。
顶进过程中，从刀盘主轴孔向前压注泥浆和增稠剂；控制顶进速度，使圆砾与泥浆充分搅拌均匀；从顶管机壁后及管片上预留的注入孔，向外注入稠度高的膨润土填充。
顶进过程中，通过轴线纠偏、姿态纠滚功能，保证行进精准。轴线纠偏采用纠偏机构与多螺机协同纠偏模式，调整两侧螺机转速控制其出土量，从而与纠偏油缸相结合来控制主机轴线姿态。同时，在顶进过程中，若出现顶进轴线偏离设计一定角度，则启动纠偏油缸进行纠偏，以纠正大尺寸矩形顶管机的姿态。纠偏油缸属于主动铰接，可满足上下、左右纠偏的效果。姿态控制，通过读取倾角仪数据，对不同区域的刀盘转速与转向进行控制；同时，对盾体周向通过注浆打泥进行加压，从而实现盾体抬升，使顶管机姿态进行调整。
本项目通道顺利贯通，且大尺寸矩形顶管机姿态控制精确、轴线无偏差；避免了对道路的开挖，保障了道路交通的正常运行，没有对管线进行改迁，保护了电力管廊、雨污水管线的正常使用。同时，顶管施工成本有所降低，整体施工时间更短；更好的使上软下硬复杂地层大尺寸矩形顶管施工方法能够更广泛的推广。
本发明，有效解决了上软下硬复杂地质大尺寸矩形顶管施工中，顶管机姿态上浮、左右滚动的技术难题；同时，其施工安全性高，节约施工成本，加快施工速度，提高施工效率。
本发明中，通过硬岩预处理、扩大开挖直径，解决硬岩层对顶进的影响；增加底部刀盘的刀具，并减小刀盘刀具的运动间隙，使其拥有更强的切削力；加大刀盘电机减速比，更加增强切削能力；对钻孔填充膨润土，浸泡硬岩，减小顶管顶进时的阻力；向管片外围注入高稠度的膨润土填充，填充空隙、消除沉降，同时起到很好的润滑作用，更便于顶进；压注泥浆和增稠剂，保持开挖面稳定；减慢顶进速度，使砾石与泥浆充分搅拌均匀；多种调整形式互相结合、搭配，实现轴线纠偏及姿态纠滚，保证顶进过程精准。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.上软下硬地层大尺寸矩形顶管施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01，硬岩预处理：对侵入顶管隧道的硬岩进行预破碎处理；
S02，扩大开挖直径：调整刀盘，扩大顶管机底部的开挖直径；
S03，压注泥浆和增稠剂：向刀盘前压注泥浆和增稠剂，增加土体和易性和平衡土体的压力，保持砂层开挖面稳定；
S04，防沉降处理：向管片外围注入高稠度的膨润土填充；
S05，姿态调整：顶进过程中，对顶管机进行轴线纠偏及姿态纠滚，保证顶进精准。
2.根据权利要求1所述的上软下硬地层大尺寸矩形顶管施工方法，其特征在于，在步骤S01硬岩预处理中，采用水平钻机对侵入顶管隧道的硬岩进行钻透。
3.根据权利要求2所述的上软下硬地层大尺寸矩形顶管施工方法，其特征在于，在钻透后，对钻孔填充膨润土浸泡。
4.根据权利要求1所述的上软下硬地层大尺寸矩形顶管施工方法，其特征在于，在步骤S02扩大开挖直径中，加大刀盘电机减速比，增强切削能力。
5.根据权利要求1所述的上软下硬地层大尺寸矩形顶管施工方法，其特征在于，在步骤S03压注泥浆和增稠剂中，从刀盘主轴孔向前压注泥浆和增稠剂。
6.根据权利要求1所述的上软下硬地层大尺寸矩形顶管施工方法，其特征在于，在步骤S03压注泥浆和增稠剂中，减慢顶进速度，使砾石与泥浆充分搅拌均匀。
7.根据权利要求1所述的上软下硬地层大尺寸矩形顶管施工方法，其特征在于，在步骤S05姿态纠偏中，轴线纠偏采用纠偏机构与多螺机协同纠偏模式；
各螺机转速独立调控，通过调整不同位置螺机的转速，控制对应的出土量；
前盾后设置若干个纠偏油缸，调整前盾姿态；
对盾体周向注浆打泥，实现盾体抬升与左右侧移；
结合搭配调整，控制主机轴线姿态稳定，实现姿态纠偏。
8.根据权利要求7所述的上软下硬地层大尺寸矩形顶管施工方法，其特征在于，在步骤S05姿态纠偏中，通过前盾的倾角状态，对不同区域的刀盘转速与转向进行调整、控制；
通过调整前盾周向的注浆流向，对前盾滚动进行纠正；
结合搭配调整，实现姿态纠滚。
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