CN114109419A - 双护盾tbm下穿既有运营线的施工方法 - Google Patents

双护盾tbm下穿既有运营线的施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了双护盾TBM下穿既有运营线的施工方法，在既有地铁运营线的下方TBM隧道施工方法确定下穿风险范围；试掘进，确定并优化TBM隧道施工的掘进参数；进行TBM隧道的下穿施工，用豆砾石进行回填并进行注浆控制；TBM隧道的下穿施工过程进行TBM及既有线路的连续监测。本方法能够在地铁隧道TBM掘进下穿既有地铁运营线路时，保证既有运营线的运营安全、新建地铁线路的施工安全、TBM对地层的扰动影响及地层支护稳固，同时充分保证既有线路的运营安全和新建线路顺利快速施工。

Description

双护盾TBM下穿既有运营线的施工方法
技术领域
本发明涉及城市轨道交通隧道施工技术，尤其涉及一种双护盾TBM下穿既有运营线的施工方法。
背景技术
近年来，我国城市轨道交通得到了迅速发展，地铁建设加速，城市轨道交通隧道建设中，通常采用盾构法施工，但在部分岩石地层城市，以重庆、青岛等为代表，TBM法得以规模化应用，以护盾式TBM为主。
随着轨道交通网络密集程度的提高，无论是盾构掘进，还是TBM施工，下穿既有地铁运营线路变得不可回避。地铁隧道TBM掘进下穿既有地铁运营线路，面临既有运营线的运营安全、新建地铁线路的施工安全、TBM对地层的扰动影响及地层支护等难题，如何保证既有线路的运营安全和新建线路顺利快速施工是目前技术人员亟待解决的重要课题。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供了一种双护盾TBM下穿既有运营线的施工方法。
为达到上述目的，本发明提供了双护盾TBM下穿既有运营线的施工方法，在既有地铁运营线下方施工TBM隧道，具体包括以下步骤：
步骤一：在既有地铁运营线的下方TBM隧道施工方法确定下穿风险范围；
步骤二：试掘进，确定并优化TBM隧道施工的掘进参数；
步骤三：进行TBM隧道的下穿施工，用豆砾石进行回填并进行注浆控制；
步骤四：TBM隧道的下穿施工过程进行TBM及既有线路的连续监测。
进一步地，所述步骤一：下穿前根据设计线路及详勘地质报告，依据地质构造、水文地质条件，进行设计安全评估，确定下穿施工的风险范围，风险范围包括正穿段及影响段。
进一步地，所述步骤二：TBM隧道施工进入风险范围前，通过同等地质条件下的试掘进，对比分析TBM隧道施工的掘进参数，确定TBM隧道施工的推进力、推进速度、刀盘扭矩及刀盘转速四个参数范围，掘进参数在下穿过程进行动态调整。
进一步地，所述步骤三：TBM隧道施工过程中，管片背后的豆砾石采用小型鹅卵石，保证在管片背后的流动性及浆液在豆砾石中的流动性，管片脱离护盾一环回填一环，未填充小型鹅卵石不得拼装下一环，管片外侧与围岩之间的空腔进行充填密实。
豆砾石回填后进行管片背后注浆，先在底拱灌注水泥浆，底部注浆完成后每隔5环在管片背部注一整环双液浆来作隔离环，在两隔离环的封闭区间内进行整环注浆回填；
注浆量控制在计算量的1.2～1.5倍，注浆压力控制在0.2～0.4MPa，压力太小充填密实度不达标，压力太大会损坏管片和盾尾刷；注浆以量控为主，压力控制为辅，灌注完毕用封孔砂浆及时把注浆孔封堵。
在盾尾增加密封装置(盾尾刷和止浆板)，盾尾刷设于尾盾内部，位于管片与尾盾之间，防止浆液、豆砾石流入护盾内管片拼装区，止浆板设于尾盾外部，与尾盾呈45°夹角并固定牢固，防止浆液从护盾底部流至护盾前方固结护盾形成卡盾。
进一步地，所述步骤四：既有运营线埋设监测点，TBM隧道下穿进入风险范围施工期间对既有运营线进行不间断的沉降监测及振动监测，沉降监测包括监测隧道结构沉降、道床结构沉降、隧道结构水平位移、道床结构水平位移，振动监测包括监测掘进期间振动值的变化幅度。
进一步地，TBM前盾安装振动监测装置，下穿期间对TBM进行不间断的振动监测，对比掘进期间TBM振动值及既有运营线的振动值，严密监控施工对既有运营线的扰动。
本发明积极技术效果体现为：
(1)本发明以快速、均衡、稳定，并尽可能减小施工对既有线影响的原则，确定了TBM下穿既有运营线的施工影响范围，分为主要影响区和次要影响区，并明确影响范围确定的主要参考因素。解决了传统下穿施工影响范围确定应考虑因素的片面性以及准确性不足，避免经验决策的主观性与盲目性，保证了影响范围的科学确定；
(2)本发明通过进入影响段前50m时停机检查维修，储备相应耗材、备件，对配套设备(支护、运输、通讯)进行检查维护，以保证TBM维持良好的状态快速、连续通过既有线路段，避免正常施工中的设备故障、耗材备件不足，影响下穿施工的连续性，有效降低下穿施工风险，起到预控风险的作用；
(3)本发明通过试掘进得出下穿速度与底层扰动的最优掘进参数(总推进力、推进速度、刀盘扭矩、刀盘转速)，提高了下穿中掘进参数的科学可靠性，以最快的速度、最小的地层扰动通过下穿段，克服了传统施工中掘进参数调整的主观性及随意性；
(4)本发明通过设置盾尾刷和止浆板，阻止豆砾石及浆液进入尾盾内部及护盾外部，采用小型鹅卵石改变其流动性及浆液的流动性，及时填充护盾后方洞壁与管片间的空隙，避免形成受力空洞造成局部塌方，降低沉降风险；
(5)本发明通过对既有运营线进行不间断的沉降监测，实时监视既有运营线的沉降变化及结构变化，通过对既有线和TBM的振动监测，对比TBM振动值及既有运营线的振动值，严密监控施工对既有运营线的扰动。本方法解决了传统的下穿施工监测手段单一、监测点位不明确、数据反馈不及时等问题，通过设置监测预警隔绝可能出现的沉降风险、结构变形等风险，满足下穿施工安全控制要求；
(6)综上所述，本发明成功实现了双护盾TBM下穿既有线的安全快速施工，解决了对地层的扰动影响及地层支护等难题，有效控制了既有线的沉降及结构变形，保障了既有运营线的安全，可广泛用于地铁领域下穿既有运营线施工工程。
附图说明
图1为下穿风险范围图，上层为地铁既有运营线，下层为TBM隧道。
图2是既有线路沉降监测示意图；图3是既有线断面监测示意图，布置水平监测、竖向监测及结构收敛监测点，主要影响区每5m布置一组监测点，次要影响区每10m布置一组监测点。主要监测隧道结构沉降、道床结构沉降、隧道结构水平位移、道床结构水平位移。
图4为TBM振动监测点布置图，图5为既有线振动监测点布置图，在TBM前盾合适位置，即不影响施工且便于布点、走线的位置，布置振动监测点；在既有运营线正穿段(在建线路的正上方)布置2个监测点，间距5～10m；下穿期间不间断进行监测。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供的双护盾TBM下穿既有运营线的施工方法包括以下步骤：
1)下穿既有地铁运营线路前根据设计线路及详勘地质报告，依据地质构造、水文地质条件，进行设计安全评估，确定风险范围，包括正穿段及影响段。
2)TBM进入风险范围前，通过同等地质条件下的试掘进，对比分析掘进参数，确定推进力、推进速度、刀盘扭矩及刀盘转速四个参数的最佳范围，掘进参数在下穿过程进行动态调整。
3)豆砾石采用小型鹅卵石，保证其在管片背后的流动性及浆液在豆砾石中的流动性，管片脱离护盾一环回填一环，未填充鹅卵石不得拼装下一环，管片外侧与围岩之间的空腔应充填密实。
4)豆砾石回填后进行注浆，先在底拱灌注水泥浆，底部注浆完成后每隔5环在管片背部注一整环双液浆来作隔离环，在两隔离环的封闭区间内进行整环注浆回填。
注浆量控制在计算量的1.2～1.5倍，注浆压力控制在0.2～0.4MPa，压力太小充填密实度不达标，压力太大会损坏管片和盾尾刷；注浆量控为主，压力控制为辅，灌注完毕用封孔砂浆及时把注浆孔封堵。
5)在盾尾增加密封装置(盾尾刷和止浆板)，盾尾刷设于尾盾内部，位于管片与尾盾之间，防止浆液、豆砾石流入护盾内管片拼装区，止浆板设于尾盾外部，与尾盾呈45°夹角并固定牢固，防止浆液从护盾底部流至护盾前方固结护盾形成卡盾。
6)既有运营线埋设监测点，TBM下穿进入风险范围施工期间对既有运营线进行不间断的沉降监测及振动监测，沉降监测主要监测隧道结构沉降、道床结构沉降、隧道结构水平位移、道床结构水平位移，振动监测主要监测掘进期间振动值的变化幅度。
7)TBM前盾安装振动监测装置，下穿期间对TBM进行不间断的振动监测，对比掘进期间TBM振动值及既有运营线的振动值，严密监控施工对既有运营线的扰动。
以某轨道交通工程设计为例，在建地铁为左右分修单洞单线圆形隧道形式，中心线距离16.76～16.88m，采用双护盾TBM施工，开挖直径6.3m，预制管片衬砌，管片外径6m，内径5.4m，厚度0.3m，环宽1.2m，管片壁后碎石+水泥浆回填，厚度150mm。在建线路左右线于区间某处均与既有运营地铁线斜交下穿，其拱顶距离既有线拱底净距1.9m～4m，上行线斜交长度42.6m，下行线斜交长度37.5m。
工程地质条件，在建地铁隧道下穿处位于微风化花岗岩中，围岩完整性好，以Ⅲ级为主。地层分布及特性主要为：
①素填土，揭露厚度2.7～3.5米；②粉质黏土，揭露厚度0.8～2.2米；③下强风化花岗岩下亚带，揭露厚度2.2～3.6米；④中风化花岗岩，揭露厚度0.6～1.1米；⑤微风化带17～18.3米。隧道所在位置岩层为微风化带，隧道拱顶以上揭露厚度17～18.3米，肉红色，矿物蚀变轻微，仅节理面矿物有所蚀变，节理较发育～发育，多呈高角度，局部贯通性良好，岩芯较完整，坚硬，锤击声脆，岩样多呈短柱～柱状，少量长柱状，部分呈块状，该层岩芯采取率≥80％，RQD＝70～90％。部分地段岩体破碎，多受岩脉侵入及次生构造影响等，节理很发育，节理面矿物蚀变较明显，形成节理发育带，岩样多呈碎块状～块状，局部呈短柱状。
既有运营地铁线主要位于微风化花岗岩中，岩性块状构造，矿物成分以长石、石英为主。矿物蚀变轻微，节理较发育，见有60°、80°节理，取芯以短柱状～柱状为主，柱长5～38cm，局部少量碎块状，粒径2～5cm，敲击声清脆，不易碎，取芯率85～92％。
区间水文条件，未发现明显的地表水系，地下水类型为第四系孔隙水及基岩裂隙水(风化裂隙水及构造裂隙水)。
(1)影响范围确定
结合运营线路运营情况、结构的整体性及抗变形能力，TBM下穿隧道开挖直径、隧道埋深、地质及水文情况，考虑施工效率(出渣、管片拼装、碎石回填、注浆等)，综合确定下穿施工影响范围，一般可考虑范围为正穿段前后20～40m。
下穿既有线在建TBM区间隧道以快速、均衡、稳定原则通过影响范围，尽可能减小施工对既有线的影响。结合前期施工经验，并考虑线路小曲线半径，管片拼装效率，小型鹅卵石、注浆水泥运输供应效率等，合理确定施工强度指标，确保不发生突发停滞等。
(2)试掘进
TBM在进入影响段前50m时，停机检查维修，以保证TBM维持良好的状态顺利通过下穿段，保障TBM易损件、消耗品等的储备，对配套牵引机车、TBM豆砾石泵等设备检查维修到位，维修隧道与地面数据传输系统等，确保施工连续性，快速通过既有线路段。
TBM掘进在进入下穿段影响范围前50m安排试掘进。试掘进时，先以低速度，低推力进行掘进。在了解前方岩石特性，相应优化掘进参数，监测数据保持稳定后再逐步提高掘进速度。
试掘进初始参数，总推进力3000～5000KN；推进速度20～30mm/min；刀盘扭矩300～600KN·m；刀盘转速3～4r/min。
(3)下穿影响段TBM掘进施工
充分利用双护盾TBM双模式掘进优势，根据工程地质图纸、石渣、前序掘进参数、超前地质探测结果等，对掌子面围岩状态作出准确判断，Ⅱ类、Ⅲ类围岩等整体情况相对较好时选择双护盾掘进模式，围岩比较破碎时选择单护盾掘进模式。
单次掘进至行程结束后，停止推进但保持刀盘位置不变，避免常规的后退操作带来的刀盘前空间变化导致沉降风险，避免地质不稳地致使塌方影响既有运营线路结构安全。
表1隧道下穿段掘进参数
掘进参数 设定值 优化调整说明
总推力 3000～5000KN 根据揭露地质、沉降监测数据、振动监测数据实时调整
推进速度 20～30mm/min 根据出渣量、揭露地质实时调整
刀盘扭矩 300～600KN·m 根据总推力、推进速度、振动监测数据、沉降监测数据实时调整
刀盘转速 3～4r/min 根据刀盘扭矩、振动监测数据实时调整
下穿期间，严格监测渣样及出渣量指标，通过对出渣量的掌握，预判掌子面可能存在的围岩变化，适时调整施工参数。当出渣量突然增大渣样发生变化时，掌子面可能存在围岩变化突变，及时调整撑靴压力，避免对撑靴破坏周边地质的稳定性，在扭矩许可范围内减小掘进推力，降低推进速度，以减小施工对既有运营线路主体结构的影响。
(4)施工监测
对既有运营地铁线路进行自动化监测，自动化专项监测项目为隧道结构沉降、差异沉降；道床结构沉降、差异沉降；隧道结构水平位移；隧道结构收敛；道床结构水平位移；道床与结构剥离监测；轨道几何形位检查。
监测点布置，主要影响区(正穿段)沿监测断面5m/组，次要影响区(下穿段前后50m)沿监测断面10m/组。
为保证既有轨道交通的行车安全和正常运营，TBM下穿期间，对线路实施全天24小时监控，当沉降过大或有其他特殊情况时，应加密监测频率，并建立快速的监测数据处理及反馈通道。
表2监测情况一览表
Figure BDA0003357855530000071
考虑TBM掘进振动影响，对既有运营线道床及施工线TBM展开振动监测。
TBM掘进过程主要通过刀盘和前盾对外产生振动影响，在前盾合适位置(不干扰施工及保证监测线路安全点位)选定测点，测定TBM施工过程中振动数据(包括水平、垂直、轴向)，在整个下穿过程全程监测。
在正穿段既有线路道床出布置2个监测点(间隔5～10m)，对既有线路进行不间断监测，实时监测采集振动数据(水平、垂直、轴向)。
TBM在试掘进段测试取得振动正常值a，下穿过程根据正常值a设置振动预警值x(+15％以内)；既有线路在试掘进段TBM停止掘进期间测试取得正常值b，根据正常值b设置振动预警值y(+15％以内)，下穿过程设专人监视振动监测数据，保证不超预警值。
(5)管片拼装
管片类型分为A、B、C三类，Ⅱ、Ⅲ级围岩采用A类管片，Ⅳ级围岩采用B类管片，Ⅴ级围岩采用C类管片。
结合下穿段围岩等级，考虑所处环境风险等级，对下穿段管片配筋等级予以加强。
下穿影响范围内，围岩较差地段向围岩较好地段管片延伸保持5环。
(6)管片后吹填与注浆
壁后回填优化，改造TBM盾尾，增加注浆密封装置，在管片拼装完成同步回填豆砾石和注浆，加快TBM管片结构稳定，防止管片脱空，使开挖面尽早形成完整、密实的支护结构，稳定围岩，尽量减小TBM施工对既有运营地铁线的影响。
管片壁后回填采用5～10mm连续级配小型鹅卵石代替原碎石吹填，以增加回填和注浆流动性、饱满度、孔隙率。采用超细水泥替代普通硅酸盐水泥并同步注浆，增加注浆渗透性，流动性，防止凝固收缩，提高注浆效果和饱满度。
注浆压力控制，注浆压力过大可能会影响既有运营地铁线，或者破坏盾尾密封进入盾体，压力过小浆液又不易注入，综合考虑管片强度、设备性能、浆液性质等，在下穿段及前后10m注浆压力适当减少，取0.1～0.3Mpa，逐步增压方式，在注浆过程实时关注既有运营地铁线自动化监测数据，如有异常立即停止注浆。其他区段采用正常注浆压力0.3～0.5Mpa。

Claims (6)

1.双护盾TBM下穿既有运营线的施工方法，其特征在于：在既有地铁运营线下方施工TBM隧道，具体包括以下步骤：
步骤一：在既有地铁运营线的下方TBM隧道施工方法确定下穿风险范围；
步骤二：试掘进，确定并优化TBM隧道施工的掘进参数；
步骤三：进行TBM隧道的下穿施工，用豆砾石进行回填并进行注浆控制；
步骤四：TBM隧道的下穿施工过程进行TBM及既有线路的连续监测。
2.根据权利要求1所述的双护盾TBM下穿既有运营线的施工方法，其特征在于：所述步骤一：下穿前根据设计线路及详勘地质报告，依据地质构造、水文地质条件，设计安全评估，确定下穿施工的风险范围，风险范围包括正穿段及影响段。
3.根据权利要求1所述的双护盾TBM下穿既有运营线的施工方法，其特征在于：所述步骤二：TBM隧道施工进入风险范围前，通过同等地质条件下的试掘进，对比分析TBM隧道施工的掘进参数，确定TBM隧道施工的推进力、推进速度、刀盘扭矩及刀盘转速四个参数范围，掘进参数在下穿过程进行动态调整。
4.根据权利要求1所述的双护盾TBM下穿既有运营线的施工方法，其特征在于：所述步骤三：TBM隧道施工过程中，管片背后的豆砾石采用小型鹅卵石，保证在管片背后的流动性及浆液在豆砾石中的流动性，管片脱离护盾一环回填一环，未填充小型鹅卵石不得拼装下一环，管片外侧与围岩之间的空腔进行充填密实；
豆砾石回填后进行管片背后注浆，先在底拱灌注水泥浆，底部注浆完成后每隔5环在管片背部注一整环双液浆来作隔离环，在两隔离环的封闭区间内进行整环注浆回填；
注浆量控制在计算量的1.2～1.5倍，注浆压力控制在0.2～0.4MPa；注浆以量控为主，压力控制为辅，灌注完毕用封孔砂浆及时把注浆孔封堵；
在盾尾增加密封装置，盾尾刷设于尾盾内部，位于管片与尾盾之间，防止浆液、豆砾石流入护盾内管片拼装区，止浆板设于尾盾外部，与尾盾呈45°夹角并固定牢固，防止浆液从护盾底部流至护盾前方固结护盾形成卡盾。
5.根据权利要求1所述的双护盾TBM下穿既有运营线的施工方法，其特征在于：所述步骤四：既有运营线埋设监测点，TBM隧道下穿进入风险范围施工期间对既有运营线进行不间断的沉降监测及振动监测，沉降监测包括监测隧道结构沉降、道床结构沉降、隧道结构水平位移、道床结构水平位移，振动监测包括监测掘进期间振动值的变化幅度。
6.根据权利要求1所述的双护盾TBM下穿既有运营线的施工方法，其特征在于：TBM前盾安装振动监测装置，下穿期间对TBM进行不间断的振动监测，对比掘进期间TBM振动值及既有运营线的振动值，监控施工对既有运营线的扰动。
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吴全立等: "盾构近始发端头下穿既有地铁线路的综合施工技术研究", 现代隧道技术 *

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