CN116146220A - 一种用于大断面矩形顶管机的施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于隧道与地下工程的施工方式，特别涉及一种用于大断面矩形顶管机的施工方法。一种用于大断面矩形顶管机的施工方法，包括如下步骤：S1、加固顶管隧道上方运营中的高铁线路；S2、在所述顶管隧道的顶部进行超前支护；S3、采用顶管机开挖施工所述顶管隧道。本施工方法通过先行加固顶管隧道上方的高铁线路并且对顶管隧道进行超前支护，之后在顶管机顶进开挖的过程中先开挖上方土层并支护然后再开挖下方岩层，使得顶管隧道能够在上方土层、下方岩层的复杂地层且顶管隧道上覆土未达标的情况下下穿高铁线路。并且在高铁线路下方施工顶管隧道，不会使得高铁线路产生超出规定范围的形变。

Description

一种用于大断面矩形顶管机的施工方法

技术领域

本发明涉及用于隧道与地下工程的施工方式，特别涉及一种用于大断面矩形顶管机的施工方法。

背景技术

当前地下工程的施工技术飞速发展，目前已成功开挖不同面积的隧道。据国际隧道协会的划分标准，开挖面积大于50m²且小于或等于100m²为大断面。一些工程项目，存在众多大断面的隧道。

另外，因相关施工技术的成熟，隧道或是综合管廊采用盾构法或是矿山法等穿越运营状态中的地铁或是高铁的相关施工技术已较为成熟。但是，遇到土层、岩层和大粒径孤石交互分布且开挖面截面上方土层下方岩层的复杂地层情况，则施工过程中非常困难。再加上下穿运营中的高铁线路且隧道覆土厚度不达标，使用顶管机施工难以保证高铁线路的沉降在允许的范围内。在复合地层、超浅覆土且下穿高铁隧道的情况下，通过顶管机施工相关的隧道，难以保证隧道上方的高铁线路沉降在规定的范围内。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的在开挖面上方土层下方岩层、顶管隧道覆土厚度不达标且下穿高铁线路的情况下，通过顶管机施工相关的市政隧道，难以保证隧道上方的高铁线路沉降在规定的范围内的问题，提供一种用于大断面矩形顶管机的施工方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种用于大断面矩形顶管机的施工方法，包括如下步骤：

S1、加固顶管隧道上方运营中的高铁线路；

S2、在所述顶管隧道的顶部进行超前支护；

S3、采用顶管机开挖施工所述顶管隧道：

S301、采用所述顶管机开挖所述顶管隧道的开挖面的上部土层并支护所述上部土层开挖后形成的上部掌子面；

S302、所述顶管机开挖所述顶管隧道的开挖面的下部岩层；

S303、顶进所述顶管机并依次循环步骤S301和步骤S302直至所述顶管机至其预定位置。

步骤S2中隧道上部进行超前支护的方式包括管棚、管幕的方式。步骤S301的开挖面为正对顶管机的工作面。顶管机的预定位置即顶管机的接收井。

因为顶管隧道的上覆土厚度小于顶管隧道的洞径，顶管机载施工的过程中任何异常都有致使运营中的高铁线路变形超限的可能，故先加固顶管隧道上方的高铁线路，避免对顶管隧道上方的高铁线路产生影响，以保证在顶管机的施工期间高铁线路的正常运营。步骤S2中对顶管隧道顶部进行超前支护，控制顶管隧道所在的围岩的变形，得以稳定后续的开挖过程中开挖工作面。顶管机未开始工作时，需支护掌子面的上部土层以维持掌子面的稳定，下部岩层处于自稳状态。上部土层开挖后支护，使得其处于稳定状态。步骤3开挖过程中先开挖工作面的上部土层，再开挖工作面的下部岩层，且开挖上部土层后立即支护，尽可能避免了上部掌子面的不稳定。步骤S303中顶进顶管机之后开始步骤S301之前，顶管机所处于的始发井处吊装新的顶管管节与顶管机正后方，然后开始施工步骤S301，即机内下一节段的施工。

本发明提供的施工方法，通过先行加固顶管隧道上方的高铁线路并且对顶管隧道进行超前支护，之后在顶管机顶进开挖的过程中先开挖上方土层并支护然后再开挖下方岩层，使得顶管隧道能够在上方土层、下方岩层的复杂地层且顶管隧道上覆土未达标的情况下下穿高铁线路。并且使用本施工方法，在高铁线路下方施工顶管隧道，不会使得高铁线路产生超出规定范围的形变，也不会干扰正在运营中的高铁线路，作业的顶管机也能够安全的开挖。

优选地，顶管机的形式为插刀式顶管机，步骤S301中先使用插刀插入所述上部土层再使用位于所述顶管机内部的挖掘机开挖工作面内位于所述顶管机插刀范围内的上部土层。

先使用顶管机顶进将插刀插入上部土层，然后使用顶管机内部的挖掘机对插入范围内的上部土层进行开挖，以此能够最大限度减少对周边土层的扰动，也能够防止顶管机内部的挖掘机超挖上部土层，减小顶管机周边土层出现空洞的可能性。

优选地，步骤S301中开挖所述上部土层时遇到孤石时采用先水钻打孔再劈裂的方法处理。

采用先水钻打孔再劈裂的方式，能够严格控制岩层开挖和破碎施工的震动，尽可能减少对顶管隧道上方的高铁线路的影响。

优选地，步骤S301中当开挖面存在局部软弱地层且所述局部软弱地层位于支护范围以外时，对所述上部掌子面进行正面注浆处理。

局部软弱地层位于支护范围以外，则此处无法自稳。对上部掌子面进行注浆处理，能够保证裸露部分的掌子面的自稳性。

优选地，步骤S302中开挖所述下部岩层时采用先水钻打孔再劈裂的方式分块开挖。

对下部岩层采用先水钻打孔再劈裂的方式，能够严格控制岩层开挖和破碎施工的震动，尽可能减少对顶管隧道上方的高铁线路的影响。

优选地，步骤S1中加固上方运营中的所述高铁线路时采用挖孔桩和D型便梁，施工的具体步骤如下：

S101、布置所述挖孔桩于所述高铁线路两侧；

S102、在所述挖孔桩的顶部设置施工承台结构，所述施工承台结构作为所述D型便梁的基础；

S103、分别安装所述D型便梁加固所述高铁线路。

D型便梁包括纵梁、牛腿、横梁、斜杆、挡碴板，其中横梁为直接承受线路轨道和列车荷载的承载结构，位于高铁线路的下方，纵梁为连续梁结构，位于高铁线路的两侧。横梁和纵梁刚性连接使得横梁上的荷载传到纵梁上，纵梁承载后将荷载传递至承台，承台再传递至人工挖孔桩。挖孔桩和D型便梁，作为顶管隧道下穿高铁线路的安全储备，使得在遇到众多不利条件的情况下，高铁线路能够尽可能降低对整体性运营产生影响的安全风险。

优选地，步骤S2中的所述顶管隧道的超前支护采用管棚的方式。

管棚的打设范围覆盖整个高铁线路穿越顶管隧道段，管棚所用的管道尺寸据实际情况而确定。

利用管棚自身的刚度，能够提升顶管隧道上部高铁线路的路基抵抗变形的能力，降低顶管隧道施工期间高铁线路的变形量。并且，因为管棚对高铁线路的路基起到了支护作用，也杜绝了高铁线路的路基的土体的脱空。

优选地，管棚一次打入顶管隧道的顶部的长度不超过70m。

管道一次打入顶管隧道的顶部的长度不超过70m为经验值，在此范围内，能较好的控制管棚姿态，从而确保管棚精度。

优选地，所述管棚沿所述顶管隧道的轴线相对打入，所述管棚的搭接长度在3m以上。

在线路两侧设置管棚工作井，进行管棚对打。管道的搭接长度在3m以上，尽可能减少管棚径向的裂缝，从而提高管棚的强度，以提高整个顶管隧道的安全性。

优选地，步骤S2中所述管棚打设完成后在所述管棚的管道的内部注入水泥浆。

管道内部注入水泥浆，能够提升管道的刚度，从而提升整个管棚的刚度，增加顶管隧道上覆土的稳定性。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.本发明提供的施工方法，通过先行加固顶管隧道上方的高铁线路并且对顶管隧道进行超前支护，之后在顶管机顶进开挖的过程中先开挖上方土层并支护然后再开挖下方岩层，使得顶管隧道能够在开挖面上方土层、下方岩层的复杂地层且顶管隧道上覆土未达标的情况下下穿高铁线路。并且使用本施工方法，在高铁线路下方施工顶管隧道，不会使得高铁线路产生超出规定范围的形变，也不会干扰正在运营中的高铁线路。并且在顶管机开挖的过程中，作业的顶管机也能够安全的开挖，上覆土和顶管机顶部之间的范围缩小，尽可能减少后续顶管管节安置好之后的施工方法。另外，通过使用本施工方法，对地质情况的适应性上升，从而提高施工的效率，工期优势明显。

附图说明：

图1为实施例1中的一种用于大断面矩形顶管机的施工方法的施工流程图；

图2为实施例1中的顶管隧道布置图；

图3为实施例1中的D型便梁的结构示意图一；

图4为实施例1中的D型便梁的结构示意图二；

图5为实施例1中的管棚布置示意图；

图6为实施例1中的顶管机内部示意图；

图7为实施例1中的钻机芯布置示意图。

图中标记：1-管棚，2-顶管管节，201-插刀，202-挡板，301-牛腿，302-档碴板，303-连接板，304-纵梁，305-横梁，306-斜杆，4-挖孔桩，5-顶管隧道，6-高铁线路，7-挖掘机，8-钻机孔，9-上部土层，10-下部岩层。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“径向”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。

实施例1

如图1所示，一种用于大断面矩形顶管机的施工方法，包括如下步骤：

S1、加固顶管隧道5上方运营中的高铁线路6，高铁线路6的具体形式如图4所示：

S101、布置挖孔桩4于高铁线路6两侧，如图2所示；

S102、在挖孔桩4的顶部设置施工承台结构，施工承台结构作为D型便梁的基础；

S103、安装D型便梁的横梁305至高铁线路6下方斜杆306上方，安装D型便梁的纵梁304至高铁线路6的两侧，通过连接板303和牛腿301连接横梁305和纵梁304，并在横梁305下方设置档碴板302，如图2、图3所示，列车经过本段时限速45km/h；

S2、顶管隧道5顶部采用管棚1的形式进行超前支护：在顶管隧道5的线路两侧设置管棚工作井，采用管棚1对打的方式安装，管棚1的管道一次打入的长度不超过70m，管棚1的对打沿顶管隧道5的轴线相对打入且为中部的搭接长度在3m以上。完成管棚1的布置之后，在管棚1的管道内注入1:1的水泥浆。管棚的管道尺寸据实际情况而确定，本实施例采用的是外径159mm的钢管，具体形式如图5所示；

S3、顶管机开挖及顶进：

采用插刀式顶管机的初始状态下，插刀式顶管机的上部插刀201处于回缩状态，顶管机的挡板202张开挡住掌子面上部地层9，以维持掌子面的稳定，下部岩层10处于自稳状态；

S301、顶管机开挖上部土层9：先使用顶管机的插刀插入上部土层9，再使用顶管机内部的挖掘机7开挖工作面上靠近下部岩层10的区域，若开挖上部土层9时遇到孤石时采用先水钻打孔再劈裂的方法处理，开挖过程中先开挖顶管隧道5左右两侧的区域，最后再开挖顶管隧道5中部的区域，支护上部土层9开挖后的上部掌子面，如图6所示，若存在局部软弱地层位于支护范围以外时，对上部掌子面进行正面注浆处理；

S302、顶管机开挖下部岩层10：上部掌子面处于稳定状态后，则采用先水钻打孔再劈裂的方式分块开挖下部岩层10，通过先水钻打孔再劈裂的方式分块开挖可严格控制下部岩层10的开挖和破碎施工震动，以减少对上方高铁线路6的影响，钻机孔8的分布位置见图7；

S303、顶进顶管机并依次循环步骤S301和S302直至顶管机至顶管接收井：下部岩层10开挖完成之后，顶管机收插刀201直至完全缩回位，即回到循环开始的初始状态，顶管机向前顶进，顶管机顶进完成后，在顶管机的始发井里面吊装下放新的顶管管节2并置于顶管机正后方，开始施工步骤S301和S302，直至顶管机到达顶管接收井。

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)

1.一种用于大断面矩形顶管机的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、加固顶管隧道(5)上方运营中的高铁线路(6)；

S2、在所述顶管隧道(5)的顶部进行超前支护；

S3、采用顶管机开挖施工所述顶管隧道(5)：

S301、采用所述顶管机开挖所述顶管隧道(5)的开挖面的上部土层(9)并支护所述上部土层(9)开挖后形成的上部掌子面；

S302、所述顶管机开挖所述顶管隧道(5)的开挖面的下部岩层(10)；

S303、顶进所述顶管机并依次循环步骤S301和步骤S302直至所述顶管机至其预定位置。

2.根据权利要求1所述的一种用于大断面矩形顶管机的施工方法，其特征在于，顶管机的形式为插刀式顶管机，步骤S301中先使用插刀插入所述上部土层(9)再使用位于所述顶管机内部的挖掘机(7)开挖工作面内位于所述顶管机插刀范围内的上部土层(9)。

3.根据权利要求1所述的一种用于大断面矩形顶管机的施工方法，其特征在于，步骤S301中开挖所述上部土层(9)时遇到孤石时采用先水钻打孔再劈裂的方法处理。

4.根据权利要求1所述的一种用于大断面矩形顶管机的施工方法，其特征在于，步骤S301中当开挖面存在局部软弱地层且所述局部软弱地层位于支护范围以外时，对所述上部掌子面进行正面注浆处理。

5.根据权利要求1所述的一种用于大断面矩形顶管机的施工方法，其特征在于，步骤S302中开挖所述下部岩层(10)时采用先水钻打孔再劈裂的方式分块开挖。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种用于大断面矩形顶管机的施工方法，其特征在于，步骤S1中加固上方运营中的所述高铁线路(6)时采用挖孔桩(4)和D型便梁，施工的具体步骤如下：

S101、布置所述挖孔桩(4)于所述高铁线路两侧；

S102、在所述挖孔桩(4)的顶部设置施工承台结构，所述施工承台结构作为所述D型便梁的基础；

S103、安装所述D型便梁加固所述高铁线路(6)。

7.根据权利要求1-5任一所述的一种用于大断面矩形顶管机的施工方法，其特征在于，步骤S2中的所述顶管隧道(5)的超前支护采用管棚(1)的方式。

8.根据权利要求7所述的一种用于大断面矩形顶管机的施工方法，其特征在于，所述管棚(1)一次打入所述顶管隧道(5)的顶部的长度不超过70m。

9.根据权利要求7所述的一种用于大断面矩形顶管机的施工方法，其特征在于，所述管棚(1)沿所述顶管隧道(5)的轴线相对打入，所述管棚(1)的搭接长度在3m以上。

10.根据权利要求7所述的一种用于大断面矩形顶管机的施工方法，其特征在于，步骤S2中所述管棚(1)打设完成后在所述管棚(1)的管道的内部注入水泥浆。

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