CN116220703A - 一种强透水砂地层中盾构地中对接的施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于盾构隧道工程技术领域，具体涉及一种强透水砂地层中盾构地中对接的施工方法，包括以下步骤：先行盾构机停机保压和周边地层注浆加固、后行盾构机超前注浆加固、后行盾构机姿态调整、两台盾构机对接位置在经注浆加固的土层中进行冻结加固等步骤。该施工方法解决了强透水砂地层中单一工法进行地层加固难以达到盾构地中对接的要求以及强透水砂地层中盾构姿态调整的难题，并且缩短了地层加固时间，降低了地层冻胀融沉效应，提高了盾构对接施工效率，减少成型隧道纵向变形。
Description
技术领域
本发明属于盾构隧道工程技术领域，具体涉及一种强透水砂地层中盾构地中对接的施工方法。
背景技术
近年来，随着社会经济和城市化进程的快速发展，盾构隧道技术已成为我国重大交通等基础设施建设中不可或缺的关键技术。一般在盾构挖掘一条隧道时，通常由一台盾构机从始发工作井出发，掘进至接收工作井后结束。但随着隧道长度的增大、地质条件复杂程度增大以及工期压缩等原因，常规单台盾构难以满足现代隧道建设的需求。为此，两台盾构机分别从两端的工作井相向掘进，在地中对接完成隧道的贯通，可以显著降低单次掘进距离，节约工期，满足现代隧道建设的需要。
盾构地下对接是隧道建设中一项关键核心技术。盾构地下对接施工方法主要分为两类，一类为机械对接发，一类为土木对接法。机械对接法是对盾构机进行改造，使得两台盾构机的前盾具有贯通连接的功能。但机械连接设备造价高，且对对中要求极高。土木对接法是在对接位置附近进行水土加固，保持土体稳定并截断水流进行隧道贯通。土木对接法造价增加一般，对接精度要求一般，因此应用较机械法更为广泛。国外诸多大型隧道已经采用盾构地中对接技术，例如英法海底隧道、日本东京湾公路隧道、丹麦斯多贝尔特大海峡隧道等。国内狮子洋隧道和琼州海峡隧道建设中也采用了地中对接技术。
目前，盾构机对接段主要选择在地质条件好，水文条件简单的位置。文献CN113775342A公开了一种对地层冻结加固的方法，文献CN113494295A公开了一种利用地层冻结进行地中对接施工的方法。论文“软土地层盾构地中对接技术现状及应用可行性分析”总结了几种常见的地层加固方法，例如注浆加固和冻结法，同时指出注浆加固对岩层适用性较好，难以适用于软土砂层。与黏性软土地层不同，砂地层土自稳性差，渗透性强，降低了对接段开挖面稳定性，增大了防水施工难度。
《水利水电工程地质勘察规范 GB50487-2008》中，将渗透系数介于10-2cm/s~1 cm/s的土体定义为强透水土体。强透水土体与环境水力联系大，水文条件较为复杂。尽管工程师和研究人员做了诸多工作，但对于强透水砂地层中盾构对接的工作的研究和工程应用相对较少，主要存在如下工程难点：
1. 注浆等地层加固方法在强透水砂地层中难以达到理想的止水效果。因地层中水流影响，冻结法往往需要长达数月的时间完成冻结加固，同时因冻胀融沉引起成型隧道纵向变形。因此单一工法进行地层加固难以达到盾构地中对接的要求；
2. 地中对接对盾构机对中姿态要求高，而强透水砂地层中盾构姿态调整困难，难以实现精准对接；
3. 长时间停机下盾尾处难以保证防水；
4. 先行隧道和后行隧道连接段采用现浇钢筋混凝土施工，需要在两端的预制混凝土管片上植筋，施工困难且易造成对预制混凝土管片的破坏。
因此，本领域如何妥善解决强透水砂地层盾构隧道地中对接的施工安全及施工困难等关键技术问题很有必要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种强透水砂地层中盾构地中对接的施工方法，该施工方法解决了强透水砂地层中单一工法进行地层加固难以达到盾构地中对接的要求以及强透水砂地层中盾构姿态调整的难题，并且缩短了地层加固时间，降低了地层冻胀融沉效应，提高了盾构对接施工效率，减少成型隧道纵向变形。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种强透水砂地层中盾构地中对接的施工方法，包括以下步骤：
S1、先行盾构机到达指定位置后，加固管片，保压停机，注浆加固地层，减少先行盾构机在地层中的变位，便于后行盾构机精准对接；
S2、后行盾构机距离先行盾构机刀盘40-50m时，后行盾构机进行第一次超前注浆；
S3、后行盾构机在经加固的地层中掘进，同时进行测量，并根据测量结果进行姿态调整和掘进参数控制；
S4、后行盾构机距离先行盾构机刀盘20-30m时，后行盾构机进行第二次超前注浆；
S5、后行盾构机在经加固的地层中掘进，同时进行测量，并根据测量结果进行姿态调整和掘进参数控制；
S6、后行盾构机距离先行盾构机刀盘5-8m时，后行盾构机进行第三次超前注浆；
S7、后行盾构机在经加固的地层中掘进，同时进行测量，并根据测量结果进行姿态调整和掘进参数控制；
S8、后行盾构机刀盘接触先行盾构机刀盘时，后行盾构机停机保压，并进行管片加固和超前注浆，降低对先行盾构机的影响，减少对对接土层的扰动；
S9、对两台盾构机对接位置对经注浆加固的土层施做冷冻，稳定对接土层，并止水隔水；
S10、对先行盾构机和后行盾构机洞内拆解，刀盘拆解后，针对与冻结地层联通的暴露部位，沿先行盾构机切口焊接封堵钢板，使得先行盾构机盾壳和后行盾构机盾壳连接成封闭空间；
S11、在封闭空间内进行对接衬砌施工与防水施工，混凝土达到设计强度后，施工完成。
优选的，步骤S1中所述停机保压包含以下步骤：
S11、向泥水仓内注入砂浆，第一次注入砂浆的高度高于前仓门1米，养护24小时；
S12、第二次注入砂浆时，保持掌子面压力稳定，砂浆注入压力超过1MPa后停止注浆，养护24小时；
S13、从上部排注浆管路注入水泥浆，直至泥水仓全部注满后停止注浆。
优选的，步骤S3、S5和S7中所述测量包括以下步骤：
S31、在先行盾构始发地点和后行盾构始发地点分别布设测量控制网；
S32、对上述两个测量控制网进行联测，增加精度；
S33、基于先行盾构始发地测量控制网，进行联系测量和先行掘进隧道洞内导线控制测量，并测量先行盾构机实时姿态；
S34、基于后行盾构始发地测量控制网，进行联系测量和后行掘进隧道洞内导线控制测量，并联测后行盾构机实时姿态。
优选的，步骤S3、S5和S7中所述姿态调整包括横向偏差、竖向偏差、俯仰角、方位角、滚转角、切口里程；所述掘进参数包括推力、扭矩、刀盘转速、掘进速度、切口水压、同步注浆填充率、同步注浆压力、泥浆比重、泥浆稠度。
优选的，所述步骤S8中，后行盾构机掘进以速度低于10mm/min与先行盾构机刀盘接触，接触后立即停机，并按步骤S1中所述停机保压的步骤对后行盾构机进行停机保压。
优选的，所述步骤S9中，采用两排放射状冷冻管结合三环附着式冷冻管进行冷冻。
优选的，步骤S10中所述盾构机洞内拆解包括以下步骤：
S101、后配套台车拆除；
S102、管片拼装机和H梁拆除；
S103、推进油缸拆除；
S104、驱动部油缸及推环拆除；
S105、驱动部拉出，并经翻身后拆除；
S106、前盾剩余部分及刀盘自上而下切割成小块运出。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
（1）本发明提供的强透水砂地层中盾构地中对接的施工方法，在强透水砂地层中，通过对先行盾构机周边土体加固，减少了先行盾构机在砂地层中的沉降、栽头等变形，有利于后行盾构机的精准对接。
（2）本发明提供的强透水砂地层中盾构地中对接的施工方法，在后行盾构机接近先行盾构机时，采用超前加固，提高了后行盾构机掘进线路上土体强度，有利于后行盾构机姿态调整，实现与先行盾构机的精准对接。
（3）本发明提供的强透水砂地层中盾构地中对接的施工方法，对接部分周边土体经加固后切断了与外界的水力联系，可提高冻结效果，缩短冻结时间；同时对接部分周边土体经加固后孔隙率大大降低，降低了土层冻胀融沉的效应，减少了成型隧道纵向变形。
附图说明
图1为本发明先行盾构机及注浆管结构示意图；
图2为本发明两台盾构机距离25m时的示意图；
图3为本发明两台盾构机对接时的示意图；
图4为本发明盾构机泥水仓中砂浆填充加固示意图；
图5为本发明管片加固示意图；
图6为本发明盾构机对接完成后的外表面结构示意图。
其中，1、先行盾构机后方管片；2、径向注浆管；3、超前注浆管；4、刀盘；5、盾构机钢盾壳；51、先行盾构机盾壳；52、后行盾构机盾壳；6、封堵钢板；7、冷冻加固土；8、注浆加固体；9、盾构机泥水仓；10、泥水仓前仓门；11、第一次注入的砂浆位置；12、封闭先行盾构机与后行盾构机盾壳的支护钢板。
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
现以某实际工程为例进行说明。
盾构机对阶段覆土厚度27m，水底距水面27m。盾构机所在地层层号为4-5，中粗砂地层，渗透系数为0.04 cm/s，属于强透水地层。
在先行盾构机始发场地和后行盾构机始发场地布设测量控制网，采用陀螺全站仪对这两个控制网进行联测，增加控制网精度，基于测量控制网，进行导线测量和洞内导线测量，并测量先行盾构机实时姿态，基于后行盾构始发地测量控制网，进行联系测量和后行掘进隧道洞内导线控制测量，并联测后行盾构机实时姿态。
一种强透水砂地层中盾构地中对接的施工方法，包括以下步骤：
S1、如图1和图5所示，先行盾构机到达指定位置后，为保证已拼装管片不发生应力松弛，进行加固管片，保压停机，利用径向注浆管和超前注浆管，对先行盾构机所在地层进行注浆加固，减少先行盾构机在地层中的变位，便于后行盾构机精准对接；
如图4所示，其中，所述停机保压包含以下步骤：
S11、首先通过下部冲洗管路向泥水仓内注入砂浆，对泥水仓下部进行填充，首次填充高度高于前仓门1米；
S12、24小时后再次通过中部冲洗管路注入砂浆，通过联通管进行上部泥浆排放，使掌子面压力保持再6bar，当上部排浆管路流出砂浆后关闭排浆阀门，砂浆注入压力超过1mpa后停止注浆；
S13、24小时后再从上部排注浆管路注入水泥浆液，直至泥水仓全部注满后停止注浆；
先行盾构机停机后，重新布设姿态特征点，实时掌握先行盾构机姿态。
S2、当后行盾构机距离先行盾构机45m时，后行盾构机进行超前注浆加固，加固后行盾构机前进方向上的土层；
S3、后行盾构机在经加固的地层中掘进，盾构进行姿态调整和掘进参数控制；在该过程中，盾构掘进参数如下：刀盘转速1.0~1.15 r/min、掘进速度18~30 mm/min、切口水压6~6.6bar、同步注浆填充率130-140%、同步注浆压力9~10bar、泥浆比重1.15~1.20g/cm3、泥浆稠度18~25sec；
S4、如图2所示，当后行盾构机距离先行盾构机25m时，后行盾构机进行超前注浆加固，加固后行盾构机前进方向上的土层；
S5、后行盾构机在经加固的地层中掘进，盾构进行姿态调整和掘进参数控制；在该过程中，盾构掘进参数如下：刀盘转速0.8~1.0 r/min、掘进速度10~15 mm/min、切口水压6.2~6.6bar、同步注浆填充率130-140%、同步注浆压力9~10bar、泥浆比重1.18~1.20g/cm3、泥浆稠度18~25sec；
S6、当后行盾构机距离先行盾构机5m时，后行盾构机进行超前注浆加固，加固后行盾构机前进方向上的土层；
S7、后行盾构机在经加固的地层中掘进，盾构进行姿态调整和掘进参数控制；在该过程中，盾构掘进参数如下：刀盘转速0.8~1.0 r/min、掘进速度5~10 mm/min、切口水压6.2~6.7bar、同步注浆填充率130-140%、同步注浆压力9~10bar、泥浆比重1.18~1.20g/cm3、泥浆稠度18~25sec；
S8、如图3所示，当后行盾构机与先行盾构机刀盘接触时，后行盾构机断电，并对后行盾构机后方的管片进行加固，盾构机进行超前加固，加固对接处周边土体；
S9、对两台盾构机对接位置对经注浆加固的土层施做冷冻；利用盾构机既有环向18根超前注浆管，注入双液浆（或单液浆），在对接区域形成环向止水帷幕；布设两排冷冻管，每排50个冷冻管，冷冻管纵向间距1m，环向错开1m；冷冻方式为盐水冷冻；冷冻温度：设计盐水温度为-28℃~-30℃；盐水流量：冻结孔单孔流量5~7m3/h；冻结壁厚度：不小于3m，25~28mm/d；冻结完成后，经检测合格可进行后续工作，否则继续进行冻结施工；
S10、对接区域冷冻加固体安全、稳定后对先行盾构机和后行盾构机洞内拆解作业。先将边缘自上而下拆除，然后采用钢板将两台盾构的前盾连接，如图6所示，随拆随焊，直至形成一圈封闭的圆环连接先行盾构机盾壳和后行盾构机盾壳，达到支护和密封作用；
其中，所述盾构机洞内拆解作业包括以下步骤：
S101、后配套台车拆除；
S102、管片拼装机和H梁拆除；
S103、推进油缸拆除；
S104、驱动部油缸及推环拆除；
S105、驱动部拉出，并经翻身后拆除；
S106、前盾剩余部分及刀盘自上而下切割成小块运出；
S11、刀盘拆除后，隧道贯通，且在两个盾壳和钢板支护下形成密闭空间，在此封闭空间内进行现浇钢筋混凝土衬砌施工和防水施工，当现浇衬砌达到设计强度后，停止冻结，施工完成。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种强透水砂地层中盾构地中对接的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、先行盾构机到达指定位置后，加固管片，保压停机，注浆加固地层；
S2、后行盾构机距离先行盾构机刀盘40-50m时，后行盾构机进行第一次超前注浆；
S3、后行盾构机在经加固的地层中掘进，同时进行测量，并根据测量结果进行姿态调整和掘进参数控制；
S4、后行盾构机距离先行盾构机刀盘20-30m时，后行盾构机进行第二次超前注浆；
S5、后行盾构机在经加固的地层中掘进，同时进行测量，并根据测量结果进行姿态调整和掘进参数控制；
S6、后行盾构机距离先行盾构机刀盘5-8m时，后行盾构机进行第三次超前注浆；
S7、后行盾构机在经加固的地层中掘进，同时进行测量，并根据测量结果进行姿态调整和掘进参数控制；
S8、后行盾构机刀盘接触先行盾构机刀盘时，后行盾构机停机保压，并进行管片加固和超前注浆；
S9、对两台盾构机对接位置对经注浆加固的土层施做冷冻；
S10、对先行盾构机和后行盾构机洞内拆解，刀盘拆解后，针对与冻结地层联通的暴露部位，沿先行盾构机切口焊接封堵钢板，使得先行盾构机盾壳和后行盾构机盾壳连接成封闭空间；
S11、在封闭空间内进行对接衬砌施工与防水施工，混凝土达到设计强度后，施工完成。
2.根据权利要求1所述一种强透水砂地层中盾构地中对接的施工方法，其特征在于，步骤S1中所述停机保压包含以下步骤：
S11、向泥水仓内注入砂浆，第一次注入砂浆的高度高于前仓门1米，养护24小时；
S12、第二次注入砂浆时，保持掌子面压力稳定，砂浆注入压力超过1MPa后停止注浆，养护24小时；
S13、从上部排注浆管路注入水泥浆，直至泥水仓全部注满后停止注浆。
3.根据权利要求1所述一种强透水砂地层中盾构地中对接的施工方法，其特征在于，步骤S3、S5和S7中所述测量包括以下步骤：
S31、在先行盾构始发地点和后行盾构始发地点分别布设测量控制网；
S32、对上述两个测量控制网进行联测，增加精度；
S33、基于先行盾构始发地测量控制网，进行联系测量和先行掘进隧道洞内导线控制测量，并测量先行盾构机实时姿态；
S34、基于后行盾构始发地测量控制网，进行联系测量和后行掘进隧道洞内导线控制测量，并联测后行盾构机实时姿态。
4.根据权利要求1所述一种强透水砂地层中盾构地中对接的施工方法，其特征在于，步骤S3、S5和S7中所述姿态调整包括横向偏差、竖向偏差、俯仰角、方位角、滚转角、切口里程；所述掘进参数包括推力、扭矩、刀盘转速、掘进速度、切口水压、同步注浆填充率、同步注浆压力、泥浆比重、泥浆稠度。
5.根据权利要求1-4任一项所述一种强透水砂地层中盾构地中对接的施工方法，其特征在于，所述步骤S8中，后行盾构机掘进以速度低于10mm/min与先行盾构机刀盘接触，接触后立即停机，并按步骤S1中所述停机保压的步骤对后行盾构机进行停机保压。
6.根据权利要求1-4任一项所述一种强透水砂地层中盾构地中对接的施工方法，其特征在于，所述步骤S9中，采用两排放射状冷冻管结合三环附着式冷冻管进行冷冻。
7.根据权利要求1-4任一项所述一种强透水砂地层中盾构地中对接的施工方法，其特征在于，步骤S10中所述盾构机洞内拆解包括以下步骤：
S101、后配套台车拆除；
S102、管片拼装机和H梁拆除；
S103、推进油缸拆除；
S104、驱动部油缸及推环拆除；
S105、驱动部拉出，并经翻身后拆除；
S106、前盾剩余部分及刀盘自上而下切割成小块运出。
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|---|---|---|---|
| CN202310150990.6A CN116220703A (zh) | 2023-02-22 | 2023-02-22 | 一种强透水砂地层中盾构地中对接的施工方法 |
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| CN (1) | CN116220703A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117248919A (zh) * | 2023-09-22 | 2023-12-19 | 中铁十一局集团有限公司 | 一种大直径盾构海底对接的加固方法 |
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2023
- 2023-02-22 CN CN202310150990.6A patent/CN116220703A/zh active Pending
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