CN116624157A - 一种高水压强渗透地层中水下对接加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高水压强渗透地层中水下对接加固方法，涉及盾构施工领域，适用于两台大直径盾构机水下对接工程，针对高水压、强渗透地层具备较高的安全性，有效满足水下施工空间受限的特殊工况，具体包括如下步骤：步骤1：在盾构机中盾设置不少于1圈径向注浆孔，通过径向注浆，在盾构机周边形成止水帷幕，为后续提供封闭施工环境；步骤2：盾壳上预埋多组斜向注浆孔，进行超前注浆加固，对地层进行改良，以利于冻结壁形成；步骤3：超前注浆结束后，斜向注浆孔内插入冷冻管进行冷冻加固；步骤4：在盾构机上预留泄压孔，泄压孔斜穿越盾构气泡仓，利用泄压孔控制冻胀力及冻胀量；步骤5：冻结完成后，通过泄压孔观测是否漏水检测冷冻质量。

Description

一种高水压强渗透地层中水下对接加固方法

技术领域

本发明涉及盾构施工领域，具体是一种高水压强渗透地层中水下对接加固方法。

背景技术

目前来说，国内大直径盾构隧道建设趋势为由单一软土地层向复杂地层发展、由大直径向超大直径发展、由中等水压向高水压和超高水压发展、由中等烈度地震区向高烈度地震区发展、由单一模式盾构向多模式盾构发展、由单一工法向多工法组合发展、由传统施工管理向数字化管理发展、由短距离掘进向长距离及超长距离掘进发展。随着我国城市化进程和城市间联动发展的加快以及跨海峡隧道建设提上日程，在江河湖海环境条件复杂地区将会修建更多的水下隧道工程。30公里以上盾构隧道若在海峡中间进行筑岛接收面临超高水深技术难题和环保问题，盾构水下对接也为工程实施提供可行思路。

地层是否形成有效加固、可靠支护决定了盾构能否成功对接，对于辅助式对接尤为关键，以对接处加固支护为核心的对接技术的落后目前已制约了超长盾构隧道的发展。

盾构机对接后，泥浆仓或土压仓内压力丧失，由于两台盾构机的盾壳之间必然存在间隙，对接处的接触面与外部地层连接，直接暴露在外界环境中。而施工内部隧道结构前必须拆解盾构机内部结构和刀盘，盾构机内部支护丧失，刀盘之间不能提供外部水土压力的支撑作用，且整条隧道与外部地层产生联通，风险性极高。

盾构对接施工，国外有一些成功的施工实例，日本东京湾横断道路横穿东京湾海底隧道、东京湾燃气中央干线隧道、伊势湾横穿燃气隧道和川崎人工河北段隧道等十几项工程均采用了盾构对接的。国内对于盾构对接的研究逐步深入，也逐渐应用到工程实际中，广深港客运专线狮子洋隧道是目前国内唯一采用盾构对接技术修建的隧道，由于其施工位置处于微风化岩层，采用化学注浆的方法进行了盾构对接位置岩层的加固，甬舟铁路金塘海底隧道对接设计方案与狮子洋隧道类似，均采用注浆加固法，但目前还未施工。使用人工冻结法加固地层，进行盾构地中对接的，目前仅有琼州海峡隧道盾构对接工程已开展冻结加固的前期研究，在国内还没有应用的工程实例。超大直径盾构隧道的埋深基本超过20m，跨江越海的水下隧道还面临超高水深，盾壳界面承受巨大的水土荷载，若不采取支护措施，容易涌土涌水，破坏隧道结构，酿成极大的安全事故。因此，需要对盾构对接位置外部的土体进行加固来承受外部的水土压力，同时隔绝施工环境与外部的水力联系，形成稳定的施工条件。

国内乃至世界上关于盾构水下对接仍处于刚刚起步阶段，当盾构隧道对接位置位于水下高水压强渗透地层时，含承压水的砂土地层冻结施工风险性较高，传统注浆加固方法将难以实施并难以达到理想效果，此时只能采取冻结法进行对接段超前加固。但是水下高水压强渗透地层对冻结加固来说也是一大难题，尤其当叠加水流速度较大或盾构内部温度较高时，安全保障难度飙升。

针对盾构隧道对接施工中超前加固，国内已有的案例为采用注浆法加固，该种技术主要适用于渗透性较低、自稳能力较好的岩石地层。针对越江隧道可能遇到的高水压强渗透地层，单纯的注浆加固方法难以达到预期的加固效果且止水效果也难以保证，这时就只能采取冷冻加固了。但高水压强渗透地层中盾构对接段的冷冻加固，国内外尚无类似的工程案例。现有文献中的冷冻加固技术，对高水压强渗透地层来说，主要存在以下问题：

（1）目前尚未有高水压强渗透地层超大直径盾构对接时的超前冷冻加固施工技术；

（2）由于水下高水压强渗透条件，并且存在地下水的流动，对冻结加固的质量要求较高。现有联络通道等冷冻加固措施仅采用单独冷冻措施，较难保障在水下高水压强渗透环境下形成可靠冻结壁。

（3）对于处于水下环境时，不具备从地面进行加固冻结条件，需要从洞内进行加固冻结，而目前常规盾构机的布置不利于进行洞内（盾构机盾壳上）打设注浆孔、冷冻孔、测温孔及泄压孔，需要对盾构机进行针对性改造。

（4）现有冷冻加固技术仅采取一种冷冻方法即可达到冷冻加固目的，但超大直径盾构隧道水下复杂环境下，水压高、渗透性强，一旦出现险情，将难以补救。

（5）区别于常规联络通道以及盾构接收始发冷冻案例，由于盾构机对接后，需要拆除盾构机内部构件，焊接连接两台盾构机，切割焊接作业产生热量较多，且盾壳是良好的热导体，容易将切割焊接热量甚至洞内环境温度传递到冻结体土层中，造成盾壳与冻结体交界范围土层融化，形成渗水通道。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，克服现有技术的不足之处，设计一种高水压强渗透地层中水下对接加固方法，适用于两台大直径盾构机水下对接工程，针对高水压、强渗透地层具备较高的安全性，有效满足水下施工空间受限的特殊工况。

一种高水压强渗透地层中水下对接加固方法，包括如下步骤：

步骤1：在盾构机中盾设置不少于1圈径向注浆孔，通过径向注浆，在盾构机周边形成一道止水帷幕，为后续超前注浆及冷冻加固提供一个封闭的施工环境；

步骤2：盾壳上预埋多组斜向注浆孔，斜向注浆孔兼做冷冻孔，每组斜向注浆孔指向盾构对接方向，拆除盾构机千斤顶和油缸盾构机构件之后，建立作业空间，在斜向注浆孔内插入超前注浆管，进行超前注浆加固，对地层进行改良，以降低地层渗透系数，提高地层强度，以利于冻结壁形成并减少冻胀融沉效应；

步骤3：超前注浆结束后，斜向注浆孔内插入冷冻管进行冷冻加固作业；

步骤4：在盾构机上预留泄压孔，泄压孔斜穿越盾构气泡仓，利用泄压孔控制冻胀力及冻胀量；

步骤5：冻结完成后，通过泄压孔观测是否漏水，以此检测冷冻质量，若不漏水，则进行砂浆清理、刀盘刀具及泥水仓气泡仓壁板割除的后续工作。

优选的，步骤1中预留径向注浆孔按照终孔间距不大于2倍浆液扩散半径进行预留，以保障注浆能够交圈，形成封闭止水帷幕。

优选的，盾构机中盾盾壳内侧径向位置预留多个径向注浆孔，径向注浆孔采用螺钉封闭，螺钉的螺钉帽上设有一字形凸起，螺钉的螺纹长度等于径向注浆孔长度，螺钉帽及一字型凸起总高度小于5cm，以保证螺钉帽高出盾壳距离小，不影响盾构机内部其他构件布设，

分别在径向注浆孔处焊接孔口管并连接球阀，球阀下方的位置设置密封盒，密封盒处密封完毕后，通过螺杆拧开螺钉，螺杆顶端设置有与一字形凸起相适配的一字形卡槽，

螺钉抽出包括两步，第一步螺钉抽至球阀外、密封盒内侧，此时关闭球阀进行止水；第二步，从密封盒处抽出螺钉，从而确保在拧开螺钉时开洞的封闭性，避免拧开螺钉时产生涌水涌砂风险，

径向注浆管插入分两步，第一步插入至球阀外侧，密封盒密封；打开球阀，将径向注浆管钻进至地层设计深度，之后开展注浆作业，从而确保径向注浆管在插入时封闭性，避免插入径向注浆管时产生涌水涌砂风险。

优选的，螺杆顶端的一字形卡槽旁设有与一字形卡槽相连通的凹槽，凹槽内装有电磁铁，一字形凸起和一字形卡槽相卡接后，接通电磁铁电源，逆时针拧动螺杆，螺杆带动螺钉离开孔口管，直至将螺钉抽出，电磁铁保持通电状态以确保螺钉和螺杆紧固，抽出过程不会发生掉落。

优选的，每排斜向注浆孔与盾壳按照一定角度向外放射状布设，每排任意相邻的斜向注浆孔间距不大于1m，以确保终孔间距小于1.5m，从而满足注浆管间距及冻结终孔间距要求。

优选的，冷冻管采用取芯钻头钻进，取芯后插入冷冻管，以确保注浆后地层存在软硬不均情况下，钻进不发生偏斜，保障冷冻管的钻进精度。

优选的，径向注浆和超前注浆的注浆材料为单液超细水泥浆，注浆压力控制在高出对接处水压力0.8-1MPa，从而避免过大注浆压力荷载对盾壳产生不利影响。

优选的，泄压孔在切口环位置伸出处，接触地层，相邻两个泄压孔环向间距不大于2m，从而确保泄压孔能够均匀覆盖拟冻结范围，确保能够对拟冻结区域均匀、及时泄压，降低冻胀量，泄压孔尾部安装球阀封闭并设置压力表。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，克服现有技术的不足之处，设计一种高水压强渗透地层中水下对接加固方法，适用于两台大直径盾构机水下对接工程，针对高水压、强渗透地层具备较高的安全性，有效满足水下施工空间受限的特殊工况。

1、本发明通过在盾构机盾壳上预留径向注浆孔及超前注浆孔，在盾构机达到对接位置后，对周边强渗透土体进行改良，形成注浆加固止水帷幕，降低地层渗透系数及地下水流动性，能够提高并保障冻结效果。

2、本发明注浆浆液采用超细水泥浆，有利于提高浆液扩散范围，提高注浆效果，同时不影响冻结热传导，加固后的土体渗透系数降低、强度提高，能够降低地下水流速以及减少冻胀融沉影响。

3、本发明一种超大直径盾构机径向注浆孔、超前注浆孔兼做冷冻孔、测温孔、泄压孔的预留方式，并提供了安全高效开孔的方法，能够有效解决高水压强渗透地层中盾壳冷冻孔钻孔的风险，并且能提高工效。

4、本发明在盾构机上预设超前注浆孔，兼做冷冻孔，减小开孔数量对强度的影响，保障施工过程的安全性，并且有效提高施工效率。

5、本发明预设孔洞采用螺钉封堵，减小预留孔洞凸出盾壳高度，不影响盾构机内部构件布设安装。

6、本发明发明了封闭状态下拧出预设孔洞螺栓方法，能够安全打开预设孔洞，避免涌水涌砂。

7、本发明提供一种注浆及冷冻联合的加固方式，利用冷冻孔进行注浆，加固改良对接处不利水文地质条件，能够降低对接处的地下水流速及孔隙率，减少冻结产生的冻胀融沉，提高冻结质量。

附图说明

图1为本发明设计的径向预留孔洞封堵示意图；

图2为本发明设计的径向预留孔洞开孔步骤图一；

图3为本发明设计的十字型加力螺杆端头大样图；

图4为本发明设计的径向预留孔洞开孔步骤图二；

图5为本发明设计的注浆管插入步骤示意图；

图6为本发明设计的径向注浆范围示意图；

图7为本发明设计的对接盾构机预留孔洞示意图；

图8为本发明设计的预留斜向超前注浆孔兼冷冻孔开孔示意图；

图9为本发明设计的超前注浆范围示意图；

图10为本发明设计的注浆+冷冻联合加固范围示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方法对本发明一种高水压强渗透地层中水下对接加固方法作进一步详细说明。

首先，盾构机上预设径向注浆孔及超前注浆孔。

盾构机中盾预设不少于1排径向注浆管，通过径向注浆，在盾构机周边形成一道止水帷幕，为后续超前注浆及冷冻加固创造一个相对封闭的施工环境，预留径向注浆孔按照终孔间距不大于2倍浆液扩散半径进行预留，以保障注浆能够交圈，形成封闭止水帷幕，预留径向注浆管管径不小于60mm，预留注浆孔采用螺钉封闭。采用螺钉封闭时高出盾壳距离较小，不影响盾构机内部其他构件布设，如图1所示。

开启预留孔洞前，在预留孔处焊接孔口管，连接球阀及密封盒。孔口管用来确保开洞时密封性，注浆管或冷冻管从孔口管内插入，伸进地层中。孔口管及密封盒用来保障注浆管或冷冻管在插入地层中时的封闭性，不漏水。

利用特制的螺杆插入孔口管，密封盒处密封完毕后，通过螺杆拧开预留螺钉；

螺钉按照需开孔长度设定螺纹长度，并设置末端限位帽，避免凸出盾壳外部；

螺杆顶端的一字形卡槽旁设有与一字形卡槽相连通的凹槽，凹槽内装有电磁铁，如图2和图3所示，一字形凸起和一字形卡槽相卡接后，接通电磁铁电源，逆时针拧动螺杆，螺杆带动螺钉离开孔口管，直至将螺钉抽出，电磁铁保持通电状态以确保螺钉和螺杆紧固，抽出过程不会发生掉落。

螺钉抽出分两步，第一步抽至球阀外、密封盒内侧，此时可以关闭球阀进行止水；第二步，从密封盒处抽出螺钉，如图4和图5所示。

径向注浆管插入也分两步，第一步插入至球阀外侧，密封盒密封；打开球阀，将注浆管钻进至地层设计深度，之后开展注浆作业。注浆范围如图6所示。

盾壳上预埋斜向注浆孔，斜向注浆孔兼做冷冻孔，预留孔洞位置如图7所示。每排任意相邻的斜向注浆孔间距不大于1m，以确保终孔间距小于1.5m，以满足注浆管间距及冻结终孔间距要求。这里，起始位置是的沿盾壳环向的，终孔位置的环大于盾壳圆环大小，故而终孔间距会大。每侧对接盾构机设置2-3排斜向注浆孔。斜向注浆管或冷冻管是从盾壳上以固定角度，如15°-30°，斜向对接方向打设，在由于是放射状布置，盾壳位置作为起始位，是最小间距，另外一端为终孔，随着注浆管的长度的增加，终孔间距离会越大，控制的目标是让最大的间距也能够保持在浆液扩散范围内。

斜向注浆孔下设结构与径向注浆管一致，拧开斜向注浆孔的螺钉，开洞次序与径向注浆管一致，如图8所示。

在盾壳斜向注浆孔处，插入超前注浆管，进行超前注浆加固，对地层进行改良；

注浆浆液类型为超细水泥浆单液浆，注浆压力为高出对接处水压力0.8-1.0MPa。对停机位置强渗透地层进行改良，降低地层渗透系数，以利于冻结壁形成。注浆加固扩散半径不小于60cm，在盾构机对接范围形成加固止水帷幕，超前注浆范围如图9所示。

注浆结束后，拆除盾构机内部分构件，如千斤顶、油缸等，为预留冷冻孔打开的施工建立空间，插入冷冻管进行冷冻加固，冷冻加固范围如图10所示。

注浆后，由于注浆效果的离散性，地层可能存在软硬不均现象，为保障冷冻管的钻进精度，不发生偏斜，冷冻管采用取芯钻头钻进，取芯后插入冷冻管的方式，确保冷冻管布设精度。

下面，在盾构机上预留泄压孔，泄压孔斜穿越气泡仓。在切口环位置伸出处，接触地层，环向间距不大于2m，泄压孔尾部安装球阀封闭并设置压力表。利用泄压孔控制冻胀力及冻胀量。

冻结完成后，利用该泄压孔观测是否漏水，若不漏水，则进行砂浆清理、刀盘刀具及泥水仓气泡仓壁板割除等后续工作。

同时，还需要在盾构机盾壳上预设冻结测温孔，监测冻结体温度变化。

目前规范及手册上一般认为地下水流速超过2m/d、含承压水砂层以及冻结位置江河湖泊中时，需要采取针对性的加强措施确保冻结效果。针对水下盾构对接工程，通过在盾构机盾壳上预留径向注浆孔及超前注浆孔，在盾构机达到对接位置后，对周边强渗透土体进行改良，形成注浆加固止水帷幕，降低地层渗透系数及地下水流动性，能够提高并保障冻结效果。注浆材料为单液超细水泥浆，注浆压力控制在高出对接处水压力0.8~1MPa。

超大直径盾构机位于水下环境中时，所处地层往往会是高水压强渗透地层，在该种环境下，对盾壳进行钻孔施作冷冻孔，产生涌水涌砂的风险较高，且斜向钻通厚厚盾壳，需要花费较长时间。本发明的盾壳预设孔洞，能够有效解决高水压强渗透地层中盾壳冷冻孔钻孔的风险，并且能提高工效。

本发明提出一种高水压强渗透地层中水下对接加固方法，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高水压强渗透地层中水下对接加固方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在盾构机中盾设置不少于1圈径向注浆孔，通过径向注浆，在盾构机周边形成一道止水帷幕，为后续超前注浆及冷冻加固提供一个封闭的施工环境；

步骤2：盾壳上预埋多组斜向注浆孔，斜向注浆孔兼做冷冻孔，每组斜向注浆孔指向盾构对接方向，拆除盾构机台车、拼装机、千斤顶及油缸构件之后，建立作业空间，在斜向注浆孔内插入超前注浆管，进行超前注浆加固，对地层进行改良，以降低地层渗透系数，提高地层强度，以利于冻结壁形成并减少冻胀融沉效应；

步骤3：超前注浆结束后，斜向注浆孔内插入冷冻管进行冷冻加固作业；

步骤4：在盾构机上预留泄压孔，泄压孔斜穿越盾构气泡仓，利用泄压孔控制冻胀力及冻胀量；

步骤5：冻结完成后，通过泄压孔观测是否漏水，以此检测冷冻质量，若不漏水，则进行砂浆清理、刀盘刀具及泥水仓气泡仓壁板割除的后续工作。

2.根据权利要求1所述的一种高水压强渗透地层中水下对接加固方法，其特征在于：

步骤1中预留径向注浆孔按照终孔间距不大于2倍浆液扩散半径的大小进行预留，以保障注浆能够交圈，形成封闭止水帷幕。

3.根据权利要求2所述的一种高水压强渗透地层中水下对接加固方法，其特征在于：

盾构机中盾盾壳内侧径向位置预留多个径向注浆孔，径向注浆孔采用螺钉封闭，螺钉的螺钉帽上设有一字形凸起，螺钉的螺纹长度等于径向注浆孔长度，螺钉帽及一字型凸起总高度小于5cm，以保证螺钉帽高出盾壳距离小，不影响盾构机内部其他构件布设，

分别在径向注浆孔处焊接孔口管并连接球阀，球阀下方的位置设置密封盒，密封盒处密封完毕后，通过螺杆拧开螺钉，螺杆顶端设置有与一字形凸起相适配的一字形卡槽，

螺钉抽出包括两步，第一步螺钉抽至球阀外、密封盒内侧，此时关闭球阀进行止水；第二步，从密封盒处抽出螺钉，从而确保在拧开螺钉时开洞的封闭性，避免拧开螺钉时产生涌水涌砂风险，

径向注浆管插入分两步，第一步插入至球阀外侧，密封盒密封；打开球阀，将径向注浆管钻进至地层设计深度，之后开展注浆作业，从而确保径向注浆管在插入时封闭性，避免插入径向注浆管时产生涌水涌砂风险。

4.根据权利要求3所述的一种高水压强渗透地层中水下对接加固方法，其特征在于：

螺杆顶端的一字形卡槽旁设有与一字形卡槽相连通的凹槽，凹槽内装有电磁铁，一字形凸起和一字形卡槽相卡接后，接通电磁铁电源，逆时针拧动螺杆，螺杆带动螺钉离开孔口管，直至将螺钉抽出，电磁铁保持通电状态以确保螺钉和螺杆紧固，抽出过程不会发生掉落。

5.根据权利要求1所述的一种高水压强渗透地层中水下对接加固方法，其特征在于：

每排斜向注浆孔与盾壳按照一定角度向外放射状布设，每排任意相邻的斜向注浆孔间距不大于1m，以确保终孔间距小于1.5m，丛而满足注浆管间距及冻结终孔间距要求。

6.根据权利要求1所述的一种高水压强渗透地层中水下对接加固方法，其特征在于：

冷冻管采用取芯钻头钻进，取芯后插入冷冻管，以确保注浆后地层存在软硬不均情况下，钻进不发生偏斜，保障冷冻管的钻进精度。

7.根据权利要求1所述的一种高水压强渗透地层中水下对接加固方法，其特征在于：

径向注浆和超前注浆的注浆材料为单液超细水泥浆，注浆压力控制在高出对接处水压力0.8-1MPa，从而避免过大注浆压力荷载对盾壳产生不利影响。

8.根据权利要求1所述的一种高水压强渗透地层中水下对接加固方法，其特征在于：

泄压孔在切口环位置伸出处，接触地层，相邻两个泄压孔环向间距不大于2m，从而确保泄压孔能够均匀覆盖拟冻结范围，确保能够对拟冻结区域均匀、及时泄压，降低冻胀量，泄压孔尾部安装球阀封闭并设置压力表。