[发明专利]非加固条件下大直径泥水盾构长距离穿越棚户区沉降控制施工工法

摘要

本发明公开了一种非加固条件下大直径泥水盾构长距离穿越棚户区沉降控制施工工法，包括下列步骤：（一）盾构穿越前准备措施；（二）盾构穿越棚户区施工控制措施；（三）盾构穿越后沉降控制措施。本发明的工法不对地面建筑物进行加固处理。隧道施工扰动轻微，通过区域地表沉降较小，对相关区域地表密集棚户区影响极小。日掘进量可达到8环（16m），施工效率高。实现了盾构通过前、通过期间及通过后的全时段监测，确保了盾构通过密集棚户区的施工安全。

主权项

1.非加固条件下大直径泥水盾构长距离穿越棚户区沉降控制施工工法，其特征在于，包括下列步骤：（一）盾构穿越前准备措施1 建筑物现状评估及控制标准制定盾构始发前，委托有经验、相应资质的第三方单位对棚户区沿线既有建（构）筑物进行安全风险评估，依据现状调查、检测成果、兼顾结构承载能力和正常使用要求，对工程结构的剩余抗力指标进行分析和计算，从而得到现状评估成果文件，至少包括结构质量现状评估、结构剩余抗力指标评估及建议处理措施，施工前对建筑物基本情况进行调查、核实，结合现状评估结果，制定安全控制标准；2 盾构掘进试验段将盾构推进的初始75m作为试验段，根据地面变形监测数据及盾构施工所采用的参数，掌握盾构机掘进参数和地表沉降的相关关系，优化调整；对推进时的各项技术数据进行采集、统计、分析，争取在较短时间内掌握盾构机械设备的操作性能，确定盾构推进的施工参数设定范围；（二）盾构穿越棚户区施工控制措施1分析沉降形成的阶段和形成相应对策2泥膜质量控制为了加强对正面土体的支护能力，防止地面冒浆，采用高比重、高粘度的泥浆推进；普通软土层、砂性土层，泥浆比重为1.1～1.2g/cm3，粘度为17～20秒；在穿越棚户区建筑物时泥浆比重控制在1.2～1.25g/cm3，粘度控制在18～22秒；泥浆中适当添加堵漏材料，减少在该地层段（砂层）的失水率，维护掌子面的稳定；为确保泥浆质量，在推进过程中，泥水处理人员加大泥水的测试频率，及时调整泥水参数，保证掘进的顺利进行；当盾构在常规粉细砂地层中需停机开展带压进仓检修作业时，需要加大泥浆比重，提高泥浆粘度，通常情况下泥浆粘度达到35~40秒即可满足带压进仓的要求；盾构掘进至水压力较高地段时，需要在高粘泥浆中掺加保压速成材料，确保规定时间内泥膜均具有良好的闭气性能；3关键施工参数精细调控掘进过程应结合地质情况及周边环境保护要求合理设定盾构掘进的各项参数；掘进中应监测和记录盾构运转情况、掘进参数变化、进排泥状况，并及时分析反馈，调整掘进参数，控制盾构姿态；在施工中严格管理，使实际泥水压略大于计算值；通过信息化施工及时调整和修正参数，使泥水压力值处于合理范围之内；（1）切口压力控制切口压力根据以下水土分算公式算得:切口水压上限值：式中：—切口水压上限值(kPa)；—地下水压力(kPa)；—静止土压力(kPa)；—变动土压力，一般取 20 kPa；—水的溶重(kN/m3)；—地下水位以下的隧道埋深（算至隧道中心）(m)；—土的溶重 (kN/m3)；—隧道埋深（算至隧道中心）(m)；—静止土压力系数；切口水压下限值：式中：—切口水压下限值(kPa)；—主动土压力(kPa)；—主动土压力系数；—土的凝聚力(kPa)；在试验段掘进时，切口压力取值在计算值的基础上加上0.2bar的修正值，并根据掘进过程地表沉降监测数据的反馈，及时修正优化切口压力取值，确保盾构穿越棚户区建构物时切口压力与地层的匹配；同时切口水压波动太大，会增加正面土体的扰动，导致正面土体流失；因此在施工中应将切口水压波动值控制在－10kPa～10kPa之间，保证土体稳定；（2）刀盘转速在软土层内推进，刀盘转速不宜过大，否则会引起刀具的磨损速度加快，高转速容易对软土层造成较大的扰动，盾构下穿棚户区地段刀盘转速控制在0.8rpm～1.2rpm，在推进速度增加时，锥入度超过50的情况下，可增大转速，但不超过1.2rpm；（3）掘进速度控制为确保盾构能正常切削土体加固区，防止排泥管路吸口堵塞、控制推进轴线、保护刀盘，始发时推进速度不宜过快，使盾构缓慢稳步前进，在主机全部进入加固区前掘进速度控制在3～5mm/min，在盾构机脱离加固区后可逐步提高掘进速度到30mm/min；正常掘进条件下，掘进速度应设定为15～30mm/min；在盾构机特殊地层时，掘进速度应控制在10～20mm/min，穿越棚户区段速度适当控制不能过快，过快影响同步注浆的跟进速度，容易造成管片壁后的空洞，引起后期沉降，因此掘进速度的匹配对穿越棚户区至关重要；（4）刀盘扭矩刀盘转动所需的力矩，单位为MN.m,穿越棚户区时刀盘扭矩应控制在6～9MNm；在同一地质锥入度越大扭矩越大，如果在锥入度、速度等参数不变时，扭矩逐步明显增大时，要考虑到刀具是否磨损严重，刀具的磨损会直接造成扭矩明显增大，需停机检查刀具；4盾体锥度空间克泥效填充由盾构机的径向孔向盾体外注入克泥效，由11点钟和1点钟位置的径向孔轮流注入，及时填充开挖直径和盾体之间的空隙，注入率为120~130%，同时控制注入压力和注入量，地面同步监测地面的沉降，及时调整；克泥效填充（1）克泥效配比及用量配比：克泥效：水玻璃＝20：1克泥效每立方米用量：400公斤水玻璃波美比：Be40，比重：1.38‑1.39刀盘开挖直径为12550mm，盾构机盾体外径为12470mm，每环宽度为2000mm，则每环理论空隙为：2×3.14×(12.55×12.55‑12.47×12.47)/4=3.14m³每环实际注入量（设定注入率为120%）为：3.14 ×120% × 20=3.7m³每环克泥效实际用量为：3.7 ×400=1480kg每环水玻璃实际用量为：3.7/20 ×1.38=255.3kg5壁后同步注浆（1）注浆材料配比设计及基本性能要求采用水泥砂浆作为同步注浆材料，浆材应具有结石率高、结石体强度高、耐久性好、防止地下水侵蚀、良好的抗水分散性以及可注性等特点，胶凝时间根据地层条件确定，并与掘进速度、注浆作业相匹配，通过现场试验确定；不超过6h（终凝），以获得早期强度，保证良好的注浆效果；固结体强度一天不小于0.2MPa，28天不小于1.0MPa，盾构穿越棚户区地段同步注浆配比见下表；表 同步注浆材料配比和性能指标表(每方用料)（2）注浆压力为保证达到对环向空隙的有效充填，同时又能确保管片结构不因注浆产生变形和损坏，根据经验，注浆压力按照略大于切口压力0.5bar计算，设定为0.3～0.5MPa；（3）注浆量盾构机开挖与管片外径形成的空隙为17.41m3/环，根据类似工程施工经验，盾构穿越棚户区地段注浆量充填系数取130%～180%；同时，考虑到覆土较浅，且盾构的上浮影响，盾构机上部和底部注浆量应按2:1控制；当曲线段掘进时，曲线段外侧注浆量应稍大于内侧注浆量；注意：穿越风险工程过程中，连续2环同步注浆量高于控制范围，且注浆压力低于控制范围时，应暂停掘进，分析原因并制定处理措施；（4）注浆速度同步注浆速度应与掘进速度相匹配，按盾构完成一环2m掘进的时间内完成当环注浆量来确定其平均注浆速度；（5）注浆结束标准采用注浆压力和注浆量双指标控制标准，当注浆压力达到设计压力、注浆量达到设计注浆量的80%以上时应结束注浆；（6）浆液质量检验检验数量：全数检验，即对每环砂浆均进行检测；检验方法：检查原材料出厂合格证、质量检验报告、计量措施、试验报告和注浆检查记录；利用稠度仪检测浆液稠度，利用量筒检验浆液初凝时间及结石率；6二次注浆控制盾构穿越棚户区属强透水粉细砂地层，在该地层中盾构推进速度快，浆液注入后很难形成单独固化体，需对脱出盾尾的管片及时进行二次、多次补压注浆；（1）工艺流程（2）注浆材料、配合比注浆材料采用水玻璃+水泥砂浆双液浆，浆液配比及其相关参数指标如下表所示；表 二次注浆材料及配比表(每方)注浆材料配比备注水泥浆液水灰比=0.8:1水泥采用P.O42.5（袋装水泥）水玻璃30Be根据凝固时间调整浆液配比：水泥浆水灰比(重量比)：0.8:1；注入时浆液与水玻璃体积比为：水泥浆：水玻璃=1：1，浆液扩散半径0.7m；浆液初凝时间1分30秒；3天抗压强度7.8MPa，7天抗压强度11.2MPa，28天抗压强度13.3MPa；浆液种类及配比可根据穿越实际地层及现场试验情况进行相应调整；（3）注浆施工①注浆顺序二次注浆宜在盾构通过约10环位置进行，同一环管片严格按‘先拱顶后两腰，两腰对称’的方法注入；②注浆压力二次注浆压力控制在0.8～1.0MPa；③开孔点位采用隔环开孔、每环开三个孔的方式进行二次注浆，开孔深度以打穿同步注浆层为宜，约50cm；④注浆量每个孔注入水泥浆液1～1.5m3，并根据实际注浆压力控制注浆量；⑤注浆结束标准采用注浆压力和注浆量双指标控制，即当注浆压力达到设定值时，和注浆量达到设计值的85%以上时，即可认定达到二次注浆质量要求；但如果压力未达到设定值，而注浆量达到设定值时，应根据监测数据分析判断进行合理控制；⑥二次、多次补强注浆工艺注浆前先在吊装孔装上注浆单向逆止阀后，用电锤钻穿吊装孔位厚5cm保护层，开孔深度不低于50cm为宜，接上三通及水泥浆管和水玻璃管；注双液浆时，先注纯水泥浆液1min后，打开水玻璃阀进行混合注入，终孔时应加大水玻璃的浓度；在一个孔注浆完结后应等待5～10分钟后将该注浆头打开疏通查看注入效果，如果水很大，应再次注入，至有较少水流出时可终孔，拆除注浆头并加盖闷头盖；如监测数据反映沉降仍不稳定，可采取多次补强措施控制沉降；注浆过程中应有排气孔，排气孔原则上设在预注浆孔上，并安装注浆单向逆止阀，同时打开球阀，直至出现冒浆时关闭球阀，10分钟后检查注浆效果，如有水溢出，应对该孔进行注浆；7 实时监测，信息化管理在盾构穿越棚户区的过程中，加强棚户区的监控量测，对受影响的地表建筑物进行实时沉降监测、不均匀沉降监测、地表建筑物倾斜监测和裂缝开展观测等，安排专人昼夜24小时进行建（构）筑物周边情况观测，根据监测数据对建筑物安全进行动态评估，同时基于评估结果对盾构施工参数进行精细调控，最后通过监测确定效果，从而反复循环、验证、完善，确保穿越安全；为研究大直径泥水平衡盾构机施工对地表沉降及穿越棚户区弱基础构建筑物的影响，提前设定为盾构推进试验段，在试验段内对盾构施工诱发的地表沉降进行原位监测，并将记录数据用于进一步研究；试验段内监测断面间距为10m，每断面根据周边情况布设8‑10个测点，测点间距3‑5m；棚户区内监测点布置原则同上；成立专门的测量监测6人小组，每日24小时完成6次连续测量，每4小时必须出监测分析成果数据以及时反馈指导盾构施工；掘进完成后维持1个月的不间断测量，后期根据沉降变化曲线稳定程度，确定一周一次的监控测量数据分析，直至沉降稳定；（三）盾构穿越后沉降控制措施盾构机穿越后仍需继续开展监控量测工作，考虑到环境保护和隧道稳定的要求，如壁后雷达注浆检测或者发现地面沉降仍有较大的变化趋势或局部地层较软，应通过管片中部以上的注浆孔再次进行补注浆，补充一次注浆未填充部分和浆液收敛体积减少部分，从而减少盾构机过后土体的后期沉降，减轻隧道的防水压力；同时对盾构推力导致的剥离状态进行填充，提高止水效果；补压浆工艺同二次注浆工艺。