[發(fā)明專利]非加固條件下大直徑泥水盾構(gòu)長距離穿越棚戶區(qū)沉降控制施工工法

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• 申請(qǐng)日: 2018-04-28
• 公開（公告）號(hào): CN108678758A
• 公開（公告）日: 2018-10-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高原
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 青島新華友建工集團(tuán)股份有限公司
• 主分類號(hào): E21D9/08
• 分類號(hào): E21D9/08;E21D11/10
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1.非加固條件下大直徑泥水盾構(gòu)長距離穿越棚戶區(qū)沉降控制施工工法，其特征在于，包括下列步驟：

(一)盾構(gòu)穿越前準(zhǔn)備措施

1 建筑物現(xiàn)狀評(píng)估及控制標(biāo)準(zhǔn)制定

盾構(gòu)始發(fā)前，委托有經(jīng)驗(yàn)、相應(yīng)資質(zhì)的第三方單位對(duì)棚戶區(qū)沿線既有建(構(gòu))筑物進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，依據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查、檢測成果、兼顧結(jié)構(gòu)承載能力和正常使用要求，對(duì)工程結(jié)構(gòu)的剩余抗力指標(biāo)進(jìn)行分析和計(jì)算，從而得到現(xiàn)狀評(píng)估成果文件，至少包括結(jié)構(gòu)質(zhì)量現(xiàn)狀評(píng)估、結(jié)構(gòu)剩余抗力指標(biāo)評(píng)估及建議處理措施，施工前對(duì)建筑物基本情況進(jìn)行調(diào)查、核實(shí)，結(jié)合現(xiàn)狀評(píng)估結(jié)果，制定安全控制標(biāo)準(zhǔn)；

2 盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)段

將盾構(gòu)推進(jìn)的初始75m作為試驗(yàn)段，根據(jù)地面變形監(jiān)測數(shù)據(jù)及盾構(gòu)施工所采用的參數(shù)，掌握盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)和地表沉降的相關(guān)關(guān)系，優(yōu)化調(diào)整；對(duì)推進(jìn)時(shí)的各項(xiàng)技術(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、統(tǒng)計(jì)、分析，爭取在較短時(shí)間內(nèi)掌握盾構(gòu)機(jī)械設(shè)備的操作性能，確定盾構(gòu)推進(jìn)的施工參數(shù)設(shè)定范圍；

(二)盾構(gòu)穿越棚戶區(qū)施工控制措施

1 分析沉降形成的階段和形成相應(yīng)對(duì)策

2 泥膜質(zhì)量控制

為了加強(qiáng)對(duì)正面土體的支護(hù)能力，防止地面冒漿，采用高比重、高粘度的泥漿推進(jìn)；普通軟土層、砂性土層，泥漿比重為1.1～1.2g/cm3，粘度為17～20秒；在穿越棚戶區(qū)建筑物時(shí)泥漿比重控制在1.2～1.25g/cm3，粘度控制在18～22秒；泥漿中適當(dāng)添加堵漏材料，減少在該地層段(砂層)的失水率，維護(hù)掌子面的穩(wěn)定；為確保泥漿質(zhì)量，在推進(jìn)過程中，泥水處理人員加大泥水的測試頻率，及時(shí)調(diào)整泥水參數(shù)，保證掘進(jìn)的順利進(jìn)行；

當(dāng)盾構(gòu)在常規(guī)粉細(xì)砂地層中需停機(jī)開展帶壓進(jìn)倉檢修作業(yè)時(shí)，需要加大泥漿比重，提高泥漿粘度，通常情況下泥漿粘度達(dá)到35～40秒即可滿足帶壓進(jìn)倉的要求；盾構(gòu)掘進(jìn)至水壓力較高地段時(shí)，需要在高粘泥漿中摻加保壓速成材料，確保規(guī)定時(shí)間內(nèi)泥膜均具有良好的閉氣性能；

3 關(guān)鍵施工參數(shù)精細(xì)調(diào)控

掘進(jìn)過程應(yīng)結(jié)合地質(zhì)情況及周邊環(huán)境保護(hù)要求合理設(shè)定盾構(gòu)掘進(jìn)的各項(xiàng)參數(shù)；掘進(jìn)中應(yīng)監(jiān)測和記錄盾構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)情況、掘進(jìn)參數(shù)變化、進(jìn)排泥狀況，并及時(shí)分析反饋，調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，控制盾構(gòu)姿態(tài)；在施工中嚴(yán)格管理，使實(shí)際泥水壓略大于計(jì)算值；通過信息化施工及時(shí)調(diào)整和修正參數(shù)，使泥水壓力值處于合理范圍之內(nèi)；

(1)切口壓力控制

切口壓力根據(jù)以下水土分算公式算得:

切口水壓上限值：

P_上＝P₁+P₂+P₃

＝γ_w×h+K₀×[(γ-γ_w)×h+γ×(H-h)]+20

式中：P_上—切口水壓上限值(kPa)；

P₁—地下水壓力(kPa)；

P₂—靜止土壓力(kPa)；

P₃—變動(dòng)土壓力，一般取20kPa；

γ_w—水的溶重(kN/m³)；

h—地下水位以下的隧道埋深(算至隧道中心)(m)；

γ—土的溶重(kN/m³)；

H—隧道埋深(算至隧道中心)(m)；

K₀—靜止土壓力系數(shù)；

切口水壓下限值：

式中：P_下—切口水壓下限值(kPa)；

P′₂—主動(dòng)土壓力(kPa)；

K_a—主動(dòng)土壓力系數(shù)；

c_u—土的凝聚力(kPa)；

在試驗(yàn)段掘進(jìn)時(shí)，切口壓力取值在計(jì)算值的基礎(chǔ)上加上0.2bar的修正值，并根據(jù)掘進(jìn)過程地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的反饋，及時(shí)修正優(yōu)化切口壓力取值，確保盾構(gòu)穿越棚戶區(qū)建構(gòu)物時(shí)切口壓力與地層的匹配；

同時(shí)切口水壓波動(dòng)太大，會(huì)增加正面土體的擾動(dòng)，導(dǎo)致正面土體流失；因此在施工中應(yīng)將切口水壓波動(dòng)值控制在－10kPa～10kPa之間，保證土體穩(wěn)定；

(2)刀盤轉(zhuǎn)速

在軟土層內(nèi)推進(jìn)，刀盤轉(zhuǎn)速不宜過大，否則會(huì)引起刀具的磨損速度加快，高轉(zhuǎn)速容易對(duì)軟土層造成較大的擾動(dòng)，盾構(gòu)下穿棚戶區(qū)地段刀盤轉(zhuǎn)速控制在0.8rpm～1.2rpm，在推進(jìn)速度增加時(shí)，錐入度超過50的情況下，可增大轉(zhuǎn)速，但不超過1.2rpm；

(3)掘進(jìn)速度控制

為確保盾構(gòu)能正常切削土體加固區(qū)，防止排泥管路吸口堵塞、控制推進(jìn)軸線、保護(hù)刀盤，始發(fā)時(shí)推進(jìn)速度不宜過快，使盾構(gòu)緩慢穩(wěn)步前進(jìn)，在主機(jī)全部進(jìn)入加固區(qū)前掘進(jìn)速度控制在3～5mm/min，在盾構(gòu)機(jī)脫離加固區(qū)后可逐步提高掘進(jìn)速度到30mm/min；

正常掘進(jìn)條件下，掘進(jìn)速度應(yīng)設(shè)定為15～30mm/min；在盾構(gòu)機(jī)特殊地層時(shí)，掘進(jìn)速度應(yīng)控制在10～20mm/min，穿越棚戶區(qū)段速度適當(dāng)控制不能過快，過快影響同步注漿的跟進(jìn)速度，容易造成管片壁后的空洞，引起后期沉降，因此掘進(jìn)速度的匹配對(duì)穿越棚戶區(qū)至關(guān)重要；

(4)刀盤扭矩

刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)所需的力矩，單位為MN.m,穿越棚戶區(qū)時(shí)刀盤扭矩應(yīng)控制在6～9MNm；在同一地質(zhì)錐入度越大扭矩越大，如果在錐入度、速度等參數(shù)不變時(shí)，扭矩逐步明顯增大時(shí)，要考慮到刀具是否磨損嚴(yán)重，刀具的磨損會(huì)直接造成扭矩明顯增大，需停機(jī)檢查刀具；

4 盾體錐度空間克泥效填充

由盾構(gòu)機(jī)的徑向孔向盾體外注入克泥效，由11點(diǎn)鐘和1點(diǎn)鐘位置的徑向孔輪流注入，及時(shí)填充開挖直徑和盾體之間的空隙，注入率為120～130％，同時(shí)控制注入壓力和注入量，地面同步監(jiān)測地面的沉降，及時(shí)調(diào)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

刀盤開挖直徑為12550mm，盾構(gòu)機(jī)盾體外徑為12470mm，每環(huán)寬度為2000mm，則每環(huán)理論空隙為：2×3.14×(12.55×12.55-12.47×12.47)/4＝3.14m³

每環(huán)實(shí)際注入量(設(shè)定注入率為120％)為：3.14×120％×20＝3.7m³

每環(huán)克泥效實(shí)際用量為：3.7×400＝1480kg

每環(huán)水玻璃實(shí)際用量為：3.7/20×1.38＝255.3kg

5 壁后同步注漿

(1)注漿材料配比設(shè)計(jì)及基本性能要求

采用水泥砂漿作為同步注漿材料，漿材應(yīng)具有結(jié)石率高、結(jié)石體強(qiáng)度高、耐久性好、防止地下水侵蝕、良好的抗水分散性以及可注性等特點(diǎn)，膠凝時(shí)間根據(jù)地層條件確定，并與掘進(jìn)速度、注漿作業(yè)相匹配，通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定；不超過6h(終凝)，以獲得早期強(qiáng)度，保證良好的注漿效果；固結(jié)體強(qiáng)度一天不小于0.2MPa，28天不小于1.0MPa，盾構(gòu)穿越棚戶區(qū)地段同步注漿配比見下表；

表同步注漿材料配比和性能指標(biāo)表(每方用料)

(2)注漿壓力

為保證達(dá)到對(duì)環(huán)向空隙的有效充填，同時(shí)又能確保管片結(jié)構(gòu)不因注漿產(chǎn)生變形和損壞，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，注漿壓力按照略大于切口壓力0.5bar計(jì)算，設(shè)定為0.3～0.5MPa；

(3)注漿量

盾構(gòu)機(jī)開挖與管片外徑形成的空隙為17.41m³/環(huán)，根據(jù)類似工程施工經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)穿越棚戶區(qū)地段注漿量充填系數(shù)取130％～180％；同時(shí)，考慮到覆土較淺，且盾構(gòu)的上浮影響，盾構(gòu)機(jī)上部和底部注漿量應(yīng)按2:1控制；當(dāng)曲線段掘進(jìn)時(shí)，曲線段外側(cè)注漿量應(yīng)稍大于內(nèi)側(cè)注漿量；

注意：穿越風(fēng)險(xiǎn)工程過程中，連續(xù)2環(huán)同步注漿量高于控制范圍，且注漿壓力低于控制范圍時(shí)，應(yīng)暫停掘進(jìn)，分析原因并制定處理措施；

(4)注漿速度

同步注漿速度應(yīng)與掘進(jìn)速度相匹配，按盾構(gòu)完成一環(huán)2m掘進(jìn)的時(shí)間內(nèi)完成當(dāng)環(huán)注漿量來確定其平均注漿速度；

(5)注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

采用注漿壓力和注漿量雙指標(biāo)控制標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力、注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量的80％以上時(shí)應(yīng)結(jié)束注漿；

(6)漿液質(zhì)量檢驗(yàn)

檢驗(yàn)數(shù)量：全數(shù)檢驗(yàn)，即對(duì)每環(huán)砂漿均進(jìn)行檢測；

檢驗(yàn)方法：檢查原材料出廠合格證、質(zhì)量檢驗(yàn)報(bào)告、計(jì)量措施、試驗(yàn)報(bào)告和注漿檢查記錄；利用稠度儀檢測漿液稠度，利用量筒檢驗(yàn)漿液初凝時(shí)間及結(jié)石率；

6 二次注漿控制

盾構(gòu)穿越棚戶區(qū)屬強(qiáng)透水粉細(xì)砂地層，在該地層中盾構(gòu)推進(jìn)速度快，漿液注入后很難形成單獨(dú)固化體，需對(duì)脫出盾尾的管片及時(shí)進(jìn)行二次、多次補(bǔ)壓注漿；

(1)注漿材料、配合比

注漿材料采用水玻璃+水泥砂漿雙液漿，漿液配比及其相關(guān)參數(shù)指標(biāo)如下表所示；

表二次注漿材料及配比表(每方)

注漿材料	配比	備注
水泥漿液	水灰比＝0.8:1	水泥采用P.O42.5(袋裝水泥)
水玻璃	30Be	根據(jù)凝固時(shí)間調(diào)整

漿液配比：水泥漿水灰比(重量比)：0.8:1；注入時(shí)漿液與水玻璃體積比為：水泥漿：水玻璃＝1：1，漿液擴(kuò)散半徑0.7m；漿液初凝時(shí)間1分30秒；3天抗壓強(qiáng)度7.8MPa，7天抗壓強(qiáng)度11.2MPa，28天抗壓強(qiáng)度13.3MPa；漿液種類及配比可根據(jù)穿越實(shí)際地層及現(xiàn)場試驗(yàn)情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整；

(2)注漿施工

①注漿順序

二次注漿宜在盾構(gòu)通過約10環(huán)位置進(jìn)行，同一環(huán)管片嚴(yán)格按‘先拱頂后兩腰，兩腰對(duì)稱’的方法注入；

②注漿壓力

二次注漿壓力控制在0.8～1.0MPa；

③開孔點(diǎn)位

采用隔環(huán)開孔、每環(huán)開三個(gè)孔的方式進(jìn)行二次注漿，開孔深度以打穿同步注漿層為宜，約50cm；

④注漿量

每個(gè)孔注入水泥漿液1～1.5m³，并根據(jù)實(shí)際注漿壓力控制注漿量；

⑤注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

采用注漿壓力和注漿量雙指標(biāo)控制，即當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，和注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)值的85％以上時(shí)，即可認(rèn)定達(dá)到二次注漿質(zhì)量要求；但如果壓力未達(dá)到設(shè)定值，而注漿量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析判斷進(jìn)行合理控制；

⑥二次、多次補(bǔ)強(qiáng)注漿工藝

注漿前先在吊裝孔裝上注漿單向逆止閥后，用電錘鉆穿吊裝孔位厚5cm保護(hù)層，開孔深度不低于50cm為宜，接上三通及水泥漿管和水玻璃管；注雙液漿時(shí)，先注純水泥漿液1min后，打開水玻璃閥進(jìn)行混合注入，終孔時(shí)應(yīng)加大水玻璃的濃度；在一個(gè)孔注漿完結(jié)后應(yīng)等待5～10分鐘后將該注漿頭打開疏通查看注入效果，如果水很大，應(yīng)再次注入，至有較少水流出時(shí)可終孔，拆除注漿頭并加蓋悶頭蓋；如監(jiān)測數(shù)據(jù)反映沉降仍不穩(wěn)定，可采取多次補(bǔ)強(qiáng)措施控制沉降；

注漿過程中應(yīng)有排氣孔，排氣孔原則上設(shè)在預(yù)注漿孔上，并安裝注漿單向逆止閥，同時(shí)打開球閥，直至出現(xiàn)冒漿時(shí)關(guān)閉球閥，10分鐘后檢查注漿效果，如有水溢出，應(yīng)對(duì)該孔進(jìn)行注漿；

7 實(shí)時(shí)監(jiān)測，信息化管理

在盾構(gòu)穿越棚戶區(qū)的過程中，加強(qiáng)棚戶區(qū)的監(jiān)控量測，對(duì)受影響的地表建筑物進(jìn)行實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測、不均勻沉降監(jiān)測、地表建筑物傾斜監(jiān)測和裂縫開展觀測等，安排專人晝夜24小時(shí)進(jìn)行建(構(gòu))筑物周邊情況觀測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)建筑物安全進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估，同時(shí)基于評(píng)估結(jié)果對(duì)盾構(gòu)施工參數(shù)進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，最后通過監(jiān)測確定效果，從而反復(fù)循環(huán)、驗(yàn)證、完善，確保穿越安全；

為研究大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工對(duì)地表沉降及穿越棚戶區(qū)弱基礎(chǔ)構(gòu)建筑物的影響，提前設(shè)定為盾構(gòu)推進(jìn)試驗(yàn)段，在試驗(yàn)段內(nèi)對(duì)盾構(gòu)施工誘發(fā)的地表沉降進(jìn)行原位監(jiān)測，并將記錄數(shù)據(jù)用于進(jìn)一步研究；試驗(yàn)段內(nèi)監(jiān)測斷面間距為10m，每斷面根據(jù)周邊情況布設(shè)8-10個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)間距3-5m；棚戶區(qū)內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)布置原則同上；

成立專門的測量監(jiān)測6人小組，每日24小時(shí)完成6次連續(xù)測量，每4小時(shí)必須出監(jiān)測分析成果數(shù)據(jù)以及時(shí)反饋指導(dǎo)盾構(gòu)施工；掘進(jìn)完成后維持1個(gè)月的不間斷測量，后期根據(jù)沉降變化曲線穩(wěn)定程度，確定一周一次的監(jiān)控測量數(shù)據(jù)分析，直至沉降穩(wěn)定；

(三)盾構(gòu)穿越后沉降控制措施

盾構(gòu)機(jī)穿越后仍需繼續(xù)開展監(jiān)控量測工作，考慮到環(huán)境保護(hù)和隧道穩(wěn)定的要求，如壁后雷達(dá)注漿檢測或者發(fā)現(xiàn)地面沉降仍有較大的變化趨勢或局部地層較軟，應(yīng)通過管片中部以上的注漿孔再次進(jìn)行補(bǔ)注漿，補(bǔ)充一次注漿未填充部分和漿液收斂體積減少部分，從而減少盾構(gòu)機(jī)過后土體的后期沉降，減輕隧道的防水壓力；同時(shí)對(duì)盾構(gòu)推力導(dǎo)致的剝離狀態(tài)進(jìn)行填充，提高止水效果；補(bǔ)壓漿工藝同二次注漿工藝。