一种在富水粉土地层中盾构下穿运营隧道的掘进施工方法与流程

本发明涉及隧道施工技术领域，特别涉及一种在富水粉土地层中盾构下穿运营隧道的掘进施工方法。

背景技术：

近年来，我国城市轨道交通得到了迅速发展，在进行城市隧道施工过程中，通常采用盾构机进行隧道掘进，盾构线路规划由于受到城市环境及在建施工地铁线路等相关因素的影响，新建的地铁线路不可避免地会与已运营隧道交叉下穿施工，容易对已运营隧道造成损坏，发生坍陷、沉降等重大安全事故。现有技术中，并没有针对这种下穿运营隧道的施工方法，施工方法上的经验积累主要集中在普通的单行隧道施工过程中，在普通的单行隧道施工过程中，由于没有其他隧道，在施工过程中不会考虑对相邻隧道的影响，只需要在试验段进行试掘进施工并总结得出施工参数，再对施工参数进行整理得出工艺参数即可。在正式盾构施工过程中，根据总结得出的工艺参数进行施工，并采取水泥砂浆进行注浆。

此外，下穿运营隧道在掘进过程中，还会穿过各种地质环境，使得不同的施工地段，其地质结构和条件也不相同，当施工地段为富水粉土粉砂地层时，如果还是采取常规的施工方法进行施工，则会发生螺旋机喷涌和盾构机栽头等问题，同时在进行注浆时，浆液扩散半径大，使得有效浆液注入量偏小，导致注浆量不饱满，并且，在注浆过程中，由于浆液不能快速凝固，不能有效止水，强度也无法达到要求，这些原因都将导致建构筑物、施工土体等极易发生沉降等问题，尤其对已运营的隧道会产生巨大的影响，在盾构掘进施工完成后，土体由于受到掘进施工的扰动，地面也会经常发生较大的沉降。在这种富水粉土地层中进行盾构下穿运营隧道施工时，施工难度非常大，需要同时解决富水粉土粉砂地层施工中的问题和盾构下穿运营隧道的施工问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于：在富水粉土地层进行盾构下穿运营隧道掘进施工时，由于浆液注入量小、无法快速凝固，导致不能有效止水，同时强度也无法达到要求，施工土体容易发生沉降，对已运行隧道造成巨大的安全隐患，无法保障安全、顺利地施工，提供一种在富水粉土地层中盾构下穿运营隧道的掘进施工方法，该方法通过设置双液浆注浆系统，并通过设置的混合器对浆液充分混合后，同步将混合后的浆液灌注到管片背后，使浆液快速凝固并快速达到需求强度，有效形成止水效果，从而避免土体在施工过程中发生沉降对已运行隧道造成影响。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种在富水粉土地层中盾构下穿运营隧道的掘进施工方法，包括以下步骤：

a、使用盾构机在试验段试掘进，并得出施工参数；

b、在盾构机上配置双液浆注浆系统、清洗系统和混合器，所述混合器用于混合所述双液浆注浆系统输送的双液浆，所述双液浆注浆系统为包含单独储放的两种浆液，两种所述浆液混合后能快速凝固的注浆系统；

c、确定双液浆的配合比；

d、按照步骤a得出的施工参数，进行正式盾构施工；

e、采用加水或加注泡沫的工艺，进行渣土改良，并同步进行双液浆注浆施工；

f、对洞内管片外土体进行加固处理。

采取上述方式，在试验段进行试掘进，并且在试掘进过程进行施工记录和数据监测，从而整理得出施工参数，在正式施工过程中，依据得出的施工参数进行盾构施工。由于盾构机在富水粉土粉砂地层掘进过程中，浆液扩散半径大，导致有效浆液注入量偏小，通过设置的混合器对浆液充分混合后，同步将混合后的浆液灌注到管片背后，从而有效改善渣土性能，使注浆量饱满充实，提高浆液注入量，避免土体发生沉降等影响质量、安全的问题，从而解决了对已运营隧道可能造成损坏等影响质量、安全的问题，同时采用双液浆注浆的方式，预先确定双液浆的配合比，并通过配置在盾构机上的混合器使双液浆混合，进行双液浆注浆施工后，浆液快速凝固，进而达到需求强度，起到止水效果，从而避免土体在施工过程中发生沉降等问题。

优选的，所述施工参数包括总推力、推进速度、刀盘扭矩、土仓压力和同步注浆参数，其中：

总推力为2200～2500T，推进速度为2.5～3cm/min，刀盘扭矩1.8～2.2MNm，土仓压力2.8～3.2bar，同步注浆量为4方，注浆压力控制在3.5～4bar之间。

在盾构施工过程中，严格按照确定施工参数组织施工，通过在试验段的试掘进施工过程中的施工记录和数据监测，整理并总结得出施工参数，为了确保隧道施工安全，严格执行上述施工参数。不同的地层特性，施工参数是不一样的，施工参数直接关系到施工安全和工程质量，在富水粉土地层中进行盾构施工时，按照上述施工参数进行，能确保施工安全，同时保证施工质量。

优选的，所述双液浆注浆系统包括水泥浆系统和水玻璃溶液系统，该双液浆注浆系统分别独自配备有对应的储浆装置和泵送装置。

所述水泥浆系统和水玻璃溶液系统通过各自的泵送装置输送至混合器中进行充分、均匀混合，双液注浆系统为两种浆液混合后能快速凝固的注浆系统，采用水泥浆系统和水玻璃溶液系统，二者以一定配合比混合并进行注浆后，能快速凝固，从而较好地起到止水作用，分别独自配备储浆装置和泵送装置，储浆装置能对场外拌制好的浆液进行储存，使二者在进入混合器中混合前保持各自的状态，分别设置泵送装置，保证二者均具有较大的泵送压力，分别将储浆装置中的浆液输送至混合器中进行充分、均匀混合。

优选的，所述步骤e中，双液浆注浆施工过程包括以下步骤：

e1、分别拌制水泥浆和水玻璃溶液；

e2、将水泥浆和水玻璃溶液转注入各自的储浆装置；

e3、确定水泥浆和水玻璃溶液的体积配合比，并通过各自的泵送装置将储浆装置中的浆液分别灌注到混合器中混合；

e4、混合器中设置有推进注浆部件，使用推进注浆部件将混合后的双液浆同步注入管片外侧的土体中。

采取上述方式，水泥浆和水玻璃溶液在混合器内充分、均匀地混合，混合后通过推进注浆部件后注入管片外侧的土体中，双液同步注浆系统可使管片背后浆液快速凝固、快速达到强度，并有效形成止水效果，对前后期土体沉降控制的效果非常明显。

优选的，所述水泥浆的成分包括水泥、粉煤灰和水，其重量配合比为1:1:2。

优选的，所述水玻璃溶液的成分包括水玻璃和水，其重量配合比为1:2。

优选的，所述水泥浆和水玻璃溶液的体积配合比7:1。

水泥浆和水玻璃溶液的配合比例决定了二者混合后的初凝时间以及凝固后的强度，将其体积配合比设置为7:1，使双液浆的初凝时间为2小时，双液浆凝固后的强度达到1.6MPa，在注浆施工前，对双液浆配合比进行试验，并根据前期配合比实验以及现场适配预留双液浆试样，确定此配合比下的双液浆的初凝时间为2小时，浆液体凝固后的强度约1.6Mpa，使灌注的双液浆在凝固后具有良好的自稳性。

优选的，在步骤e中，依据同步注浆参数进行双液浆注浆施工，所述同步注浆参数包括注浆总量、注浆压力和同步注浆流量，所述注浆总量为4m³/环，其中水泥浆3.5m³/环，水玻璃溶液0.5m³/环，注浆压力为0.35～0.40MPa，推进速度为2.5cm～3cm/min时，同步注浆流量为38L～45L/min。

优选的，所述渣土改良的方式包括泡沫剂改良方式和聚合物改良方式。盾构机在穿越圆砾土、粉土、粉砂之类粘粒含量较高的地质，采用加水或加注泡沫的碴土改良工艺，就可以达到良好的改良效果，在实际施工过程中，应随时根据土仓状态、土仓压力、碴土性状及地质条件的变化及时调整泡沫参数；当盾构机通过富水粉土、粉砂、圆砾地层时，螺旋机容易喷涌，将导致土仓压力大幅波动、地下水流失严重、掌子面失稳坍塌、地层损失超量、出土量不易控制的后果，在盾构机推进过程中，可以通过加聚合物对渣土进行改良，通常将高分子聚合物配置成浓度比例合适的水溶液，并充分搅拌至黏稠状，再将溶液与渣土以一定体积比例注入土仓中。

通过加泡沫及高分子聚合物，能有效改善渣土性能，保证盾构机土压平衡，施工过程中，根据渣土分析、监测数据，及时对泡沫或聚合物参量进行调整，确保施工安全。

优选的，所述步骤f中，预先在洞内管片上留设注浆孔，并通过注浆孔进行注浆，包括以下步骤：

f1、进行浆液配制，注浆材料为水泥和水，水泥和水的重量配合为1:1；

f2、进行孔口注浆，注浆压力为0.6～0.8MPa，浆液扩散半径1.2～1.5m，注浆流量控制在10～20L/min。

盾构下穿运营地铁施工完成后，为减小工后沉降确保运营地铁稳定，拟通过管片上预留的一圈注浆孔对管片上方、运营地铁下方土体进行加固处理，采取在注浆孔内设置长钢花管的方式进行注浆，注浆加固后土体无侧限抗压强度满足要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、由于盾构机在富水粉土粉砂地层掘进过程中，浆液扩散半径大，导致有效浆液注入量偏小，通过设置的混合器对浆液充分混合后，同步将混合后的浆液灌注到管片背后，从而有效改善渣土性能，使注浆量饱满充实，提高浆液注入量，避免土体发生沉降等影响工程质量的问题，从而有效避免了对已运营隧道的影响，同时采用双液浆注浆的方式，预先确定双液浆的体积配合比，并通过配置在盾构机上的混合器使双液浆混合，进行双液浆注浆施工后，浆液快速凝固，进而达到需求强度，起到止水效果，从而避免土体在施工过程中发生沉降等影响运营隧道安全的问题；

2、不同的地层特性，施工参数是不一样的，施工参数直接关系到施工安全和工程质量，在富水粉土地层中进行盾构施工时，按照总推力为2200～2500T、推进速度为2.5～3cm/min、刀盘扭矩1.8～2.2MNm、土仓压力2.8～3.2bar、同步注浆量4方、注浆压力3.5～4bar的施工参数进行施工，能确保施工安全，同时保证施工质量；

3、当盾构机通过富水粉土、粉砂、圆砾地层时，螺旋机容易喷涌，将导致土仓压力大幅波动、地下水流失严重、掌子面失稳坍塌、地层损失超量、出土量不易控制的后果，通过加泡沫及高分子聚合物，能有效改善渣土性能，保证盾构机土压平衡；

4、盾构下穿运营地铁施工完成后，为减小工后沉降确保运营地铁稳定，拟通过管片上预留的一圈注浆孔对管片上方、运营地铁下方土体进行加固处理，采取在注浆孔内设置长钢花管的方式进行注浆，注浆加固后土体无侧限抗压强度满足要求。

附图说明：

图1为本发明在富水粉土地层中盾构下穿运营隧道的掘进施工方法的流程图。

图2为双液浆注浆施工的结构示意图。

图3为聚合物改良方式改良渣土的结构示意图。

图4为管片布设注浆孔的布置图。

图5双液浆注浆施工的流程图。

图6为洞内管片外土体加固施工的流程图。

图中标记：1-盾构机，101-刀盘，102-土仓，103-承压墙，2-双液浆注浆系统，21-水玻璃溶液系统，22-水泥浆系统，3-混合器，4-管片，5-球阀，6-高压水枪，7-聚合物水溶液装置，8-注浆孔，α-相邻注浆孔夹角。

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。

实施例

如图1所示，在富水粉土地层中盾构下穿运营隧道的掘进施工方法，包括以下步骤：

a、使用盾构机在试验段试掘进，并得出施工参数；

b、在盾构机上配置双液浆注浆系统、清洗系统和混合器，所述混合器用于混合所述双液浆注浆系统输送的双液浆，所述双液浆注浆系统为包含单独储放的两种浆液，两种所述浆液混合后能快速凝固的注浆系统；

c、确定双液浆的配合比；

d、按照步骤a得出的施工参数，进行正式盾构施工；

e、采用加水或加注泡沫的工艺，进行渣土改良，并同步进行双液浆注浆施工；

f、对洞内管片外土体进行加固处理。

采取上述方式，在试验段进行试掘进，并且在试掘进过程进行施工记录和数据监测，从而整理得出施工参数，在正式施工过程中，依据得出的施工参数进行盾构施工。由于盾构机在富水粉土粉砂地层掘进过程中，浆液扩散半径大，导致有效浆液注入量偏小，通过设置的混合器对浆液充分混合后，同步将混合后的浆液灌注到管片背后，从而有效改善渣土性能，使注浆量饱满充实，提高浆液注入量，避免土体发生沉降等影响工程质量的问题，从而确保已运营隧道的安全，采用双液浆注浆的方式，预先确定双液浆的配合比，并通过配置在盾构机上的混合器使双液浆混合，进行双液浆注浆施工后，浆液快速凝固，进而达到需求强度，起到止水效果，从而避免土体在施工过程中发生沉降等问题，造成对已运营隧道的影响。

施工参数包括总推力、推进速度、刀盘扭矩、土仓压力和同步注浆参数，其中，总推力为2200～2500T，推进速度为2.5～3cm/min，刀盘扭矩1.8～2.2MNm，土仓压力2.8～3.2bar，同步注浆量为4方，注浆压力控制在3.5～4bar之间。

在盾构施工过程中，严格按照确定施工参数组织施工，通过在试验段的试掘进施工过程中的施工记录和数据监测，整理并总结得出施工参数，为了确保隧道施工安全，严格执行上述施工参数。不同的地层特性，施工参数是不一样的，施工参数直接关系到施工安全和工程质量，在富水粉土地层中进行盾构施工时，按照上述施工参数进行，能确保施工安全，同时保证施工质量。

如图2所示，双液浆注浆施工系统包括在隧道前方推进的盾构机1，盾构机1的尾部配备有混合器3，还包括放置在隧道管片4上的双液浆注浆系统2，双液浆注浆系统2包括水泥浆系统22和水玻璃溶液系统21，该双液浆注浆系统2分别独自配备有对应的储浆装置和泵送装置，水泥浆系统22和水玻璃溶液系统21通过各自的泵送装置输送至混合器3中进行充分、均匀混合，混合后的浆液在注入管片4外侧。

双液注浆系统2为两种浆液混合后能快速凝固的注浆系统，采用水泥浆系统22和水玻璃溶液系统21，二者以一定配合比混合并进行注浆后，能快速凝固，从而较好地起到止水作用，分别独自配备储浆装置和泵送装置，储浆装置能对场外拌制好的浆液进行储存，使二者在进入混合器中混合前保持各自的状态，分别设置泵送装置，保证二者均具有较大的泵送压力，分别将储浆装置中的浆液输送至混合器中进行充分、均匀混合。

如图5所示，在进行双液浆注浆施工过程时，按照以下操作步骤进行操作：

e1、在场外分别拌制水泥浆和水玻璃溶液；

e2、将拌制好的水泥浆和水玻璃溶液运输至盾构掘进现场；

e3、对水泥浆和水玻璃溶液进行转浆，使其转注入各自的储浆装置；

e4、确定水泥浆和水玻璃溶液的配合比，并通过各自的储浆装置分别将浆液灌注入混合器中混合；

e5、混合器中设置有推进注浆部件，使用推进注浆部件将混合后的双液浆通过注浆系统管路同步注入管片外侧的土体中；

e6、清洗注浆系统管路，并重复步骤c5进入下一循环施工。

采取上述方式，水泥浆和水玻璃溶液在混合器内充分、均匀地混合，混合后通过推进注浆部件后注入管片外侧的土体中，双液同步注浆系统可使管片背后浆液快速凝固、快速达到强度，并有效形成止水效果，对前后期土体沉降控制的效果非常明显。

水泥浆的成分包括水泥、粉煤灰和水，其重量配合比为1:1:2。

水玻璃溶液的成分包括水玻璃和水，其重量配合比为1:2。

水泥浆和水玻璃溶液的体积配合比7:1。

水泥浆和水玻璃溶液的配合比例决定了二者混合后的初凝时间以及凝固后的强度，将其体积配合比设置为7:1，使双液浆的初凝时间为2小时，双液浆凝固后的强度达到1.6MPa，在注浆施工前，对双液浆配合比进行试验，并根据前期配合比实验以及现场适配预留双液浆试样，确定此配合比下的双液浆的初凝时间为2小时，浆液体凝固后的强度约1.6Mpa，使灌注的双液浆在凝固后具有良好的自稳性。

在步骤e中，依据同步注浆参数进行双液浆注浆施工，所述同步注浆参数包括注浆总量、注浆压力和同步注浆流量，所述注浆总量为4m³/环，其中水泥浆3.5m³/环，水玻璃溶液0.5m³/环，注浆压力为0.35～0.40MPa，推进速度为2.5cm～3cm/min时，同步注浆流量为38L～45L/min。

渣土改良的方式包括泡沫剂改良方式和聚合物改良方式，盾构机在穿越圆砾土、粉土、粉砂之类粘粒含量较高的地质，采用加水或加注泡沫的碴土改良工艺，就可以达到良好的改良效果，在实际施工过程中，应随时根据土仓状态、土仓压力、碴土性状及地质条件的变化及时调整泡沫参数，当盾构机通过富水粉土、粉砂、圆砾地层时，螺旋机容易喷涌，将导致土仓压力大幅波动、地下水流失严重、掌子面失稳坍塌、地层损失超量、出土量不易控制的后果，在盾构机推进过程中，可以通过加聚合物对渣土进行改良，通常将高分子聚合物配置成浓度比例合适的水溶液，并充分搅拌至黏稠状，再将溶液与渣土以一定体积比例注入土仓中。

如图3所示，在采用聚合物改良方式改良渣土时，将高分子聚合物装入聚合物水溶液装置7中，在聚合物水溶液装置7上设置加注管路，通过管路将高分子聚合物加入到土仓102中，使盾构机的刀盘101在往前掘进的过程中，通过往土仓102中加泡沫及高分子聚合物改善渣土性能，使盾构机土压保持平衡，防止发生盾构机栽头的问题，加注管路一端与聚合物水溶液装置7连通，另一端经过球阀5通向土仓102内，球阀5安装在土仓102的承压墙103上，在加注管路上还布置有高压水枪6，使聚合物以较高压力喷射入土仓102内。

通过加泡沫及高分子聚合物，能有效改善渣土性能，保证盾构机土压平衡，施工过程中，根据渣土分析、监测数据，及时对泡沫或聚合物参量进行调整，确保施工安全。

在对洞内管片外土体进行加固处理时，预先在洞内管片上留设注浆孔，并通过注浆孔进行注浆，使土体得到加固。如图6所示，洞内管片外土体的加固施工过程按下述步骤进行，包括：

f1、进行注浆准备，包括确定孔位、疏通预留孔、振插注浆管和安放防喷装置；

f2、进行浆液配制，注浆材料为水泥和水，水灰比为1:1；

f3、进行孔口注浆，注浆压力为0.6～0.8MPa，浆液扩散半径1.2～1.5m，注浆流量控制在10～20L/min；

f4、注浆完成后，封闭孔口；

f5、注浆管路移位，进行下一个洞内管片注浆加固。

如图4所示，洞内管片4的注浆孔8沿管片4内壁均匀留设，本实施例中，总共布置16个注浆孔8，使相邻注浆孔夹角α为22.5度，所述相邻注浆孔夹角为相邻两个注浆孔8与管片中心的连线夹角。

盾构下穿运营地铁施工完成后，为减小工后沉降确保运营地铁稳定，拟通过管片上预留的一圈注浆孔对管片上方、运营地铁下方土体进行加固处理，采取在注浆孔内设置长钢花管的方式进行注浆，注浆加固后土体无侧限抗压强度满足要求。

本实施的在富水粉土地层中盾构下穿运营隧道的掘进施工方法采取双液浆注浆系统进行注浆，解决了浆液扩散半径大，有效浆液注入量偏小的问题，通过设置的混合器对浆液充分混合后，同步将混合后的浆液灌注到管片背后，从而有效改善渣土性能，使注浆量饱满充实，提高浆液注入量，避免土体发生沉降等影响工程质量的问题，同时采用双液浆注浆的方式，预先确定双液浆的体积配合比，并通过配置在盾构机上的混合器使双液浆混合，进行双液浆注浆施工后，浆液快速凝固，进而达到需求强度，起到止水效果，从而避免土体在施工过程中发生沉降等问题。