一种富水流塑地层盾构隧道下穿铁路框架桥施工方法与流程

文档序号:15578812发布日期:2018-09-29 06:17

本发明涉及一种盾构隧道施工技术领域,尤其是一种富水流塑地层盾构隧道下穿铁路框架桥施工方法。



背景技术:

随着我国城市规模快速拓展和人们出行需求日益提高,城市轨道交通以其特有的高速快捷、运载量大、安全舒适和低碳环保等优势成为交通系统发展中的主导。城市轨道交通的纵横延伸发展,致使盾构隧道的线路敷设及环境条件越发苛刻,将不可避免地穿越铁路框架桥以及复杂地层等多相地质环境。现阶段,主要以调整盾构掘进参数与控制注浆压力等措施在一定程度上缓解复杂地质环境下盾构开挖对地表建(构)筑物的影响,但对于流塑软硬不均地层,单纯通过调整盾构掘进参数与注浆压力等措施可能不足以保证地表建(构)筑物的安全,如何保证在不影响地表建(构)筑物正常使用的前提下,盾构隧道可以安全顺利施工,成为制约轨道交通线网延拓及技术提升的瓶颈。



技术实现要素:

为了解决盾构隧道在富水流塑地层下穿铁路框架桥存在的技术难题,本发明提供了一种富水流塑地层盾构隧道下穿铁路框架桥施工方法,可实现不影响铁路正常运营的条件下,使地表沉降和铁路框架桥变形控制在规定范围内,本发明的技术方案是这样实现的:

一种富水流塑地层盾构隧道下穿铁路框架桥施工方法,包括以下步骤:

步骤1)对富水流塑软硬复合地层盾构隧道下穿铁路框架桥进行MIDAS/GTS数值模拟,分析框架桥变形情况;

步骤2)根据步骤1)得到的数值分析结果,采用“袖阀管注浆加固”与“深层二次注浆”方法对富水流塑地层进行加固处理;

步骤3)对步骤2)加固后的地层进行理论盾构掘进参数计算,并进行试掘进施工,根据盾构掘进参数、地表沉降和框架桥变形规律,推导出盾构穿越段剩余掘进段的修正掘进参数;

步骤4)根据推导出的修正掘进参数,完成盾构穿越铁路框架桥剩余掘进段施工。

在上述技术方案基础上,在步骤1)中对富水流塑地层盾构隧道下穿铁路框架桥建立三维精细化模型:

(1)模型尺寸为100m×80m×40m(X×Y×Z),上边界自由,四周受水平约束,底面为竖向约束;

(2)隧道围岩采用Mohr-Coulomb准则,框架桥、管片衬砌采用实体弹性模型,盾壳及盾尾注浆采用shell单元;

(3)在地表及轨道每隔2m设置一个监测点,对盾构隧道下穿铁路框架桥施工进行实时监测。

在上述技术方案基础上,“袖阀管注浆加固”方法包括:

a)在框架桥地板上打设竖向注浆孔,注浆管采用φ48mm钢管,间距2.0m×2.0m,梅花型布置,竖向注浆孔后期兼做加固体检测孔及跟踪注浆孔;

b)框架桥外侧打设斜向注浆孔,注浆管采用φ76mm钢管,间距1.0m×1.0m,梅花形布置。

在上述技术方案基础上,“袖阀管注浆加固”方法中的袖阀管采用φ76mm×3.5mm钢管;注浆加固前,确定合理的注浆参数,检验施工方法和设备,确保地层注浆加固的施工质量;注浆材料采用42.5普通硅酸盐水泥浆,水灰比为0.6:1或1:1,注浆压力为0.4~2.0MPa,注浆压力逐步提升;加固体底部0.7m范围内以及最外围一排袖阀管采用42.5普通硅酸盐水泥和35Be水玻璃的双液浆,水泥浆水灰比为1:1,水玻璃模数为2.5~3.3,水泥—水玻璃双液浆体积比MC:S=0.8~1:1。

在上述技术方案基础上,通过向隧道拱顶位置的注浆孔打设一定长度的注浆管进行深层二次补充压浆,以减小盾构施工引起的拱顶松动,注浆范围为隧道拱顶150°范围,浆液采用42.5普通硅酸盐水泥和35Be水玻璃的双液浆,水泥浆水灰比为1:1,水泥浆与水玻璃体积比为1:1,注浆压力0.3~0.8MPa。

本发明一种富水流塑地层盾构隧道下穿铁路框架桥施工方法的进一步改进在于,盾构总推力Ft=F1+F2+F3+F4+F5+F6,F1为盾构侧面与周围地层的摩阻力;F2为盾构掘进的正面阻力;F3为管片和盾尾间的摩擦阻力;F4为切口环贯入地层的贯入阻力;F5为盾构姿态调整或转向附加阻力;F6为牵引后配套拖车的牵引阻力。在盾构实际施工中,F4、F5、F6的影响较小,为便于工程应用可以不予考虑,其中F1=πDlLc,式中:Dl为盾壳外径;L为盾壳总长度;c为盾壳周围土体的黏聚力,式中:Dd为刀盘直径;λ为刀盘开口率;p为土仓压力平均值;p′为面板上的压力附加值;F3=n1Wsμs+πDSbPTn2μs,式中:n1为盾尾内管片的环数;Ws为每环管片的重量;μs为盾尾刷与管片的摩擦系数,一般取值0.3~0.5;Ds为管片外径;b为每道盾尾刷与管片的接触长度;PT为盾尾刷内的油脂压力;n2为盾尾刷的层数,通过与试验段推力实际值对比,得到富水流塑地层盾构总推力的综合修正系数αF为Fa为试验段盾构总推力的实测值。

在上述技术方案基础上,所述“深层二次注浆”方法包括:采用由无缝钢管制作成的钢花管进行注浆施工,钢花管管壁加工注浆花孔,注浆花孔孔径为10mm,孔距15cm,梅花型布置;钢花管前端10cm制作成蒜瓣状锥形,尾端80cm范围内不钻孔作为止浆段,并设置加劲箍;注浆用钢花管为每根2.5米。

在上述技术方案基础上,刀盘总扭矩Tt=T1+T2+T3+T4+T5+T6+T7+T8,刀盘切削土体扭矩T1,刀盘正面与土体间摩擦扭矩T2,刀盘圆周面的摩擦扭矩T3,刀盘背面与土仓内土体摩擦扭矩T4,刀盘搅拌阻力矩T5,刀盘开口槽的剪切力矩T6,刀盘轴承扭矩T7,密封装置摩擦扭矩T8。在盾构实际掘进中,T1、T2、T3是影响刀盘扭矩的最主要组成部分,式中:v为盾构掘进速度,ω为刀盘转速,为土体内摩擦角;式中:K0为静止土压力系数;f为刀盘正面与土体间的摩擦因数;γ为土体重度;H为地表到盾构机轴线距离;式中:B为刀盘圆周的厚度;μd为刀盘圆周与土体的摩擦系数。通过与试验段扭矩实际值对比,得到富水流塑地层盾构总扭矩的综合修正系数αT为Ta为试验段盾构总扭矩的实测值。

在上述技术方案基础上,盾构掘进每环的注浆量为式中:Qt为每环管片的注浆量,即每环管片的建筑空隙;Dd为刀盘直径,Ds为管片外径,l为每环管片宽度。通过与试验段注浆量实际值对比,得到富水流塑地层盾构掘进每环注浆量的综合修正系数αQ为Qa为试验段每环管片实际同步注浆量。

在上述技术方案基础上,盾构掘进每环管片的出土量为Dd为刀盘直径,l为每环管片宽度。通过与试验段出土量实际值对比,得到富水流塑地层盾构掘进每环出土量的综合修正系数αU为Ua为试验段每环管片实际出土量。

在上述技术方案基础上,盾构土仓压力的设定值等于盾构轴线处的静止土压力,即Pt=K0γH,式中γ为土体重度,H为地表到盾构机轴线距离,K0为静止土压力系数。通过与试验段土仓压力实际值对比,得到富水流塑地层盾构掘进土仓压力的综合修正系数αP为Pa为土仓压力的实测值。

通过实验段盾构掘进参数与理论计算值进行对比,得到富水流塑地层综合修正系数的盾构掘进参数,并完成盾构穿越铁路框架桥剩余掘进段施工。

本发明的有益效果是:通过对盾构下穿铁路框架桥段采用“袖阀管注浆加固”方法,开挖后期在注浆孔打设一定长度注浆管进行深层二次注浆,起到对框架桥的保护作用。通过在盾构穿越段施工中进行一段试掘进段的施工,并根据盾构掘进参数、地表沉降和框架桥变形规律,推导出修正后的富水流塑地层盾构掘进参数,完成盾构穿越段剩余掘进段的施工,保证富水流塑地层盾构隧道下穿铁路框架桥能够以最合理的施工参数安全施工。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种富水流塑地层盾构隧道下穿铁路框架桥施工方法的流程示意图。

图2是本发明数值计算模型。

图3是本发明袖阀管注浆地层加固处理纵断面图。

图4是本发明注浆管深层二次注浆示意图。

图5是深层二次注浆钢花管放大示意图。

上述图中:1-富水流塑地层加固区;2-竖向注浆孔;3-斜向注浆孔;4-盾构隧道;5-钢花管;6-深层注浆区;7-框架桥。

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。

1.工程概况

长沙轨道交通3号线烈士公园东路站~丝茅冲站区间三角塘地区下穿京广铁路框架桥,框架桥主洞身长30m,框架桥中心线与京广铁路中心线斜交42.59°,区间左右线均采用盾构法施工,盾构直径为6.0m,隧道内径5.4m,隧道圆形衬砌采用单层钢筋混凝土装配式结构形式,盾构管片型式为平板型。管片外径6000mm,内径5600mm,管片厚度300mm,环宽1.5m。左右线间距约12.5m,区间下穿京广铁路段长度约31.5m,隧道顶距京广铁路框架桥底部约14.6m。框架桥共分3个箱涵,两侧非机动车道各1个箱涵,中间2个机动车道和1个箱涵,每个箱涵又分3块,共9块,块与块之间无任何连接。

2.工程难点

盾构下穿京广铁路框架桥段,隧道拱顶以上主要为卵石、细砂以及填土层,上覆土层约14.6m,砂卵石层厚约3.0m,卵石地层是一种典型的力学不稳定地层,颗粒之间孔隙较大,黏聚力较小。在无水状态下,颗粒之间点对点传力,地层反应灵敏。盾构掘进时,由于地层松动很容易破坏拱顶以上砂卵石原来的相对稳定或平衡状态而产生坍塌,引起较大的围岩扰动,且组成框架桥的九个箱涵之间无任何连接,各箱涵沉降存在明显差异,使框架桥产生较大变形,影响正常运营。

3.施工方案

如图1至图5所示,一种富水流塑地层盾构隧道下穿铁路框架桥施工方法,其包括以下步骤:

步骤1)对富水流塑软硬复合地层盾构隧道4下穿铁路框架桥7进行MIDAS/GTS建模和数值分析,分析框架桥变形情况;

步骤2)根据步骤1)得到的数值分析结果,采用“袖阀管注浆加固”与“深层二次注浆”方法对富水流塑地层加固区1进行加固处理;

步骤3)对步骤2)加固后的地层进行理论盾构掘进参数计算,并进行试掘进施工,根据盾构掘进参数、地表沉降和框架桥变形规律,推导出盾构穿越段剩余掘进段的修正掘进参数;

步骤4)根据推导出的修正掘进参数,完成盾构穿越铁路框架桥7剩余掘进段施工。

具体地,在步骤1)中,通过MIDAS/GTS有限元软件,对富水流塑地层盾构隧道下穿铁路框架桥建立三维精细化模型,包括:

(1)模型尺寸为100m×80m×40m(X×Y×Z),上边界自由,四周受水平约束,底面为竖向约束;

(2)隧道围岩采用Mohr-Coulomb准则,框架桥、管片衬砌采用实体弹性模型,盾壳及盾尾注浆采用shell单元;

(3)在地表及轨道每隔2m设置一个监测点,对盾构隧道下穿铁路框架桥施工进行实时监测。

在步骤2)中,采用“袖阀管注浆加固”与“深层二次注浆”方法对富水流塑地层进行加固处理,如图3所示,其中袖阀管注浆地层加固方法包括:

(1)在框架桥地板上打设竖向注浆孔2,注浆管采用φ48mm钢管,间距2.0m×2.0m,梅花型布置,竖向注浆孔2后期兼做加固体检测孔及跟踪注浆孔;

(2)框架桥外侧打设斜向注浆孔3,注浆管采用φ76mm钢管,间距1.0m×1.0m,梅花形布置。

袖阀管注浆施工参数如下:

1)袖阀管采用φ76mm×3.5mm(壁厚)钢管;

2)注浆加固前,确定合理的注浆参数,检验施工方法和设备,确保地层注浆加固的施工质量;

3)注浆材料采用42.5普通硅酸盐水泥浆,水灰比为0.6:1或1:1,注浆压力为0.4~2.0MPa,注浆压力逐步提升,加固体底部0.7m范围内以及最外围一排袖阀管采用42.5普通硅酸盐水泥和35Be水玻璃的双液浆,水泥浆水灰比为1:1,水玻璃模数为2.5~3.3,水泥—水玻璃双液浆体积比MC:S=0.8~1:1;

4)斜向注浆孔注浆扩散半径设计为1.0m,竖向注浆孔珠江扩散半径不小于0.5m;

5)先注外围,后注中部,以达到一序外围成墙、二序内部压密的目的,外围适当提高注浆压力;

6)注浆结束标准:在注浆压力(0.4~2.0MPa)下,注入量<1~2L/min,稳压20min;

7)封孔:在压密注浆结束后,向袖阀管内灌入C15细石混凝土参入适量速凝剂进行封口;

8)质量检查:采取钻孔取芯,加固土体深度范围间距1.0m取样,查看注浆体是否连续,测定土体压缩性、强度并做好记录,要求28天无侧限抗压强度不小于1.0MPa,注浆检测点为注浆孔数的2%,检测点合格率大于80%且检测点平均值达到强度要求,不合格注浆区重复注浆。

“深层二次注浆”处理包括:采用(壁厚)无缝钢管制作成的钢花管5对深层注浆区6进行注浆施工,注浆管壁加工注浆花孔,注浆花孔孔径为10mm,孔距15cm,梅花型布置;钢花管5前端10cm制作成蒜瓣状锥形,尾端80cm范围内不钻孔作为止浆段,并设置加劲箍;注浆用钢花管为每根2.5米。

在步骤3中,刀盘总扭矩Tt=T1+T2+T3+T4+T5+T6+T7+T8,T1为刀盘切削土体扭矩,T2为刀盘正面与土体间摩擦扭矩,T3为刀盘圆周面的摩擦扭矩,T4为刀盘背面与土仓内土体摩擦扭矩,T5为刀盘搅拌阻力矩,T6为刀盘开口槽的剪切力矩,T7为刀盘轴承扭矩,T8为密封装置摩擦扭矩;在盾构实际掘进中,T1、T2、T3是影响刀盘扭矩的最主要组成部分,故刀盘总扭矩:

,式中:v为盾构掘进速度,ω为刀盘转速,为土体内摩擦角,K0为静止土压力系数,f为刀盘正面与土体间的摩擦因数,γ为土体重度,H为地表到盾构机轴线距离,B为刀盘圆周的厚度;μd为刀盘圆周与土体的摩擦系数;通过与试验段扭矩实际值对比,得到富水流塑地层盾构总扭矩的综合修正系数αT为Ta为试验段盾构总扭矩的实测值;

盾构掘进每环的注浆量为式中:Qt为每环管片的注浆量,即每环管片的建筑空隙;l为每环管片宽度;盾构掘进每环管片的出土量为式中Dd为刀盘直径,l为每环管片宽度;通过与试验段注浆量实际值对比,得到富水流塑地层盾构掘进每环注浆量的综合修正系数αQ为Qa为试验段每环管片实际同步注浆量。

盾构土仓压力的设定值等于盾构轴线处的静止土压力,即Pt=K0γH,式中γ为土体重度,H为地表到盾构机轴线距离,K0为静止土压力系数,通过与试验段土仓压力实际值对比,得到富水流塑地层盾构掘进土仓压力的综合修正系数αP为Pa为土仓压力的实测值。

优选的,盾构总推力Ft=F1+F2+F3+F4+F5+F6,F1为盾构侧面与周围地层的摩阻力;F2为盾构掘进的正面阻力;F3为管片和盾尾间的摩擦阻力;F4为切口环贯入地层的贯入阻力;F5为盾构姿态调整或转向附加阻力;F6为牵引后配套拖车的牵引阻力。在盾构实际施工中,F4、F5、F6的影响较小,为便于工程应用可以不予考虑,其中F1=πDlLc,式中:Dl为盾壳外径;L为盾壳总长度;c为盾壳周围土体的黏聚力,式中:Dd为刀盘直径;λ为刀盘开口率;p为土仓压力平均值;p′为面板上的压力附加值;F3=n1Wsμs+πDSbPTn2μs,式中:n1为盾尾内管片的环数;Ws为每环管片的重量;μs为盾尾刷与管片的摩擦系数,一般取值0.3~0.5;Ds为管片外径;b为每道盾尾刷与管片的接触长度;PT为盾尾刷内的油脂压力;n2为盾尾刷的层数,通过与试验段推力实际值对比,得到富水流塑地层盾构总推力的综合修正系数αF为Fa为试验段盾构总推力的实测值。

优选的,盾构掘进每环管片的出土量为Dd为刀盘直径,l为每环管片宽度,通过与试验段出土量实际值对比,得到富水流塑地层盾构掘进每环出土量的综合修正系数αU为Ua为试验段每环管片实际出土量。

在步骤4)中,通过实验段盾构掘进参数与理论计算值进行对比,得到富水流塑地层综合修正系数的盾构掘进参数,由上述工程实例计算得到下表,并完成盾构穿越铁路框架桥剩余掘进段施工。

盾构掘进参数设定范围

特别的,每环掘进时,进行取渣观察其含泥量。含泥量超过25%时,采用泡沫剂进行渣土改良,泡沫浓度为4%,每环用量为80L左右;当卵石层含泥量小于25%时,采用向刀盘前注入泡沫剂和向土仓内注入膨润土进行渣土改良,泡沫剂每环用量40L左右,膨润土每环注入12m3,当螺旋机出现轻微喷涌时,可向膨润土溶液中掺入CMC(每方膨润土掺入2kg)。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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