软硬不均地层土压平衡盾构隧道下穿铁路既有线施工方法
【专利摘要】本发明公开了一种软硬不均地层土压平衡盾构隧道下穿铁路既有线施工方法，具体步骤是：1.下穿工况数学模拟分析；2.设置施工参数；3.盾构掘进施工：A掘进参数设定；B.盾构掘进方向设定；C.同步注浆设定；D.二次注浆设定；4.管片拼装；5.盾尾保护。本发明研究了软硬不均地层土压平衡盾构隧道下穿铁路既有线施工方法，该方法能使铁路既有线安全运营的同时盾构隧道安全施工并下穿铁路既有线。
【专利说明】软硬不均地层土压平衡盾构隧道下穿铁路既有线施工方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种盾构隧道施工方法，尤其是一种软硬不均地层土压平衡盾构隧道 下穿铁路既有线施工方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国的经济快速发展和城市化步伐的日趋加快，高速铁路、城际铁路以及城 市地下铁路的建设日益加快，特别是地下轨道交通的建设迅猛发展，有效的缓解了城市交 通拥堵，提升了城市现代化水平。据统计，截至2011年3月，我国轨道交通运营里程达到 1417公里，"十二五"期间将建近90条地铁线路，总里程为2500公里左右。中国已经成为 大直径长距离盾构隧道工程的建设强国。
[0003] 地下轨道交通的施工过程中，不可避免的遇到线路之间的交叉、换乘等现象，以及 新建铁路临近并下穿既有铁路施工诱发一系列的新问题，直接关系到既有铁路线的正常运 营和新建铁路的施工安全。
【发明内容】
[0004] 为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种软硬不均地层土 压平衡盾构隧道下穿铁路既有线施工方法，确保铁路既有线安全运营的同时盾构隧道安全 施工并下穿铁路既有线。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
[0006] 一种软硬不均地层土压平衡盾构隧道下穿铁路既有线施工方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤1对软硬不均地层土压平衡盾构隧道下穿铁路的工况进行数学模拟分析；
[0008] 步骤2.根据步骤1得到的数学模拟结果及检测数据，设置施工参数，包括设定盾 构机的掘进参数；设定盾构机的掘进方向；在盾构机支护的同时对机体与围岩间的空间进 行注浆；根据注浆效果检测，选择缺陷区域周边的注浆孔作为二次注浆的点位进行注浆。
[0009] 步骤3按照步骤2的施工参数，利用盾构机掘进施工；在施工过程中不断向盾构机 的土仓内注入水和泡沫；
[0010] 添加水量以土体达到液性指数= 〇. 5为标准，即：
[0011]Il =(W-Wp)/(Wl-Wp)，W=IL*(Wl-Wp)+Wp,ΔW=W-W1;
[0012] 式中&为掌子面土体液限，Wp为掌子面土体塑限，W1为掌子面土体实测含水率，w 为理论加水量；Aw为实际加水量；
[0013] 泡沫的注入量取300?600L/m3 ;
[0014] 步骤4利用盾构机在隧道内进行管片拼装，实现对隧道的支护；
[0015] 步骤5对盾构机的尾部进行保护。
[0016] 所述的步骤1的具体过程如下：
[0017] 以进口工作井至下穿铁路既有线区段作为试验段，利用MIDAS/GTS软件建立盾构 隧道开挖三维有限元模型进行计算分析，并根据试验段监测数据对拟穿越铁路的各项盾构 推进参数进行调校，验证下穿时各项施工参数；
[0018] 所述的步骤2的盾构机的掘进参数的设定包括：
[0019] (1)掘进速度设定
[0020] 盾构机下穿过程中，掘进速度控制在30?35mm/min;
[0021] (2) 土仓压力设定
[0022] 按照实际需要，通过调整排土量和掘进速度两种方法控制土仓压力；
[0023] (3)刀盘转速设定
[0024] 刀盘转速控制在0· 75rpm?Irpm;
[0025] 所述的步骤2中盾构机的掘进方向的设定方法如下：
[0026] (1)采用VMT自动导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态监测；
[0027] (2)通过分区操作盾构机的推进油缸来控制掘进方向。
[0028] 在上坡段掘进时，加大盾构机下部油缸的推力和速度，掘进线路高于设计线路 10?20mm;在急弯和变坡段，利用盾构机的仿形刀进行局部超挖来纠偏；当盾构机滚角过 大时，采用盾构刀盘反转的方法纠正滚动偏差。
[0029] 所述的在盾构机支护的同时对机体与围岩间的空间进行注浆，步骤如下：
[0030] (1)注浆量的设定
[0031] 注浆量控制在11. 12?15. 39m3之间；
[0032] (2)注浆压力的设定
[0033] 注浆压力按照该注浆点位置处静水土压力与注浆管压力损失之和计算，根据现场 实测数据，注浆管压力损失取I. 2bar。
[0034] (3)浆液配比
[0035] 盾构机下穿施工过程中，采用同步注浆浆液为主，膨润土润滑浆液为辅，两者相结 合的方式实现同步注浆；每一注浆段首先采用注入同步注浆浆液获得早期强度，保证良好 的注浆效果；最后IOcm时注入膨润土润滑浆液进行洗管，以防砂浆管堵管；其中膨润土润 滑浆液按照配合比水：膨润土 = 8 :1进行配比，注入量为1?2m3。
[0036] 所述的步骤2中根据注浆效果检测，选择缺陷区域周边的注浆孔作为二次注浆的 点位进行注浆，具体过程如下：
[0037] (1)同步注浆效果检测
[0038] 同步注浆完成3天后，采用SIR-3000型探地雷达进行隧道注浆效果进行检测，针 对注浆不充盈的区域采取二次注浆进行补强；
[0039] (2)二次注浆
[0040] 根据同步注浆效果检测，选择缺陷区域周边的4个注浆孔作为二次注浆的点位进 行注浆；二次注浆采用水泥浆+水玻璃组成的双液浆，注浆压力控制在比该位置水土压力 增加 〇. 2 ?0. 5bar。
[0041] 所述的步骤4的具体过程如下：
[0042] 管片拼装按照以下步骤：
[0043] 设备检查一管片吊放一喂片一夹取管片一初定位置一精确定位一千斤顶顶住一 螺栓紧固一质量检查。
[0044] 所述的步骤5的具体过程如下：
[0045] (1)每环管片测量3次盾尾间隙，根据测量情况及时调整盾构机姿态，控制盾构机 姿态（±50mm)和盾尾间隙（大于30mm)。
[0046] (2)壁后注浆，注浆压力控制在5bar以下。
[0047] 本发明的有益效果如下：
[0048] 本发明通过对现场工况进行数学模拟分析确定合理的施工参数来指导施工，合理 控制软硬不均地层施工沉降量，实现了安全下穿既有线铁路和盾构隧道安全施工。
[0049] 由于工程采用土压平衡盾构施工，穿越段地质为泥质粉砂岩，为使进入土仓的渣 土具有较好的流动性，降低渣土的粘度和土仓内的温度，及时向土仓内注入一定量的水和 泡沫，防止因形成泥饼和刀具磨损影响掘进速度而增加铁路沉降风险。添加水量以土体达 到液性指数Il = 〇· 5 为标准，即Il = (w-wp)/(wL-wp)，w=IL*(wL_wp)+wp，Aw=Wi1。（式 中I为掌子面土体液限，wp为掌子面土体塑限，W1为掌子面土体实测含水率）；泡沫的注入 量取 300 ?600L/m3。
【专利附图】
【附图说明】
[0050] 图1是同步注浆流程图；
【具体实施方式】
[0051] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0052] 工程实例：
[0053] 一、工程概况：
[0054] 长株潭城际铁路综合II标树木岭隧道自长沙火车站附近出发，过人民中路 开始进入地下，平行于京广线南行。树木岭隧道进口工作井-香樟路站盾构区间里程 DK1+800?DK6+562,全长4762m，区间为左右双线，采用两台Φ9. 33m的土压平衡盾构从 进口工作井始发后平行掘进，左、右线盾构推进施工中均5次下穿京广铁路。以隧道右线 YDK1+810. 42-YDK2+295. 86段为例，下穿区段为软弱不均地层，隧道埋深为6. 45?19. 25m。 该段地质结构为顶层人工填土，层厚3?8. 5m，其下为硬塑状粉质黏土，层厚3m?7m，粘性 土下为圆碌土，层厚1. 5?6m，下伏基岩为泥质粉砂岩，强风化层厚1?6. 5m，地下水位埋 深约4. 2m。
[0055] 二、工程难点
[0056] 车流密集的京广铁路是国家南北交通大动脉，工程左、右线各5次穿越京广铁路 段，如何保证京广铁路沉降满足要求，确保铁路既有线安全运营及隧道安全施工是工程的 重难点。
[0057] 三、施工方案
[0058] 1.下穿工况数学模拟分析
[0059] 以进口工作井至下穿铁路既有线区段作为试验段，采用abaqus有限元计算软件 建立数学模型进行计算分析，并根据试验段监测数据对拟穿越铁路的各项盾构推进参数进 行调校，验证下穿时各项施工参数。
[0060] 2.施工技术措施
[0061] (1)掘进速度设定
[0062] 盾构下穿过程中，掘进速度控制在30?35mm/min，确保不因掘进速度过快造成土 仓压力波动和掘进速度过慢造成土层收敛时间过长两种情况导致下穿区产生地表沉降，影 响铁路既有线运营安全。
[0063] (2) 土仓压力设定
[0064] 土仓压力通过调整排土量和掘进速度两种方法控制。盾构开始掘进时首先打开泡 沫注入系统进行渣土改良，其次调整盾构刀盘转速，使刀盘达到设定转速，再次缓缓增加千 斤顶的油压，上部、中部、下部油压差控制在20bar左右，用于平衡盾构前体和刀盘的重力， 防止盾构低头，当土仓压力慢慢升高到设计压力时开始出土。当土仓压力低于设定压力时， 螺旋机转速调低，减小出土量，使土仓压力提高，当土仓压力高于设定压力时，螺旋机转速 提高，增加出土量，正常掘进阶段螺旋机转速调整量不宜过大，防止土仓压力上下波动值过 大，对掌子面地层产生扰动，从而引起地面沉降。
[0065] (3)刀盘转速设定
[0066] 刀盘转速控制在0. 75rpm?Irpm,保证刀具在正常切削土体的前提下不因转速过 快或者过慢导致刀具的额外磨损。
[0067] (4)盾构掘进方向控制
[0068] 采用VMT自动导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态监测并通过分区操作盾构 机的推进油缸来控制掘进方向。在上坡段掘进时，适当加大盾构机下部油缸的推力和速度， 盾构掘进线路高于设计线路10?20mm;在急弯和变坡段，利用盾构机的仿形刀进行局部超 挖来纠偏；当盾构机滚角过大时，需采用盾构刀盘反转的方法纠正滚动偏差。
[0069] 掘进方向控制及纠偏满足如下要求：
[0070] a在切换刀盘转动方向时，保留适当的时间间隔，并保证切换速度不会过快，切换 速度过快可能造成管片受力状态突变，而使管片损坏；
[0071] b根据掌子面地层情况应及时调整掘进参数，调整掘进方向时应设置警戒值与限 制值，达到警戒值时实行纠偏程序。
[0072] c蛇行修正及纠偏时缓慢进行，如修正过程过急，蛇行反而更加明显。在直线推进 的情况下，始终注意到盾构前行的趋势，保证盾构趋势始终处于抬头，即坡度值为正，这样 有利于控制盾构姿态；
[0073] d推进油缸油压的调整不宜过快、过大，否则可能造成管片局部破损甚至开裂，也 会对盾构本身有一定的影响。
[0074] e工序循环时间控制：按照平均每循环120min进行控制，设备保养时间I. 5h/班， 与施工同步进行。
[0075] 3.同步注浆
[0076] (1)注浆量
[0077] 工程穿越地层为裂隙发育基岩，注浆量按理论建筑空隙的130%?180%控制，注 浆量控制在11. 12?15. 39m3之间；
[0078] (2)注浆压力
[0079] 注浆压力按照该注浆点位置处静水土压力与注浆管压力损失之和计算，根据现场 实测数据，注浆管压力损失取I. 2bar。
[0080] (3)浆液配比
[0081] 盾构下穿施工过程中，采用同步注浆浆液为主，膨润土润滑浆液为辅，两者相结合 的方式实现同步注浆。
[0082] ①同步注浆浆液配比
[0083] 同步注浆浆液配比如下表所示：
[0084]
【权利要求】
1. 一种软硬不均地层土压平衡盾构隧道下穿铁路既有线施工方法，其特征在于：具体 步骤如下： 步骤1对软硬不均地层土压平衡盾构隧道下穿铁路的工况进行数学模拟分析； 步骤2.根据步骤1得到的数学模拟结果及检测数据，设置施工参数，包括设定盾构机 的掘进参数；设定盾构机的掘进方向；在盾构机支护的同时对机体与围岩间的空间进行注 浆；根据注浆效果检测，选择缺陷区域周边的注浆孔作为二次注浆的点位进行注浆。 步骤3按照步骤2的施工参数，利用盾构机掘进施工；在施工过程中不断向盾构机的土 仓内注入水和泡沫；添加水量以土体达到液性指数= 0. 5为标准，即： IL = (w~wp) / (wL-wp), w = IL* (wL-wp) +wp, Δ w = w-Wj ； 式中l为掌子面土体液限，wp为掌子面土体塑限，Wl为掌子面土体实测含水率，w为理 论加水量；Aw为实际加水量； 泡沫的注入量取300?600L/m3 ; 步骤4利用盾构机在隧道内进行管片拼装，实现对隧道的支护； 步骤5对盾构机的尾部进行保护。
2. 如权利要求1所述的软硬不均地层土压平衡盾构隧道下穿铁路既有线施工方法，其 特征在于，所述的步骤1的具体过程如下： 以进口工作井至下穿铁路既有线区段作为试验段，利用MIDAS/GTS软件建立盾构隧道 开挖三维有限元模型进行计算分析，并根据试验段监测数据对拟穿越铁路的各项盾构推进 参数进行调校，验证下穿时各项施工参数。
3. 如权利要求1所述的软硬不均地层土压平衡盾构隧道下穿铁路既有线施工方法，其 特征在于，所述的步骤2的盾构机的掘进参数的设定包括： (1) 掘进速度设定 盾构机下穿过程中，掘进速度控制在30?35mm/min ; (2) 土仓压力设定 通过调整排土量和掘进速度两种方法控制土仓压力； (3) 刀盘转速设定 刀盘转速控制在〇· 75rpm?lrpm。
4. 如权利要求1所述的软硬不均地层土压平衡盾构隧道下穿铁路既有线施工方法，其 特征在于，所述的步骤2中盾构机的掘进方向的设定方法如下： (1) 采用VMT自动导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态监测； (2) 通过分区操作盾构机的推进油缸来控制掘进方向。 在上坡段掘进时，加大盾构机下部油缸的推力和速度，掘进线路高于设计线路10? 20mm ;在急弯和变坡段，利用盾构机的仿形刀进行局部超挖来纠偏；当盾构机滚角过大时， 采用盾构刀盘反转的方法纠正滚动偏差。
5. 如权利要求4所述的软硬不均地层土压平衡盾构隧道下穿铁路既有线施工方法，其 特征在于，所述的在盾构机支护的同时对机体与围岩间的空间进行注浆，步骤如下： (1) 注浆量的设定 注浆量控制在11. 12?15. 39m3之间； (2) 注浆压力的设定 注浆压力按照该注浆点位置处静水土压力与注浆管压力损失之和计算，根据现场实测 数据，注浆管压力损失取L 2bar。 (3)浆液配比 盾构机下穿施工过程中，采用同步注浆浆液为主，膨润土润滑浆液为辅，两者相结合的 方式实现同步注浆；每一注浆段首先采用注入同步注浆浆液获得早期强度，保证良好的注 浆效果；最后l〇cm时注入膨润土润滑浆液进行洗管，以防砂浆管堵管；其中膨润土润滑浆 液按照配合比水：膨润土 = 8 :1进行配比，注入量为1?2m3。
6. 如权利要求4所述的软硬不均地层土压平衡盾构隧道下穿铁路既有线施工方法，其 特征在于：所述的步骤2中根据注浆效果检测，选择缺陷区域周边的注浆孔作为二次注浆 的点位进行注浆，具体过程如下： (1) 同步注浆效果检测 同步注浆完成3天后，采用SIR-3000型探地雷达进行隧道注浆效果进行检测，针对注 浆不充盈的区域采取二次注浆进行补强； (2) 二次注浆 根据同步注浆效果检测，选择缺陷区域周边的4个注浆孔作为二次注浆的点位进行注 浆；二次注浆采用水泥浆+水玻璃组成的双液浆，注浆压力控制在比该位置水土压力增加 0. 2 ?0. 5bar。
7. 如权利要求1所述的软硬不均地层土压平衡盾构隧道下穿铁路既有线施工方法，其 特征在于，所述的步骤4的具体过程如下： 管片拼装按照以下步骤：设备检查一管片吊放一喂片一夹取管片一初定位置一精确定 位一千斤顶顶住一螺栓紧固一质量检查。
8. 如权利要求1所述的软硬不均地层土压平衡盾构隧道下穿铁路既有线施工方法，其 特征在于，所述的步骤5的具体过程如下： (5-1)每环测量3次盾尾间隙，根据测量情况及时调整盾构机姿态，控制盾构机姿态和 盾尾间隙； (5-2)壁后注浆注浆压力控制在5bar以下。
【文档编号】E21D11/00GK104265307SQ201410408836
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年8月19日 优先权日:2014年8月19日
【发明者】李术才, 宋曙光, 丁万涛, 陈诚, 李利平, 石少帅, 王旌, 周宗青 申请人:山东大学