基于预应力锚索的盾构隧道抗浮体系及其施工方法与流程

本发明涉及隧道工程技术领域，具体涉及一种基于预应力锚索的盾构隧道抗浮体系及其施工方法。

背景技术：

当前，中国各大城市基础设施建设正呈井喷式发展，比如城市轨道交通工程，城市轨道交通的建设水平与建设速度在一定程度上反应了城市的发展速度。城市轨道交通在给市民出行提供便利、加快城市发展步伐的同时，也承受着来自各方面的威胁，其中，尤以结构安全、长期耐久性与稳定性最为突出。

城市轨道交通的建设显著加快了沿线地块的开发与地区经济发展，但同时需要面临周边环境变化带来的威胁。如周边地块或楼盘开发、地下水位变动或其它地下工程建设等，都可能导致隧道外部环境的变化，引起隧道纵向的隆起变形，进而影响隧道结构安全、运营安全。此类状况在北京、上海、广州等城市轨道交通建设历史相对久远的城市尤为突出。

地铁运营期间，经常会出现管片接缝渗漏、局部裂缝或破碎等影响正常运营的情况，而由于城市轨道交通隧道一般采用直径6m左右的盾构机掘进，建筑限界与隧道内径之间的预留空间一般仅有100～200mm左右，在考虑施工误差、设备安装误差与地层长期不均匀沉降的情况下，已无富裕空间考虑后期周围环境变化导致的不利影响。因此，如何在设计阶段就考虑后期环境变化可能引起的隧道隆起变形，提高隧道结构的安全性与后期运营的可靠性，是摆在广大工程技术人员面前的一个亟待解决的难题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于预应力锚索的盾构隧道抗浮体系及其施工方法，通过在盾构隧道管片衬砌上施加的预应力锚索，将隧道“固定”在既定位置，在一定程度上削弱了环纵向接缝对盾构隧道整体刚度的不利影响，极大地提高了盾构隧道整体性，有效减弱了后期环境变化可能导致的隧道纵向不均匀变形的风险，提高了结构自身安全性与运营的可靠性。

本发明所采用的技术方案为：

基于预应力锚索的盾构隧道抗浮体系，其特征在于：

包括由管片衬砌拼装组成的盾构隧道，盾构隧道拱底处设置减振道床，通过管片衬砌预留注浆孔，往地层中打设预应力锚索；

预应力锚索包括多束钢绞线，多束钢绞线圆周形分布，中央设置有注浆管。

预应力锚索设置于预先实施的钻孔中；

预应力锚索包含自由段与锚固段，钻孔底部设有沉渣段；

预应力锚索位于自由段和锚固段；

锚固段与沉渣段内压注水泥砂浆；

自由段的预应力锚索外套耐油pe塑料管。

钢绞线一端设置有导向头，另一端穿过盾构隧道管片衬砌的预留孔，通过锚垫板和锚具固定。

钢绞线沿长度方向间隔设置隔离架，相邻隔离架中间位置处钢绞线采用钢丝捆扎。

预应力锚索的布置范围为拱底左右60°，环向间距为20°。

基于预应力锚索的盾构隧道抗浮体系的施工方法，其特征在于：

包括以下步骤：

步骤一：拼装管片衬砌；

步骤二：隧道洞通后，清除隧道底部临时施工用轨道、并按要求对隧道内部进行清理；同时进行施工降水，确保管片衬砌预留孔打开时的安全，满足钻孔要求；

步骤三：将多束钢绞线、注浆管与隔离架在现场进行组装，隔离架沿纵向间隔设置，确保钢绞线顺直，同时在相邻隔离架中间用铁丝将钢绞线扎紧，最后安装导向头；

步骤四：利用潜孔钻进行钻孔施工，通过固定钻机以达到成孔角度与深度要求；

步骤五：将组装完成的预应力锚索放入钻孔中，在锚索自由段外套耐油pe塑料管，随后通过注浆管压注水泥砂浆；

步骤六：待水泥砂浆凝固并达到设计强度后，进行锚索张拉，张拉前在盾构隧道结构内壁上铺设锚定板与锚具，预应力按照分级控制原则施加，张拉结束后通过锚具及时固定；

步骤七：预应力张拉结束后，将锚具外多余的钢绞线机械切割，同时应留一定长度的外露锚索，以防滑落，并保证外露部分不侵入建筑限界，保证地铁运营安全；

步骤八：按照先拱底后两侧、左右对称、分级控制的原则进行预应力锚索施工，实施范围为拱底左右60°范围，环向间距为20°；

步骤九：预应力锚索施工完成后，浇筑减振道床。

本发明具有以下优点：

本发明是基于预应力锚索的盾构隧道抗浮体系及其构建方法，在目前城市轨道交通线路沿线环境复杂多变、不确定因素多、以及隧道内部空间富裕量有限的情况下，通过在盾构管片衬砌上预留注浆孔，并在预留孔内打设预应力锚索，并将预应力锚索锚固在衬砌内表面，可明显增加隧道纵向整体性，提高隧道纵向承载能力，有效应对后期环境变化可能造成的不利影响，具有较高的经济效益和社会效益，在城市轨道交通、铁路、公路等工程中有广泛的应用前景。

附图说明

图1隧道内预应力锚索设置情况；

图2预应力锚索结构图；

图3为图2中的a-a截面图；

图4为图2中的b-b截面图；

图5为锚垫板大样图。

图中，1-管片衬砌，2-预应力锚索，3-减振道床，4-钻孔（φ=100），5-钢绞线（3s15.2），6-导向头（钢管φ=48mm，δ=3.5mm），7-注浆管（φ=25），8-隔离架，9-水泥砂浆，10-锚垫板，11-锚具，12-钢丝。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明涉及的基于预应力锚索的盾构隧道抗浮体系，提供了一种全新的思路来增加盾构隧道的纵向整体性与稳定性。通过在盾构管片衬砌上预留注浆孔，在预留孔内打设预应力锚索，并将预应力锚索锚固在衬砌内表面，有效地增加了盾构隧道稳定性，减小了后期周边环境变化可能引起的纵向变形风险，提高了轨道交通后期安全运营的可靠性。具体结构是：

包括由管片衬砌1拼装组成的盾构隧道，盾构隧道拱底处设置减振道床3，通过管片衬砌1预留注浆孔，往地层中打设预应力锚索2。预应力锚索2的布置范围为拱底左右60°，环向间距约为20°。

预应力锚索2包括多束钢绞线5，多束钢绞线5呈圆周形分布，圆中央设置有注浆管7。打开管片衬砌1预留注浆孔，利用潜孔钻进行钻孔4施工，随后将预应力锚索2按要求放入已实施的钻孔4中；预应力锚索2包含自由段与锚固段，钻孔4底部设有一定长度的沉渣段；锚固段与沉渣段内可压注水泥砂浆9；自由段的预应力锚索2上外套有耐油pe塑料管。

钢绞线5一端设置有导向头6，另一端穿过盾构隧道管片衬砌1预留孔，最后通过锚垫板10和锚具11进行固定。

钢绞线5沿长度方向间隔设置特定刚度的隔离架8，相邻隔离架8中间位置处钢绞线5采用钢丝12捆扎。

上述基于预应力锚索的盾构隧道抗浮体系的施工方法，包括以下步骤：

步骤一：根据隧道设计轴线高精度掘进，待盾尾处千斤顶伸出距离满足管片拼装要求时，按照管片分块情况与封顶块定位情况进行盾构隧道管片衬砌1拼装；

步骤二：隧道洞通后，清除隧道底部临时施工用轨道、并按要求对隧道内部进行清理；同时进行施工降水，确保盾构隧道预留孔打开时的安全，并满足钻孔4要求。

步骤三：根据设计要求，将多束钢绞线5、注浆管7与隔离架8在现场进行组装，隔离架8沿纵向间隔设置，确保钢绞线5顺直，同时在相邻隔离架8中间用铁丝12将钢绞线5扎紧，最后安装导向头6。

步骤四：利用潜孔钻进行钻孔4施工，通过固定钻机以达到成孔角度与深度要求，成孔完成后应立即进行清孔，控制孔底沉渣厚度。

步骤五：将组装完成的预应力锚索2放入钻孔4中，在锚索自由段外套耐油pe塑料管，随后通过注浆管7压注水泥浆9。

步骤六：待水泥浆9凝固并达到设计强度后，进行锚索张拉，张拉前应在盾构隧道1结构内壁上铺设锚定板10，预应力的施加需按照分级控制原则进行，张拉结束后及时利用锚具11固定。

步骤七：张拉最终锁定后，将锚具11外多余的钢绞线5机械切割，同时应留一定长度的外露锚索，以防滑落，并保证外露部分不侵入建筑限界（保证地铁运营安全）。

步骤八：按照先拱底后两侧、左右对称的原则进行预应力锚索张拉，实施范围为拱底左右60°范围（环向间距约为20°）。

步骤九：预应力锚索2施工完成后，按要求浇筑混凝土道床3。

盾构掘进过程中，根据设计要求拼装盾构隧道管片衬砌1，同时严格控制隧道成型质量，要求管片衬砌1不得有内外贯穿裂缝或宽度大于0.2mm的裂缝，同时隧道轴线的平面位置及高程允许偏差需控制在±50mm以内。

盾构隧道管片衬砌1与预应力锚索2连成一个整体受力体系，提高了隧道整体性与稳定性，可将隧道“固定”在既定位置，减弱了环纵向接缝对盾构隧道纵向刚度的削弱，可在一定程度上减小隧道纵向不均匀上浮（隆起）变形。

要从理论上找出能在任何环境变化条件下都能保持隧道整体稳定与列车运营安全的结构设计方案，在现有的理论水平与施工技术条件下，仍有相当大的难度，因为隧道结构设计方案、地层条件与周边环境千变万化，盾构隧道纵向稳定的影响因素众多。在现有技术水平条件下，盾构隧道纵向刚度的加强必须以自身结构安全与周边环境影响可控为基本出发点，达到改良结构特性、提高整体稳定性的目的。尤其在城市轨道交通线路穿越城市待开发区域，属于规划引导型线路情况下，地铁开通运营后，随着周边地块商业价值的提升，地块开发的范围与程度急剧增加，将会对已运营地铁造成潜在的安全隐患。目前基于预应力锚索的盾构隧道抗浮体系及其构建方法，仍需本着因地制宜、对症下药、灵活应用的基本原则。

本发明主要指通过在盾构管片上预留注浆孔，并在预留孔内打设预应力锚索，并将预应力锚索固定在隧道结构内表面，有效地增加了盾构隧道稳定性，减小了后期周边环境变化可能引起的纵向变形风险，提高了轨道交通后期安全运营的可靠性，增加了隧道抵抗纵向不均匀荷载的能力，具有较高的经济效益和社会效益，在城市轨道交通、铁路、公路等工程中有广泛的应用前景。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。