防侧墙变形及盾构机栽头的盾构机过中间风井加固结构及施工方法与流程

本发明涉及一种盾构法隧道施工领域，具体是一种防侧墙变形及盾构机栽头的盾构机过中间风井加固结构及施工方法。

背景技术：

目前，盾构机已成为地铁施工的一种专用的施工机械，盾构的风险主要集中在盾构的始发阶段、接收阶段和过中间风井阶段。盾构机过中间风井的过程，相当于进行了一次到达、平移、再次始发的过程。根据以往的回填过站经验，盾构机过中间风井，通常采用水土平衡法，通过在风井已完结构内加设内支撑，同时回填塑性改良土至地下水位以上，既达到结构内外侧水土压力平衡，也有利于盾构机土仓压力保持。由于风井主体结构尚未全部完成，只是将地板及侧墙，中板没有施工完成，未能形成封闭的受力系统，在盾构机进入风井时，由于盾构机推力及扭矩较大，侧墙变形存在极大风险，侧墙一旦变形，将会造成不可估量的损失。

同时，在盾构机通过风井过程中，回填材料配比选取不合理，压实度达不到要求，盾构机在通过风井时容易出现栽头的风险，一旦出现栽头现象，风井结构尺寸有限，重新调整将十分困难；由于风井结构空间有限，机械设备无法作业，后续结构内回填材料的清理尤为困难；因此，在盾构机通过时对起采取必要的防变形措施及按设计要求采用后期回填混凝土为盾构机修筑导台，对于盾构机能否顺利通过风井有着至关重要的作用。

技术实现要素：

本发明根据现有技术的不足提供一种防侧墙变形及盾构机栽头的盾构机过中间风井加固结构及施工方法，该施工方法效果好、成本低且简单、易行，其施工结构能够确保盾构机进入洞门过程中不产生变形和位移，并可避免盾构机出现载头现象。

本发明提供的技术方案：所述一种防侧墙变形及盾构机栽头的盾构机过中间风井加固结构，其特征在于：所述加固结构包括设置在中间风井结构内侧墙靠近盾构进洞口处的斜支撑、置于盾构进洞口与出洞口之间的钢支撑、设置在中间风井结构轨行区的左、右导台、两导台之间的碎石及中粗砂回填层和风井内导台以上的普通回填层；在中间风井结构的进洞侧墙扶臂柱上预埋第一钢板，在中间风井结构的底纵梁上预埋有第二钢板，所述斜支撑一端焊接在第一钢板上，另一端焊接在同侧底纵梁的第二钢板上；所述钢支撑有两根，分别置于盾构进洞口两侧上部，并在中间风井结构的进洞侧墙和出洞侧墙上部对应焊接钢支撑托架，所述钢支撑的两端分别置于对应侧的两个钢支撑托架上；所述左、右导台之间的斜面为大于盾构机外径的圆切面，所述碎石及中粗砂回填层的高度与左、右导台的高度一致。

本发明较优的技术方案：所述钢支撑托架通过预埋钢板焊接在进洞侧墙或出洞侧墙内，在钢支撑托架的预埋钢板、第一钢板和第二钢板的背面均焊接有多根锚筋，并在预埋过程中通过其背面的锚筋与所预埋墙体内的主筋焊接；在第二钢板中心位置开设有的圆孔。

本发明较优的技术方案：所述钢支撑托架焊接在洞口边缘以外的区域，每个钢支撑托架是由预埋在墙体内竖向钢板、水平焊接在竖向钢板下部的水平钢板和连接在两钢板之间的斜支撑钢板组成。

本发明较优的技术方案：所述斜支撑采用h型钢，设有两根，两斜支撑相互平行，且每根斜支撑与中间风井结构的底纵梁之间的倾斜角度a为45～60°；且对应预埋在中间风井结构的进洞侧墙扶臂柱的第一钢板和预埋在中间风井结构的底纵梁的第二钢板分别有两块。

本发明较优的技术方案：所述左、右导台形成的圆的直径应大于盾构机外径300mm～400mm，两导台的斜面为比盾构机外径大300mm～400mm的圆的切面，两切点与圆心连线的夹角为60°。

本发明较优的技术方案：所述左、右导台之间的碎石及中粗砂回填层的是由中粗砂和碎石按1:1的质量比混合回填，其碎石粒径为200～300mm；所述导台以上的普通回填层是直接采用盾构掘进的改良渣土进行回填形成，其回填高度为水位以上2m。

本发明较优的技术方案：所述每根钢支撑的直径为600mm～800mm,并通过设置在钢支撑和钢支撑托架的预埋竖向钢板间的轴力计预加500kn的轴力。

本发明提供的一种防侧墙变形及盾构机栽头的盾构机过中间风井加固结构的施工方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)在风井主体结构施工过程中按照预先设计好的位置，在每个盾构进洞口端的扶臂柱和底纵梁上预先埋设好第一、第二钢板，在两个盾构洞的进洞端侧墙和出洞端侧墙上对应焊接钢支撑托架；所述钢支撑托架的预埋钢板、第一钢板和第二钢板的背面均焊接有多根锚筋，并在预埋过程中通过其背面的锚筋与所预埋墙体内的主筋焊接；

(2)在扶臂柱与底纵梁间架设预先加工好的h型钢斜支撑，架设前应进行复测，确保斜支撑位置准确，斜支撑与底纵梁之间的倾斜夹角a为45～60°,斜支撑设有两根，两根斜支撑相互平行，斜支撑上端与预埋在扶臂柱上的第一钢板焊接，下端与预埋在底纵梁上的第二钢板焊接，斜支撑的两端与预埋钢板必须满焊，焊缝应饱满，焊缝检测合格后方可回填；所述斜支撑采用h型钢；

(3)在风井进出洞门两侧墙间架设预先拼装好的钢支撑，并在架设好的钢支撑上预加500kn的轴力，并在盾构机进洞门过程中进行实时检测；

(4)在风井轨行区范围内进行放样，精确放出导台轮廓范围，钻孔立模板，模板高度按照设计图纸中规定的后期回填高度设置，浇筑设计图纸中所要求标号的后期回填混凝土，分层浇筑，在浇筑过程按要求振捣密实；

(5)拆除模板后进行复测，确保两导台所形成的圆的直径大于盾构机外径300mm～400mm范围，同时注意模板固定筋的清除，防止盾构推进过程中，模板固定筋卡住螺旋机；

(6)在地面上将中粗砂及粒径为200～300mm碎石按1:1拌和均匀，并通过料斗送入两导台中间回填区内摊铺压平，回填高度等于导台高度；

(7)最后采用盾构掘进中所出的改良后的渣土回填至风井内的普通回填区，回填高度为水位线以上2米，确保盾构掘进过程中的土压力平衡，完成盾构机过中间风井加固结构的施工过程。

本发明较优的技术方案：所述步骤(1)中预埋在底纵梁上的第二钢板的中心位置开设有直径100mm～150mm的圆孔，并在安装预埋第二钢板时预留振捣孔与主筋的位置，在第二钢板按照好之后，可以将振动棒插入将浇筑的混凝土振捣密实。

本发明较优的技术方案：所述步骤(3)中，在钢支撑与钢支撑托架之间安装有轴力计，并在盾构机进洞门过程中通过轴力计实时检测侧墙位移变化，发现异常时立即停止掘进，采取相应措施后方可继续掘进，为侧墙在盾构机推力作用下不产生变形及位移提供第二道保障。

所述一种防止侧墙变形的装置及盾构机栽头的施工方法，包括主体结构两底纵梁上进洞侧墙扶臂柱上各埋设钢板两块，其特征在于：埋设的钢板尺寸为700*1000*20mm，且钢板底部设有直径为25mm的锚筋,24根，1000mm的边上分3列均匀布置，锚固深度为300mm，并与主筋焊接；所述进洞侧墙洞门两侧各埋设钢板一块，其特征在于：埋设的钢板尺寸为1000*1200*20mm，且钢板底部设有直径为25mm的锚筋，锚固深度为300mm，并与主筋焊接；且钢板底部设有直径为25mm的锚筋32根，1200mm的边上分3列均匀布置，锚固深度为300mm，并与主筋焊接；所述进出洞门两侧墙间钢支撑，其特征在于：钢支撑直径为800mm，预加轴力为500kn；所述底纵梁与扶臂柱间架设的h型钢，其特征在于：400*400mm的h型钢焊接在底纵梁及扶臂柱预先埋设好的钢板上，必须要求满焊，焊缝饱满；所述轨行区范围内导台，其特征在于：轨行区两侧导台斜面为比盾构机外径大400mm的圆的切面，两切点与圆心连线的夹角为60°，高度为设计图纸中后期素混凝土回填的高度，混凝土标号为设计图纸中要求的标号；所述两导台中间碎石及中粗砂回填区，其特征在于：两侧导台所形成的圆的直径应大于盾构机外径400mm，回填材料为，按1:1回填中粗砂和碎石，碎石粒径为200～300mm；回填高度为导台高度；所述导台以上普通回填区，其特征在于：盾构掘进中的所出的改良后的渣土可以回填至风井内的普通回填区，回填高度为水位线以上2米，确保盾构掘进过程中的土压力平衡；

本发明较优的技术方案：底纵梁上预埋的700*1000*20mm钢板，其中心位置有100mm的圆孔，便于在浇筑底纵梁时振动棒能够插入，保证底纵梁混凝土振捣密实；

本发明的有益效果：(1)本发明的预埋钢板上均焊接锚筋，可以锚固到墙体内，并与主筋焊接,充分保证了在盾构机推力作用下，侧墙受力不产生变形及位移；

(2)本发明进出洞门两侧墙间架设钢支撑，并在架设好的钢支撑上预加500kn的轴力，在盾构机进洞门期间加强轴力计检测，随时观测轴力变化，及侧墙位移变化，并在盾构机进洞门过程中通过轴力计实时检测侧墙位移变化，发现异常时立即停止掘进，采取相应措施后方可继续掘进，为侧墙在盾构机推力作用下不产生变形及位移提供第二道保障；

(3)本发明中的导台高度及所用材料为设计图中要求的高度和材料，减少盾构机顺利通过风井后后期凿除清理的工序，节约了成本；两侧导台所形成的圆的直径应大于盾构机外径300mm～400mm，在保证盾构机顺利通过的前提下，同时也能确保在盾构掘进过程中对盾构参数适当调整；

(4)两导台之间的回填材料为配比为1:1的中粗砂和碎石，中粗砂充填碎石的间隙，保证回填材料的密实性，同时又为或许清理提供方便；

(5)本发明在底部预埋的钢板中心位置开设有圆孔，预埋钢板时确保预留振捣孔与主筋的位置，便于在浇筑底纵梁时振动棒能够插入，保证底纵梁混凝土振捣密实；

本发明采用了两到保障措施，确保盾构机进入洞门过程中不产生变形和位移，修筑导台所用材料及高度按设计图纸中二次回填的要求，减少盾构机通过风井后凿除清理的工序，同时两导台间之间的回填材料为后续清理提供方便。回填区1、2、3为盾构所出的改良后的渣土，不仅可以节省回填材料的成本，同时还能加快盾构掘进的速度。整个过站过程中施工方法简单、成本较低，安全易行。

附图说明

图1是本发明正面结构示意图；

图2是图1中aa剖面图；

图3是图1中bb剖面图；

图4是洞门两侧墙间钢支撑平面示意图；

图5和图6是钢支撑托架的结构示意图；

图7是预埋在扶臂柱上的第一钢板的结构示意图；

图8是预埋在底纵梁上的第二钢板的结构示意图；

图9是图7和图8的俯视图；

图10是是导台断面示意图；

图11是回填断面效果示意图。

图中：1—第一钢板，2—第二钢板，3—钢支撑托架，3-1—竖向钢板，水3-2—水平钢板，3-3—斜支撑钢板，4—钢支撑，5—斜支撑，6—盾构进洞口，7—盾构出洞口，8—扶臂柱，9—底纵梁，10—进洞端侧墙，11—出洞端侧墙，12—锚筋，13—中间风井结构内侧墙，14—碎石及中粗砂回填层，15、16—左、右导台，17—普通回填区，18—水位线，19—盾构区。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。如图1至4和图10和图11所示的一种防侧墙变形及盾构机栽头的盾构机过中间风井加固结构，其特征在于：所述加固结构包括设置在中间风井结构内侧墙13靠近盾构进洞口6处的斜支撑5、置于盾构进洞口6与出洞口7之间的钢支撑4、设置在中间风井结构轨行区的左、右导台15、16、两导台之间的碎石及中粗砂回填层14和风井内导台以上的普通回填层17。如图2所示，在中间风井结构的进洞侧墙扶臂柱8上预埋第一钢板2，在中间风井结构的底纵梁9上预埋有第二钢板1，所述斜支撑5一端焊接在第一钢板2上，另一端焊接在同侧底纵梁9的第二钢板2上，在第二钢板2中心位置开设有的圆孔1-1；所述斜支撑5采用h型钢，设有两根，两斜支撑5相互平行，且每根斜支撑5与中间风井结构的底纵梁9之间的倾斜角度a为45～60°；且对应预埋在中间风井结构的进洞侧墙扶臂柱8的第一钢板1和预埋在中间风井结构的底纵梁9的第二钢板2分别有两块。

如图1和图4所示，每个盾构区内设有两根钢支撑4，所述每根钢支撑4的直径为600mm～800mm,并在中间风井结构的进洞侧墙10和出洞侧墙11上部对应焊接钢支撑托架3；如图5和图6所示，所述钢支撑托架3焊接在洞口边缘以外的区域，每个钢支撑托架3是由预埋在墙体内竖向钢板3-1、水平焊接在竖向钢板3-1下部的水平钢板3-2和连接在两钢板之间的斜支撑钢板3-3组成，所述钢支撑托架3通过预埋钢板焊接在进洞侧墙10或出洞侧墙11内，钢支撑4的两端分别置于对应侧的两个钢支撑托架3上，并通过设置在钢支撑4和钢支撑托架3的预埋竖向钢板3-1间的轴力计预加500kn的轴力。

如图7-图8所示，在钢支撑托架3的预埋钢板、第一钢板1和第二钢板2的背面均焊接有多根锚筋12，并在预埋过程中通过其背面的锚筋3-4与所预埋墙体内的主筋焊接。

如图9和图10所示，所述左、右导台15、16之间的斜面为大于盾构机外径的圆切面300mm～400mm，两导台的斜面为比盾构机外径大300mm～400mm的圆的切面，两切点与圆心连线的夹角为60°；所述碎石及中粗砂回填层14的高度与左、右导台15、16的高度一致，碎石及中粗砂回填层14的是由中粗砂和碎石按1:1的质量比混合回填，其碎石粒径为200～300mm；所述导台以上的普通回填层17是直接采用盾构掘进的改良渣土进行回填形成，其回填高度为水位以上2m。

下面结合实施例对本发明进一步说明。实施例针对某个施工项目中的，盾构过中间风井加固结构进行施工，其风井主体有两个盾构通道，其两盾构通道的支撑结构相同，其预埋的第一钢板1和第二钢板2均为尺寸700*1000*20mm的钢板，且钢板底部设有直径为25mm的锚筋,24根，1000mm的边上分3列均匀布置，锚固深度为300mm，并与主筋焊接；第二钢板2中心位置预留直径为100mm的圆孔，便于在浇筑底纵梁时振动棒能够插入，保证底纵梁混凝土振捣密实。钢支撑托架3中的预埋钢板3-1采用尺寸为1000*1200*20mm的钢板，且钢板背面焊接有32根直径为25mm的锚筋，锚固深度为300mm，1200mm的边上分3列均匀布置，并与主筋焊接；所述钢支撑直径为800mm，预加轴力为500kn；所述h型钢斜支撑5采用尺寸为400*400mm的h型钢焊接，其焊接部位必须要求满焊，焊缝饱满。

上述防侧墙变形及盾构机栽头的盾构机过中间风井加固结构的具体步骤如下：

(1)在风井主体结构施工过程中按照预先设计好的位置，在每个盾构进洞口端的扶臂柱和底纵梁上预先埋设好第一、第二钢板，在两个盾构洞的进洞端侧墙和出洞端侧墙上对应焊接钢支撑托架；所述钢支撑托架的预埋钢板、第一钢板和第二钢板的背面均焊接有多根锚筋，并在预埋过程中通过其背面的锚筋与所预埋墙体内的主筋焊接；预埋在底纵梁上的第二钢板的中心位置开设有直径100mm～150mm的圆孔，并在安装预埋第二钢板时预留振捣孔与主筋的位置，在第二钢板按照好之后，可以将振动棒插入将浇筑的混凝土振捣密实；

(2)在扶臂柱与底纵梁间架设预先加工好的h型钢斜支撑，架设前应进行复测，确保斜支撑位置准确，斜支撑与底纵梁之间的倾斜夹角a为45～60°,斜支撑设有两根，两根斜支撑相互平行，斜支撑上端与预埋在扶臂柱上的第一钢板焊接，下端与预埋在底纵梁上的第二钢板焊接，斜支撑的两端与预埋钢板必须满焊，焊缝应饱满，焊缝检测合格后方可回填；所述斜支撑采用h型钢；

(3)在风井进出洞门两侧墙间架设预先拼装好的钢支撑，并在架设好的钢支撑上预加500kn的轴力，并在盾构机进洞门过程中进行实时检测；所述钢支撑采用直径为800mm的钢支撑，每个盾构区设置两根，分别置于盾构洞上部两侧；在钢支撑与钢支撑托架之间安装有轴力计，并在盾构机进洞门过程中通过轴力计实时检测侧墙位移变化，发现异常时立即停止掘进，采取相应措施后方可继续掘进，为侧墙在盾构机推力作用下不产生变形及位移提供第二道保障；

(4)在风井轨行区范围内进行放样，精确放出导台轮廓范围，钻孔立模板，注意模板固定筋外露长度，模板高度按照设计图纸中规定的后期回填高度设置，浇筑设计图纸中所要求标号的后期回填混凝土，分层浇筑，在浇筑过程按要求振捣密实；

(5)拆除模板后进行复测，确保两导台所形成的圆的直径大于盾构机外径300mm～400mm范围，同时注意模板固定筋的清除，防止盾构推进过程中，模板固定筋卡住螺旋机；

(6)在地面上将中粗砂及粒径为200～300mm碎石按1:1拌和均匀，并通过料斗送入两导台中间回填区内摊铺压平，回填高度等于导台高度；

(7)最后采用盾构掘进中所出的改良后的渣土回填至风井内的普通回填区，回填高度为水位线以上2米，确保盾构掘进过程中的土压力平衡，完成盾构机过中间风井加固结构的施工过程。

本发明中的所h型钢斜支撑5应与预埋在底纵梁和扶臂柱上的预埋钢板满焊，这是确保侧墙不产生变形和位移的第一道保障板；所述架设在进出洞门两侧墙间的直径为800mm并预加有500kn的钢支撑4，在盾构筋进洞门推进过程中加强监测，监测中发现异常，应立即停止推进，这是确保侧墙不产生变形的可控的有效措施的第二道保障；h型钢5和钢支撑4共同作用是侧墙在盾构机推力作用不产生变形的有力保障；并洞门侧墙中预埋进洞钢环，其内径大于盾构机外径小于两导台所形成圆的直径。

以上所述，只是本发明的一个实施例，以上所述实施例仅表达了本发明中的某个实例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。