近距离下穿既有盾构隧道管幕施工沉降控制系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种近距离下穿既有盾构隧道管幕施工沉降控制系统及方法，解决了下穿既有盾构隧道时矿山法开挖段上方土体下沉控制的难题。包括在区间人防段隧道（4）的上方端头墙（5）中设置有锁扣管幕，锁扣管幕设置在既有盾构隧道（1）的正下方，在锁扣管幕与已开挖的区间人防段隧道（4）的直角后背墙（6）之间设置有钢管顶进设备（8），在顶进设备（8）的出土口下方设置有计量土斗（11），在相邻的两个锁扣管幕钢管（7）之间设置有锁扣（14），在锁扣管幕钢管（7）的外侧壁（2）上固定焊接有袖阀管（12），在袖阀管（12）的入浆口上连接有膨润土浆液注浆机（13）。本发明利用了现场的已有设备，沉降控制效果好。
【专利说明】
近距离下穿既有盾构隧道管幕施工沉降控制系统及方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种采用矿山法开挖地铁隧道时对开挖隧道上方土体的沉降进行控制的系统和方法，特别涉及一种采用矿山法开挖地铁隧道时开挖段的近距离上方设置有正在运营的既有盾构隧道，在新隧道开挖时，对既有盾构隧道的沉降进行控制的管幕施工沉降控制系统及方法。
【背景技术】
[0002]在城市地铁施工中，近距离下穿既有线路隧道的情况越来越多。当既有线路为盾构隧道时，由于盾构隧道的结构是由柔性管片构成的，各管片之间是采用高强螺栓连接成一体的柔性结构，当盾构隧道下方土体受到扰动时，扰动范围内的管片会产生超过允许限值差异的沉降，威胁到既有盾构隧道的正常运营。因此控制既有盾构隧道的沉降，已成为下穿既有盾构隧道的新隧道施工时必须解决的问题。在既有盾构隧道下方近距离施工新隧道时，若采用盾构法下穿的施工工艺，往往会使既有盾构隧道沉降超限。因此，通常是采用矿山法进行新隧道施工的。在矿山法近距离下穿既有盾构隧道施工中，现有技术是采用全断面深孔注浆的方式，对新隧道开挖段上方土体进行加固。由于既有隧道与新开挖隧道的距离太近，全断面深孔注浆的压力会导致近距离处的土体出现严重上拱，加重了既有盾构隧道的管片错位和变形程度，达不到既有隧道隆起控制指标的要求。采用深孔注浆方式加固近距离下穿既有盾构隧道的新隧道上方土体的方案，是无法满足既有隧道沉降和隆起控制指标要求的。现有技术也有采用管棚支撑工艺对新开挖隧道上方土体进行加固的，但由于管棚钢管的钻进，一般是采用带水成孔工艺，水体进入新开挖隧道上方土体后，更容易产生沉降，带水作业管棚的方案也不可取。若不带水直接将管棚中的钢管顶入到新开挖隧道上方土体的方案，虽然克服了水体所引起的沉降缺陷，但存在大直径钢管直接顶进土体困难的问题，特别是在既有盾构隧道的下方近距离穿越存在较大困难，此外，管棚中相邻钢管存在的间隙也会成为其上方土体沉降的诱因。
【发明内容】
[0003]本发明提供了一种近距离下穿既有盾构隧道管幕施工沉降控制系统及方法，解决了下穿既有盾构隧道时矿山法开挖段上方土体下沉控制的难题。
[0004]本发明是通过以下技术方案解决以上技术问题的:
一种近距离下穿既有盾构隧道管幕施工沉降控制系统，包括在地下设置的既有盾构隧道，在既有盾构隧道的下方设置有矿山法暗挖下穿段区间隧道，在矿山法暗挖下穿段区间隧道的左端设置有已开挖的区间人防段隧道，在区间人防段隧道的上方端头墙中设置有锁扣管幕，锁扣管幕设置在既有盾构隧道的正下方，在锁扣管幕与已开挖的区间人防段隧道的直角后背墙之间设置有钢管顶进设备，钢管顶进设备中的螺旋钻杆是设置在锁扣管幕中的锁扣管幕钢管中的，螺旋钻杆的端头顶端与锁扣管幕钢管的右端口的外端面之间的距离为10厘米，在顶进设备的出土口下方设置有计量土斗，在相邻的两个锁扣管幕钢管之间设置有锁扣，在锁扣管幕钢管的外侧壁上固定焊接有袖阀管，在袖阀管的入浆口上连接有膨润土浆液注浆机。
[0005]在袖阀管的入浆口上并连有双液注浆机。
[0006]一种近距离下穿既有盾构隧道管幕施工沉降控制方法，包括以下步骤:
第一步、在既有盾构隧道下方的准备开挖的矿山法暗挖下穿段区间隧道的左端先开挖出区间人防段隧道；
第二步、在第一根锁扣管幕钢管的外侧壁上焊接锁扣的母扣，在第二根锁扣管幕钢管的外侧壁上焊接锁扣的子扣，在每根锁扣管幕钢管的外侧壁上焊接袖阀管;在I重量份的膨润土中，加入9-11重量份的水，搅拌均匀，得到膨润土浆液，将得到的膨润土浆液装入到膨润土浆液注浆机中；
第三步、将钢管顶进设备安装在区间人防段隧道的直角后背墙上，在区间人防段隧道的上方端头墙与钢管顶进设备之间设置第一根锁扣管幕钢管，启动钢管顶进设备，将第一根锁扣管幕钢管顶入到上方端头墙前方的既有盾构隧道下方的土体中；
第四步、在第一根锁扣管幕钢管被顶入上方端头墙前方的既有盾构隧道下方的土体过程中，当钢管顶进设备的顶进压力达到20兆帕时，将第一根锁扣管幕钢管上焊接的袖阀管接到膨润土浆液注浆机上，并将膨润土浆液注入到锁扣管幕钢管的周围土体中，以降低锁扣管幕钢管在顶进过程中的摩擦阻力;在第一根锁扣管幕钢管顶入到既有盾构隧道下方土体的整个过程中，钢管顶进设备的螺旋钻杆的端头是设置在第一根锁扣管幕钢管中的，并且螺旋钻杆的端头顶端距离第一根锁扣管幕钢管的右端口的外端面10厘米;若钢管顶进设备的顶进压力再次达到20兆帕时，通过钢管顶进设备将螺旋钻杆向前推进，使螺旋钻杆的端头探出到第一锁扣管幕钢管的右端口外端面外10厘米处，达到松动锁扣管幕钢管前方土体的目的；
第五步、在已完成顶入工作的第一根锁扣管幕钢管的一侧定位第二根锁扣管幕钢管，使第二根锁扣管幕钢管的子扣与第一根锁扣管幕钢管的母扣接插在一起，启动钢管顶进设备，将第二根锁扣管幕钢管顶入到上方端头墙前方的既有盾构隧道下方的土体中，在顶入过程中重复第四步，使第二根锁扣管幕钢管顺利顶入到位；
第六步、依次将后续的锁扣管幕钢管顶入到上方端头墙前方的既有盾构隧道下方的土体中，并将相邻的两锁扣管幕钢管插接在一起，形成锁扣管幕。
[0007]本发明利用了现场的已有设备，易于操作，沉降控制效果好，具有较好的经济与社会效益。
【附图说明】
[0008]图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中A-A向剖视图。
【具体实施方式】
[0009]下面结合附图对本发明进行详细说明:
一种近距离下穿既有盾构隧道管幕施工沉降控制系统，包括在地下设置的既有盾构隧道1，在既有盾构隧道I的下方设置有矿山法暗挖下穿段区间隧道3，在矿山法暗挖下穿段区间隧道3的左端设置有已开挖的区间人防段隧道4，在区间人防段隧道4的上方端头墙5中设置有锁扣管幕，锁扣管幕设置在既有盾构隧道I的正下方，在锁扣管幕与已开挖的区间人防段隧道4的直角后背墙6之间设置有钢管顶进设备8，钢管顶进设备8中的螺旋钻杆9是设置在锁扣管幕中的锁扣管幕钢管7中的，螺旋钻杆9的端头顶端与锁扣管幕钢管7的右端口的外端面之间的距离10为10厘米，在顶进设备8的出土口下方设置有计量土斗11，在相邻的两个锁扣管幕钢管7之间设置有锁扣14，在锁扣管幕钢管7的外侧壁上固定焊接有袖阀管12，在袖阀管12的入浆口上连接有膨润土浆液注浆机13。
[0010]在袖阀管12的入浆口上并连有双液注浆机，当依次将所有的锁扣管幕钢管7顶入到上方端头墙5前方的既有盾构隧道I下方的土体中，形成锁扣管幕后，通过在锁扣管幕钢管7的外侧壁2上固定焊接袖阀管12对既有盾构隧道I的下方设置的矿山法暗挖下穿段区间隧道3上方的土体进行双液注浆，以达到固定其上方土体的目的。
[0011 ] 一种近距离下穿既有盾构隧道管幕施工沉降控制方法，包括以下步骤:
第一步、在既有盾构隧道I下方的准备开挖的矿山法暗挖下穿段区间隧道3的左端先开挖出区间人防段隧道4;
第二步、在第一根锁扣管幕钢管7的外侧壁上焊接锁扣14的母扣，在第二根锁扣管幕钢管7的外侧壁上焊接锁扣14的子扣，在每根锁扣管幕钢管7的外侧壁上焊接袖阀管12;在I重量份的膨润土中，加入9-11重量份的水，搅拌均匀，得到膨润土浆液，将得到的膨润土浆液装入到膨润土浆液注浆机13中；
第三步、将钢管顶进设备8安装在区间人防段隧道4的直角后背墙6上，在区间人防段隧道4的上方端头墙5与钢管顶进设备8之间设置第一根锁扣管幕钢管7，启动钢管顶进设备8，将第一根锁扣管幕钢管7顶入到上方端头墙5前方的既有盾构隧道I下方的土体中；
第四步、在第一根锁扣管幕钢管7被顶入上方端头墙5前方的既有盾构隧道I下方的土体过程中，当钢管顶进设备8的顶进压力达到20兆帕时，将第一根锁扣管幕钢管7上焊接的袖阀管12接到膨润土浆液注浆机13上，并将膨润土浆液注入到锁扣管幕钢管7的周围土体中，以降低锁扣管幕钢管7在顶进过程中的摩擦阻力；在第一根锁扣管幕钢管7顶入到既有盾构隧道I下方土体的整个过程中，钢管顶进设备8的螺旋钻杆9的端头是设置在第一根锁扣管幕钢管7中的，并且螺旋钻杆9的端头顶端距离第一根锁扣管幕钢管7的右端口的外端面10厘米;若钢管顶进设备8的顶进压力再次达到20兆帕时，通过钢管顶进设备8将螺旋钻杆9向前推进，使螺旋钻杆9的端头探出到第一锁扣管幕钢管7的右端口外端面外10厘米处，达到松动锁扣管幕钢管7前方土体的目的；
第五步、在已完成顶入工作的第一根锁扣管幕钢管7的一侧定位第二根锁扣管幕钢管，使第二根锁扣管幕钢管的子扣与第一根锁扣管幕钢管7的母扣接插在一起，启动钢管顶进设备8，将第二根锁扣管幕钢管顶入到上方端头墙5前方的既有盾构隧道I下方的土体中，在顶入过程中重复第四步，使第二根锁扣管幕钢管顺利顶入到位；
第六步、依次将后续的锁扣管幕钢管7顶入到上方端头墙5前方的既有盾构隧道I下方的土体中，并将相邻的两锁扣管幕钢管插接在一起，形成锁扣管幕。
[0012]由于相邻的锁扣管幕钢管是通过子母锁扣连接，使锁扣管幕钢管形成了一个封闭的锁扣管幕，起到了后续矿山法开挖过程中，对近距离下穿既有盾构隧道上方土体起到支撑的作用，达到了沉降量的有效控制，使其变形量控制在控制指标范围内。在管幕的每根锁扣管幕钢管7的施工过程中，通过注入膨润土浆液，解决了不带水顶入管幕钢管阻力大，现有设备无法完成的难题。特别是在顶入过程中，通过协调好实时对出土量和顶进压力的控制，最大限度地控制了对新建隧道上方土体影响，严格科学控制了既有盾构隧道下方扰动土体的扰动排出量，对沉降量控制起到了立竿见影的作用。
[0013]以下列出了现场钢管顶进设备8将锁扣管幕钢管7顶入上方端头墙5前方的既有盾构隧道I下方土体中时，出土量及实测的既有盾构隧道I沉降量的实施例:
实施例1:将一根外径为300毫米、长42米的锁扣管幕钢管7顶入上方端头墙5前方的既有盾构隧道I下方土体，在顶入过程中，螺旋钻杆9的端头顶端与锁扣管幕钢管7的右端口外端面之间的距离保持在10厘米，顶入的体积为3.192立方米，将锁扣管幕钢管7中的土体全部掏出到计量土斗11中，计量得到土体的体积为4.8立方米，监测得到的既有盾构隧道I的沉降量为0.6毫米；
实施例2:将一根外径为300毫米、长42米的锁扣管幕钢管7顶入上方端头墙5前方的既有盾构隧道I下方土体中，螺旋钻杆9的端头端面与锁扣管幕钢管7的右端口外端面处于同一截面中，顶入的体积3.192立方米，将锁扣管幕钢管7土体全部掏出到计量土斗11中，计量得到土体的体积为5.6立方米，监测得到的既有盾构隧道I的沉降量为1.4毫米；
实施例3:将一根外径为300毫米、长42米的锁扣管幕钢管7顶入上方端头墙5前方的既有盾构隧道I下方土体中，螺旋钻杆9的端头伸出锁扣管幕钢管7的右端口外端面外10厘米处，顶入的体积3.192立方米，将锁扣管幕钢管7土体全部掏出到计量土斗11中，计量得到土体的体积为6.8立方米，监测得到既有盾构隧道I的沉降量为2.0毫米；
实施例4:将一根外径为300毫米、长42米的锁扣管幕钢管7顶入上方端头墙5前方的既有盾构隧道I下方土体中，螺旋钻杆9的端头伸出锁扣管幕钢管7的右端口外端面外15厘米处，顶入的体积3.192立方米，将锁扣管幕钢管7土体全部掏出到计量土斗11中，计量得到土体的体积为7.5立方米，监测得到既有盾构隧道I的沉降量为2.4毫米；
经过数次实时监测得到:在保证既有盾构隧道I的沉降量不超过2.0毫米的情况下，得到螺旋钻杆9的端头端面伸出锁扣管幕钢管7的端口外侧面要小于或等于10厘米。
【主权项】
1.一种近距离下穿既有盾构隧道管幕施工沉降控制系统，包括在地下设置的既有盾构隧道(1)，在既有盾构隧道(I)的下方设置有矿山法暗挖下穿段区间隧道(3)，在矿山法暗挖下穿段区间隧道(3)的左端设置有已开挖的区间人防段隧道(4)，其特征在于，在区间人防段隧道(4)的上方端头墙(5)中设置有锁扣管幕，锁扣管幕设置在既有盾构隧道(I)的正下方，在锁扣管幕与已开挖的区间人防段隧道(4)的直角后背墙(6)之间设置有钢管顶进设备(8)，钢管顶进设备(8)中的螺旋钻杆(9)是设置在锁扣管幕中的锁扣管幕钢管(7)中的，螺旋钻杆(9)的端头顶端与锁扣管幕钢管(7)的右端口的外端面之间的距离(10)为10厘米，在顶进设备(8)的出土口下方设置有计量土斗(11)，在相邻的两个锁扣管幕钢管(7)之间设置有锁扣(14)，在锁扣管幕钢管(7)的外侧壁上固定焊接有袖阀管(12)，在袖阀管(12)的入浆口上连接有膨润土浆液注浆机(13)。2.根据权利要求1所述的一种近距离下穿既有盾构隧道管幕施工沉降控制系统，其特征在于，在袖阀管(12 )的入浆口上并连有双液注浆机。3.—种近距离下穿既有盾构隧道管幕施工沉降控制方法，包括以下步骤: 第一步、在既有盾构隧道(I)下方的准备开挖的矿山法暗挖下穿段区间隧道(3)的左端先开挖出区间人防段隧道(4); 第二步、在第一根锁扣管幕钢管(7)的外侧壁上焊接锁扣(14)的母扣，在第二根锁扣管幕钢管(7)的外侧壁上焊接锁扣(14)的子扣，在每根锁扣管幕钢管(7)的外侧壁上焊接袖阀管(12);在I重量份的膨润土中，加入9-11重量份的水，搅拌均匀，得到膨润土浆液，将得到的膨润土浆液装入到膨润土浆液注浆机(13)中； 第三步、将钢管顶进设备(8)安装在区间人防段隧道(4)的直角后背墙(6)上，在区间人防段隧道(4)的上方端头墙(5)与钢管顶进设备(8)之间设置第一根锁扣管幕钢管(7)，启动钢管顶进设备(8)，将第一根锁扣管幕钢管(7)顶入到上方端头墙(5)前方的既有盾构隧道(I)下方的土体中； 第四步、在第一根锁扣管幕钢管(7)被顶入上方端头墙(5)前方的既有盾构隧道(I)下方的土体过程中，当钢管顶进设备(8)的顶进压力达到20兆帕时，将第一根锁扣管幕钢管(7)上焊接的袖阀管(12)接到膨润土浆液注浆机(13)上，并将膨润土浆液注入到锁扣管幕钢管(7)的周围土体中，以降低锁扣管幕钢管(7)在顶进过程中的摩擦阻力；在第一根锁扣管幕钢管(7)顶入到既有盾构隧道(I)下方土体的整个过程中，钢管顶进设备(8)的螺旋钻杆(9)的端头是设置在第一根锁扣管幕钢管(7)中的，并且螺旋钻杆(9)的端头顶端距离第一根锁扣管幕钢管(7)的右端口的外端面10厘米;若钢管顶进设备(8)的顶进压力再次达到20兆帕时，通过钢管顶进设备(8)将螺旋钻杆(9)向前推进，使螺旋钻杆(9)的端头探出到第一锁扣管幕钢管(7)的右端口外端面外10厘米处，达到松动锁扣管幕钢管(7)前方土体的目的； 第五步、在已完成顶入工作的第一根锁扣管幕钢管(7)的一侧定位第二根锁扣管幕钢管(2)，使第二根锁扣管幕钢管(2)的子扣与第一根锁扣管幕钢管(7)的母扣接插在一起，启动钢管顶进设备(8)，将第二根锁扣管幕钢管(2)顶入到上方端头墙(5)前方的既有盾构隧道(I)下方的土体中，在顶入过程中重复第四步，使第二根锁扣管幕钢管(2)顺利顶入到位； 第六步、依次将后续的锁扣管幕钢管(7)顶入到上方端头墙(5)前方的既有盾构隧道(I)下方的土体中，并将相邻的两锁扣管幕钢管插接在一起，形成锁扣管幕。
【文档编号】E21D9/00GK105909259SQ201610411597
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月12日
【发明人】罗文江, 高崇, 王汉霆, 王云龙, 赵辉, 李建
【申请人】中铁十九局集团轨道交通工程有限公司