軟硬不均地層土壓平衡盾構(gòu)隧道下穿鐵路既有線施工方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種軟硬不均地層土壓平衡盾構(gòu)隧道下穿鐵路既有線施工方法，具體步驟是：1.下穿工況數(shù)學(xué)模擬分析；2.設(shè)置施工參數(shù)；3.盾構(gòu)掘進(jìn)施工：A掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定；B.盾構(gòu)掘進(jìn)方向設(shè)定；C.同步注漿設(shè)定；D.二次注漿設(shè)定；4.管片拼裝；5.盾尾保護(hù)。本發(fā)明研究了軟硬不均地層土壓平衡盾構(gòu)隧道下穿鐵路既有線施工方法，該方法能使鐵路既有線安全運營的同時盾構(gòu)隧道安全施工并下穿鐵路既有線。
【專利說明】軟硬不均地層土壓平衡盾構(gòu)隧道下穿鐵路既有線施工方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種盾構(gòu)隧道施工方法，尤其是一種軟硬不均地層土壓平衡盾構(gòu)隧道 下穿鐵路既有線施工方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國的經(jīng)濟快速發(fā)展和城市化步伐的日趨加快，高速鐵路、城際鐵路以及城 市地下鐵路的建設(shè)日益加快，特別是地下軌道交通的建設(shè)迅猛發(fā)展，有效的緩解了城市交 通擁堵，提升了城市現(xiàn)代化水平。據(jù)統(tǒng)計，截至2011年3月，我國軌道交通運營里程達(dá)到 1417公里，"十二五"期間將建近90條地鐵線路，總里程為2500公里左右。中國已經(jīng)成為 大直徑長距離盾構(gòu)隧道工程的建設(shè)強國。
[0003] 地下軌道交通的施工過程中，不可避免的遇到線路之間的交叉、換乘等現(xiàn)象，以及 新建鐵路臨近并下穿既有鐵路施工誘發(fā)一系列的新問題，直接關(guān)系到既有鐵路線的正常運 營和新建鐵路的施工安全。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種軟硬不均地層土 壓平衡盾構(gòu)隧道下穿鐵路既有線施工方法，確保鐵路既有線安全運營的同時盾構(gòu)隧道安全 施工并下穿鐵路既有線。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
[0006] 一種軟硬不均地層土壓平衡盾構(gòu)隧道下穿鐵路既有線施工方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1對軟硬不均地層土壓平衡盾構(gòu)隧道下穿鐵路的工況進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬分析；
[0008] 步驟2.根據(jù)步驟1得到的數(shù)學(xué)模擬結(jié)果及檢測數(shù)據(jù)，設(shè)置施工參數(shù)，包括設(shè)定盾 構(gòu)機的掘進(jìn)參數(shù)；設(shè)定盾構(gòu)機的掘進(jìn)方向；在盾構(gòu)機支護(hù)的同時對機體與圍巖間的空間進(jìn) 行注漿；根據(jù)注漿效果檢測，選擇缺陷區(qū)域周邊的注漿孔作為二次注漿的點位進(jìn)行注漿。
[0009] 步驟3按照步驟2的施工參數(shù)，利用盾構(gòu)機掘進(jìn)施工；在施工過程中不斷向盾構(gòu)機 的土倉內(nèi)注入水和泡沫；
[0010] 添加水量以土體達(dá)到液性指數(shù)= 〇. 5為標(biāo)準(zhǔn)，即：
[0011]Il =(W-Wp)/(Wl-Wp)，W=IL*(Wl-Wp)+Wp,ΔW=W-W1;
[0012] 式中&為掌子面土體液限，Wp為掌子面土體塑限，W1為掌子面土體實測含水率，w 為理論加水量；Aw為實際加水量；
[0013] 泡沫的注入量取300?600L/m3 ;
[0014] 步驟4利用盾構(gòu)機在隧道內(nèi)進(jìn)行管片拼裝，實現(xiàn)對隧道的支護(hù)；
[0015] 步驟5對盾構(gòu)機的尾部進(jìn)行保護(hù)。
[0016] 所述的步驟1的具體過程如下：
[0017] 以進(jìn)口工作井至下穿鐵路既有線區(qū)段作為試驗段，利用MIDAS/GTS軟件建立盾構(gòu) 隧道開挖三維有限元模型進(jìn)行計算分析，并根據(jù)試驗段監(jiān)測數(shù)據(jù)對擬穿越鐵路的各項盾構(gòu) 推進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)校，驗證下穿時各項施工參數(shù)；
[0018] 所述的步驟2的盾構(gòu)機的掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)定包括：
[0019] (1)掘進(jìn)速度設(shè)定
[0020] 盾構(gòu)機下穿過程中，掘進(jìn)速度控制在30?35mm/min;
[0021] (2) 土倉壓力設(shè)定
[0022] 按照實際需要，通過調(diào)整排土量和掘進(jìn)速度兩種方法控制土倉壓力；
[0023] (3)刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)定
[0024] 刀盤轉(zhuǎn)速控制在0· 75rpm?Irpm;
[0025] 所述的步驟2中盾構(gòu)機的掘進(jìn)方向的設(shè)定方法如下：
[0026] (1)采用VMT自動導(dǎo)向系統(tǒng)和人工測量輔助進(jìn)行盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測；
[0027] (2)通過分區(qū)操作盾構(gòu)機的推進(jìn)油缸來控制掘進(jìn)方向。
[0028] 在上坡段掘進(jìn)時，加大盾構(gòu)機下部油缸的推力和速度，掘進(jìn)線路高于設(shè)計線路 10?20mm;在急彎和變坡段，利用盾構(gòu)機的仿形刀進(jìn)行局部超挖來糾偏；當(dāng)盾構(gòu)機滾角過 大時，采用盾構(gòu)刀盤反轉(zhuǎn)的方法糾正滾動偏差。
[0029] 所述的在盾構(gòu)機支護(hù)的同時對機體與圍巖間的空間進(jìn)行注漿，步驟如下：
[0030] (1)注漿量的設(shè)定
[0031] 注漿量控制在11. 12?15. 39m3之間；
[0032] (2)注漿壓力的設(shè)定
[0033] 注漿壓力按照該注漿點位置處靜水土壓力與注漿管壓力損失之和計算，根據(jù)現(xiàn)場 實測數(shù)據(jù)，注漿管壓力損失取I. 2bar。
[0034] (3)漿液配比
[0035] 盾構(gòu)機下穿施工過程中，采用同步注漿漿液為主，膨潤土潤滑漿液為輔，兩者相結(jié) 合的方式實現(xiàn)同步注漿；每一注漿段首先采用注入同步注漿漿液獲得早期強度，保證良好 的注漿效果；最后IOcm時注入膨潤土潤滑漿液進(jìn)行洗管，以防砂漿管堵管；其中膨潤土潤 滑漿液按照配合比水：膨潤土 = 8 :1進(jìn)行配比，注入量為1?2m3。
[0036] 所述的步驟2中根據(jù)注漿效果檢測，選擇缺陷區(qū)域周邊的注漿孔作為二次注漿的 點位進(jìn)行注漿，具體過程如下：
[0037] (1)同步注漿效果檢測
[0038] 同步注漿完成3天后，采用SIR-3000型探地雷達(dá)進(jìn)行隧道注漿效果進(jìn)行檢測，針 對注漿不充盈的區(qū)域采取二次注漿進(jìn)行補強；
[0039] (2)二次注漿
[0040] 根據(jù)同步注漿效果檢測，選擇缺陷區(qū)域周邊的4個注漿孔作為二次注漿的點位進(jìn) 行注漿；二次注漿采用水泥漿+水玻璃組成的雙液漿，注漿壓力控制在比該位置水土壓力 增加 〇. 2 ?0. 5bar。
[0041] 所述的步驟4的具體過程如下：
[0042] 管片拼裝按照以下步驟：
[0043] 設(shè)備檢查一管片吊放一喂片一夾取管片一初定位置一精確定位一千斤頂頂住一 螺栓緊固一質(zhì)量檢查。
[0044] 所述的步驟5的具體過程如下：
[0045] (1)每環(huán)管片測量3次盾尾間隙，根據(jù)測量情況及時調(diào)整盾構(gòu)機姿態(tài)，控制盾構(gòu)機 姿態(tài)（±50mm)和盾尾間隙（大于30mm)。
[0046] (2)壁后注漿，注漿壓力控制在5bar以下。
[0047] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0048] 本發(fā)明通過對現(xiàn)場工況進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬分析確定合理的施工參數(shù)來指導(dǎo)施工，合理 控制軟硬不均地層施工沉降量，實現(xiàn)了安全下穿既有線鐵路和盾構(gòu)隧道安全施工。
[0049] 由于工程采用土壓平衡盾構(gòu)施工，穿越段地質(zhì)為泥質(zhì)粉砂巖，為使進(jìn)入土倉的渣 土具有較好的流動性，降低渣土的粘度和土倉內(nèi)的溫度，及時向土倉內(nèi)注入一定量的水和 泡沫，防止因形成泥餅和刀具磨損影響掘進(jìn)速度而增加鐵路沉降風(fēng)險。添加水量以土體達(dá) 到液性指數(shù)Il = 〇· 5 為標(biāo)準(zhǔn)，即Il = (w-wp)/(wL-wp)，w=IL*(wL_wp)+wp，Aw=Wi1。（式 中I為掌子面土體液限，wp為掌子面土體塑限，W1為掌子面土體實測含水率）；泡沫的注入 量取 300 ?600L/m3。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0050] 圖1是同步注漿流程圖；

【具體實施方式】
[0051] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0052] 工程實例：
[0053] 一、工程概況：
[0054] 長株潭城際鐵路綜合II標(biāo)樹木嶺隧道自長沙火車站附近出發(fā)，過人民中路 開始進(jìn)入地下，平行于京廣線南行。樹木嶺隧道進(jìn)口工作井-香樟路站盾構(gòu)區(qū)間里程 DK1+800?DK6+562,全長4762m，區(qū)間為左右雙線，采用兩臺Φ9. 33m的土壓平衡盾構(gòu)從 進(jìn)口工作井始發(fā)后平行掘進(jìn)，左、右線盾構(gòu)推進(jìn)施工中均5次下穿京廣鐵路。以隧道右線 YDK1+810. 42-YDK2+295. 86段為例，下穿區(qū)段為軟弱不均地層，隧道埋深為6. 45?19. 25m。 該段地質(zhì)結(jié)構(gòu)為頂層人工填土，層厚3?8. 5m，其下為硬塑狀粉質(zhì)黏土，層厚3m?7m，粘性 土下為圓碌土，層厚1. 5?6m，下伏基巖為泥質(zhì)粉砂巖，強風(fēng)化層厚1?6. 5m，地下水位埋 深約4. 2m。
[0055] 二、工程難點
[0056] 車流密集的京廣鐵路是國家南北交通大動脈，工程左、右線各5次穿越京廣鐵路 段，如何保證京廣鐵路沉降滿足要求，確保鐵路既有線安全運營及隧道安全施工是工程的 重難點。
[0057] 三、施工方案
[0058] 1.下穿工況數(shù)學(xué)模擬分析
[0059] 以進(jìn)口工作井至下穿鐵路既有線區(qū)段作為試驗段，采用abaqus有限元計算軟件 建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算分析，并根據(jù)試驗段監(jiān)測數(shù)據(jù)對擬穿越鐵路的各項盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)進(jìn) 行調(diào)校，驗證下穿時各項施工參數(shù)。
[0060] 2.施工技術(shù)措施
[0061] (1)掘進(jìn)速度設(shè)定
[0062] 盾構(gòu)下穿過程中，掘進(jìn)速度控制在30?35mm/min，確保不因掘進(jìn)速度過快造成土 倉壓力波動和掘進(jìn)速度過慢造成土層收斂時間過長兩種情況導(dǎo)致下穿區(qū)產(chǎn)生地表沉降，影 響鐵路既有線運營安全。
[0063] (2) 土倉壓力設(shè)定
[0064] 土倉壓力通過調(diào)整排土量和掘進(jìn)速度兩種方法控制。盾構(gòu)開始掘進(jìn)時首先打開泡 沫注入系統(tǒng)進(jìn)行渣土改良，其次調(diào)整盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)速，使刀盤達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，再次緩緩增加千 斤頂?shù)挠蛪?，上部、中部、下部油壓差控制?0bar左右，用于平衡盾構(gòu)前體和刀盤的重力， 防止盾構(gòu)低頭，當(dāng)土倉壓力慢慢升高到設(shè)計壓力時開始出土。當(dāng)土倉壓力低于設(shè)定壓力時， 螺旋機轉(zhuǎn)速調(diào)低，減小出土量，使土倉壓力提高，當(dāng)土倉壓力高于設(shè)定壓力時，螺旋機轉(zhuǎn)速 提高，增加出土量，正常掘進(jìn)階段螺旋機轉(zhuǎn)速調(diào)整量不宜過大，防止土倉壓力上下波動值過 大，對掌子面地層產(chǎn)生擾動，從而引起地面沉降。
[0065] (3)刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)定
[0066] 刀盤轉(zhuǎn)速控制在0. 75rpm?Irpm,保證刀具在正常切削土體的前提下不因轉(zhuǎn)速過 快或者過慢導(dǎo)致刀具的額外磨損。
[0067] (4)盾構(gòu)掘進(jìn)方向控制
[0068] 采用VMT自動導(dǎo)向系統(tǒng)和人工測量輔助進(jìn)行盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測并通過分區(qū)操作盾構(gòu) 機的推進(jìn)油缸來控制掘進(jìn)方向。在上坡段掘進(jìn)時，適當(dāng)加大盾構(gòu)機下部油缸的推力和速度， 盾構(gòu)掘進(jìn)線路高于設(shè)計線路10?20mm;在急彎和變坡段，利用盾構(gòu)機的仿形刀進(jìn)行局部超 挖來糾偏；當(dāng)盾構(gòu)機滾角過大時，需采用盾構(gòu)刀盤反轉(zhuǎn)的方法糾正滾動偏差。
[0069] 掘進(jìn)方向控制及糾偏滿足如下要求：
[0070] a在切換刀盤轉(zhuǎn)動方向時，保留適當(dāng)?shù)臅r間間隔，并保證切換速度不會過快，切換 速度過快可能造成管片受力狀態(tài)突變，而使管片損壞；
[0071] b根據(jù)掌子面地層情況應(yīng)及時調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，調(diào)整掘進(jìn)方向時應(yīng)設(shè)置警戒值與限 制值，達(dá)到警戒值時實行糾偏程序。
[0072] c蛇行修正及糾偏時緩慢進(jìn)行，如修正過程過急，蛇行反而更加明顯。在直線推進(jìn) 的情況下，始終注意到盾構(gòu)前行的趨勢，保證盾構(gòu)趨勢始終處于抬頭，即坡度值為正，這樣 有利于控制盾構(gòu)姿態(tài)；
[0073] d推進(jìn)油缸油壓的調(diào)整不宜過快、過大，否則可能造成管片局部破損甚至開裂，也 會對盾構(gòu)本身有一定的影響。
[0074] e工序循環(huán)時間控制：按照平均每循環(huán)120min進(jìn)行控制，設(shè)備保養(yǎng)時間I. 5h/班， 與施工同步進(jìn)行。
[0075] 3.同步注漿
[0076] (1)注漿量
[0077] 工程穿越地層為裂隙發(fā)育基巖，注漿量按理論建筑空隙的130%?180%控制，注 漿量控制在11. 12?15. 39m3之間；
[0078] (2)注漿壓力
[0079] 注漿壓力按照該注漿點位置處靜水土壓力與注漿管壓力損失之和計算，根據(jù)現(xiàn)場 實測數(shù)據(jù)，注漿管壓力損失取I. 2bar。
[0080] (3)漿液配比
[0081] 盾構(gòu)下穿施工過程中，采用同步注漿漿液為主，膨潤土潤滑漿液為輔，兩者相結(jié)合 的方式實現(xiàn)同步注漿。
[0082] ①同步注漿漿液配比
[0083] 同步注漿漿液配比如下表所示：
[0084]

【權(quán)利要求】
1. 一種軟硬不均地層土壓平衡盾構(gòu)隧道下穿鐵路既有線施工方法，其特征在于：具體 步驟如下： 步驟1對軟硬不均地層土壓平衡盾構(gòu)隧道下穿鐵路的工況進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬分析； 步驟2.根據(jù)步驟1得到的數(shù)學(xué)模擬結(jié)果及檢測數(shù)據(jù)，設(shè)置施工參數(shù)，包括設(shè)定盾構(gòu)機 的掘進(jìn)參數(shù)；設(shè)定盾構(gòu)機的掘進(jìn)方向；在盾構(gòu)機支護(hù)的同時對機體與圍巖間的空間進(jìn)行注 漿；根據(jù)注漿效果檢測，選擇缺陷區(qū)域周邊的注漿孔作為二次注漿的點位進(jìn)行注漿。 步驟3按照步驟2的施工參數(shù)，利用盾構(gòu)機掘進(jìn)施工；在施工過程中不斷向盾構(gòu)機的土 倉內(nèi)注入水和泡沫；添加水量以土體達(dá)到液性指數(shù)= 0. 5為標(biāo)準(zhǔn)，即： IL = (w~wp) / (wL-wp), w = IL* (wL-wp) +wp, Δ w = w-Wj ； 式中l(wèi)為掌子面土體液限，wp為掌子面土體塑限，Wl為掌子面土體實測含水率，w為理 論加水量；Aw為實際加水量； 泡沫的注入量取300?600L/m3 ; 步驟4利用盾構(gòu)機在隧道內(nèi)進(jìn)行管片拼裝，實現(xiàn)對隧道的支護(hù)； 步驟5對盾構(gòu)機的尾部進(jìn)行保護(hù)。
2. 如權(quán)利要求1所述的軟硬不均地層土壓平衡盾構(gòu)隧道下穿鐵路既有線施工方法，其 特征在于，所述的步驟1的具體過程如下： 以進(jìn)口工作井至下穿鐵路既有線區(qū)段作為試驗段，利用MIDAS/GTS軟件建立盾構(gòu)隧道 開挖三維有限元模型進(jìn)行計算分析，并根據(jù)試驗段監(jiān)測數(shù)據(jù)對擬穿越鐵路的各項盾構(gòu)推進(jìn) 參數(shù)進(jìn)行調(diào)校，驗證下穿時各項施工參數(shù)。
3. 如權(quán)利要求1所述的軟硬不均地層土壓平衡盾構(gòu)隧道下穿鐵路既有線施工方法，其 特征在于，所述的步驟2的盾構(gòu)機的掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)定包括： (1) 掘進(jìn)速度設(shè)定 盾構(gòu)機下穿過程中，掘進(jìn)速度控制在30?35mm/min ; (2) 土倉壓力設(shè)定 通過調(diào)整排土量和掘進(jìn)速度兩種方法控制土倉壓力； (3) 刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)定 刀盤轉(zhuǎn)速控制在〇· 75rpm?lrpm。
4. 如權(quán)利要求1所述的軟硬不均地層土壓平衡盾構(gòu)隧道下穿鐵路既有線施工方法，其 特征在于，所述的步驟2中盾構(gòu)機的掘進(jìn)方向的設(shè)定方法如下： (1) 采用VMT自動導(dǎo)向系統(tǒng)和人工測量輔助進(jìn)行盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測； (2) 通過分區(qū)操作盾構(gòu)機的推進(jìn)油缸來控制掘進(jìn)方向。 在上坡段掘進(jìn)時，加大盾構(gòu)機下部油缸的推力和速度，掘進(jìn)線路高于設(shè)計線路10? 20mm ;在急彎和變坡段，利用盾構(gòu)機的仿形刀進(jìn)行局部超挖來糾偏；當(dāng)盾構(gòu)機滾角過大時， 采用盾構(gòu)刀盤反轉(zhuǎn)的方法糾正滾動偏差。
5. 如權(quán)利要求4所述的軟硬不均地層土壓平衡盾構(gòu)隧道下穿鐵路既有線施工方法，其 特征在于，所述的在盾構(gòu)機支護(hù)的同時對機體與圍巖間的空間進(jìn)行注漿，步驟如下： (1) 注漿量的設(shè)定 注漿量控制在11. 12?15. 39m3之間； (2) 注漿壓力的設(shè)定 注漿壓力按照該注漿點位置處靜水土壓力與注漿管壓力損失之和計算，根據(jù)現(xiàn)場實測 數(shù)據(jù)，注漿管壓力損失取L 2bar。 (3)漿液配比 盾構(gòu)機下穿施工過程中，采用同步注漿漿液為主，膨潤土潤滑漿液為輔，兩者相結(jié)合的 方式實現(xiàn)同步注漿；每一注漿段首先采用注入同步注漿漿液獲得早期強度，保證良好的注 漿效果；最后l〇cm時注入膨潤土潤滑漿液進(jìn)行洗管，以防砂漿管堵管；其中膨潤土潤滑漿 液按照配合比水：膨潤土 = 8 :1進(jìn)行配比，注入量為1?2m3。
6. 如權(quán)利要求4所述的軟硬不均地層土壓平衡盾構(gòu)隧道下穿鐵路既有線施工方法，其 特征在于：所述的步驟2中根據(jù)注漿效果檢測，選擇缺陷區(qū)域周邊的注漿孔作為二次注漿 的點位進(jìn)行注漿，具體過程如下： (1) 同步注漿效果檢測 同步注漿完成3天后，采用SIR-3000型探地雷達(dá)進(jìn)行隧道注漿效果進(jìn)行檢測，針對注 漿不充盈的區(qū)域采取二次注漿進(jìn)行補強； (2) 二次注漿 根據(jù)同步注漿效果檢測，選擇缺陷區(qū)域周邊的4個注漿孔作為二次注漿的點位進(jìn)行注 漿；二次注漿采用水泥漿+水玻璃組成的雙液漿，注漿壓力控制在比該位置水土壓力增加 0. 2 ?0. 5bar。
7. 如權(quán)利要求1所述的軟硬不均地層土壓平衡盾構(gòu)隧道下穿鐵路既有線施工方法，其 特征在于，所述的步驟4的具體過程如下： 管片拼裝按照以下步驟：設(shè)備檢查一管片吊放一喂片一夾取管片一初定位置一精確定 位一千斤頂頂住一螺栓緊固一質(zhì)量檢查。
8. 如權(quán)利要求1所述的軟硬不均地層土壓平衡盾構(gòu)隧道下穿鐵路既有線施工方法，其 特征在于，所述的步驟5的具體過程如下： (5-1)每環(huán)測量3次盾尾間隙，根據(jù)測量情況及時調(diào)整盾構(gòu)機姿態(tài)，控制盾構(gòu)機姿態(tài)和 盾尾間隙； (5-2)壁后注漿注漿壓力控制在5bar以下。
【文檔編號】E21D11/00GK104265307SQ201410408836
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年8月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月19日
【發(fā)明者】李術(shù)才, 宋曙光, 丁萬濤, 陳誠, 李利平, 石少帥, 王旌, 周宗青 申請人:山東大學(xué)