19、小间距重叠隧道盾构法施工工艺工法

小间距重叠隧道盾构法施工工艺工法1.前言1.1 工艺工法概况根据地铁设计规范（GB50157）中“10.1.10 盾构法施工的平行隧道（“地铁设计规范-条文说明（GB50157）中“10.1.10 这里所指的平行隧道，是指在一定区段内，两座或两座以上的隧道在平面或里面平行修筑的隧道。”）间的净距，应根据工程地质条件、埋置深度、盾构类型等因素确定，且不宜小于隧道外轮廓直径。当因功能需要或其他原因不能满足上述要求时，应在设计和施工中采取必要的措施。”的规定，当两隧道之间的近距小于一倍洞径时，两隧道施工相互影响较大，尤其是在软弱地层中，因此对于软弱地质条件下重叠隧道采用盾构法施工则必须解决两个方面的关键性问题：1重叠隧道施工相互影响问题。2重叠隧道施工对地层及地面建(构)筑物二次扰动的影响问题。本工法即在软弱地质条件下，当两单线盾构隧道净距小于一倍洞径时，通过采取一定的技术措施，以保证在隧道掘进过程中确保隧道结构安全和周边环境安全的一系列施工方法，且实践证明，对于重叠隧道，在施工质量控制和施工成本方面采用“先下后上”施工顺序要优于“先上后下”。1.2 工艺原理本工法工艺原理是通过采取一定的技术措施，从加强隧道管片强度和刚度、提高夹层土体强度和减小盾构施工对周边环境扰动三个方面来解决重叠隧道施工所面临的两个关键性问题，从而保证重叠隧道施工安全和质量。2.工艺工法特点2.1通过提高管片含筋量和加强连接螺栓的措施可在不影响管片正常生产工艺前提下增强隧道管片强度和整体结构刚度，具有高效、快捷、直接的特点。2.2通过夹层土体注浆技术可在不干扰地面交通和周边环境的前提下实现提高夹层土体强度的目的，相对于地面注浆、旋喷和搅拌等加固技术具有环保、经济和加固效果可靠的特点。2.3采用轮式液压支撑台车可随盾构掘进实现对先建隧道连续不间断支撑的目的，相对于支架、钢环等固定支撑措施具有方便、快捷、连续和节省人工的特点。3.适用范围本工法适用于广深地区粉质粘土层和花岗岩全、强风化层或类似地层中，两平行或重叠隧道净距大于等于1.6m，隧道外径为6.0m，管片厚度为30cm，采用盾构法进行隧道施工。4.主要引用标准4.1盾构法隧道施工与验收规范（GB50446）4.2地下铁道工程施工及验收规范（GB50299）4.3城市轨道交通技术规范（GB50490）4.4地下防水工程质量验收规范（GBA50208）5.施工方法本工法从加强隧道管片强度和刚度、提高夹层土体强度和减小盾构施工对周边环境扰动三个方面来解决重叠隧道施工所面临的两个关键性问题，从而保证重叠隧道施工安全和质量。施工方法如下：5.1 先建隧道结构及刚度加强5.1.1螺栓加强根据模拟研究结论：“下洞管片结构内力受上洞施工影响，存在临时性和盾构及工作面前后一定范围内的局域性，经检算，受临时荷载和内力影响，纵向螺栓的抗弯、抗剪强度不足” 。对重叠隧道段管片纵、横向连接螺栓均采取加强措施：螺栓由通常设计的5.8级M24提高到8.8级M27，提高了管片螺栓的抗弯和抗剪强度，进而提高相邻管片纵向连接力和抵抗上下错动的能力。5.1.2管片加强措施根据隧道施工的相互影响分析，在盾构机掘进推力下，刀盘前方的土体发生挤压塑性变形，变形向四周扩展，当隧道净距小于3.0m时，先建隧道管片应力在土体挤压下增大，超过了常规隧道管片设计施工应力，因此需对先施工隧道管片进行加强处理，以抵消施工应力增加产生的影响。因此对重叠隧道的管片进行必要的设计调整，主要措施为增大管片含筋量，下行隧道(右线)管片钢筋含量宜由常规设计的152kg/m3提高到227kg/m3，上行隧道(左线)从152kg/m3提高到204kg/m3，增加的途径是原管片纵向钢筋10加大至14。该项措施通过模拟和计算确定，满足设计要求。5.1.3 自行式轮式液压支撑台车支撑措施1理论分析根据模拟分析结论，重叠隧道在施工阶段的所要解决的主要矛盾就是在上行隧道施工过程中，对下行隧道设置临时支撑，且临时支撑体系必须满足以下三个要求：1）抵抗上行隧道施工过程中，盾体下方下行隧道管片环缝之间的因垂直错动产生的剪力。 2）提高下行隧道纵向刚度，减小下行隧道垂直弯曲变形。 3）下行隧道影响范围（24m）内的支撑不能卸力，必须提供持续支撑。 根据上述要求建立支撑模型如图： 图1 支撑体系模型 图2 支撑体系与管片的关系2支撑台车支撑原理自行式轮式液压支撑台车工作原理如下图所示。 图3 先下后上支撑示意图 图4 先上后下支撑示意图3 自行式轮式液压支撑台车支撑特点1）满足对下洞的支撑要求。2）可提前对管片施加一定的预顶力（10kN），使支撑与管片紧密接触，防止因支撑不到位导致管片发生错动。3）可利用盾构施工运输轨道自行行走，与后施工隧道盾构机实现同步前进，实现长距离重叠隧道施工过程中连续不间断提供支撑力。4）支撑台车的移动速度最大10cm/min，高于盾构掘进速度，可实现快速施工。5.2 夹层土体加固5.2.1 地层加固方案针对重叠隧道上部地面为繁华地段，或重叠隧道大部分位于建筑物下方，或由于地面交通繁忙，难以进行地面垂直加固情况下，隧道夹层土体加固均采用洞内注浆的方法。重叠隧道管片增设预留注浆孔，将钢花管从注浆孔处插入土体，对土体进行注浆加固。 图5 管片增加注浆预留孔图图6 32钢花管大样图图7 重叠隧道夹土体加固图图 图8 近接重叠隧道夹土体加固图5.2.2 夹土体加固施工1 加固要求：重叠隧道上下洞间所夹地层为残积层和全风化花岗片麻岩层；应对上下洞间所夹土体进行注浆加固处理。具体为：在下洞掘进过程中，应首先加大同步注浆量和注浆压力，以保证盾尾的土体与管片空隙及相邻土体的密实性；在二次注浆孔中设置一定长度的注浆管，深入地层中，通过注浆管向上下洞间所夹土体进行注浆，以提高夹土体的强度，浆液采用水泥-水玻璃双液浆（浆液配合比1：1；水泥浆水灰比1：1，水玻璃模数m=2.6，浓度Be'=35），要求加固后的土体无侧限抗压强度不小于0.4MPa。在上洞施工中也应加大同步注浆和二次注浆量，并采用同样的方式向洞间所夹土体进行注浆。实际施工中由于采用双液浆，浆液扩散难度大，注浆量难以达到设计要求，最后双液浆改为单液浆（水泥:水1:1）。2 加固施工顺序：“先下后上”施工顺序夹土体加固施工顺序见图9图12。“先上后下”施工顺序夹土体加固施工顺序与“先下后上”相反。图9 第一阶段：先施工下行隧道 图10 第二阶段：从下洞对夹土体注浆加固图11 第三阶段：施工上行隧道图12 第四阶段：从上洞对夹土体注浆加固5.2.3 夹土体加固效果检查对夹层土体加固效果的检查主要采用地质雷达来检查加固的密实度和均匀性，辅以一定数量的钻孔取芯进行试验验证。地质雷达检测为全覆盖，取芯检测频率为1断面/50环，每个断面取3个孔。5.3 盾构施工控制5.3.1 “先下后上”施工顺序下盾构掘进施工参数盾构掘进参数 ：土仓压力：0.72.1bar（根据覆土厚度及信息反馈确定）；转 速：1.01.1/rpm；刀具贯入量：2030 mm/r左右；扭 矩：9001000 kN·m(过重要建筑物加固段曾达到1800 kN·m)；总 推 力：9000 12000 kN （过重要建筑物加固段达到1700023000kN）。理论排土量：46.4m3/环；同步注浆压力：0.35MPa；同步注浆量：5.3m3/环。二次注浆压力：0.50MPa；二次注浆量：1.6m3/环。5.3.2 “先上后下”施工顺序下盾构掘进施工参数盾构掘进参数 ：土仓压力：1.92.2bar（根据覆土厚度及信息反馈确定） ；转 速：1.01.1/rpm；刀具贯入量：2030 mm/r左右；扭 矩：9001000 kN·m（过重要建筑物加固段曾达到1800 kN·m）；总 推 力：900012000 kN（过重要建筑物加固段达到1700023000kN）。理论排土量：46.4m3/环；同步注浆压力：0.35MPa；同步注浆量：5.3m3/环。二次注浆压力：0.50MPa；二次注浆量：1.6m3/环。5.3.3 施工对比通过参数对比可知，重叠隧道施工采用“先下后上”和“先上后下”两种不同的施工顺序，盾构控制措施最大的区别在于土仓压力不同，其本质是由于盾构埋深不同因而其仓压有所不同。但在两种施工顺序下盾构施工均要遵循如下规律：连续、匀速、平稳、均衡掘进。6.工艺流程及操作要点6.1 施工工艺流程根据5.3.3，本工艺流程以“先下后上”施工顺序为主。施工下行隧道下行隧道贯通重叠隧道施工准备下行隧道洞内夹土体注浆支撑台车进入下行隧道施工上行隧道上行隧道洞内夹土体注浆上行隧道贯通支撑台车拉出下行隧道重叠隧道施工完毕图13 重叠隧道施工工艺流程6.2 操作要点6.2.1 先建隧道结构及刚度加强1 管片连接螺栓加强1）定期进行连接螺栓强度检测，确保连接螺栓实际强度符合设计要求。2）严格按照频率进行连接螺栓形状及外观检查，确保符合设计要求。2 管片加强1） 对管片钢筋网片进行不定期抽检，确保管片含筋量符合设计要求。2） 定期对管片混凝土强度进行检测，确保混凝土强度符合设计要求。3） 加强管片混凝土振捣及养护（蒸养和水养）管理，严控混凝土施工质量。3 液压支撑台车支撑施工1）加强隧道支撑移动的组织管理，成立专门的重叠隧道支撑体系操作班，轮式台车支撑体系随盾构掘进分两班作业，每班4人（支撑油缸操作手1人、前进油缸操作手1人、操作工人2人），整个操作班由支撑油缸操作手负责日常管理。2）重叠隧道上洞隧道盾构队管理人员负责对轮式支撑台车的移动及位置下具体指令。上洞隧道盾构机操作室必须与移动台车随时保持相互联系，如其中之一出现故障，则支撑台车及上洞盾构机必须停止向前推进，直至相互确认故障排除后方可恢复掘进和推进。3）支撑台车位于上洞隧道盾构机刀盘前7环后8环位置处，并随上洞隧道盾构掘进同步不卸力向前移动。4）在支撑台车移动过程中，如果整车推进不能实现时，则必须采用单车组移动方式，每循环次台车可向前移动400mm，每循环次所用时间不得多于20分钟，具体单车组移动方式如下图。图14 液压支撑台车循环移动示意图5）每组支撑油缸的初始压力表值设定为3MPa，最大不超过5MPa。6）左线盾构机与支撑台车之间的通信必须时刻保持畅通，如一方通信出现故障时，首先应立即派人通知另一方，然后立即联系项目部进行维修。故障未排除之前，支撑台车及左线盾构机禁止向前推进。7）支撑台车操作人员加强对支撑台车的维护保养，在台车移动过程中注意及时清除前方障碍物，对破损的轮子要及时更换，对漏油的油管进行及时处理，一旦台车掉道，要及时对其进行复位，支撑台车上必须常备10吨手压千斤顶、1吨倒链、19、22、36的开口扳手及450的活动扳手至少各一把。8）液压支撑台车在支撑过程中要认真监视液压表读数变化和各个千斤顶工作状态，如果某个油缸出现漏油等卸载情况，则应立即关闭该油缸进、出油路阀门，立即电话通知左线盾构机停止掘进，直至故障排除后方能恢复掘进。6.2.2 夹层土体注浆加固1 施工前，加工出长度1.2米的钢花管，花管一头削减，一头套丝。将注浆