一種地鐵穿越下軟上硬軟土地層控制盾構上浮的施工方法
【專利摘要】本發明公開了一種地鐵穿越下軟上硬軟土地層控制盾構上浮的施工方法。方法具體為在盾構推進過程中，同步進行如下控制：1)向新開挖隧道和盾構殼體之間的縫隙中進行同步注漿,注入的漿液為密度大于盾構上部硬土層密度的硬性漿液；2)增加千斤頂對盾構上部的作用力和減少千斤頂對盾構下部的作用力，以調整盾構殼體位置有利于維持盾構軸線設計行進軌跡。與現有技術相比，本發明主要優點在于：先做盾構機位狀態的力學平衡分析，尋找宏觀定性控制方法；依據宏觀定性控制方法制定調整方案，并嚴格控制；調整盾構殼體位置逐漸返到盾構軸線設計行進軌跡。
【專利說明】
一種地鐵穿越下軟上硬軟土地層控制盾構上浮的施工方法
技術領域
[0001]本發明屬于施工方法領域，具體涉及一種地鐵穿越下軟上硬軟土地層控制盾構上浮的施工方法。
【背景技術】
[0002]沿海城市軟土地層分層現象較多，特別地鐵穿越下軟上硬軟土地層盾構施工容易出現上浮現象，當軟土地層分層組合不利時，通過鉛塊壓重也難以阻止盾構上浮現象，影響管片安裝和地鐵縱向線位。
[0003]而現有地鐵穿越下軟上硬軟土地層盾構施工處理方法容易忽視地層與盾構相互作用的整體力學分析，缺乏宏觀定性控制方法。例如:某中等埋深土壓平衡式盾構在區間推進過程中，出現盾構機姿態整體上浮的情況，其行進軸線軌跡如圖1所示。盾構出現上浮時，盾構掘進斷面的上半部為相對較硬的砂質粉土夾粉砂③61(標準貫入14)、砂質粉土淤泥質粉質黏土③7(標準貫入4)，下半部為相對較軟的砂質粉土淤泥質粉質黏土③7(標準貫入4)、游泥質粉質黏土⑥I(標準貫入2)。盾構機為Φ6340mm加泥式土壓平衡盾構，盾長8.0m，盾構頂部埋深為12m。
【發明內容】
[0004]為解決上述問題，本發明提出一種地鐵穿越下軟上硬軟土地層控制盾構上浮的施工方法。
[0005]現有地鐵穿越下軟上硬軟土地層盾構施工處理方法容易忽視地層與盾構相互作用的整體力學分析，缺乏宏觀定性控制方法。本發明的創新點在于通過盾構整體力學分析，第一步先做盾構機位狀態的力學平衡分析，尋找宏觀定性控制方法。本發明的理論基礎如下:
[0006]為了有利于力學分析，對千斤頂的推力簡化為盾頭頂部的FdP底部的F2t3FidPFi2為開挖面土體反力;F3為機體對機頭彈性約束力，當機頭上浮時，阻止上浮，當機頭下壓時，阻止下壓。另外，盾構還同時受到周圍土體作用力的影響，盾構重量W盾=435.5t，同體積土體重量W±=577t，兩者相差141.5t。通常盾體中，盾頭半徑略大于后方盾構殼體，因此開挖過程中，殼體與新開挖隧道內壁之間存在空隙。而軟土相對于硬土，其回淤填充速度較快。當地層上硬下軟時，由于上部土質較硬，因此上部土層相對于會延時填充上部空隙而導致阻止盾體上浮的阻力F4減少;但快速回填的盾體下部空隙卻產生了向上推力F5，最終導致盾體垂直方向上力學失衡，盾體受到的向上推力變大，逐漸上浮(如圖1所示)。
[0007]盾構機位狀態穩定平衡狀態條件有以下三個。水平方向上:
[0008]Fi+F2 = F±i+F±2(1.1)
[0009]通常在推進過程中，上式容易滿足。而在垂直方向上:
[0010]F3+F4+F5+W盾=0(1.2)
[0011]因前述的不利變形空間和壓力差W盾一Wi=— 141.5t，只有同步增加F4才能滿足(1.2)。從力矩角度看:
[0012]FiD1-F±iDi+F3D2-F2Di+F±2Di = O(1.3)
[0013]因此，只有增加Fl和減少F2才能滿足(1.3)。
[0014]在上述力學分析基礎上，第二步可制定調整方案，并嚴格控制；
[0015]一方面，利用式(1.2)的啟示，給盾構殼體同步注入密度大于上硬土層密度的硬性漿液，消除F4在(t+Δ t)中時差Δ t—Ο，其中t為盾體開挖后軟土層回填時間，Δ t為盾體開挖后硬土層和軟土層回填時間差，實現同步增加F4基本控制盾構殼體位置;另一方面，同時利用式(1.3)的啟示，增加F1和減少F2,有利于調整盾構殼體位置逐漸返到盾構軸線設計行進軌跡。
[0016]為實現上述目的，本發明具體采用如下技術方案:
[0017]地鐵穿越下軟上硬軟土地層控制盾構上浮施工方法，具體為:在盾構推進過程中，同步進行如下I)和2)的控制:
[0018]I)向新開挖隧道和盾構殼體之間的縫隙中進行同步注漿，注入的漿液為密度大于盾構上部硬土層密度的硬性漿液；
[0019]2)增加千斤頂對盾構上部的作用力和減少千斤頂對盾構下部的作用力，以調整盾構殼體位置有利于維持盾構軸線設計行進軌跡。
[0020]作為優選，所述的I)中，同步注漿過程控制參數包括注漿量和注漿壓力控制，盾構推進過程中主要以注漿量為控制指標，注漿量設為建筑空隙體積的120%?140%。
[0021 ]作為優選，盾構沿設計行進軌跡推進過程中，控制參數需滿足下述公式:
[0022]Fi+F2 = Fzhi+Fzh2
[0023]F3+F4+F5+ff/i=0
[0024]Fi Di ~F+i Di +F^D^-F^Di +F+?Oi =0
[0025]式中-F1為千斤頂對盾頭上半部的推力在盾頭頂部的簡化力，F2千斤頂對盾頭下半部的推力在盾頭底部的簡化力，F3為盾構機體對機頭彈性約束力，W盾為盾構本體重量，F4為盾體上部土層對盾體上浮的阻力，^為盾體下部土層對盾體的向上浮力，F±1為開挖面土體對盾頭上半部的反作用力在盾頭頂部的簡化力，F±2為開挖面土體對盾頭下半部的反作用力在盾頭底部的簡化力，D1為盾頭半徑，D1*盾頭水平方向的半寬。但本領域技術人員應當知道，雖然盾構機位狀態平衡分析時限定上述公式，但其并不一定要求時刻都滿足，例如盾體推進瞬間，千斤頂推力必然會大于土層反力。因此前后或瞬時偏差也應當理解為本發明保護范圍內，發明的本質是在推進過程中盡量保持水平力、垂直力和旋轉力矩的平衡。
[0026]作為優選，所述的盾構推進過程中推進速度控制在20mm/min以下。
[0027]作為優選，所述的盾構推進過程中連續監測盾體是否沿設計行進軌跡前進，當發現其產生偏離時，及時執行所述的2)，調整盾構殼體位置逐漸返到盾構軸線設計行進軌跡。
[0028]作為優選，所述的盾構推進過程中通過管片注漿孔進行二次注漿，并控制注漿壓力和注漿量，減小管片上浮，控制管片安裝質量和地鐵縱向線位。
[0029]與現有技術相比，本發明主要優點在于:先做盾構機位狀態的力學平衡分析，尋找宏觀定性控制方法;依據宏觀定性控制方法制定調整方案，并嚴格控制;調整盾構殼體位置逐漸返到盾構軸線設計行進軌跡。
【附圖說明】
[°03°]圖1是盾構行進軌跡偏移示意圖；
[0031 ]圖2是盾構機位狀態力學分析示意圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步闡述和說明。本發明中各個實施方式的技術特征在沒有相互沖突的前提下，均可進行相應組合。
[0033]地鐵穿越下軟上硬軟土地層控制盾構上浮的施工方法，步驟如下:
[0034](I)穿越前技術準備
[0035]嚴格按照盾構機制造商提供的盾構機設備保養手冊對盾構機進行檢查、維護和保養，確保盾構機處于良好的狀態。
[0036](2)穿越時盾構推進措施
[0037]在盾構推進過程中，同步進行如下控制:
[0038](2.1)加強同步注漿管理。向新開挖隧道和盾構殼體之間的縫隙中進行同步注漿，注入的漿液為密度大于盾構上部硬土層密度的硬性漿液。同步注漿過程控制參數包括注漿量和注漿壓力控制，盾構推進過程中主要以注漿量為控制指標，注漿量設為建筑空隙(即盾頭新開挖隧道壁和盾構殼體之間的縫隙)體積的120%?140%，實現同步增加F4基本控制盾構殼體位置。
[0039](2.2)推進速度和糾偏控制:此階段推進速度不宜太快，一般控制在20mm/min以下，較正常推進速度50mm/min慢。推進過程中，連續監測盾體是否沿設計行進軌跡前進，當發現其產生偏離時，及時增加千斤頂對盾構上部的作用力和減少千斤頂對盾構下部的作用力，調整盾構殼體位置逐漸返到盾構軸線設計行進軌跡。通過增加F1和減少F2，調整盾構殼體位置逐漸返到盾構軸線設計行進軌跡，但避免過多、過量的盾構糾偏，以減少盾構推進對土層的擾動，控制地表變形。
[0040]—般來說，盾構沿設計行進軌跡推進過程中，控制參數需同時滿足下述公式:
[0041]Fi+F2 = Fzhi+Fzh2
[0042]F3+F4+F5+ff/i=0
[0043]Fi Di ~F+i Di +F^D^-F^Di +F+?Oi =0
[0044]式中-F1為千斤頂對盾頭上半部的推力在盾頭頂部的簡化力，F2千斤頂對盾頭下半部的推力在盾頭底部的簡化力，F3為盾構機體對機頭彈性約束力，W盾為盾構本體重量，F4為盾體上部土層對盾體上浮的阻力，^為盾體下部土層對盾體的向上浮力，F±1為開挖面土體對盾頭上半部的反作用力在盾頭頂部的簡化力，F±2為開挖面土體對盾頭下半部的反作用力在盾頭底部的簡化力，D1為盾頭半徑，D1為盾頭水平方向的半寬。
[0045](2.3)做好管片補壓漿措施:通過管片注漿孔進行二次注漿，控制好注漿壓力和注漿量，減小管片上浮，控制管片安裝質量和地鐵縱向線位。
[0046](3)信息化施工
[0047]施工時對已安裝管片及盾構自身均嚴密進行監控量測，做到信息化施工。
[0048]沿隧道軸線縱向監測點需加密，監測點間距3m。監測頻率為每推進一環測一次，并及時將信息反饋于施工現場。當實測上浮量或上浮速率較大時，根據實際情況適當增加測點和測頻。
[0049]監測累計上浮量報警10mm，預警8mm;當累計上浮量大于報警值的60%后，日上浮量2mm報警。
[0050]每一次監測成果都及時匯總反饋，以便確定新的施工參數和注漿量等技術參數，最后通過監測確定效果，從而反復循環、驗證、完善，確保大堤安全和隧道施工質量。
[0051]以上所述的實施例只是本發明的一種較佳的方案，然其并非用以限制本發明。有關技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型。因此凡采取等同替換或等效變換的方式所獲得的技術方案，均落在本發明的保護范圍內。
【主權項】
1.一種地鐵穿越下軟上硬軟土地層控制盾構上浮的施工方法，其特征在于在盾構推進過程中，同步進行如下控制: 1)向新開挖隧道和盾構殼體之間的縫隙中進行同步注漿，注入的漿液為密度大于盾構上部硬土層密度的硬性漿液； 2)增加千斤頂對盾構上部的作用力和減少千斤頂對盾構下部的作用力，以調整盾構殼體位置有利于維持盾構軸線設計行進軌跡。2.如權利要求1所述的施工方法，其特征在于所述的I)中，同步注漿過程控制參數包括注漿量和注漿壓力控制，盾構推進過程中主要以注漿量為控制指標，注漿量設為建筑空隙體積的120%?140%。3.如權利要求1所述的施工方法，其特征在于盾構沿設計行進軌跡推進過程中，控制參數需滿足下述公式:Fi+F2 = F±1+F±2F3+F4+F5+ff/t=0FiD1-F+iDi+F^D^-F^Di+F+^Di =0 式中=F1為千斤頂對盾頭上半部的推力在盾頭頂部的簡化力，^千斤頂對盾頭下半部的推力在盾頭底部的簡化力，F3為盾構機體對機頭彈性約束力，W盾為盾構本體重量，F4為盾體上部土層對盾體上浮的阻力，^為盾體下部土層對盾體的向上浮力，Fii為開挖面土體對盾頭上半部的反作用力在盾頭頂部的簡化力，Fi2為開挖面土體對盾頭下半部的反作用力在盾頭底部的簡化力，D1為盾頭半徑，D1為盾頭水平方向的半寬。4.如權利要求1所述的施工方法，其特征在于所述的盾構推進過程中推進速度控制在20mm/min 以下。5.如權利要求1所述的施工方法，其特征在于所述的盾構推進過程中連續監測盾體是否沿設計行進軌跡前進，當發現其產生偏離時，及時執行所述的2)，調整盾構殼體位置逐漸返到盾構軸線設計行進軌跡。6.如權利要求1所述的施工方法，其特征在于所述的盾構推進過程中通過管片注漿孔進行二次注漿，并控制注漿壓力和注漿量，減小管片上浮，控制管片安裝質量和地鐵縱向線位。
【文檔編號】E21D9/00GK105952470SQ201610370293
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月27日
【發明人】朱漢華, 陳孟沖
【申請人】寧波市交通規劃設計研究院有限公司