一种盾构区间连续下穿大直径输水管线的施工方法与流程

1.本发明提供一种盾构下穿大直径输水管线施工领域，具体是一种盾构区间连续下穿大直径输水管线的施工方法。


背景技术：

2.地铁是在城市中修建的快速、大运量、用电力牵引的轨道交通，列车在全封闭的线路上运行，位于中心城区的线路基本设在地下隧道内，现有技术中修建地铁隧道通常是采用盾构法，由于发展成熟的城市主干道路下方管线布设错综复杂，地铁施工过程中盾构机下穿管线是不可避免的，特别是在富水松软地层中盾构掘进，地表沉降难以控制，对管线的破坏尤为严重。
3.随着我国城市地铁的发展，地质与环境条件越来越复杂，地铁盾构区间经常会遇到连续近距离下穿大直径输水管线的问题，由于两根大直径输水管线距离较近，盾构隧道近距离下穿管线时，对于管线沉降要求控制高，盾构施工难度大，且工后易沉降；但是，在下穿过程中一旦管线出现沉降或差异沉降超过预警值，管线无法使用、停水影响用水城市的生产及居民生活，将会造成不可估量的经济损失。而且，在大直径输水管线的施工过程中，还会存在输水管线检修井，如果遇到盾构下穿管线区域存在检修井时，其施工风险更大。为保障城市轨道交通盾构区间下穿安全，需研究一种盾构区间连续下穿大直径输水管线的施工方法，将对于后续地铁盾构区间下穿输水管线的沉降控制具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明根据现有技术的不足提供一种盾构区间连续下穿大直径输水管线的施工方法。该施工方法可以解决盾构区间近距离下穿输水管线引起的沉降和差异沉降；有效的控制了大直径输水管线检查井的不均匀沉降；通过对盾构掘进过程同步注浆和盾体注浆浆液的改良，减少了输水管线在盾体上方产生的沉降。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种盾构区间连续下穿大直径输水管线的施工方法，其特征在于：所述施工方法主要针对大直径盾构区间连续下穿至少两根大直径输水管线的施工，该下穿区域设有输水管线的检修井，所述施工方法具体包括以下施工步骤：
6.(1)通过地质勘察确定盾构区间左右线下穿两根输水管线的范围、以及盾构区间与两根输水管线之间的距离，针对盾构区间左右线下穿至少两根输水管线区域设计加固方案，其加固包括注浆加固和管棚加固，并确定管棚竖井的施工位置；
7.(2)针对盾构区间左右线下穿输水管线范围及检修井周围通过布设注浆袖阀管从地面进行袖阀管注浆加固，且在布设注浆袖阀管时沿着每根待穿输水管线长度范围靠近输水管线两侧的位置斜向布设预留袖阀管，同一输水管线两侧的预留袖阀管均从地面向输水管底部倾斜并相交于盾构区域顶部；所述袖阀管注浆加固的注浆浆液为水泥浆，注浆压力为0.3～0.8mpa；盾构区间左右线下穿输水管线范围内的袖阀管注浆加固平面宽度为每侧
隧道中心线两侧各9～10m，加固长度为待穿输水管线边缘外侧6～7m，加固高度为盾构区间顶部至输水管线1/2高度以上范围，所述检查井周围袖阀管注浆平面加固范围为结构外轮廓至少2m范围内，加固高度为盾构区间顶部至井口位置；
8.(3)针对管棚竖井施工范围采用旋喷注浆加固，其平面加固范围为管棚竖井外轮廓以外至少1.5m，加固高度为待穿输水管线顶部至管棚竖井井底以下；
9.(4)在步骤(2)和步骤(3)中的注浆加固完成后，采用倒挂井壁法施工管棚竖井；所述管棚竖井的井底位于盾构区间顶部以下，其井底采用素混凝土回填300～450mm，在管棚竖井施工过程中针对管棚竖井的井壁进行加固；
10.(5)在步骤(4)的管棚竖井施工完成后，从管棚竖井的侧壁朝向待穿输水管线与盾构区间之间的区域打设管棚，所述管棚的长度覆盖至少两根待穿输水管线；待管棚施工完成后，将侵入到盾构区间的竖井支护结构拆除，并将管棚竖井粉质粘土分层压实回填至地面；
11.(6)开始对盾构下穿区域的输水管线进行人工挖孔埋设监测点，监测点沿着待穿输水管线的中轴线按照间距4.5～5.5m的间距布设；所述监测点包括底部焊接有钢板的钢管和插入钢管中心位置的监测钢筋，监测钢筋固定在钢板中心位置，监测点通过钢板固定粘接在待穿输水管线上，且垂直朝上，并在钢护筒内填满粗砂；
12.(7)在步骤(6)中的监测点埋设完成后，盾构下穿输水管道前先进行试掘进，试掘进长度不小于100m，并在试掘进区间的输水管线上按照步骤(6) 中监测点埋设要求，在试掘进区间的输水管线上埋设相同的监测点，并在试掘进过程中进行沉降监测，确定盾构机掘进参数；
13.(8)在盾构下穿输水管线的过程中，使用厚浆进行同步注浆和对盾体进行填充，并在盾构掘进至输水管线中心线前后至少10环的区域通过管片对盾构区间上方径向注浆在管棚区域与盾构区间之间形成二次加固结构；径向注浆采用水泥水玻璃双液浆，注浆压力为0.3～0.8mpa。
14.本发明较优的技术方案：所述步骤(2)中地面袖阀管注浆加固的高度为盾构区间顶部以上0.5m至待穿输水管线圆心高度，所述检查井的加固高度为盾构区间顶部以上0.5m至临近井口的位置；所述步骤(3)中管棚竖井的旋喷注浆加固高度从待穿输水管线顶部至管棚竖井井底以下5m范围内。
15.本发明较优的技术方案：所述步骤(2)中袖阀管注浆加固用的注浆袖阀管从地面垂直延伸至盾构区间顶面，所述预留袖阀管与地面夹角为40～ 45
°
；注浆袖阀管和预留袖阀管均采用单节长度为450～550mm的pvc塑料管通过螺扣接头连接而成，其端头有斜口，袖阀管内径为φ48mm，外径为58mm，钢管中心距500mm；使用xy-100钻机成孔；位于注浆区域的注浆管上开设有溢浆孔，并在设有溢浆孔区域的注浆管外包裹有抗爆破压力为 0.3mpa的橡胶套；并在灌浆时橡皮套在压力作用下被浆液冲开，使浆液渗入地层，停止注浆时，橡胶套又弹回并裹紧袖阀管；所述注浆浆液采用超细水泥浆，水泥采用42.5普通硅酸盐水泥，水灰比1：0.8～1：1。
16.本发明较优的技术方案：所述步骤(4)中的管棚竖井支护结构包括井壁支护结构、从竖井井壁向外打设的井壁锚管和设置在竖井每个角部的钢斜撑，所述井壁支护结构是通过在井壁挂设钢筋网片和架设钢筋格栅后喷射混凝土形成的支护结构；所述井壁锚管和钢
斜撑均沿着工作竖井从上至下连续设置；所述井壁锚管是每开挖完成工作竖井对应一榀井壁支护结构，从工作竖井的井壁打设一圈长1.8～2.3m的锚管，锚管打设水平角度8～12
°
，横向间距0.4～0.6m；所述钢斜撑的竖向间距为1.8～2.2m；在盾构掘进至输水管线前，将工作竖井位于盾构区间区域的钢筋混凝土井壁支护结构中的钢筋格栅和钢斜撑拆除,并完成工作竖井的回填。
17.本发明较优的技术方案：所述步骤(5)中的管棚的直径为108mm，壁厚为8mm，间距为300mm，浆液类型为水泥浆，注浆压力为0.3～0.8mpa。
18.本发明较优的技术方案：所述步骤(6)中监测点的钢管选用直径为32～ 48mm、长度为1.5～6m的钢管，所述监测钢筋长度大于钢管的长度；在监测点安装过程中，先在钢管外设有钢护筒，并在钢管内填满粗砂后，取下钢护筒。
19.本发明较优的技术方案：所述步骤(7)中盾构试掘进段的地表沉降监测点通过人工使用洛阳铲掏孔埋设，监测点埋设间距为4～6m，布置长度为整个试掘进段。
20.本发明较优的技术方案：所述步骤(8)中盾构同步注浆和盾体填充使用的厚浆各物质配比如下：石灰(kg/m3):粉煤灰(kg/m3):砂(kg/m3):膨润土(kg/m3):水(kg/m3):减水剂(kg/m3)＝100:390:700:50:400:1.5，厚浆的坍落度为210mm，浆液30d的强度为1.0mpa。
21.本发明较优的技术方案：所述步骤(8)中通过盾构管片径向注浆是通过在盾构管片的上部区域的管片注浆孔或者预留注浆孔径向注浆，其注浆管的长度为2～3m，导管直径为20mm，端部设置封堵球阀；所述水泥水玻璃双液浆，采用水灰比为1:1的水泥浆，水泥浆和水玻璃溶液比例为1:1。
22.本发明的有益效果：
23.(1)本发明中采用袖阀管地面对输水管线下方土体进行加固，通过预注浆在输水管线周边形成竖向止水帷幕，切断了上层潜水对输水管线的影响，挤密加固了输水管线周边土体；减少了输水管线及检查井在盾构下穿过程中沉降影响，稳固管线和检查井周边的土体；靠近管线两侧预留的地面袖阀注浆管，在输水管线沉降超过预警值时，对预留的袖阀管进行注浆，以稳固管线下方的土体，减少管线沉降变形趋势，保证盾构施工安全。
24.(2)本发明在管棚井内打设φ108
×
8mm大管棚，管棚中注入水泥浆。管棚一端支撑在管棚井格栅上，管棚受力状态为悬臂结构，较好的稳固了管线下方和盾构隧道之间的土体，减少了管线下方穿越过程中土体坍塌的风险。较好的控制了输水管线的差异沉降。
25.(3)本发明在盾构区间段下穿输水管线掘进过程中在盾体部位注入厚浆，填充了盾体与周边土体的空隙，减少了盾构在下穿输水管线过程中的盾体部位沉降；利用厚浆浆液和易性好，强度增长速率缓慢的特征，起到了润滑作用减小了盾体与土体之间的摩擦阻力，间接减小了盾构掘进过程中的推力，从而解决了因注入传统水泥浆液后，盾体与周围加固体摩擦力变大，造成盾构机掘进过程中推力达到极限值，无法正常施工的问题，有效的控制了盾构在下穿过程中产生的沉降；并通过试验监测数据证明了其沉降数值及变化速率均相对传统浆液降低。
26.(4)本发明下穿输水管线过程中，盾构隧道内增加的径向注浆管，浆液类型为水泥水玻璃双液浆，下穿过程中，对管片上部土体进行径向注浆加固，在盾构隧道结构上方对管线形成环形支撑，减少了盾构下穿对输水管线的沉降，较好的控制了在管片脱出盾尾后输水管线产生的沉降，有效的填充了盾构隧道上方因盾构掘进对输水管线下方土体的空洞。
27.(5)本发明中监测点使用不同直径的钢管代替喷射混凝土护壁，降低了监测点对周边环境的影响，减少了破除人工挖孔护壁混凝土的工程量，且钢管支护较喷射混凝土支护强度大、变形小，保证了作业人员的安全；自动化监测点钢筋周围回填中粗砂使得管线和监测点沉降数据更精确、灵敏，以便盾构下穿管线施工过程调整施工参数，减少输水管线的沉降，保证施工安全。
28.本发明中的施工方法通用性强，工序衔接有序，交叉作业影响小，解决了盾构区间段连续下穿大直径输水管线的相关难题，可以广泛用于盾构区间下穿其他建(构)筑物的施工，保证了盾构区间隧道的施工质量，避免了大直径输水管线破裂的发生。
附图说明
29.图1是本发明平面示意图；
30.图2是图1中aa'剖面图；
31.图3是图1中bb'剖面图；
32.图4是本发明中管棚井的平面示意图；
33.图5是本发明中管棚井的剖面图；
34.图6是本发明中监测点的安装示意图；
35.图7是图6的俯视图；
36.图8是本发明中监测点的结构示意图。
37.图中：1—盾构隧道，2—输水管线，3—管棚竖井，300—井壁锚管，301 —井壁支护结构，302—钢斜撑，4—竖井支护结构，5—袖阀管注浆加固结构，6—管棚加固结构，7—径向注浆加固结构，8—素混凝土封底层，9—输水管线检查井，10—注浆袖阀管，11—预留袖阀管，12—输水管线检查井加固结构，13—监测点，1300—钢管，1301—监测钢筋，1302—钢板，1303 —粗砂，14—钢护筒。
具体实施方式
38.下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。附图1至图8均为本发明的实施例的附图，采用简化的方式绘制，仅用于清晰、简洁地说明本发明实施例的目的。以下对在附图中的展现的技术方案为本发明实施例的具体方案，并非旨在限制要求保护的本发明的范围。
39.在以下实施例中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
40.实施例如图1所示，主要针对盾构隧道1连续下穿至少两根平行设置的输水管线2，输水管线检查井9位于下穿区域的情况；该实施例中的施工结构包括管棚竖井3、竖井支护结构4、检查井加固结构12和位于输水管线2 与盾构隧道1之间的袖阀管注浆加固结构5、管棚加固结构6、径向注浆加固结构7。实施例中的管棚竖井3为方形竖井，左右线管棚井的结构尺寸为 5.7m
×
10.9m，坑深为13.88m；管棚竖井3位于其中一根输水管线2的一侧，竖井井
底延伸至盾构隧道1的顶部以下，管棚井底回填c25素混凝土，厚度为350mm，管棚竖井3的井壁外设有井壁锚管300，井壁内设有井壁支护结构301，管棚竖井3的角部设有钢斜撑302；所述井壁支护结构301包括钢筋混凝土支护结构和圈梁加固结构，所述钢筋混凝土支护结构是通过在初喷混凝土的井壁挂设钢筋网片、架设钢筋格栅后喷射混凝土形成的支护结构。所述圈梁加固结构包括预埋水平支托和位于预埋水平支托上方的水平圈梁；所述井壁锚管4的竖向间距与钢筋格栅的竖向间距相等，横向间距0.4～0.6 m；所述钢斜撑302的竖向间距为1.8～2.2m。在管棚井施工完成后，在管棚井底板顶上1.0m位置处打设φ108管棚形成管棚加固结构6，管棚直径为 108mm，壁厚为8mm；左线管棚间距为300mm，单根长度为32m，共计31 根。右线管棚间距为300mm，单根长度为32m，共计28根。
41.下面结合实施例对本发明的施工过程进一步说明，实施例为某地铁线路中其中某个盾构区间下穿输水管线施工段，该施工段包括一个车站、一个盾构区间和一个出入段线。其中盾构区间由北向南走行，单线长为972.492m。区间两线走向为八字线，线间距为15～67.9m，区间线路呈“v”字坡，最大纵坡为28
‰
，最小纵坡为2
‰
，设置一处联络通道兼废水泵房，区间结构覆土厚度约为10.8～18.1m。正线区间在yk29 848.798～yk29 863.975处下穿两根并排设置的输水管线，管线材质为钢管 混凝土管，埋深为5.9m，内径为3.2m，距离隧道结构外壁为1.991～2.630m。左线盾构区间局部下穿检修井位置距离检修井底1.55m，检修井为混凝土矩形结构，井深约为11.2～11.4m，平面尺寸4.5
×
6.2m。
42.本标段盾构区间采用2台盾构机进行掘进，左线盾构区间先开始掘进施工，待左线掘进至100环并完成验收后，开始右线始发掘进施工。下面以左线的施工过程详细描述本发明中的施工方法，左线盾构区间下穿输水管线段主要分地面袖阀管注浆、管棚井及管棚井悬臂支架施工、人工挖孔埋设自动化监测点施工、盾构下穿前试验段人工监测点位施工、盾构下穿输水管线五个部分进行施工，其具体施工过程如下：
43.(1)如图1所示，左线盾构区间在距离接收井146m处开始下穿输水管线2，由南往北依次下穿两根输水管线，为减少盾构施工对输水管线的影响，需对左线盾构区间下穿的两根输水管线2和输水管线检修井9范围及输水管线检修井9周围通过布设注浆袖阀管从地面进行袖阀管注浆加固，且在布设注浆袖阀管时沿着每根待穿输水管线长度范围靠近输水管线两侧的位置斜向布设预留袖阀管，同一输水管线两侧的预留袖阀管均从地面向输水管底部倾斜并相交于盾构区域顶部；盾构区间左右线下穿输水管线范围内的袖阀管注浆加固平面宽度为每侧隧道中心线两侧各9.1m，加固长度为待穿输水管线边缘外侧6m，加固高度为盾构区间顶部至输水管线中心位置，平均加固高度为6.4m；所述检查井周围袖阀管注浆平面加固范围为结构外轮廓至少 2m外围内，加固高度为盾构区间顶部以上0.5m至井口位置；所述注浆浆液采用超细水泥浆，水泥采用42.5普通硅酸盐水泥，水灰比1：0.8～1：1，注浆压力为0.3～0.8mpa；具体过程如下：
44.a.根据左线盾构区间下穿两根输水管线2和输水管线检修井9加固范围及袖阀管间距，绘制袖阀管孔位排列图；首先平整场地，根据已布设好的控制点坐标，计算袖阀管孔位排列图的坐标位置，使用全站仪放出孔位，用水准仪测量地面高程，确定引孔深度，将钻机移至钻孔位置后，调整好钻机角度，确保直孔的垂直度或者斜孔的角度；然后开始进行钻进施工。地质钻机采用回转式地质钻机成孔，钻孔方式为隔二打一，袖阀管间距为0.5m，输水管线2与盾构隧道1之间的袖阀管注浆加固结构区域直孔打设深度约为12m，至盾构区间
顶部0.5m；预留注浆管11斜孔垂直深度为13.5～18.0m，角度为 44
°
；
45.b.套壳料是由水泥、膨润土按一定配比混合制成的浆液；水泥选用42.5 号水泥，采用灌装形式，防止水泥雨季受潮；膨润土选用细腻膨润土，不得有较大的颗粒状物质；将拌合好的套壳料从上至下人工灌入袖阀管外壁与孔壁之间，直到套壳料从孔口溢出，灌注套壳料必须连续进行，不得中间停顿，灌注套壳料的时间力求最短，最长不宜超过20分钟；
46.c.注浆袖阀管10和预留袖阀管11采用pvc塑料管，内径为φ48mm，外径为58mm；钻孔使用xy-100钻机成孔，袖阀管单节长度为500mm，袖阀管内壁光滑，接头有螺扣，端头有斜口。注浆管注浆区域开有φ8mm的溢浆孔6个，并在孔部位外面紧紧地套着抗爆破压力为0.3mpa的橡胶套，橡胶套覆盖着溢浆孔。在每组射浆孔外部都包裹一层橡胶套，橡胶套的作用是防止钻孔泥浆或套壳料进入管内。灌浆时橡皮套在压力作用下被浆液冲开，使浆液渗入地层，停止注浆时，橡胶套又弹回并裹紧袖阀管，防止管外流体进入管内；袖阀管使用注浆花管进行注浆，注浆浆液类型为水泥浆，水灰比为1:1，注浆压力宜为0.3～0.8mpa；
47.d.通过安装的袖阀管依次完成检查井加固结构12和袖阀管注浆加固结构5的注浆过程。
48.(2)管棚竖井4的施工：在施工管棚竖井4之前，在管棚竖井4施工范围采用旋喷注浆加固，其平面加固范围为管棚竖井外轮廓以外至少1.5m，加固高度为待穿输水管线顶部至管棚竖井井底以下；然后，先施工管棚竖井的锁口圈梁，待施工完成且圈梁混凝土达到设计强度的75％时，开始向下开挖管棚竖井，管棚竖井的初支护采用钢格栅 c25网喷混凝土，格栅竖向间距为0.5m，管棚竖井的斜撑和对撑竖向间距为2.0m，i25a工字钢，角撑为 i28b工字钢；沿管棚竖井初支护四周设置工字钢加强水平圈梁，竖向间距为 2.0m，水平圈梁底部设置工字钢水平支托，管棚竖井初支护格栅间隙布置，水平间距为1.0m；锚管为dn32钢管，长度为2m，竖向间距为1.0m，水平间距为1m，梅花型布置；开挖至基底设计标高后，采用c25素混凝土封底，厚度为350mm；
49.(3)待步骤(2)中管棚竖井施工完成后施工管棚加固结构6，管棚加固结构6的密排管棚采用管棚机进行施工，管棚的直径为108mm，壁厚为 8mm，间距为300mm，单根长度为32m，共计31根，浆液类型为水泥浆，注浆压力为0.3～0.8mpa。由于管棚长度较长，受工作井宽度限制，故采用短接管棚进行顶进施工，管棚间采用丝扣连接；管棚施工完毕后在管棚内注入水泥浆，提高管棚的整体刚度；并在管棚施工完成、盾构掘进至输水管线前将工作竖井位于盾构区间区域的钢筋混凝土井壁支护结构中的钢筋格栅和钢斜撑拆除,并完成工作竖井的回填。
50.(4)根据输水管线监测点位布置图，由测量人员放出中线，采用十字线控制人工挖孔监测点精度；所述监测点如图8所示，包括底部焊接有钢板 1302的钢管1300和插入钢护筒中心位置的监测钢筋1301，监测钢筋固定在钢板中心位置；在监测点安装过程中，如图6和图7所示，监测点的钢板1302 使用植筋胶固定于输水管线2正上方，且监测点垂直朝上，然后在钢管1300 外设有钢护筒14，并在钢管1300内填满粗砂1303后，取下钢护筒14。输水管线开挖深度为6.0m，钢护筒14采用直径为φ850mm、φ800mm、φ 750mm、φ700mm，壁厚均为10mm，单根长度为1.5m的钢管相互套接，开挖至输水管线顶部后，钢管选用直径32-48mm，监测点选用钢筋直径为 25mm，长度为2.4m或6m。监测点底部焊接在200mm
×
200mm
×
5mm钢板中部。
51.(5)盾构区间下穿前在地层相似部位进行试验段施工，由于盾构下穿输水管线段穿越地层为粉质粘土、中粗砂，人工使用洛阳铲掏孔埋设盾构下穿试验段地表沉降监测点，监测点埋设深度为5m，间距为5m，布置长度为 100m；然后通过试验确定厚浆参数为石灰(kg/m3):粉煤灰(kg/m3):砂(kg/m3): 膨润土(kg/m3):水(kg/m3):外加剂(减水剂)(kg/m3)＝100:390:700:50:400:1.5，坍落度为210mm，浆液和易性较好，厚浆30d强度为1.0mpa。试验段掘进过程使用上述厚浆进行同步注浆和对盾体进行填充，其监测数据显示，盾体上方地表最大沉降为2.0mm，所以在盾构下穿管线时选用此配合比厚浆进行同步注浆和盾构补浆。
52.(8)在盾构下穿输水管线的过程中，使用步骤(7)中的厚浆进行同步注浆和对盾体进行填充，并在管线中心线前后10环范围内通过在盾构管片的上部区域的管片注浆孔或者预留注浆孔进行7孔径向注浆，注浆时，根据实时沉降数据，控制注浆点位及注浆量；径向注浆的2根注浆管长2.7m，1 根注浆管长2.4m，3根注浆管长1m。注浆浆液采用水泥水玻璃双液浆，水灰比为1：1，水泥浆和水玻璃溶液比例为1：1，注浆压力为0.3～0.8mpa。小导管直径为20mm，端部设置球阀进行封堵水泥水玻璃双液浆，采用深孔二次注浆，可有效防止注浆压力大，浆液包裹盾体的风险。
53.以上所述，只是本发明的一个实施例，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。