滨海吹填地层盾构机超浅覆土、大纵坡始发施工方法

摘要

本发明公开了一种滨海吹填地层盾构机超浅覆土、大纵坡始发施工方法，包括以下步骤：(1)始发端土体的加固：采用高压旋喷桩配合三轴搅拌桩加固始发端头的土体；(2)洞门预埋钢环、外接环的安装，及注浆孔的预留；(3)始发砼基座的预制及定位安装；(4)始发托架、反力架的定位安装以及加固；(5)盾构机始发进洞及掘进：合理的选择盾构机的始发姿态，保持盾构机的中心线与隧道设计中心线重合。适用于超浅覆土(始发段覆土厚度≤5m)、大纵坡(设计纵坡≥20‰)的滨海吹填地层，盾构姿态控制好，能有效防止地面变形及不均匀沉降，保证始发阶段管片拼装质量，减少错台、破损、漏水等缺陷，为盾构机的顺利始发保驾护航。

说明书

技术领域

本发明涉及盾构机始发施工方法，特别适用于超浅覆土(始发段覆土厚度≤5m)、大纵坡(设计纵坡≥20‰)的滨海吹填地层。

背景技术

盾构始发是隧道盾构法施工的关键环节，是盾构法施工的难点之一，始发的成败将对隧道施工质量、进度、安全、工期及经济效益产生决定性的影响。然而，盾构机大坡度、浅覆土始发一直是工程施工的难点。

因项目设计线路要求，需要将盾构施工应用到滨海吹填地层。盾构始发段位为滨海平原区(地质Ⅴ区)：地层以第四系全新统人工填土、吹填土为主，下伏全新统海积淤泥、上更新统冲洪积粉质黏土、粗砂。底部为残积土及全～微风化基岩。区内未见构造发育，地下水埋深约1.0～4.2m。不良地质作用主要为地震液化及地面沉降，特殊性岩土主要为人工填土、软土及风化岩和残积土，工程地质条件较差。

由于滨海吹填地层的特殊性，盾构机始发施工更是难上加难，具体表现为以下四大难点：1、地质难点：始发段覆土厚度为4.6m，而盾构机刀盘直径为6.986m，盾构机掘进时对地表的影响极大，另外覆土层为吹填土和素填土，地下水位高，地层含水率高、地层稳定性差，盾构机机头容易上浮，易造成地表沉降、窜浆或坍方冒顶。2、始发定位精度要求高、难度大：设计纵坡25‰，管片幅宽1.5m，每掘进一环，管片环前后高差达37.5mm，始发定位过程中，反力架倾斜角度如控制不精准将导致反力架受力面与盾体不同面而出现盾构姿态偏差过大，始发托架受力后前后点高差超过一定数值将导致盾构掘进报警。3、盾构始发姿态控制难度大：进洞前，竖曲线为25‰的下坡，盾构机易发生“磕头”；进洞时，推进油缸往后的推力对反力架有一个竖直向上的分力，可能导致反力架整体上浮；进洞后，沿隧道设计轴线25‰的下坡始发，盾构机易栽头，且推进时在竖直方向的分力易造成管片的上浮，从而导致管片错台，渗水。4、土仓压力难以及时建立：盾构机盾体长度一般为9m左右，盾体未全部进入地层前，土仓压力难以建立，持续的欠压掘进易导致开挖面坍塌，同时始发段为地层稳定性差的吹填土层，盾构掘进扰动将加大地层坍塌及地面塌陷。

发明内容

针对以上技术问题，本发明旨在提供一种盾构机始发施工方法，适用于超浅覆土(始发段覆土厚度≤5m)、大纵坡(设计纵坡≥20‰)的滨海吹填地层，为盾构机的顺利始发保驾护航。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种滨海吹填地层盾构机超浅覆土、大纵坡始发施工方法，包括以下步骤：

(1)始发端土体的加固：采用高压旋喷桩配合三轴搅拌桩加固始发端头的土体，施工顺序要求在围护结构施工完成后、基坑开挖前施工三轴搅拌桩，车站端头井主体结构施工完成后、盾构始发前再施工高压旋喷桩；

a、三轴搅拌桩的施工：

开机前必须探明和清除一切地下障碍物，须回填的部位要分批回填夯实，以确保桩的质量；

三轴搅拌桩地基加固水泥采用42.5号普通水泥，加固区水泥掺量20％，水灰比为0.45～2.0；加固后的土体28天无侧限抗压强度取不小于0.8MPa，渗透系数≤1.0×10^-7cm/s；三轴搅拌桩的施工桩位的允许最大偏差为50mm，垂直度偏差允许最大为1％；桩与桩搭接时间不应大于24h，若超过，应在第二根桩施工时增加20％注浆量，同时减慢提升速度；若相关时间太长，第二根桩无法搭接，应进行局部补桩或注浆措施；

b、高压旋喷桩的施工：

在盾构施工前端头井围护桩外设置一排Φ800@600三重管高压旋喷桩封堵洞门，深度同端头加固最深处，水泥掺量35％，渗透系数≤1.0×10^-7cm/s；

(2)洞门预埋钢环、外接环的安装，及注浆孔的预留；

施工流程如下：安装前准备、测量放样、植筋、洞门钢环分块安装、洞门外接环的分块安装、洞门橡胶帘布安装、折页板安装、洞门外接环上部预埋两个DN50的注浆孔；

(3)始发砼基座的预制及定位安装；

a、砼基座的预制：

以始发托架的尺寸为基准分成6块浇筑砼基座，浇筑模板使用木模板，铺设双层钢筋网片，间距为200mm，采用φ12的钢筋绑扎；施工流程如下：在平地铺设一层塑料膜、绑扎钢筋、立模、测量定标高及弹线定位、浇筑混凝土；

b、砼基座的定位安装；

施工流程如下：计算砼基座首尾端的中心里程与左右偏距、测量放样、安装砼基座；

(4)始发托架、反力架的定位安装以及加固；

始发托架的放置必须是纵坡摆放，并与盾构始发位置处的隧道设计纵坡角度一致，反力架摆放的水平方向需要与盾构机的中心线重合，竖直方向需要与盾构机的中心线垂直，同时根据反力架侧向的受力以及竖向的受力对反力架进行加固；

(5)盾构机始发进洞及掘进：合理的选择盾构机的始发姿态，保持盾构机的中心线与隧道设计中心线重合；

a、始发进洞防“磕头”措施：将始发托架上的钢轨，顺着隧道轴线延伸至洞门外接环处；在洞门外接环和洞门预埋钢环的下部铺设碎石子或者施作混凝土承台，铺设面或混凝土承台的高度与引到洞门外接环的钢轨的高度一致；

b、始发防栽头措施：在进洞前将盾体前部抬高2cm，同时在进洞时加大盾构机下部油缸的推力，下部油缸的推进压力从50bar加到70bar，上部油缸的压力保持不变，盾构机切口较盾尾垂直方向偏差要低10mm；在掘进过程中，将下部油缸的推进压力继续增加至100bar，上部油压不变，在推进中测量盾尾间隙，确保上部间隙比下部间隙小，推进完两环后，盾构机切口与盾尾垂直方向均保持到了+1mm，铰接垂直方向的偏差为-3mm；在盾构机进入始发端加固区后，逐渐开始给土仓建立压力，增大推力；

c、盾构机掘进；

盾构机在端头加固区的推进参数控制为：刀盘转速1～1.2rpm，推力700～900KN，土仓压力0.5～0.6bar，掘进速度15～20mm/min；

在盾构机脱出加固区后，将砂浆的稠度由13.5调整至12，盾构机的注浆量由原先的8m³/环调整到6～7m³/环，注浆压力控制在1.2～1.8bar范围，土仓压力保持在0.6bar～0.8bar。

作为上述方案的优选，步骤(1)中，高压旋喷机安装平稳对正，开孔前须严格检查桩位和开孔角度，确保引孔深度达到设计要求；高喷管下至距孔底0.5m时，先启支浆泵送浆，同时旋转下放到孔底后，再启动高压泵和空压机，各项参数正常后方可提升；

高喷作业中，必须注意观察气、浆压力和流量达到设计要求，发现异常，要立即停止提升，查明原因，及时处理；

分节拆卸高喷管时，若遇因故停机，需将高喷管下放至超过原高喷深度0.3～0.5m处，重新开机作业，以避免固结体出现新层。

进一步优选为，步骤(4)中，始发托架的定位安装需要注意：始发平面控制、始发高程控制、始发托架安装；其中，始发高程控制是指要在始发砼基座上根据计算好的高程定位始发托架前、中、后三个断面的中点及左右边界点。

反力架的定位安装需要注意：基准环圆心高程控制、立柱倾斜角度控制、反力架加固、反力架安全验算；其中立柱倾斜角度控制是指立柱要保持与盾构机轴线垂直。

进一步优选为，在步骤(5)中，盾构掘进时注浆及姿态的合理控制：依据不同的地质、水文、隧道埋深等情况的变化而不断调整浆液性能，及时进行同步注浆机二次注浆，通过参数的合理控制做好盾构机的姿态控制；除此之外，施工过程中，经过对盾尾的密封程度、泡沫系统的控制和土仓加水量各项参数的调整，有效控制掘进过程中地面沉降与冒泡冒浆。

进一步优选为，施工过程中还需要对地表沉降、隧道洞内水平收敛、拱顶下层、底板隆起进行监测；盾构始发段100m范围内，地表沉降每隔5～10m设一断面；管片净空收敛每10～20mm设一断面，隧道每断面布置不少于两对测线。

进一步优选为，施工过程中还需要进行以下质量控制：

a、洞门钢环安装时，水平和垂直偏差控制在±10mm之内；

b、始发托架与反力架安装中线偏差控制在±10mm之内，高程偏差控制在±5mm之内；同时为防止盾构机低头，高程比设计高程抬高20mm；

c、管片推出盾尾后要及时进行管片连接螺栓的复紧工作，分别为初紧、复紧、再次复紧共计三次紧固螺栓，保证管片拼装质量。

本发明的有益效果：

(1)掘进参数设置合理，盾构姿态控制好，能有效防止地面变形，避免因浅覆土施工造成地面的不均匀沉降，保证施工质量；

(1)容易保证盾构施工工期，减小工期风险；

(3)易于掌控始发段盾构的掘进姿态，降低盾构掘进超限的风险。

(4)能够有效保证始发阶段管片拼装质量，减少错台、破损、漏水等缺陷。

具体实施方式

下面通过实施例，对本发明作进一步说明：

一种滨海吹填地层盾构机超浅覆土、大纵坡始发施工方法，主要包括步骤(1)—步骤(1)，以下进行每个步骤的具体说明。

(1)始发端土体的加固：采用高压旋喷桩配合三轴搅拌桩加固始发端头的土体，使得始发端土体的抗浮力可以满足盾构机浅覆土始发的扰动；施工顺序要求在围护结构施工完成后、基坑开挖前施工三轴搅拌桩，车站端头井主体结构施工完成后、盾构始发前再施工高压旋喷桩；先施工三轴搅拌桩，再施工高压旋喷桩。

a、三轴搅拌桩的施工：

开机前必须探明和清除一切地下障碍物，须回填的部位要分批回填夯实，以确保三轴搅拌桩的质量。

三轴搅拌桩地基加固水泥采用42.5号普通水泥，加固区水泥掺量20％，水灰比为0.45～2.0。加固后的土体，应具有良好的均匀性、自立性、止水性，其28天无侧限抗压强度取不小于0.8MPa，渗透系数≤1.0×10^-7cm/s。三轴搅拌桩的施工桩位的允许最大偏差为50mm，垂直度偏差允许最大为1％；。桩与桩搭接时间不应大于24h，若超过，应在第二根桩施工时增加20％注浆量，同时减慢提升速度；若相关时间太长，第二根桩无法搭接，应进行局部补桩或注浆措施。

b、高压旋喷桩的施工：

为保证端头加固与端头井围护桩之间不渗漏水，在盾构施工前端头井围护桩外设置一排Φ800@600三重管高压旋喷桩封堵洞门，深度同端头加固最深处，水泥掺量35％，渗透系数≤1.0×10^-7cm/s。

高压旋喷机安装平稳对正，开孔前须严格检查桩位和开孔角度，确保引孔深度达到设计要求。保持引孔泥浆性能，孔壁完整，不坍孔，确保高喷管顺利下至孔底。高喷管下至距孔底0.5m时，应先启支浆泵送浆，同时旋转下放，下到孔底(即开喷深度)后，再启动高压泵和空压机，各项参数正常后方可提升。

高喷作业中，必须注意观察气、浆压力和流量达到设计要求，发现异常，要立即停止提升，查明原因，及时处理。

分节拆卸高喷管时，动作要快，尽量缩短停机时间，因故停机(如卸管或处理故障)时，需将高喷管下放至超过原高喷深度0.3～0.5m处，重新开机作业，以避免固结体出现新层。

(2)洞门预埋钢环、外接环的安装，及注浆孔的预留。

施工流程为：安装前准备→测量放样→植筋→洞门钢环分块安装→洞门外接环的分块安装→洞门橡胶帘布安装→折页板安装→洞门外接环上部预埋两个DN50的注浆孔。

(3)始发砼基座的预制及定位安装。

a、砼基座的预制：

砼基座需要在盾构始发前就提前预制好，并以始发托架的尺寸(11m×3.6m)为基准，分成6块浇筑，每块的尺寸为5.5m×1.2m。浇筑模板使用木模板，铺设双层钢筋网片，间距为200mm，采用φ12的钢筋绑扎。施工流程如下：在平地铺设一层塑料膜(防止浇筑好后与地面粘连在一起)→绑扎钢筋→立模→测量定标高，弹线定位→浇筑混凝土。

b、砼基座的定位安装：

砼基座定位流程如下：计算砼基座首尾端的中心里程与左右偏距→测量放样→安装砼基座。

(4)始发托架、反力架的定位安装以及加固。

为保证盾构机的姿态，始发托架的放置与正常平坡始发的始发托架水平放置不同，必须是纵坡摆放，并与盾构始发位置处的隧道25‰的设计纵坡一致。反力架摆放的水平方向需要与盾构机的中心线重合，竖直方向需要与盾构机的中心线垂直，对反力架的加固要求必须要考虑其侧向的受力以及竖向的受力。

始发托架的定位安装需要注意的方面：始发平面控制、始发高程控制、始发托架安装。其中，始发高程控制是指要在始发砼基座上根据计算好的高程定位始发托架前、中、后三个断面的中点及左右边界点。

反力架的定位安装需要注意的方面：基准环圆心高程控制、立柱倾斜角度控制、反力架加固、反力架安全验算；其中立柱倾斜角度控制是指立柱要保持与盾构机轴线垂直。

(5)盾构机始发进洞及掘进。

合理的选择盾构机的始发姿态：保持盾构机的中心线与隧道设计中心线重合，盾构机始发在盾体完全驶离始发托架时，盾构机的姿态是无法调整的，合理选择盾构机的始发姿态是始发能否成功的一大难点和关键。通常是使盾构机的中心线与隧道中心线重合。但在盾构机的始发时，容易出现进洞“磕头”和栽头，尤其是对于始发纵坡较大的情况，为此本工法采用的措施如下。

a、始发进洞防“磕头”措施；

a.1、将始发托架上的43#钢轨，顺着隧道轴线延伸至洞门外接环处；

a.2、在洞门外接环和洞门预埋钢环的下部铺设碎石子或者施作混凝土承台，铺设面或混凝土承台的高度与引到洞门外接环的钢轨的高度一致。

通过以上a.1和a.2，可有效防止盾构机的“磕头”。

b、始发防栽头措施；

盾构机始发进洞的时候，由于盾构机是一个圆锥体状态，当盾体进入土体时会有一个往下沉的趋势，若是在无坡度状况时，可在进洞前把前部抬高2cm即可控制盾体往下走的趋势，本区间始发为25‰的下坡段始发，即使在进洞前抬高2cm，还是会有一个向下的趋势。此时我们采取的措施是在进洞时加大盾构机下部油缸的推力，下部油缸的推进压力从50bar加到70bar，上部油缸的压力保持不变，盾构机切口较盾尾垂直方向偏差要低10mm，此时盾构机的姿态是完全与隧道轴线平行，盾尾间隙也均保持在均衡的状态，若在掘进过程中持续保持此状态，当盾构机刀盘出加固区时栽头的风险很大。因此，在掘进过程中，需要将下部油缸的推进压力继续增加至100bar，上部油压不变，在推进中测量盾尾间隙，确保上部间隙比下部间隙要小，推进完两环后，盾构机切口与盾尾垂直方向均保持到了+1mm，铰接垂直方向的偏差为-3mm。盾构机在这种整体趋势与隧道轴线平行，但盾构机前部略微抬头前进的趋势很好的避免的盾构机出了加固区后在软弱地层栽头的风险。

在始发掘进中，还采取了加大土仓压力防止盾构机栽头的措施；在盾构机进入始发端加固区后，逐渐开始给土仓建立压力，增大推力。给土仓建立压力，防止盾构机往前掘进的时候因为地层的软弱而往下栽头。

c、盾构机掘进。

盾构机进洞的埋深仅有4.6m，在端头加固区的推进参数控制为：刀盘转速1～1.2rpm，推力700～900KN，土仓压力0.5～0.6bar，掘进速度15～20mm/min，在加固区内盾构掘进平稳无任何异常情况。

在盾构机脱出加固区后，隧道覆土深度为5～6m的区域易出现地面沉降、冒泡沫、冒浆液的情况。盾构在浅覆土地层中推进时，地层损失率较高，并且具有沉降完成快、稳定快的特点。盾构脱出形成的盾尾空隙所引发的这部分地层损失是盾构产生的地面沉降的主要组成部分，主要和同步浆压力、注浆量及浆液性能有关。因此，将砂浆的稠度由13.5调整至12，盾构机的注浆量由原先的8m³/环调整到6～7m³/环，注浆压力控制在1.2～1.8bar范围。

为了保持开挖面的稳定，则必须保持适当的土压以稳定开挖面，控制地面沉降。土压过低，则可能出现超挖；土压过高，则有效推力降低，掘进速度降低，且地面可能隆起，造成后期沉降较大。土压的确定与隧道埋深、地质情况有很大关系，由于本区间始发端的埋深在4.6～6m之间，主要穿越地层有残积砂质黏性土、粉质黏土、淤泥、中粗砂、全风化岩以及辉绿岩残积砂质黏性土，因此将土仓压力保持在0.6bar～0.8bar。

盾构掘进时注浆及姿态的合理控制：依据不同的地质、水文、隧道埋深等情况的变化而不断调整浆液性能，及时进行同步注浆机二次注浆，通过参数的合理控制做好盾构机的姿态控制。

除此之外，施工过程中，盾尾的密封程度、泡沫系统的控制和土仓加水量都会影响土仓压力。经过对各项参数的调整，有效控制掘进过程中地面沉降与冒泡冒浆。

施工安全监测操作要点：

a、监测项目：地表沉降，隧道洞内水平收敛，拱顶下层，底板隆起。

b、监测点布置方案：盾构始发段100m范围内，地表沉降每隔5～10m设一断面；管片净空收敛每10～20mm设一断面，隧道每断面布置不少于两对测线。

质量控制操作要点：

a、洞门钢环安装时，水平和垂直偏差控制在±10mm之内。

b、始发托架与反力架安装中线偏差控制在±10mm之内，高程偏差控制在±5mm之内。同时为防止盾构机低头，高程比设计高程抬高20mm。

c、管片推出盾尾后要及时进行管片连接螺栓的复紧工作，分别为初紧、复紧、再次复紧共计三次紧固螺栓，保证管片拼装质量。

d、洞门破除后，为控制盾构姿态，推进速度不宜过快。同时为防止盾构机低头及保证管片拼装质量，严格控制各区油缸压力及总推力。

e、在盾尾脱离始发托架后，要认真做好盾构机的姿态调整，预防盾构机栽头，合理选择管片，控制各千斤顶的压力值和行程差，从而使盾构姿态处于合理范围内。

安全措施：

a、盾构接收时必须做好盾构基座加固措施，接收架两侧用H钢支撑于侧墙底部，后端用H钢支撑于端墙底部，保证接收架的位置不会随着盾构机前进而改变。

b、洞门破除时由于是高空作业，除了系好安全带之外，还坚持一人工作，一人观察工作面的稳定情况，如有异常及时反映并采取封堵等相应对策。

c、盾构始发段纠偏过程中，必须始终对盾构姿态进行监测并对监测资料反馈分析，不断调整盾构掘进施工参数。

效益分析：

采用了大纵坡始发工法，提前预制好与设计线路相同坡度的砼基座，即保持了与线路设计轴线重合，又缩减了始发托架、反力架定位的工期。同时减少了盾构机进洞后大幅度调整竖向姿态而导致管片错台的风险，避免了盾构因姿态的调整对工期的影响，若采用传统盾构始发思路，盾构区间施工的节点工期将推后1个月左右。

经济效益：

采用本工法，能够保证管片拼装质量，减小隧道渗漏风险，节约了后期隧道堵漏成本。同时由于大大提前了节点工期，节约的成本是相当可观的，该成本主要为因设备闲置产生的费用与工期缩短产生的费用。

盾构设计起点处，始发轴线与设计轴线之间为正偏差37mm，在盾构掘进过程中，盾构姿态最大正偏差为49mm，在盾构施工规范所规定的范围内。当盾尾离开始发托架时，盾构机刀盘水平姿态仍有一定的正偏差，利于盾构姿态的调整。

待盾构机调试完毕后，实际盾构姿态见下表：

待洞门破除后，盾构机沿直线方向下坡推进。进入加固后，为利于盾构姿态的控制，将刀盘转速定为1.0r/min，推进速度为15～20mm/min，土仓压力保持在0.6bar左右。待盾尾脱离始发托架后，即掘进+3环时开始调整姿态，预防栽头。掘进至+10环时，垂直姿态分别刀盘+2mm、中盾+3mm、尾盾+6mm。姿态调整的过程中，盾构姿态竖向最大偏差为21mm，管片错台最大为4mm。至此，盾构始发顺利完成。

本工法解决了盾构在滨海吹填地层超浅覆土、大纵坡线段上始发的若干问题，能够有效地控制始发姿态不超限，保证始发阶段成形管片姿态及管片拼装质量，减小隧道渗漏风险，保证通车后隧道无渗漏，同时大大提前了节点工期，减少了对周边自然环境及居住环境的影响，具有良好的社会效益和广阔的推广应用价值。