CN110924967B - 富水砂卵石地层盾构近接敏感建筑物精细化控制施工方法 - Google Patents

富水砂卵石地层盾构近接敏感建筑物精细化控制施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种富水砂卵石地层盾构近接敏感建筑物精细化控制施工方法，包括：步骤S101，设置盾构机的施工参数，以控制出土量，使盾构机土仓压力与掘进面土水压力相等，从而使盾构机处于土压平衡状态施工；计算注浆体的注入量：根据盾体间隙计算衡盾泥的目标注入量，根据管壳间隙计算水泥浆的目标注入量；步骤S102，在盾构机掘进过程中，经前盾上的径向孔同步注入衡盾泥，以填充盾体间隙，经后盾上的注浆孔同步将水泥浆注入脱出后盾的管片环的外侧，以填充管壳间隙。本发明的富水砂卵石地层盾构近接敏感建筑物精细化控制施工方法，实现了富水砂卵石地层盾构施工扰动地表沉降毫米级控制施工。

Description

富水砂卵石地层盾构近接敏感建筑物精细化控制施工方法
技术领域
本发明涉及建筑施工技术领域，特别地，涉及一种富水砂卵石地层盾构近接敏感建筑物精细化控制施工方法。
背景技术
近年来，随着城市化快速推进，基础交通及设施建设活动迅速发展。在城市轨道交通和市政管廊建设中，盾构隧道因其突出的特点而被广泛运用。然而，受地下环境和地面条件的复杂性影响，大量盾构隧道工程问题层出不穷。其中，盾构施工对地表及近接建构筑物的扰动影响难以避免，在特殊地层盾构施工控制失稳的情况下，极易引起地表塌陷、地下管道破裂、建筑物倾斜损毁等问题出现，严重影响盾构隧道施工和正常的城市生产活动。
富水砂卵石地层在我国分布广泛，是盾构施工面临的主要地层条件之一，而在富水砂卵石地层盾构施工引起的上述工程问题更是屡见不鲜。主要原因在于富水砂卵石地层的特殊性：一，多数砂卵石地层级配不良，细颗粒含量较低，渗透系数较大，富水条件下渗透水压较高；二，砂卵石地层颗粒联结多为点对点接触，结构性较强，在施工扰动下，颗粒相对运动后孔隙尺度增加，原地层稳定状态较难恢复。
现有盾构方法在富水砂卵石地层施工中存在的主要问题有：一，在扰动敏感性低的地层，现有技术基本可以满足工程安全控制要求，而对敏感系数较高的富水砂卵石地层而言现有技术难以满足；二，现有盾构施工期的水泥注浆体在富水砂卵石地层的被稀释性、渗流性以及早期低强度问题依然严重，没有得到有效解决，是造成大量扰动变形的主要原因。富水砂卵石地层城市地下盾构隧道工程安全隐患大、施工过程中对敏感建筑物影响大，施工效果差。
发明内容
本发明提供的富水砂卵石地层盾构近接敏感建筑物精细化控制施工方法，以解决现有的富水砂卵石地层盾构近接敏感建筑物施工过程中施工扰动，对敏感建筑物影响大，施工效果差的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种富水砂卵石地层盾构近接敏感建筑物精细化控制施工方法，盾构机的盾体包括沿掘进方向依次排布并连接的前盾、中盾和后盾，且前盾、中盾和后盾的直径依次减小，前盾前端上设有用于开挖的刀盘，刀盘的开挖直径大于前盾的直径，盾构机开挖推进过程中，刀盘开挖断面与盾体的外表面之间形成盾体间隙，且在后盾内安装的管片环脱出后盾以后，管片环与盾体间隙之间构成管壳间隙，包括如下步骤：步骤S101，设置盾构机的施工参数，以控制出土量，使盾构机土仓压力与掘进面土水压力相等，从而使盾构机处于土压平衡状态施工，盾构机的施工参数包括土仓压力、推进速度、刀盘转速、螺旋输送机转速和出土量；计算注浆体的注入量：根据盾体间隙计算衡盾泥的目标注入量，根据管壳间隙计算水泥浆的目标注入量；步骤S102，在盾构机掘进过程中，经前盾上的径向孔同步注入衡盾泥，以填充盾体间隙，经后盾上的注浆孔同步将水泥浆注入脱出后盾的管片环的外侧，以填充管壳间隙。
进一步地，盾构机从其他地层进入富水砂卵石地层之前，在停机状态下，通过前盾的径向孔向盾体间隙分次分级压力喷射衡盾泥：步骤S1041，在0.4Mpa至0.5Mpa压力下，将衡盾泥按衡盾泥的目标注入量的40％至50％注入盾体间隙；步骤S1042，停止衡盾泥注入，向盾体间隙注入0.3Mpa压力空气10至15分钟；步骤S1043，在0.3Mpa至0.4Mpa压力下，将衡盾泥按衡盾泥的目标注入量的50％至60％补充注入盾体间隙；步骤S1044，停止衡盾泥注入，向盾体间隙注入0.2Mpa压力空气15至20分钟；步骤S1045，在0.2Mpa至0.3Mpa压力下，将衡盾泥按衡盾泥的目标注入量的30％至60％加强注入盾体间隙。
进一步地，根据公式V1=π/4×[(D2-R1 2)×L1+(D2-R2 2)×L2+(D2-R3 2)×L3]计算盾体间隙，根据公式V2=π/4×(R3 2-d2)×L计算管壳间隙，其中：D为刀盘开挖直径，R1为前盾直径，L1为前盾长度，R2为中盾直径，L2为中盾长度，R3为后盾直径，L3为后盾长度，d为管片环的直径，L为管片环长度。
进一步地，步骤S102具体包括：步骤S1021，以初始参数启动并进行掘进，并经前盾上的径向孔同步注入衡盾泥，以填充盾体间隙，经后盾上的注浆孔同步将水泥浆注入脱出后盾的管片环的外侧，以填充管壳间隙，步骤S1022，以施工参数进行掘进，并经前盾上的径向孔同步注入衡盾泥，以填充盾体间隙，经后盾上的注浆孔同步将水泥浆注入脱出后盾的管片环的外侧，以填充管壳间隙。
进一步地，还包括步骤S103，在填充管壳间隙后，对地表沉降进行连续监测，并判断地表沉降值是否在预设范围内，在地表沉降值不在预设范围内时，通过管片环的注浆通道进行二次注浆。
进一步地，步骤S101还包括：根据盾构机的注浆设备的性能、地层的地质条件，计算衡盾泥的组分配合比。
进一步地，衡盾泥的目标注入量的注入率不低于盾体间隙的130％，衡盾泥的注浆速度与掘进速度相匹配。
进一步地，衡盾泥的原材料为双组份配制材料，包括A料和B料，A料为衡盾泥粉料，B料为稀释溶液，A料与水的质量比为1：1.5～1:2.5，B料与水的质量比为1:0.5～1：1.5，A料与水的混合料和B料与水的混合液的质量比例为10:1～20:1，比重范围为1.16～1.28。
进一步地，水泥浆配比按每立方水泥浆液计算为：水泥：粉煤灰：膨润土：砂：水＝125:370:40:575:375，单位为千克，胶凝时间为3小时至6小时。
进一步地，二次注浆压力为0.2MPa～0.4MPa。
发明具有以下有益效果：本发明的富水砂卵石地层盾构近接敏感建筑物精细化控制施工方法，在近接敏感建筑物盾构施工时，经前盾的径向孔同步注入衡盾泥，以填充盾体间隙，控制盾构开挖阶段盾体部分富水砂卵石地层沉降，并在盾体周围形成一定厚度的衡盾泥注浆环，形成双环结构，避免了在富水砂卵石地层中注浆时水泥浆液渗流至地层较大孔隙里或被地下水稀释，使水泥浆形成有效注浆填充体，解决了富水砂卵石等强渗水地层的注浆串流跑浆问题；并且在注入衡盾泥的过程中，会向盾体四周的土层中渗透一部分衡盾泥形成了泥膜，有效的减少后续同步注浆的水泥浆向土层中渗透，有效控制隧道拱顶变形，实现了多级分步填充开挖间隙；通过从开挖间隙同步注浆进行填充和土压平衡控制两个方面，实现了全过程的扰动控制理念，对富水砂卵石地层施工扰动进行了针对性控制，并充分考虑了掘进工作面土压力与盾构机土仓舱板土压力之间的压力差，对盾构机施工参数进行精细化控制，实现土压平衡控制，从而避免了超挖及不正常开挖对富水砂卵石地层的强扰动，实现了富水砂卵石地层盾构施工扰动地表沉降毫米级控制施工。除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明：
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的富水砂卵石地层盾构近接敏感建筑物精细化控制施工方法的流程图；
图2是本发明优选实施例的盾构开挖示意图；
图3为本发明的富水砂卵石地层示意图。
图例说明：10、盾体；11、前盾；12、中盾；13、后盾；20、刀盘；30、盾体间隙；40、管壳间隙；50、管片环；60、富水砂卵石地层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
图1是本发明优选实施例的富水砂卵石地层盾构近接敏感建筑物精细化控制施工方法的流程图；图2是本发明优选实施例的盾构开挖示意图；图3为本发明的富水砂卵石地层示意图。
如图1和图2所示，本发明实施例的富水砂卵石地层盾构近接敏感建筑物精细化控制施工方法，盾构机的盾体10包括沿掘进方向依次排布并连接的前盾11、中盾12和后盾13，且前盾11、中盾12和后盾13的直径依次减小，前盾11前端上设有用于开挖的刀盘20，刀盘20的开挖直径大于前盾11的直径，盾构机开挖推进过程中，刀盘20开挖断面与盾体10的外表面之间形成盾体间隙30，且在后盾13内安装的管片环50脱出后盾13以后，管片环50与盾体间隙30之间构成管壳间隙40，包括如下步骤：步骤S101，设置盾构机的施工参数，以控制出土量，使盾构机土仓压力与掘进面土水压力相等，从而使盾构机处于土压平衡状态施工，盾构机的施工参数包括土仓压力、推进速度、刀盘20转速、螺旋输送机转速和出土量；计算注浆体的注入量：根据盾体间隙30计算衡盾泥的目标注入量，根据管壳间隙40计算水泥浆的目标注入量；步骤S102，在盾构机掘进过程中，经前盾11上的径向孔同步注入衡盾泥，以填充盾体间隙30，经后盾13上的注浆孔同步将水泥浆注入脱出后盾13的管片环50的外侧，以填充管壳间隙40。
本发明的富水砂卵石地层盾构近接敏感建筑物精细化控制施工方法，在近接敏感建筑物盾构施工时，经前盾11的径向孔同步注入衡盾泥，以填充盾体间隙30，控制盾构开挖阶段盾体10部分富水砂卵石地层沉降，并在盾体10周围形成一定厚度的衡盾泥注浆环，形成双环结构，避免了在富水砂卵石地层中注浆时水泥浆液渗流至地层较大孔隙里或被地下水稀释，使水泥浆形成有效注浆填充体，解决了富水砂卵石等强渗水地层的注浆串流跑浆问题；并且在注入衡盾泥的过程中，会向盾体10四周的土层中渗透一部分衡盾泥形成了泥膜，有效的减少后续同步注浆的水泥浆向土层中渗透，有效控制隧道拱顶变形，实现了多级分步填充开挖间隙；通过从开挖间隙同步注浆进行填充和土压平衡控制两个方面，实现了全过程的扰动控制理念，对富水砂卵石地层施工扰动进行了针对性控制，并充分考虑了掘进工作面土压力与盾构机土仓舱板土压力之间的压力差，对盾构机施工参数进行精细化控制，实现土压平衡控制，从而避免了超挖及不正常开挖对富水砂卵石地层的强扰动，实现了富水砂卵石地层盾构施工扰动地表沉降毫米级控制施工。
可以理解地，管壳间隙40为在后盾13内安装的管片环50脱出后盾13以后，形成包括后盾13厚度的间隙，即盾体间隙30区域以外至管片环50之间的区域，在注浆时，盾构机前进，先通过衡盾泥浇注盾体间隙30，然后铺设管片环50，在盾构机持续前进时，通过水泥浆浇注管壳间隙40，形成双环结构，使管片环50与富水砂卵石地层之间形成复合注浆体。
可以理解地，设置盾构机的施工参数主要包括开挖施工参数的精细化控制：土仓压力设定：由于盾构机的密封舱板土压力受刀盘20开口率的影响通常小于掘进工作面土压力，使得施工参数控制范围出现偏离，难以满足富水砂卵石地层的精确化控制，本发明在土压平衡盾构施工期土仓压力设定控制方面以经典土压力计算方法为准，并考虑土仓密封舱板土压力数值与掘进工作面土压力之间的映射关系，即富水砂卵石地层盾构施工前，先计算对应掘进面土压力设定范围，再对土仓密封舱板土压力值按公式a＝0.0106η+0.1248进行修正，即土仓密封舱板土压力值Pt等于掘进工作面土压力值P与压力传递系数a之积aP，其中掘进工作面土压力值P应满足公式Pa≤P≤Pp，其中，对应下限主动土压力Pa通过公式：Pa=πD2γ(H+D)tan2(45°-φ/2)获取，对应上限被动土压力值Pp通过公式：Pp=πD2γ(H+D)tan2(45°+φ/2)获取，本发明所指土仓密封板土压力值Pt控制应该满足公式aPa≤Pt≤aPp；其中，φ为摩擦角；η为刀盘20开口率；H为隧道埋深，隧道拱顶至地面深度；γ为土的重度；推进速度设定：由于富水砂卵石地层的敏感性，盾构施工应尽快通过，但过快的速度对于控制土仓压力平衡不利，本发明所指推进速度精确化控制值为30-40毫米/min，对应总推力按照设定的目标推进速度进行控制；螺旋输送机转速设定：螺旋输送机转速以土仓压力平衡为条件，在满足规定的土仓密封舱板压力值范围内，按推进速度基本恒定对应调整螺旋输送机转速当土仓密封舱板土压力值大于aPp调大螺旋输送机转速，当土仓密封舱板土压力值小于aPa调小螺旋输送机转速，其中，每次调节螺旋输送机转速时应延迟10～15秒观察土仓密封舱板土压力值变化情况，以消除时滞现象；出土量控制：本发明为实现沉降控制目标，实际每环出土量按理论出土量的95％～98％计算控制，保证盾构切口上方土体能有微量的***不超过1毫米，以便抵消一部分土体第四阶段沉降变形期的后期沉降量，从而使总沉降量控制在最小范围内。其中，每环理论出土量等于开挖体积乘以松散系数，本发明富水砂卵石地层松散系数取值1.2～1.4。
可以理解地，本发明中，注浆体包括衡盾泥和水泥浆两种，其中衡盾泥主要填充开挖面与盾构机的盾壳之间的盾体间隙30，水泥浆主要填充盾壳与管片环50之间的管壳间隙40，分别计算对应注浆体体积。
可以理解地，在盾构机掘进过程中，经前盾11上的径向孔同步注入衡盾泥，以填充盾体间隙30，可以是盾构机启动之前先注入衡盾泥，在盾构机启动掘进时持续同步注入衡盾泥；也可以是盾构机启动时同步注入衡盾泥。
本发明采取全过程盾构开挖间隙分步填充控制变形方法，控制开挖期盾体10部分的地层变形，即及时有效填充盾体间隙30，并采用抗渗保水注浆体和施工参数精细化控制，要解决富水砂卵石地层的沉降变形问题。
进一步地，盾构机从其他地层进入富水砂卵石地层之前，在停机状态下，通过前盾11的径向孔向盾体间隙30分次分级压力喷射衡盾泥：步骤S1041，在0.4Mpa至0.5Mpa压力下，将衡盾泥按衡盾泥的目标注入量的40％至50％注入盾体间隙30；步骤S1042，停止衡盾泥注入，向盾体间隙30注入0.3Mpa压力空气10至15分钟；步骤S1043，在0.3Mpa至0.4Mpa压力下，将衡盾泥按衡盾泥的目标注入量的50％至60％补充注入盾体间隙30；步骤S1044，停止衡盾泥注入，向盾体间隙30注入0.2Mpa压力空气15至20分钟；步骤S1045，在0.2Mpa至0.3Mpa压力下，将衡盾泥按衡盾泥的目标注入量的30％至60％加强注入盾体间隙30。可以理解地，在由其他地层进入富水砂卵石地层之前，在停机状态下，通过前盾11的径向孔向盾体10全长范围内的开挖间隙，即通过前盾11的径向孔向盾体10与其他地层之间的间隙分次分级压力喷射衡盾泥：在0.4Mpa至0.5Mpa压力下，按衡盾泥的目标注入量的40％至50％注入盾体10全长范围内的开挖间隙；停止衡盾泥注射，向盾体10外注入0.3Mpa压力空气10至15分钟；在0.3至0.4Mpa压力之下，按衡盾泥的目标注入量的50％至60％补充注入盾体10全长范围内的开挖间隙；停止衡盾泥注射，向盾体10外注入0.2Mpa压力空气15至20分钟；在0.2Mpa至0.3Mpa压力之下，按衡盾泥的目标注入量的30％至60％加强注入盾体10全长范围内的开挖间隙。优选地，由于前盾11、中盾12、后盾13的直径依次减小，且刀盘20的直径大于前盾11的直径，盾体10全长范围外表面与土体之间存在间隙，在0.4Mpa压力下，按衡盾泥的目标注入量的50％注入盾体10的全长间隙；停止衡盾泥注射，向盾体10外注入0.3Mpa压力空气步骤S10至15分钟；在0.3至0.4Mpa压力之下，按衡盾泥的目标注入量的50％补充注入盾体10的全长间隙；停止衡盾泥注射，向盾体10外注入0.2Mpa压力空气15至20分钟；步骤S1045，在0.2至0.3Mpa压力之下，按衡盾泥的目标注入量的30％至60％加强注入盾体10的全长间隙，最终在其他地层与富水砂卵石地层界面处形成塑性防水衡盾泥浆环，并作为富水砂卵石地层首环水泥浆的防渗圈，保证后续开挖过程中各管片环50都在连续衡盾泥环封闭状态下实现水泥浆有效注射的效果。
进一步地，根据公式V1=π/4×[(D2-R1 2)×L1+(D2-R2 2)×L2+(D2-R3 2)×L3]计算盾体间隙30，根据公式V2=π/4×(R3 2-d2)×L计算管壳间隙40，其中：D为刀盘20开挖直径，R1为前盾11直径，L1为前盾11长度，R2为中盾12直径，L2为中盾12长度，R3为后盾13直径，L3为后盾13长度，d为管片环50的直径，L为管片环50长度。
进一步地，步骤S102，具体包括：步骤S1021，以初始参数启动并进行掘进，并经前盾11上的径向孔同步注入衡盾泥，以填充盾体间隙30，经后盾13上的注浆孔同步将水泥浆注入脱出后盾13的管片环50的外侧，以填充管壳间隙40，步骤S1022，以施工参数进行掘进，并经前盾11上的径向孔同步注入衡盾泥，以填充盾体间隙30，经后盾13上的注浆孔同步将水泥浆注入脱出后盾13的管片环50的外侧，以填充管壳间隙40。可以理解地，注浆体的注入方式和过程可以为：在盾构开挖推进过程中，经盾构机的前盾11的径向孔同步注入衡盾泥，填充盾体间隙30，控制盾构开挖阶段盾体10部分富水砂卵石地层沉降，并在盾体10周围形成一定厚度的衡盾泥注浆环；另外，经盾构机的后盾13的注浆孔将水泥浆注入脱出后盾13的管片环50外侧，填充管壳间隙40。其中，由于衡盾泥具有良好的流动性，小盾构仅需注单点注入即可，大盾构则需两点交替注入，可选用前盾11的顶部2个径向孔，即11点至1点范围径向孔，在衡盾泥的注入过程中，会向盾体10四周的土层中渗透一部分衡盾泥，从而形成了泥膜，有效的减少后续同步注浆的水泥浆向土层中渗透，并有效控制隧道拱顶变形。
进一步地，还包括步骤S103，在填充管壳间隙40后，对地表沉降进行连续监测，并判断地表沉降值是否在预设范围内，在地表沉降值不在预设范围内时，通过管片环50的注浆通道进行二次注浆。可以理解地，为了进一步避免盾构开挖后，地面造成沉降，在管片环50脱出后盾13后，1天地表沉降如若超出预警值，可通过二次注浆对其进行控制。
进一步地，步骤S101还包括根据盾构机的注浆设备的性能、地层的地质条件，计算衡盾泥的组分配合比。具体地，对于富水砂卵石地层而言，需满足一定的流塑状及抗渗性要求，由于不同比例形成的衡盾泥粘度及流态不同，并且不同盾构机的注浆设备性能不同，因而应该通过试验确定具体工程中盾12构机适应性的衡盾泥材料混合比例，可通过泥浆三件套测试不同比例衡盾泥比重和粘度确定其合适比例。
具体地，以一管片环50的长度L盾构隧道开挖过程说明施工方法如下：将按比例配制的衡盾泥管送至盾构机的注浆设备-衡盾泥罐，将按比例配制的水泥浆输送至注浆设备-水泥浆罐，运送管片至盾构机的拼装机下部；通过注浆泵送管路将衡盾泥压送至前盾11的径向孔，并开始喷射注入；按初始参数设定的推进速度、刀盘20转速和螺旋输送机启动盾构机，开始开挖，并逐渐调大推进速度、刀盘20转速和螺旋输送机转速至本发明要求的施工参数的范围值，其中，螺旋输送机转速调定以本发明计算的富水砂卵石地层土仓压力范围值为依据，盾构机开挖开始后同时启动后盾13的水泥浆注入泵，按设定压力进行管片环50外侧注浆；开挖过程中，分别通过衡盾泥注射管道和水泥浆注射管道连续注射注浆体，使最终在管片环50外形成衡盾泥和水泥浆组成的复合注浆环体；开挖达到一环管片宽度后，停止开挖工作，然后依次关停后盾13的水泥液和盾体10的衡盾泥注入，并安装管片形成管片环50；对地表沉降连续监测，在管片环50脱出后盾13后1天地表沉降如若超出预警值，可通过二次注浆对其进行控制。
进一步地，衡盾泥的目标注入量的注入率不低于盾体间隙30的130％，衡盾泥的注浆速度与掘进速度相匹配。可以理解地，在实际施工时为保证注浆填充效果，注入率应不低于130％，本发明衡盾泥和水泥浆注浆速度应与掘进推进速度相匹配，按盾构完成一环掘进的时间内完成当环注浆量来确定其平均注浆速度，达到均匀的注浆目的，采用注浆压力和注浆量双指标控制标准，即当注浆压力达到设定值时，则注浆量达到设计值的95％以上时，即可认为达到了质量要求。本发明衡盾泥注入压力为0.2Mpa～0.4Mpa；水泥浆注入压力根据盾构机性能参数、地层特性、衬砌环设计参数确定，一般高于盾构切口水土压力0.5～1.5bar，且不应大于3.0bar，避免注浆压力过高击穿后盾13密封或造成管片位移。
进一步地，衡盾泥的原材料为双组份配制材料，包括A料和B料，A料为衡盾泥粉料，B料为稀释溶液，A料与水的质量比为1：1.5～1:2.5，B料与水的质量比为1:0.5～1：1.5，A料与水的混合料和B料与水的混合液的质量比例为10:1～20:1，比重范围为1.16～1.28。可以理解地，本发明所用衡盾泥原材料为双组份配制材料，分A组份和B组份，A组份为衡盾泥粉料，即A料，B组份为稀释溶液，即B料。具体地，根据施工要求采用衡盾泥粉料、塑化剂及稀释溶液调配出衡盾泥，衡盾泥的流塑状及粘性与衡盾泥中各组份的比例直接相关，施工前应先通过试验确定满足工程需要的衡盾泥生产比例，本发明方案实际施工中，所用衡盾泥的比例范围为：衡盾泥粉料与稀释溶液(水)的质量比为1：1.5～1：2.5；塑化剂与水的质量比为1：0.5～1：1.5；衡盾泥混合料与塑化剂混合液的质量比为10：1～20：1，比重范围为1.16～1.28。推荐比例为：衡盾泥粉料与水质量比为1：1.5；塑化剂与水质量比为1:0.75；衡盾泥混合料与塑化剂混合液质量比为17.5：1，对应比重为1.255。调配出的衡盾泥的粘度为350～600dpa.s，载荷能力不低于1.5千克/平方厘米，失水率为39.4％～47％(恒温30°)，附着力为1～7级(恒温40°)。
进一步，水泥浆配比按每立方水泥浆液计算为：水泥：粉煤灰：膨润土：砂：水＝125:370:40:575:375，单位为千克，胶凝时间为3小时至6小时。可选地，本发明所有水泥浆配比按每立方米浆液计算为：水泥：粉煤灰：膨润土：砂：水＝125:370:40:575:375，单位为千克。其胶凝时间一般为3～6h，根据地层条件和掘进速度，可以通过现场试验加入促凝剂及变更配比来调整胶凝时间，对于强透水砂卵石地层和抗扰动级别较高的地段，可通过现场试验进一步调整配比或者加入添加剂的方法，进一步缩短胶凝时间。
进一步地，二次注浆压力为0.2MPa～0.4MPa。可以理解地，二次注浆采用水泥-水玻璃双液浆，双浆液配比为：水玻璃浓度为35波美度，水灰比0.8～1.0，稳定剂2％～6％，减水剂0～1.5％，混合液的混合体积比为1:1～1:0.3。可选地，本发明二次注浆采用水泥-水玻璃双液浆，双浆液配比为：水玻璃35波美度，水灰比0.8～1.0，稳定剂2％～6％，减水剂0～1.5％，混合体积比为1:1～1:0.3。二次注浆压力控制在0.2MPa～0.4MPa，实际压力根据现场注浆效果最终确定。补强注浆一般情况下以压力控制，达到设计注浆压力则结束注浆，视注浆效果可再次进行补注浆。
更优地，本发明中对渣土进行改良：改良方案为，泡沫体积分数为3％，注入体积比为15％～40％，膨润土质量比为150～300g/L，体积注入比为15％～50％。其中，泡沫体积分数至泡沫剂原液与水的体积之比，膨润土质量比为膨润土干粉料质量与水的质量之比，体积注入比为泡沫或膨润土泥浆与开挖渣土的体积之比，以有效减少污染。
请参考图3，在富水砂卵石地层60盾构施工时，本发明提供一种具体的实施方式如下：某220kV电力隧道工程全长5957.012m，采用盾构法施工，隧道内径3.6m，外径4.1m，最小曲线半径150m，最大坡度18‰，规划出线4回220kV电缆和8回110kV电缆。其中，标段区间隧道2#盾构机-1#盾构井区间长度3050m，2#盾构井-3#盾构区间长度2841.8m，均采用盾构法施工。本隧道工程采用2台盾构机承担区间隧道施工任务，两台盾构机掘进方向均从2#盾构井始发到1#、3#盾构井。盾构机开挖直径4.35m，刀盘20转速0～3rpm，刀盘20开口率38％，最大推进速度80毫米/min，最大推力1862T，整机总长115m，盾体10长度7.813m。本盾构隧道段内地层条件复杂，沿线地面环境复杂，敏感性建构筑物较多，扰动安全风险高。其中，在2#盾构井～2#出线井区间，周边条件较复杂，沿线重要建(构)筑物主要有在建地铁出入口、城市主干道快速化改造高架桥的沿线桥桩、新建人行天桥、住宅小区、临街商业房、高压铁塔基础、沿线重要地下管线等。特别是在建的地铁，与本盾构段电力隧道平行；临街民房为商业用房，与本电力隧道空间距离最近3.6m，且为砖混-浅基础结构。根据城市轨道交通地下工程建设风险管理规范、城市轨道交通工程风险评估指南、地铁挤地下工程建设风险管理指南等，评价相关近接建筑物为II级高度风险。
本区间盾构下穿段地层主要包括素填土层、粉质粘土层、质粘土层、圆砾层、卵石层、砾岩、质粘土层。其中，素填土层(Q4jm1)：褐黄色～褐红色，稍密，稍湿，主要成分为粘性土及砂土，局部含砾石，底部夹耕植土，为近期修建道路时分层碾压回填，厚度0.60～9.5m不等，沿线大部分地区均有分布；粉质粘土层(Q3bsa1)：黄、褐黄夹灰白硬塑，含少许黑色铁锰质氧化物，似网纹结构，无摇震反应，有光泽，强度中等，厚度1.0～16.2m不等；粉质粘土层(Q3bsa1)：黄、褐黄夹灰白，软塑，含少许黑色铁锰质氧化物及粉细砂，无摇震反应，有光泽，干强度中等，韧性中等，厚度0.8～5.7m不等；圆砾层(Q3bsa1)：褐黄色，饱和，稍密～中密状，砾石含量50％以上，粒径0.5～2cm，成分为石英质、磨圆度较好，中粗砂充填，多夹卵石，往下有增多趋势，粒径达4-6cm。混少量黏性土，级配较好，厚度0.6～38m不等；卵石层(Q3bsa1)：褐黄色，饱和，中密～密实状，卵石含量约60％，主要成分为石英砂岩、砂岩，亚圆形，粒径2-4cm，最大粒径达8-10cm，砂质充填，混约10％黏性土，厚度0.5～49.5m不等；粉质粘土层(Qe1)：褐黄色，褐红色，硬塑-坚硬状，含少许黑色铁锰质氧化物，无摇震反应，稍有光泽，韧性中等，干强度中等，厚度0.6～27.0m不等；砾岩(K)：紫红、褐黄色，全风化，碎屑结构，厚层状构造，胶结极差，大部分风化呈土状，手捏即散，砾石多为板岩、砂岩，少量泥岩，粒径2～30毫米，厚度1.0～48.50m不等，岩体基本质量等级为Ⅴ级，沿线大部分地区均有分布。
本区间盾构下穿段水文条件主要为：地下水类型及富水性。该场地地下水位稳定水位埋深在0.4～17.4米之间，水位标高在22.57～59.49米之间变化。上层滞水：赋存于人工填土中，主要靠大气降水和地表水下渗补给，以蒸发或向下渗透到潜水中的方式***，季节变化大，不连续。其与含水层的埋藏深度相关，并与其地形坡降基本一致；潜水：赋存于河床、漫滩及各阶地的粉土、粉细砂、圆砾及卵石中，水量丰富，给水性和透水性良好，孔隙潜水与上层滞水相邻，水力关系密切，潜水含水层属强透水地层；承压水：在河两岸粉质粘土底部夹杂有粉细砂的土层段、圆砾层为承压水含水层，其含水性能与砂砾形状、大小、颗粒级配及粘粒含量等有密切关系，主要补给来源为地下径流以及上层孔隙潜水的越流补给，渗透性强，富水性中等；基岩裂隙水：赋存于板岩、砾岩与泥质粉砂岩中，基岩裂隙连通性较好，一般透水性差，富水性差。基岩裂隙水主要赋存强～中风化基岩风化裂隙中，多具承压性，地下水的赋存不均一。岩层的涌水量和透水性主要由其裂隙发育程度所控制，存在明显的不均匀性，局部有较大涌水量的可能。总体来讲，阶地中的孔隙水多因河流水位的升涨而呈现出由承压水到潜水间的性质变化，并对盾构隧道的安全施工带来一定风险。
本区间盾构施工重难点分析：区间在DK1+705～DK1+772、DK1+881～DK2+010、DK2+130～DK2+180下穿临街民房，盾构施工时对区间地表沉降控制、沿线建(构)筑物及管线的保护是本工程的重点，也是衡量工程建设质量的重要标准。区间设计应根据区间隧道与建(构)筑物关系、相互影响程度及区间隧道施工可能产生的后果，制定加固保护原则，对沿线建(构)筑物进行分类分级保护。按照设计图纸，该下穿位置采用袖阀管注浆加固，民房监测沉降数据达到预警值8毫米，采取保护措施。由于受地面交通疏解和施工场地条件限制，原设计采用的袖阀管注浆方案无法实施，因此导致该下穿位置均未进行地面加固条件；此外，区间主要为富水砂卵石地层，在盾构开挖过程中主要面临：地层损失较难控制：根据地勘报告，地层具有压缩性较高、强度低，因此地基沉降大，且多为不均匀沉降，盾构施工引起地层损失较难控制，其可控性很难得到精确的保证；该穿越区间的房屋比较密集，且各土层分布不均，再加上房屋本身地基的设计及用料等因素，极易造成不均匀沉降或倾斜而导致已有房屋产生不均匀沉降而造成房屋变形或裂缝；同步注浆效果不确定，对于惰性浆，还存在浆液泌水收缩等问题，过大的注浆压力容易劈裂周边土，造成长期沉降；地层二次扰动沉降较难控制，区间穿越房屋群，土体已扰动，房屋墙体如果出现不同程度裂纹，后期在盾构下穿房屋位置进行二次注浆，将对房屋造成二次扰动影响，沉降控制难度较大；根据前期掘进总结因地基承载力低，停机超过24小时极易出现盾构姿态变化现象。
本区间盾构开挖扰动敏感区间应对措施及参考施工过程：(1)根据勘查资料，有针对性的进行地质补勘，尤其盾构穿越建构筑物区段，进一步明确穿越段地质情况，选取典型地质断面进行钻孔取芯，根据土工试验结果，结合盾构机情况，初步设定盾构机穿越施工参数。盾构穿越施工前，通过设置模拟穿越施工段，根据实际推进参数进行分析总结，并对推进参数进行不断优化，确保盾构穿越施工参数的合理化，将对建构筑物的影响降至最低；(2)为了降低盾构施工安全风险，控制地面及建(构)筑物沉降，保障盾构穿越民房等建(构)筑物的安全。项目部分别从技术方案、施工时间、施工设备、文明施工与保护、沉降控制效果等方面对盾构下穿扰动敏感段进行了注浆加固及衡盾泥方案的优缺点比选，并最终在无法按照设计方案进行地面注浆加固以及衡盾泥优越突出经济技术指标的的情况下，决定在盾构施工扰动敏感段采取本发明提出的施工方法。在盾构机掘进的过程中通过前盾11的径向孔同步注入衡盾泥到盾体10外，填充盾体10与土体之间的间隙，达到有效控制盾构推进时所引起的富水砂卵石地层沉降变形，辅助盾构通过后得地层沉降控制；(3)盾构施工前进行同步注浆配合比试验，通过试验优选泌水率小，初凝时间适宜的注浆配比，在盾构推进过程中，确保同步注浆速率与推进速率匹配，使同步注浆浆液能够有效填充后盾13建筑空隙，并根据监测数据对同步注浆配合比及注入方量进一步优化；(4)保证盾构开挖面的稳定，根据本发明施工方法，通过优化掘进参数并结合实测反馈，严格控制推力，减小盾构推进对地层造成的扰动；设定推进速度、调整排土量或设定排土量调整推进速度，达到土仓压力与地层压力动态平衡，有效控制地面沉降；(5)在盾构掘进中，尽快在脱出盾构后的衬砌背面环形建筑空隙中充填足量的水泥浆液材料，根据监测资料，及时进行二次注浆补强，以减小盾构通过后土体产生后期沉降，控制地面沉降。
具体的工艺方法为：盾构机适应性衡盾泥配合比确定：根据地层的地质条件和掘进要求，选用本发明推荐比例：A料与水比例为1：1.5，B料与水比例为1:0.75，A料与水的混合料和B料与水的混合液比例为17.5:1，对应比重为1.255。其中，衡盾泥的配置流程：称重A组份→加入需用的水量→充分搅拌均匀→(反应30分钟-24小时后)→将配比用量的B组份→加入A剪切泵中均匀搅拌；注浆体注入量计算：盾构机刀盘20开挖直径为4350毫米，后盾13外径为4290毫米，根据盾体10外最大间隙计算，盾壳外衡盾泥每米注入体积为0.5立方米。按每米注入率150％计算，实际每米注入体积为0.75立方米；注入压力设置在0.3～0.4MPa，注入过程中根据不同地层及埋深进行了适当调整。本区间内共使用衡盾泥A料240吨，衡盾泥B料40吨，其中损耗量为5％；注入过程：盾构掘进过程中，通过从盾构机的前盾11位置的径向孔处同步注入衡盾泥，下穿地面扰动敏感性小区建筑物之前提前十环开始注入，即本发明提出的其他地层与富水砂卵石地层界面的处理方法。施工过程中及时填充盾构施工过程中由于刀盘20超挖造成的盾体10与土体之间的空隙，具体施工中根据盾构机正上方地面的沉降量进行了及时调整；盾构在掘进过程中，依据本发明施工参数计算及取值方法，及时分析和总结该段盾构掘进参数，综合实际情况制定了下穿段掘进参数精细化控制值。其中，土仓压力1.6～1.8bar，盾构总推力4000～5000kN，刀盘20扭矩600～800kN·m，刀盘20转速1.2～1.5r/min，盾构掘进速度35～50毫米/min，贯入度20～30毫米/r。
本工程采用本发明富水砂卵石地层盾构近接敏感建筑物精细化控制施工方法具有的效果：①盾构掘进过程中注入衡盾泥，掘进过程中实时控制，与盾构施工同步进行，不占用其它施工环节时间，施工时间短；②隧道内施工，文明施工难度小，材料无污染，满足环保要求，最重要的是有效控制了盾构掘进时引起的富水砂卵石地层变形，可将地层变形控制在7毫米以内，实现了地面敏感性建筑物扰动控制的目标，并比传统地面钻孔注浆加固节省成本。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种富水砂卵石地层盾构近接敏感建筑物精细化控制施工方法，其特征在于，
盾构机的盾体包括沿掘进方向依次排布并连接的前盾、中盾和后盾，且所述前盾、中盾和后盾的直径依次减小，所述前盾的前端上设有用于开挖的刀盘，所述刀盘的开挖直径大于所述前盾的直径，所述盾构机开挖推进过程中，刀盘开挖断面与所述盾体的外表面之间形成盾体间隙，且在所述后盾内安装的管片环脱出所述后盾以后，所述管片环与所述盾体间隙之间构成管壳间隙，包括如下步骤：
步骤S101，设置所述盾构机的施工参数，以控制出土量，使所述盾构机土仓压力与掘进面土水压力相等，从而使所述盾构机处于土压平衡状态施工，所述盾构机的施工参数包括土仓压力、推进速度、刀盘转速、螺旋输送机转速和出土量；
计算注浆体的注入量：根据所述盾体间隙计算衡盾泥的目标注入量，根据所述管壳间隙计算水泥浆的目标注入量；
步骤S102，在所述盾构机掘进过程中，经所述前盾上的径向孔同步注入衡盾泥，以填充所述盾体间隙，经所述后盾上的注浆孔同步将水泥浆注入脱出所述后盾的所述管片环的外侧，以填充所述管壳间隙；
还包括步骤S103，在填充所述管壳间隙后，对地表沉降进行连续监测，并判断地表沉降值是否在预设范围内，在地表沉降值不在预设范围内时，通过所述管片环的注浆通道进行二次注浆；
盾构机从其他地层进入富水砂卵石地层之前，在停机状态下，通过所述前盾的径向孔向所述盾体间隙分次分级压力喷射衡盾泥：步骤S1041，在0.4Mpa至0.5Mpa压力下，将衡盾泥按所述衡盾泥的目标注入量的40％至50％注入所述盾体间隙；步骤S1042，停止衡盾泥注入，向所述盾体间隙注入0.3Mpa压力空气10至15分钟；步骤S1043，在0.3Mpa至0.4Mpa压力下，将衡盾泥按所述衡盾泥的目标注入量的50％至60％补充注入所述盾体间隙；步骤S1044，停止衡盾泥注入，向所述盾体间隙注入0.2Mpa压力空气15至20分钟；步骤S1045，在0.2Mpa至0.3Mpa压力下，将衡盾泥按所述衡盾泥的目标注入量的30％至60％加强注入所述盾体间隙；
土仓压力设定：富水砂卵石地层盾构施工前，先计算对应掘进面土压力设定范围，再对土仓密封舱板土压力值按公式a＝0.0106η+0.1248进行修正，其中掘进工作面土压力值P应满足公式Pa≤P≤Pp，土仓密封舱板土压力值Pt等于掘进工作面土压力值P与压力传递系数a之积；其中：
对应下限主动土压力Pa通过公式：Pa=πD2γ(H+D)tan2(45°-φ/2)获取；
对应上限被动土压力值Pp通过公式：Pp=πD2γ(H+D)tan2(45°+φ/2) 获取；
其中，φ为摩擦角；η为刀盘开口率；H为隧道埋深，隧道拱顶至地面深度；γ为土的重度；D为刀盘开挖直径；
在近接敏感建筑物盾构施工时，经前盾的径向孔同步注入衡盾泥，以填充盾体间隙，控制盾构开挖阶段盾体部分富水砂卵石地层沉降，并在盾体周围形成一定厚度的衡盾泥注浆环，形成双环结构，避免了在富水砂卵石地层中注浆时水泥浆液渗流至地层较大孔隙里或被地下水稀释，使水泥浆形成有效注浆填充体；并且在注入衡盾泥的过程中，会向盾体四周的土层中渗透一部分衡盾泥形成了泥膜，有效的减少后续同步注浆的水泥浆向土层中渗透，有效控制隧道拱顶变形，通过从开挖间隙同步注浆进行填充和土压平衡控制两个方面，实现了全过程的扰动控制理念，对富水砂卵石地层施工扰动进行了针对性控制，并充分考虑了掘进工作面土压力与盾构机土仓密封舱板土压力之间的压力差，对盾构机施工参数进行精细化控制，实现土压平衡控制，从而避免了超挖及不正常开挖对富水砂卵石地层的强扰动，实现了富水砂卵石地层盾构施工扰动地表沉降毫米级控制施工。
2.根据权利要求1所述的富水砂卵石地层盾构近接敏感建筑物精细化控制施工方法，其特征在于，
根据公式V1=π/4×[(D2-R1 2)×L1+(D2-R2 2)×L2+(D2-R3 2)×L3] 计算盾体间隙；
根据公式V2=π/4×(R3 2-d2) ×L计算管壳间隙；
其中：R1为前盾直径，L1为前盾长度，R2为中盾直径，L2为中盾长度，R3为后盾直径，L3为后盾长度，d为管片环的直径，L为管片环长度。
3.根据权利要求2所述的富水砂卵石地层盾构近接敏感建筑物精细化控制施工方法，其特征在于，
步骤S102具体包括：
步骤S1021，以初始参数启动并进行掘进，并经所述前盾上的径向孔同步注入衡盾泥，以填充所述盾体间隙，经所述后盾上的注浆孔同步将水泥浆注入脱出所述后盾的所述管片环的外侧，以填充所述管壳间隙，
步骤S1022，以所述施工参数进行掘进，并经所述前盾上的径向孔同步注入衡盾泥，以填充所述盾体间隙，经所述后盾上的注浆孔同步将水泥浆注入脱出所述后盾的所述管片环的外侧，以填充所述管壳间隙。
4.根据权利要求3所述的富水砂卵石地层盾构近接敏感建筑物精细化控制施工方法，其特征在于，
步骤S101还包括：根据所述盾构机的注浆设备的性能、地层的地质条件，计算衡盾泥的组分配合比。
5.根据权利要求4所述的富水砂卵石地层盾构近接敏感建筑物精细化控制施工方法，其特征在于，
所述衡盾泥的目标注入量的注入率不低于盾体间隙的130％，所述衡盾泥的注浆速度与掘进速度相匹配。
6.根据权利要求5所述的富水砂卵石地层盾构近接敏感建筑物精细化控制施工方法，其特征在于，所述衡盾泥的原材料为双组份配制材料，包括A料和B料，A料为衡盾泥粉料，B料为稀释溶液，A料与水的质量比为1：1.5～1:2.5，B料与水的质量比为1:0.5～1：1.5，A料与水的混合料和B料与水的混合液的质量比例为10:1～20:1，比重范围为1.16～1.28。
7.根据权利要求6所述的富水砂卵石地层盾构近接敏感建筑物精细化控制施工方法，其特征在于，水泥浆配比按每立方水泥浆液计算为：水泥：粉煤灰：膨润土：砂：水＝125:370:40:575:375，单位为千克，胶凝时间为3小时至6小时。
8.根据权利要求7所述的富水砂卵石地层盾构近接敏感建筑物精细化控制施工方法，其特征在于， 二次注浆压力为0.2MPa～0.4MPa。
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