一種控制大型矩形頂管掘進土體變形的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種控制大型矩形頂管掘進土體變形的方法，包括以下步驟：拌制減摩漿液，減摩漿液的組分包括水、膨潤土、高分子聚合物；在矩形頂管的管片上設置注漿口，在注漿口上連接注漿管路；于管片的推進過程中，通過注漿管路對管片外表面與土體之間壓注減摩漿液，于管片外表面形成一層泥漿套，以隔斷管片與土體間的直接接觸。通過綜合手段來控制復雜土層、大斷面矩形頂管掘進過程中的土體變形，首先在原頂管施工中所用的膨潤土漿液中按照一定配比添加高分子聚合物，大大提高充填漿液的黏度及承壓性，并減少在復雜土層中自身的濾失量。其次通過土體補償措施穩(wěn)定沉降，甚至抬升沉降區(qū)域土體，使沉降參數(shù)符合施工要求。
【專利說明】一種控制大型矩形頂管掘進土體變形的方法

【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種隧道施工領域，尤其涉及一種控制大型矩形頂管掘進土體變形的 方法、裝置及減摩漿液。

【背景技術(shù)】
[0002] 矩形頂管作為地下通道非開挖施工的一種，其對交通繁忙、人口密度、地面建筑物 眾多、地下建筑物和管線復雜的市區(qū)來說非常重要。其施工特點是不影響穿越段地面的交 通及穿越土層中的管線，于是頂進施工中對于土體的變形必須嚴格控制。
[0003] 傳統(tǒng)土體變形控制措施是通過匹配出土量及施工過程中壓注減摩漿液（膨潤土 + 水），但對復雜地層無法做到嚴格控制，且對于已形成沉降大的頂進斷面尚無明確控制及彌 補的措施。
[0004] 傳統(tǒng)土體變形控制的實現(xiàn)方案如下：
[0005] 1、減摩漿液壓注：
[0006] 1)準備步驟
[0007] 減摩漿液材料準備：水、膨潤土；
[0008] 調(diào)試壓漿系統(tǒng)相關設備：地面供水系統(tǒng)、地面拌漿系統(tǒng)、井下漿液壓注管路系統(tǒng)；
[0009] 壓注量計算：管節(jié)與土體間隙容量；
[0010] 2)壓注步驟
[0011] (1)按照一定配比拌制漿液；
[0012] (2)發(fā)酵后漿液泵送至井下儲漿桶；
[0013] (3)手動開啟注漿管路球閥進行漿液壓注；
[0014] (4)控制并記錄壓入量及壓注壓力；
[0015] 2、施工中控制匹配進尺量及出土量：
[0016] 根據(jù)斷面尺寸計算出理論推進每延米的出土量，根據(jù)此數(shù)據(jù)控制出土量。
[0017] 施工推進過程中刀盤會對上層土體持續(xù)擾動，通過管壁外填充漿液具有一定效 果，但針對復雜土層膨潤土漿液自身的濾失量及承壓性無法保證土體沉降變形在可控范 圍；根據(jù)匹配進尺量控制出土量在經(jīng)過土體改良后及倒土不徹底等因素下其準確性存在較 大波動。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0018] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種減小摩擦阻力、提高充填漿液的黏度及承 壓性，并減少在復雜土層中自身的濾失量的控制大型矩形頂管掘進土體變形的方法、裝置 及減摩楽液。
[0019] 為實現(xiàn)上述技術(shù)效果，本發(fā)明公開了一種控制大型矩形頂管掘進土體變形的方 法，所述方法包括以下步驟：
[0020] 拌制減摩漿液，所述減摩漿液的組分包括水、膨潤土、高分子聚合物，其中所述高 分子聚合物占減摩漿液的2?2. 5% ;
[0021] 在所述矩形頂管的管片上設置注漿口，在所述注漿口上連接注漿管路；
[0022] 于所述管片的推進過程中，通過所述注漿管路對所述管片外表面與土體之間壓注 所述減摩漿液，于所述管片外表面形成一層泥漿套，以隔斷所述管片與所述土體間的直接 接觸。
[0023] 本發(fā)明進一步的改進在于，所述高分子聚合物包括大、中分子量的聚丙烯酸鹽、纖 維素鹽、抗鹽抗鈣劑、改性土。用于配制初始基礎減摩漿液。大、中分子量的聚合物材料與 有益顆粒（切削下的改性土或膨潤土）之間，顆粒與顆粒之間相互吸附，形成布滿整個泥水 空間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)框架，將自由水喝土顆粒包圍其結(jié)構(gòu)中，以提高泥漿的粘度切力，降低濾失 量，完成造漿護壁的初始漿液。
[0024] 本發(fā)明進一步的改進在于，在所述管片的左右兩邊對稱設置多個所述注漿口。
[0025] 本發(fā)明進一步的改進在于，所述注漿管路包括注漿總管和多個注漿支管，所述注 漿支管的第一端分別采用三通或二通相互并接于所述注漿總管上，所述注漿支管的第二端 連接所述注漿口。
[0026] 本發(fā)明進一步的改進在于，所述注漿總管與所述注漿支管之間安裝有用于控制所 述注漿口啟閉的電動球閥，所述電動球閥控制連接于PLC控制器，所述PLC控制器控制所述 電動球閥采用左右單點循環(huán)壓注的方式使所述注漿口向所述管片外表面與所述土體之間 壓注所述減摩漿液。
[0027] 本發(fā)明進一步的改進在于，所述注漿總管與所述注漿支管之間還設有電子壓力 計，用于監(jiān)控所述注漿管路內(nèi)的壓力。
[0028] 本發(fā)明進一步的改進在于，所述注漿支管上還設有手動球閥。
[0029] 本發(fā)明進一步的改進在于，在所述管片的推進過程中還包括以下步驟：
[0030] 拌制改良土體；
[0031] 在所述矩形頂管的頂部及底部設置壓泥口，在所述壓泥口上連接壓泥管路；
[0032] 于所述管片的推進過程中，實時監(jiān)測土體沉降情況，通過所述壓泥管路對沉降區(qū) 域的所述管片與土體之間壓注所述改良土體，抬升所述沉降區(qū)域。
[0033] 本發(fā)明由于采用了以上技術(shù)方案，使其具有以下有益效果：
[0034] 1、減摩漿液通過改良，提高稠度、承壓性，降低濾失量，大大提高漿液質(zhì)量；
[0035] 2、自動化、全斷面漿液壓注，確保泥漿套連續(xù)性及完整性，減少背土，控制土體變 形；
[0036] 3、土體補償，作為土體變形控制后續(xù)手段，能及時穩(wěn)定施工段土體沉降，對于壓入 量的調(diào)節(jié)可以抬升沉降區(qū)域，減少沉降量，效果顯著。
[0037] 通過綜合手段來控制復雜土層、大斷面矩形頂管掘進過程中的土體變形，首先在 原頂管施工中所用的膨潤土漿液中按照一定配比添加高分子聚合物，大大提高充填漿液的 黏度及承壓性，并減少在復雜土層中自身的濾失量。其次通過土體補償措施穩(wěn)定沉降，甚至 抬升沉降區(qū)域土體，使沉降參數(shù)符合施工要求。
[0038] 減摩漿液在減少管片管壁摩阻力的同時，其自身所形成的泥漿套隔斷了管片管壁 與土體的直接接觸，防止掘進過程中背土現(xiàn)象，有效的減小及控制了施工段土體變形。注漿 管路左右獨立，保證管節(jié)每個點位都能及時得到漿液補充。自動化操作及數(shù)據(jù)采集，精確控 制壓注量及壓注壓力，確保泥漿套形成的連續(xù)性和完整性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0039] 圖1是矩形頂管的施工狀態(tài)示意圖。
[0040] 圖2是本發(fā)明控制大型矩形頂管掘進土體變形的方法中減摩注漿系統(tǒng)的斷面結(jié) 構(gòu)示意圖。
[0041] 圖3是本發(fā)明控制大型矩形頂管掘進土體變形的方法中土體補償系統(tǒng)的斷面結(jié) 構(gòu)示意圖。
[0042] 圖4是注漿總管與注漿支管的三通連接結(jié)構(gòu)示意圖。
[0043] 圖5是注漿總管與注漿支管的二通連接結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0044] 下面結(jié)合附圖以及【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0045] 參閱圖1所示，矩形頂管的機頭20于土體中掘進，當掘進至一定距離后，機頭20 停止推進，然后利用始發(fā)井23內(nèi)的主頂裝置22將第一環(huán)管片21推出，依此類推，依次推進 機頭20和管片21，直至隧道貫通。本發(fā)明的控制大型矩形頂管掘進土體變形的裝置就是用 于在管片推進過程中減少管片與土體間的摩阻力，防止掘進過程中發(fā)生背土現(xiàn)象，有效的 減小及控制施工段土體變形。
[0046] 配合圖2和圖3所示，本發(fā)明的控制大型矩形頂管掘進土體變形的裝置主要由一 減摩注漿系統(tǒng)和一土體補償系統(tǒng)構(gòu)成，矩形頂管的管片21上分別開設有注漿口 211和壓泥 口 212,如圖1所示，注漿口 211設置于管片上，如圖2所示，壓泥口 212設置于管片的頂部 及底部。
[0047] 減摩注漿系統(tǒng)由地面供水系統(tǒng)、地面拌漿系統(tǒng)、井下漿液壓注管路系統(tǒng)及電動球 閥PLC控制系統(tǒng)構(gòu)成，地面供水系統(tǒng)及地面拌漿系統(tǒng)用于拌制減摩漿液，井下漿液壓注管 路系統(tǒng)包括注漿管路11，注漿管路11由2寸注漿總管111及多道相互并接于注漿總管上 的注漿支管112構(gòu)成，注漿總管111自地面供水系統(tǒng)和地面拌漿系統(tǒng)分兩路由G點和g點 分別接入矩形頂管21內(nèi)部，由G點和g點接入的兩道注漿總管111分別沿管片21內(nèi)壁布 設于管片21的左右兩邊，對矩形頂管21的左右兩邊獨立注漿。配合圖4和圖5所示，注漿 總管111的中部通過三通141連通注漿支管112的第一端，注漿總管111的末端則通過二 通142連通注漿支管112的第一端，注漿支管112的第二端連接管片上的注漿口 211，注漿 口 211均勻布設于管片21的管壁一周。電動球閥PLC控制系統(tǒng)包括一PLC控制器121及 控制連接于PLC控制器121的多個電動球閥122。在注漿總管111的中部，電動球閥122通 過安裝于三通141連通于注漿總管111與注漿支管112之間，用于控制注漿口 211的啟閉； 如圖5所示，在注漿總管111的末端，電動球閥122通過安裝于注漿支管112上連通于注 漿總管111與注漿支管112之間，并且在二通142與注漿支管112的第一端之間連接一電 子壓力計123,用于配合電動球閥122監(jiān)控注漿管路11內(nèi)的壓力。通過PLC控制器121控 制電動球閥12實現(xiàn)自動化壓注，提高施工質(zhì)量及效率。根據(jù)PLC控制器121內(nèi)設置的PLC 程序，在管片21推進過程中，采用左右單點循環(huán)壓注的自動壓注方式，如：A-B-C-D-E-F-A， a-b-c-d-e-f-a，如圖2所示，對管片21的外表面與掘進土體之間進往復注漿，壓注點位順 序可根據(jù)程序做相應改動。注漿支管上還連通有手動球閥124,用于手動控制注漿口 211的 啟閉。
[0048] 其中，所注漿液為由水、膨潤土、高分子聚合物組成的減摩漿液，高分子聚合物作 為一種HS-I型盾構(gòu)專用聚合物，主要由大、中分子量的聚丙烯酸鹽類、纖維素鹽類、抗鹽抗 鈣劑、改性土以及增效添加劑等組成。減摩漿液中包含2-2. 5%的該種高分子聚合物。大、 中分子量的聚合物材料與有益顆粒（切削下的改性土或膨潤土）之間，顆粒與顆粒之間相 互吸附，形成布滿整個泥水空間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)框架，將自由水和土顆粒包圍其結(jié)構(gòu)中，以提高 泥漿的粘度切力，降低濾失量，完成造漿護壁。
[0049] 根據(jù)摩阻力公式屮=€￥〇1[2肝(2!1+01)七&11(45。-(35/2)+￥八￥01)兒，采用25 8 上述高分子聚合物、120g膨潤土和IOOOml水配置而成的減摩漿液可以有效減少1000? 1500KN的摩阻力,其中，P為摩阻力，f為摩擦系數(shù)，γ為土的容重,H為覆土深度，Φ為土層 內(nèi)摩察角，W為管道單位長度自重，Dl為管道外徑，L為頂進長度。
[0050] 減摩漿液在減少管片管壁摩阻力的同時，其自身所形成的泥漿套隔斷了管片管壁 與土體的直接接觸，防止掘進過程中背土現(xiàn)象，有效的減小及控制了施工段土體變形。在管 片21推進過程中，采用自動化操作及數(shù)據(jù)采集，精確控制減摩漿液的壓注量及壓注壓力， 確保管片21的外表面與掘進土體之間形成連續(xù)、完整的泥漿套，以避免由于管片21的推進 對周邊土體的牽帶而引起的土體沉降變形，保證了矩形頂管掘進施工的質(zhì)量及安全。
[0051] 土體補償系統(tǒng)包括壓泥設備131及壓泥管路132,壓泥設備131頂部設有一加泥斗 1311，用于將施工出土添加膨潤土漿液改良后的土體送至壓泥設備151，壓泥管路132的第 一端連接壓泥設備131，壓泥管路132的第二端連接壓泥口 212,壓泥口 212均勻布設于矩 形頂管外管壁的頂部及底部，通過壓泥管路152對管片21外的泥漿套外側(cè)與土體之間進行 壓泥以抬高土體，補償土體沉降。
[0052] 本發(fā)明控制大型矩形頂管掘進土體變形的方法主要由減摩漿液壓注施工及土體 補償施工構(gòu)成，其中，
[0053] 1、減摩漿液壓注施工步驟如下：
[0054] 1)準備步驟
[0055] 減摩漿液材料準備：水、膨潤土、HS-I型盾構(gòu)專用聚合物；
[0056] 調(diào)試壓漿系統(tǒng)相關設備：地面供水系統(tǒng)、地面拌漿系統(tǒng)、井下漿液壓注管路系統(tǒng)、 電動球閥PLC控制系統(tǒng)；
[0057] 壓注量計算：管片與土體間隙容量。
[0058] 2)壓注步驟
[0059] (1)按照一定配比拌制減摩楽液，減摩楽液采用25g高分子聚合物、120g膨潤土和 IOOOml水拌制而成；
[0060] (2)通過注漿管路11將減摩漿液泵送至井下儲漿桶；
[0061] (3)采用PLC控制器自動開啟注漿管路電動球閥對管片外表面及土體間進行漿液 壓注；
[0062] (4)自動采集壓入量及壓注壓力。
[0063] 3)連接方式：
[0064] (1)管節(jié)內(nèi)注漿總管111及注漿支管112分為左右2部分，各自獨立，分別對對稱 設置與管片左右兩邊的注漿口進行注漿，保證每個點位漿液壓注充分；
[0065] (2)2寸注漿總管111接入，經(jīng)三通分出注漿支管112并聯(lián)管壁一周的第一注漿孔， 加裝電動球閥及電子壓力計，實現(xiàn)自動化壓注，提高施工質(zhì)量及效率。
[0066] 4)控制方式：
[0067] 根據(jù)設置的PLC程序，自動壓注方式為左右單點循環(huán)壓注。如：A-B-C-D-E-F-A， a-b-c-d-e-f-a，如此往復，壓注點位順序可根據(jù)程序做相應改動。
[0068] 減摩漿液在減少管片管壁摩阻力的同時，其自身于管片管壁與土體之間形成的泥 漿套，隔斷了管片管壁與土體的直接接觸，防止掘進過程中背土現(xiàn)象，有效的減小及控制了 施工段土體變形。12個壓注點，左右管路獨立，保證管節(jié)每個點位都能及時得到漿液補充。 自動化操作及數(shù)據(jù)采集，精確控制壓注量及壓注壓力，確保泥漿套形成的連續(xù)性和完整性。
[0069] 2、土體補償施工步驟如下：
[0070] 1)準備步驟
[0071] 材料準備：土、水、膨潤土；
[0072] 地面土體改良拌制系統(tǒng)，優(yōu)化土體流塑性；
[0073] 壓泥系統(tǒng)調(diào)試。
[0074] 2)控制步驟
[0075] (1)施工出土添加膨潤土漿液改良，拌制改良主體；
[0076] (2)改良后土體送至壓泥設備151 ;
[0077] (3)根據(jù)沉降位置確定壓注位置；
[0078] (4)實施壓泥操作；
[0079] (5)控制壓注量及壓力并作相關數(shù)據(jù)記錄；
[0080] (6)地面實時監(jiān)測壓注區(qū)域地面沉降變化。
[0081] 結(jié)合圖5所示，矩形頂管施工過程中，通過地面沉降報表實時反饋施工段地面沉 降情況。如測量人員在頂進里程A點發(fā)現(xiàn)沉降超過預警值，通過該位置的實際里程，找到相 應土層正下方的2#管片。這樣可以通過在該區(qū)域1#、2#、3#管片進行管片外壁壓泥，根據(jù) 壓泥量的控制先達到穩(wěn)定沉降趨勢，之后抬升沉降區(qū)域減少沉降量。
[0082] 本發(fā)明通過綜合手段來控制復雜土層、大斷面矩形頂管掘進過程中的土體變形， 首先在原頂管施工中所用的膨潤土漿液中添加HS-I型盾構(gòu)專用聚合物，大大提高充填漿 液的黏度及承壓性，并減少在復雜土層中自身的濾失量。其次通過土體補償措施穩(wěn)定沉降， 甚至抬升沉降區(qū)域土體，使沉降參數(shù)符合施工要求。
[0083] 以上結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域中普通技術(shù)人員可根據(jù)上 述說明對本發(fā)明做出種種變化例。因而，實施例中的某些細節(jié)不應構(gòu)成對本發(fā)明的限定，本 發(fā)明將以所附權(quán)利要求書界定的范圍作為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種控制大型矩形頂管掘進土體變形的方法，其特征在于所述方法包括以下步驟： 拌制減摩漿液，所述減摩漿液的組分包括水、膨潤土、高分子聚合物，其中所述高分子 聚合物占減摩漿液的2?2. 5% ; 在所述矩形頂管的管片上設置注漿口，在所述注漿口上連接注漿管路； 于所述管片的推進過程中，通過所述注漿管路對所述管片外表面與土體之間壓注所述 減摩漿液，于所述管片外表面形成一層泥漿套，以隔斷所述管片與所述土體間的直接接觸。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述高分子聚合物包括大、中分子量的聚丙 烯酸鹽、纖維素鹽、抗鹽抗鈣劑、改性土。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：在所述管片的左右兩邊對稱設置多個所述 注漿口。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于：所述注漿管路包括注漿總管和多個注漿支 管，所述注漿支管的第一端分別采用三通或二通相互并接于所述注漿總管上，所述注漿支 管的第二端連接所述注漿口。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于：所述注漿總管與所述注漿支管之間安裝有 用于控制所述注漿口啟閉的電動球閥，所述電動球閥控制連接于PLC控制器，所述PLC控制 器控制所述電動球閥采用左右單點循環(huán)壓注的方式使所述注漿口向所述管片外表面與所 述土體之間壓注所述減摩漿液。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于：所述注漿總管與所述注漿支管之間還設有 電子壓力計，用于監(jiān)控所述注漿管路內(nèi)的壓力。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于：所述注漿支管上還設有手動球閥。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在所述管片的推進過程中還包括以下步驟： 拌制改良土體； 在所述矩形頂管的頂部及底部設置壓泥口，在所述壓泥口上連接壓泥管路； 于所述管片的推進過程中，實時監(jiān)測土體沉降情況，通過所述壓泥管路對沉降區(qū)域的 所述管片與土體之間壓注所述改良土體，抬升所述沉降區(qū)域。
【文檔編號】C04B30/00GK104265326SQ201410382501
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年8月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月6日
【發(fā)明者】陳旭光, 方濤, 黃 俊, 蔡雯俊, 黃德中, 吳列成, 李剛, 舒剛強, 徐連剛, 范杰, 呂錦, 王旋東, 錢曉華 申請人:上海隧道工程有限公司, 上海隧道盾構(gòu)工程有限公司