一种超前钻孔控制盾构机姿态漂移的施工方法与流程

本发明涉及盾构隧道施工领域，特别涉及一种超前钻孔控制盾构机姿态漂移的施工方法。

背景技术：

盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它是采用盾构机在地层中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用刀盘进行土体切削，通过出土机械运出洞外，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。

目前城市地铁盾构隧道施工中，在泥岩地层或含此类软弱地层的复合地层中掘进时，或是由于地质条件变异性，容易遇到盾构机上浮严重或姿态漂移的情况，致使盾构机掘进方向发生偏差，严重危及隧道施工安全。目前大多依靠盾构自身系统进行控制预防盾构姿态，如利用千斤顶不均匀施力抑制隧道上浮和衬背注浆工法可以解决盾构位移，但不稳定的浆液材料对整条隧道造成隐患，而且短期内发生超出限界的、没有征兆的盾构漂移并无合适的解决方法。

技术实现要素：

本发明目的在于：针对在泥岩地层或含泥岩的复合地层中掘进时，容易遇到盾构机上浮严重或姿态漂移的情况，致使盾构机掘进方向发生偏差的问题，提供一种超前钻孔控制盾构机姿态漂移的施工方法，该方法可在盾构机出现漂移情况或倾向时，通过不同方位的超前钻孔去除土体并进行高压冲洗和分散剂的注入，并依靠盾构机自重下沉进而抑制姿态漂移，达到稳定、便捷、安全、经济的在泥岩地层抑制盾构机漂移的目的。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种超前钻孔控制盾构机姿态漂移的施工方法，包括以下步骤：

步骤一、预设超前钻孔位置：在盾构机中盾壳体下部预设多个开口，且开口尺寸略大于超前钻孔直径；

步骤二、钻孔取土：检测到盾构机发生漂移后，盾构机停机，在中盾壳体开口处朝盾构前方斜向地层进行超前钻孔并取出土体，使盾构刀盘下方形成多个钻孔取土后的空洞；

步骤三、高压水冲洗：土体取出后，对钻杆前方空洞进行高压水冲洗，将钻孔孔底的岩屑和空洞壁上粘附的岩粉冲出；

步骤四、注入分散剂：取土冲洗空洞后注入泥岩分散剂，使盾构前盾下部的泥岩软化；

步骤五、盾构姿态改正：盾构机依靠自重下沉，并辅以盾构掘进参数控制，使盾构机姿态得以控制。

本方法通过在中盾壳体下部预设开口，当盾构机出现上浮时，则通过开口朝盾构前方斜向地层进行超前钻孔并取出土体，使盾构刀盘下方形成多个钻孔取土后的空洞，经高压水冲洗空洞后注入泥岩分散剂，使盾构前盾下部的泥岩软化，盾构机则会依靠自重局部下沉，从而达到抑制上浮控制盾构姿态的目的，该方法相比于千斤顶施力和衬背注浆工法，其具有调整方式简便灵活，对周围地层影响更小，抑制漂移准确度更高、过程更加经济可控的特点。

本方法是利用地基应力解除法，在盾构漂移的反方向(即前盾下方)钻孔取土，利用下方地层的沉降，使得盾构机重心前移，从而减小倾斜幅度。利用斜向钻孔，从盾构机前盾下侧的地层中缓慢取土，使得原始地层高度下降，盾构机随着重力的作用，在恢复掘进的过程中逐渐抑制漂移。

在隧道开挖过程中，开挖洞室后岩体中出现了临空面，岩体有了变形空间，由于应力局部释放，使岩体发生卸载而向隧道内变形，原来平衡的三维初始应力状态引起应力重分布，产生二次应力场。当盾构机上方的岩层较软，下面岩层较硬，且受到岩体向上的应力过大时，便容易发生盾构机向上漂移的情况。此时在沉降小的一侧解除基础底面以下部分土体的应力，使应力向其他部分转移，从而在不增加总荷载的条件下，迫使局部的沉降增加来调节不均匀沉降，可较好的达到调整盾构机姿态的效果。

应力解除法是应用土力学的原理，按照一定的角度打斜孔，解除地基中的局部应力，从而使地基土中的应力发生重分布，局部沉降量增大，从而达到纠偏的目的。

由于软土的灵敏度高，触变性大，钻孔后严重扰动土体，土体的抗剪强度大大降低；钻孔后在地基土内形成空腔，土体在自重作用下沿孔的径向移动，采用分散剂或清水的辅助措施后孔内的残渣被排走，同时周围土体被软化，土体在自重和水的渗透压力作用下，沿孔径向的变形明显加大，促使盾构机局部下沉，在土与盾构机重力的作用下，土体沉降至再次达到应力平衡后停止下沉。下沉量如果不够，则需要再次钻孔取土，使得盾构机前盾再次下沉，直到盾构机到达预定位置，完成抑制盾构漂移、调整盾构机姿态的目的。

作为本发明的优选方案，步骤一中的开口设置在距离盾构刀盘3-5m的位置处，且所有的开口沿中盾壳体圆周分布。当检测到盾构机上浮时，通过中盾壳体开口朝盾构前方斜向地层进行超前钻孔并取出土体，由于开口设置在距离盾构刀盘3-5m的位置处，且所有的开口沿中盾壳体圆周分布，这样可以使得钻孔后盾构前盾下部形成多个空洞，且所有的空洞在前盾下部呈圆周分布，便于通过调整空洞的周向分布位置，进而实现盾构姿态调整。

作为本发明的优选方案，所述开口的数量为3-5个。通过在中盾壳体下部设置3-5个开口后，可根据需要选取钻孔方位沿开口进行超前钻孔，更精确的控制钻孔取土位置，使盾构机向需要的方位下沉。

作为本发明的优选方案，所述开口为三个，且分布在中盾壳体横断面5、6、7点钟位置，这样设置开口可以便于在盾构前盾下部对称取土，有利于使盾构机尽量均匀平稳下沉。

作为本发明的优选方案，在中盾壳体开口处分别使用打入钻杆，钻孔取土顺序为先在6点钟位置，其次5点钟位置，最后7点钟位置。通过控制在盾构前盾下方超前钻孔取土顺序，调整控制盾构机下沉方位，从而达到纠偏目的。

作为本发明的优选方案，步骤二中钻杆钻入地层角度为12.5°，钻孔有效孔长为5.37m，有效取芯体积为0.021m3。采用这样的钻孔角度，既便于钻孔施工操作，又能尽量缩短钻至刀盘下方所需的钻孔长度。

作为本发明的优选方案，步骤二中钻孔使用具有弹性的钻杆，且钻杆后部在盾构内加固，防止断杆、掉杆对隧道掘进造成一定的危害。

作为本发明的优选方案，步骤四中的分散剂包括表面活性剂和强力渗透剂，能快速渗透到粘泥菌胶团中，氧化分解释放出气泡，使泥岩软化，为盾构姿态漂移控制提供空间。

作为本发明的优选方案，步骤一中的开口为斜孔，且倾斜方向与钻孔方向一致，便于通过开口朝盾构前方斜向地层进行超前钻孔并取出土体。

作为本发明的优选方案，中盾壳体上的开口处在钻孔取土前需进行临时封闭处理，避免地下水及泥浆等通过开口进入中盾壳体内部。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本方案中的超前钻孔控制盾构机姿态漂移的施工方法，可提前预设孔位置，随盾构掘进情况即使进行盾构姿态的控制，相比衬背注浆工法，本方法更为安全可靠，衬背注浆要确保地下水在注浆过程中顺利泄出，注浆完成后还需地质雷达探测验证是否含有空洞；每环注双液瞬凝浆虽然可以通过不对称注浆和补压浆进行后期隧道纠偏，但其效果不一定明显，采取上述措施和优化施工参数引起的盾构轴向位移有限，本方案中的超前钻孔控制盾构机姿态漂移的施工方法可利用盾体自重进行更大幅度的纠偏，抑制盾构姿态能力强，从全局上节约工程造价；

2、本方案中的超前钻孔控制盾构机姿态漂移的施工方法，设置的三个方位的钻孔可以起到调节控制姿态的效果，调节方式灵活，取芯截面距离刀盘可通过钻孔角度在图纸上标出，计算出每次取芯的体积，可按需求多次取芯直到达到预计效果；

3、本方案中的超前钻孔控制盾构机姿态漂移的施工方法，注入的分散剂主要是由表面活性剂、强力渗透剂等组成，能快速渗透到粘泥菌胶团中，氧化分解释放出气泡，可以解决盾构刀盘的结泥饼等问题，使钻杆内表面清洁；

4、本方案中的超前钻孔控制盾构机姿态漂移的施工方法，主要针对于泥岩地层及上软下硬地层盾构机上浮严重或姿态漂移，通过超前钻孔取土使盾构机下方产生空隙，破坏地层稳定性，并通过高压水冲洗岩体空隙和注入分散剂，使盾构前盾下方产生空洞，同时使下方泥岩软化，依靠盾构机自重使得自身下沉，可控性强，操作简便快速，方法易推广。

附图说明

图1为本发明中盾构机中盾超前钻孔预设位置示意图。

图2为本发明中超前钻孔取土后盾构下前方形成空洞示意图。

图3为本发明中超前钻孔控制盾构机姿态漂移施工工艺流程图。

图中标记：1-中空钻杆，2-盾构中盾，21-开口，3-隧道设计轴线，4-盾构前盾下方软化部分。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

本实施例提供一种超前钻孔控制盾构机姿态漂移的施工方法；

如图1-图3所示，本实施例中的超前钻孔控制盾构机姿态漂移的施工方法，包括以下步骤：

步骤一、预设超前钻孔位置：在盾构中盾2壳体下部预设多个开口21，且开口尺寸略大于超前钻孔直径；

步骤二、钻孔取土：检测到盾构机发生漂移后，盾构机停机，在中盾壳体开口处朝盾构前方斜向地层进行超前钻孔并取出土体，通过在盾构中盾2壳体内部采用潜孔钻及打入中空钻杆1进行钻孔，采用钻孔取土器取出与钻杆长度相同土体，根据需要可以进行多次取土，使盾构刀盘下方形成多个钻孔取土后的空洞；

步骤三、高压水冲洗：土体取出后，将高压冲洗机器接通插入超前钻孔内的中空钻杆，对钻杆前方土体被取出的空洞进行高压水枪冲洗，使用清水或压缩空气与水将钻孔孔底的岩屑和空腔壁上粘附的岩粉等冲出，直至冲出的水达到一定的浑浊度要求后停止冲洗；

步骤四、注入分散剂：向取土冲洗后空洞内注入泥岩分散剂，使盾构前盾下部的泥岩软化，形成盾构前盾下方软化部分4，注入分散剂后收回钻杆；

步骤五、盾构姿态改正：盾构前部下方泥岩被软化后，盾构机依靠自重下沉抑制盾构漂移，并辅以盾构掘进参数控制，如调整千斤顶施力和衬背注浆压力，使盾构机姿态得以控制，盾构机恢复推进。

本方法通过在中盾壳体下部预设开口，当盾构机出现上浮时，则通过开口朝盾构前方斜向地层进行超前钻孔并取出土体，使盾构刀盘下方形成多个钻孔取土后的空洞，经高压水冲洗空洞后注入泥岩分散剂，使盾构前盾下部的泥岩软化，盾构机则会依靠自重局部下沉，从而达到抑制上浮控制盾构姿态的目的，该方法相比于千斤顶施力和衬背注浆工法，其具有调整方式简便灵活，对周围地层影响更小，抑制漂移准确度更高、过程更加经济可控的特点。

本方法是利用地基应力解除法，在盾构漂移的反方向(即前盾下方)钻孔取土，利用下方地层的沉降，使得盾构机重心前移，从而减小倾斜幅度。利用斜向钻孔，从盾构机前盾下侧的地层中缓慢取土，使得原始地层高度下降，盾构机随着重力的作用，在恢复掘进的过程中逐渐抑制漂移。

在隧道开挖过程中，开挖洞室后岩体中出现了临空面，岩体有了变形空间，由于应力局部释放，使岩体发生卸载而向隧道内变形，原来平衡的三维初始应力状态引起应力重分布，产生二次应力场。当盾构机上方的岩层较软，下面岩层较硬，且受到岩体向上的应力过大时，便容易发生盾构机向上漂移的情况。此时在沉降小的一侧解除基础底面以下部分土体的应力，使应力向其他部分转移，从而在不增加总荷载的条件下，迫使局部的沉降增加来调节不均匀沉降，可较好的达到调整盾构机姿态的效果。

应力解除法是应用土力学的原理，按照一定的角度打斜孔，解除地基中的局部应力，从而使地基土中的应力发生重分布，局部沉降量增大，从而达到纠偏的目的。

由于软土的灵敏度高，触变性大，钻孔后严重扰动土体，土体的抗剪强度大大降低；钻孔后在地基土内形成空腔，土体在自重作用下沿孔的径向移动，采用分散剂或清水的辅助措施后孔内的残渣被排走，同时周围土体被软化，土体在自重和水的渗透压力作用下，沿孔径向的变形明显加大，促使盾构机局部下沉，在土与盾构机重力的作用下，土体沉降至再次达到应力平衡后停止下沉。下沉量如果不够，则需要再次钻孔取土，使得盾构机前盾再次下沉，直到盾构机到达预定位置，完成抑制盾构漂移、调整盾构机姿态的目的。

本实施例中，步骤一中的开口设置在距离盾构刀盘3-5m的位置处，且所有的开口沿中盾壳体圆周分布。当检测到盾构机上浮时，通过中盾壳体开口朝盾构前方斜向地层进行超前钻孔并取出土体，由于开口设置在距离盾构刀盘3-5m的位置处，且所有的开口沿中盾壳体圆周分布，这样可以使得钻孔后盾构前盾下部形成多个空洞，且所有的空洞在前盾下部呈圆周分布，便于通过调整空洞的周向分布位置，进而实现盾构姿态调整。

本实施例中，所述开口的数量为3-5个。通过在中盾壳体下部设置3-5个开口后，可根据需要选取钻孔方位沿开口进行超前钻孔，更精确的控制钻孔取土位置，使盾构机向需要的方位下沉。优选所述开口为三个，且分布在中盾壳体横断面5、6、7点钟位置，这样设置开口可以便于在盾构前盾下部对称取土，有利于使盾构机尽量均匀平稳下沉。

本实施例中，在中盾壳体开口处分别使用打入钻杆，钻孔取土顺序为先在6点钟位置，其次5点钟位置，最后7点钟位置。通过控制在盾构前盾下方超前钻孔取土顺序，调整控制盾构机下沉方位，从而达到纠偏目的。

本实施例中，步骤二中钻杆钻入地层角度为12.5°，即钻孔轴线与隧道设计轴线3呈12.5°夹角设置，钻孔长度8m，超过前盾3m，钻孔有效孔长为5.37m，有效取芯体积为0.021m³。采用这样的钻孔角度，既便于钻孔施工操作，又能尽量缩短钻至刀盘下方所需的钻孔长度。

本实施例中，步骤二中钻孔使用具有弹性的钻杆，且钻杆后部在盾构内加固，防止断杆、掉杆对隧道掘进造成一定的危害。

本实施例中，步骤四中的分散剂包括表面活性剂和强力渗透剂，能快速渗透到粘泥菌胶团中，氧化分解释放出气泡，使泥岩软化，为盾构姿态漂移控制提供空间。

本实施例中，步骤一中开口为直径50-80mm的斜孔，且倾斜方向与钻孔方向一致，便于通过开口朝盾构前方斜向地层进行超前钻孔并取出土体。

本实施例中，中盾壳体上的开口处在钻孔取土前需进行临时封闭处理，如采用聚氨酯进行封堵，避免地下水及泥浆等通过开口进入中盾壳体内部。在进行钻孔取土施工前，先通过中盾聚氨酯预留开口取出盾构机所穿地层下半部土层芯样，确定好将要打开的超前钻孔位置是否合适，地层是否稳固，避免钻机钻杆进入地层不稳定，导致喷涌或卡钻杆。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原理之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。