一种用于长距离全断面岩石地层条件的矩形顶管施工方法技术

一种用于长距离全断面岩石地层条件的矩形顶管施工方法，涉及地下综合管廊、地下通道等地下空间施工领域。S1：始发井、接收井施工作业；S2：依据预留洞门尺寸、矩形顶管机的运行区域和刀盘的切削区域划分正常掘进区和扩挖区，使用微型圆形顶管法对扩挖区的岩层进行超前预掘进；S3：矩形顶管机始发施工作业；S4：矩形顶管机正常掘进施工作业；S5：矩形顶管机接收施工作业。本发明专利技术克服了矩形顶管施工不宜适用于单轴抗压强度大于5MPa岩石地层条件的行业及专业偏见，解决水平定向钻进行超前预掘进中处理精度低效果差、不适用于长距离矩形顶管、施工效率慢、费用高的缺点，更加快速、精准、经济合理地应用长距离全断面岩层施工。济合理地应用长距离全断面岩层施工。济合理地应用长距离全断面岩层施工。

【技术实现步骤摘要】
一种用于长距离全断面岩石地层条件的矩形顶管施工方法


[0001]本专利技术涉及地下综合管廊、地下通道等地下空间施工领域，具体涉及一种用于长距离全断面岩石地层条件的矩形顶管施工方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着城镇化进程的快速发展，城市地下空间利用的需求量越来越大，地下空间建设要求也越来越高。为了保证城市地面交通的顺畅、减少地上地下障碍物的迁移工作量、加快工程建设进度以及确保周边建筑物、构筑物的安全等，传统的明挖现浇施工技术越来越无法满足工程建设的需要，取而代之的是急速发展的不开槽施工技术，顶管法就是其中比较典型的非开挖施工技术。顶管法应用于地下空间工程建设中，能够有效降低对地表的占用，对保护城市环境、加强地下空间合理规范化建设起到了积极作用。
[0003]现阶段，顶管法施工技术主要包括矩形顶管和圆形顶管两种形式。其中，矩形顶管能够充分利用结构断面，提高断面利用率，相较于圆形顶管，能够节省约20%的空间，对于地下综合管廊以及地下通道等地下空间工程建设更加具有优越性。
[0004]目前，矩形顶管施工技术还处于实践摸索阶段，相应国家或行业技术标准和验收规范等尚不成熟。根据中国工程建设标准化协会标准《矩形顶管工程技术规程》（T/CECS 716
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2020）以及中国市政工程协会团体标准《综合管廊矩形顶管技术标准》（T/CMEA 14
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2020），明确提出“单轴抗压强度大于5Mpa的岩石地层不宜采用矩形顶管施工”的定位，矩形顶管的应用空间和发展前景明显受限。其中，中国专利CN113944475A公开了一种上软下硬大尺寸矩形顶管施工方法，采用水平定向钻对硬岩预处理：对侵入顶管隧道的硬岩进行预破碎处理；中国专利CN111720136A公开了一种矩形顶管机开挖盲区的处理方法，采用水平定向钻机预先钻孔破坏开挖盲区上的土体，可以提高土体的流动性，让矩形顶管机施工更加顺利。
[0005]以上专利均指出采用水平定向钻进行盲区的钻孔预处理，但是水平定向钻并不适用于长距离、全断面岩层的盲区钻孔预处理施工，预处理完成后的断面施工精度不能满足后续顶进施工，仍易出“卡壳”现象，尤其是在穿越高速公路、铁路、河湖、及地上障碍物多的施工条件下；水平定向钻在进行全断面岩石地层盲区预处理时，当孔径大于150mm时，需要配备岩石钻具且应分级进行回扩，施工效率慢、费用高。水平定向钻预处理的方法只适用于特定的施工工况，推广性及发展前景受限。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对现有技术存在的上述缺陷，提出一种用于长距离全断面岩石地层条件的矩形顶管施工方法。解决了既有水平定向钻盲区预处理工法精度低、效果差、不适用于长距离矩形顶管、施工效率慢及费用高、发展前景受限的情形。进一步地克服了矩形顶管施工不宜适用于单轴抗压强度大于5MPa岩石地层条件的行业及专业偏见，为矩形顶管行业的技术进步以及相应技术标准的完善，提供了强有力的支撑。
[0007]本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于长距离全断面岩石地层条件的矩形顶管施工方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：始发井、接收井施工作业；S2：依据预留洞门尺寸、矩形顶管机的运行区域和刀盘的切削区域划分正常掘进区和扩挖区，并对扩挖区的岩层进行超前预掘进，打断岩层的整体型，降低岩层的坚硬程度，充分缓解岩层对矩形顶管机运行过程中的约束，包括如下步骤：S21：依据预留洞门尺寸、矩形顶管机的运行区域和刀盘的切削区域划分正常掘进区、扩挖区，并结合有限元模拟分析，对扩挖区的范围和位置进行修正；所述对扩挖区的范围修正采用ABAQUS有限元模拟的建模方式分析，依据预留洞门尺寸、矩形顶管机的运行区域和刀盘的切削区域的分布情况，对矩形顶管扩挖区进行设计，将二维平面问题简化，明确扩挖区的孔位位置、孔洞大小、范围参数，进一步地分析地应力平衡、地表沉降，保证扩挖施工的科学性、可行性，主要步骤为创建 Geostatic 分析步、对模型施加重力荷载、提交计算，生成odb文件、在预应力场中重新读取odb应力场、重新提交计算，完成初始地应力的平衡；扩挖区不同的处理方式都将影响修正的结果，所以扩挖区的分布情况应视施工方法及时调整。
[0008]S22：依据地层、工作井尺寸、预掘进长度、周边干扰因素进行超前预掘进设备选型，按照设备性能以及操作需求确定自下向上的横向分层、纵向分块施工顺序；S23：按照既定施工顺序采用微型圆形顶管法施工技术进行逐块扩挖区的超前预掘进；每块扩挖区的超前预掘进施工完成后，立即对超前预掘进施工成型通道或孔洞进行填充；采用微型圆形顶管法的施工准备工作如下：经上述S21中有限元模拟分析修正后，拟定扩挖区域为6部分，上、下部均匀分布4个直径0.5m的扩挖区，中部左右对称分布2个直径1m的扩挖区，最大沉降为11mm，满足沉降要求，且处理完成后矩形顶管机的断面切削率达到98%及以上，具备顺利贯通的条件；所述微型圆形顶管法施工技术采用圆形顶管机，直径尺寸为300mm
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1200mm，通道一次施工成型，根据修正后的扩挖区的分布情况，微型圆形顶管法施工具体步骤如下；根据岩层的单轴抗压强度，选择圆形硬岩顶管机，土压平衡；根据扩挖区的参数，选择直径0.5m、直径1m的圆形硬岩顶管机；根据修正后扩挖区分布情况，分三阶段进行施工，顺序为由下至上，先进行扩挖区范围的洞门破除；洞门破除完成后，施工操作面整理，在始发井进行微型圆形硬岩顶管机简易顶推系统的布置；通过起吊设备依次向井下吊入轨道、后靠背、主顶油缸、主顶泵站、硬岩顶管机，后组装完成；根据扩挖区通道的直径选择相应的钢管节，钢管节的直径为0.5m、1m；根据始发井的尺寸、圆形硬岩顶管机的尺寸确定钢管节的长度，为1.5m及以上；上述施工准备工作完成后，利用微型圆形硬岩顶管机的切削出土、顶推及两者的结合进行顶进施工，视顶进过程中摩阻力的大小并辅以触变泥浆，直至出洞完成扩挖区通道的贯通，顶进过程中钢管顺序吊放；
在接收井处设置一台起吊设备，当超前预掘进贯通且能够满足通道或孔洞不坍塌的情况下，分别将微型圆形硬岩顶管机、钢管管节依次吊出，超前预掘进长度同矩形顶管顶进长度，以此完成各处扩挖区的超前预掘进施工；S24：每层所包含的扩挖区全部施工完毕后，及时回填工作井至上一层的施工位置或高程；S25：重复步骤S23
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S24，直至全部扩挖区均完成超前预掘进施工作业；S3：矩形顶管机始发施工作业；包括如下步骤：S31：清除始发井内的回填料、破除洞口剩余桩和墙；S32：喷锚封闭洞口暴露的掌子面；S33：安装固定洞门钢环；S34：安装始发基座；S35：安装调试顶推系统；S36：矩形顶管机组装调试；S37：安装洞门密封及止水装置；S38：顶推矩形顶管机至洞口；S39：就位首节管节及顶铁装置；S310：始发掘进；S4：矩形顶管机正常掘进施工作业；S5：矩形顶管机接收施工作业，包括如下步骤：S51：清除接收井内的回填料、破除洞口剩余桩和墙；S52：喷锚封闭洞口暴露的掌子面；S53：安装固定洞门钢环；S54：安装接收基座；S55：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于长距离全断面岩石地层条件的矩形顶管施工方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：始发井、接收井施工作业；S2：依据预留洞门尺寸、矩形顶管机的运行区域和刀盘的切削区域划分正常掘进区和扩挖区，并对扩挖区的岩层进行超前预掘进，打断岩层的整体型，降低岩层的坚硬程度，充分缓解岩层对矩形顶管机运行过程中的约束，包括如下步骤：S21：依据预留洞门尺寸、矩形顶管机的运行区域和刀盘的切削区域划分正常掘进区、扩挖区，并结合有限元模拟分析，对扩挖区的范围和位置进行修正；对所述扩挖区的范围修正采用ABAQUS有限元模拟的建模方式分析，依据预留洞门尺寸、矩形顶管机的运行区域和刀盘的切削区域的分布情况，对矩形顶管扩挖区进行设计，将二维平面问题简化，明确扩挖区的孔位位置、孔洞大小、范围参数，进一步地分析地应力平衡、地表沉降，保证扩挖施工的科学性、可行性，主要步骤为创建 Geostatic 分析步、对模型施加重力荷载、提交计算，生成odb文件、在预应力场中重新读取odb应力场、重新提交计算，完成初始地应力的平衡；扩挖区不同的处理方式都将影响修正的结果，所以扩挖区的分布情况视施工方法及时调整；S22：依据地层、工作井尺寸、预掘进长度、周边干扰因素进行超前预掘进设备选型，按照设备性能以及操作需求确定自下向上的横向分层、纵向分块施工顺序；S23：按照既定施工顺序采用微型圆形顶管法施工技术进行逐块扩挖区的超前预掘进；每块扩挖区的超前预掘进施工完成后，立即对超前预掘进施工成型通道或孔洞进行填充；采用微型圆形顶管法的施工准备工作如下：经上述S21中有限元模拟分析修正后，拟定扩挖区域为6部分，上、下部均匀分布4个直径0.5m的扩挖区，中部左右对称分布2个直径1m的扩挖区，最大沉降为11mm，满足沉降要求，且处理完成后矩形顶管机的断面切削率达到98%及以上，具备顺利贯通的条件；所述微型圆形顶管法施工技术采用圆形顶管机，直径尺寸为300mm
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1200mm，通道一次施工成型，根据修正后的扩挖区的分布情况，微型圆形顶管法施工具体步骤如下；根据岩层的单轴抗压强度，选择圆形硬岩顶管机，土压平衡；根据扩挖区的参数，选择直径0.5m、直径1m的圆形硬岩顶管机；根据修正后扩挖区分布情况，分三阶段进行施工，顺序为由下至上，先进行扩挖区范围的洞门破除；洞门破除完成后，施工操作面整理，在始发井进行微型圆形硬岩顶管机简易顶推系统的布置；通过起吊设备依次向井下吊入轨道、后靠背、主顶油缸、主顶泵站、硬岩顶管机，后组装完成；根据扩挖区通道的直径选择相应的钢管节，钢管节的直径为0.5m、1m；根据始发井的尺寸、圆形硬岩顶管机的尺寸确定钢管节的长度，为1.5m及以上；上述施工准备工作完成后，利用微型圆形硬岩顶管机的切削出土、顶推及两者的结合进行顶进施工，视顶进过程中摩阻力的大小并辅以触变泥浆，直至出洞完成扩挖区通道的贯通，顶进过程中钢管顺序吊放；在接收井处设置一台起吊设备，当超前预掘进贯通且能够满足通道或孔洞不坍塌的情
况下，分别将微型圆形硬岩顶管机、钢管管节依次吊出，超前预掘进长度同矩形顶管顶进长度，以此完成各处扩挖区的超前预掘进施工；S24：每层所包含的扩挖区全部施工完毕后，及时回填工作井至上一层的施工位置或高程；S25：重复步骤S23
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S24，直至全部扩挖区均完成超前预掘进施工作业；S3：矩形顶管机始发施工作业；包括如下步骤：S31：清除始发井内的回填料、破除洞口剩余桩和墙；S32：喷锚封闭洞口暴露的掌子面；S33：安装固定洞门钢环；S34：安装始发基座；S35：安装调试顶推系统；S36：矩形顶管机组装调试；S37：安装洞门密封及止水装置；S38：顶推矩形顶管机至洞口；S3...

【专利技术属性】
技术研发人员：王作新，黄煜森，姜乃仁，李彬，张贺，郭厚涛，郑云刚，邹德乾，杨舟，
申请(专利权)人：中交一航局第三工程有限公司，
类型：发明
国别省市：