防止软土中地铁盾构隧道长期沉降的水泥加固装置及方法

摘要

本发明公开了一种地铁运营期内防止软土中地铁盾构隧道长期沉降的水泥加固装置及方法，包括喷粉搅拌装置和防隧道变形的压力平衡装置；所述喷粉搅拌装置可以穿过隧道预留的注浆孔，然后在隧道下方软土中伸展并加固大直径水泥土墩；所述防隧道变形的压力平衡装置可以通过监测隧道竖向位移信息来调整注浆压力，从而在喷粉搅拌装置加固水泥土墩时保持隧道竖向位移稳定。本发明克服已有方法难以在已建盾构隧道下方形成大直径水泥土墩体的困难，克服已有的直接注浆抬升隧道方法中注浆挤压对土体扰动大、需要循环反复注浆抬升隧道的问题。

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程研究领域,尤其涉及一种地铁运营期内防止软土中地铁盾构隧道长期沉降的水泥加固装置及方法。

背景技术

目前我国各大城市在持续修建地铁盾构隧道，而在东南沿海的大城市中充满了深厚的软土层，在地铁运营期间盾构隧道下方软土受地铁列车循环载荷作用会发生较大的工后固结沉降，而这些沉降是不均匀的，此不均匀沉降会造成隧道内轨道变形进而影响地铁列车运行安全。目前通过在盾构隧道上预留的注浆孔，在沉降的隧道下方注浆抬升隧道，这个方法在注浆初期非常有效，但注浆抬升后随着时间发展隧道往往会产生更大的沉降，原因在于注浆压力对隧道周围软土进行挤压，而原状软土在挤压扰动过程中微观结构破坏会发生更大的固结沉降，因此为了控制沉降需要每隔一段时间进行 “隧道沉降-注浆抬升”的循环过程，这样增加了维护时间和费用。

因此可以考虑对盾构隧道下方的土体进行加固，现有的水泥土搅拌桩法将水泥粉体和软土就地拌制成水泥土桩体，并且这种方法对土体扰动小，但是水泥土搅拌桩法无法直接用来加固盾构隧道下方的土体，原因在于盾构隧道中只有预留的注浆孔可以插入搅拌机械，按水泥土搅拌桩法的方式只能在隧道下方形成直径等于注浆孔的水泥土桩体，这样小直径的水泥土状体对控制隧道沉降效果非常有限，因此需要开发在已建盾构隧道下方形成大直径水泥土墩体的装置，从而克服已有直接注浆抬升隧道方法中注浆挤压对土体扰动大、造成循环反复“隧道沉降-注浆抬升”的问题。

发明内容

本发明克服已有方法难以在已建盾构隧道下方形成大直径水泥土墩体的困难，克服已有的直接注浆抬升隧道方法中注浆挤压对土体扰动大、需要循环反复注浆抬升隧道的问题，本发明提供了一种地铁运营期内防止软土中地铁盾构隧道长期沉降的水泥加固装置及方法。

本发明的技术方案：一种地铁运营期内防止软土中地铁盾构隧道长期沉降的水泥加固装置，包括喷粉搅拌装置和防隧道变形的压力平衡装置；所述喷粉搅拌装置包括搅拌装置和喷粉装置，所述搅拌装置包括固定杆、扭矩盘、导杆、蜗杆推进机以及依次连接的滑块推动杆、滑块和若干搅拌杆；所述喷粉装置包括依次连接的供粉泵、送粉管路、若干喷粉嘴，送粉管路从供粉泵出发依次经过导杆、搅拌杆并连接各个喷粉嘴，其中喷粉嘴安装在搅拌杆上；所述防隧道变形的压力平衡装置包括竖向位移实时监测装置、压力控制系统以及数据采集和控制系统，所述竖向位移实时监测装置包括在隧道内铺设的位移计，所述压力控制系统包括依次连接的注浆管、浆液加压腔室和伺服压力控制器，所述数据采集和控制系统分别与位移计和伺服压力控制器连接。

优选地，所述搅拌杆包括第一搅拌杆和第二搅拌杆，所述滑块连接第一搅拌杆的顶端，所述第一搅拌杆的底端连接第二搅拌杆的顶端，所述第二搅拌杆的底端连接导杆的底端。

优选地，所述扭矩盘可沿固定杆上下移动，所述扭矩盘套在蜗杆推进机上并可驱动蜗杆推进机旋转，所述蜗杆推进机和导杆固定连接，所述蜗杆推进机套在滑块推动杆上并可驱动滑块推动杆上下移动。

优选地，所述导杆侧面有卡槽，所述滑块可沿导杆的卡槽滑动并且可随导杆转动。

优选地，所述滑块与第一搅拌杆的连接方式为铰接，所述第一搅拌杆与第二搅拌杆的连接方式为铰接，所述导杆底端与第二搅拌杆一端的连接方式为铰接。

优选的，所述喷粉装置采用的粉体材料为水泥粉。

优选的，所述浆液加压腔室内的浆液为水泥和水玻璃混合浆液。

一种地铁运营期内防止软土中盾构隧道长期沉降的水泥土加固方法，包括下述步骤：

步骤1：安装喷粉搅拌装置和防隧道变形的压力平衡装置；

步骤2：将导杆从注浆孔插入软土中的指定深度：移动滑块使第一搅拌杆和第二搅拌杆与竖直方向成较小夹角，这样可以保证导杆、第一搅拌杆和第二搅拌杆同时插入穿过隧道管片上的注浆孔到达指定深度；

步骤3：启动防隧道变形的压力平衡装置：数据采集和控制系统通过位移计实时监测隧道在竖向的位移，并通过伺服压力控制器调节浆液加压腔室内的压力，浆液加压腔室和插入注浆孔中的注浆管连接，如果隧道隆起则降低浆液加压腔室内的压力，如果隧道发生沉降则增加浆液加压腔室内的压力临时抬高隧道；

步骤4：蜗杆推进机驱动滑块推动杆向下移动微小段距离；

步骤5：扭矩盘对导杆施加扭矩，然后导杆带动第一搅拌杆和第二搅拌杆旋转一周，旋转过程中喷粉嘴喷出水泥粉与软土混合形成水泥土；

步骤6：重复步骤4~步骤5，直至滑块下移到导杆最低位置，这时第一搅拌杆大致处于水平位置；

步骤7：蜗杆推进机驱动滑块推动杆向上移动微小段距离；

步骤8：对导杆施加扭矩从而使导杆带动第一搅拌杆和第二搅拌杆旋转一周，旋转过程中喷粉嘴喷出水泥粉与软土混合形成水泥土；

步骤9：重复步骤7~步骤8，直至第一搅拌杆和第二搅拌杆与竖直方向成较小夹角；

步骤10：将导杆提升微小段距离，此时若滑块接近隧道底部转入步骤11，否则转入步骤4；

步骤11：再次将滑块下移到导杆最低位置，这时第一搅拌杆大致处于水平位置，然后旋转导杆，旋转过程中喷粉嘴喷出水泥粉与软土混合形成水泥土，然后导杆每旋转一周提升微小段距离，直到将滑块提升至靠近隧道底部，这时完成水泥土墩加固；

步骤12：拔出导杆及第一搅拌杆和第二搅拌杆：先下降导杆并使滑块相对导杆上移，直至第一搅拌杆和第二搅拌杆与竖直方向成较小夹角，这个时候从注浆孔孔中拔出导杆及第一搅拌杆和第二搅拌杆；

步骤13：通过注浆来补偿水泥土墩沉降：由于水泥固化收缩，水泥土墩会有微小下沉，因此通过注浆孔用注浆管在隧道和水泥土墩间注浆，从而补偿水泥土墩沉降对隧道位移的影响。

所述步骤2、步骤9和步骤12中，移动滑块使第一搅拌杆和第二搅拌杆与竖直方向成较小夹角,此夹角大于0度且小于0.04度。

所述步骤4、步骤7和步骤10中的微小段距离指移动的微小段距离不大于1.6cm。

本发明的有益效果是克服已有的直接注浆抬升隧道方法中注浆挤压对土体扰动大、需要循环反复注浆抬升隧道的问题，并克服已有方法难以在已建盾构隧道下方形成大直径水泥土墩体的困难，为地铁运营期内防止软土中盾构隧道长期沉降提供一种土体加固装置及方法。

附图说明

图1为本发明中隧道横截面上搅拌装置和喷粉嘴示意图；

图2为本发明中隧道纵截面上喷粉装置和防隧道变形的压力平衡装置示意图；

图3为本发明中搅拌杆移动示意图；

图4为本发明中隧道下方水泥土墩示意图；

图5为本发明中隧道和水泥土墩之间补偿沉降注浆示意图。

图中1.隧道、2.注浆孔、3. 固定杆、4. 扭矩盘、5. 导杆、6. 蜗杆推进机、7. 滑块推动杆、8. 滑块、9. 第一搅拌杆、10. 第二搅拌杆、11. 供粉泵、12. 送粉管路、13. 喷粉嘴、14. 位移计、15. 数据采集和控制系统、16. 注浆管、17. 浆液加压腔室、18. 伺服压力控制器、19. 浆液、20. 水泥土墩、21. 补偿水泥土墩体沉降的注浆。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1-5中一种地铁运营期内防止软土中盾构隧道长期沉降的水泥土加固装置，包括喷粉搅拌装置和防隧道变形的压力平衡装置；所述喷粉搅拌装置包括搅拌装置和喷粉装置，所述搅拌装置包括固定杆3、扭矩盘4、导杆5、蜗杆推进机6以及依次连接的滑块推动杆7、滑块8、第一搅拌杆9和第二搅拌杆10，所述扭矩盘4可沿固定杆3上下移动，所述扭矩盘4套在蜗杆推进机6上并可驱动蜗杆推进机6旋转，所述蜗杆推进机6和导杆5固定连接，所述蜗杆推进机6套在滑块推动杆7上并可驱动滑块推动杆7上下移动，所述导杆5侧面有卡槽，所述滑块8可沿导杆5的卡槽滑动并且可随导杆5转动，所述滑块8与第一搅拌杆9的连接方式为铰接，所述第一搅拌杆9与第二搅拌杆10的连接方式为铰接，所述导杆5底端与第二搅拌杆10一端的连接方式为铰接；所述喷粉装置包括依次连接的供粉泵11、送粉管路12、若干喷粉嘴13，送粉管路12从供粉泵11出发依次经过导杆5、第一搅拌杆9和第二搅拌杆10并连接各个喷粉嘴13，其中喷粉嘴13安装在第一搅拌杆9和第二搅拌杆10上；所述防隧道变形的压力平衡装置包括竖向位移实时监测装置、压力控制系统和数据采集和控制系统15，所述竖向位移实时监测装置包括在隧道内铺设的位移计14，所述压力控制系统包括依次连接的注浆管16、浆液加压腔室17和伺服压力控制器18，所述数据采集和控制系统15分别与位移计14和伺服压力控制器18连接。

本发明地铁运营期内防止软土中盾构隧道长期沉降的水泥土加固装置的工作过程包括下述步骤：

步骤1：安装喷粉搅拌装置和防隧道变形的压力平衡装置：组装搅拌装置，连接供粉泵11、送粉管路12、和位于第一搅拌杆9和第二搅拌杆10上的若干喷粉嘴13，将数据采集和控制系统15分别与位移计14和伺服压力控制器18连接，并依次连接伺服压力控制器18、浆液加压腔室17和插入注浆孔2中的注浆管16，此注浆管16直径较小以保证注浆管16和导杆5可以同时插入注浆孔2，位移计14放于注浆孔2附近。

步骤2：将导杆5从注浆孔2插入软土中的指定深度：移动滑块使第一搅拌杆9和第二搅拌杆10与竖直方向成较小夹角，这样可以保证导杆5、第一搅拌杆9和第二搅拌杆10同时插入穿过隧道1管片上的注浆孔2到达指定深度；

步骤3：启动防隧道变形的压力平衡装置：数据采集和控制系统15通过位移计14实时监测隧道1在竖向的位移，并通过伺服压力控制器18调节浆液加压腔室17内的压力，浆液加压腔室17和插入注浆孔2中的注浆管16连接，如果隧道1隆起则降低浆液加压腔室17内的压力，如果隧道1发生沉降则增加浆液加压腔室17内的压力临时抬高隧道1；

步骤4：蜗杆推进机6驱动滑块推动杆7向下移动微小段距离；

步骤5：扭矩盘4对导杆5施加扭矩，然后导杆5带动第一搅拌杆9和第二搅拌杆10旋转一周，旋转过程中喷粉嘴13喷出水泥粉与软土混合形成水泥土；

步骤6：重复步骤4~步骤5，其过程如图3中(a) (b) (c) (d)所示，直至滑块8下移到导杆5最低位置，这时第一搅拌杆9大致处于水平位置如图3(d)所示；

步骤7：蜗杆推进机6驱动滑块推动杆向上移动微小段距离；

步骤8：对导杆5施加扭矩从而使导杆5带动第一搅拌杆9和第二搅拌杆10旋转一周，旋转过程中喷粉嘴13喷出水泥粉与软土混合形成水泥土；

步骤9：重复步骤7~步骤8，其过程如图3中(d) (c) (b) (a)所示,直至第一搅拌杆和第二搅拌杆与竖直方向成较小夹角；

步骤10：将导杆5提升微小段距离，此时若滑块8接近隧道1底部转入步骤11，否则转入步骤4；

步骤11：再次将滑块8下移到导杆5最低位置，这时第一搅拌杆9大致处于水平位置，然后旋转导杆5，旋转过程中喷粉嘴13喷出水泥粉与软土混合形成水泥土，然后导杆5每旋转一周提升微小段距离，直到将滑块8提升至靠近隧道底部，这时完成水泥土墩加固；

步骤12：拔出导杆5及第一搅拌杆9和第二搅拌杆10：先下降导杆并使滑块相对导杆上移，直至第一搅拌杆9和第二搅拌杆10与竖直方向成较小夹角，这个时候从注浆孔孔中拔出导杆及第一搅拌杆和第二搅拌杆；

步骤13：通过注浆来补偿水泥土墩20沉降：由于水泥固化收缩，水泥土墩会20有微小下沉，因此通过注浆孔2用注浆管16在隧道1和水泥土墩20间注浆21，从而补偿水泥土墩20沉降对隧道1位移的影响。