砂卵石地层大直径盾构带压换刀施工方法与流程

本发明涉及盾构机施工技术领域，具体涉及砂卵石地层大直径盾构带压换刀施工方法。

背景技术：

盾构机以其快速、高效等优点在城市地铁施工中得到了越来越广泛的应用，当使用盾构机在富水砂卵石地段掘进时，由于地层自稳能力差，必须利用盾构机自身及配套设备来提供使地层稳定的支撑压力；而盾构机上承担掘进功能的刀具是损耗件，在施工中需经常检查、维修保养和更换，由于富水砂卵石地层的特殊构造，掘进刀具的磨耗比一般地层更加严重，因此必须及时进入土仓实施刀盘检查和刀具更换，同时由于富水砂卵石地层自身稳定性问题，现有技术中为了保证检修维护作业的安全一般采用带压换刀法对盾构机的刀具进行检修及更换，但是现有技术中的带压换刀技术对盾构机掌子面的密封效果较差，不但换刀作业时间较短，同时工人的安全性不能得到有效保证。

公开号为cn105257308a的中国发明专利于2016年1月20日公开了一种砂层中土仓砂浆混膨润土泥膜的盾构机换刀施工方法，所述施工方法步骤包括：第一步、向刀盘前部交替注入水玻璃浆液和氯化钙浆液；第二步、向刀盘前部注膨润土泥浆；第三步、输出土仓内的渣土；第四步、制备泥膜；第五步、向土仓内注水泥砂浆和膨润土泥浆的混合浆液；第六步、清仓换刀；第七步、恢复掘进。本发明有效降低了清仓过程中土仓内硬化体的强度，降低了破除加固体的难度，避免了困难的超前注浆施工作业，防止了螺旋输送机内的水泥砂浆硬化造成设备破坏，明确了注浆施工作业方式，有效地减少了施工作业量；本发明施工时间短，效率高，安全性强。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的带压换刀保压效果差，作业时间短的缺陷，本发明公开了砂卵石地层大直径盾构带压换刀施工方法，采用本发明所述的方法能够大大提高盾构机土仓内泥模的结构强度，提高保压效果，从而延长作业时间，保证一次换刀成功，提高换刀工作的作业效率。

本发明通过以下技术方案实现上述目的：

砂卵石地层大直径盾构带压换刀施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、地质评估：结合施工地地质情况报告将地质情况稳定的地段作为停机换刀地点；

b、根据人体可承受的气压值和水土压力值确定开仓气压的理论值；

c、开仓气压压气实验：通过螺旋机排出土仓内渣土至露出土仓中部的加气大球阀，对土仓保压一小时后检测土仓内压力，将检测值与步骤b中的计算值比对，此地层选取的开仓气压值一般比理论计算值高0.2bar；

d、地下水封堵：停机前3-5环向盾构机盾体四周同步注入惰性浆液或堵水材料，同时盾尾增加注入盾尾油脂量；停机后，在盾尾第3-4环管片之间注入聚氨酯或环氧树脂，在第5-6环管片之间注入水泥浆和水玻璃混合的双浆液，同时通过前盾径向注浆口向盾壳外注粘度大于80s的膨润土浓浆；

e、渣土置换：用螺旋机从土舱的底部排渣，同时启动手动加气注入系统。加气时，根据土舱内压力变化情况，调整手动阀的大小，保证土舱内压力的稳定。土舱内的渣土排出2/3后，立即停止螺旋机排渣。开始通过膨润土系统，向土舱的顶部注入膨润土泥浆，在加膨润土的同时，逐步关闭手动加气，等到膨润土充满土舱的2/3后，开始保压；

使用原状膨润土调制比重1.18～1.2的泥浆，用注浆泵从土舱隔板上部的备用管路把泥浆注入土舱，螺旋机慢慢出土，将土舱内的上半部渣土置换成泥浆；当置换1/2以上后暂停置换，从土舱中部放浆取样测试，如果泥浆比重小于1.18，继续从土舱上部注入大比重泥浆，螺旋机慢慢出土或从土舱中部放出泥浆，直至土舱中部放出的泥浆比重不小于1.18；

f、渗透成膜：置换完成后，保压渗透；过程中如果土舱压力有下降，即从土舱上部小流量补充泥浆；随着渗透时间延长渗透量越来越小，直至2～3h不需要补充泥浆仍能保持压力稳定，说明地层缝隙基本被填充，可以进行成膜阶段的工作；

用高粘膨润土调制泥浆，同时用马氏漏斗测量泥浆粘度大于70s，置换土舱内大比重泥浆；保持土舱压力，过程中每间隔3小时从土舱中部放浆取样测试一次，如果取样泥浆粘度小于60s，即进行泥浆置换，如粘度大于60s则不需要置换；始终保持土舱压力，保压持续6小时不需要补充泥浆可判定泥膜制作成功，否则延长成膜时间；保压成膜过程可持续12小时，使泥膜厚度增厚，加强泥膜保压的可靠性；

g、气密性实验：泥膜制作完成后，首先打开进入土舱的自动加气阀门，然后从土舱中部缓慢放浆或螺旋输送机缓慢放浆，注意放出的泥浆与补充的压缩空气体积相等以保证舱内压力不降低，可把放出的浆液泵入渣土车测量放浆体积，直至放完土舱上半部的泥浆；这个过程必须注视供气管压力，如果供气管压力接近土舱压力说明泥膜闭气效果不好漏气量大，应立即停止放浆，需继续制作泥膜；

如果供气管压力远大于土舱压力说明漏气量小，可以继续放浆，放浆完成后关闭放浆阀；放浆完成，土舱上半部空间为压缩空气，空气自动保压系统自动维持舱内压力稳定；观察半小时，土舱上部和中部压力稳定，供气管压力较高且不下降，空压机不频繁启动，证明土舱内压缩空气保压良好，具备带压进舱条件，否则重复上述步骤f；

h、人仓气密性实验：从0bar升压至3.6bar不超过10min即为合格，降压操作过程中通常会出现土舱门漏气现象，造成气压降不到0bar，现场实践得出若降压后气压能小于0.3bar，则为安全，若气压降不到0.3bar，需要带压进行土舱门的密封处理；

i、进仓换刀：工作人员通过人仓进入到土仓内，进行刀具更换作业。

进一步，步骤f中高粘度泥浆以马氏漏斗检测器粘度为70s-90s。

进一步，步骤b根据以下公式即可计算出开仓气压的理论值：p＝pw+pr＝k*γ水*h水+pr；

式中：pw—计算至隧道开挖中心的水头压力；k为取值系数,取值范围为0.9～1.0；γ水为水的重度，h水为水高度；

pr—考虑不同条件、地面环境及开挖面位置的压力调整值，其取值范围为0.1-0.3bar。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明首先通过向盾构机的周边注入水泥浆和水玻璃的双浆液以及聚氨酯对盾构机的周边进行密封，防止地下图层的地下水发生渗漏，然后向土仓内注入高比重泥浆，由于泥浆的比重大于水，因此泥浆泥浆能够将土仓内渣土中的水分挤出并渗透进土仓渣土中的渗水空隙，完成对渗水空隙的封堵，最后通过高粘度泥浆在土仓内形成保护泥模，从而完成对土仓内环的密封，其与现有技术相比，本发明的避免了地下水对泥模的伤害，大大提高了泥模的封堵效果，从而延长了土仓内的泄压时间和工人的作业时间，提高了盾构机一次性换刀的成功率，提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明流程示意图；

具体实施方式

下面将通过具体实施方式对本发明做进一步说明

实施方式1

本实施方式作为本发明的基本实施方式，其公开了砂卵石地层大直径盾构带压换刀施工方法，具体工艺步骤如下：

a、地质评估：结合施工地地质情况报告将地质情况稳定的地段作为停机换刀地点；

b、开仓气压值理论计算：盾构机土仓内气压平衡的仅是空舱底部的水压力和土体侧压力的较大值，在此基础上考虑一定的安全系数，根据以下公式即可计算出开仓气压的理论值：p＝pw+pr＝k*γ水*h水+pr；其中γ水为水的重度，h水为水高度,k的取值为0.9，pr取值为0.1bar；

c、开仓气压压气实验：通过螺旋机排出土仓内渣土至露出土仓中部的加气大球阀，对土仓保压一小时后检测土仓内压力，将检测值与步骤b中的计算值比对，此地层选取的开仓气压值一般比理论计算值高0.2bar；

d、地下水封堵：停机前3-5环向盾构机盾体四周同步注入惰性浆液或堵水材料，同时盾尾增加注入盾尾油脂量；停机后，在盾尾第3-4环管片之间注入聚氨酯或环氧树脂，在第5-6环管片之间注入水泥浆和水玻璃混合的双浆液，同时通过前盾径向注浆口向盾壳外注粘度大于80s的膨润土浓浆；

e、渣土置换：用螺旋机从土舱的底部排渣，同时启动手动加气注入系统。加气时，根据土舱内压力变化情况，调整手动阀的大小，保证土舱内压力的稳定；土舱内的渣土排出2/3后，立即停止螺旋机排渣；开始通过膨润土系统，向土舱的顶部注入膨润土泥浆，在加膨润土的同时，逐步关闭手动加气，等到膨润土充满土舱的2/3后，开始保压；

使用原状膨润土调制比重1.18的泥浆，用注浆泵从土舱隔板上部的备用管路把泥浆注入土舱，螺旋机慢慢出土，将土舱内的上半部渣土置换成泥浆；当置换1/2以上后暂停置换，从土舱中部放浆取样测试，如果泥浆比重小于1.18，继续从土舱上部注入大比重泥浆，螺旋机慢慢出土或从土舱中部放出泥浆，直至土舱中部放出的泥浆比重不小于1.18；

f、渗透成膜：置换完成后，保压渗透；过程中如果土舱压力有下降，即从土舱上部小流量补充泥浆；随着渗透时间延长渗透量越来越小，直至2～3h不需要补充泥浆仍能保持压力稳定，说明地层缝隙基本被填充，可以进行成膜阶段的工作；

用高粘膨润土调制泥浆，同时用马氏漏斗测量泥浆粘度大于70s，置换土舱内大比重泥浆；保持土舱压力，过程中每间隔3小时从土舱中部放浆取样测试一次，如果取样泥浆粘度小于60s，即进行泥浆置换，如粘度大于60s则不需要置换；始终保持土舱压力，保压持续6小时不需要补充泥浆可判定泥膜制作成功，否则延长成膜时间；保压成膜过程可持续12小时，使泥膜厚度增厚，加强泥膜保压的可靠性；

g、气密性实验：泥膜制作完成后，首先打开进入土舱的自动加气阀门，然后从土舱中部缓慢放浆或螺旋输送机缓慢放浆，注意放出的泥浆与补充的压缩空气体积相等以保证舱内压力不降低，可把放出的浆液泵入渣土车测量放浆体积，直至放完土舱上半部的泥浆；这个过程必须注视供气管压力，如果供气管压力接近土舱压力说明泥膜闭气效果不好漏气量大，应立即停止放浆，需继续制作泥膜；

如果供气管压力远大于土舱压力说明漏气量小，可以继续放浆，放浆完成后关闭放浆阀；放浆完成，土舱上半部空间为压缩空气，空气自动保压系统自动维持舱内压力稳定；观察半小时，土舱上部和中部压力稳定，供气管压力较高且不下降，空压机不频繁启动，证明土舱内压缩空气保压良好，具备带压进舱条件，否则重复上述步骤f；

h、人仓气密性实验：从0bar升压至3.6bar不超过10min即为合格，降压操作过程中通常会出现土舱门漏气现象，造成气压降不到0bar，现场实践得出若降压后气压能小于0.3bar，则为安全，若气压降不到0.3bar，需要带压进行土舱门的密封处理；

i、进仓换刀：工作人员通过人仓进入到土仓内，进行刀具更换作业。

实施方式2

本实施方式作为本发明的最佳实施方式，其公开了砂卵石地层大直径盾构带压换刀施工方法，具体工艺步骤如下：

a、地质评估：结合施工地地质情况报告将地质情况稳定的地段作为停机换刀地点；

b、开仓气压值理论计算：盾构机土仓内气压平衡的仅是空舱底部的水压力和土体侧压力的较大值，在此基础上考虑一定的安全系数，根据以下公式即可计算出开仓气压的理论值：p＝pw+pr＝k*γ水*h水+pr；其中γ水为水的重度，h水为水高度,k的取值为1.0，pr取值为0.3bar；

c、开仓气压压气实验：通过螺旋机排出土仓内渣土至露出土仓中部的加气大球阀，对土仓保压一小时后检测土仓内压力，将检测值与步骤b中的计算值比对，此地层选取的开仓气压值一般比理论计算值高0.2bar；

d、地下水封堵：停机前3-5环向盾构机盾体四周同步注入惰性浆液或堵水材料，同时盾尾增加注入盾尾油脂量；停机后，在盾尾第3-4环管片之间注入聚氨酯或环氧树脂，在第5-6环管片之间注入水泥浆和水玻璃混合的双浆液，同时通过前盾径向注浆口向盾壳外注粘度大于80s的膨润土浓浆；

e、渣土置换：用螺旋机从土舱的底部排渣，同时启动手动加气注入系统。加气时，根据土舱内压力变化情况，调整手动阀的大小，保证土舱内压力的稳定；土舱内的渣土排出2/3后，立即停止螺旋机排渣；开始通过膨润土系统，向土舱的顶部注入膨润土泥浆，在加膨润土的同时，逐步关闭手动加气，等到膨润土充满土舱的2/3后，开始保压；

使用原状膨润土调制比重1.2的泥浆，用注浆泵从土舱隔板上部的备用管路把泥浆注入土舱，螺旋机慢慢出土，将土舱内的上半部渣土置换成泥浆；当置换1/2以上后暂停置换，从土舱中部放浆取样测试，如果泥浆比重小于1.18，继续从土舱上部注入大比重泥浆，螺旋机慢慢出土或从土舱中部放出泥浆，直至土舱中部放出的泥浆比重不小于1.18；

f、渗透成膜：置换完成后，保压渗透；过程中如果土舱压力有下降，即从土舱上部小流量补充泥浆；随着渗透时间延长渗透量越来越小，直至2～3h不需要补充泥浆仍能保持压力稳定，说明地层缝隙基本被填充，可以进行成膜阶段的工作；

用高粘膨润土调制泥浆，同时用马氏漏斗测量泥浆粘度大于70s，置换土舱内大比重泥浆。保持土舱压力，过程中每间隔3小时从土舱中部放浆取样测试一次，如果取样泥浆粘度小于60s，即进行泥浆置换，如粘度大于60s则不需要置换；始终保持土舱压力，保压持续6小时不需要补充泥浆可判定泥膜制作成功，否则延长成膜时间；保压成膜过程可持续12小时，使泥膜厚度增厚，加强泥膜保压的可靠性；

g、气密性实验：泥膜制作完成后，首先打开进入土舱的自动加气阀门，然后从土舱中部缓慢放浆或螺旋输送机缓慢放浆，注意放出的泥浆与补充的压缩空气体积相等以保证舱内压力不降低，可把放出的浆液泵入渣土车测量放浆体积，直至放完土舱上半部的泥浆；这个过程必须注视供气管压力，如果供气管压力接近土舱压力说明泥膜闭气效果不好漏气量大，应立即停止放浆，需继续制作泥膜；

如果供气管压力远大于土舱压力说明漏气量小，可以继续放浆，放浆完成后关闭放浆阀；放浆完成，土舱上半部空间为压缩空气，空气自动保压系统自动维持舱内压力稳定。观察半小时，土舱上部和中部压力稳定，供气管压力较高且不下降，空压机不频繁启动，证明土舱内压缩空气保压良好，具备带压进舱条件，否则重复上述步骤f；

h、人仓气密性实验：从0bar升压至3.6bar不超过10min即为合格，降压操作过程中通常会出现土舱门漏气现象，造成气压降不到0bar，现场实践得出若降压后气压能小于0.3bar，则为安全，若气压降不到0.3bar，需要带压进行土舱门的密封处理；

i、进仓换刀：工作人员通过人仓进入到土仓内，进行刀具更换作业。

本发明首先通过双浆液、聚氨酯等物料对盾构机盾尾管片之间进行密封，避免地下水沿管片流向盾构机土仓，然后通过膨润土浓浆对盾构机盾体四周进行密封，防止地下水从盾壳外渗入土仓，最后通过高比重泥浆封堵掌子面的渗水缝隙，通过高粘度泥浆在掌子面形成封堵泥模，进而完成对盾构机土仓的密封，保证带压换刀的顺利进行，其密封效果好，在保证作业人员安全的同时，延长了带压换刀的作业时间，提高了带压换刀的作业效率。