CN102536253B - 一种土压盾构回填土仓进仓作业的施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土压盾构回填土仓进仓作业的施工方法，包括步骤：(1)向盾构机壳体外注膨润土浆液，(2)盾体外注聚氨酯形成止水环，(3)管片外注双液浆形成止水环，(4)膨润土置换土仓内碴土，利用膨润土注入系统和螺旋出土机配合工作进行渣土置换，(5)压注低、中、高强度的水泥膨润土砂浆浆液，使土仓内膨润土浆液形成有强度的固结体，(6)对盾构机切口环及刀盘顶部进行注浆，(7)施工人员进仓作业，(8)刀具更换完成后关闭土仓门，向土仓内注入回填膨润土建立土压平衡模式恢复掘进。本发明突破了盾构在特殊不稳定地层下进仓作业的困难和盾构在建筑物的下方进仓作业的困难，具有功效高、可操作性强等特点。

Description

一种土压盾构回填土仓进仓作业的施工方法

技术领域

本发明属于隧道工程技术领域，特别涉及一种土压平衡盾构机（简称土压盾构机）回填土仓进仓作业的施工方法。

背景技术

盾构法是软土隧道施工的主流工法，目前在城市地铁工程建设中得到广泛应用。其中以土压盾构机居多。盾构施工中依靠刀具切削岩石和土体，因此需要施工人员进入土仓更换磨损的刀具。进仓作业方法一般包括：常压进仓、加固地层后进仓、气压进仓。

第一、常压换刀。即在掌子面地层自稳性比较好的条件下，不采取任何加固方法，直接排空土仓内土体，进入土仓更换刀具，主要适用于微风化、中风化等地质条件较好的岩层。

第二、加固地层后进仓。即地层不能自稳，可能发生塌方涌水涌沙等事故，须采取辅助加固措施，如注浆、旋喷桩、降水、钢板桩等措施，从而提高掌子面土体稳定性，施工人员才能进仓换刀。

第三、气压进仓。同样面对地层不能自稳的情况，但因为地面条件限制，无法进行地面加固，如处在江河水域。气压进仓原理是：利用空气压缩机产生的压缩空气注入土仓代替土压，在土舱内建立合理的气压来平衡刀盘前方水、土压力，达到稳定掌子面和防止地下水渗入。施工人员在气压条件下进入土舱，进行检查、维修保养和刀具更换等作业。气压作业的基本条件是周边地层具备气密性条件——渗透系数不能过大。气压作业的缺点是无法采用常规的动火作业。

但还存在第四种情况，既无法地面加固，也无法实施气压进仓，如地层裂隙发育、渗透系数大。

发明内容

针对以上第四种情况，本发明提供一种土压盾构回填土仓进仓作业的施工方法。

本发明所采用的技术方案：一种土压盾构回填土仓进仓作业的施工方法，包括以下步骤：

(1)向盾构机壳体外注膨润土浆液，防止盾构机长时间停止不动而无法脱困。盾构停止掘进后，利用盾构机机身径向孔，作为注浆孔，所选取的多个径向孔沿圆周方向布置在盾构机中盾体。首先要确认注浆孔是否贯通。可将径向孔球阀轻微打开，看是否有泥水渗出；如无，则可能堵塞，可加大球阀打开程度，采用钢钎或冲击钻疏通径向孔。膨润土注入设备可选盾构机同步注浆设备，采用承压软管临时连接注浆设备出口和径向孔。压注顺序为盾构机底部－对称腰部－顶部，注浆终止压力控制为0.3MPa-0.4MPa。

(2)盾体外注聚氨酯形成止水环，防止地下水沿盾壳外间隙渗入土仓内。盾体外与地层间存在施工间隙，带压地下水会沿该间隙流入土仓，地下水一旦形成动水，将冲走步骤一压注的膨润土。步骤一压注完成后，可立即压注聚胺脂，注浆孔与步骤一相同，压注设备采用移动式聚胺脂压注泵和罐。压注前须进行聚胺脂发泡试验，检验聚胺脂性能和配比。

(3)管片外注双液浆形成止水环，防止地下水沿管片外间隙渗入盾构。成型隧道管片外与地层间存在建筑间隙，如果注浆不密实，上百米的隧道容易成为汇水通道。压注管片位置为盾尾后三环，连续压注两环。注浆孔为管片上预留的吊装孔，禁止选择封顶块的吊装孔作为注浆孔。注浆前须清理吊装孔内杂物，拧上球阀，然后采用钢钎或冲击钻将吊装孔外砼保护层凿穿。注入设备可选盾构机同步注浆设备，采用承压软管临时连接注浆设备出口和注浆孔球阀。压注顺序为管片底部－对称腰部－顶部，注浆终止压力控制为0.3MPa-0.4MPa。

(4)膨润土置换土仓内碴土，利用膨润土注入系统和螺旋出土机配合工作进行渣土置换。膨润土注入口为仓壁上的预留的超前钻探孔，应选择土仓壁的中上部的孔洞，注浆前须确认孔洞贯通。注入设备为盾构机的同步注浆罐和砂浆泵，用承压软管连接砂浆泵和土仓壁的孔洞。碴土置换前，必须根据储浆罐容积计算每次置换渣土体积。置换步骤是，打开注浆泵保持压力，螺旋出土机匀速出土，注浆泵同步注入膨润土置换渣土。渣土由底部到上部逐步排出，浆液由上到下逐步置换，循环多次后直至盾构机刀盘土仓内全部为膨润土浆液；并且还要使膨润土浆液在刀盘前方形成一定厚度的泥膜，确保刀盘前方掌子面的碴土不再塌落到土仓内。

(5)压注低、中、高强度的水泥膨润土砂浆浆液，使土仓内膨润土浆液形成有强度的固结体。紧接着步骤五后。利用同样的注浆孔位和注浆设备，依次压入低、中、高三种水泥浆液。相隔一定时间段之后利用土仓壁上的预留孔对凝固填仓物进行检查，若能够达到自稳要求即可进行进仓挖除填仓物。

(6)对盾构机切口环及刀盘顶部进行注浆，确保土仓顶部的土层能够自稳且减少渗水。注浆孔为盾壳上沿圆周布设的超前地质探孔，选择盾构机的中上部的孔位。利用电动锤击设备自内向外将注浆管打入盾构机周边土体，入土深度为4m～6m。随后连接注浆设备进行注浆，采用纯水泥浆液，注浆终止压力控制为0.3MPa-0.4MPa。，直至前方不能注入为止。停止注浆后，需采用双液浆封堵孔口，最后关闭注浆孔的球阀。

(7)施工人员进仓作业。相隔一定时间段之后利用土仓壁上的预留孔对凝固填仓物进行检查，若能够达到自稳要求，施工人员即可根据作业需要开挖局部填仓物并进入土仓，进行刀具的检查、更换工作。施工人员进仓作业时须进行辅助封堵措施，在切口环、刀盘开口角部位置进行补充加固和止水工作。

(8)刀具更换完成后关闭土仓门，向土仓内注入回填膨润土建立土压平衡模式恢复掘进。

上述步骤（1）中膨润土必须选取质量优良的钠基膨润土，经过充分的膨化作用才可进行压注。

上述步骤（1）和步骤（4）中压注膨润土设备可选用盾构机的同步注浆设备（包括砂浆罐和砂浆泵），也可采用某些盾构特别装备的膨润土注入设备（包括膨润土罐和配套泵）。

上述步骤（3）中打开管片吊装孔前，必须在吊装孔上临时拧上同等尺寸的钢管，钢管上必须安装有球阀和法兰盘。在打通外层保护层过程中，如果喷涌过大，应取出钢钎，关闭球阀。

上述步骤（3）中双液浆由水泥和水玻璃按照1:0.5±0.05重量比配合而成。

上述步骤（4）中置换碴土时，由于储浆罐容积小于盾构土仓容积，必须严格控制螺旋机出土速度，保证每次置换渣土体积小于储浆罐储备膨润土奖体积。

上述步骤（5）中压注低强度的水泥砂浆膨润土浆液时，盾构机刀盘可间隔一定时间缓慢转动，使得土仓内的置换的膨润土再次被低强度水泥砂浆膨润土浆液置换，当碴土基本置换完成后刀盘便停止转动，防止因浆液初凝却被刀盘转动破坏。

上述步骤（5）中压注低、中、高强度的水泥砂浆膨润土浆液时过程中，盾构机的螺旋输送机大约隔半个小时反向转动1～2圈（40～80秒），防止因浆液凝固将螺旋输送机7卡住。

上述步骤（5）中压注中、高强度的水泥砂浆膨润土浆液时，待低强度水泥砂浆膨润土浆液基本填满土仓后开始进行中等强度的水泥砂浆膨润土浆液，此时需提高注浆压力同时提高仓压并保持在地下水水压的1.5倍左右，确保进入土仓内的“等强度的水泥砂浆膨润土浆液”尽可能直接输送至刀盘前方部位；为了确保刀盘前方的地层稳定，再次采用高强度水泥砂浆膨润土浆液注入土仓内，加大土仓内的压力并保持至地下水水压的2倍左右，至此土仓内的碴土置换和刀盘前方的加固基本完成。

上述步骤（6）中超前注浆采用纯水泥浆，其水灰比为1：1，注浆压力为0.4～0.5MPa（可根据地层埋深及地下水压力实际情况控制注浆压力）。

上述步骤（6）中超前注浆应分多次注浆，每一次注浆过程中应实时观测每个注浆管的注浆压力，一旦超过设定压力则停止注浆，待注浆管压力下降后再继续下一次注浆。

上述步骤（6）中封孔浆液为双液浆，由水泥和水玻璃按照1:0.5±0.05重量比配合而成。当通过注浆管不能再向盾构机上部土体注入水泥浆时，可以结束水泥注浆，压注封孔浆液。

上述步骤（7）实施前，需要进行的是土仓内水泥砂浆膨润土浆液凝固时间等待，高强度水泥砂浆膨润土浆液凝固时间约在10～12小时。

上述步骤（7）中相隔一定时间段之后利用土仓壁上的预留孔对凝固填仓物进行检查，检查时打开球阀，看是否以渗水；如无，可用钢钎试探填仓加固体的强度，若能够达到自稳要求即可进仓挖除填仓物。

上述步骤（7）中为保证仓内施工人员的安全，先期开挖的部分必须在切口环、刀盘开口角部位置采用快速水泥加固，若水流较小，可采用塑料管引出，减少水压力；若水流较大则利用刀盘开口或刀箱再次注浆止水，止水工作完成，对刀盘开口处用“九分板”加钢筋进行加固封闭。

本发明的显著特点在于：

（1）突破了盾构在特殊不稳定地层下进仓作业的困难。特殊地层指：地层无法自稳；可能塌方涌水；地层渗透系数大，可能有裂隙，不具备气压作业条件。

（2）突破了盾构在建筑物的下方进仓作业的困难。建筑物下方无法采用地面加固地层，而且建筑物保护要求极高,不允许发生过量沉降。本方法不需要地面加固，对地层扰动小，完全可以保证建构筑物安全。

（3）本发明吸取现有技术的优点并进行了改进。传统气压法压注膨润土泥浆在开挖断面形成有效隔水泥膜，但泥膜长期暴露在空气中容易干裂失效。本方法采用水泥砂浆作为土仓填充体支护泥膜，泥膜始终保持湿润特性，从而保证了隔水性能。水泥砂浆填充体的支护稳定性远远高于气体，不存在漏气泄压的风险。

（4）克服了带压进仓无法动火作业的缺点，可以进行割、焊等作业。盾构换刀过程中，严重损坏的刀具往往无法正常拆卸，需要采用割、焊等手段，气压作业必须采用昂贵的进口特种设备进行作业。本方法仅在常压状态下采用一般性工具即可进行割、焊等作业。

（5）功效高。地面加固工法需要耗时1～2个月进行加固，甚至需要更多时间进行拆迁和交通疏解；气压作业需要加压－减压的复杂过程，而且每次作业仅能1～2小时，由于无法通风，作业功效低下。本方法作业环境为常压自然环境，不限制作业时间，功效高，大大缩短了进仓作业的时间。

（6）本方法可操作性强。本方法采用的材料为膨润土、水泥浆和聚胺脂，皆为可以在任何地方采购的通用建筑材料；采用的注浆设备为盾构机通用配置的注浆罐和注浆泵；作业环境为自然常压环境；作业步骤简单，一般性工程人员简单培训后即可实施。

（7）社会效益明显，采用洞内加固施工，不占用地面，对盾构机地面周围建筑物、居民、城市交通影响小。

（8）经济效益明显，由于不需要进行地面加固就可以进仓作业，大大节约了地面加固的临时措施费。

附图说明

图1为本发明对盾构机进行换刀的方法流程图；

图2为本发明进行土仓置换填充时的状态参考图；

图3为本发明进行机内超前注浆时的状态参考图；

图4为图3的A-A剖视图；

图5为本发明对凝固在土仓内的水泥砂浆块进行人工清理的清理顺序（按照标号顺序清理）示意图。

图中：

1—盾构机；11—土仓；12—螺旋出土机；121—螺旋出土口；13—注浆口；14—超前地质探孔；15—千斤顶；16—径向孔；17—胸板；18—刀盘；2—砂浆；3—膨润土；4—聚氨酯；5—双液浆；61—管片吊装孔；62—打穿混凝土保护层的管片吊装孔；7—注浆管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施进行详细描述，但是本发明的保护范围不局限于下述实施例。

如图1至图5所示，本发明所述施工方法，通过以下步骤实现：

（1）判断盾构机换刀位置地质情况。根据地质勘察资料、盾构机掘进出土的碴样（如：碴样中含有花岗岩岩块占总碴样百分比、碴样的形状；非花岗岩碴土样品的总量）进行判断，确定是否采用回填土仓方法进仓施工作业。

（2）首先利用盾构机本身预留的径向孔16向其四周注满膨润土，配合比为260Kg/m3的浆液，防止盾构机长时间停止不动而无法脱困。

（3）盾构机止水环作业。根据盾构机所处的地层裂隙水水量大小以及是否位于下坡段趋势，确定是否采用利用盾构机自身预留的径向孔16向盾体周边注入聚氨酯，用管片注浆孔补充压注双液桨，形成止水环止水。如某实施例中，因盾构机处于下坡段趋势，盾尾后方的裂隙水水量较大，为确保回填土仓后，安全进仓挖除填仓物，利用盾构机自身预留的径向孔向盾体周边注入聚氨酯形成止水环止水。

（4）在盾体后的渗水完全止住后，利用盾构机的同步注浆罐及新增的管路（即利用导管将同步注浆罐与土仓壁的预留孔直接连接）通过土仓壁上的预留孔对土仓2内的碴土进行置换并通过螺旋输送机7导出，直至盾构机刀盘1土仓2内全部为膨润土浆液；并且还要使膨润土浆液在刀盘前方形成一定厚度的泥膜，确保刀盘前方的不稳定的碴土不能进入到土仓2内。

（5）在土仓2内的碴土置换成功后，即可进行低、中、高强度的水泥砂浆膨润土浆液注入加固：

表1低、中、高强度水泥砂浆膨润土浆液配合比表

注：本浆液配合比中不含外加剂。

表2浆液的工艺要求

首先进行低强度水泥砂浆膨润土浆液“50浆液”（即配合比1）的注入加固，其目的是将土仓内的膨润土置换为带有水泥能够具有凝结力的浆液，确保土仓内的浆液凝固后凝结力较小，满足人工高效率开挖铲除；第二待低强度水泥砂浆膨润土浆液基本填满土仓后开始进行中等强度的水泥砂浆膨润土浆液“80浆液”（即配合比2），此时需提高注浆压力同时提高仓压确保进入土仓内的“80浆液”尽可能直接输送至刀盘前方部位，此时仓压基本保持在地下水水压的1.5倍左右；第三为了确保刀盘前方的地层稳定再次采用高强度水泥砂浆膨润土浆液“110浆液”（即配合比3）注入土仓内并加大土仓内的压力至地下水水压的2倍左右并保持不变，至此土仓内的碴土置换和刀盘前方的加固基本完成。

（6）需要注意的两点是：一、在注入低强度水泥砂浆膨润土浆液过程的初期，盾构机刀盘1可间隔一定时间缓慢转动，使得土仓内的置换的膨润土再次被低强度水泥砂浆膨润土浆液置换，当碴土基本置换完成后刀盘1便停止转动，防止因浆液初凝却被刀盘转动破坏；二、在注入低、中、高强度水泥砂浆膨润土浆液过程中始终保持盾构机的螺旋输送机7反向转动，防止因浆液凝固将螺旋输送机7卡住。

（7）为确保回填土仓顶部的土层能够自稳且减少渗水，故利用图2中的超前地质探孔14对盾构机切口环及刀盘顶部进行注浆，采用纯水泥浆液，其水灰比为1：1，注浆压力为0.4～0.5MPa（可根据地层埋深及地下水压力实际情况控制注浆压力），直至前方不能注入为止，此次注浆的目的是加固盾构机刀盘1顶部及切口环顶部土体以及再次密实相关部位土体，防止其后方水流渗入土仓2内。至此整个填仓工序已经完成，需要进行的是土仓内水泥砂浆膨润土浆液凝固时间等待，根据多次试验，本配合比3的凝固时间约在10～12小时，若加大水泥用量，凝结时间将缩短，其强度将提高。相隔一定时间段之后利用土仓壁上的预留孔对凝固填仓物进行检查，若能够达到自稳要求即可进仓挖除填仓物。

（8）为保证仓内施工人员的安全，先期开挖的部分必须在切口环、刀盘开口角部位置采用快速水泥加固，若水流较小，可采用塑料管引出，减少水压力；若水流较大则利用刀盘开口或刀箱再次注浆止水，止水工作完成，对刀盘开口处用“九分板”加钢筋进行加固封闭。

（9）常压作业下进行刀具的检查、更换工作。

（10）刀具更换完成后关闭土仓门，向土仓2内注入回填膨润土建立土压平衡模式恢复掘进。

Claims (8)

1.一种土压盾构回填土仓进仓作业的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)向盾构机壳体外注膨润土浆液，防止盾构机长时间停止不动而无法脱困，在盾构机停止掘进后，利用盾构机机身径向孔，作为注浆孔，所选取的多个径向孔沿圆周方向布置在盾构机的盾体中部；

(2)在盾体外注聚氨酯形成止水环，防止地下水沿盾壳外间隙渗入土仓内；

(3)在管片外注双液浆形成止水环，防止地下水沿管片外间隙渗入盾构机；

(4)膨润土置换土仓内碴土，利用膨润土注入系统和螺旋出土机配合工作进行渣土置换；

(5)压注低、中、高强度的水泥膨润土砂浆浆液，使土仓内膨润土浆液形成有强度的固结体；紧接着利用同样的注浆孔位和注浆设备，依次压入低、中、高三种水泥浆液；

(6)对盾构机切口环及刀盘顶部进行注浆，确保土仓顶部的土层能够自稳且减少渗水，注浆孔为盾壳上沿圆周布设的超前地质探孔，选择盾构机的中上部的孔位，停止注浆后，采用双液浆封堵孔口，然后关闭注浆孔的球阀；

(7)施工人员进仓作业，相隔一定时间段之后利用土仓壁上的预留孔对凝固填仓物进行检查，若能够达到自稳要求，施工人员即可根据作业需要开挖局部填仓物并进入土仓，进行刀具的检查、更换工作；

(8)刀具更换完成后关闭土仓门，向土仓内注入回填膨润土建立土压平衡模式恢复掘进。

2.根据权利要求1所述土压盾构回填土仓进仓作业的施工方法，其特征在于，所述步骤(1)和步骤(3)中压注膨润土的顺序为盾构机底部－对称腰部－顶部，注浆终止压力控制为0.3MPa-0.4MPa。

3.根据权利要求1所述土压盾构回填土仓进仓作业的施工方法，其特征在于，所述步骤(2)中压注的聚氨酯采用水溶性聚胺脂。

4.根据权利要求1所述土压盾构回填土仓进仓作业的施工方法，其特征在于，所述步骤(3)中的双液浆由水泥和水玻璃按照1:0.5±0.05重量比配合而成。

5.根据权利要求1所述土压盾构回填土仓进仓作业的施工方法，其特征在于，所述步骤(5)中压注低、中、高强度的水泥砂浆膨润土浆液的过程中，盾构机的螺旋输送机每隔半个小时反向转动1～2圈。

6.根据权利要求1所述土压盾构回填土仓进仓作业的施工方法，其特征在于，所述步骤(6)中超前注浆采用纯水泥浆，其水、灰比为1：1，注浆压力为0.4～0.5MPa。

7.根据权利要求1或6所述土压盾构回填土仓进仓作业的施工方法，其特征在于，所述步骤(6)中的封孔浆液为双液浆，由水泥和水玻璃按照1:0.5±0.05重量比配合而成。

8.根据权利要求1所述土压盾构回填土仓进仓作业的施工方法，其特征在于，所述步骤(7)实施前，进行土仓内水泥砂浆膨润土浆液凝固时间的等待，高强度水泥砂浆膨润土浆液凝固时间为10～12小时。