CN105257306B - 一种盾构机仓内加固的填仓换刀施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种盾构机仓内加固的填仓换刀施工方法，所述方法步骤包括：第一步、向土仓内注膨润土泥浆；第二步、空气置换土仓内的渣土泥浆；第三步、带压充填空隙；第第四步、连接袖阀管；第五步、注水泥砂浆回填土仓；第六步、向土仓前部水泥砂浆注速凝剂，向土仓后部水泥砂浆注缓凝剂；第七步、清仓换刀；第八步、恢复掘进。本发明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，降低了土仓内硬化体的破除难度，有效地减少了清仓作业量；本发明施工时间短，效率高，安全性强。

Description

一种盾构机仓内加固的填仓换刀施工方法

技术领域

本发明涉及一种隧道工程技术领域的施工方法，具体地，涉及一种盾构机仓内加固的填仓换刀施工方法。

背景技术

目前，国内外地铁隧道建设快速发展，这些地铁隧道需要用盾构法来建造。盾构隧道由于其安全、高效及机械化程度高等优点而在许多城市迅速发展。土压平衡盾构法是盾构法施工中常用的一种全机械施工方法，它采用土压平衡盾构机，通过盾构机前方的刀盘切削土体，并将碴土通过螺旋输送机输送出隧道外，盾构机在外壳和管片的支护下推进。在盾构推进过程中，需要不断地切割岩土，当切割的为坚硬岩层时，刀具会产生过度磨损、炸裂和卡死等破坏刀盘结构，影响正常施工作业，需及时更换刀具。由于各城市所处的地质条件和周围环境的不同，需要在各种地质条件下进行盾构机刀具更换。传统的常压换刀法、带压换刀法和地面加固后换刀法已在盾构法施工过程中得到了广泛应用。但当盾构机处于砂层，盾构机开挖面上部地面无法进行加固施工作业，且砂层自稳能力差、漏气严重时，盾构机刀具更换施工仍存在多方面的技术困难和严重的安全隐患。传统的盾构机刀具更换施工方法难于在砂层中无地面加固条件采用，产生盾构机换刀困难，施工效率低、工期长的不利局面。

经对现有技术的文献检索发现，发明专利“[申请号为201210268682.5]，发明名称：铁路股道下富水粉土粉砂地层盾构带压换刀的施工方法”，上述专利盾构机换刀施工需要采用高压旋喷桩对换刀处土体进行加固，在无地面加固条件下应用受到限制。发明专利“[申请号为201010554969.5]，发明名称：一种隧道施工用盾构机换刀施工方法”，该专利虽然提出了在土仓上壁注浆口利用盾构机的注浆系统进行土仓置换填充，但未提及具体的置换填充方式和具体的置换填充施工操作方法。该专利在土仓内注水泥砂浆与输出渣土同步进行，采用水泥砂浆置换土仓内渣土过程中，无法防止螺旋输送机内的水泥砂浆硬化，造成设备破坏。该专利清仓步骤中，土仓内硬化后的水泥砂浆的破除难度大，耗时长。该专利采用超前注浆加固盾构机上部土体，没有考虑超前注浆施工困难，注浆口极易堵塞，施工速度缓慢等缺点。因此亟需一种无地面加固条件下砂层中快速、安全的土压平衡盾构机换刀施工方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种盾构机仓内加固的填仓换刀施工方法，该方法克服了现有技术中地面无法加固、砂层保气能力差、注浆口易堵塞、注浆施工作业方式不明确、清仓过程中破除硬化水泥砂浆难度大并且耗时长、超前注浆加固施工困难且工作量大等缺点和不足，实现砂层中无地面加固条件下土压平衡盾构机的安全换刀施工。

为实现以上目的，本发明提供一种盾构机仓内加固的填仓换刀施工方法，所述施工方法包括如下步骤：

第一步、向土仓内注膨润土泥浆：

通过土仓内位于3点位和12点位的球阀向土仓内注入膨润土泥浆，膨润土泥浆注入量为土仓体积的10％～15％；

第二步、空气置换土仓内的渣土泥浆：

转动螺旋输送机输出土仓内的渣土泥浆，直至渣土泥浆完全排出；输出渣土泥浆过程中，保持土仓内压力稳定在0.06MPa；

第三步、带压充填空隙：

土仓内压力保持在0.06MPa，用棉絮将刀盘切口环处前盾与土体之间的缝隙塞紧，并采用堵漏灵进行封堵；

第四步、连接袖阀管：

将9点位球阀、2点位球阀、3点位球阀和人闸泄压孔接袖阀管，分别连接至土仓内刀盘后壁9点位、12点位、3点位和6点位吊耳处；

第五步、注水泥砂浆回填土仓：

将水泥砂浆从12点位球阀向土仓内加注；同时打开3点位和9点位球阀缓慢释放空气，直至排出水泥砂浆；关闭3点位和9点位球阀，继续加注水泥砂浆，采用1点位球阀缓慢释放空气；用水泥砂浆置换空气过程中，将土仓内压力保持在0.06～0.07MPa，水泥砂浆填满土仓后，停止注水泥砂浆，关闭1点位球阀；填水泥砂浆过程中间隔一段时间反转螺旋输送机，防止螺旋输送机卡死；

第六步、向土仓前部水泥砂浆注速凝剂，向土仓后部水泥砂浆注缓凝剂：

通过9点位球阀、2点位球阀、3点位球阀和人闸泄压孔同时向土仓前部的水泥砂浆注速凝剂浆液，速凝剂浆液的总注入量为土仓内水泥砂浆中水泥用量的2.7％～4％，拔出袖阀管；

通过9点位球阀、12点位球阀、3点位球阀和人闸泄压孔向土仓后部水泥砂浆注缓凝剂浆液，缓凝剂浆液的总注入量为土仓为水泥砂浆中水泥用量的0.13％～0.4％；

第七步、清仓换刀：

12小时后，待土仓前部水泥砂浆完全硬化、土仓后部水泥砂浆尚未硬化时，转动螺旋输送机输出土仓内的未硬化的水泥砂浆，直至不再输出水泥砂浆，用风镐由下往上凿除凝固的水泥砂浆，把土仓清理干净，此时不凿刀盘开口；保证刀盘面完整性并从下往上进行刀具更换，换刀时稳固安装台面，拆开螺栓和自锁螺母，移除旧刀，更换新刀，上紧螺栓；换刀过程中如有漏水，采用棉絮和堵漏灵进行封堵；

第八步、恢复掘进：

待盾构机刀盘上全部刀具更换完成后，盾构机恢复掘进。

优选地，第一步中，所述膨润土泥浆为化学泥浆，配浆材料为钙基膨润土和水，钙基膨润土与水的体积比为1：3。

优选地，第一步中，所述点位为时钟表盘刻度上时针指向的方位。

优选地，第一步中，所述球阀为球体启闭件由阀杆带动，并绕球阀轴线作旋转运动的阀门。

优选地，第三步中，所述前盾位于盾构前部，为圆筒形钢结构，其内部安装有用于支撑刀盘主驱动装置和螺旋输送机。

优选地，第三步中，所述刀盘切口环为位于盾构机最前段部分带有刃口的环状结构，起开挖和挡土作用。

优选地，第四步中，所述袖阀管为一种只能向管外出浆、不能向管内返浆的单向闭合装置，其由PVC外管、6分镀锌注浆内管、橡皮套、密封圈组成。

优选地，第四步中，所述堵漏灵为一种快速堵漏的水泥混合物，具有速凝、早强、抗渗、微膨胀、无毒无害的特点。

优选地，第五步中，所述水泥砂浆的质量配合比为水泥：砂：水＝1：a：b，其中：0.5≤a≤1.5，1≤b≤2。

优选地，第六步中，所述速凝剂为能加速水泥水化硬化时间、使水泥浆在很短时间内形成足够强度的外加剂，加入速凝剂的水泥浆通常在12分钟内终凝；速凝剂采用高岭土、高炉矿渣粉及纯碱进行配比，其矿物组成质量配合比为氧化铝：碳酸钠：氧化钙＝3：2：1。

更优选地，所述速凝剂与水泥的质量之比为y，根据已有室内试验测定的关于终凝时间的试验曲线进行选取：

终凝时间为8.5～12分钟之间时，速凝剂与水泥的质量之比4％≤y≤5％；

终凝时间为8～8.5分钟之间时，速凝剂与水泥的质量之比5％≤y≤6％；

终凝时间为7.5～8分钟之间时，速凝剂与水泥的质量之比6％≤y≤8％。

优选地，第六步中，所述速凝剂浆液的质量配合比为速凝剂：水＝1:1。

优选地，第六步中，所述缓凝剂为能延长水泥水化硬化时间、使水泥浆能在较长时间内保持流塑状态的外加剂，加入适当缓凝剂的水泥砂浆的缓凝时间可达48小时；缓凝剂采用柠檬酸、酒石酸与硼砂进行配比，其成分质量配合比为柠檬酸：酒石酸：硼砂＝5：1：1。

更优选地，所述缓凝剂的缓凝时间t根据如下公式计算：

t＝kx

式中：k为缓凝剂的缓凝时间性能参数，根据室内试验测定取值为21000h；x为缓凝剂与水泥用量的质量比。

优选地，第六步中，所述缓凝剂浆液的质量配合比为缓凝剂：水＝1:1。

优选地，第七步中，所述刀盘开口为刀盘上的空口，用于实现切削渣土排屑；所述自锁螺母为一种靠摩擦力自锁防松、防振的螺母。

优选地，第二步和第三步中：所述保持土仓内压力稳定在第一设定值，第一设定值是0.06MPa。

优选地，第五步中：所述将土仓内压力保持在第二设定值，第二设定值是0.06～0.07MPa。

优选地，第六步中，所述速凝剂浆液的总注入量为土仓内水泥砂浆中水泥用量的2.7％～4％。

优选地，第六步中，所述缓凝剂浆液的总注入量为土仓为水泥砂浆中水泥用量的0.13％～0.4％。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明针对上覆砂土下卧石灰岩地层中无地面加固条件下土压平衡盾构机填仓换刀问题，提供一种适用于上覆砂土下卧石灰岩地层中进行无地面加固条件下的土压平衡盾构机仓内加固的填仓换刀施工方法，相比现有专利技术，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，降低了土仓内硬化体的破除难度，有效地减少了清仓作业量；本发明施工时间短，效率高，安全性强。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例中的输出渣土泥浆过程中的土压平衡盾构机示意图；

图2为本发明实施例中的球阀位置示意图；

图3为本发明实施例中的连接袖阀管步骤中的袖阀管布置示意图；

图4为本发明实施例中的清仓换刀步骤中土仓内水泥砂浆硬化后示意图；

图5为本发明实施例中的刀盘开口位置示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1-5所示，本实施例提供一种盾构机仓内加固的填仓换刀施工方法(具体是一种上覆砂土下卧石灰岩地层中土压平衡盾构机仓内加固的填仓换刀施工方法)，用于广州某隧道，盾构机刀盘底部深度为地下14m，停机位置上部地面为交叉路口，为防止因刀具的过度磨损、炸裂和卡死等破坏刀盘结构，影响正常施工作业，需采用填仓换刀的施工方法，保证换刀施工安全有效地进行，具体施工步骤简述如下：

第一步，施工现场地质调查：通过查阅地质勘查报告确定盾构机刀盘底部所处位置以下6m至上部地面的地层分布情况；调查盾构机刀盘上部地面状况，确定是否有地面加固条件；

本实施盾构机刀盘底部所处位置以下6m至上部地面的地层分布为厚度为5m的石灰岩地层、厚度为10.5m的砂层和厚度为4.5m的素填土层，盾构机刀盘处于砂层中；石灰岩地层的渗透系数为0.3m/d，砂层的渗透系数为10m/d；素填土层的渗透系数为0.4m/d；盾构机上部地面为交叉路口，无地面加固条件。

第二步，确定换刀方法：

确定盾构机位于砂层中，且无地面加固条件，本条件下不能对盾构机进行常压换刀，同时砂层保气能力差，不能在砂层中进行带压换刀；所以对于砂层中无地面加固条件下的盾构机换刀施工，确定采用仓内加固填仓换刀的施工方法。

第三步，向土仓内注膨润土泥浆：

通过土仓内位于3点位和12点位的球阀向土仓内注入膨润土泥浆，膨润土泥浆注入量为土仓体积的15％，土仓体积为30m³，即注入量为4.5m³。

第四步，空气置换土仓内的渣土泥浆：

转动螺旋输送机输出土仓内的渣土泥浆，直至渣土泥浆完全排出，即螺旋输送机不再输出渣土泥浆；输出渣土泥浆过程中，保持土仓内压力稳定在0.06MPa。输出渣土泥浆过程如图1所示。

第五步，带压充填空隙：

土仓内压力保持在0.06MPa，用棉絮将刀盘切口环处前盾与土体之间的缝隙塞紧，并采用堵漏灵进行封堵。

第六步，连接袖阀管：

将9点位球阀、2点位球阀、3点位球阀和人闸泄压孔接袖阀管，分别连接至土仓内刀盘后壁9点位、12点位、3点位和6点位吊耳处。土仓内球阀位置如图2所示，袖阀管连接如图3所示。

第七步，注水泥砂浆回填土仓：

水泥砂浆中砂与水泥质量之比a取值为0.75，水与水泥质量之比b取值为1.18，将水泥砂浆从12点位球阀向土仓内加注；同时打开3点位和9点位球阀缓慢释放空气，直至排出水泥砂浆；关闭3点位和9点位球阀，继续加注水泥砂浆，采用1点位球阀缓慢释放空气。用水泥砂浆置换空气过程中，将土仓内压力保持在0.06MPa，水泥砂浆填满土仓后，停止注水泥砂浆。填水泥砂浆过程中间隔20分钟反转螺旋输送机，防止螺旋输送机卡死。

第八步，向土仓前部水泥砂浆注速凝剂，向土仓后部水泥砂浆注缓凝剂：

通过9点位球阀、2点位球阀、3点位球阀和人闸泄压孔同时向土仓前部的水泥砂浆注速凝剂浆液，速凝剂与水泥的质量之比为y取值为5％，速凝剂浆液的总注入量为土仓内水泥砂浆中水泥用量的3.33％，即340L，拔出袖阀管；通过9点位球阀、12点位球阀、3点位球阀和人闸泄压孔向土仓后部水泥砂浆注缓凝剂浆液，缓凝剂与水泥用量的质量比x取值为0.23％，缓凝剂浆液的总注入量为土仓内水泥砂浆中水泥用量的0.31％，即32L。

第九步，清仓换刀：

12小时后，土仓前部水泥砂浆完全硬化、土仓后部水泥砂浆尚未硬化时，转动螺旋输送机输出土仓内的未硬化的水泥砂浆，直至不再输出水泥砂浆。仓内水泥砂浆硬化后状态如图4所示。用风镐由下往上凿除凝固的水泥砂浆，把土仓清理干净，此时不凿刀盘开口；保证刀盘面完整性并从下往上进行刀具更换，换刀时稳固安装台面，拆开螺栓和自锁螺母，移除旧刀，更换新刀，上紧螺栓。对上部刀具进行更换时，下部已换好刀具处有水滴渗出，采用棉絮堵住下部刀具渗水处缝隙后，采用堵漏灵进行封堵，止水效果良好。清仓换刀过程中，掌子面稳定，无水位上涨现象。刀盘开口位置如图5所示。

第十步，恢复掘进：

盾构机刀盘上全部刀具更换完成后，试转螺旋输送机，螺旋输送机运行正常，盾构机恢复掘进。

本发明针对上覆砂土下卧石灰岩地层中无地面加固条件下土压平衡盾构机填仓换刀问题，提供一种适用于上覆砂土下卧石灰岩地层中进行无地面加固条件下的土压平衡盾构机仓内加固的填仓换刀施工方法，相比现有专利技术，该方法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，降低了土仓内硬化体的破除难度，有效地减少了清仓作业量；本发明施工时间短，效率高，安全性强。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种盾构机仓内加固的填仓换刀施工方法，其特征在于，所述施工方法包括如下步骤：

第一步、向土仓内注膨润土泥浆：

通过土仓内位于3点位和12点位的球阀向土仓内注入膨润土泥浆，膨润土泥浆注入量为土仓体积的10％～15％；

第二步、空气置换土仓内的渣土泥浆：

转动螺旋输送机输出土仓内的渣土泥浆，直至渣土泥浆完全排出；输出渣土泥浆过程中，保持土仓内压力稳定在第一设定值；

第三步、带压充填空隙：

土仓内压力保持在所述第一设定值，用棉絮将刀盘切口环处前盾与土体之间的缝隙塞紧，并采用堵漏灵进行封堵；

第四步、连接袖阀管：

将9点位球阀、2点位球阀、3点位球阀和人闸泄压孔接袖阀管，分别连接至土仓内刀盘后壁9点位、12点位、3点位和6点位吊耳处；

第五步、注水泥砂浆回填土仓：

将水泥砂浆从12点位球阀向土仓内加注；同时打开3点位和9点位球阀缓慢释放空气，直至排出水泥砂浆；关闭3点位和9点位球阀，继续加注水泥砂浆，采用1点位球阀缓慢释放空气；用水泥砂浆置换空气过程中，将土仓内压力保持在第二设定值，水泥砂浆填满土仓后，停止注水泥砂浆，关闭1点位球阀；填水泥砂浆过程中间隔一段时间反转螺旋输送机，防止螺旋输送机卡死；

第六步、向土仓前部水泥砂浆注速凝剂，向土仓后部水泥砂浆注缓凝剂：

通过9点位球阀、2点位球阀、3点位球阀和人闸泄压孔同时向土仓前部的水泥砂浆注速凝剂浆液，拔出袖阀管；

通过9点位球阀、12点位球阀、3点位球阀和人闸泄压孔向土仓后部水泥砂浆注缓凝剂浆液；

第七步、清仓换刀：

12小时后，待土仓前部水泥砂浆完全硬化、土仓后部水泥砂浆尚未硬化时，转动螺旋输送机输出土仓内的未硬化的水泥砂浆，直至不再输出水泥砂浆，用风镐由下往上凿除凝固的水泥砂浆，把土仓清理干净，此时不凿刀盘开口；保证刀盘面完整性并从下往上进行刀具更换，换刀时稳固安装台面，拆开螺栓和自锁螺母，移除旧刀，更换新刀，上紧螺栓；换刀过程中如有漏水，采用棉絮和堵漏灵进行封堵；

第八步、恢复掘进：

待盾构机刀盘上全部刀具更换完成后，盾构机恢复掘进。

2.根据权利要求1所述的盾构机仓内加固的填仓换刀施工方法，其特征在于，第一步中：

所述膨润土泥浆为化学泥浆，配浆材料为钙基膨润土和水，钙基膨润土与水的体积比为1：3；

所述点位为时钟表盘刻度上时针指向的方位；

所述球阀为球体启闭件由阀杆带动，并绕球阀轴线作旋转运动的阀门。

3.根据权利要求1所述的盾构机仓内加固的填仓换刀施工方法，其特征在于，第三步中：

所述前盾位于盾构前部，为圆筒形钢结构，其内部安装有用于支撑刀盘主驱动装置和螺旋输送机；

所述刀盘切口环为位于盾构机最前段部分带有刃口的环状结构。

4.根据权利要求1所述的盾构机仓内加固的填仓换刀施工方法，其特征在于，第四步中；

所述袖阀管为一种只能向管外出浆、不能向管内返浆的单向闭合装置，其由PVC外管、6分镀锌注浆内管、橡皮套、密封圈组成；

所述堵漏灵为一种快速堵漏的水泥混合物。

5.根据权利要求1所述的盾构机仓内加固的填仓换刀施工方法，其特征在于，第五步中，所述水泥砂浆的质量配合比为水泥：砂：水＝1：a：b，其中：0.5≤a≤1.5，1≤b≤2。

6.根据权利要求1所述的盾构机仓内加固的填仓换刀施工方法，其特征在于，第六步中：

所述速凝剂为能加速水泥水化硬化时间、使水泥浆在短时间内形成足够强度的外加剂，速凝剂采用高岭土、高炉矿渣粉及纯碱进行配比，其矿物组成质量配合比为氧化铝：碳酸钠：氧化钙＝3：2：1；

所述速凝剂浆液的质量配合比为速凝剂：水＝1：1。

7.根据权利要求6所述的盾构机仓内加固的填仓换刀施工方法，其特征在于，所述速凝剂与水泥的质量之比为y，根据已有室内试验测定的关于终凝时间的试验曲线进行选取：

终凝时间为8.5～12分钟之间时，速凝剂与水泥的质量之比4％≤y≤5％；

终凝时间为8～8.5分钟之间时，速凝剂与水泥的质量之比5％≤y≤6％；

终凝时间为7.5～8分钟之间时，速凝剂与水泥的质量之比6％≤y≤8％。

8.根据权利要求1-7任一项所述的盾构机仓内加固的填仓换刀施工方法，其特征在于，第六步中：

所述缓凝剂为能延长水泥水化硬化时间、使水泥浆能在长时间内保持流塑状态的外加剂，缓凝剂采用柠檬酸、酒石酸与硼砂进行配比，其成分质量配合比为柠檬酸：酒石酸：硼砂＝5：1：1；

所述缓凝剂浆液的质量配合比为缓凝剂：水＝1:1。

9.根据权利要求8所述的盾构机仓内加固的填仓换刀施工方法，其特征在于，所述缓凝剂的缓凝时间t根据如下公式计算：

t＝kx

式中：k为缓凝剂的缓凝时间性能参数，根据室内试验测定取值为21000h；x为缓凝剂与水泥用量的质量比。

10.根据权利要求1-7任一项所述的盾构机仓内加固的填仓换刀施工方法，其特征在于：

第二步和第三步中：所述保持土仓内压力稳定在第一设定值，第一设定值是0.06MPa；

第五步中：所述将土仓内压力保持在第二设定值，第二设定值是0.06～0.07MPa；

第六步中，所述速凝剂浆液的总注入量为土仓内水泥砂浆中水泥用量的2.7％～4％；所述缓凝剂浆液的总注入量为土仓为水泥砂浆中水泥用量的0.13％～0.4％。