CN105971614B - 应用于上软下硬复合地层的盾构机及盾构施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于上软下硬复合地层的盾构机及盾构施工方法，盾构机包括：刀盘装置，刀盘装置采用全盘滚刀，刀盘装置上设有用于探测上软下硬复合地层中位于盾构工作线路上的岩溶地层的超前钻；土体改良装置，土体改良装置在盾构施工过程中分别对上软下硬复合地层的硬岩地层和软土地层进行土体改良。本发明通过设置在刀盘装置上的超前钻探测上软下硬复合地层中位于盾构工作线路上的岩溶地层，然后对溶洞进行处理，可以防止施工过程中在岩溶地层的溶洞处出现漏浆，地面沉降以及后期隧道运营阶段也会导致隧道变形等问题。并将刀盘装置设置为全盘滚刀，达到事前做好预防措施，减小上软下硬地层对盾构机刀盘刀具的磨损，将损失降到最低的目的。

Description

应用于上软下硬复合地层的盾构机及盾构施工方法

技术领域

本发明涉及隧道盾构技术领域，尤其是指一种应用于上软下硬复合地层的盾构机及盾构施工方法。

背景技术

盾构在复合地层，即长距离上软下硬地层中倔强掘进，可能发生盾构机偏移或被卡住、蛇行推进，注浆不及时易产生地面沉降甚至塌陷、隧道管片破损以及盾构机损坏等许多难以预料的问题。除此之外，在这种地层中施工还会出现刀具磨损严重、更换困难、不正常损坏多等问题造成掘进受阻，刀盘磨损致使刀盘强度和刚度降低而无法掘进，刀盘受力不均致使主轴承受损或主轴承密封被破坏等等一系列高风险的问题。盾构技术已广泛应用于软土地层和复合地层中修建地铁隧道，但若遇到长距离的硬岩段施工，一般都采用换刀以及加强盾构掘进过程控制的方法。但现有的针对上软下硬地层施工方法的应对措施大都是在盾构机掘进施工过程中采取的措施，不具有前瞻性，属于事中处理措施，刀盘刀具仍然会受到磨损。

发明内容

有鉴于上述问题，本发明的目的在于事前做好预防措施，减小上软下硬地层对盾构机刀盘刀具的磨损，将损失降到最低。

为了实现上述目的，本发明提供了一种应用于上软下硬复合地层的盾构机，包括：

刀盘装置，所述刀盘装置采用全盘滚刀，所述刀盘装置上设有用于探测上软下硬复合地层中位于盾构工作线路上的岩溶地层的超前钻；

土体改良装置，所述土体改良装置在盾构施工过程中分别对上软下硬复合地层的硬岩地层和软土地层进行土体改良。

本发明应用于上软下硬复合地层的盾构机，可以通过设置在刀盘装置上的超前钻探测上软下硬复合地层中位于盾构工作线路上的岩溶地层，然后对岩溶地层的溶洞进行处理，可以防止施工过程中在岩溶地层的溶洞处出现漏浆，地面沉降以及后期隧道运营阶段也会导致隧道变形等问题。并将刀盘装置设置为全盘滚刀，是施工之前就进行改制的，而不是过程中更换，达到事前做好预防措施，减小上软下硬地层对盾构机刀盘刀具的磨损，将损失降到最低的目的。

本发明应用于上软下硬复合地层的盾构机的进一步改进在于，所述刀盘装置为面板式的圆形刀盘，所述刀盘装置包括十字型刀具与沿圆周均匀布设于所述十字型刀具的四个间隔区段内的多个长条型刀具，所述十字型刀具包括相互垂直设置的两个长杆型刀具。

本发明应用于上软下硬复合地层的盾构机的进一步改进在于，所述十字型刀具的中心位置设有中心滚刀，所述长杆型刀具和所述长条型刀具的内部均设有多个单刃滚刀，所述长杆型刀具和所述长条型刀具靠近所述中心滚刀的区段的两侧均设有多个齿刀，所述长杆型刀具和所述长条型刀具远离所述中心滚刀的区段的两侧均设有边缘刮刀。

本发明应用于上软下硬复合地层的盾构机的进一步改进在于，所述盾构机采用土压平衡盾构机。

本发明应用于上软下硬复合地层的盾构机的进一步改进在于，所述土体改良装置包括：

泡沫泵与泡沫发生系统，所述泡沫泵配合所述泡沫发生系统，向设置于所述刀盘装置和盾构机的土仓壁上的添加剂注入口注入泡沫和膨润土及其他聚合物作为土体改良剂，以对上软下硬复合地层的硬岩地层进行土体改良；

加泥加水系统、高压冲洗系统以及设置于所述土仓内的搅拌棒，所述加泥加水系统、所述高压冲洗系统以及所述搅拌棒相互配合，以对上软下硬复合地层的软土地层进行土体改良。

本发明还提供了一种应用于上软下硬复合地层的盾构施工方法，包括：

在盾构机的刀盘装置上安装用于探测上软下硬复合地层中位于盾构工作线路上的岩溶地层的超前钻，以对探测到的岩溶地层的溶洞进行处理；所述刀盘装置采用全盘滚刀；

通过盾构机的土体改良装置，在盾构施工过程中分别对上软下硬复合地层的硬岩地层和软土地层进行土体改良。

本发明应用于上软下硬复合地层的盾构施工方法，通过设置在刀盘装置上的超前钻探测上软下硬复合地层中位于盾构工作线路上的岩溶地层，然后对岩溶地层的溶洞进行处理，可以防止施工过程中在岩溶地层的溶洞处出现漏浆，地面沉降以及后期隧道运营阶段也会导致隧道变形等问题。并将刀盘装置设置为全盘滚刀，是施工之前就进行改制的，而不是过程中更换，达到事前做好预防措施，减小上软下硬地层对盾构机刀盘刀具的磨损，将损失降到最低的目的。

本发明应用于上软下硬复合地层的盾构施工方法的进一步改进在于，所述刀盘装置为面板式的圆形刀盘，所述刀盘装置包括十字型刀具与沿圆周均匀布设于所述十字型刀具的四个间隔区段内的多个长条型刀具，所述十字型刀具包括相互垂直设置的两个长杆型刀具。

本发明应用于上软下硬复合地层的盾构施工方法的进一步改进在于，所述十字型刀具的中心位置设有中心滚刀，所述长杆型刀具和所述长条型刀具的内部均设有多个单刃滚刀，所述长杆型刀具和所述长条型刀具靠近所述中心滚刀的区段的两侧均设有多个齿刀，所述长杆型刀具和所述长条型刀具远离所述中心滚刀的区段的两侧均设有边缘刮刀。

本发明应用于上软下硬复合地层的盾构施工方法的进一步改进在于，通过盾构机的土体改良装置，在盾构施工过程中分别对上软下硬复合地层的硬岩地层和软土地层进行土体改良，包括：

通过所述土体改良装置的泡沫泵与泡沫发生系统的相互配合，向设置于所述刀盘装置和盾构机的土仓壁上的添加剂注入口注入泡沫和膨润土及其他聚合物作为土体改良剂，以对上软下硬复合地层的硬岩地层进行土体改良；

通过所述土体改良装置的加泥加水系统、高压冲洗系统以及设置于所述土仓内的搅拌棒的相互配合，以对上软下硬复合地层的软土地层进行土体改良。

本发明应用于上软下硬复合地层的盾构施工方法的进一步改进在于，还包括：所述超前钻探测到上软下硬复合地层中位于盾构工作线路上的岩溶地层，由地面向岩溶地层的溶洞进行注浆，以处理岩溶地层的溶洞。

附图说明

图1是本发明应用于上软下硬复合地层的盾构机的刀盘装置的示意图。

图2是本发明应用于上软下硬复合地层的盾构施工方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明应用于上软下硬复合地层的盾构机，包括：

刀盘装置，所述刀盘装置采用全盘滚刀，所述刀盘装置上设有用于探测上软下硬复合地层中位于盾构工作线路上的岩溶地层的超前钻。通过超前钻能够有效降低风险，做好上软下硬特殊地层施工准备。

土体改良装置，所述土体改良装置在盾构施工过程中分别对上软下硬复合地层的硬岩地层和软土地层进行土体改良。

具体地，配合参看图1所示，图1是本发明应用于上软下硬复合地层的盾构机的刀盘装置的示意图。刀盘装置10为面板式的圆形刀盘，开口率为31％，刀盘装置10包括十字型刀具与沿圆周均匀布设于所述十字型刀具的四个间隔区段111内的多个长条型刀具120，所述十字型刀具包括相互垂直设置的两个长杆型刀具110。进一步地，所述十字型刀具的中心位置(即两个长杆型刀具110的交接位置)设有中心滚刀130，长杆型刀具110和长条型刀具120的内部均设有多个单刃滚刀140，长杆型刀具110和长条型刀具120靠近中心滚刀130的区段的两侧均设有多个齿刀150，长杆型刀具110和长条型刀具120远离中心滚刀130的区段的两侧均设有边缘刮刀160。相比于应用于软土地层的撕裂刀，本发明的刀盘装置10采用全盘滚刀，在施工上软下硬复合地层时受到的磨损更小，更为耐用。在本发明的一个优选实施例中，中心滚刀130的总数量为1把，单刃滚刀140的总数量为31把，齿刀150的总数量为68把，边缘刮刀160的总数量为12组，36把。

特别地，本发明应用于上软下硬复合地层的盾构机，无论是刀盘装置10的十字型刀具的长杆型刀具110，还是刀盘装置10的长条型刀具120，都是只采用了滚刀(即中心滚刀130和单刃滚刀140)，因此，十字型刀具的长杆型刀具110中的中心滚刀130和长条型刀具120中的单刃滚刀140就共同组成了全盘滚刀的刀盘装置10。

所述土体改良装置包括：

泡沫泵与泡沫发生系统，所述泡沫泵配合所述泡沫发生系统，可根据需要向设置于刀盘装置10和盾构机的土仓壁上的添加剂注入口170注入泡沫和膨润土及其他聚合物作为土体改良剂，进而实现向开挖面注入泡沫和膨润土及其他聚合物，改善碴土的流动性，以对上软下硬复合地层的硬岩地层进行土体改良。优选地，在硬岩地层采用三台独立的泡沫泵配合泡沫发生系统向刀盘装置10前部各添加剂注入口170进行土体改良，实现单点单泵控制。

加泥加水系统、高压冲洗系统以及设置于所述土仓内的搅拌棒，所述加泥加水系统、所述高压冲洗系统以及所述搅拌棒相互配合，以对上软下硬复合地层的软土地层进行土体改良。优选地，在软土地层土体改良的主要手段为加泥加水系统、高压冲洗系统及土仓内设置的主、被动搅拌棒，以用于土仓内结泥饼的防治。

较佳地，本发明应用于上软下硬复合地层的盾构机采用土压平衡盾构机，盾构机呈前大后小形的锥形结构设计，确保在一定的刀盘装置的各刀具磨损条件下盾构机的前进能力。

进一步地，盾构机在穿越上软下硬地层时采取半仓气压模式推进，保持欠压、匀速、连续推进，以严格控制地面沉降，保护铁路及市政管线安全。

因此，本发明应用于上软下硬复合地层的盾构机，可以通过设置在刀盘装置上的超前钻探测上软下硬复合地层中位于盾构工作线路上的岩溶地层，然后对岩溶地层的溶洞进行处理，可以防止施工过程中在岩溶地层的溶洞处出现漏浆，地面沉降以及后期隧道运营阶段也会导致隧道变形等问题。并将刀盘装置设置为全盘滚刀，是施工之前就进行改制的，而不是过程中更换，达到事前做好预防措施，减小上软下硬地层对盾构机刀盘刀具的磨损，将损失降到最低的目的。

以下以武汉四号线二期三标汉阳火车站至钟家村盾构区间段为工程背景，对本发明应用于上软下硬复合地层的盾构施工方法进行详细说明。此工程将穿越约280m的上软下硬地层，某区间隧道于进洞前约390m开始穿越上软下硬岩层，其中上软下硬(中风化灰岩)层长约280m。中风化灰岩钻芯取样最大强度为129MPa，平均强度104MPa，其上层软土主要为含碎石红黏土标贯值N＝19.8击。

参见图2所示，图2是本发明应用于上软下硬复合地层的盾构施工方法的流程图。本发明应用于上软下硬复合地层的盾构施工方法，包括：

步骤S1：在盾构机的刀盘装置上安装用于探测上软下硬复合地层中位于盾构工作线路上的岩溶地层的超前钻，以对探测到的岩溶地层的溶洞进行处理；所述刀盘装置采用全盘滚刀。

步骤S2：通过盾构机的土体改良装置，在盾构施工过程中分别对上软下硬复合地层的硬岩地层和软土地层进行土体改良。

其中，在步骤S2中，通过盾构机的土体改良装置，在盾构施工过程中分别对上软下硬复合地层的硬岩地层和软土地层进行土体改良，包括：

通过所述土体改良装置的泡沫泵与泡沫发生系统的相互配合，向设置于所述刀盘装置和盾构机的土仓壁上的添加剂注入口注入泡沫和膨润土及其他聚合物作为土体改良剂，进而实现向开挖面注入泡沫和膨润土及其他聚合物，改善碴土的流动性，以对上软下硬复合地层的硬岩地层进行土体改良。优选地，在硬岩地层采用三台独立的泡沫泵配合泡沫发生系统向刀盘装置前部各添加剂注入口进行土体改良，实现单点单泵控制。

通过所述土体改良装置的加泥加水系统、高压冲洗系统以及设置于所述土仓内的搅拌棒的相互配合，以对上软下硬复合地层的软土地层进行土体改良。优选地，在软土地层土体改良的主要手段为加泥加水系统、高压冲洗系统及土仓内设置的主、被动搅拌棒，以用于土仓内结泥饼的防治。

具体地，针对软土地层及上软下硬地层上部软土粘性大的特点，盾构掘进过程中应重视土仓内泥饼防治，主要手段包括加泥加水系统、高压冲洗系统及土仓内设置的主、被动搅拌棒。

加泥系统由二台螺杆泵、一台搅拌桶及管路和阀件组成，可根据需要将管路连接至指定的注入口，向刀盘前部注入高分子聚合物拌合剂或膨润土浆液，高分子聚合物拌合剂主要用于含水量较大的地层中，起到减小渣土坍落度的作用，改善土体流塑性防止螺旋机喷涌；膨润土浆液可以减小刀盘阻力，同时在刀盘正面形成泥膜效应，起到止水作用，在气压换刀过程中可以在一定程度上封闭正面土体，减少气体流失，起到保压作用。

加水系统由二台螺杆泵、一个水箱及管路和阀件组成，通过大流量注水配合泡沫剂的使用以降低土仓温度，防止土体快速排水固结形成“泥饼”。

高压冲洗系统外接于盾构中心部位，用于泥饼的治理。在黏土地层中，当推进速度缓慢而推力升高扭矩变小时，土仓极有可能形成泥饼，而刀盘中心部位的线速度最小，流动性差，一般最早形成泥饼，因此必须及时重点清理。本系统在土仓内中心部位预留了注水孔，可通过外接高压水泵，及时冲刷土仓中心牛腿部位，避免泥饼固结影响盾构掘进。

同时，本盾构机在刀盘背面设置了4根主动搅拌棒，土仓隔板上设置了2根被动搅拌棒，通过刀盘的旋转过程搅拌土仓内渣土，加强渣土的流动，起到避免泥饼形成的作用。

较佳地，本发明应用于上软下硬复合地层的盾构施工方法，施工时如果所述超前钻探测到上软下硬复合地层中位于盾构工作线路上的岩溶地层，由地面向岩溶地层的溶洞进行注浆，以处理岩溶地层的溶洞，可以防止施工过程中在岩溶地层的溶洞处出现漏浆，地面沉降以及后期隧道运营阶段也会导致隧道变形等问题。

具体地，岩溶处理主要针对隧道结构底板以下6～8m(隧道结构底以下为全岩层时取6m，隧道结构底以下半土半岩时取8m)，结构轮廓外6m为界限范围进行处理，对此范围内岩面、岩面溶沟、溶槽及溶隙、溶洞进行处理，对物探异常区进行验证并处理。溶洞处理必须填充密实。主要处理方法包括：

1)位于处理范围内的已揭示全部溶洞，自地面进行充填(填砂、注浆)加固。

2)对于影响范围内的物探异常区应通过超前钻进行钻孔验证，若发现存在溶洞则按照上述原则处理，若没有发现溶洞，自地面进行注浆加固。

3)施工期间发现的溶洞按照以上原则办理，遇到特大型溶洞时，需召开专题会议研究决定处理方案。

4)凡是施工期间土层中钻孔出现掉钻等异常现象，必须做好记录并及时报监理工程师和设计单位，并采取处理措施以免影响后期隧道施工。

5)对于区间隧道，应进行全程地质雷达超前预报，以便了解掌子面前方周围范围内溶洞分布情况以及溶洞性质。对于车站结构，开挖至基底时也应进行地质雷达扫描，对于超前预报所揭示的异常或溶洞采用隧道洞内注浆方法。

6)所有灌浆孔及其配套进行的检查孔等均应严格地进行封堵处理。所有灌浆孔与检查孔灌浆(或压水)结束后应紧接着进行灌浆封孔。灌浆封孔采用“压力灌浆封堵法”，浆液拟采用水灰比为0.5～1的水泥浆。为确保封孔质量，所有封孔应在监理工程师的现场指导下进行。

进一步地，盾构施工在穿越上软下硬地层时采取半仓气压模式推进，保持欠压、匀速、连续推进，以严格控制地面沉降，保护铁路及市政管线安全。

因此，本发明应用于上软下硬复合地层的盾构施工方法，通过设置在刀盘装置上的超前钻探测上软下硬复合地层中位于盾构工作线路上的岩溶地层，然后对岩溶地层的溶洞进行处理，可以防止施工过程中在岩溶地层的溶洞处出现漏浆，地面沉降以及后期隧道运营阶段也会导致隧道变形等问题。并将刀盘装置设置为全盘滚刀，是施工之前就进行改制的，而不是过程中更换，达到事前做好预防措施，减小上软下硬地层对盾构机刀盘刀具的磨损，将损失降到最低的目的。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种应用于上软下硬复合地层的盾构机，其特征在于，包括：

刀盘装置，所述刀盘装置采用全盘滚刀，所述刀盘装置上设有用于探测上软下硬复合地层中位于盾构工作线路上的岩溶地层的超前钻，所述超前钻探测到上软下硬复合地层中位于盾构工作线路上的岩溶地层时，由地面向岩溶地层的溶洞进行注浆，以处理岩溶地层的溶洞；

土体改良装置，所述土体改良装置在盾构施工过程中分别对上软下硬复合地层的硬岩地层和软土地层进行土体改良；

其中，所述土体改良装置包括：

泡沫泵与泡沫发生系统，所述泡沫泵配合所述泡沫发生系统，向设置于所述刀盘装置和盾构机的土仓壁上的添加剂注入口注入泡沫和膨润土及其他聚合物作为土体改良剂，以对上软下硬复合地层的硬岩地层进行土体改良；

加泥加水系统、高压冲洗系统以及设置于所述土仓内的搅拌棒，所述加泥加水系统、所述高压冲洗系统以及所述搅拌棒相互配合，以对上软下硬复合地层的软土地层进行土体改良；

进一步地，所述由地面向岩溶地层的溶洞进行注浆，以处理岩溶地层的溶洞中的处理方法包括：

位于处理范围内的已揭示全部溶洞，自地面进行充填加固；

对于影响范围内的物探异常区通过超前钻进行钻孔验证，若发现存在溶洞则按照处理范围内的溶洞处理原则处理，若没有发现溶洞，自地面进行注浆加固。

2.如权利要求1所述的应用于上软下硬复合地层的盾构机，其特征在于，所述刀盘装置为面板式的圆形刀盘，所述刀盘装置包括十字型刀具与沿圆周均匀布设于所述十字型刀具的四个间隔区段内的多个长条型刀具，所述十字型刀具包括相互垂直设置的两个长杆型刀具。

3.如权利要求2所述的应用于上软下硬复合地层的盾构机，其特征在于，所述十字型刀具的中心位置设有中心滚刀，所述长杆型刀具和所述长条型刀具的内部均设有多个单刃滚刀，所述长杆型刀具和所述长条型刀具靠近所述中心滚刀的区段的两侧均设有多个齿刀，所述长杆型刀具和所述长条型刀具远离所述中心滚刀的区段的两侧均设有边缘刮刀。

4.如权利要求1所述的应用于上软下硬复合地层的盾构机，其特征在于，所述盾构机采用土压平衡盾构机。

5.一种应用于上软下硬复合地层的盾构施工方法，其特征在于，包括：

在盾构机的刀盘装置上安装用于探测上软下硬复合地层中位于盾构工作线路上的岩溶地层的超前钻，以对探测到的岩溶地层的溶洞进行处理；所述刀盘装置采用全盘滚刀，所述超前钻探测到上软下硬复合地层中位于盾构工作线路上的岩溶地层时，由地面向岩溶地层的溶洞进行注浆，以处理岩溶地层的溶洞；

通过盾构机的土体改良装置，在盾构施工过程中分别对上软下硬复合地层的硬岩地层和软土地层进行土体改良；

其中，通过盾构机的土体改良装置，在盾构施工过程中分别对上软下硬复合地层的硬岩地层和软土地层进行土体改良，包括：

通过所述土体改良装置的泡沫泵与泡沫发生系统的相互配合，向设置于所述刀盘装置和盾构机的土仓壁上的添加剂注入口注入泡沫和膨润土及其他聚合物作为土体改良剂，以对上软下硬复合地层的硬岩地层进行土体改良；

通过所述土体改良装置的加泥加水系统、高压冲洗系统以及设置于所述土仓内的搅拌棒的相互配合，以对上软下硬复合地层的软土地层进行土体改良；

进一步地，所述由地面向岩溶地层的溶洞进行注浆，以处理岩溶地层的溶洞中的处理方法包括：

位于处理范围内的已揭示全部溶洞，自地面进行充填加固；

对于影响范围内的物探异常区通过超前钻进行钻孔验证，若发现存在溶洞则按照处理范围内的溶洞处理原则处理，若没有发现溶洞，自地面进行注浆加固。

6.如权利要求5所述的应用于上软下硬复合地层的盾构施工方法，其特征在于，所述刀盘装置为面板式的圆形刀盘，所述刀盘装置包括十字型刀具与沿圆周均匀布设于所述十字型刀具的四个间隔区段内的多个长条型刀具，所述十字型刀具包括相互垂直设置的两个长杆型刀具。

7.如权利要求6所述的应用于上软下硬复合地层的盾构施工方法，其特征在于，所述十字型刀具的中心位置设有中心滚刀，所述长杆型刀具和所述长条型刀具的内部均设有多个单刃滚刀，所述长杆型刀具和所述长条型刀具靠近所述中心滚刀的区段的两侧均设有多个齿刀，所述长杆型刀具和所述长条型刀具远离所述中心滚刀的区段的两侧均设有边缘刮刀。