CN108979646B - 一种冷冻过程中盾构机土仓介质置换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冷冻过程中盾构机土仓介质置换方法，先使用膨润土浆液置换土仓内的渣土泥浆混合浆液，然后对外部土体进行冷冻施工，刀盘上的冷冻交圈初步形成时，再使用气体置换土仓内的膨润土浆液，膨润土浆液具有良好的流动性和压力传递的敏感性，可以保证气体置换更加彻底，完成置换后，在开仓换刀时只需清理小部分冻土，大大提高了施工效率，节省人力，且施工安全，此发明用于盾构机开仓换刀技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及盾构机开仓换刀技术领域，特别是涉及一种冷冻过程中盾构机土仓介质置换方法。
背景技术
盾构机是一种使用盾构法的隧道掘进机，盾构法施工的基本工作原理是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘，该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时支撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面，挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。
而在盾构掘进过程中，盾构机刀盘上的刀具达到一定程度的磨损或损坏时，需要进行停机检修或更换刀具。当施工人员进仓作业时需要对掌子面进行加固，避免掌子面塌方造成人员伤亡等重大事故，特别是在软弱地层中。当采用盾构机刀盘冷冻施工对土层进行加固时，在刀盘上设置冷冻管路并通入冷冻介质，使整个刀盘钢结构变成巨大的“冻结圆盘”(等温体)，通过冷冻刀盘对盾构机头前、后、上、下的土体进行土体冻结，使周边形成冻土帷幕，达到常压开仓换刀的要求，然后在冻土帷幕的保护下进行开仓换刀。
盾构机的土仓在刀盘的后方，土仓内充满刀盘掘进过程中切削下来的渣土和泥浆的混合浆液，采用冷冻法施工对外部土体进行冻结的过程中，也会冻结土仓内的浆液，在开仓时需要清理和排掉这部分冻土，由于土仓体积较大，达10立方米左右，清理这部分冻土会耗费大量的人力、物力和时间，且若冻土崩塌容易造成安全事故。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高施工效率和施工安全的冷冻过程中盾构机土仓介质置换方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种冷冻过程中盾构机土仓介质置换方法，包括以下步骤：
a、盾构机停机，往土仓内注入膨润土浆液，同时排出土仓内的渣土泥浆混合浆液；
b、对外部土体进行冷冻施工，并监测土仓内的压力变化；
c、刀盘上的冷冻交圈初步形成时，往土仓内通入气体，同时排出土仓内的膨润土浆液。
进一步作为本发明技术方案的改进，包括隔绝土仓的隔板，隔板的上部设有与土仓连通的上部进出口，隔板的下部设有与土仓连通的下部进出口。
进一步作为本发明技术方案的改进，步骤a中，从下部进出口往土仓内注入膨润土浆液，从上部进出口排出渣土泥浆混合浆液。
进一步作为本发明技术方案的改进，步骤c中，从上部进出口往土仓内通入空气，从下部进出口排出膨润土浆液。
进一步作为本发明技术方案的改进，隔板上设有泄压孔，步骤b中，土仓内的压力上升达到上限值时，开启泄压孔泄压，土仓内的压力降低到下限值时，关闭泄压孔。
进一步作为本发明技术方案的改进，步骤b中，在土仓内设置若干压力传感器，通过压力传感器检测土仓内的压力并绘制压力-时间变化曲线。
进一步作为本发明技术方案的改进，步骤c中，土仓内的压力急剧上升，压力-时间变化曲线的斜率增加且比前面时间点的斜率都要大时，往土仓内通入气体。
进一步作为本发明技术方案的改进，步骤a中的膨润土浆液为易钻膨润土，易钻膨润土中加入沙层降漏失剂，沙层降漏失剂为雷膨。
进一步作为本发明技术方案的改进，步骤a中，注入膨润土浆液时，保持顶部压力高于掘进平衡压力或理论切口水压。
本发明的有益效果：此冷冻过程中盾构机土仓介质置换方法，先使用膨润土浆液置换土仓内的渣土泥浆混合浆液，然后对外部土体进行冷冻施工，刀盘上的冷冻交圈初步形成时，再使用气体置换土仓内的膨润土浆液，膨润土浆液具有良好的流动性和压力传递的敏感性，可以保证气体置换更加彻底，完成置换后，在开仓换刀时只需清理小部分冻土，大大提高了施工效率，节省人力，且施工安全。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明实施例膨润土浆液置换渣土泥浆混合浆液过程的结构示意图。
具体实施方式
参照图1，本发明为一种冷冻过程中盾构机土仓介质置换方法，包括以下步骤：
a、盾构机停机，往土仓1内注入膨润土浆液4，同时排出土仓1内的渣土泥浆混合浆液3，实现膨润土浆液4置换渣土泥浆混合浆液3；
b、对外部土体2进行冷冻施工，并监测土仓1内的压力变化；
c、刀盘8上的冷冻交圈初步形成时，往土仓1内通入气体，同时排出土仓1内的膨润土浆液4，实现气体置换膨润土浆液4。
此冷冻过程中盾构机土仓介质置换方法，先使用膨润土浆液4置换土仓1内的渣土泥浆混合浆液3，然后对外部土体2进行冷冻施工，刀盘8上的冷冻交圈初步形成时，再使用气体置换土仓1内的膨润土浆液4。
膨润土浆液4作为中间置换物，具有良好的流动性和压力传递的敏感性，可以保证气体置换更加彻底，若直接使用气体置换土仓1内的渣土泥浆混合浆液3，由于混合浆液存在大颗粒的渣土，流动性差，置换压力高，难度高，且置换不彻底。
步骤b中，对外部土体2进行冷冻施工，由于是通过设置在刀盘8上的冷冻管路实现冷冻，冻结的土体从刀盘8处开始蔓延，步骤c中，当刀盘8上的冷冻交圈初步形成即整个刀盘8被冻结时，相当于形成了一道隔墙，此时进行气体置换膨润土浆液4，气体不会穿过刀盘8并泄露到外部土体2处，从而保证置换的可靠。
冷冻施工对外部土体2进行冷冻，当外部土体2被冻结达到一定的深度和足够坚固时，即可开仓换刀。由于土仓1中的渣土泥浆混合浆液3最终被置换成气体，在开仓换刀时只需清理小部分冻土，大大提高了施工效率，节省人力和物力，且施工安全。
作为本发明优选的实施方式，包括隔绝土仓1的隔板7，隔板7的上部设有与土仓1连通的上部进出口5，隔板7的下部设有与土仓1连通的下部进出口6。
作为本发明优选的实施方式，步骤a中，从下部进出口6往土仓1内注入膨润土浆液4，从上部进出口5排出渣土泥浆混合浆液3，从而使得置换更加彻底，防止渣土泥浆混合浆液3残留在土仓1底部。
作为本发明优选的实施方式，步骤c中，从上部进出口5往土仓1内通入空气，从下部进出口6排出膨润土浆液4，保证置换彻底。
作为本发明优选的实施方式，隔板7上设有泄压孔，步骤b中，土仓1内的压力上升达到上限值时，开启泄压孔泄压，土仓1内的压力降低到下限值时，关闭泄压孔。由于冷冻施工，土仓1内的膨润土浆液4体积会逐渐增大，导致土仓1内的压力上升，由于部分气体可通过刀盘8散到外部土体2，土仓1内的压力上升较缓慢，当压力上升达到上限值时，此处设为85kPa，开启泄压孔泄压，直至压力降至下限值，此处设为65kPa，关闭泄压孔，从而保证土仓1内的压力在规定范围内，保证施工安全。
作为本发明优选的实施方式，步骤b中，在土仓1内设置若干压力传感器，通过压力传感器检测土仓1内的压力并绘制压力-时间变化曲线，通过压力-时间变化曲线了解土仓1内的压力变化。
作为本发明优选的实施方式，步骤c中，观察压力-时间变化曲线，土仓1内的压力急剧上升，压力-时间变化曲线的斜率增加且比前面时间点的斜率都要大时，往土仓1内通入气体。土仓1内的压力急剧上升，说明刀盘8上的冷冻交圈形成即整个刀盘8被冻结，此时即可往土仓1内通入气体置换膨润土浆液4。
冷冻交圈形成，土仓1内的气体不能通过刀盘8散到外部土体2处，土仓1内的压力上升很快，因此可观察压力-时间变化曲线，通过压力变化得知冷冻交圈的形成。
作为本发明优选的实施方式，步骤a中的膨润土浆液4为易钻膨润土，易钻膨润土中加入沙层降漏失剂，沙层降漏失剂为雷膨。
易钻是一种经特别化学处理的、易于混合、高粘性、造浆率为200bbl的膨润土，由优质钠基膨润土制成，其中添加多种聚合物，有效提高泥浆的悬浮性、护壁性及润滑性能，作用时间长，混合后可长时间保持泥浆性能稳定，可形成薄的、致密的滤饼层以防止泥浆漏失。雷膨是一种粉末状的高分子聚合物，可用来提高膨润土泥浆的各项性能，主要用于增长泥浆分子链长度，在孔隙较大地层可防止泥浆的漏失，维持泥膜的稳定性。
作为本发明优选的实施方式，步骤a中，注入膨润土浆液4时，保持顶部压力高于掘进平衡压力或理论切口水压。采用压力差的方式增加膨润土浆液4的渗透量，以使膨润土浆液4充分渗透入外部土体2而形成较厚的泥膜进而形成有效的气密空间。
当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (7)
1.一种冷冻过程中盾构机土仓介质置换方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、盾构机停机，往土仓(1)内注入膨润土浆液(4)，同时排出土仓(1)内的渣土泥浆混合浆液(3)；
b、对外部土体(2)进行冷冻施工，并监测土仓(1)内的压力变化，在土仓(1)内设置若干压力传感器，通过压力传感器检测土仓(1)内的压力并绘制压力-时间变化曲线；
c、刀盘(8)上的冷冻交圈初步形成时，土仓(1)内的压力急剧上升，所述压力-时间变化曲线的斜率增加且比前面时间点的斜率都要大时，往土仓(1)内通入气体，同时排出土仓(1)内的膨润土浆液(4)。
2.根据权利要求1所述的冷冻过程中盾构机土仓介质置换方法，其特征在于：包括隔绝土仓(1)的隔板(7)，所述隔板(7)的上部设有与土仓(1)连通的上部进出口(5)，所述隔板(7)的下部设有与土仓(1)连通的下部进出口(6)。
3.根据权利要求2所述的冷冻过程中盾构机土仓介质置换方法，其特征在于：所述步骤a中，从所述下部进出口(6)往土仓(1)内注入膨润土浆液(4)，从所述上部进出口(5)排出渣土泥浆混合浆液(3)。
4.根据权利要求2所述的冷冻过程中盾构机土仓介质置换方法，其特征在于：所述步骤c中，从所述上部进出口(5)往土仓(1)内通入空气，从所述下部进出口(6)排出膨润土浆液(4)。
5.根据权利要求2所述的冷冻过程中盾构机土仓介质置换方法，其特征在于：所述隔板(7)上设有泄压孔，所述步骤b中，土仓(1)内的压力上升达到上限值时，开启所述泄压孔泄压，土仓(1)内的压力降低到下限值时，关闭泄压孔。
6.根据权利要求1所述的冷冻过程中盾构机土仓介质置换方法，其特征在于：所述步骤a中的膨润土浆液(4)为易钻膨润土，所述易钻膨润土中加入沙层降漏失剂，所述沙层降漏失剂为雷膨。
7.根据权利要求1所述的冷冻过程中盾构机土仓介质置换方法，其特征在于：所述步骤a中，注入膨润土浆液(4)时，保持顶部压力高于掘进平衡压力或理论切口水压。
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