CN111720130A - 一种开挖各种断面的盾构装置及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开挖各种断面的盾构装置及施工方法，盾体无刀盘，盾体包括盾壳、气压仓、泥水仓、旋喷机构、泥浆喷淋管及气压管路系统、泥浆管路系统，在盾体前端设置气压仓，在气压仓后面设置泥水仓。气压仓内设置若干旋喷管，旋喷管的旋喷作业面叠加覆盖隧道开挖面；气压仓内设置泥浆喷淋管，喷淋管向开挖面喷出高浓度泥浆，在气压作用下自动形成泥浆护壁；气压仓底部设置泥浆池，切削下来的土体进入泥浆池，经搅拌后进入泥水仓，再由排浆管排出。盾构在掘进状态下由泥浆护壁和压缩空气共同平衡开挖面。本发明可实现各种断面（含大断面）隧道的开挖，解决了传统气压平衡盾构存在的地层漏气、富水砂层喷涌、气压仓漏气、难以连续出土等问题。

Description

一种开挖各种断面的盾构装置及施工方法

技术领域

本发明涉及隧道工程或隧道盾构技术领域，尤其是一种开挖各种断面的盾构装置及施工方法。

背景技术

隧道根据功能、受力等采用矩形、马蹄形、椭圆形、直墙拱形、多心圆形等断面形式比圆形断面更合理，可减少开挖面积、衬砌工程量、渣土处理量和回填混凝土量，从而提高施工效率和空间利用率，降低工程总造价。目前，日本已开发出刀盘经特殊设计的矩形、马蹄形、椭圆形、多心圆形等多种异形盾构，均采用特殊设计的刀盘，刀盘设计非常复杂。因此，有必要寻求一种更简单的、能够开挖各种断面隧道的盾构装置及施工方法。

盾构开挖面的稳定早期采用挡土板挡住土体，后来长期采用压缩空气平衡开挖面的方法（1886年）并用于开放式盾构中（即气压盾构）。气压盾构设备比较简单且容易进行压力管理，曾在英国、法国、德国、美国、日本等国大量应用于横穿河底的水下隧道，如美国纽约在20世纪30～40年代采用气压盾构法建造了19条水底道路隧道、地铁隧道、市政管道等，日本曾采用气压平衡盾构工法在淤泥及砂层中施工直径10.7m～12.8m的大直径盾构。但传统气压平衡盾构在透气系数大的地层中难以保持气压，在富水砂层中容易涌水、需要采取降水或注浆止水等辅助措施才能平衡开挖面，不能实现掘进状态下自动平衡开挖面；后来经过改进的局部气压盾构仍然存在难以连续出土和气压仓漏气问题。由于密封舱在同样压力差和空隙条件下，漏气量比漏水量大80倍之多，因此在局部气压盾构的气压仓内通入泥水以代替压缩空气，利用泥水压力稳定开挖面，开发出了泥水平衡盾构（1966年）。1974年，日本提出了采用密封舱内的土体压力来平衡开挖面的方法，开发了土压平衡盾构。鉴于气压平衡盾构存在的问题尚未被解决，目前几乎被泥水平衡盾构和土压平衡盾构所取代。

发明内容

高压水射流切割技术作为一项新兴技术，分为无沙切割和加沙切割。高压旋喷桩切割土体采用无沙切割技术(其切割土体的部分为旋喷管)。高压水射流中掺入磨料沙后其切割性能显著提高，盾构隧道施工中应用于切割障碍物或辅助破岩；但盾构仍采用常规的刀盘开挖、用土压或泥水平衡开挖面，而高压水射流在泥水或土中所受阻力很大，导致切削效能显著降低。因此，目前尚未见盾构不采用刀盘、采用高压射流开挖各种断面（含大断面）隧道的报道。

为了摒弃传统的刀盘而采用高压射流开挖各种断面（含大断面）隧道，需要让高压水射流在空气中或气压仓中分发挥切割效能，显然传统的气压盾构难以满足使用要求，需要解决传统气压盾构存在的地层漏气、富水砂层喷涌、气压仓漏气、难以连续出土等技术难题。

针对现有隧道盾构技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种开挖各种断面的盾构装置及施工方法，其中盾构装置的具体技术方案为：

一种开挖各种断面的盾构装置，包括盾壳、气压仓、泥水仓、旋喷机构、泥浆喷淋管及气压管路系统、泥浆管路系统。在盾体前端设置气压仓，气压仓后面设置泥水仓。

所述盾壳采用与设计隧道形状一致的断面形式，盾壳前端设置刃脚并插入土中。

所述气压仓顶部设置压缩空气进气管和泥浆进浆管；气压仓内设置若干旋喷管，旋喷管端部沿径向喷出高压泥浆射流，在小型电机的驱动下旋转切削周边土体；气压仓内沿盾壳上半周设置泥浆喷淋管，喷淋管向开挖面喷出低压高浓度泥浆，在压缩空气超压作用下于开挖面上自动形成泥浆护壁；气压仓底部设置泥浆池，泥浆池内设置搅拌器；在泥浆池底部设置气压仓与泥水仓连通的排浆孔。

所述泥水仓设置竖向前隔板和后隔板，泥水仓底部设置排浆管；泥水仓后隔板上设置若干电机，以驱动旋喷管、搅拌器。

所述气压管路系统为：压缩空气进气管与空压机相连。

所述泥浆管路系统为：泥浆喷淋管与泥浆进浆管相连，泥浆进浆管与送泥泵相连；旋喷管与高压泥浆管相连，高压泥浆管与高压泵相连；排浆管与排泥泵相连。

本发明还公开了上述盾构装置的施工方法，包括如下步骤：

1）将盾壳的刃脚插入土体中；

2）向气压仓充入压缩空气；

3）通过泥浆喷淋管向隧道开挖面喷射低压高浓度泥浆，在开挖面自动形成泥浆护壁，泥浆护壁和压缩空气共同平衡开挖面；

4）旋喷机构的旋喷管端部沿径向喷出高压泥浆射流，并旋转切削开挖面土体；

5) 切削下来的土体进入泥浆池，搅拌器对土体进行搅拌；

6) 土体经搅拌成为泥浆后，通过排浆孔进入泥水仓，再由排浆管排出，实现连续出土。

本发明盾构平衡开挖面的方法是，在掘进状态下由泥浆护壁和压缩空气共同平衡开挖面。

本发明对传统盾构的开挖方法和开挖面稳定方法进行了革新，包括以下有益效果：

1）本发明不采用传统盾构的机械刀盘及大直径轴承，减小了盾构重量、切割能耗低，盾构运输及现场安装更容易，不用更换刀具，大部分零件可重复使用，降低了盾构设备造价及工程投资。对大直径盾构节省造价效果显著（传统盾构的重量、工作扭矩与盾构直径的三次方成正比）。

2）本发明采用在气压仓中进行高压射流切削土体，能充分发挥高压射流切割土体的效能（与旋喷桩相比），可实现各种断面（含大断面）的隧道开挖。

3）本发明气压仓周边盾壳的前端插入土中，气压仓前面的开挖面形成泥浆护壁，气压仓后面增加设置泥水仓，使得气压仓与隧道内常压气体之间进行了隔离，且气压仓与泥水仓之间的隔板两侧压力差较小，从而解决了传统气压平衡盾构存在的地层漏气、富水砂层喷涌、气压仓漏气、难以连续出土等问题，使其能适用于大部分土层（卵石地层除外）。

附图说明

图1为本发明中盾构机盾体的纵断面示意图。

图2为本发明中盾构机气压仓的横断面示意图。

图3为旋喷管切削隧道开挖面的横断面示意图。

图中：1、盾壳； 2、气压仓；3、泥水仓；4、旋喷管；5、泥浆喷淋管；6、刃脚；7、前隔板；8、后隔板；9、压缩空气进气管；10、（低压）泥浆进浆管；11、挡板；12、高压泥浆射流；13、小型电机；14、低压高浓度泥浆；15、泥浆护壁；16、泥浆池；17、搅拌器；18、排浆孔；19、排浆管；20、空压机；21、高压泥浆管；22、高压泵；23、环状管路；24、送泥泵；25、排泥泵；26、单管喷出的高压射流切削范围。

具体实施方式

下面利用实施例对本发明进行更全面的说明。本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。

为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位（旋转90度或位于其他方位），这里所用的空间相对说明可相应地解释。

图1、图2示意性显示了本发明的一个实施例的盾构机盾体纵断面及前端气压仓的横断面（以马蹄形隧道为例）。盾体包括盾壳1、气压仓2、泥水仓3、旋喷机构（切削土体部分为旋喷管4）、泥浆喷淋管5及气压管路系统、泥浆管路系统。

盾构的盾壳1采用与隧道设计形状一致的断面形式，断面可以为各种异形断面；旋喷管4的排布应与盾构的盾壳1断面相对应，保证旋喷作业面叠加后与隧道形状一致。盾壳前端设置刃脚6，刃脚插入开挖面土体中，将高压射流限制在盾壳范围内切割，保证形成设计的隧道断面，并避免压缩空气进入盾尾后在衬砌接缝处产生漏气。

在盾体前端设置气压仓2，气压仓内充入压缩空气，设置气压仓有两个主要作用：1）高压射流在空气中能充分发挥切割土体的性能、切割直径大（与在土体中切割的旋喷桩比）；2）压缩空气与泥浆护壁共同平衡开挖面。可以是盾体前端开放，与开挖面、盾壳围合形成气压仓。

气压仓后面设置泥水仓3，内部充入泥水，泥水仓设置竖向前隔板7和后隔板8，设置泥水仓有四个主要作用：1）使气压仓与隧道内常压气体之间进行了隔离，避免像传统气压盾构一样产生漏气；2）泥水仓与气压仓通过底部排浆孔连通，气压仓和泥水仓之间的前隔板7两侧压力差较小（与传统的气压盾构相比），气压仓内外的压力差越小则气压仓越难以漏气（相当于气压仓外进行了水封）；3）在泥水仓中进行出土作业，避免了传统气压盾构在出土时容易漏气，可实现连续出土；4）在气压仓意外减压时，泥水仓的泥水能及时通过排浆孔进入气压仓平衡开挖面。

气压仓顶部设置压缩空气进气管9和（低压）泥浆进浆管10，压缩空气的压力要适当高于开挖面的地下水压力与主动土压力之和，且较理论切口水压力大0.04MPa以上，以使泥浆充分渗透入开挖面土体而形成较厚的泥膜及渗透改良区；对变形控制要求高时，压缩空气的压力应高于开挖面的地下水压力与静止土压力之和。

气压仓内设置若干旋喷管4，旋喷管的喷嘴后面设置挡板11，挡板11可以水平设置，也可以竖直设置，或者十字设置；挡板11可以避免旋喷管刺入泥浆护壁过深；挡板11距离旋喷管前端不超过10厘米。旋喷管端部沿径向喷出高压（压力30MPa以上）泥浆射流12，旋喷管4在小型电机13的驱动下旋转切削周边土体，每个旋喷管的切削面为旋喷作业面。如图3所示，所有旋喷管的旋喷作业面重叠覆盖隧道开挖面。采用泥浆射流切削土体，可以在开挖土体的同时补充泥浆，高压泥浆射流采用低粘度泥浆以避免在管道内的压力损失过大。喷嘴喷出的泥浆射流向开挖面方向扩散角为3°左右，以充分利用高压射流核心区的能量；相应地，开挖面整体向前倾斜3°左右，提高开挖面的稳定性。

气压仓内沿盾壳上半周环状设置泥浆喷淋管5，喷淋管向开挖面喷出低压高浓度泥浆14，泥浆至上向下流动、覆盖整个开挖面，在压缩空气超压作用下自动形成泥浆护壁15。泥浆材料通常由膨润土、水、化学处理剂和一些惰性物质组成，高浓度泥浆比重1.15~1.2g/cm³，粘度50~60s；低浓度泥浆比重1.05~1.15g/cm³，粘度25~30s。

气压仓底部设置泥浆池16，泥浆池液面淹没最底部的旋喷管，泥浆池内设置搅拌器17，在前隔板上设置与泥水仓连通的排浆孔18且位于泥水池自由液面以下，切削下来的土体进入泥浆池，搅拌器对土体进行搅拌，土体成为泥浆后通过排浆孔进入泥水仓。

旋喷机构包括旋喷管4、驱动电机13和联轴器；泥水仓底部设置排浆管19，将泥浆排出至地面，实现连续出土。泥水仓后隔板上设置若干电机13，用以驱动旋喷管4。

搅拌器17由与其主轴连接的电机13驱动。

所述气压管路系统为：压缩空气管与空压机20相连。

所述泥浆管路系统为：旋喷管与高压泥浆管21相连，旋喷管与高压泥浆管之间设有旋转接头，高压泥浆管与高压泵22相连；泥浆喷淋管与环状管路23相连，环状管路23与泥浆进浆管相连，泥浆进浆管与送泥泵24相连；排浆管与排泥泵25相连。所有进出气压仓和泥水仓的管均焊接固定在前、后隔板上，旋转构件采用旋转动密封技术。

本发明还公开了上述盾构开挖装置的施工方法，包括如下步骤：

1）将盾壳的刃脚插入土体中；

2）向气压仓充入压缩空气；

3）通过泥浆喷淋管向隧道开挖面喷射低压高浓度泥浆，在开挖面自动形成泥浆护壁，泥浆护壁和压缩空气共同平衡开挖面；

4）旋喷机构的旋喷管端部沿径向喷出高压泥浆射流，并旋转切削开挖面土体；

5) 切削下来的土体进入泥浆池，搅拌器对土体进行搅拌；

6) 土体经搅拌成为泥浆后，通过排浆孔进入泥水仓，再由排浆管排出，实现连续出土。

图3示意性显示了本发明旋喷管切削隧道开挖面（以马蹄形隧道为例）。在异形隧道断面内布置若干旋喷管, 旋喷管端部沿径向喷出高压泥浆射流并旋转切削土体，通过将单根管喷出的高压射流切削范围26进行组合叠加，就能实现异形隧道全断面的开挖。

需要重点说明的是，本发明对传统盾构的开挖方法和开挖面稳定方法进行了革新。本发明中盾构保持开挖面稳定的原理是：泥浆喷淋管向开挖面上部喷出高浓度泥浆并向下流动、覆盖整个开挖面，旋喷管沿径向喷出高压泥浆，由于气压仓内压缩空气压力大于开挖面水压力，根据达西定律，泥浆细颗粒迅速向土体渗透，在开挖面上形成一层难透水、难透气的泥膜和渗透改良区，防止地下水的渗入和地层漏气。泥膜和渗透改良区共同组成泥浆护壁，能使压缩空气压力有效作用在开挖面上，从而在掘进状态下保持开挖面的稳定。

需要重点说明的是，本发明中气压仓周边盾壳的前端插入土中，气压仓前面开挖面形成泥浆护壁，气压仓后面增加设置泥水仓，使得气压仓与隧道内常压气体之间进行了隔离，且气压仓与泥水仓之间的隔板两侧压力差较小，从而解决了传统气压平衡盾构存在的地层漏气、富水砂层喷涌、气压仓漏气、难以连续出土等问题，使其能适用于大部分土层（卵石地层除外）。在地层漏气减压或开挖面涌水的意外情况下，可通过泥浆进浆管10将气压仓内充满高浓度泥浆，以平衡开挖面，待开挖面重新形成泥浆护壁后，即可重新掘进，盾构施工的安全性高。

需要说明的有，可设置螺旋输送机代替排浆管，其入口设置在泥浆池底部，保持泥浆池的自由液面，同时取消搅拌器。

需要说明的有，地层较硬时，旋喷管可采用加沙切割技术；水压不太高时，喷淋管可以向开挖面喷射止水泡沫进行护壁，以代替泥浆护壁。

上述示例只是用于说明本发明，除此之外，还有多种不同的实施方式，而这些实施方式都是本领域技术人员在领悟本发明思想后能够想到的，故，在此不再一一列举。

Claims (7)

1.一种开挖各种断面的盾构装置，其特征在于，盾体无刀盘，盾体由盾壳、气压仓、泥水仓、旋喷机构、泥浆喷淋管及气压管路系统、泥浆管路系统组成；盾壳采用与设计隧道形状一致的断面形式；盾体前端设置气压仓；在气压仓后面设置泥水仓。

2.如权利要求1所述的盾构装置，其特征在于，气压仓内设置若干旋喷管，旋喷管的旋喷作业面叠加覆盖隧道开挖面，实现各种断面隧道的开挖。

3.如权利要求1所述盾构装置，其特征在于，气压仓内设置泥浆喷淋管，喷淋管向开挖面喷出高浓度泥浆，在压缩空气超压作用下于开挖面上自动形成泥浆护壁。

4.如权利要求1所述盾构装置，其特征在于，所述气压仓的底部设置有接收切削下来土体的泥浆池；泥浆池内设置搅拌器；在泥浆池底部设置与泥水仓连通的排浆孔。

5.如权利要求1所述盾构装置，其特征在于，所述泥水仓由竖向前隔板和后隔板与盾壳封闭构成，泥水仓底部设置有将泥浆排出的排浆管。

6.如权利要求1所述盾构装置，其特征在于，所述泥浆管路系统为：旋喷管与高压泥浆管相连，旋喷管与高压泥浆管之间设有旋转接头，高压泥浆管与高压泵相连；泥浆喷淋管与环状管路相连，环状管路与泥浆进浆管相连，泥浆进浆管与送泥泵相连；排浆管与排泥泵相连。

7.一种开挖各种断面的盾构装置的施工方法，包括如下步骤：

1）将盾壳的刃脚插入土体中；

2）向气压仓充入压缩空气；

3）通过泥浆喷淋管向隧道开挖面喷射低压高浓度泥浆，在开挖面上自动形成泥浆护壁，泥浆护壁和压缩空气共同平衡开挖面；

4）旋喷机构的旋喷管端部沿径向喷出高压泥浆射流，并旋转切削开挖面土体；

5) 切削下来的土体进入泥浆池，搅拌器对土体进行搅拌；

6) 土体经搅拌成为泥浆后，通过排浆孔进入泥水仓，再由排浆管排出，实现连续出土。

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