CN114352293A - 一种盾构换刀掌子面的泥膜加固施工方法及泥膜组份 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种盾构换刀掌子面的泥膜加固施工方法及泥膜组份，包括以下步骤；步骤一、盾构机停机操作并使盾体后退80mm留作泥膜注浆区；步骤二、在管片背后进行整环双液注浆形成止水环；步骤三、盾体及刀盘保护；步骤四、填仓作业；步骤五、盾构恢复掘进；泥膜组份包括：膨润土840～860份，细砂360～440份，水泥150～170份，水492～508份。本发明方法设计合理、操作简便、投入成本低且安全系数高、使用效果好，能有效解决在盾构机停机位置地层情况复杂，裂隙水发育，岩溶、溶孔、溶隙特别发育，刀盘上方不具备加固条件，且土仓无法保压等换刀条件较为恶劣的情况下，现有常用换刀方式无法进行换刀的实际问题。
Description
方法领域
本发明涉及盾构施工方法领域，具体为一种盾构换刀掌子面的泥膜加固施工方法及泥膜组份。
背景方法
盾构法是城市轨道交通施工的一种全机械化施工方法，其主要使用的机械设备为盾构机，分为土压平衡盾构和泥水平衡盾构两种类型，其中以土压平衡盾构使用较多。盾构机在隧道掘进过程中通过刀具进行泥土切削和岩石破碎，并且盾构机长距离掘进后(尤其是硬岩地层或软硬不均地层)需要进行刀具更换，但如果盾构机停机位置所处地层气密性差、地面不具备加固能力、掌子面涌水量过大等的条件，盾构机则无法采用目前国内常用的几种方式进行换刀。
目前，国内常用的几种换刀方式如下：
(1)地层自稳能力好时，自然条件下采用常压换刀；
(2)地层与土仓气密性好时，自然条件下采用带压换刀；
(3)地层自稳能力差且地面具备加固条件时，自然条件下采用地层加固下的常压换刀；
(4)地层与土仓气密性差且地面具备加固条件时，自然条件下采用地层加固下的带压换刀。
综上，随着轨道交通建设的发展，区间工程地质条件多样化、结构断面多元化，这也就使得国内常用的几种换刀方式不能满足现状，进而无法对盾构机刀具进行更换。
发明内容
本发明的目的在于克服现有方法的不足之处，提供一种盾构换刀掌子面的泥膜加固施工方法及泥膜组份，其设计合理、操作简便、投入成本低且安全系数高、使用效果好，能有效解决在盾构机停机位置地层情况复杂，裂隙水发育，岩溶、溶孔、溶隙特别发育，刀盘上方不具备加固条件，且土仓无法保压等换刀条件较为恶劣的情况下，现有常用换刀方式无法进行换刀的实际问题。
一种盾构换刀掌子面的泥膜加固施工方法，包括以下步骤：
步骤一、盾构机停机操作：确定采用填仓常压换刀方式后，盾构机停机后在原有土仓压力1.7bar的基础上，收铰接油缸，使盾体后退80mm，留作泥膜注浆区，并为换刀提供作业空间；
步骤二、施做止水环：为避免成环管片背后来水涌入土仓造成填仓失败，需在管片背后进行整环双液注浆形成止水环，截断管片背后来水；注浆环号选定在脱出盾尾第5～10环位置；采用水玻璃与水泥浆按照1∶1的比例进行双液注浆，其中水泥浆水灰比为1∶1；
步骤三、盾体及刀盘保护：(1)通过盾尾径向孔往盾构机盾壳及盾构机后退80mm脱出的1～3环管片背后注入制备好的泥膜，填充并包裹整个盾构机；(2)注入泥膜后，在盾尾径向开设注浆孔，并用高温齿轮油泵分别向注浆孔内注入聚氨酯；(3)向刀盘密封系统注入油脂；
步骤四、填仓作业：通过铰接式超前注浆孔、前盾径向注浆孔、土仓观察孔向土仓内自下而上向盾构机后退80mm脱出的1～3环管片围成的圆形区域内压注泥膜；
步骤五、盾构恢复掘进：换刀完成后操作刀盘正反向往复旋转，使刀盘脱困，并向土仓内注入泡沫剂恢复掘进；恢复掘进时，采用从零开始增长的小推力推行刀盘，且刀盘低转速进行掘进，控制贯入度1～10mm/r，待刀具刃口磨出时，恢复正常掘进。
而且，步骤四中平均每注入3m3泥膜需加入25kg羧甲基纤维素钠CMC，以防止泥膜浆液离析，且向砂浆罐掺羧甲基纤维素钠CMC时，须逐层撒入并且控制浆液液面在搅拌轴最高位下，以便搅拌均匀。
而且，步骤四完成后，使用高温齿轮油泵分别在土仓壁、左中、右中、仓门通过前盾的径向注浆管每孔注入聚氨酯，并以0.5r/min以内的低速转动刀盘；同时严格关注地表沉降情况，使注入的聚氨酯与土仓内多余的水充分反应，填仓期间压力控制在4-5bar，填仓完成后土压会有所下降，下降至1.8-2.0bar稳定。
而且，土压下降至1.8-2.0bar后，通过6路泡沫剂管往土仓内持续加气增压，直至土仓内土压保持稳定至2.3-3.0bar，再通过14点径向注浆孔向土仓内加水400L，直至土压恒定，最后向土仓气内交替注入单液浆和水玻璃。
一种盾构换刀掌子面的泥膜加固施工方法中采用的泥膜，包括以下组份：膨润土840～860份，细砂360～440份，水泥150～170份，水492～508份。
本发明的优点和方法效果是：
本发明的泥膜施工方法可有效控制地面周围建筑物沉降，在地面不具备加固条件下采用填仓注浆双结合的创新工艺，有效的增加了当前地层的自稳性，防止涌水、涌砂，进而防止周围的建筑物沉降。可在地面及周围建筑建立完善的变位监测系统，在刀盘所在位置及周围埋设沉降观测点，根据监测结果调整各项施工参数。
本发明的泥膜施工方法可有效控制掌子面稳定安全，保证作业面具备作业时效：
一是控制掌子面稳定。通过填仓对所处地层掌子面形成泥膜以及加气形成通道致使单液浆与双液浆的交替通过通道对岩溶裂隙进行填充封堵，有效的避免由于水土流失造成掌子面失稳以及地面沉降甚至开裂塌陷。
二是保证作业面稳定时效。由于本方法通过水泥膨润土砂浆以及二次注浆的双重保护，几次成功的开仓换刀试验，作业面稳定时效均在10天以上，满足换刀要求。
本发明的泥膜施工方法，施工工艺简单、操作方便、成本较低，有效防止盾体抱死：
一是施工受条件限制较少。本方法施工在地下进行，施工时受地表条件的限制较小。适用地质范围较广主要可以有效控制断面涌水，掌子面加固效果较好。
二是有效防止停机固结刀盘。本方法施工对环境及交通的影响较小。对地层结构影响及引起的地表沉降较小；不会固结刀盘，不会影响盾构长时间停机后的有效推进。
三是施工效率高。本方法施工成本较低﹑施工效率较高﹑施工工期较短，能在短时间内使土仓土体达到开仓要求的加固效果。
四是降低盾构换刀风险。在富水地层中盾构换刀风险极大，通过完善的加气系统和严格的注浆操作规程，降低盾构换刀风险，保障人员设备安全。
附图说明
图1为本发明的施工流程框图；
具体实施方式
为能进一步了解本发明的内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。需要说明的是，本实施例是描述性的，不是限定性的，不能由此限定本发明的保护范围。
如图1所示，本施工方法适用于盾构机停机位置地层存在岩溶、溶孔、溶隙强烈发育，裂隙水非常丰富，掌子面在涌水涌砂的影响下自稳性较差的工况条件。尤其适用于刀盘正上方处于交通要道，无法地面加固，盾构机无法采用目前国内常用的四种方式进行换刀时工况条件，该方法包括以下步骤:
步骤一、盾构机停机操作：确定采用填仓常压换刀方式后，盾构机停机后在原有土仓压力1.7bar的基础上，收铰接油缸，使盾体后退80mm，目的是确保在填仓过程中在掌子面及刀盘之间上形成80mm的泥膜保护层，并为换刀提供作业空间。
实际施工中，盾构机根据实际情况退盾体，一般盾体后退80～120mm，本实例中，盾体在土仓压力的反作用下后退80mm，主要是为了保证掌子面及刀盘之间形成的泥膜保护层完整性较好，
步骤二、施做止水环：为避免成环管片背后来水涌入土仓造成填仓失败，需在管片背后进行整环双液注浆形成止水环，截断管片背后来水。注浆环号可选定在脱出盾尾第5～10环位置。采用水玻璃与水泥浆的双液注浆，水泥浆︰水玻璃＝1：1，水泥浆水灰比为1∶1。
实际施工中，在盾尾注完双液浆作止水环后，同时在盾尾的径向注浆孔注入了聚氨酯对盾体保护以及对阻断后方来水作双保险。
步骤三、盾体及刀盘保护
注入水泥浆有可能造成同步注浆管或泡沫喷口、刀盘密封受损、盾体被抱死堵塞等问题，为避免浆液对盾构造成不利影响，注浆前措施如下：
(1)通过盾尾径向孔往盾构机盾壳及脱出的1～3环管片背后注入制备好的水泥膨润土，填充并包裹整个盾构机，一共注入水泥膨润土10m3。
(2)在注入水泥膨润土后，在盾尾径向孔4个孔用高温齿轮油泵分别注入2桶聚氨酯，加强盾尾后部的止水效果。
(3)向刀盘密封系统注入适量的油脂，防止刀盘主轴承密封受损。
实际施工中，通过试验制备的水泥膨润土浆液重量配合比为膨润土：细砂：水泥：水＝850±10：400±40：160±10：500±8，本案例中的水泥膨润土砂浆重量配合比为膨润土：细砂：水泥：水＝850：400：160：500，为了搅拌均匀浆液让商混站按配比制备，并且制备的时候采用的时级配良好的细砂。具体配合比根据现场实际情况进行相应调整。
步骤四、填仓作业
(1)通过铰接式超前注浆孔、前盾径向注浆孔、土仓观察孔向土仓内自下而上压注水泥膨润土，通过计算(刀盘开挖直径为6480mm)土仓理论填仓量约为40m3，由于地层中存在裂隙，实际提前三天累计注入80m3水泥膨润土。
(2)填仓完成后使用高温齿轮油泵分别在土仓壁、左中、右中、仓门通过前盾的径向注浆管每孔注入2桶聚氨酯，并低速(0.5r/min以内)转动刀盘；同时严格关注地表沉降情况。保证注入的聚氨酯与土仓内多余的水充分反应。填仓期间压力控制在4-5bar，填仓完成后土压会有所下降，下降至1.8-2.0bar稳定。
(3)通过6路泡沫剂管往土仓内持续加气增压，直至土仓内土压保持稳定至2.3-3.0bar，通过14点径向注浆孔加水400L，土压未发生变化后。土仓气压稳定后通过前盾径向注浆孔交替注入单液浆和水玻璃，具体情况如下：
(4)检查填仓注浆效果以及清半仓
在填仓注浆过程中应时刻检查质量效果。从人仓壁上打开球阀取样检查，通过样品中含水量来判断填仓情况。当注浆量、以及人仓观察孔出浆情况和顶部压力均达到设定要求时，再次通过前盾的径向注浆孔检查填仓注浆效果。
实际施工中，通过打开土仓舱门观察确定水来方向，浆液从前盾铰接式注浆孔自下而上注入，注入的每方浆液中加入8.3kg的CMC，在砂浆罐掺CMC时，必须逐层撒入并且控制浆液液面在搅拌轴最高位下，以便搅拌均匀。在实例中，由于存在岩溶、溶孔、溶隙，在刀盘开挖直径为6480mm，土仓理论填仓量约为40m3时，实际注入80m3。具体注入量观察土仓压力进行调整，尽量保证充盈土仓，形成完整的泥膜。
实际施工中，及时通过土仓门观察孔以及径向孔的观察特制水泥膨润土浆液以及二次注浆的填仓质量，打开仓门检查止水效果，以及是否具备换刀条件，掌子面是否有渗漏水现象。在实例中，在填仓完成后，注双液浆前，先注400L的水观察土压，压力基本稳定后再采用单液浆和水玻璃交替间歇压入，注浆的同时要同时通过泡沫系统压入空气。注浆封堵完成后等强3天。满足开仓条件后，用螺旋机出土至刀盘中心轴，目的是为了：提供换刀的工作面，以及使中心刀外露便于更换中心双刃滚刀。
步骤五、实际施工中，清理土仓过程：填仓注浆完成后，即可常压条件下进行清仓。为确保安全，土仓清理时使用高压水枪冲洗刀盘刀具时须注意避免接触掌子面；清仓过程中注意通风，以及观察掌子面、地面监测数据的变化情况，一旦发生突变立即关闭仓门重新填仓。本案例，①换刀过程中打开6#铰接式超前注浆管球阀排水，保证水位一直控制在作业面以下，按“拆一装一”的原则进行换刀；②清仓换刀过程中人仓内必须安排专人盯控掌子面的稳定及传递土仓内换刀人员的交流信息，如果掌子面稳定性不够，则立刻通知人员出仓关闭仓门重新填仓；③换刀时注意先更换损坏严重的滚刀，并根据磨损程度对安装的刀具进行调整，如单滚刀调整为单刀双刃滚刀；④对与半仓以下的不具备工作面的低速旋转刀盘，调整刀具位置进行更换；⑤换刀同时检查清理土仓内的各类管路及压力设备的完好情况；⑥换刀过程中应注意通风，气体检测合格情况下人员才能进仓，通风可采用小型的轴流风机或通过泡沫剂管压注空气至土仓内底部，形成空气循环。
步骤六、盾构恢复掘进：换刀完成后对土仓及刀盘前方进行全面的检查以及各管路进行检查，避免工具、杂物遗漏在土仓内然后关闭仓门。然后，盾构操作手反复旋转刀盘，使刀盘脱困，为防止盾尾抱死，必要时在中盾和盾尾上焊上钢板保证盾体整体脱困。
实际施工中，换刀结束后要调试泡沫系统及刀盘密封系统及螺旋机系统，确定正常后，向土仓内注入一定的泡沫剂，恢复掘进。恢复掘进时，采用小推力(推力从零开始增长)、刀盘低转速进行掘进，保护刀具，待刀具刃口磨出时，恢复正常掘进。掘进参数控制进行如下控制：推力1500T-2000T、扭矩2000kN.m-2500kN.m、刀盘转速1.3r/min-1.5r/min、贯入度1mm/r-10mm/r、泡沫需要一直注流量150L发泡率8％。
最后，本发明的未述之处均采用现有方法中的成熟产品及成熟方法手段。
应当理解的是，对本领域普通方法人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种盾构换刀掌子面的泥膜加固施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、盾构机停机操作：确定采用填仓常压换刀方式后，盾构机停机后在原有土仓压力1.7bar的基础上，收铰接油缸，使盾体后退80mm，留作泥膜注浆区，并为换刀提供作业空间；
步骤二、施做止水环：为避免成环管片背后来水涌入土仓造成填仓失败，需在管片背后进行整环双液注浆形成止水环，截断管片背后来水；注浆环号选定在脱出盾尾第5～10环位置；采用水玻璃与水泥浆按照1∶1的比例进行双液注浆，其中水泥浆水灰比为1∶1；
步骤三、盾体及刀盘保护：(1)通过盾尾径向孔往盾构机盾壳及盾构机后退80mm脱出的1～3环管片背后注入制备好的泥膜，填充并包裹整个盾构机；(2)注入泥膜后，在盾尾径向开设注浆孔，并用高温齿轮油泵分别向注浆孔内注入聚氨酯；(3)向刀盘密封系统注入油脂；
步骤四、填仓作业：通过铰接式超前注浆孔、前盾径向注浆孔、土仓观察孔向土仓内自下而上向盾构机后退80mm脱出的1～3环管片围成的圆形区域内压注泥膜；
步骤五、盾构恢复掘进：换刀完成后操作刀盘正反向往复旋转，使刀盘脱困，并向土仓内注入泡沫剂恢复掘进；恢复掘进时，采用从零开始增长的小推力推行刀盘，且刀盘低转速进行掘进，控制贯入度1～10mm/r，待刀具刃口磨出时，恢复正常掘进。
2.根据权利要求1所述的一种盾构换刀掌子面的泥膜加固施工方法，其特征在于：所述步骤四中平均每注入3m3泥膜需加入25kg羧甲基纤维素钠CMC，以防止泥膜浆液离析，且向砂浆罐掺羧甲基纤维素钠CMC时，须逐层撒入并且控制浆液液面在搅拌轴最高位下，以便搅拌均匀。
3.根据权利要求1所述的一种盾构换刀掌子面的泥膜加固施工方法，其特征在于：所述步骤四完成后，使用高温齿轮油泵分别在土仓壁、左中、右中、仓门通过前盾的径向注浆管每孔注入聚氨酯，并以0.5r/min以内的低速转动刀盘；同时严格关注地表沉降情况，使注入的聚氨酯与土仓内多余的水充分反应，填仓期间压力控制在4-5bar，填仓完成后土压会有所下降，下降至1.8-2.0bar稳定。
4.根据权利要求3所述的一种盾构换刀掌子面的泥膜加固施工方法，其特征在于：所述土压下降至1.8-2.0bar后，通过6路泡沫剂管往土仓内持续加气增压，直至土仓内土压保持稳定至2.3-3.0bar，再通过14点径向注浆孔向土仓内加水400L，直至土压恒定，最后向土仓气内交替注入单液浆和水玻璃。
5.一种如权利要求1所述的盾构换刀掌子面的泥膜加固施工方法中采用的泥膜，其特征在于，包括以下组分：膨润土840～860份，细砂360～440份，水泥150～170份，水492～508份。
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2021
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| CN116398242B (zh) * | 2023-04-21 | 2024-03-29 | 中交隧道工程局有限公司 | 一种长时间停机泥水盾构开挖面泥膜寿命的评价方法 |
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