超大直径泥水气平衡盾构在软土地层中的换刀施工方法

摘要

本发明公开了一种超大直径泥水气平衡盾构在软土地层中的换刀施工方法，包括：制备用于盾构刀盘的正面浆液，所述正面浆液的配制成分包括水、造浆剂以及增粘剂；使用所述正面浆液对软土地层进行浆液循环作业，以在软土地层的表面形成一层泥膜结构；根据盾构所处位置将盾构的操作仓内的压力调整到设定要求，以稳定盾构的开挖面；协同调整盾构的操作仓、主人仓以及货仓内的压力，以使换刀人员带压进入操作仓完成换刀作业。本发明制备盾构刀盘的正面浆液的配制成分包括水、造浆剂、增粘剂，该浆液配比制备的正面浆液，可以在软土表面形成一层泥膜结构，平衡作用于开挖面的土压力和水压力。

说明书

技术领域

本发明涉及盾构施工技术领域，尤其是指一种超大直径泥水气平衡盾 构在软土地层中的换刀施工方法。

背景技术

现有的盾构法隧道换刀施工工艺，多数集中在岩石TBM或砂卵石地 层中的盾构滚刀的更换。其盾构所处地层要么有一定的自立性，要么采用 地面加固的方式，确保盾构正面土体稳定。而位于饱和的软土-砂土地层 中的泥水气平衡盾构(混合盾构)通常埋置深度较大，正面土体稳定性极 差，盾构上方地表环境复杂，通常不具备全断面加固的条件。

无地表加固措施下的盾构换刀作业，如何保障盾构正面稳定性是关键 问题。尤其对于超大直径(一般在14m以上)的盾构法隧道而言，开挖面 上下压力差大，保持正面的平衡稳定就更加困难，一旦正面出现失稳，不 但换刀作业无法进行，更有可能危及换刀作业人员的生命。目前尚无可靠 的方法用于超大直径的盾构在非加固的饱和软土地层中的盾构刮刀更换 技术。

发明内容

有鉴于上述问题，本发明提供了一种超大直径泥水气平衡盾构在软土 地层中的换刀施工方法，包括：

制备用于盾构刀盘的正面浆液，所述正面浆液的配制成分包括水、造 浆剂以及增粘剂；

使用所述正面浆液对软土地层进行浆液循环作业，以在软土地层的表 面形成一层泥膜结构；

根据盾构所处位置将盾构的操作仓内的压力调整到设定要求，以稳定 盾构的开挖面；

协同调整盾构的操作仓、主人仓以及货仓内的压力，以使换刀人员带 压进入操作仓完成换刀作业。

本发明超大直径泥水气平衡盾构在软土地层中的换刀施工方法，制备 用于盾构刀盘的正面浆液的配制成分包括水、造浆剂、增粘剂，该浆液配 比制备的正面浆液，可以在软土表面形成一层“泥膜”结构，以平衡作用 于开挖面的土压力和水压力。并且，该泥膜结构能够有效的封堵粉砂地层 中的间隙，成为一层不透水层，同时辅以适当的气压，可以起到对正面支 护的作用，防止正面土体坍塌，为换刀作业提供安全可靠的工作面。采用 本发明超大直径泥水气平衡盾构在软土地层中的换刀施工方法，浆液稳定 正面土体，对盾构上方的环境没有特殊要求，施工周期短、费用相对较低， 同时可以确保安全性。

本发明超大直径泥水气平衡盾构在软土地层中的换刀施工方法的进 一步改进在于，所述造浆剂的组成成分包括大中分子量的聚丙稀酸盐类、 聚丙稀腈盐类、纤维类盐类、抗钙剂以及增效添加剂。

本发明超大直径泥水气平衡盾构在软土地层中的换刀施工方法的进 一步改进在于，所述增粘剂的组成成分包括大中分子量的聚丙稀酸盐类、 丙稀腈、纤维素盐、乙烯基共聚物、带正电的活性颗粒、微孔堵塞剂以及 增效添加剂。

本发明超大直径泥水气平衡盾构在软土地层中的换刀施工方法的进 一步改进在于，所述正面浆液由水、造浆剂、增粘剂按照40:3:1的配比配 制而成。

本发明超大直径泥水气平衡盾构在软土地层中的换刀施工方法的进 一步改进在于，所述正面浆液的比重为1.05g/cm³～1.08g/cm³，所述正面浆 液的粘度为80s～120s。

本发明超大直径泥水气平衡盾构在软土地层中的换刀施工方法的进 一步改进在于，协同调整盾构的操作仓、主人仓以及货仓内的压力，以使 换刀人员带压进入操作仓完成换刀作业，包括以下步骤：

初始状态下，所述操作仓内的压力大于所述主人仓以及所述货仓内的 压力，所述主人仓以及所述货仓内的压力均等于标准大气压，换刀人员从 盾构外部通过所述主人仓进入所述货仓，拿取新刀具后回到所述主人仓；

对所述主人仓加压直到所述主人仓内的压力等于所述操作仓内的压 力，换刀人员从所述主人仓进入所述操作仓进行换刀作业；

对所述货仓加压直到所述货仓内的压力等于所述主人仓内的压力，换 刀人员从所述操作仓通过所述主人仓进入所述货仓，将旧刀具存放在所述 货仓；

换刀人员从所述货仓撤出到所述主人仓，对所述货仓减压直到所述货 仓内的压力等于标准大气压；

对所述主人仓减压直到所述主人仓内的压力等于标准大气压，换刀人 员从所述主人仓撤出到盾构外部。

本发明超大直径泥水气平衡盾构在软土地层中的换刀施工方法的进 一步改进在于，所述操作仓与所述主人仓之间设有第一门体，所述主人仓 与所述货仓之间设有第二门体，所述主人仓还设有与外部连通的第三门 体，所述货仓还设有与外部连通的第四门体。

本发明超大直径泥水气平衡盾构在软土地层中的换刀施工方法的进 一步改进在于，使用所述正面浆液对软土地层进行浆液循环作业，以在软 土地层的表面形成一层泥膜结构，包括以下步骤：

采用盾构机车架的剪切泵拌制所述正面浆液；

采用盾构的挤压泵泵送所述正面浆液至盾构的同步注浆浆桶，将两个 同步注浆泵接在泥水仓的管路上；

所述操作仓包括通过一第五门体相互连接的泥水仓与气泡仓，所述泥 水仓靠近盾构的刀盘，采用同步注浆泵将所述正面浆液往泥水仓进行泵 送，至气泡仓的液位上升至+1m；

从泥水仓的顶部放出所述正面浆液，至气泡仓的液位下降到0；

循环上述泵送和放浆的过程，直到泥水仓的顶部放出的浆液的粘度达 到35s。

本发明超大直径泥水气平衡盾构在软土地层中的换刀施工方法的进 一步改进在于，泥水仓的顶部放出的浆液的粘度达到35s后，稳压12小 时，稳压结束后进行泥水仓与气泡仓的连通压力实验。

附图说明

图1是本发明超大直径泥水气平衡盾构在软土地层中的换刀施工方法 的流程图。

图2是本发明超大直径泥水气平衡盾构在软土地层中的换刀施工方法 中盾构的内部仓位分布示意图。

图3～图7是本发明超大直径泥水气平衡盾构在软土地层中的换刀施 工方法中调整盾构的操作仓、主人仓以及货仓内的压力的步骤示意图。

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。

以上海地区为代表的软土-砂土地层中，土体的强度远低于岩石地层， 在大断面开挖条件下，不具备自立性，特别是深部的粉砂地层中，富含高 水头承压水，必须采用一定措施防止土体坍塌。传统的方式是采用地面加 固措施，以高压旋喷注浆或者深层水泥土搅拌桩的形式加固地层，加固浆 液中的水泥基材料硬化过程会极大的提高土体的自立性，使开挖面满足大 断面开挖条件下的自立性，从而为换刀作业提供空间。但是该方法施工周 期长、且要求盾构上方必须为空旷地面以实施加固，且加固费用十分昂贵。

因此，本发明提供了一种超大直径泥水气平衡盾构在软土地层中的换 刀施工方法。

配合参看图1与图2所示，图1是本发明超大直径泥水气平衡盾构在 软土地层中的换刀施工方法的流程图。图2是本发明超大直径泥水气平衡 盾构在软土地层中的换刀施工方法中盾构的内部仓位分布示意图。如图2 所示，盾构包括刀盘10、靠近刀盘10设置的操作仓20、与操作仓20连 接的主人仓30、以及与主人仓30连接的货仓40，其中，操作仓20又包 括靠近刀盘10设置的泥水仓210以及与泥水仓210连接的气泡仓220。泥 水仓210用于进行泥水气平衡的浆液循环作业，气泡仓220用于提供适当 的气压作用在泥水舱内，来平衡正面的土体，该气压可以根据土体的静止 土压力进行初步计算，同时辅以地面沉降观测进行适当调整。例如：在选 定的气压下，若地面呈现隆起趋势，则适当降低气压；反之，若地面呈现 凹陷趋势，则适当增加气压；主人仓30作为换刀人员的进出通道，货仓 40用于存放刀具。

如图1所示，本发明超大直径泥水气平衡盾构在软土地层中的换刀施 工方法，包括：

步骤S101：制备用于盾构刀盘的正面浆液，所述正面浆液的配制成 分包括水、造浆剂以及增粘剂。

步骤S102：使用所述正面浆液对软土地层进行浆液循环作业，以在 软土地层的表面形成一层泥膜结构。

步骤S103：根据盾构所处位置将盾构的操作仓20内的压力调整到设 定要求，以稳定盾构的开挖面。

步骤S104：协同调整盾构的操作仓20、主人仓30以及货仓40内的 压力，以使换刀人员带压进入操作仓20完成换刀作业。

本发明超大直径泥水气平衡盾构在软土地层中的换刀施工方法，制备 用于盾构刀盘的正面浆液的配制成分包括水、造浆剂、增粘剂，该浆液配 比制备的正面浆液，可以在软土表面形成一层“泥膜”结构，以平衡作用 于开挖面的土压力和水压力。并且，该泥膜结构能够有效的封堵粉砂地层 中的间隙，成为一层不透水层，同时辅以适当的气压，可以起到对正面支 护的作用，防止正面土体坍塌，为换刀作业提供安全可靠的工作面。采用 本发明超大直径泥水气平衡盾构在软土地层中的换刀施工方法，浆液稳定 正面土体，对盾构上方的环境没有特殊要求，施工周期短、费用相对较低， 同时可以确保安全性。

具体地，在步骤S101中，所述造浆剂的组成成分包括大中分子量的 聚丙稀酸盐类、聚丙稀腈盐类、纤维类盐类、抗钙剂以及增效添加剂，是 形成布满整个泥水体系的空间网架结构框架的初始造浆材料。所述增粘剂 的组成成分包括大中分子量的聚丙稀酸盐类、丙稀腈、纤维素盐、乙烯基 共聚物、带正电的活性颗粒、微孔堵塞剂以及增效添加剂，用于软土层提 高粘度，改善流变性，利于携带和稳定开挖面的作用。优选地，所述正面 浆液由水、造浆剂、增粘剂按照40:3:1(优选地，为1000kg:75kg:25kg) 的配比配制而成。更优选地，所述正面浆液的比重为1.05g/cm³～1.08g/cm³， 所述正面浆液的粘度为80s～120s。需要说明的是，本发明中的粘度单位是 以马氏漏斗粘度计为标准，马氏漏斗粘度计是API标准规定使用的一种测 量钻井液粘度的仪器。其测量原理是将一定量(946ml)的钻井液在重力 作用下从一个固定型漏斗中自由流出所需的时间来表示钻井液的粘度，通 常其单位用“s”(秒)来表示。

在步骤S102中，使用所述正面浆液对软土地层进行浆液循环作业， 以在软土地层的表面形成一层泥膜结构，包括以下步骤：

步骤S1021：采用盾构机车架的剪切泵拌制所述正面浆液；

步骤S1022：采用盾构的挤压泵泵送所述正面浆液至盾构的同步注浆 浆桶，将两个同步注浆泵接在泥水仓的管路上；

步骤S1023：操作仓20的泥水仓210与气泡仓220通过一第五门体 550相互连接，泥水仓靠近盾构的刀盘10，采用同步注浆泵将所述正面浆 液往泥水仓210进行泵送，至气泡仓220的液位上升至+1m；

步骤S1024：从泥水仓210的顶部放出所述正面浆液，至气泡仓220 的液位下降到0；

步骤S1025：循环上述泵送和放浆的过程，直到泥水仓210的顶部放 出的浆液的粘度达到35s；

步骤S1026：泥水仓210的顶部放出的浆液的粘度达到35s后，稳压 12小时，稳压结束后打开第五门体550，进行泥水仓210与气泡仓220的 连通压力实验，无异常后，才可以进仓进行换刀作业。

具体地，为了保证新鲜浆液及时使用，利用盾构机车架剪切泵拌制。 通常70-100m³新浆(粘度200s以上)可将泥水仓210中浆液的指标调至 粘度40s以上。使用剪切泵配合容量8m³的浆桶拌制新浆，用挤压泵泵送 新浆至同步注浆浆桶，将两个同步注浆泵接在泥水仓210的管路上，采用 同步注浆泵进行新浆往泥水仓210的泵送，至气泡仓220的液位上升至 +1m，然后从泥水仓210的顶部放出浆液至气泡仓220的液位到0，再泵 送和放浆，循环这个过程，直到泥水仓210的顶部放出的浆液粘度达到35s， 稳压12小时，过程中不断检查顶部浆液，泥水仓210的顶部放出的浆液 粘度低于35s继续泵送置换，稳压结束后进行泥水仓210与气泡仓220的 连通压力实验2小时，无异常后，可以进仓。

在步骤S103中，换刀作业人员进仓前，需要根据盾构所处位置将盾 构的操作仓20内的压力调整到设定要求，以稳定盾构的开挖面。具体是 需要根据盾构所处位置调整泥水仓210的液面及气泡仓220的压力，以满 足换刀人员带压进入操作仓20进行换刀作业的要求。为了便于论述，以 盾构中心埋深43.3m为例，说明液面及压力调整的方法。具体操作需要根 据理论计算和工程实际情况具体分析。

1.盾构埋深情况

盾构中心埋深43.3m，液位需下降4m，液位处埋深39.85m。根据盾 构暂停掘进后正面静止土压力值的情况和后续监测波动情况。将气泡仓 220的压力设定为5.15bar，顶部支撑压力为4.3bar。

2.进仓压力设定

充分考虑盾构所在地层的渗透系数及地基承载力等情况，从施工安全 角度出发，进仓进行换刀作业时的气压暂定为4.7bar。同时根据进仓后掌 子面情况作相应微调。

3.升降液位操作

进仓前将泥水仓210降低4m液位，升降液位操作步骤如下：

①根据泥水仓210与气泡仓220的体积计算，需要先将气泡仓220的 液位控制在0m，压力5.15bar。

②进行泥水仓210与气泡仓220的连通操作：开启往泥水仓210的进 气阀，不断降低气泡仓220内的压力至4.7bar后泥水仓210与气泡仓220 的液位相平至+3.5m。再往泥水仓210加气的过程中，顶部支撑压力不得 高于4.8bar。

③泥水仓210液位补满操作：关闭往泥水仓210的进气阀，开启泥水 仓210的顶部放气阀，不断升高气泡仓220的压力直到顶部放出水，此时 气泡仓220的压力升至5.15bar。泥水仓210放气过程中，顶部支撑压力 不得低于4.5bar。

在步骤S104中，将标准大气压以P0表示，将操作仓20内的压力以 P1表示(由于泥水仓210与气泡仓220之前已经完成稳压作业，故此时 第五门体550处于打开状态，泥水仓210与气泡仓220内的压力相等，均 为P1)，将主人仓30内的压力以P2表示，将货车40内的压力以P3表 示。操作仓20的气泡仓220与主人仓30之间设有第一门体510，主人仓 30与货仓40之间设有第二门体520，主人仓30还设有与外部连通的第三 门体530，货仓40还设有与外部连通的第四门体540。

参见图3～图7所示，图3～图7是本发明超大直径泥水气平衡盾构在 软土地层中的换刀施工方法中调整盾构的操作仓、主人仓以及货仓内的压 力的步骤示意图。如图所示，协同调整盾构的操作仓、主人仓以及货仓内 的压力，以使换刀人员带压进入操作仓完成换刀作业，包括以下步骤：

步骤S1041：初始状态下，打开第二门体520和第三门体530，关闭 第一门体510和第四门体540，如图3所示，操作仓20内的压力大于主人 仓30以及货仓40内的压力，主人仓30以及货仓40内的压力均等于标准 大气压，即P1>P2＝P3＝P0，换刀人员从盾构外部通过主人仓30进入货仓 40，拿取新刀具后回到主人仓30；

步骤S1042：关闭第二门体520和第三门体530，如图4所示，对主 人仓30加压直到主人仓30内的压力等于操作仓20内的压力，即 P1＝P2>P3＝P0；此时打开第一门体510，如图5所示，换刀人员从主人仓 30进入操作仓20进行换刀作业，进入操作仓20后，换刀人员从气泡仓 220通过第五门体550进入泥水仓210进行换刀作业；

步骤S1043：对货仓40加压直到货仓40内的压力等于主人仓30内的 压力，即P1＝P2＝P3>P0；此时打开第二门体520，如图6所示，换刀人员 从操作仓20通过主人仓30进入货仓40，将旧刀具存放在货仓40；

步骤S1044：换刀人员从货仓40撤出到主人仓30，关闭第二门体520， 如图5所示，对货仓530减压直到货仓530内的压力等于标准大气压，即 P1＝P2>P3＝P0；

步骤S1045：关闭第一门体510，如图4所示，对主人仓30减压直到 主人仓30内的压力等于标准大气压，即P1>P2＝P3＝P0；此时打开第三门 体530，如图7所示，换刀人员从主人30撤出到盾构外部。另外，后续人 员还可以通过打开第四门体540从外部直接进入货仓40换区旧刀具。

本发明超大直径泥水气平衡盾构在软土地层中的换刀施工方法的安 全准则如下：

1.气压设备所使用的安全阀、压力表等安全仪表、设备应定期进行校 验，注意日常保养和试开启运转。安全阀应每天试验启动一次，以检验其 可靠性，若出现问题应及时处理；

2.泥水循环时要保持仓内液位在中心，避免支撑压力的较大波动。注 入量和排浆量应予以统计和记录。一定压力情况下，压入的膨润土浆液也 将有部分渗入正面土体，形成一定的泥膜。

3.人工气压工作时必须有监护人员时刻监护仓内压力变化情况。

4.若仓内压力维持达到系统供气量的80％时应立即停止工作，撤离作 业人员。

5.储气罐在使用期间应并定期派专人清除罐内的油水。

6.任何情况下应保证供气量不少于每分钟20m³/人。

7.轴承密封在仓内粘合必须做好充足准备后，特别是腔体内用高压设 备应清洗干净，以确保密封质量符合设计要求。

8.人员进仓时，应先测试仓内是否存在有毒有害气体。在确定安全情 况下，方可进入仓内施工，进仓后首先确认泥膜的有效性，如果需要，则 立即采用包括对刀盘处暴露土体喷射水泥砂浆等在内的加固处理措施。

9.隧道内禁止产生有害气体的设备(如柴油发动机)进入，禁止抽烟， 禁止使用高压电(24伏以上)，禁止一切火种进入，建立水灭火系统，采 用低压防爆照明。若必须使用电焊气割，应加强对所用的设备安全检查， 还必须增强通风能力、增加消防设备，并经有关部门批准后方可实施。

10.所有高气压作业人员经过严格体检和培训教育(包括加压锻炼及氧 敏感试验)，设立专职高气压作业安全员，有经验的领班。

11.现场配备完善的劳动保护设施和条件，以及专门的气压管理医务人 员，保证施工人员的身体健康。

12.采用双电源供电，保证气压作业的施工安全；所有固定或移动的用 电设备、照明均需满足安全用电的要求，并定期进行检查。本工程发电机 必须备足燃料，时刻准备应急发电。

13.负责进、出闸门变压工作操作的闸门管理员必须进行专门培训。每 班对气压区工作压力、工作时间、进出闸时间、气压作业区人员数量等作 详细记录。

14.严格控制人员进、出气压工作区的变压时间，按工作压力对应的减 压要求坚决执行，特殊情况应遵照气压专职医生指令执行。

15.气压工作区与常压区之间、地面各相关部门之间均应保持可靠的通 讯、讯号联系。

16.气压装置使用期间配备必要的急救物品、消防器材和医药用品。

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。