一种上软下硬土压平衡盾构施工的带压开仓换刀方法与流程

本发明涉及地下施工，涉及一种上软下硬土压平衡盾构施工的带压开仓换刀方法。

背景技术：

1、上软下硬复合地层广泛存在于我国华南地区，如在广州、深圳等地区的隧道工程中，多出现开挖面内或沿隧道纵向长距离内存在两种或两种以上地质特征差异较大的复合地层。该类地层条件普遍存在变化频繁、复合交互、岩石强度变化大等特点，掘进过程中由于岩体软硬不均造成刀具的磕碰、偏磨会更加严重，容易出现高频的刀盘刀具磨损问题。特别下穿一些老旧密集的城市建筑群时，大部分建筑基础比较薄弱、结构整体性差或桩基近邻隧道结构，若遇突发性刀盘卡死、中心结饼、刀具崩坏等造成临时停机，开仓检修或更换刀具将大大增加施工风险。

2、从目前国内多数案例来看，大部分常规的带压开仓施工主要在置换土仓渣土或泥浆的同时，采用膨润土混合浆液或衡盾泥材料在盾构四周和刀盘前方建立一定厚度的泥膜护壁来加强掌子面的稳定性，在仓内气压置换后通过保压系统维持土仓压力，再进行带压开仓作业操作。如在地质勘探阶段已经识别出不良地质区域，预先选定盾构开仓位置后提前采用旋喷桩或wss注浆（无收缩双液注浆）进行加固，再采取常规开仓手段进行检修。但诸类技术如遇地质突发情况、刀具质量不稳定或盾构操作不当等特殊情况导致刀盘刀具在未到达预加固换刀区前就已磨损严重、迫切更换时，难以满足要求，并且开展地面注浆加固在建筑密集区域有较大的施工局限性。

3、在长距离的上软下硬复合地质段，盾构穿越密集建筑群时由于掘进参数异常、刀盘结饼造成了临时停机。由于断面岩性不均匀且拱顶上部软岩土层发现局部空洞，冒然开仓可能导致掌子面坍塌、人员掩埋等事故，严重时地表及建筑物发生超限沉降甚至坍塌损毁。因此，在上软下硬复合地层盾构穿越密集建筑物遇突发情况时，如何安全高效地完成带压开仓检修、更换刀具等工作成为亟待解决的重要难题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种上软下硬土压平衡盾构施工的带压开仓换刀方法，该方法针对上软下硬地层盾构下穿密集建筑时，高埋深、富水带盾构临时开仓检修的突发问题，保证带压开仓作业安全稳定、经济高效。

2、一种上软下硬土压平衡盾构施工的带压开仓换刀方法，包括如下步骤：

3、s1.盾中盾尾注浆以构建止水防护；

4、s2.土仓渣土置换：将土仓内的渣土置换成膨润土泥浆，直至膨润土泥浆填满刀盘末端的土仓，以及刀盘前端与掌子面间隙，并使膨润土泥浆包裹在盾构机刀盘的外周，以此通过膨润土泥浆形成盾构机刀盘的包裹防护，并保持盾构机刀盘前后端的土压平衡；

5、s3.超前注浆加固：对刀盘前端上方的软岩进行放射性分布的预注浆处理，以加固盾构施工上方建筑基础。

6、s4.建立泥膜：通过刀盘低速旋转向掌子面上涂抹膨润土泥浆，以在刀盘前端与掌子面间隙处建立泥膜；

7、s5.土仓气体置换：以带压空气注入土仓并置换出土仓内的膨润土泥浆，并在土仓内形成带压空气循环的封闭空间；

8、s6.逐级增压，带压开仓并人工维修更换盾构机刀具；

9、s7.逐级减压，人员撤离。

10、而且，步骤s1包括以下子步骤：

11、s11.利用盾构机中部预留的径向孔向盾体四周注入膨润土泥浆，以在盾构机的中部外周形成中止水环；

12、s12.对脱出盾尾的第5～6环管片壁后通过二次注浆孔压注水泥-水玻璃双液浆，使盾尾后方的管片壁后形成盾尾的尾止水环。

13、而且，步骤s2包括以下子步骤：

14、s21.注浆压力每隔30min提高0.2bar，直至土仓内压力高于土仓常规工作压力0.1～0.3bar后持续保持注浆；

15、s22.每隔5min正向或反向转动刀盘60°，通过螺旋机持续由土仓中排出置换后的渣土，并通过渣土取样判断土仓内是否全部完成膨润土泥浆置换。

16、而且，步骤s3包括以下子步骤：

17、s31.开启盾构机顶部的超前注浆孔，并且经超前注浆孔向盾构机外部逐节钻入钻杆，先钻入5根同轴连接的钻杆，当首节钻杆端头超过刀盘2.3m后，再钻入第6根钻杆并进行第一次注浆封孔，浆液为磷酸、水玻璃混合液0.25m³，以防后续浆液回流至土仓；

18、s32.继续向前钻孔，再轴向钻入2根钻杆并在第8根钻入一半时进行第二次注浆封孔，浆液为磷酸、水玻璃混合液0.25m³，阻止注入浆液溢流至所需注浆范围之外；

19、s33.第二次注浆封孔完成后继续轴向伸入钻探至第9根杆，再开始后退式注浆；浆液为水泥浆与水玻璃混合液，匀速回抽钻杆，在回抽钻杆过程中注浆压力保持0.3～0.5mpa，最后以定量、定压相结合控制注浆结束标准；

20、s34.在第6根钻杆取出后即停止注浆，开始第三次注浆封孔，封孔完成后继续取出剩余钻杆，边后退边注水清洗钻杆内管路。

21、而且，步骤s31及步骤s32中采用的磷酸、水玻璃混合液的具体成分按体积比为：

22、水玻璃溶液，水玻璃：水＝1：1；

23、磷酸溶液，磷酸：水＝1：9；

24、水玻璃溶液：磷酸溶液＝1：1，胶凝时间15s，固结时间小于5min。

25、而且，步骤s33中采用的水泥浆与水玻璃混合液的具体成分按体积比为：

26、水泥浆:水玻璃体积比1:1；

27、其中：水泥浆水灰比为1:1；

28、水玻璃40波美度并按1:1稀释，浆液初凝时间:25s~35s，注浆压力控制在0.3~0.5mpa。

29、而且，步骤s4施工时需低速转动刀盘，转速控制在1r/min以内，在保持土仓压力稳定在3～3.5bar情况下，由刀盘将膨润土泥浆均匀涂抹并渗入掌子面土体，在掌子面处形成泥膜。

30、而且，步骤s5包括以下子步骤：

31、s51.向土仓内部注入空气，同时利用螺旋机排出土仓内的膨润土泥浆；

32、s52.保持刀盘不动，膨润土泥浆液面位置降至气压注入口下方后，利用空压机通过盾构机内部的泡沫加注管路向土仓内部加压以保持土仓压力平衡置换；并且露出膨润土泥浆液面的空气置换完成区域中的土压传感器读数控制在2.9～3.0bar。

33、本发明的优点和技术效果是：

34、（1）本发明充分发挥了超前注浆的棚架保护与膨润土泥浆泥膜的护壁作用，在刀盘上方以及掌子面正前方形成了组合式加固结构，一方面有效地减少了长时间停机对既有建筑桩基的扰动影响，另一方面促使盾构土仓周围形成一个稳固气密的空间，为临时带压开仓施工提供了可靠安全的工作环境。

35、（2）在广州地铁18号线的案例实施中，由于提前采用了多次磷酸水玻璃封孔+后退式超前洞内注浆对上软下硬断面局部不良地质实施了加固，不仅及时密实了拱顶上方的空洞、防止掌子面发生坍塌风险，而且整个气压换刀作业过程中掌子面再未出现任何掉泥、掉块现象，有效地保持地表密集建筑地下桩基与上部结构的整体稳定性，降低盾构开仓施工风险。

36、（3）本发明提出的注浆加固与泥膜建立、止水环施作等施工环节可同步实施，利用注浆加固工艺与盾构机本身构造特点充分增强了带压开仓法的适用性和时效性，在对工期影响不大的情况下大大提高了上软下硬不良地质盾构下穿密集建筑临时带压开仓检修的施工安全。

37、（4）本发明适用于上软下硬复合地层、盾构突遇不良地质、下穿密集建筑、高埋深高水头等情况的临时开仓施工，也为土压盾构开仓换刀技术提供了创新与突破性的实践参考。