本發(fā)明屬于地鐵盾構(gòu)施工技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種土壓平衡盾構(gòu)上軟下硬及全斷面硬巖用壓氣平衡掘進方法。

背景技術(shù)：

全斷面硬巖掘進是地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道施工經(jīng)常碰見的難題，在進行上軟下硬及全斷面硬巖土壓平衡盾構(gòu)掘進時，經(jīng)常出現(xiàn)倉內(nèi)溫度高、刀具磨損快、噴涌、注漿質(zhì)量差引起的管片上浮等問題，導(dǎo)致區(qū)間施工費用增加，工期及工程質(zhì)量不能得到有效保證。隨著我國進行大規(guī)模的地鐵建設(shè)，在各個地區(qū)的地鐵建設(shè)領(lǐng)域區(qū)間盾構(gòu)法施工中上軟下硬地層及全斷面硬巖地層掘進越來越多，如何解決土壓平衡盾構(gòu)上軟下硬及全斷面硬巖地層過程中掘進倉內(nèi)溫度高、刀具磨損快、噴涌、同步注漿質(zhì)量差等問題，來降低施工成本，保證工期及施工質(zhì)量成為國內(nèi)各個施工單位技術(shù)把控的重點。目前國內(nèi)大部分施工單位在上軟下硬地層中掘進采用土壓平衡法進行施工，而在全斷面硬巖地層采用空倉無壓掘進或低土壓掘進施工，掘進過程中常出現(xiàn)倉內(nèi)溫度高、刀具磨損快、噴涌、同步注漿質(zhì)量差等問題。尤其在位于上軟下硬及全斷面硬巖地層的隧道節(jié)段長度長時，施工問題更為突出。如對廣州地鐵十三號線的一個區(qū)間盾構(gòu)隧道進行施工時，上軟下硬及全斷面硬巖地層施工長度為2912.35米，占隧道總長的84％，為了提高上軟下硬及全斷面硬巖地層的土壓平衡掘進速度，保證施工工期的同時，降低施工成本，必須對現(xiàn)有的土壓平衡盾構(gòu)掘進方法進行調(diào)整。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種土壓平衡盾構(gòu)上軟下硬及全斷面硬巖用壓氣平衡掘進方法，其設(shè)計合理、操作簡便且使用效果好，能有效解決上軟下硬及全斷面硬巖地層盾構(gòu)掘進過程中存在的多種問題，在提高掘進速度的同時，能有效降低施工成本。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種土壓平衡盾構(gòu)上軟下硬及全斷面硬巖用壓氣平衡掘進方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

步驟一、加氣管安裝：在土壓平衡盾構(gòu)機的盾構(gòu)機盾體內(nèi)，安裝向土倉內(nèi)注入空氣的加氣管；

步驟二、盾構(gòu)掘進：采用步驟一中所述土壓平衡盾構(gòu)機由后向前對所施工隧道進行盾構(gòu)掘進施工，所施工隧道為位于上軟下硬地層或隧道全斷面為硬巖的地鐵隧道；

對所施工隧道進行盾構(gòu)掘進施工過程中，通過加氣管向土倉內(nèi)注入空氣，保持土倉內(nèi)部壓力穩(wěn)定；同時，通過螺旋出土機將土倉內(nèi)的渣土連續(xù)向外排出，使土倉內(nèi)渣土的上表面始終比出土口頂部高d，其中d＝20cm～40cm；

所述出土口為土倉后側(cè)壁上開設(shè)的用于安裝所述螺旋出土機的安裝口；

步驟三、盾構(gòu)管片拼裝施工：步驟二中盾構(gòu)掘進施工過程中，按照常規(guī)管片拼裝襯砌施工工藝進行盾構(gòu)管片拼裝施工，獲得拼裝成型的管片環(huán)。

上述土壓平衡盾構(gòu)上軟下硬及全斷面硬巖用壓氣平衡掘進方法，其特征是：步驟二中所述的d＝40cm。

上述土壓平衡盾構(gòu)上軟下硬及全斷面硬巖用壓氣平衡掘進方法，其特征是：步驟一中所述加氣管為土壓平衡盾構(gòu)機內(nèi)自帶的泡沫液注入管。

上述土壓平衡盾構(gòu)上軟下硬及全斷面硬巖用壓氣平衡掘進方法，其特征是：所述土壓平衡盾構(gòu)機內(nèi)自帶的泡沫液注入管的數(shù)量為多根；步驟一中進行加氣管安裝時，將土壓平衡盾構(gòu)機內(nèi)自帶的一根所述泡沫液注入管用于注入所述泡沫液，將土壓平衡盾構(gòu)機內(nèi)自帶的剩余泡沫液注入管均與注氣設(shè)備連接并作為加氣管使用。

上述土壓平衡盾構(gòu)上軟下硬及全斷面硬巖用壓氣平衡掘進方法，其特征是：步驟二中所施工隧道為待施工地鐵隧道的一個隧道段，所施工隧道位于所述待施工地鐵隧道的中部或前側(cè)；

步驟二中對所施工隧道進行盾構(gòu)掘進施工之前，先進行土倉注氣置換填充，過程如下：通過加氣管向土倉內(nèi)注入空氣，并通過所述螺旋出土機將土倉內(nèi)的渣土逐漸排出，直至土倉內(nèi)渣土的上表面與出土口頂部的間距為d；

土倉注氣置換填充過程中，對土倉內(nèi)部壓力進行實時監(jiān)控，并保持土倉內(nèi)部壓力穩(wěn)定。

上述土壓平衡盾構(gòu)上軟下硬及全斷面硬巖用壓氣平衡掘進方法，其特征是：土倉注氣置換填充過程中，所述土壓平衡盾構(gòu)機處于停止掘進狀態(tài)，所述土壓平衡盾構(gòu)機的刀盤和螺旋出土機均處于工作狀態(tài)。

上述土壓平衡盾構(gòu)上軟下硬及全斷面硬巖用壓氣平衡掘進方法，其特征是：步驟二中對所施工隧道進行盾構(gòu)掘進施工之前，在土倉的后側(cè)壁上安裝一個用于判斷土倉內(nèi)渣土的上表面高度的閥門，所述閥門與出土口頂部的間距為d。

上述土壓平衡盾構(gòu)上軟下硬及全斷面硬巖用壓氣平衡掘進方法，其特征是：步驟二中采用土壓平衡盾構(gòu)機由后向前對所施工隧道進行盾構(gòu)掘進施工時，過程如下：

步驟201、初步掘進：采用土壓平衡盾構(gòu)機由后向前掘進一環(huán)或兩環(huán)，掘進過程中對土倉內(nèi)渣土的上表面高度進行同步監(jiān)測，并通過控制所述螺旋出土機使土倉內(nèi)渣土的上表面始終比出土口頂部高d，同時對掘進過程中所述土壓平衡盾構(gòu)機的刀盤扭矩進行記錄，此時所述土壓平衡盾構(gòu)機的刀盤扭矩記作T；

步驟202、后續(xù)掘進：采用土壓平衡盾構(gòu)機由后向前繼續(xù)對所施工隧道進行盾構(gòu)掘進施工；盾構(gòu)掘進施工過程中，控制所述土壓平衡盾構(gòu)機的刀盤扭矩始終為T即可。

上述土壓平衡盾構(gòu)上軟下硬及全斷面硬巖用壓氣平衡掘進方法，其特征是：步驟三中進行盾構(gòu)管片拼裝施工時，步驟二中盾構(gòu)掘進施工完成一環(huán)后，均按照常規(guī)管片拼裝襯砌施工工藝進行盾構(gòu)管片拼裝施工，獲得拼裝成型的一個所述管片環(huán)。

上述土壓平衡盾構(gòu)上軟下硬及全斷面硬巖用壓氣平衡掘進方法，其特征是：步驟二中對所施工隧道進行盾構(gòu)掘進施工時，包括以下步驟：

步驟2-1、前N環(huán)掘進；采用土壓平衡盾構(gòu)機由后向前進行前N環(huán)掘進施工；其中，N為正整數(shù)且L為土壓平衡盾構(gòu)機的盾構(gòu)機盾體的長度，D為管片環(huán)的寬度，表示向上取整；

待完成前N環(huán)掘進施工后，所述盾構(gòu)機盾體與所施工隧道的隧道洞之間的空隙內(nèi)被帶壓空氣填充；

步驟2-2、下一環(huán)掘進：采用土壓平衡盾構(gòu)機由后向前進行下一環(huán)掘進施工；該環(huán)掘進施工完成后，脫出環(huán)與所述隧道洞之間的空隙內(nèi)被帶壓空氣填充，并采用注漿系統(tǒng)對所述脫出環(huán)背后進行同步注漿，通過同步注漿的漿液對所述脫出環(huán)與所述隧道洞之間空隙內(nèi)的被帶壓空氣進行置換；

所述脫出環(huán)為該環(huán)掘進施工完成時脫出土壓平衡盾構(gòu)機盾尾的一個所述管片環(huán)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：

1、施工方便且方法步驟簡單、操作簡便、投入成本低，實現(xiàn)方便。

2、設(shè)計合理、使用效果好且實用價值高，能有效解決上軟下硬及全斷面硬巖地層盾構(gòu)掘進過程中存在的多種問題，針對目前國內(nèi)地鐵施工工期緊、上軟下硬及全斷面硬巖掘進費用高且耗時長的情況，為了解決上軟下硬及全斷面硬巖掘進時間長，效率低下，換刀頻繁風(fēng)險大、費用高，施工過程中常出現(xiàn)倉內(nèi)溫度高、刀具磨損快、噴涌、同步注漿質(zhì)量差等難題，本發(fā)明進行盾構(gòu)掘進施工過程中，通過加氣管向土倉內(nèi)注入空氣，保持土倉內(nèi)部壓力穩(wěn)定；同時，通過螺旋出土機將土倉內(nèi)的渣土連續(xù)向外排出，使土倉內(nèi)渣土的上表面與出土口頂部的間距始終為20cm～40cm，這樣以土壓平衡盾構(gòu)機在上軟下硬及全斷面硬巖地層掘進時在盾構(gòu)機土倉內(nèi)加入大量空氣，以氣壓代替土壓同掌子面土體及裂隙水形成壓力平衡，通過壓力參數(shù)分析及出土情況判斷并確保土倉內(nèi)土體位于出土口上方20cm～40cm，這樣能有效降低土倉內(nèi)的渣土高度，使土倉內(nèi)及盾體同地層間隙內(nèi)由平衡壓氣體填充，保證了土倉內(nèi)環(huán)境的干燥及盾體同土體間隙內(nèi)空隙的干燥，有效解決了上軟下硬掘進過程中土壓平衡倉內(nèi)土體高同刀盤及刀具接觸面積大、摩擦?xí)r間長導(dǎo)致倉內(nèi)溫度高、刀具磨損快等問題，減少了盾構(gòu)高溫停機時間及換刀時間，降低了更換刀具數(shù)量；同時，有效解決了上軟下硬掘進過程中土壓平衡土倉內(nèi)土顆粒間含水較多，加之盾體前端易被土顆粒塞死，盾體同地層間隙內(nèi)壓力喪失，導(dǎo)致地層內(nèi)水分進入盾體同土體間隙內(nèi)、逐漸流入土倉并形成的噴涌問題；另外，有效解決了全斷面硬巖空倉無壓力及低壓力掘進導(dǎo)致地層內(nèi)裂隙水大量由掌子面及盾體同地層間隙進入倉內(nèi)形成噴涌問題；并且，解決了盾體間隙內(nèi)積水導(dǎo)致脫出盾尾后水分稀釋同步注漿漿液，降低同步注漿質(zhì)量問題；與此同時，采用本發(fā)明提高了盾構(gòu)施工效率，保證了盾構(gòu)隧道質(zhì)量，有較好的社會效益和經(jīng)濟性。

同時，采用本發(fā)明能有效提高上軟下硬及全斷面硬巖地層的土壓平衡掘進速度，在保證施工工期的同時，能有效降低施工成本。

綜上所述，本發(fā)明設(shè)計合理、操作簡便且使用效果好，能有效解決上軟下硬及全斷面硬巖地層盾構(gòu)掘進過程中存在的多種問題，在提高掘進速度的同時，能有效降低施工成本。

下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細(xì)描述。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的方法流程框圖。

圖2為本發(fā)明土倉注氣置換填充之前的施工狀態(tài)示意圖。

圖3為本發(fā)明土倉注氣置換填充后的施工狀態(tài)示意圖。

圖4為本發(fā)明閥門的安裝位置示意圖。

圖5為本發(fā)明脫出環(huán)背后同步注漿完成后的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記說明:

1—土壓平衡盾構(gòu)機； 2—所施工隧道； 3—土倉；

4—加氣管； 5—出土口； 6—泡沫液注入管；

7—渣土； 8—管片環(huán)； 9—帶壓空氣；

10—球閥； 11—同步注漿層。

具體實施方式

如圖1所示的一種土壓平衡盾構(gòu)上軟下硬及全斷面硬巖用壓氣平衡掘進方法，包括以下步驟：

步驟一、加氣管安裝：在土壓平衡盾構(gòu)機1的盾構(gòu)機盾體內(nèi)，安裝向土倉3內(nèi)注入空氣的加氣管4，詳見圖2；

步驟二、盾構(gòu)掘進：采用步驟一中所述土壓平衡盾構(gòu)機1由后向前對所施工隧道2進行盾構(gòu)掘進施工，所施工隧道2為位于上軟下硬地層或隧道全斷面為硬巖的地鐵隧道；

對所施工隧道2進行盾構(gòu)掘進施工過程中，通過加氣管4向土倉3內(nèi)注入空氣，保持土倉3內(nèi)部壓力穩(wěn)定；同時，通過螺旋出土機將土倉3內(nèi)的渣土7連續(xù)向外排出，使使土倉3內(nèi)渣土7的上表面始終比出土口5頂部高d，其中d＝20cm～40cm，詳見圖3；

所述出土口5為土倉3后側(cè)壁上開設(shè)的用于安裝所述螺旋出土機的安裝口；

步驟三、盾構(gòu)管片拼裝施工：步驟二中盾構(gòu)掘進施工過程中，按照常規(guī)管片拼裝襯砌施工工藝進行盾構(gòu)管片拼裝施工，獲得拼裝成型的管片環(huán)8。

所述上軟下硬地層包括下部巖層和位于所述下部巖層上方的上部土層，此處位于上軟下硬地層的地鐵隧道指的是該隧道斷面的上部為土層且其下部為巖層，并且該巖層為硬巖層。

其中，所述渣土7為巖渣或巖渣與土渣的混合物。

本實施例中，步驟二中所述的d＝40cm。

實際施工時，可根據(jù)具體需要，對d的取值大小進行相應(yīng)調(diào)整。

本實施例中，步驟一中所述加氣管4為土壓平衡盾構(gòu)機1內(nèi)自帶的泡沫液注入管6。

因而，實際操作簡便，投入成本較低，并且省工省時。

所述土壓平衡盾構(gòu)機1內(nèi)自帶的泡沫液注入管6的數(shù)量為多根；步驟一中進行加氣管安裝時，將土壓平衡盾構(gòu)機1內(nèi)自帶的一根所述泡沫液注入管6用于注入所述泡沫液，將土壓平衡盾構(gòu)機1內(nèi)自帶的剩余泡沫液注入管6均與注氣設(shè)備連接并作為加氣管4使用。其中，注氣設(shè)備也稱為增壓設(shè)備。

本實施例中，所述土壓平衡盾構(gòu)機1內(nèi)自帶的泡沫液注入管6的數(shù)量為四根，步驟一中將土壓平衡盾構(gòu)機1內(nèi)自帶的三根泡沫液注入管6均與注氣設(shè)備連接并作為加氣管4使用。

實際使用時，每根所述泡沫液注入管6的前端均安裝在土倉3的后側(cè)壁中部。所述螺旋出土機安裝在土倉3的下部。

因而，本發(fā)明利用土壓平衡盾構(gòu)機1內(nèi)自帶的泡沫系統(tǒng)即注入泡沫液的注液系統(tǒng)，土壓平衡盾構(gòu)機1內(nèi)自帶的泡沫系統(tǒng)包括四路泡沫液注入管6，通過調(diào)整三路泡沫液注入管6，使三路泡沫液注入管6只對土倉3內(nèi)加入空氣不加入泡沫液與水，在盾構(gòu)掘進施工與所述刀盤轉(zhuǎn)動過程中，第四路泡沫液注入管6正常加入泡沫液進行刀盤潤滑。

本實施例中，步驟二中所施工隧道2為待施工地鐵隧道的一個隧道段，所施工隧道2位于所述待施工地鐵隧道的中部或前側(cè)；

如圖2和圖3所示，步驟二中對所施工隧道2進行盾構(gòu)掘進施工之前，先進行土倉注氣置換填充，過程如下：通過加氣管4向土倉3內(nèi)注入空氣，并通過所述螺旋出土機將土倉3內(nèi)的渣土7逐漸排出，直至土倉3內(nèi)渣土7的上表面比出土口5頂部高d；

土倉注氣置換填充過程中，對土倉3內(nèi)部壓力進行實時監(jiān)控，并保持土倉3內(nèi)部壓力穩(wěn)定。

其中，保持土倉3內(nèi)部壓力穩(wěn)定的目的是使土倉3內(nèi)氣壓同地層及地層內(nèi)水分形成平衡壓力，使土倉3內(nèi)部壓力能穩(wěn)固支撐盾構(gòu)機盾體外側(cè)的巖體。

土倉注氣置換填充過程中，所述土壓平衡盾構(gòu)機1處于停止掘進狀態(tài)，所述土壓平衡盾構(gòu)機1的刀盤和螺旋出土機均處于工作狀態(tài)。

實際進行土倉注氣置換填充時，當(dāng)大量空氣注入土倉3時，開始轉(zhuǎn)動刀盤，并啟動所述螺旋出土機向外出土，土壓平衡盾構(gòu)機1不向前掘進，采用空氣置換土倉3內(nèi)的渣土7，并保持倉壓穩(wěn)定。

本實施例中，進行土倉注氣置換填充時，通過加氣管4向土倉3內(nèi)注入空氣，并通過所述螺旋出土機將土倉3內(nèi)的渣土7逐漸排出，直至土倉3內(nèi)渣土7上表面降至出土口5頂部上方40cm處。

如圖4所示，步驟二中對所施工隧道2進行盾構(gòu)掘進施工之前，在土倉3的后側(cè)壁上安裝一個用于判斷土倉3內(nèi)渣土7的上表面高度的閥門，所述閥門與出土口5頂部的間距為d。

本實施例中，所述閥門為球閥10。

實際安裝時，所述閥門安裝在土倉3的后側(cè)壁外側(cè)。

本實施例中，所述球閥10安裝在出土口5頂部高出40cm的位置處。步驟二中進行盾構(gòu)掘進施工過程中，出土口5開始有空氣噴出時，通過球閥10能簡便、快速確定土倉3內(nèi)渣土7的上表面高度是否高出球閥10的安裝位置，當(dāng)土倉3內(nèi)渣土7的上表面高度高出球閥10的安裝位置時，停止掘進；否則，當(dāng)土倉3內(nèi)渣土7的上表面高度不高出球閥10的安裝位置時，恢復(fù)掘進。

本實施例中，步驟二中采用土壓平衡盾構(gòu)機1由后向前對所施工隧道2進行盾構(gòu)掘進施工時，過程如下：

步驟201、初步掘進：采用土壓平衡盾構(gòu)機1由后向前掘進一環(huán)或兩環(huán)，掘進過程中對土倉3內(nèi)渣土7的上表面高度進行同步監(jiān)測，并通過控制所述螺旋出土機使土倉3內(nèi)渣土7的上表面始終比出土口5頂部高d，同時對掘進過程中所述土壓平衡盾構(gòu)機1的刀盤扭矩進行記錄，此時所述土壓平衡盾構(gòu)機1的刀盤扭矩記作T；

步驟202、后續(xù)掘進：采用土壓平衡盾構(gòu)機1由后向前繼續(xù)對所施工隧道2進行盾構(gòu)掘進施工；盾構(gòu)掘進施工過程中，控制所述土壓平衡盾構(gòu)機1的刀盤扭矩始終為T即可。

本實施例中，步驟201中初步掘進過程中，通過調(diào)整土壓平衡盾構(gòu)機1的掘進參數(shù)主要指刀盤扭矩，反復(fù)通過球閥10確定土倉3內(nèi)渣土7的上表面是否高出球閥10的安裝位置，與此同時，記錄土壓平衡盾構(gòu)機1的掘進參數(shù)主要指刀盤扭矩；并利用該土壓平衡盾構(gòu)機1的掘進參數(shù)主要指刀盤扭矩繼續(xù)進行掘進。

本實施例中，還需對土壓平衡盾構(gòu)機1不推進過程中的刀盤扭矩與推進過程中的刀盤扭矩T分別進行記錄。

步驟202中后續(xù)掘進過程中，只需控制所述土壓平衡盾構(gòu)機1的刀盤扭矩始終為T，便能使土倉3內(nèi)渣土7的上表面與出土口5頂部的間距為d。

本實施例中，步驟三中進行盾構(gòu)管片拼裝施工時，步驟二中盾構(gòu)掘進施工完成一環(huán)后，均按照常規(guī)管片拼裝襯砌施工工藝進行盾構(gòu)管片拼裝施工，獲得拼裝成型的一個所述管片環(huán)8。

如圖5所示，步驟二中對所施工隧道2進行盾構(gòu)掘進施工時，包括以下步驟：

步驟2-1、前N環(huán)掘進；采用土壓平衡盾構(gòu)機1由后向前進行前N環(huán)掘進施工；其中，N為正整數(shù)且L為土壓平衡盾構(gòu)機1的盾構(gòu)機盾體的長度，D為管片環(huán)8的寬度，表示向上取整；

待完成前N環(huán)掘進施工后，所述盾構(gòu)機盾體與所施工隧道2的隧道洞之間的空隙內(nèi)被帶壓空氣9填充，起到氣壓止水作用；

步驟2-2、下一環(huán)掘進：采用土壓平衡盾構(gòu)機1由后向前進行下一環(huán)掘進施工；該環(huán)掘進施工完成后，脫出環(huán)與所述隧道洞之間的空隙內(nèi)被帶壓空氣9填充，并采用注漿系統(tǒng)對所述脫出環(huán)背后進行同步注漿，通過同步注漿的漿液對所述脫出環(huán)與所述隧道洞之間空隙內(nèi)的被帶壓空氣9進行置換，這樣無地下水對同步注漿漿液稀釋，保證了同步注漿漿液質(zhì)量；

所述脫出環(huán)為該環(huán)掘進施工完成時脫出土壓平衡盾構(gòu)機1盾尾的一個所述管片環(huán)8。

本實施例中，采用注漿系統(tǒng)對所述脫出環(huán)背后進行同步注漿后，在所述脫出環(huán)與所述隧道洞之間形成同步注漿層11。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何限制，凡是根據(jù)本發(fā)明技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu)變化，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍內(nèi)。