一种隧道施工用盾构机换刀施工方法

专利名称：一种隧道施工用盾构机换刀施工方法
技术领域：
本发明属于隧道盾构施工技术领域，尤其是涉及一种隧道施工用盾构机换刀施工 方法。
背景技术：
盾构法是现代隧道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地层较为松散、掌子 面土体自稳能力差、刀盘正上方存在建构筑物等条件下，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，国内盾构机在掘进过程中所采用的换刀方式主要有以下四种第一、地层自稳能力好时，自然条件下的常压换刀；第二、地层保气能力好时，自然条件下的气压换刀；第三、地层自稳能力差，但有地面加固条件时，地层加固条件下的常压换刀；第四、地层保气能力差，但有地面加固条件时，地层加固条件下的气压换刀。综上，以上四种换刀技术都是基于相应的前提条件，但如若以上四种换刀方式的 前提条件都不能满足时，就无法对盾构机刀具进行更换。

发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种隧道施工 用盾构机换刀施工方法，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较为松散、掌子面土体自稳能力差、刀盘正上方存在建构 筑物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。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种隧道施工用盾构机换刀施 工方法，其特征在于该方法包括以下步骤步骤一、土仓置换填充采用螺旋出土机和与螺旋出土机同步工作的注浆系统进 行土仓置换填充，所述螺旋出土机安装在盾构机内的土仓侧壁下部，所述注浆系统安装在 土仓的侧壁上部，且所述土仓的侧壁上对应设置有供螺旋出土机和所述注浆系统安装的出 土口和注浆口 ；且进行土仓置换填充时，通过螺旋出土机将土仓内部的所有泥土由下至上 逐渐从土仓内排出，且在泥土由下至上逐渐从土仓内排出过程中，通过所述注浆系统由上 至下同步对泥土排出后的土仓内部空腔进行填充，直至将土仓内的所有泥土全部替换为 水泥砂浆，则完成由上至下将土仓内的泥土全部替换为水泥砂浆的土仓置换填充过程；土 仓置换填充过程中，对土仓内部压力进行实时监控，并将土仓内部压力控制在I^bar 3. Obar 之间；步骤二、机内超前注浆步骤一中土仓置换填充结束后，立即进行机内超前注浆过程；且进行机内超前注浆之前，先在盾构机中部和/或上部所布设的所有超前地质探孔中 选取多个超前地质探孔作为注浆孔，所选取的多个所述注浆孔沿圆周方向布设在盾构机中 上部的外侧壁上；之后，再采用电动锤击设备且自盾构机内部由内至外将多根注浆管分别 通过多个所述注浆孔打进盾构机上部的土体中，且所述注浆管打进盾构机上部土体中的深 度为細 6m ；随后，再采用注浆设备且通过打进盾构机上部土体中的多根注浆管，同步向 盾构机上部的土体内注入水泥浆直至不能再注入水泥浆为止，则完成机内超前注浆过程， 待注入盾构机上部土体内的水泥浆凝固后则完成对盾构机上部土体进行整体加固的加固 过程；且进行机内超前注浆过程中，将各注浆管的注浆压力均控制在0. 3Mpa 0. 4Mpa ；步骤三、清仓及同步换刀待步骤一中注入土仓内的水泥砂浆与步骤二中注入盾 构机上部土体内的水泥浆均凝固后，采用打凿工具对凝固在土仓内的水泥砂浆块进行人工 清理，且水泥砂浆块清理过程中，同步对安装在盾构机上的更换；水泥砂浆块清理过程中， 一边对凝固在土仓内的水泥砂浆块进行凿除，一边对凿出的刀具进行更换，且每凿出一把 刀具，立即对所凿出的该把刀具进行更换，直至将盾构机上需更换的所有刀具都更换完为 止，则完成盾构机的换刀过程；且每更换完一把刀具，需采用纱布对更换后刀具周侧的空隙 进行封堵；步骤四、盾构机脱困及恢复推进按照常规盾构机脱困方法，对步骤三中完成换刀 后的盾构机进行脱困；且盾构机脱困后，先采用增压设备在土仓内建立气压，并使得土仓内 所加气压能够支撑掌子面的土体，之后按照常规盾构机推进方法，对土仓内加压后的盾构 机进行推进。上述一种隧道施工用盾构机换刀施工方法，其特征是步骤一中所述的通过螺旋 出土机将土仓内部的所有泥土由下至上逐渐从土仓内排出过程中，螺旋出土机中螺旋的旋 转状态为正向旋转；且土仓置换填充过程完成后至步骤三中所述的清仓过程之前，每间隔 2h 池对螺旋出土机的螺旋进行反向旋转一次且每次反向旋转的时间为40s 80s，以确 保螺旋出土机的螺旋不被水泥砂浆的浆液固结。上述一种隧道施工用盾构机换刀施工方法，其特征是步骤一中所述的水泥砂浆 由水泥、膨润土、粉煤灰和细砂按照重量比为150士 10 120士8 180士 12 660士40的 比例均勻混合而成。上述一种隧道施工用盾构机换刀施工方法，其特征是步骤一中对土仓内部压力 进行实时监控时，根据盾构机当前施工位置处掌子面的实际水土压力大小，将土仓的内部 压力在1. 5bar 3. Obar范围内进行相应调整。上述一种隧道施工用盾构机换刀施工方法，其特征是步骤二中进行超前注浆过 程中，应分多次进行注浆并通过注浆口对步骤一中注入土仓内的水泥砂浆凝固状态进行同 步观察，且每一次注浆过程中应对各注浆管的注浆压力进行实时观测，当注浆管的注浆压 力上升时则停止注浆，待注浆管的注浆压力降至预设压力且稳定后再继续进行下一次注 浆；当步骤一中注入土仓内的水泥砂浆凝固时或当通过注浆管不能再向盾构机上部土体内 注入水泥浆时，便完成超前注浆过程；之后，通过所述注浆设备和注浆管向盾构机上部土体 中注入封孔浆液进行封孔，所述封孔浆液为由水泥浆和水玻璃按照1 0.5士0.05的重量 比均勻混合而成的混合浆液。上述一种隧道施工用盾构机换刀施工方法，其特征是步骤三中所述的对凝固在6土仓内的水泥砂浆块进行人工清理之前，应对步骤一中注入土仓内的水泥砂浆与步骤二中 注入盾构机上部土体内的水泥浆的凝固状态进行检查，且待检查确定步骤一中注入的水泥 砂浆与步骤二中注入的水泥浆均凝固后，再开始进行清仓；且清仓时，先打开盾构机上人闸 内的土仓门，并对土仓内的水泥砂浆凝固情况进行观察，且采用钢钎在土仓内的水泥砂浆 块上打多个孔后并观察有无喷涌现象，当无喷涌现象且掌子面情况稳定时，直接对土仓内 的水泥砂浆块进行人工清理。上述一种隧道施工用盾构机换刀施工方法，其特征是步骤三中对凝固在土仓内 的水泥砂浆块进行人工清理时，清理顺序是先对土仓内上半部分的水泥砂浆块进行清理， 再对土仓内下半部分的水泥砂浆块进行清理；且对土仓内上半部分或下半部分的水泥砂浆 块进行清理时，均先对土仓内左半部分的水泥砂浆块进行清理，再对土仓内后半部分的水 泥砂浆块进行清理。上述一种隧道施工用盾构机换刀施工方法，其特征是步骤四中所述的对完成换 刀后的盾构机进行脱困过程中，在盾构机的中盾和盾尾之间连接一个防止盾尾铰接压力过 大导致铰接油缸断裂的加强装置。上述一种隧道施工用盾构机换刀施工方法，其特征是步骤一中土仓置换填充结 束后，在盾构机的刀盘开口处和切口环处形成一层水泥砂浆薄膜；步骤三中进行清仓时，保 留盾构机的刀盘开口和切口环处的水泥砂浆薄膜，且确保不扰动盾构机的刀盘开口和切口 环处的水泥砂浆薄膜，当人工清理过程中对所述水泥砂浆薄膜进行部分凿除时，则立即用 快硬水泥进行封堵。上述一种隧道施工用盾构机换刀施工方法，其特征是步骤一中所述注浆口与所 述注浆系统之间通过注浆管道进行连接，且所述注浆口上安装有对所述注浆管道进行通断 控制的球阀；步骤三中所述的采用打凿工具对凝固在土仓内的水泥砂浆块进行人工清理过 程中，清理至球阀安装位置处时，先采用打凿清理设备将所述球阀周围的水泥砂浆块清理 干净，再将抽风机接到所述球阀的外侧并通过所述球阀向土仓内通风。本发明与现有技术相比具有以下优点1、施工方便且换刀方法步骤简单，实现方便。2、设计合理，实际换刀过程主要包括土仓置换填充、机内超前注浆、清仓及同步换 刀和盾构机脱困及恢复推进四个步骤。其中，土仓置换填充过程是将土仓内的泥土置换为 水泥砂浆，其主要有两个方面的作用一是通过土仓置换填充使盾构机的刀盘开口处和切 口环处形成一层水泥砂浆薄膜，且换刀过程中对置换后的土仓对掌子面土体产生一定的支 撑作用；二是在清仓过程中保证了土仓内部结构相对稳定，为清仓人员提供了清仓的时间 和空间，保证清仓人员的安全。机内超前注浆过程中通过盾构机内部的超前地质探孔向刀 盘上方的土体进行注浆，投资成本低且实现方便，能有效加固盾构机的刀盘与切口环正上 方的土体，以增强刀盘上方土体的稳定性。清仓过程是对土仓内的水泥砂浆进行人工清理， 清理过程中同时进行刀具更换。3、换刀效率高且不影响施工工期，且换刀过程中的安全系数非常高，能够有效保 证换刀施工过程快速、有效进行。4、实用价值高且使用效果好，能有效解决盾构机停机位置地层较为松散、掌子面 土体自稳能力差、刀盘正上方存在建构筑物等条件下，现有目前国内常用的几种换刀方式无法进行换刀的实际问题，并且本发明进行换刀时无需任何前提条件，因而解决了现有盾 构换刀方式无对应换刀条件时的盾构机刀具更换难题。5、适用面广，能有效适用至所有基于土压平衡的盾构机换刀施工中。综上所述，本发明设计合理、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较为松散、掌子面土体自稳能力差、刀盘正上方存在建构 筑物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。下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。


图1为本发明对盾构机进行换刀的方法流程框图。图2为本发明进行土仓置换填充时的状态参考图。图3为本发明进行机内超前注浆时的状态参考图。图4为图3的A-A剖视图。图5为本发明对凝固在土仓内的水泥砂浆块进行人工清理的清理顺序示意图。附图标记说明1- 土仓；2-螺旋出土机；3-泥土 ；4-水泥砂浆； 5-注浆口 ； 6-盾构机；7-超前地质探孔；8-注浆管； 9-螺旋出土口。
具体实施例方式如图1所示的一种适用于盾构机停机位置地层较为松散、掌子面土体自稳能力 差、刀盘正上方存在建构筑物等条件下，盾构机无法采用目前国内常用的四种方式(详见 背景技术部分所记载的内容)进行换刀时的隧道施工用盾构机换刀施工方法，其特征在于 该方法包括以下步骤步骤一、土仓置换填充采用螺旋出土机2和与螺旋出土机2同步工作的注浆系统 进行土仓置换填充，所述螺旋出土机2安装在盾构机6内的土仓1侧壁下部，所述注浆系统 安装在土仓1的侧壁上部，且所述土仓1的侧壁上对应设置有供螺旋出土机2和所述注浆 系统安装的出土口和注浆口 5 ；且进行土仓置换填充时，通过螺旋出土机2将土仓1内部的 所有泥土 3由下至上逐渐从土仓1内排出，且在泥土 3由下至上逐渐从土仓1内排出过程 中，通过所述注浆系统由上至下同步对泥土3排出后的土仓1内部空腔进行填充，直至将土 仓1内的所有泥土 3全部替换为水泥砂浆4，则完成由上至下将土仓1内的泥土全部替换为 水泥砂浆4的土仓置换填充过程；土仓置换填充过程中，对土仓1内部压力进行实时监控， 并将土仓1内部压力控制在1. 5bar 3. Obar之间，其土仓置换填充过程的状态示意图详 见图2。实际施工中，所述水泥砂浆4由水泥、膨润土、粉煤灰和细砂按照重量比为 150士 10 120士8 180士 12 660士40的比例均勻混合而成。本实施例中，所述水泥砂 浆4由水泥、膨润土、粉煤灰和细砂按照重量比为150 120 180 660的比例均勻混合 而成。实际施工过程中，应根据实际具体情况，对水泥砂浆4中水泥、膨润土、粉煤灰和细砂 的比例进行相应调整。
实际施工过程中，对土仓1内部压力进行实时监控时，根据盾构机6当前施工位置 处掌子面的实际水土压力大小，将土仓1的内部压力在1. 5bar 3. Obar范围内进行相应 调整，使得土仓1的内部压力大小与当前施工位置处掌子面的实际水土压力大小一致。本 实施例中，所述注浆口 5与所述注浆系统之间通过注浆管道进行连接，且所述注浆口 5上安 装有对所述注浆管道进行通断控制的球阀。实际操作过程中，通过控制所述球阀且利用所述注浆系统同步对土仓1的泥土进 行置换填充，使土仓1内的泥土全部置换为水泥砂浆4。所述水泥砂浆4的配合比为水 泥膨润土 粉煤灰砂=150kg 120kg 180kg 660kg，注浆量约30m3，置换填充过 程中注意观察螺旋出土机2后部螺旋出土口 9的出土情况，确保土仓1内绝大部分的泥土 被置换出来。置换填充过程中控制土仓1的内部压力在1. 5bar 3. Obar之间，避免压力 过小或过大，土仓1内部压力的大小根据实际掌子面水土压力进行确定，压力过小会造成 地面沉降，压力过大会对主轴承密封造成损坏。综上，土仓置换填充过程是将土仓1内的泥土 3置换为水泥砂浆4，其主要有两个 方面的作用一是通过土仓置换填充使盾构机6的刀盘开口处和切口环处形成一层水泥砂 浆薄膜，且换刀过程中对置换后的土仓1对掌子面土体产生一定的支撑作用；二是在清仓 过程中保证了土仓内部结构相对稳定，为清仓人员提供了清仓的时间和空间，保证清仓人 员的安全。步骤二、机内超前注浆步骤一中土仓置换填充结束后，立即进行机内超前注浆过 程；且进行机内超前注浆之前，先在盾构机6中部和/或上部所布设的所有超前地质探孔7 中选取多个超前地质探孔7作为注浆孔，所选取的多个所述注浆孔沿圆周方向布设在盾构 机6中上部的外侧壁上；之后，再采用电动锤击设备且自盾构机6内部由内至外将多根注浆 管8分别通过多个所述注浆孔打进盾构机6上部的土体中，且所述注浆管8打进盾构机6 上部土体中的深度为細 6m ；随后，再采用注浆设备且通过打进盾构机6上部土体中的多 根注浆管8，同步向盾构机6上部的土体内注入水泥浆直至不能再注入水泥浆为止，则完成 机内超前注浆过程，待注入盾构机6上部土体内的水泥浆凝固后则完成对盾构机6上部土 体进行整体加固的加固过程；且进行机内超前注浆过程中，将各注浆管8的注浆压力均控 制在0. 3Mpa 0. 4Mpa，其机内超前注浆过程的状态示意图详见图3和图4。实际进行超前注浆过程中，应分多次进行注浆并通过注浆口 5对步骤一中注入土 仓1内的水泥砂浆凝固状态进行同步观察，且每一次注浆过程中应对各注浆管8的注浆压 力进行实时观测，当注浆管8的注浆压力上升时则停止注浆，且待注浆管8的注浆压力降至 预设压力且稳定后再继续进行下一次注浆；当步骤一中注入土仓1内的水泥砂浆凝固时或 当通过注浆管8不能再向盾构机6上部土体内注入水泥浆时，便完成超前注浆过程；之后， 通过所述注浆设备和注浆管8向盾构机6上部土体中注入封孔浆液进行封孔，所述封孔浆 液为由水泥浆和水玻璃按照1 0.5士0.05的重量比均勻混合而成的混合浆液。本实施例中，所述封孔浆液为由水泥浆和水玻璃按照1 0.5的重量比均勻混合 而成的混合浆液，实际施工过程中，应根据实际需要对封孔浆液中水泥浆和水玻璃的重量 比进行相应调整。实际施工过程时，进行超前注浆过程中，为防止所述注浆设备的注浆压力过大，应 同步对土仓1内部压力和盾构机6当前施工地段的地面沉降情况进行实时监控且根据监控9结果对所述注浆设备的注浆压力进行相应调整，确保将土仓1内部压力维持在1. 5bar 3. Obar之间且控制盾构机6当前施工地段的地面不会发生沉降情况。另外，步骤二中所述 的通过注浆管8不能再向盾构机6上部土体内注入水泥浆时为多次注浆结束后且注浆管8 的注浆压力始终处于上升状态，之后再持续注浆20min 30min后的停止注浆时刻。本实施例中，所述注浆管8为钢花管，且所述钢花管的外径 与超前地质探孔7的孔 径相同。综上，实际进行机内超前注浆时，选择盾构机6中部以上的超前地质探孔7进行超 前注浆，首先将超前注浆用的注浆管8通过超前地质探孔7打入盾构机6上方的土体内，再 进行注浆。超前注浆用的注浆管8采用钢花管，浆液采用水泥浆(即单液浆)，注浆压力控 制在0. 3Mpa 0. 4Mpa，压力稳定后持续进行注浆，直至压力上升后，再注20min 30min， 然后注入由水泥和水玻璃组成的双液浆(所述封孔浆液)进行封孔。注浆过程中注意观察 土仓1上所安装压力表的读数和地面沉降情况，防止注浆压力过大造成不必要的损失，注 浆量根据注浆过程中对土仓1侧壁所开注浆口 5上所安装球阀的检查情况以及注浆压力的 变化情况而定。综上，步骤二中进行机内超前注浆是通过盾构机6内部的超前地质探孔7向刀盘 上方的土体进行注浆，其目的是加固盾构机6的刀盘与切口环正上方的土体，以增强刀盘 上方土体的稳定性。步骤三、清仓及同步换刀待步骤一中注入土仓1内的水泥砂浆与步骤二中注入 盾构机6上部土体内的水泥浆均凝固后，采用打凿工具对凝固在土仓1内的水泥砂浆块进 行人工清理，且水泥砂浆块清理过程中，同步对安装在盾构机6上的更换；水泥砂浆块清理 过程中，一边对凝固在土仓1内的水泥砂浆块进行凿除，一边对凿出的刀具进行更换，且每 凿出一把刀具，立即对所凿出的该把刀具进行更换，直至将盾构机6上需更换的所有刀具 都更换完为止，则完成盾构机6的换刀过程；且每更换完一把刀具，需采用纱布对更换后刀 具周侧的空隙进行封堵。实际使用过程中，步骤一中通过螺旋出土机2将土仓1内部的所有泥土 3由下至 上逐渐从土仓1内排出过程中，螺旋出土机2中螺旋的旋转状态为正向旋转；且土仓置换填 充过程完成后至步骤三中所述的清仓过程之前，每间隔池 : 对螺旋出土机2的螺旋进 行反向旋转一次且每次反向旋转的时间为40s 80s，以确保螺旋出土机2的螺旋不被水泥 砂浆4的浆液固结。也就是说，自步骤一中所述的土仓置换填充过程完成后至步骤三中所述的清仓之 前，整个施工过程中均需每间隔池 : 对螺旋出土机2的旋转方向进行间隔性反向旋转 一次，即间隔性反转螺旋，以确保螺旋出土机2的螺旋不被水泥砂浆4的浆液固结，一般而 言，土仓置换填充过程完成后的M小时内均应进行间隔性反转螺旋。对凝固在土仓1内的水泥砂浆块进行人工清理之前，应对步骤一中注入土仓1内 的水泥砂浆与步骤二中注入盾构机6上部土体内的水泥浆的凝固状态进行检查，且待检查 确定步骤一中注入的水泥砂浆与步骤二中注入的水泥浆均凝固后，再开始进行清仓；且清 仓时，先打开盾构机6上人闸内的土仓门，并对土仓1内的水泥砂浆凝固情况进行观察，且 采用钢钎在土仓1内的水泥砂浆块上打多个孔后并观察有无喷涌现象，当无喷涌现象且掌 子面情况稳定时，直接对土仓1内的水泥砂浆块进行人工清理。本实施例中，步骤三中对凝固在土仓1内的水泥砂浆块进行人工清理时，清理顺序是先对土仓1内上半部分的水泥砂 浆块进行清理，再对土仓1内下半部分的水泥砂浆块进行清理；且对土仓1内上半部分或下 半部分的水泥砂浆块进行清理时，均先对土仓1内左半部分的水泥砂浆块进行清理，再对 土仓1内后半部分的水泥砂浆块进行清理。实际进行人工清理的顺序详见图5，先对序号为 ①的土仓1内左上部分水泥砂浆块进行清理，再对序号为②的土仓1内右上部分水泥砂浆 块进行清理，随后再对序号为③的土仓1内左下部分水泥砂浆块进行清理，最后再对序号 为④的土仓1内右下部分水泥砂浆块进行清理。另外。采用打凿工具对凝固在土仓1内的 水泥砂浆块进行人工清理过程中，一边清理水泥砂浆块，一边采用快硬水泥对掌子面薄弱 点进行封堵，保证掌子面稳定；且清理过程中当土仓1底部有水渗出时，则立即用水泵进行 抽水。本实施例中，步骤一中土仓置换填充结束后，在盾构机6的刀盘开口处和切口环 处形成一层水泥砂浆薄膜。步骤三中进行清仓时，保留盾构机6的刀盘开口和切口环处的 水泥砂浆薄膜，且确保不扰动盾构机6的刀盘开口和切口环处的水泥砂浆薄膜，当人工清 理过程中对所述水泥砂浆薄膜进行部分凿除时，则立即用快硬水泥进行封堵。实际施工时， 采用打凿工具对凝固在土仓1内的水泥砂浆块进行人工清理过程中，清理至球阀安装位置 处时，先采用打凿清理设备将所述球阀周围的水泥砂浆块清理干净，再将抽风机接到所述 球阀的外侧并通过所述球阀向土仓1内通风。综上，步骤三中清仓前首先通过注浆口 5上所安装的球阀对土仓置换填充和机内 超前注浆的效果进行检查。检查完成后即开始清仓，首先打开人间内的土仓门，观察仓内土 体情况，用钢钎打孔若干后，观察有无喷涌现象。若无喷涌现象且掌子面情况稳定，则直接 对土仓1内的土体进行人工清理。本实施例中，所采用的打凿清理设备为扬镐、铁锹、编织 袋、皮带机和渣土车，实际进行清理时，先采用扬镐、铁锹进行凿除，再采用编织袋装土，之 后人工送上皮带机，再由皮带机送往渣土车。清仓过程中，保留刀盘开口及切口环处水泥， 尽量不扰动刀盘开口和切口环处的土体。如凿除过程中部分地方过凿，立即用快硬水泥封 堵。在清理到布设在土仓1侧壁上9点位的球阀时，将球阀周围的土体清理干净，将抽风机 接到球阀的外侧，进行土仓1内的通风。实际清理过程中应根据实际具体情况，一边清理， 一边对掌子面薄弱点进行封堵，保证掌子面稳定。在清仓过程中如果底部有水渗出，则及时 用水泵抽水。同时，在清仓过程中，一边凿除一边对刀具进行拆除和更换，凿出一把，更换一把。 对于难以安装的刀具，先拆除，待土仓清理完成后转动刀盘再进行更换。每更换一把刀具 要对周围的空隙进行纱布封堵。另外，还需对刀具进行检查，每检查一把刀具，根据刀具磨 损情况，要对刀盘整个情况由有经验的施工组进行分析。该项工作由总工负责组织，盾构队 长、盾构司机、技术人员参与分析，及时判断其他刀具情况及下一步采取的措施。综上，清仓过程是对土仓1内的水泥砂浆进行人工清理，清理过程中同时进行刀 具更换。步骤四、盾构机脱困及恢复推进按照常规盾构机脱困方法，对步骤三中完成换刀 后的盾构机6进行脱困；且盾构机6脱困后，先采用增压设备在土仓1内建立气压，并使得 土仓1内所加气压能够支撑掌子面的土体，之后按照常规盾构机推进方法，对土仓1内加压 后的盾构机6进行推进。
实际施工过程中，对完成换刀后的盾构机6进行脱困过程中，在盾构机6的中盾和 盾尾之间连接一个防止盾尾铰接压力过大导致铰接油缸断裂的加强装置。本实施例中，所 述加强装置为连接钢板，且所述连接钢板焊接固定在中盾和盾尾之间。综上，为防止盾尾铰 接压力过大导致铰接油缸断裂，在脱困过程中，在中盾和盾尾之间加焊连接钢板。另外，恢复推进前由于土仓1为空仓状态，土仓1无法在较短的时间内建立起来。 为防止地面沉降，恢复推进前，首先将土仓1内建立能够支撑掌子面土体的气压，再进行推 进。以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明 技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技 术方案的保护范围内。
权利要求
1.一种隧道施工用盾构机换刀施工方法，其特征在于该方法包括以下步骤步骤一、土仓置换填充采用螺旋出土机(2)和与螺旋出土机(2)同步工作的注浆系统 进行土仓置换填充，所述螺旋出土机(2)安装在盾构机(6)内的土仓(1)侧壁下部，所述注 浆系统安装在土仓(1)的侧壁上部，且所述土仓(1)的侧壁上对应设置有供螺旋出土机(2) 和所述注浆系统安装的出土口和注浆口(5)；且进行土仓置换填充时，通过螺旋出土机(2) 将土仓⑴内部的所有泥土⑶由下至上逐渐从土仓⑴内排出，且在泥土⑶由下至上 逐渐从土仓(1)内排出过程中，通过所述注浆系统由上至下同步对泥土⑶排出后的土仓 (1)内部空腔进行填充，直至将土仓(1)内的所有泥土(3)全部替换为水泥砂浆(4)，则完 成由上至下将土仓(1)内的泥土全部替换为水泥砂浆(4)的土仓置换填充过程；土仓置换 填充过程中，对土仓(1)内部压力进行实时监控，并将土仓(1)内部压力控制在1.5bar 3. Obar 之间；步骤二、机内超前注浆步骤一中土仓置换填充结束后，立即进行机内超前注浆过程； 且进行机内超前注浆之前，先在盾构机(6)中部和/或上部所布设的所有超前地质探孔(7) 中选取多个超前地质探孔(7)作为注浆孔，所选取的多个所述注浆孔沿圆周方向布设在盾 构机(6)中上部的外侧壁上；之后，再采用电动锤击设备且自盾构机(6)内部由内至外将多 根注浆管(8)分别通过多个所述注浆孔打进盾构机(6)上部的土体中，且所述注浆管(8) 打进盾构机(6)上部土体中的深度为4m 6m;随后，再采用注浆设备且通过打进盾构机 (6)上部土体中的多根注浆管(8)，同步向盾构机(6)上部的土体内注入水泥浆直至不能再 注入水泥浆为止，则完成机内超前注浆过程，待注入盾构机(6)上部土体内的水泥浆凝固 后则完成对盾构机(6)上部土体进行整体加固的加固过程；且进行机内超前注浆过程中， 将各注浆管(8)的注浆压力均控制在0. 3Mpa 0. 4Mpa ；步骤三、清仓及同步换刀待步骤一中注入土仓(1)内的水泥砂浆与步骤二中注入盾 构机(6)上部土体内的水泥浆均凝固后，采用打凿工具对凝固在土仓(1)内的水泥砂浆块 进行人工清理，且水泥砂浆块清理过程中，同步对安装在盾构机(6)上的更换；水泥砂浆块 清理过程中，一边对凝固在土仓(1)内的水泥砂浆块进行凿除，一边对凿出的刀具进行更 换，且每凿出一把刀具，立即对所凿出的该把刀具进行更换，直至将盾构机(6)上需更换的 所有刀具都更换完为止，则完成盾构机(6)的换刀过程；且每更换完一把刀具，需采用纱布 对更换后刀具周侧的空隙进行封堵；步骤四、盾构机脱困及恢复推进按照常规盾构机脱困方法，对步骤三中完成换刀后的 盾构机(6)进行脱困；且盾构机(6)脱困后，先采用增压设备在土仓(1)内建立气压，并使 得土仓(1)内所加气压能够支撑掌子面的土体，之后按照常规盾构机推进方法，对土仓(1) 内加压后的盾构机(6)进行推进。
2.按照权利要求1所述的一种隧道施工用盾构机换刀施工方法，其特征在于步骤一 中所述的通过螺旋出土机⑵将土仓⑴内部的所有泥土⑶由下至上逐渐从土仓⑴内 排出过程中，螺旋出土机(2)中螺旋的旋转状态为正向旋转；且土仓置换填充过程完成后 至步骤三中所述的清仓过程之前，每间隔2h 3h对螺旋出土机(2)的螺旋进行反向旋转 一次且每次反向旋转的时间为40s 80s，以确保螺旋出土机(2)的螺旋不被水泥砂浆(4) 的浆液固结。
3.按照权利要求1或2所述的一种隧道施工用盾构机换刀施工方法，其特征在于步骤一中所述的水泥砂浆⑷由水泥、膨润土、粉煤灰和细砂按照重量比为 150士 10 120士8 180士 12 660士40的比例均勻混合而成。
4.按照权利要求1或2所述的一种隧道施工用盾构机换刀施工方法，其特征在于步 骤一中对土仓(1)内部压力进行实时监控时，根据盾构机(6)当前施工位置处掌子面的实 际水土压力大小，将土仓(1)的内部压力在1. 5bar 3. Obar范围内进行相应调整。
5.按照权利要求1或2所述的一种隧道施工用盾构机换刀施工方法，其特征在于步 骤二中进行超前注浆过程中，应分多次进行注浆并通过注浆口( 对步骤一中注入土仓 (1)内的水泥砂浆凝固状态进行同步观察，且每一次注浆过程中应对各注浆管(8)的注浆 压力进行实时观测，当注浆管(8)的注浆压力上升时则停止注浆，待注浆管(8)的注浆压力 降至预设压力且稳定后再继续进行下一次注浆；当步骤一中注入土仓(1)内的水泥砂浆凝 固时或当通过注浆管(8)不能再向盾构机(6)上部土体内注入水泥浆时，便完成超前注浆 过程；之后，通过所述注浆设备和注浆管(8)向盾构机(6)上部土体中注入封孔浆液进行封 孔，所述封孔浆液为由水泥浆和水玻璃按照1 0.5士0.05的重量比均勻混合而成的混合 浆液。
6.按照权利要求1或2所述的一种隧道施工用盾构机换刀施工方法，其特征在于步 骤三中所述的对凝固在土仓(1)内的水泥砂浆块进行人工清理之前，应对步骤一中注入土 仓(1)内的水泥砂浆与步骤二中注入盾构机(6)上部土体内的水泥浆的凝固状态进行检 查，且待检查确定步骤一中注入的水泥砂浆与步骤二中注入的水泥浆均凝固后，再开始进 行清仓；且清仓时，先打开盾构机(6)上人闸内的土仓门，并对土仓(1)内的水泥砂浆凝 固情况进行观察，且采用钢钎在土仓(1)内的水泥砂浆块上打多个孔后并观察有无喷涌现 象，当无喷涌现象且掌子面情况稳定时，直接对土仓(1)内的水泥砂浆块进行人工清理。
7.按照权利要求1或2所述的一种隧道施工用盾构机换刀施工方法，其特征在于步 骤三中对凝固在土仓(1)内的水泥砂浆块进行人工清理时，清理顺序是先对土仓(1)内上 半部分的水泥砂浆块进行清理，再对土仓(1)内下半部分的水泥砂浆块进行清理；且对土 仓(1)内上半部分或下半部分的水泥砂浆块进行清理时，均先对土仓(1)内左半部分的水 泥砂浆块进行清理，再对土仓(1)内后半部分的水泥砂浆块进行清理。
8.按照权利要求1或2所述的一种隧道施工用盾构机换刀施工方法，其特征在于步 骤四中所述的对完成换刀后的盾构机(6)进行脱困过程中，在盾构机(6)的中盾和盾尾之 间连接一个防止盾尾铰接压力过大导致铰接油缸断裂的加强装置。
9.按照权利要求1或2所述的一种隧道施工用盾构机换刀施工方法，其特征在于步 骤一中土仓置换填充结束后，在盾构机(6)的刀盘开口处和切口环处形成一层水泥砂浆薄 膜；步骤三中进行清仓时，保留盾构机(6)的刀盘开口和切口环处的水泥砂浆薄膜，且确保 不扰动盾构机(6)的刀盘开口和切口环处的水泥砂浆薄膜，当人工清理过程中对所述水泥 砂浆薄膜进行部分凿除时，则立即用快硬水泥进行封堵。
10.按照权利要求1或2所述的一种隧道施工用盾构机换刀施工方法，其特征在于步 骤一中所述注浆口( 与所述注浆系统之间通过注浆管道进行连接，且所述注浆口(5)上 安装有对所述注浆管道进行通断控制的球阀；步骤三中所述的采用打凿工具对凝固在土仓 (1)内的水泥砂浆块进行人工清理过程中，清理至球阀安装位置处时，先采用打凿清理设备 将所述球阀周围的水泥砂浆块清理干净，再将抽风机接到所述球阀的外侧并通过所述球阀向土仓(1) 内通风。
全文摘要
本发明公开了一种隧道施工用盾构机换刀施工方法，包括步骤一、土仓置换填充采用螺旋出土机和与螺旋出土机同步工作的注浆系统进行土仓置换填充；二、机内超前注浆自盾构机内部由内至外将多根注浆管分别通过多个超前地质探孔打进盾构机上部的土体中，再采用注浆设备且通过多根注浆管同步向盾构机上部土体内注入水泥浆直至不能再注入水泥浆为止；三、清仓及同步换刀对凝固在土仓内的水泥砂浆块进行人工清理，水泥砂浆块清理过程中同步对安装在盾构机上的刀具进行更换；四、盾构机脱困及恢复推进。本发明设计合理、操作简便、成本低且安全系数高、使用效果好，能解决换刀条件较为恶劣情况下，现有换刀方式无法进行换刀的实际问题。
文档编号E21D9/08GK102052079SQ201010554969
公开日2011年5月11日 申请日期2010年11月19日 优先权日2010年11月19日
发明者周斌, 罗文亮, 许建飞, 赫学林 申请人:中铁一局集团有限公司