泥水/土压双模式盾构及其掘进模式转换方法与流程

本发明涉及盾构施工技术领域，具体涉及一种泥水/土压双模式盾构及其掘进模式转换方法。

背景技术：

采用盾构施工的隧道在盾构选型过程中，一般根据水文地质条件及周边环境因素平衡利弊来选择泥水平衡盾构或土压平衡盾构。

泥水平衡盾构的泥水仓内压力控制精确，面对周边环境复杂区域或水文地质条件差的隧道，施工安全和沉降控制上具有优势；其缺点是配套设备多，场地条件要求高，掘进成本较土压平衡盾构高。土压平衡盾构的土仓内压力控制精度稍差，面对水文地质条件好或周边环境沉降控制要求低的隧道，施工效率及成本具有优势，且配套设备少，场地条件要求低。

随着盾构隧道建设难度的增加，工程上出现了一种双模式盾构，这种盾构兼具泥水平衡盾构和土压平衡盾构的优势。如公开号为cn104879133a的中国专利文献记载了一种双模式盾构机，其能够进行土压平衡模式掘进和泥水平衡模式掘进。

采用双模式盾构施工过程中，需要进行掘进模式的转换，也就是将泥水平衡模式转换为土压平衡模式，或土压平衡模式转换为泥水平衡模式。转换过程中的关键点在于控制土仓内压力波动，维持掌子面稳定、控制上方土层沉降，以及减少喷涌或者堵管。

目前，未见在隧道施工过程中双模式盾构施工案例的相关报导，也没有相关对掘进模式转换做详细描述的文献，为此，有必要提供一种有利于稳定土仓压力、控制沉降和稳定掌子面的双模式盾构的模式转换方法。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种泥水/土压双模式盾构掘进模式转换方法，解决现有技术中盾构掘进模式转换过程中土仓压力不稳定的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的第一方面是：

设计一种泥水/土压双模式盾构掘进模式转换方法，包括

泥水模式转换为土压模式：

（1.1）当掘进里程达到泥水模式转换土压模式位置时停止掘进，土压模式的各配套设备准备到位；

（1.2）清洗土仓、气垫仓和旁通泥浆管路；

（1.3）关闭清洗完的旁通泥浆管路以及土仓、气垫仓之间的连通管，观察土仓和气垫仓压力变化，若土仓内压力在一段时间内相对稳定，可进行下一步；

（1.4）进行土仓堆渣：

（1.4.1）开启旁通泥浆管路,并打开螺旋机前闸门；

（1.4.2）盾构缓慢推进，土仓内渣土不断堆积；同时，开通土仓上部连通的进浆管，通过旁通泥浆管路将土仓中泥浆带出，并注意观察土仓压力，使盾构掘进速度与排浆速度相匹配，以稳定土仓压力；

（1.4.3）检测土仓内泥浆是否排完，若排完，则关闭进浆管和旁通泥浆管路，打开螺旋机后闸门，运行螺旋机、皮带机，盾构开始按照土压模式掘进；

或土压模式转换为泥水模式：

（2.1）当掘进里程达到土压模式转换泥水模式位置时停止掘进，泥水模式的各配套设备准备到位；

（2.2）排出土仓渣土：

（2.2.1）启动螺旋机，打开螺旋机后闸门，慢慢出土，土仓渣土下降过程中，通过进浆管向土仓加入泥浆，保证土仓压力稳定；

（2.2.2）在土仓内剩余渣土量约为预估量的1/3时，螺旋机停止转动，关闭螺旋机后闸门，转动刀盘使土仓内底部渣土与泥浆充分混合，关闭螺旋机前闸门，通过逆洗模式完成渣浆置换；

（2.3）根据土仓压力设置气垫仓内气压，盾构开始以泥水模式掘进。

优选的，在所述步骤（1.3）中，观察土仓内压力0.5-1.5小时，在观察时段内，土仓内压力增减幅度均不大于0.2bar，则进行下一步。

优选的，在所述步骤（1.4.3）中，打开螺旋机后闸门开始排渣时，在螺旋机预留的注入接口向螺旋机内注入惰性砂浆来缓解螺旋机的喷渣压力；而若螺旋机喷渣严重，则继续按照步骤（1.4.2）进行土仓堆渣，直到土仓内渣土适合土压模式掘进。

优选的，在所述步骤（1.4.3）中，各管路关闭后，通过进浆管、排浆管以及土仓连通管上预留的疏通支口向对应的管路中注入油脂进行填充。

优选的，在所述步骤（1.1）中，在掘进里程达到泥水模式转换土压模式位置之前，加大注浆量及盾尾油脂的注入量，并在盾尾后进行水泥-水玻璃浆液的补注，使壁后浆液填充密实形成封水环。

优选的，在所述步骤（2.1）中，停止掘进之前，向土仓内注入膨润土增强渣土的流动性，并在掌子面形成一层薄泥膜。

优选的，在所述步骤（2.2.1）中，螺旋机排渣过程中，在螺旋机预留的注入接口向螺旋机内注入惰性砂浆来缓解螺旋机的喷渣压力，并实时观察土仓内压力变化，确保土仓压内力增减幅度均不大于0.2bar。

优选的，所述泥水/土压双模式盾构的土仓下部和上部与气垫仓之间均设有连通管。

优选的，在泥水模式转换为土压模式或土压模式转换为泥水模式过程中，土仓内压力较掘进压力提高0.1-0.3bar。

优选的，当掘进或模式转换过程中遇到突发情况，向土仓内注入浓泥浆提高土仓压力，并形成泥膜稳定掌子面。

本发明的第二方面是：

设计一种本发明第一方面所述的泥水/土压双模式盾构掘进模式转换方法中所使用的泥水/土压双模式盾构。

本发明的主要有益技术效果在于：

1.本发明提供的泥水/土压双模式盾构掘进模式转换方法在泥水模式转换为土压模式中，关闭旁通泥浆管路、连通管后，观察土仓和气垫仓压力变化，然后判断能否进行转换，有利于确保转换过程土仓压力稳定；在逆流排浆过程中，通过排浆泵可控制泥浆排放速度，实现与盾构掘进速度相匹配，从而可主动维持土仓内压力稳定。

2.在土压模式转换为泥水模式中，先通过螺旋机排出一部分渣土，螺旋机排渣速度快，有利于提高转换效率；而预留1/3的渣土通过逆洗模式完成渣浆置换，可防止螺旋机排出剩余少量土渣时出现喷涌而造成土仓压力失稳。

3.泥水模式转换为土压模式中，各管路关闭后，通过对进浆管、排浆管以及土仓连通管注入油脂进行填充，可防止土压模式掘进过程中造成管路堵塞，确保下次泥水模式掘进可顺利进行。

4.在模式转换过程中，通过向螺旋机注入惰性砂浆可防止螺旋机喷渣，防止土仓压力波动。

5.在土压模式转换为泥水模式过程中，通过向土仓内注入膨润土增强渣土的流动性，方便接下来的模式转换过程中土仓的排渣，并且注入膨润土能够在掌子面形成一层薄泥膜，维护掌子面稳定，并防止或减少掌子面渗水。

6.该泥水/土压双模式盾构掘进方法在模式转换过程中，通过将土仓内压力较掘进压力提高0.1-0.3bar，也有利于维护土仓压力稳定。

附图说明

图1为本发明泥水/土压双模式盾构掘一实施例的结构示意图。

图2为本发明泥水/土压双模式盾构掘进模式转换方法一实施例中泥水模式转换为土压模式的流程图。

图3为本发明泥水/土压双模式盾构掘进模式转换方法一实施例中进行旁通模式泥水环流的示意图。

图4为本发明泥水/土压双模式盾构掘进模式转换方法一实施例中通过旁通模式泥水环流带出土仓中泥水的示意图。

图5为本发明泥水/土压双模式盾构掘进模式转换方法一实施例中土压模式转换为泥水模式的流程图。

图6为本发明泥水/土压双模式盾构掘进模式转换方法一实施例中向土仓中注入泥浆的示意图。

图7为本发明泥水/土压双模式盾构掘进模式转换方法一实施例中逆洗模式下的泥水环流示意图。

图8为采用本发明泥水/土压双模式盾构掘进模式转换方法进行施工的某工程实例的地形图。

图中，各标号示意为：刀盘11、土仓12、气垫仓13、管道系统2、进浆管21、进浆泵22、排浆泵23、排浆管24、阀门25、阀门26、旁通泥浆管路27、液位探测管28、反冲洗管291、反冲洗管292、螺旋机3、前闸门31、后闸门32、注入接口33、江左岸站台41、江水42、江右岸站台43、第一线路段44、第二线路段45、第三线路段46、第一转换点47、第二转换点48。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。

实施例1：

一种泥水/土压双模式盾构，请参阅图1和图3。

本发明实施例提供的泥水/土压双模式盾构配备土压和泥水两套掘进模式需求的所有系统，在模式转换时，不需要任何拆除和安装工作。

具体的，如图1和图3所示，盾构前端设有刀盘11，盾体内部设有土仓12和气垫仓13，还设有管道系统2和螺旋机3。管道系统2包括进浆管、排浆管、旁通管、反冲洗管等用于各种工作模式的管道以及进浆泵、排浆泵等，管道系统2可用于泥水模式掘进时泥浆环流，也可用于土压模式掘进时注入膨润土或泡沫剂，在泥水模式掘进时，土仓12作为泥水仓。螺旋机3是土压模式掘进使用，螺旋机3上设有前闸门31、后闸门32和注入接口33，注入接口33用于向螺旋机内注入膨润土、聚合物等改良物料。

另外，该泥水/土压双模式盾构的土仓12下部和上部与气垫仓13之间均设有连通管，并且连通管上设有液压闸阀，确保土仓12和气垫仓13既能够良好连通，又能够相互隔离。并且在土仓12和气垫仓13中均设有压力传感器，在气垫仓13中还设有液位传感器。

该盾构还配备有膨润土罐、泡沫罐、皮带机等渣车编组等用于土压模式掘进的配套设备，以及泥浆池、泥水分离设备、压滤设备、离心机、隧道内部中继泵等用于泥水模式掘进的配套设备。

实施例2：

一种泥水/土压双模式盾构掘进模式转换方法，请参阅图1至图7。

在本发明实施例提供的泥水/土压双模式盾构掘进模式转换方法中，根据施工路线上的水文地质条件及周边环境因素，平衡泥水模式掘进和土压模式掘进的利弊，选择合适的模式转换地点。

如图2所示，本发明实施例提供的泥水/土压双模式盾构掘进模式转换方法包括从泥水模式转换为土压模式的转换工艺，具体包括：

步骤s110、当掘进里程达到泥水模式转换土压模式位置时停止掘进，土压模式的各配套设备准备到位。

本步骤中，在掘进里程达到泥水模式转换土压模式位置之前，加大向土仓内的注浆量及盾尾油脂的注入量，并在盾尾后进行水泥-水玻璃浆液的补注，使掌子面壁后以及盾体所在隧道壁内侧浆液填充密实形成封水环。封水环有利于稳定掌子面和隧道壁面土体，并防止或减小出水量。

各配套设备的准备包括：膨润土罐内加入按照指标制好的膨润土备用，系统运转正常；泡沫罐内调整好泡沫，系统运转正常；皮带机调试运转正常；渣车编组准备到位；泡沫和膨润土管路要提前疏通完成，特别是到土仓和刀盘的管路要保证正常使用。

步骤s120、清洗土仓、气垫仓和旁通泥浆管路。

本步骤中，用低比重泥浆清洗土仓内部渣土，尽最大可能排出土仓内渣土，保证排浆管内将来无渣土沉淀。具体的，如图3所示，通过进浆泵22（p1.1）沿着进浆管21泵送低比重泥浆进入土仓12，并通过排浆泵23（p2.1）沿着排浆管24将土仓12内泥浆排出，进浆和排浆时，对应管路上的球阀f11、f30、f32、f38以及阀门25均打开。

土仓12内渣土清理完成后，通过气垫仓13仓内循环，清洗气垫仓13。此过程，结合图3所示，打开球阀f30、f3或f4，并打开球阀f38、f25和阀门26，其余阀门关闭，通过进浆泵22将低比重泥浆泵送到气垫仓13中，并通过排浆泵23将气垫仓13中的泥浆排出。

气垫仓13清洗完毕后，泥水环流切换至旁通模式以清洗旁通泥浆管路27和隧道内的部分进浆管及排浆管，旁通模式为泥水沿图3中箭头所指示的路线流通。待盾构机配套的泥水分离设备中的二级旋流器筛板无渣土排出，视为泥浆管路渣土全部排出，可停止旁通模式下的清洗作业，关闭旁通模式环流系统。对管路进行清洗的目的是在长期不用泥水模式掘进时，使得进奖管、排浆管内无渣土沉淀，为下次泥水模式掘进做准备。

步骤s130、关闭清洗完的旁通泥浆管路以及土仓、气垫仓之间的连通管，观察土仓和气垫仓压力变化，若土仓内压力在一段时间内相对稳定，可进行下一步。

本步骤中，结合图3所示，关闭气垫仓13内联通管上的液压闸阀v67和v68，保证气垫仓13和土仓12完全隔离，关闭气垫仓13的保压系统，观察土仓12和气垫仓13压力变化1小时，若土仓12中压力保持在p±0.2bar范围内，可进行下一步的土仓堆渣作业，这里的压力p是泥水模式下，土仓12内的压力。

对土仓12和气垫仓13压力变化进行观察，是为了观测模式转换所在位置的地质情况是否稳定，防止转换过程中土仓12压力失稳造成上方岩土沉降。若在观察时段内，土仓12内压力变化较大，则需要考虑改变模式转换位置或采取提高土仓内压力等方式来稳固盾构上方土质稳定。

步骤s140、进行土仓堆渣：

本步骤具体包括：

步骤s141、开启旁通泥浆管路,并打开螺旋机前闸门。

该步骤为堆渣前准备步骤，结合图3所示，打开球阀f30、f39、f38，开启图3中箭头所指示的旁通模式泥水循环。检查螺旋机3的后闸门32的密封情况，确定密封良好后，打开螺旋机3的前闸门31。

步骤s142、盾构缓慢推进，土仓内渣土不断堆积；同时，开通土仓上部连通的进浆管，通过旁通泥浆管路将土仓中泥浆带出，并注意观察土仓压力，使盾构掘进速度与排浆速度相匹配，以稳定土仓压力。

本步骤中，盾构按照0.9～1.0rpm/min的转速，缓慢推进，推进速度不超过15mm/min，螺旋机3的螺轴前端伸出到土仓12内，进行土仓堆渣。

渣土不断堆积过程中，为避免土仓12压力的升高，需排出土仓12中原有的泥浆，因此打开阀门25以及球阀f11，将进浆管21当做排浆管进行土仓排浆，利用预先开启的旁通模式环流将土仓12中的泥浆带出，此过程的环流模式详见图4中进浆管做排浆管示意图，图中的箭头路线为排浆路线。

在土仓堆渣过程中，实时注意观察土仓12压力，使盾构掘进速度与排浆速度相匹配，稳定土仓压力。

该步骤中，通过逆流排浆的方式，一边通过挖掘的土渣填充土仓，一边将泥浆从土仓12顶部排出，有利于保持土仓12内压力的稳定。并且，能够确保土仓12内的泥浆尽可能排完，防止后续土压模式掘进过程中土仓内部土渣不充实导致压力不稳。而通过排浆泵可控制泥浆排放速度，实现与盾构掘进速度相匹配，从而可主动维持土仓内压力稳定。

步骤s143、检测土仓内泥浆是否排完，若排完，则关闭进浆管和旁通泥浆管路，打开螺旋机后闸门，运行螺旋机、皮带机，盾构开始按照土压模式掘进。

参阅图4，该步骤中，随着盾构缓慢推进，土仓12中渣土堆积越来越高，当预估已经堆积的渣土量已经到达进浆管21所在高度时，打开上部液位探测管28，如果没有浆液流出，表示土仓12内基本堆满土渣，停止推进，关闭球阀f11，停止运行图4中环流系统，可准备进行土压模式掘进。

另外，在本步骤中，环流系统中的各管路关闭后，通过进浆管、排浆管以及土仓连通管上预留的疏通支口向对应的管路中注入油脂进行填充，减小土压模式下各管路堵塞的概率。

按照土压模式掘进时，当打开螺旋机3的后闸门32开始排渣时，由于刚模式置换完成，排出的渣土状态可能处于流塑状，会出现短暂的喷涌现象，因此可在螺旋机3预留的注入接口33向螺旋机3内注入惰性砂浆来缓解螺旋机3的喷渣压力；而若螺旋机3依然喷渣严重，则继续按照步骤s142进行土仓堆渣，直到土仓12内渣土不再从螺旋筋3喷渣，适合土压模式掘进为止。

运行配套的皮带机，开始按照土压模式缓慢出渣推进，待运转稳定后，即可进行正常推进。

如图5所示，本发明实施例提供的泥水/土压双模式盾构掘进模式转换方法还包括从土压模式转换为泥水模式的转换工艺，具体包括：

步骤s210、当掘进里程达到土压模式转换泥水模式位置时停止掘进，泥水模式的各配套设备准备到位。

准备工作包括：泥浆准备，泥浆池内部保证有满足泥水模式掘进指标所需的浆液，并能投入使用；设备准备，泥水模式掘进所需的泥水分离设备、压滤设备、离心机、隧道内部中继泵等配套设施均达到良好条件，隧道内泥浆管路连接良好，并畅通；通过泥浆正反循环疏通连通到土仓12内的进浆管和出浆管、以及土仓和气垫仓之间的连通管；检查气垫仓13内的液位传感器，并向气垫仓13内加水检查液位传感器的准确度。

该步骤中，盾构停止掘进之前，向土仓12内注入膨润土增强渣土的流动性，方便接下来的模式转换过程中土仓的排渣，并且注入膨润土能够在掌子面形成一层薄泥膜，维护掌子面稳定，并防止或减少掌子面渗水。

步骤s220、排出土仓渣土：

该步骤具体包括：

步骤s221、启动螺旋机，打开螺旋机后闸门，慢慢出土，土仓渣土下降过程中，通过进浆管向土仓加入泥浆，保证土仓压力稳定。

在该步骤中，螺旋机的后闸门32出土过程中，为防止喷涌可通过螺旋机的注入接口33注入惰性砂浆。排渣过程中，要特别注意观察土仓12压力变化，使土仓压力保持p±0.2bar，并通过调整进浆管向土仓加入的泥浆量，保证仓压稳定。这里的压力p是土压模式下，土仓12内的压力。

请参阅图6，打开球阀f30、f11和阀门25，并打开球阀f39、f38，使进浆管21和旁通泥浆管路27开通，按照图6中的箭头指示线路形成泥水环流系统，通过控制进浆泵p1.1和排浆泵p2.1的泵送量，调节向土仓12中注入泥浆的量。

步骤s222、在土仓内剩余渣土量约为预估量的1/3时，螺旋机停止转动，关闭螺旋机后闸门，转动刀盘使土仓内底部渣土与泥浆充分混合，关闭螺旋机前闸门，通过逆洗模式完成渣浆置换。

在该步骤中，根据刀盘11的扭矩及出渣量判断土仓内剩余渣土量，关闭螺旋机的后闸门32之后要检查后后闸门32的密封情况，防止后闸门32漏浆。

逆洗模式请参阅图7，在进浆管21和排浆管24之间还连通有反冲洗管291和反冲洗管292；打开球阀f31、f32，关闭球阀f30、f38，进浆泵p1.1将泥浆从排浆管24送入土仓12；打开阀门25、球阀f11、f37，排浆泵p2.1将泥浆从进浆管21排出，实现对土仓12内的逆洗。

若直接将土仓12内的土渣完全排出完毕，螺旋机会出现喷涌现象，从而会导致土仓压力失稳，而通过留存一部分土渣则会确保土仓12内压力稳定，再通过逆洗环流方式将余留的土渣排出，可将土仓内渣土全部清空。

步骤s230、根据土仓压力设置气垫仓内气压，盾构开始以泥水模式掘进。

在该步骤中，通过控制气垫仓的气压，来控制土仓内的泥水压力，维持泥水仓内压力稳定，盾构缓慢推进，直到正常状态下推进。

进一步的，在其他实施例中，在泥水模式转换为土压模式过程中，土仓内压力较泥水模式下的掘进压力提高0.1-0.3bar；在土压模式转换为泥水模式过程中，土仓内压力较土压模式下的掘进压力提高0.1-0.3bar。而当掘进或模式转换过程中遇到突发情况，可向土仓内迅速注入浓泥浆提高土仓压力，并形成泥膜稳定掌子面。上述措施有利于确保土仓内压力稳定。

工程实例：

请参阅图8，某城市的地铁过江隧道采用盾构施工，从江左岸站台41至江右岸站台43的隧道线路需要穿过江水42所在的河床底部。经过现场分析及地质测量，第一线路段44和第三线路段46上方具有许多老旧建筑物，需要精准控制上方岩土沉降，防止影响建筑物的安全，采用泥水平衡模式具有优势；第二线路段45为穿过河床的阶段，河床底部为全断面泥岩地层，泥岩相对稳定，采用泥水平衡模式效率低，而土压平衡模式效率高且能耗低。

因此，综合考虑，第一线路段44和第三线路段46采用泥水模式掘进，第二线路段45采用土压模式掘进。这样，在第一线路段44和第二线路段45之间的第一转换点47需要将泥水模式转换为土压模式，在第二线路段45和第三线路段46之间的第二转换点48需要将土压模式转换为泥水模式。另外，整个隧道线路所处的泥岩中存在裂隙，具有喷涌风险，在裂隙处需要应急转换为泥水平衡模式，保证安全。

每一个转换点需要位于全断面泥岩地层，顶部泥岩覆土不少于3m，泥岩相对稳定，有利于保证转换过程中土仓压力的稳定；且转换点上方地表无重要建筑物，防止模式转换造成地面建筑物产生风险。

该工程采用本发明实施例1中的泥水/土压双模式盾构掘进模式转换方法，顺利完成了第一线路段44和第二线路段45的掘进任务，效果如下：

（1）采用泥水模式的第一线路段44上方地表的老旧建筑群累计沉降最大-6mm，建筑物安全可控；（2）采用土压模式的第二线路段45单环掘进时间25-40min，单日最高前进25.5m，效率高；（3）该双模式盾构已经完成掘进模式转换13次，每一次转换时间为2-4小时，转换区域地表加强监测，监测数据正常，这表示双模式盾构能够实现安全高效转换；

可见，采用双模式盾构在该工程按照泥水/土压双模式盾构掘进模式转换方法施工，具有良好的适应性，且通过合理掘进模式选择，有效的满足了复杂多变地层及周边环境复杂区域的掘进要求。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。