用于盾构施工中的渣土改良系统及其施工方法与流程

本发明涉及盾构施工技术领域，具体来说涉及一种用于盾构施工中的渣土改良系统及其施工方法。

背景技术：

随着城市的不断发展，城市轨道交通建设过程中出现了越来越多的盾构机施工隧道的案例，但盾构机施工隧道的过程中由于地下水含量丰富，整个盾构机掘进过程中处于丰富的地下水中，极易发生故障；同时地表各种雨水管线、暗涵、降雨等会对地层提供极为丰富的地下水补给，盾构机依靠自身的动力进行“渣土改良”，在自身动力过大的情况下，极易损坏盾构机自身薄弱处的构配件，如铰接油缸、铰接密封等等，且渣土改良时间长，对地层及周边环境影响较大，施工工程中极易造成地层及周边建筑物沉降，从而造成安全事故。

技术实现要素：

鉴于上述情况，本发明提供一种用于盾构施工中的渣土改良系统，解决了传统的盾构机于富水地层中掘进困难、且极易造成地层塌陷的技术问题，方便了盾构施工中进行富水地层的渣土改造，达到顺利的进行盾构施工的目的。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种用于盾构施工中的渣土改良系统，盾构机从始发井向待施工的土体掘进以形成隧洞，包括：

设置于所述始发井的膨润土池，所述膨润土池中添加有膨润土浆液；

一端与所述膨润土池相连通且另一端连通至所述盾构机的刀盘处的第一管道，所述膨润土浆液通过所述第一管道运输至所述盾构机的刀盘处并进入隧洞的开挖面，以吸附所述开挖面的水分，从而提高所述开挖面土质的塑性；以及

安装于所述第一管道的离心泵。

本发明用于盾构施工中的渣土改良系统的进一步改进在于，已开挖的隧洞的侧壁贴有若干管片，且所述管片上开设有径向孔；所述渣土改良系统还包括设置于所述隧洞且盛放有克泥效浆液的克泥效容器、一端与所述克泥效容器相连通且另一端连通至所述径向孔的第二管道以及安装于所述第二管道的克泥效泵，克泥效浆液经所述第二管道输送到所述管片的外侧土体中，以吸附土体中的水分，从而提高土体的塑性。

本发明用于盾构施工中的渣土改良系统的进一步改进在于，还包括设置于所述隧洞且盛放有水玻璃浆液的水玻璃容器、一端与所述水玻璃容器相连通且另一端连通至所述盾构机的刀盘处的第三管道以及安装于所述第三管道的水玻璃泵；所述水玻璃容器的水玻璃浆液经所述第三管道输送到所述盾构机的刀盘处并进入隧洞的开挖面，以吸附所述开挖面的水分，从而提高所述开挖面土质的塑性。

本发明用于盾构施工中的渣土改良系统的进一步改进在于，还包括由地面延伸至待施工的隧洞处的若干袖阀管，所述袖阀管的管身间隔开设有若干通孔，通过所述袖阀管向所述隧洞的顶部注浆，以于所述隧洞的顶部形成注浆层。

本发明用于盾构施工中的渣土改良系统的进一步改进在于，所述盾构机设置有螺旋输送机，以将所述盾构机土仓中的渣土向外输送；所述渣土改良系统还包括一端与所述第一管道相连通且另一端连通至所述螺旋输送机的出口处的第一支管，所述膨润土浆液通过所述第一支管运输至所述螺旋输送机的出口处，以吸附所述螺旋输送机运输的渣土的水分，从而提高所述渣土的塑性。

本发明用于盾构施工中的渣土改良系统的进一步改进在于，还包括一端与所述第一管道相连通且另一端连通至所述盾构机的刀盘处的第二支管，所述膨润土浆液通过所述第二支管运输至所述盾构机的刀盘处，进而进入隧洞的开挖面，以吸附所述开挖面的水分，从而提高所述开挖面土质的塑性。

本发明用于盾构施工中的渣土改良系统的进一步改进在于，所述盾构机靠近刀盘的部分形成有土仓，以容置所述刀盘挖掘的渣土；所述渣土改良系统还包括一端与所述第一管道相连通且另一端连通至所述土仓进口处的第三支管，所述膨润土浆液通过所述第三支管运输至所述土仓的进口处，以吸附待进入所述土仓的渣土的水分，从而提高所述渣土的塑性。

本发明用于盾构施工中的渣土改良系统的进一步改进在于，还包括设置于所述隧洞且盛放有发泡剂的发泡剂桶、一端与所述发泡剂桶相连通且另一端连通至所述第一管道的发泡管；所述发泡剂桶中的发泡剂经所述发泡管输送至所述第一管道，以与所述第一管道中的膨润土浆液相混合。

一种用于盾构施工中的渣土改良系统的施工方法，还包括设置于所述隧洞且盛放有克泥效浆液的克泥效容器、一端与所述克泥效容器相连通且另一端连通至所述径向孔的第二管道以及安装于所述第二管道的克泥效泵；开启所述离心泵，所述膨润土浆液经所述第一管道运输至所述盾构机的刀盘处，并进入隧洞的开挖面，以吸附所述开挖面的水分，从而提高所述开挖面土质的塑性。

一种用于盾构施工中的渣土改良系统的施工方法，包括如下步骤：于所述隧洞设置盛放有克泥效浆液的克泥效容器、将所述第二管道的一端与所述克泥效容器相连通，另一端连通至所述径向孔，并于第二管道中设置所述克泥效泵；开启所述克泥效泵，所述克泥效浆液经所述第二管道输送到所述管片的外侧土体中，以吸附土体中的水分，从而提高土体的塑性。

本发明用于盾构施工中的渣土改良系统通过在盾构机始发井建造膨润土池，将膨润土输送进盾构施工的开挖面、渣土仓和螺旋输送机等处，从而多方位的对隧道待施工部位进行渣土改良，以防止渣土中含水量过大，影响盾构机的正常使用，提高了隧道的安全性；本发明还通过袖阀管预先于隧道待施工地段的不同部位进行注浆，从而改良由于地下暗河、岩溶积水、包气带水等自然现象造成的部分地段，以防止隧道施工过程中，由于重力作用造成的地面塌陷，从而导致的安全事故，同时袖阀管也能够在施工后的隧道的顶部部分范围进行渣土改良，从而提高隧道周围的土体环境的安全性，防止隧道上层的渗水大量渗入隧道，并对已施工的隧道造成破坏；本发明通过克泥效对隧道周围的地层进行改良，从而有效的防止了盾构施工过程中的喷涌、塌陷等事故的发生。

附图说明

图1是本发明用于盾构施工中的渣土改良系统于盾构机中的剖视图。

图2是图1中a处的放大示意图。

图3是图1中b-b部分的剖视图。

图4是图1中c-c部分的剖视图。

图5是本发明用于盾构施工中的渣土改良系统中膨润土池的示意图。

图6是本发明用于盾构施工中的渣土改良系统中袖阀管的侧面剖视图。

图7是本发明用于盾构施工中的渣土改良系统中袖阀管的俯视图。

图8是隧道施工完成后的正视图。

附图标记与部件的对应关系如下：膨润土池11，离心泵12，第一管道13，第一支管131，第二支管132，第三支管133，膨润土罐14，发泡剂桶15，挤压泵16，克泥效容器21，第二管道22，第一克泥效口221，第二克泥效口222，第三克泥效口223，水玻璃容器31，第三管道32，袖阀管41，第一注浆口411，第二注浆口412，第三注浆口413，第一注浆层42，第二注浆层43，隧道5，暗渠6。

具体实施方式

为利于对本发明的了解，以下结合附图及实施例进行说明。

如图1、图2和图5所示，本发明提供一种用于盾构施工中的渣土改良系统，盾构机从始发井向待施工的土体掘进以形成隧洞，包括：设置于盾构机始发井的膨润土池11，膨润土池11中添加有膨润土浆液；一端与膨润土池11相连通且另一端连通至盾构机的刀盘处的第一管道13，膨润土浆液通过第一管道13运输至盾构机的刀盘处并进入隧洞的开挖面，以吸附开挖面的水分，从而提高开挖面土质的塑性；以及安装于第一管道13的离心泵12，通过离心泵12，以对进入第一管道13中的膨润土浆液加速，从而使得膨润土浆液能够运输至开挖面。

本发明富水地层的渣土改良系统通过设置于盾构机的外部，以使得盾构施工中该系统和盾构机本身的渣土改良系统共同工作，从而使得隧道施工过程时，于隧道挖掘前、挖掘中以及挖掘后全方位的对隧道周围的土体环境进行改良，提高了隧道施工的安全性，同时降低了盾构机的损耗，节约了工程成本。

较佳地，如图5所示，盾构机的始发井为双层建筑结构，且每层都设置有一个膨润土池11以及离心泵12，第一管道13的一端连接于位于上层的膨润土池，经由上层的离心泵连接至底层的膨润土池，之后连接底层的离心泵后延伸至待施工的隧道，通过建造的两个膨润土池11，以便于对膨润土进行快速的补充，防止渣土改良过程中由于膨润土补充不及时，造成局部改良效果差，影响盾构的施工，也避免了离心泵12空转，从而造成设备损坏。

本发明用于盾构施工中的渣土改良系统的一种较佳实施案例为，如图1所示，已开挖的隧洞的侧壁贴有若干的管片，且管片上开设有径向孔；该渣土改良系统还包括设置于隧洞且盛放有克泥效浆液的克泥效容器21、一端与克泥效容器21相连通且另一端连通至径向孔的第二管道22以及安装于第二管道22的克泥效泵，克泥效浆液经第二管道22输送到管片的外侧土体中，以吸附土体中的水分，从而提高土体的塑性。

具体的，如图2、图3和图4所示，第二管道22的出口位于盾构机的b-b剖面为第一克泥效口221，同时第二管道22通过一段支管还于盾构机的c-c剖面设置有第二克泥效口222，第二管道22通过另一段支管还于盾构机的d-d剖面设置有第三克泥效口223，且第一克泥效口221、第二克泥效口222和第三克泥效口223分别相对设置于管片的径向孔，通过该些克泥效口分别使得克泥效材料注入管片的外侧，以改良隧洞周围的渣土，从而防止施工后的隧洞上层建筑沉降；且通过该些克泥效口同时注入克泥效，有效地防止了盾构机挖掘过程中由于水含量过大，从而造成喷涌，有效的保护了盾构机。

较佳地，隧洞内壁铺设管片，以形成隧道5；盾构机位于隧洞中，管片通过盾构机铺设于隧洞的内壁。

较佳地，克泥效容器21设置于第六台车处；管片的径向孔于第二管道22的直径相匹配。

较佳地，将克泥效粉和水按照450kg：825l的比例混合成高粘度的克泥效浆液后，分别送到盾构施工处，通过管片的径向孔注入施工部位，填补开挖直径与盾体直径之间间隙；混合克泥效浆液的土质不易受水稀释，且其黏性强度也不随时间而变化，施工中先于第一克泥效口221注入克泥效，起到封闭止水和支撑盾体上方土体的作用，减少沉降避免盾构机抱死，后续继续进行注入；再于第二克泥效口222和第三克泥效口223注入克泥效，以封堵隧道的后部汇水及填充隧洞与土体空隙作用，二次注浆前应提前在隧道管片上打孔，先观察管片后背是否有水，若有水则进行克泥效输送作业，保证隧道5管片背后填充密实，辅助止水。

进一步的，如图1所示，还包括设置于隧洞且盛放有水玻璃浆液的水玻璃容器31、一端与水玻璃容器31相连通且另一端连通至盾构机的刀盘处的第三管道32以及安装于第三管道32的水玻璃泵；水玻璃容器的水玻璃浆液经第三管道32输送到盾构机的刀盘处并进入隧洞的开挖面，以吸附开挖面的水分，从而提高开挖面土质的塑性。

较佳地，该水玻璃容器31安装于盾构的第六台车处，通过于隧洞的开挖面注入水玻璃，水玻璃浆液能够迅速吸收盾构机待挖掘区域的水分，形成硅酸凝胶使得土体塑化，从而便于盾构机的挖掘，防止盾构机挖掘过程中，浸泡于大量的水中，造成盾构推进困难，影响施工效率。

进一步的，如图6所示，还包括由地面延伸至待施工的隧洞处的若干袖阀管41，袖阀管41的管身间隔开设有若干通孔，通过袖阀管41向隧洞的顶部注浆，以于隧洞的顶部形成注浆层。

较佳地，如图7所示，若干袖阀管41沿隧道的延伸方向设置，根据袖阀管的注浆顺序，依次分为第一注浆口411、第二注浆口412和第三注浆口413，且袖阀管41向隧道的顶部方向倾斜设置，此设置方式便于于隧道的顶部形成注浆层，防止隧道两侧的袖阀管41的注浆料汇合的过程中存在间隙，从而渗水从间隙进入隧道，影响隧道的安全。

较佳地，如图6和图8所示，先通过第一注浆口411和第二注浆口412向待施工的隧道处注浆，以改良待施工隧洞部分的地层，进而进行盾构施工，以形成隧道，之后通过第三注浆口413注浆，于隧道上方的暗渠底部形成第一注浆层42，该第一注浆层42作为防止暗渠6渗水的第一道防线，能够有效的保护隧道；同时于隧道的顶部形成第二注浆层43，当暗渠5的渗水通过第一注浆层42之后，第二注浆层43的存在能够进一步的防止渗水进入隧道，从而提高了隧道的稳定性。

进一步的，如图1所示，还包括设置于第一管道13并固定于隧洞的膨润土罐14以及安装于膨润土罐14的搅拌桨；通过转动搅拌桨搅拌膨润土罐14的膨润土浆液，以使得膨润土浆液保持匀浆状。

进一步的，如图1和图2所示，盾构机设置有螺旋输送机，以将盾构机土仓中的渣土向外输送；该渣土改良系统还包括一端与第一管道13相连通且另一端连通至螺旋输送机的出口处的第一支管131，膨润土浆液通过第一支管131运输至螺旋输送机的出口处，以吸附螺旋输送机运输的渣土的水分，从而提高渣土的塑性。

较佳地，第一支管131的一端连通至膨润土罐14，另一端连通至螺旋输送机的出口处。

进一步的，如图1、图2和图3所示，还包括一端与第一管道13相连通且另一端连通至盾构机的刀盘处的第二支管132，膨润土浆液通过第二支管132运输至盾构机的刀盘处，进而进入隧洞的开挖面，以吸附开挖面的水分，从而提高开挖面土质的塑性。

较佳地，第二支管131的一端连通至膨润土罐14,，另一端连通至盾构机的刀盘处。

进一步的，如图1和图2所示，盾构机靠近刀盘的部分形成有土仓，以容置刀盘挖掘的渣土；还包括一端与第一管道13相连通且另一端连通至土仓进口处的第三支管133；膨润土浆液通过第三支管133运输至土仓的进口处，以吸附待进入土仓的渣土的水分，从而提高渣土的塑性。

较佳地，如图1所示，第三支管133设置有四个，其中一个一端与膨润土罐14相连通且另一端连通至盾构机的刀盘处，另外三个一端与第一管道位于盾构机d-d剖面部分的管道相邻通且另一端连通至盾构机的刀盘处，该中连接方式防止第一管道分出的第三支管133过多，从而影响膨润土的流量，以导致土体中的水分部分能被完全吸附，影响盾构施工。

进一步的，如图1和图2所示，还包括设置于隧洞且盛放有发泡剂的发泡剂桶15、一端与发泡剂桶15相连通且另一端连通至第一管道13的发泡管；发泡剂桶15中的发泡剂，经发泡管输送至第一管道13，以与第一管道13中的膨润土浆液相混合，从而提高膨润土浆液的润滑性。

具体的，膨润土的比重为1.05～1.08，稠度为30～40s。

较佳地，通过将膨润土浆液全方位的加入盾构施工的开挖面和盾构机本身系统的薄弱部位，以提高盾构施工的稳定性，防止盾构施工中，由于渣土含水量较多，发生故障，从而节约了工期，提高了施工效率。

本发明用于盾构施工中的渣土改良系统的具体实施案例为：将若干的袖阀管41由地面延伸至待掘进隧洞的土体，通过袖阀管41以使得注浆料输送至待形成隧洞处，以形成注浆层，从而改良该处的渣土环境；

于盾构机始发井设置膨润土池11，将第一管道13的一端与膨润土池11相连通，另一端连通至盾构机的刀盘处，并于第一管道13中设置离心泵13，膨润土浆液经第一管道13运输至盾构机的刀盘处并进入隧洞的开挖面，以吸附开挖面的水分，从而改良渣土；将第一支管131的一端与第一管道13相连通且另一端连通至螺旋输送机的出口处，膨润土浆液通过第一支管131运输至螺旋输送机的出口处，以吸附螺旋输送机运输的渣土的水分，从而提高渣土的塑性；将第二支管132的一端与第一管道13相连通且另一端连通至盾构机的刀盘处，膨润土浆液通过第二支管132运输至盾构机的刀盘处，进而进入隧洞的开挖面，以吸附开挖面的水分，从而提高开挖面土质的塑性；将第三支管133的一端与第一管道13相连通且另一端连通至土仓进口处，膨润土浆液通过第三支管133运输至土仓的进口处，以吸附待进入土仓的渣土的水分，从而提高渣土的塑性；

将克泥效容器21安装于盾构机的台车处，将第二管道22的一端与克泥效容器21相连通且另一端连通至径向孔，并将克泥效泵安装于第二管道22，打开克泥效泵以将克泥效浆液经第二管道22输送至隧洞靠近管片的土体，以吸附土体水分，从而提高土体的塑性；

将水玻璃泵31安装于盾构机的第六台车处，将第三管道32的一端与水玻璃容器31相连通且另一端连通至盾构机的刀盘处，并将水玻璃泵安装于第三管道22，打开水玻璃泵以将水玻璃浆液经过第三管道32输送到盾构机的刀盘处并进入隧洞的开挖面，以吸附开挖面的水分，从而提高开挖面土质的塑性；

将发泡剂桶15安装于盾构机靠近d-d剖面的空间处，将发泡管的一端与发泡剂桶15相连通且另一端连通至第一管道13靠近d-d剖面处，发泡剂桶15中的发泡剂经发泡管输送至第一管道13，以与第一管道13中的膨润土浆液相混合，从而提高膨润土浆液的润滑性，以便于膨润土浆液顺利运输出第一管道13；

形成隧道5后，通过袖阀管41再次输送注浆料，于暗渠6的底部形成第一注浆层42和隧道5的顶部形成第二注浆层43，以提高隧道的稳定性。

一种用于盾构施工中的渣土改良系统的施工方法，包括如下步骤：于盾构机的始发井设置膨润土池11，将第一管道13的一端与膨润土池11相连通，另一端连通至盾构机的刀盘处，并于第一管道13中设置离心泵12；开启离心泵12，膨润土浆液经第一管道13运输至盾构机的刀盘处，并进入隧洞的开挖面，以吸附开挖面的水分，从而提高开挖面土质的塑性。

进一步的，一种用于盾构施工中的渣土改良系统的施工方法，还包括如下步骤：于隧洞设置盛放有克泥效浆液的克泥效容器21、将第二管道22的一端与克泥效容器21相连通，另一端连通至径向孔，并于第二管道22中设置克泥效泵；开启克泥效泵，克泥效浆液经第二管道22输送到管片的外侧土体中，以吸附土体中的水分，从而提高土体的塑性。

本发明用于盾构施工中的渣土改良系统的具体实施案例为：将若干的袖阀管41由地面延伸至待掘进隧洞的土体，通过袖阀管41以使得注浆料输送至待形成隧洞处，以形成注浆层，从而改良该处的渣土环境；

于盾构机始发井设置膨润土池11，将第一管道13的一端与膨润土池11相连通，另一端连通至盾构机的刀盘处，并于第一管道13中设置离心泵13，膨润土浆液经第一管道13运输至盾构机的刀盘处并进入隧洞的开挖面，以吸附开挖面的水分，从而改良渣土；将第一支管131的一端与第一管道13相连通且另一端连通至螺旋输送机的出口处，膨润土浆液通过第一支管131运输至螺旋输送机的出口处，以吸附螺旋输送机运输的渣土的水分，从而提高渣土的塑性；将第二支管132的一端与第一管道13相连通且另一端连通至盾构机的刀盘处，膨润土浆液通过第二支管132运输至盾构机的刀盘处，进而进入隧洞的开挖面，以吸附开挖面的水分，从而提高开挖面土质的塑性；将第三支管133的一端与第一管道13相连通且另一端连通至土仓进口处，膨润土浆液通过第三支管133运输至土仓的进口处，以吸附待进入土仓的渣土的水分，从而提高渣土的塑性；

将克泥效容器21安装于盾构机的台车处，将第二管道22的一端与克泥效容器21相连通且另一端连通至径向孔，并将克泥效泵安装于第二管道22，打开克泥效泵以将克泥效浆液经第二管道22输送至隧洞靠近管片的土体，以吸附土体水分，从而提高土体的塑性；

将水玻璃泵31安装于盾构机的第六台车处，将第三管道32的一端与水玻璃容器31相连通且另一端连通至盾构机的刀盘处，并将水玻璃泵安装于第三管道22，打开水玻璃泵以将水玻璃浆液经过第三管道32输送到盾构机的刀盘处并进入隧洞的开挖面，以吸附开挖面的水分，从而提高开挖面土质的塑性；

将发泡剂桶15安装于盾构机靠近d-d剖面的空间处，将发泡管的一端与发泡剂桶15相连通且另一端连通至第一管道13靠近d-d剖面处，发泡剂桶15中的发泡剂经发泡管输送至第一管道13，以与第一管道13中的膨润土浆液相混合，从而提高膨润土浆液的润滑性，以便于膨润土浆液顺利运输出第一管道13；

且于隧洞的内部铺设管片形成隧道5后，通过袖阀管41再次输送注浆料，于暗渠6的底部形成第一注浆层42和隧道5的顶部形成第二注浆层43，以提高隧道的稳定性。

本发明富水地层的渣土改良系统通过设置于盾构机本身的渣土改良系统的外部，以使得盾构施工中该系统和盾构机本身的渣土改良系统共同工作，该改良系统通过对隧道周围地层的全方位改良，当盾构掘进时，减少了对地面交通和社会环境的影响，保证了地层及周边的建筑物零沉降，从而避免了安全事故的发生，同时该改良系统直接保护了盾构机自身的薄弱处，避免盾构机受到损坏，从而避免了隧道施工的安全风险。

以上结合附图及实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。