一种砂层中土仓砂浆混膨润土泥膜的盾构机换刀施工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种隧道工程技术领域的施工方法，具体地，涉及一种砂层中土仓砂浆混膨润土泥膜的盾构机换刀施工方法。
【背景技术】
[0002]随着我国城市化水平的提高，大量的城际铁路、高速铁道、城市轨道交通建设需要开展，其中有许多隧道工程。大量的隧道需要用盾构法来建造。土压平衡盾构法是盾构法施工中常用的一种全机械施工方法，它采用土压平衡盾构机，通过盾构机前方的刀盘切削土体，并将碴土通过螺旋输送机输送出隧道外，盾构机在外壳和管片的支护下推进。在盾构推进过程中，需要不断地切割岩土，当切割的为坚硬岩层时，刀具会产生过度磨损、炸裂和卡死等破坏刀盘结构，影响正常施工作业，需及时更换刀具。由于各城市所处的地质条件和周围环境的不同，需要在各种地质条件下进行盾构机刀具更换。传统的常压换刀法、带压换刀法和地面加固后换刀法已在盾构法施工过程中得到了广泛应用。但当盾构机处于砂层，盾构机开挖面上部地面无法进行加固施工作业，且砂层自稳能力差、漏气严重时，盾构机刀具更换施工仍存在多方面的技术困难和严重的安全隐患。传统的盾构机刀具更换施工方法难于在砂层中无地面加固条件采用，产生盾构机换刀困难，施工效率低、工期长的不利局面。
[0003]对现有的技术文献进行检索后发现两项相关专利的申请，发明专利“[申请号为201010105664.6]，发明名称:砂卵石地层中盾构刀具更换方法”，上述专利盾构机换刀施工需要采取降水措施，在无地面钻孔条件下应用受到限制。发明专利“[申请号为201010554969.5]，发明名称:一种隧道施工用盾构机换刀施工方法”，该专利虽然提出了在土仓上壁注浆口利用盾构机的注浆系统进行土仓置换填充，但未提及具体的置换填充方式和具体的置换填充施工操作方法。该专利在土仓内注水泥砂浆与输出渣土同步进行，采用水泥砂浆置换土仓内渣土过程中，无法防止螺旋输送机内的水泥砂浆硬化，造成设备破坏。该专利清仓步骤中，土仓内硬化后的水泥砂浆强度大，破除难度大，耗时长。该专利采用超前注浆加固盾构机上部土体，没有考虑超前注浆施工困难，注浆口极易堵塞，施工速度缓慢等缺点。因此亟需一种无地面加固条件下砂层中快速、安全的土压平衡盾构机换刀施工方法。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种砂层中土仓砂浆混膨润土泥膜的盾构机换刀施工方法，该方法克服了现有技术中地面无法加固、砂层保气能力差、注浆口易堵塞、注浆施工作业方式不明确、清仓过程中破除硬化水泥砂浆难度大并且耗时长、超前注浆加固施工困难且工作量大等缺点和不足，实现砂层中无地面加固条件下土压平衡盾构机的安全换刀施工。
[0005]为实现以上目的，本发明提供一种砂层中土仓砂浆混膨润土泥膜的盾构机换刀施工方法，所述施工方法包括如下步骤:
[0006]第一步、向刀盘前部交替注入水玻璃浆液和氯化钙浆液:
[0007]通过刀盘上的注浆口向刀盘前部注水玻璃浆液，注浆压力保持在0.2MPa，直至水玻璃浆液的注入量达到V1;然后通过刀盘上的注浆口向刀盘前部注氯化钙浆液，注浆压力保持在0.2MPa，直至氯化钙浆液的注入量达到0.1V1;水玻璃浆液和氯化钙浆液迅速发生反应生成凝胶，充填土层间隙并吸水固结土层；所述水玻璃浆液的体积据如下公式计算:
[0008]Vi= kJi R2d
[0009]式中:k为比例系数，k通常取5%;R为刀盘的半径；d为刀盘前所注膨润土泥楽的厚度参数，d通常取0.lm ；
[0010]第二步、向刀盘前部注膨润土泥浆:
[0011]待水玻璃浆液与氯化钙浆液充分反应后，通过刀盘上的注浆口向刀盘前部注膨润土泥浆，注浆压力保持在0.2MPa，直至膨润土泥浆的注入量达到V2;所述膨润土泥浆的体积V2根据如下公式计算:
[0012]V2= 31 R2d ；
[0013]第三步、输出土仓内的渣土:
[0014]转动螺旋输送机输出土仓内的渣土，直至将全部渣土输出土仓；置换过程中保持土仓内的压力为0.15Mpa ；
[0015]第四步、制备泥膜:
[0016]增加土仓内压力，使土仓内的压力达到0.25MPa，保持压力为0.25MPa，持续1小时；增加土仓内的压力，保持压力为0.35MPa，持续一段时间，使开挖面土体和土仓之间形成稳固的泥膜；逐步降压，直至压力达到0.15Mpa ;
[0017]第五步、向土仓内注水泥砂浆和膨润土泥浆的混合浆液:
[0018]通过土仓内的注浆口向土仓内注水泥砂浆和膨润土泥浆的混合浆液，注浆压力为0.2MPa直至填满土仓；注浆过程中保持土仓内的压力为0.15Mpa ；
[0019]第六步、清仓换刀:
[0020]第五步完成后第24小时开始，每隔两小时通过人闸泄压孔处判断土仓内水泥砂浆和膨润土泥浆的混合浆液的凝固状态，待土仓内的水泥砂浆和膨润土的混合浆液凝固后，用风镐由下往上凿除凝固的水泥砂浆和膨润土泥浆的混合浆液，把土仓清理干净，此时不凿刀盘开口 ；保证刀盘面完整性并从下往上进行刀具更换，换刀时稳固安装台面，拆开螺栓和自锁螺母，移除旧刀，更换新刀，上紧螺栓；
[0021]第七步、恢复掘进:
[0022]待盾构机刀盘上全部刀具更换完成后，盾构机恢复掘进。
[0023]优选地，第一步中，所述水玻璃浆液为硅酸钠的水溶液，水玻璃浆液的质量配合比为娃酸钠:水=1:10ο
[0024]优选地，第一步中，所述氯化钙浆液的质量配合比为氯化钙:水=1:3。
[0025]优选地，第二步中，所述膨润土泥浆为化学泥浆，配浆材料为钙基膨润土和水，钙基膨润土与水的体积比为1:3。
[0026]优选地，第五步中，所述水泥砂浆的质量配合比为水泥:砂:水=1:a:b，其中:0.5彡a彡1.5，1彡b彡2ο
[0027]优选地，第五步中，所述水泥砂浆和膨润土泥浆的混合浆液的质量配合比为水泥砂楽:膨润土泥楽=1:c，其中0.2 < c < 0.4。
[0028]优选地，第六步中，换刀过程中如有漏水，采用棉絮和堵漏灵进行封堵。
[0029]优选地，第六步中，所述刀盘开口为刀盘上的空口，用于实现切削渣土排肩。
[0030]优选地，第六步中，所述自锁螺母为一种靠摩擦力自锁防松、防振的螺母。
[0031]与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:
[0032]本发明针对砂层中无地面加固条件下土压平衡盾构机填仓换刀问题，提供一种适用于砂层中进行无地面加固条件下的土压平衡盾构机混膨润土配合泥膜的换刀施工方法，相比现有专利技术，有效降低了清仓过程中土仓内硬化体的强度，降低了破除加固体的难度，避免了困难的超前注浆施工作业，防止了螺旋输送机内的水泥砂浆硬化造成设备破坏，明确了注浆施工作业方式，有效地减少了施工作业量；本发明施工时间短，效率高，安全性强。
【附图说明】
[0033]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0034]图1为本发明实施例中的土压平衡盾构机示意图；
[0035]图2为本发明实施例中的刀盘注浆口位置示意图；
[0036]图3为本发明实施例中的泥膜位置示意图；
[0037]图4为本发明实施例中的土仓内土仓注浆口位置示意图。
【具体实施方式】
[0038]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0039]如图1-4所示，本实施例提供一种砂层中土仓砂浆混膨润土泥膜的盾构机换刀施工方法，用于广州某隧道，盾构机刀盘底部深度为地下14m，停机位置上部地面为交叉路口，为防止因刀具的过度磨损、炸裂和卡死等破坏刀盘结构，影响正常施工作业，需采用填仓换刀的施工方法，保证换刀施工安全有效地进行，具体施工步骤简述如下:
[0040]第一步、施工现场地质调查:
[0041]通过查阅地质勘查报告确定盾构机刀盘底部所处位置以下6m至上部地面的地层分布情况、各土层的渗透系数；调查盾构机刀盘上部地面状况(即从盾构机刀盘底面45°斜线传到地表范围上部已有建筑物或构筑物条件状况)，确定是否有地面加固条件。
[0042]本实施例盾构机刀盘底部所处位置以下6m至上部地面的地层分布为:厚度为5m的粘土层、厚度为10.5m的砂层和厚度为4.5m的素填土层，盾构机刀盘处于砂层中；粘土层的渗透系数为1.5m/d，砂层的渗透系数为10m/d ;素填土层的渗透系数为0.4m/d。盾构机上部地面为交叉路口，无地面加固条件。
[0043]第二步、确定换刀方法:
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