一种基于具有冻结功能的泥水平衡盾构机的换刀方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于隧道工程领域的带冻结功能的泥水平衡盾构机的换刀方法。
【背景技术】
[0002]随着地下空间工程建设的迫切需要和科学技术水平的提高，对于地质条件复杂，穿越松散、含水地层的隧洞工程，一般采用泥水平衡盾构机施工。在盾构施机工过程中，刀盘、刀具会在外力作用下出现过度磨损等失效等现象，这时需要对刀盘发生故障处进行维护，对刀具进行更换。
[0003]目前，国内外用于泥水平衡盾构机进仓更换刀具方法主要有如下三种:
[0004](1)加气带压进仓换刀法
[0005]加气带压进仓换刀法是指利用盾构机上配有的空压机输送高压气体至掌子面使之保持平衡，达到平衡后，工作人员由人闸进入开挖仓内对刀具进行维修。
[0006](2)常压开仓换刀法
[0007]常压开仓换刀法是指当掌子面地层稳定，地下水含量较少时，可以直接打开泥水仓进入开挖仓内，对刀具进行检修。
[0008](3)带压潜水换刀法
[0009]带压潜水换刀法是指当埋深较大，地下水位较高，这时掌子面稳定性差，且地下水含量较丰富，这时需要专业的施工人员潜入开挖仓内对刀具进行维修。
[0010]以上三种换刀方法在工程应用中存在下述问题:
[0011]对于加气带压进仓换刀法，缺乏相关的气压作业规范和规程，且在高压环境下进行气割、焊接等作业相当困难，难以对刀具磨损部分进行修复。
[0012]对于常压开仓换刀法，对工况有特殊的需求，要求刀盘上具有可常压更换刀具结构，不能普遍适用于盾构机的维护，另外在实施过程中存在占用地面、影响交通、工期较长等问题。
[0013]对于带压潜水换刀法，该种换刀方法需要专业队伍进行，存在施工安全性差、难度大、技术要求高、费用高等问题。
【发明内容】
[0014]本发明所要解决的技术问题是提供一种操作方便、成本低、安全性高，能有效解决泥水平衡盾构机在恶劣条件下换刀时易发生涌水涌砂、掌子面塌方的问题的基于具有冻结功能的泥水平衡盾构机的换刀方法。
[0015]为解决上述技术问题，本发明采用的基于具有冻结功能的泥水平衡盾构机的换刀方法，所述的泥水平衡盾构机包括进浆管、盾体、刀盘、泥水仓、气垫室、主驱动单元、后隔板、排浆管和前隔板，在所述的刀盘和所述的盾体上布置有冻结循环管路;在所述的前隔板上布置有加热管路;冷冻机组、储藏槽和加热装置安装于泥水平衡盾构机的后配套系统中，所述的冻结循环管路通过进液管、回液管与所述的冷冻机组、储藏槽和加热装置相连，所述的加热管路通过进液管、回液管与所述的加热装置相连，包括以下步骤:
[0016]步骤一、泥水仓清理:
[0017]盾构机停止掘进，泥水环流系统保持工作，直至泥水仓内部大部分的石头颗粒杂质排出；清理泥水仓时，刀盘保持一定转速，以便于对仓内石头颗粒等杂质进行清理与运输，直至仓内残存异物大部分清除干净再停止刀盘旋转;泥水仓清理过程中，对泥水仓内部压力进行实时监测；
[0018]步骤二、泥水仓及盾体周围土体冻结:
[0019]采用冻结系统对泥水仓中的泥浆、刀盘和盾体周围土体进行冻结，所述冻结系统的冷冻机组安装在盾构机的后配套系统上，冻结循环管路分别安装在刀盘的侧向或内部，隔板侧向或内部，盾体的外侧、或内侧;在泥水仓冻结过程中，往刀盘和盾体周围区域的冻结循环管路中注入冷媒，主驱动单元处循环管路中注入导热液，以防止主驱动单元在泥水仓冻结过程中温度过低而造成损伤;在冻结过程中需要对泥水仓内的压力和温度进行实时监测，当压力过大时，通过调整气垫仓内压力进行卸压处理，仓内温度控制在-5°C以下；
[0020]步骤三、开凿与同步换刀:
[0021]待步骤二中的泥水仓及盾体周围土体冻结完毕后，释放气垫仓内的压缩空气并在常压下开仓作业，此时冷冻系统继续工作，保证泥水仓内的温度控制在_5°C以下;采用开凿工具对所需换刀位置的冻结体进行人工开凿与清理，待开凿空间达到刀具更换要求时，停止开凿并对该处刀具进行更换；当一处刀具更换结束后，再对下一个换刀位置进行开凿、清理及换刀，直至所有需更换刀具全部更换完成；
[0022]步骤四、解冻及恢复工作:
[0023]待步骤三完成后，先对气垫仓进行加压，然后对进浆管进行解冻，并向泥水仓中开凿区域填补泥浆;气垫仓加压和泥浆填充完成后，通过往循环管道内注入导热液的方式对泥水仓残存冻结体进行解冻;整个解冻过程中，需要对泥水仓内的压力进行实时监控，当压力过小时，通过空气压缩机对泥水仓进行加压处理，反之亦然，在解冻过程中保证泥水仓内的压力稳定在1 ?5匕31'?6.(^31'之间。
[0024]步骤一中对泥水仓内石头颗粒异物清理过程中，刀盘根据实际情况保持低速旋转，以防止石头颗粒异物在开挖仓底部沉积。
[0025]所述的刀盘保持0.5?1.5转/每分钟低速旋转。
[0026]步骤一中对泥水仓内的压力进行实时监控时，应根据盾构机当前施工位置的实际水土压力，将泥水仓内的压力控制在1.5bar?6.0bar之间。
[0027]步骤二中在对泥水仓冻结之前，需通过空气压缩机将气垫仓内的泥浆液位控制在气垫仓的二分之一以下，以防止由于泥水仓冻结过程中冻结体体积膨胀对气垫仓造成不良的影响。
[0028]步骤二中在对泥水仓、刀盘和盾体周围土体进行冻结过程中，需在往刀盘和盾体周围区域的循环管路中注入冷媒的同时，往主驱动单元处循环管路中注入导热液，以防止主驱动单元在泥水仓冻结过程中温度过低而造成损伤。
[0029]步骤二中对泥水仓内的压力实时监测时，由于冻结过程中泥浆体积会随之增大，此时气垫仓内压力会随之增大，需通过释放气垫仓内部分压缩空气将泥水仓内压力控制在1.5bar ?6.0bar 之间。
[0030]通过往步骤二所述的循环管路中注入导热液对泥水仓中残存冻结体进行解冻，整个过程中应对泥水仓内的压力进行实时监控，保证压力稳定且控制在1.5bar?6.0bar之间。
[0031]步骤三所述对冻结的泥水仓进行常压开仓之前，应对泥水仓和盾体周围土体的冻结状况进行检查，使用钢钎通过后隔板上方预留孔洞对泥水仓和盾体周围土体的冻结体打孔，观察孔洞内有无浆液喷涌现象，若无喷涌现象且掌子面情况稳定，则泥水仓与盾体周围土体冻结成型，此时释放气垫仓内压缩空气，在常压下进行开仓，随后进行冻结泥浆的开凿和同步换刀作业。
[0032]步骤四所述对泥水仓进行解冻之前，应先通过注入压缩空气的方式对气垫仓进行加压，然后对进浆管进行解冻，并利用进浆管对开凿过的区域进行泥浆填充。
[0033]采用上述技术方案的基于具有冻结功能的泥水平衡盾构机的换刀方法，与现有技术相比具有以下优点:
[0034]1、施工方法和换刀步骤简单方便，实现方便；
[0035]2、整个换刀过程中处于常压状态，安全系数高，换刀效率高且实施成本低，能够在不影响工期的情况下快速、有效的完成换刀。
[0036]3、设计合理，实际换刀过程主要包括泥水仓清理、泥水仓及盾体周围土体冻结、开凿与同步换刀和解冻及恢复工作四个步骤。在泥水仓冻结与解冻的过程中，通过向气垫仓注入和释放压缩空气的方式决有效解决了泥浆在冻结和解冻过程中由于体积发生变化而造成的泥水仓压力变化问题，提高了泥水仓冻结与解冻过程的安全性。
[0037]4、实用价值高且适用面广，能够有效解决泥水平衡盾构机位于地质松散、掌子面自稳能力差的位置时换刀难度大、风险高的实际问题，且本发明换刀时无任