本发明涉及隧道及地下工程施工技术领域，特别涉及一种盾构换刀地连墙加固结构及加固施工方法。
背景技术：
目前，随着我国基础建设设施的不断发展，城市地铁也得到了快速发展，城市地铁区间隧道多数采用盾构机进行掘进施工。然而，当盾构一次穿越地层距离较长或者穿越地层存在砂卵石等高磨损地层时，盾构刀具磨损就会非常严重，因此，不得不有计划地对刀具进行更换。目前盾构换刀常用方法为常压换刀和带压换刀。
常压换刀虽然开仓方法简便快捷，但是适用地质范围有限，仅适用于掌子面前方地层情况非常好的条件，而且地下水不丰富或没有地下水的地质情况，适用地质范围有限，这种地质条件很少出现在地铁隧道施工过程中，因此不具有代表性。带压换刀通常采用局部气压法换刀，在土质不均匀情况下，土仓气压均不能维持，很难提供换刀所需的保压状态，换刀时所需供气量大，压缩空气输送管路长，工期设备及送气管路要求高，具有工序繁多、工期长、费用大等缺点；同时，刀具更换过程中容易出现压力消减导致危及开挖面稳定、易引起地面沉降塌陷等问题，进而影响隧道沿线周边环境，由于压力削减导致掌子面坍塌造成人员伤亡的事故时有发生；另外，带压换刀对操作人员要求较高，并且在高压环境下工作时，对操作人员身体伤害较大、安全系数低。
技术实现要素：
本发明的目的：针对现有技术中的地层条件不适用于直接开仓进行常压换刀时，采用带压换刀法存在工序多、成本高、作业人员要求高风险大，以及容易引起地面沉降造成质量安全事故的问题，提供一种盾构换刀地连墙加固结构及加固施工方法，通过预先在盾构掘进路线上设置加固结构，使得盾构掘进到该加固结构处时进行刀具更换，由于布置有加固结构，因此可以对刀具进行常压换刀，从而具有常压换刀所具有的简便快捷、成本低等优点，同时，布置加固结构后，刀具更换过程中不会出现开挖面塌陷、地面沉降等问题，保证隧道沿线周边环境，有效避免了质量安全事故的发生。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种盾构换刀地连墙加固结构，包括布置在隧道掘进路线上的地连墙，该地连墙为素混凝土地连墙，当盾构机刀具磨损后需要更换时，在掘进路线的换刀部位处设置有该地连墙。
盾构机在掘进过程中，随着掘进深度的推进，刀具磨损越来越严重，盾构机掘进后需要进行换刀，换刀的距离长度介于某一区间长度范围内，可以根据经验判断刀具的磨损量，然后确定盾构进掘进长度进行刀具更换，从而能确定盾构机掘进后进行换刀的部位，因此确定换刀位置，所述地连墙即设置在该位置处，使地连墙的设置位置与盾构机掘进后进行换刀的长度部位相对应，从而在设置地连墙的部位进行常压换刀，避免出现开挖面塌陷、地面沉降等问题，保证施工安全。
将地连墙设置为素混凝土地连墙，使得盾构机在地连墙部位换刀的前后施工过程中，不仅能进行常压换刀，保证施工安全，而且还能直接在地连墙中进行掘进，保证连续施工过程，不会额外增加其他工序。
通过本方案的盾构换刀地连墙加固结构，通过直接浇筑地连墙墙体的施工方式，达到对盾构机换刀部位的隧道土体进行加固，省去了对复杂地层进行地质勘探设置桩体进行大范围加固的复杂过程，施工效率更高，通过地连墙的加固，使盾构机在掘进过程能进行常压换刀，达到稳定、高效、安全、经济和快捷开仓换刀的目的。
优选的，所述地连墙包括用于加固盾构机头部土体的第一幅素混凝土墙，以及支撑掌子面的第二幅素混凝土墙，所述第一幅素混凝土墙设置在盾构机停机换刀的部位，所述第二幅素混凝土墙紧挨第一幅素混凝土墙前端部设置。
将地连墙设置为包括第一幅素混凝土墙和第二幅素混凝土墙的结构形式，盾构掘进进入第一幅素混凝土墙体预定加固位置后，在第二幅素混凝土墙的保护下直接换刀，实现换刀过程的稳定、高效、安全和经济的开仓换刀的目的。
本方案中，设置第一幅素混凝土墙和第二幅素混凝土墙，第一幅素混凝土墙处于换刀位置，主要起到加固盾头、稳定盾构掘进形态的作用，第二幅素混凝土墙用于保持掌子面稳定，保证换刀过程的安全性。
优选的，所述地连墙沿隧道掘进方向的长度为1.2m～3.0m，宽度为6m～12m，该地连墙从隧道底部下方2m处延伸至地面。
地连墙的长度（厚度）可根据盾构刀盘厚度进行调整，相比现有的盾构开仓方法，采取这种地连墙的结构形式，可控性强，操作简便快速，方法易推广，安全系数更高。
进一步地，所述地连墙沿隧道掘进方向的长度为1.6m～2.4m，宽度为8m～9m，该地连墙从隧道底部下方1m处延伸至地面。
进一步地，当地连墙设置为第一幅素混凝土墙和第二幅素混凝土墙的结构形式时，单侧每幅地连墙的厚度为0.8m~1.2m。
优选的，所述盾构机上预设有开仓部位，所述开仓部位与盾构机需要更换刀具的安装部位相对应。
针对施工地层和盾构掘进参数，利用经验及预测方法计算出盾构刀具磨损量并确定需要换刀的位置，即主动在盾构机上预设开仓部位，使开仓部位与需要更换刀具的安装位置相对应，进行换刀。
通过预先设置开仓部位，不影响盾构机的正常施工，并且达到地连墙处进行换刀时，通过开仓部位快速进入，从而快捷、高效地完成换刀工作，最大程度保证施工进度。
对应地，本发明还提供了一种盾构换刀地连墙的加固施工方法，在布置如上述所述的盾构换刀地连墙加固结构时，按照下述施工步骤进行：
a、预设开仓部位，根据施工地层和盾构掘进参数预测盾构刀具磨损量，确定盾构机需要换刀的位置，从而在盾构机上预设开仓部位；
b、地连墙施工，在位于盾构机掘进后进行换刀的长度部位处，在隧道掘进路线上进行地连墙施工；
c、盾构机掘进到位后停机，盾构机掘进至设置有地连墙的部位后停机，盾构机头部处于地连墙的长度范围内；
d、开仓检测及换刀，作业人员从所述开仓部位进入到盾构机内部进行常压开仓换刀、检测及维修工作；
e、恢复掘进，完成换刀后，关闭盾构机开仓部位及舱门，同时加气推进，直至土仓中土压力与前方静止土压力接近后恢复正常推进；
所述步骤a和步骤b的施工顺序能进行互换。
采取上述施工方法，提前预设开仓部位，同时提前进行地连墙施工，不影响正常盾构施工进度，相比常规地面注浆预加固带压开仓换刀和岩层中常压开仓换刀的方法，本方案的施工方法受地层条件影响小，属于常压作业，工期短、费用少，能避免发生地质灾害等安全隐患，对于施工作业人员的人生安全也更有保障。
本方案通过提前浇筑地连墙墙体，省去了对复杂地层进行地质勘探并设置桩体位置等施工过程，起到稳定周围土体、保护施工安全的作用，使施工过程更加直观、容易，施工效率也更高。
优选的，所述步骤c中，所述地连墙包括第一幅素混凝土墙和第二幅素混凝土墙，所述第二幅素混凝土墙紧挨第一幅素混凝土墙钻进方向的前端部设置，盾构机将所述第一幅素混凝土墙掘进完成且盾构头部进入第一幅素混凝土墙范围后，盾构机刀盘到达预设的换刀位置处后停止掘进。
设置素混凝土地连墙稳定周围土体，第一幅素混凝土墙起到挡土墙作用，同时作为停机位置的盾构加固墙体，在盾构掘进直到盾构刀盘达到地连墙预定位置停机后，第二幅素混凝土墙起到稳固掌子面及避免前方土体坍塌的作用。充当挡土墙作用的素混凝土墙体，使刀盘前方土体强度得到加强，预防掌子面崩塌等地质灾害，同时盾构机可直接在素混凝土中掘进，整个换刀过程对盾构机和周围土体影响小，相比其他换刀方法加固作用更优，在换刀结束后可以直接保持稳定掘进外墙体中，加固掌子面后使常压开仓换刀适用于各种地形情况。
优选的，所述步骤b中，采用液压抓斗槽壁机成槽施工，槽段开挖时配备膨润土制作泥浆护壁，并采用双导管水下灌注混凝土的方式进行浇筑。
进一步地，在采用双导管进行灌注时，先布置浇灌架，使浇灌架准确就位，从而对导管进行精确定位，保证混凝土浇筑质量。
优选的，所述步骤b中，对地连墙施工时，包括以下步骤：
b1、开挖导沟，并进行导墙施工；
b2、成槽施工，同时布置接头管进行清槽；
b3、浇筑砼，在浇筑素混凝土前，首先检测槽深，确保成槽深度，然后放入导管进行浇筑；
b4、泥浆排出。
进一步地，导墙施工时，采用分段进行，并且在每幅导墙上设置溢流孔。
优选的，所述步骤b2的成槽施工过程中，布置有贮浆罐和泥浆池，所述贮浆罐用于置放向成槽内泵入的泥浆，所述泥浆池包括沉淀池、泥浆制作单元和循环单元。
进一步地，所述循环单元包括旋流器和振动筛。
地连墙成槽开挖过程中，为保证成槽稳定，要连续不断地向沟槽中供给新鲜泥浆，同时在水下混凝土浇筑过程中，有大量的泥浆排放出来，因此需要进行泥浆制作，同时对泥浆进行循环使用和处理废浆，确保连续墙施工的安全、质量、进度和文明施工。
优选的，所述步骤b4中，泥浆排出后进行排放或再生处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明的盾构换刀地连墙加固结构，提前在盾构机上预设开仓部位，可与盾构施工同时进行，不影响盾构施工进度，相比常规地面注浆预加固带压开仓换刀和岩层中常压开仓换刀的方法，本发明通过加固结构使得换刀工作受地层条件影响小，属于常压作业，工期短，费用少，避免地质灾害的安全隐患，能有效保障施工作业人员的人身安全；
2、通过在隧道掘进路线上布置地连墙，省去了对复杂地层进行地质勘探进而设置桩体位置的复杂过程，通过地连墙起到稳定周围土体，保护施工安全的作用，使施工过程更加直观、容易，施工效率更高；
3、素混凝土地连墙起到稳定周围土体的作用，同时起到挡土墙作用，将地连墙设置为包括第一幅素混凝土墙和第二幅素混凝土墙的结构形式，第一幅素混凝土墙作为盾构加固墙体，在盾构掘进直到盾构刀盘达到第二幅素混凝土墙时，第二幅素混凝土墙起到稳固掌子面及避免前方土体坍塌的作用，预防掌子面崩塌等地质灾害；
4、将地连墙设置为素混凝土地连墙的结构形式，使得盾构机在地连墙部位换刀的前后施工过程中，不仅能进行常压换刀，保证施工安全，而且还能直接在地连墙中进行掘进，保证连续施工过程，不会额外增加其他工序，换刀过程对盾构机和周围土体影响小，相比其他换刀方法加固作用更优，在换刀结束后可以直接保持稳定掘进外墙体中，加固掌子面后使常压开仓换刀适应于各种地形情况；
5、地连墙的长度（厚度）可根据盾构刀盘厚度进行调整，相比现有的盾构开仓方法，采取这种地连墙的结构形式，可控性强，操作简便快速，方法易推广，安全系数更高。
附图说明：
图1为本发明中盾构换刀地连墙加固结构的开仓换刀原理图。
图2为图1中盾构换刀地连墙加固结构的开仓换刀主视图。
图3为本发明中盾构换刀地连墙加固结构的开仓换刀断面图。
图4为本发明中盾构换刀地连墙加固施工方法的施工流程图。
图中标记：1-地连墙，11-第一幅素混凝土墙，12-第二幅素混凝土墙，2-地面，3-盾构机，4-盾构隧道设计轴线。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
如图1、图2和图3所示，盾构换刀地连墙加固结构，包括布置在隧道掘进路线上的地连墙1，该地连墙1为素混凝土地连墙，当盾构机刀具磨损后需要更换时，在掘进路线的换刀部位处设置有该地连墙1。
盾构机在掘进过程中，随着掘进深度的推进，刀具磨损越来越严重，盾构机掘进后需要进行换刀，换刀的距离长度介于某一区间长度范围内，可以根据经验判断刀具的磨损量，然后确定盾构进掘进长度进行刀具更换，从而能确定盾构机掘进后进行换刀的部位，因此确定换刀位置，所述地连墙即设置在该位置处，使地连墙的设置位置与盾构机掘进后进行换刀的长度部位相对应，从而在设置地连墙的部位进行常压换刀，避免出现开挖面塌陷、地面沉降等问题，保证施工安全。
将地连墙设置为素混凝土地连墙，使得盾构机在地连墙部位换刀的前后施工过程中，不仅能进行常压换刀，保证施工安全，而且还能直接在地连墙中进行掘进，保证连续施工过程，不会额外增加其他工序。
通过本实施例的盾构换刀地连墙加固结构，通过直接浇筑地连墙墙体的施工方式，达到对盾构机换刀部位的隧道土体进行加固，省去了对复杂地层进行地质勘探设置桩体进行加固的复杂过程，施工效率更高，通过地连墙的加固，使盾构机在掘进过程能进行常压换刀，达到稳定、高效、安全、经济和快捷开仓换刀的目的。
作为其中的一种优选实施方式，地连墙1沿掘进方向的中心线与盾构隧道设计轴线4处于同一个竖直平面上。
作为其中的一种实施方式，所述地连墙1包括用于加固盾构机头部土体的第一幅素混凝土墙11，以及支撑掌子面的第二幅素混凝土墙12，所述第一幅素混凝土墙11设置在盾构机3停机换刀的部位，所述第二幅素混凝土墙12紧挨第一幅素混凝土墙11前端部设置，盾构机3掘进进入第一幅素混凝土墙11预定加固位置后，在第二幅素混凝土墙12的保护下直接换刀，实现换刀过程的稳定、高效、安全和经济的开仓换刀的目的，第一幅素混凝土墙11处于换刀位置，主要起到加固盾头、稳定盾构掘进形态的作用，第二幅素混凝土墙12用于保持掌子面稳定，保证换刀过程的安全性。
作为其中的一种实施方式，所述地连墙1沿隧道掘进方向的长度为1.2m～3.0m，宽度为6m～12m，该地连墙1从隧道底部下方2m处延伸至地面2。
作为其中的一种优选实施方式，所述地连墙1沿隧道掘进方向的长度为1.6m～2.4m，宽度为8m～9m，该地连墙1从隧道底部下方1m处延伸至地面2。
进一步地，当地连墙1设置为第一幅素混凝土墙11和第二幅素混凝土墙12的结构形式时，单侧每幅地连墙的厚度为0.8m~1.2m。
作为其中的一种实施方式，所述盾构机3上预设有开仓部位，所述开仓部位与盾构机3需要更换刀具的安装部位相对应。
针对施工地层和盾构掘进参数，利用经验及预测方法计算出盾构刀具磨损量并确定需要换刀的位置，即主动在盾构机上预设开仓部位，使开仓部位与需要更换刀具的安装位置相对应，进行换刀。
实施例2
如图1、图2、图3和图4所示，盾构换刀地连墙的加固施工方法，在布置如实施例1中的盾构换刀地连墙加固结构时，按照下述施工步骤进行：
a、预设开仓部位，根据施工地层和盾构掘进参数预测盾构刀具磨损量，确定盾构机3需要换刀的位置，从而在盾构机3上预设开仓部位；
b、地连墙1施工，在位于盾构机3掘进后进行换刀的位置处，在隧道掘进路线上进行地连墙1施工；
c、盾构机3掘进到位后停机，盾构机3掘进至设置有地连墙1的部位后停机，盾构机3头部处于地连墙1的长度范围内；
d、开仓检测及换刀，作业人员从所述开仓部位进入到盾构机3内部进行常压开仓换刀、检测及维修工作；
e、恢复掘进，完成换刀后，关闭盾构机3开仓部位及舱门，同时加气推进，直至土仓中土压力与前方静止土压力接近后恢复正常推进；
所述步骤a和步骤b的施工顺序能进行互换。
作为其中的一种实施方式，所述步骤c中，所述地连墙1包括第一幅素混凝土墙11和第二幅素混凝土墙12，所述第二幅素混凝土墙12紧挨第一幅素混凝土墙11钻进方向的前端部设置，盾构机3将所述第一幅素混凝土墙11掘进完成且盾构头部进入第一幅素混凝土墙11范围后，盾构机刀盘到达预设的换刀位置处后停止掘进。
作为其中的一种实施方式，所述步骤b中，采用液压抓斗槽壁机成槽施工，槽段开挖时配备膨润土制作泥浆护壁，并采用双导管水下灌注混凝土的方式进行浇筑，在采用双导管进行灌注时，先布置浇灌架，使浇灌架准确就位，从而对导管进行精确定位，保证混凝土浇筑质量。
作为其中的一种实施方式，所述步骤b中，对地连墙1施工时，包括以下步骤：
b1、开挖导沟，并进行导墙施工；
b2、成槽施工，同时布置接头管进行清槽；
b3、浇筑砼，在浇筑素混凝土前，首先检测槽深，确保成槽深度，然后放入导管进行浇筑；
b4、泥浆排出。
进一步地，导墙施工时，采用分段进行，并且在每幅导墙上设置溢流孔。
作为其中的一种实施方式，所述步骤b2的成槽施工过程中，布置有贮浆罐和泥浆池，所述贮浆罐用于置放向成槽内泵入的泥浆，所述泥浆池包括沉淀池、泥浆制作单元和循环单元，所述循环单元包括旋流器和振动筛。
地连墙成槽开挖过程中，为保证成槽稳定，要连续不断地向沟槽中供给新鲜泥浆，同时在水下混凝土浇筑过程中，有大量的泥浆排放出来，因此需要进行泥浆制作，同时对泥浆进行循环使用和处理废浆，确保连续墙施工的安全、质量、进度和文明施工。
作为其中的一种实施方式，所述步骤b4中，泥浆排出后进行排放或再生处理。
作为其中的一种实施方式，所述步骤d中，具体包括以下步骤：
d1、开仓前强制通风换气和气体检测；
d2、气体检测合格后，逐渐打开舱门，首先对掌子面安全做初步确定，确保安全稳定后停止泡沫系统的工作；
d3、作业人员从盾构机内部进仓检查更换刀具，根据滚刀、刮刀更换标准，遵循“拆一装一”的换刀原则，各组人员换刀时应统一采用“逐臂更换”或“由外到内”或“由内到外”等换刀顺序；
d4、换刀作业完成，作业人员全部撤离后专人对刀具和土仓及刀盘情况进行全面检查。