复合地层盾构带压开仓多重组合护壁加固结构的制作方法

本实用新型针对地下隧道工程盾构施工过程中的带压开仓技术领域，具体是一种复合地层盾构带压开仓多重组合护壁加固结构。

背景技术：

随着我国国民经济和城市交通建设的不断发展，全国已掀起了地下轨道交通建设的高潮，在地下轨道交通建设施工中都把安全、质量放在首位，特别是高风险地段、穿越江河地段，而盾构法具有的安全、快捷、防水质量好、开挖面稳定、开挖精度高等优点在现代城市地下工程建设中受到人们的青睐。盾构机带压开仓检修属于高风险作业，严重威胁着施工人员的安全，同时，现有技术均为预先定点预先加固土体，盾构掘进到位后进行开仓检修，而施工过程中情况复杂，盾构施工中常遇到突发情况，突发状况中常未预先设置加固点，如何安全高效完成带压开仓检修工作成为又一重要课题，对盾构机动就近选址带压开仓技术进行深入研究，是非常必要和迫切的。盾构施工施工过程中，复杂的地质情况会引发突发情况，如何快速、高效、安全的处理盾构掘进过程中的突发问题，成为一个重要课题。

从目前国内的施工案例来看，采用旋喷桩或WSS注浆形成的常规加固类开仓技术，在城市轨道隧道领域广泛使用。此类工法需根据地质情况预判刀具磨损情况、预先选定盾构开仓位置，机动灵活性不足，如遇地质突发情况、刀盘刀具质量不稳定或盾构操作不当，刀盘刀具在到达已加固换刀区前就已磨损待换，无法满足要求。另外此类方案加固施工时间长(常规1个月)，加固完成后还需等强度及均匀性取芯检测，且向地层中注入大量水泥浆，使周围土体呈碱性，对地下水污染较大；加固翻浆对环境影响较大。在地层中部分区域被加固，周围地层未加固，地质运动过程中发生不均匀受力和形变，易导致地面建筑的不均匀沉降。

实验室内对单层泥膜或单层衡盾泥壁进行气密性试验，试验结果表明，单一采用单层泥膜或衡盾泥壁难以抵消开挖面的静止土压力，在此工程地质稳定性较差的地层中，风险极高，安全系数低。

技术实现要素：

本实用新型根据现有技术存在的加固换刀点，费用高、耗时长、机动灵活性低、安全系数低等问题，提供一种在复合地层盾构带压开仓多重组合护壁加固结构；该加固结构首先采用盾构机盾体上径向孔注入特定配比惰性浆液填充盾壳外间隙，然后在泥水仓内先建立一层膨润土泥浆渗入土体的泥膜，对地层中的砂层等进行初次密封和稳固，最后利用衡盾泥对掌子面进行二次密封和支撑加固，膨润土泥浆泥膜和衡盾泥泥壁“双重泥壁”加盾体惰性厚浆形成一种新型结构，可以解决带压开仓过程中掌子面不稳和气密性差的问题。

本实用新型提供的技术方案：所述一种复合地层盾构带压开仓多重组合护壁加固结构，其特征在于：所述加固结构包括包裹在盾构机盾体外的惰性厚浆加固层和覆盖在盾构机刀盘面板上双重泥浆保护层，所述双重泥浆保护层是由从盾体向外依次覆盖在盾构机刀盘面板上的衡盾泥泥壁和膨润土泥浆膜，所述膨润土泥浆膜是通过向土仓内注入带压膨润土泥浆在掌子面形成的泥膜层，所述衡盾泥泥壁是在膨润土泥浆膜形成之后通过向土仓内注入衡盾泥在膨润土泥浆膜与盾构机刀盘面板之间形成的泥壁层；所述惰性厚浆加固层是采用盾构机的同步注浆泵分别从中盾和前盾的径向孔向盾体外注入惰性厚浆形成加固层。

本实用新型较优的技术方案：所述膨润土泥浆膜是采用漏斗粘度 28s～30s的泥浆注入泥水仓，并保持注入压力为掌子面水土压力加0.2～ 0.3bar，使泥浆均匀渗入掌子面土体在掌子面形成一层3～9cm的泥膜层；所述衡盾泥泥壁是在膨润土泥浆膜形成之后，采用衡盾泥置换土仓内膨润土泥浆，刀盘以0.05～0.1r/min的转速转动一圈，使衡盾泥均匀涂抹在掌子面原有膨润土泥浆膜上，随后用同压力气体缓慢置换出衡盾泥，在原有膨润土泥浆膜和刀盘面板之间会形成的5～12cm厚衡盾泥层。

本实用新型较优的技术方案：在盾构机盾体的前盾或中盾上分别开设有六个径向孔，其六个径向孔成环形等距分布在盾体上，所述惰性厚浆加固层是将制备好的厚浆采用盾构机佩带的同步注浆泵分别从中盾和前盾上的六个径向孔向盾体外注浆形成，其注浆压力为大于盾构机外地下水土压的0.3～0.5bar。

本实用新型较优的技术方案：在注入膨润土泥浆膜之前，采用漏斗黏度25s～28s的泥浆在泥浆系统中充分环流，使泥水仓中的石渣通过泥水循环排出至地面分离系统。

本实用新型较优的技术方案：在盾构机的盾尾后侧的管片外注浆形成一圈阻隔地下水渗水通道的止水环。

本实用新型较优的技术方案：所述形成惰性厚浆加固层的惰性厚浆为塌落度为210mm～230mm的厚浆。

本实用新型是在复合地层盾构带压开仓前，先通过盾构机中盾或前盾上的径向孔向盾体外部注入惰性浆液，充填盾构机外壳与土体之间间隙，随后将高浓度的膨润土泥浆注入泥水仓中，利用压力使泥浆渗入掌子面土体，在掌子面上形成一层泥浆泥膜，最后使用调配好的衡盾泥与泥浆进行置换，使刀盘前方掌子面上形成第二层泥壁。本实用新型将膨润土泥水泥膜和衡盾泥泥壁在掌子面有效结合，泥水泥膜气密性好，但泥膜柔软，衡盾泥泥壁稳固性强，但柔韧性不足，泥膜密封在外泥壁支撑在内结合后在气密性和支撑稳固性上远大与“1+1＝2”的效果。而盾体外惰性厚浆有效隔断盾构机盾尾后方水土流动，惰性厚浆相比传统水泥砂浆具有流动可塑性强的特点，优越的流动可塑性能更好堵塞土仓与盾尾之间的通道和间隙，同时不易糊在盾体盾壳外影响后期掘进；惰性厚浆相比膨润土、塑料泡沫剂等又具有粘聚性和稳固性，不易让地下水冲刷流失进而影响盾构土仓密闭安全性。泥浆泥膜和衡盾泥泥壁“双重护壁”加盾体外惰性厚浆新型带压开仓技术较常规预加固带压开仓大大提高了工作效率，缩短了工期，增加盾构带压开仓的安全性的同时并成倍节约了施工成本。

本实用新型的“双重护壁”加盾体外厚浆带压开仓法适应性强，在富水砂层、上软下硬、软塑或流塑性地层及复合地层中均可使用，对富水砂层的作用较好，时效性及稳定性较强。与国内常用的旋喷桩、WSS注浆加固及冷冻法等加固类施工方法相比较，突发状况需开仓检修，“双重护壁”加盾体外厚浆带压开仓法可以就原地进行；盾体惰性厚浆和掌子面“双重泥壁”使盾构土仓形成一个完全稳固气密的空间，完全满足不良地层密封稳固性的要求，能够安全有效保证检修人员带压进仓进行检修作业；“双重护壁”加盾体外厚浆带压开仓法从停机到恢复掘进检修施工工期比加固类方法减少约20天；“双重护壁”加盾体外厚浆带压开仓法仅在地下盾构土仓内进行，无加固类方法地面注浆环境破坏等问题。“双重护壁”加盾体外厚浆带压开仓技术，实现了盾构带压开仓安全、高效、快捷、稳定的施工，对今后构在复合地层中带压开仓检查等极强的实用性，时效性及稳定性较强，有效的在掌子面上形成泥膜，密封效果好，解决了气体置换过程中的漏气问题。

本实用新型能使掌子面得到快速有效的加固，避免大量大范围的注浆加固，同时，施工过程中常遇突发情况，传统工法需预先选定开仓检修点位无法满足施工要求，双重护壁加盾体厚浆法在盾构机土仓前隔断掌子面水土涌入，同时封堵了盾构机盾尾后地下水土流入土仓的通道，在盾构机土仓周围上形成一个完全稳固气密的空间，有效的解决了盾构带压开仓稳固性和气密性差影响检修作业人身安全的问题。实现了安全、快速、便捷的方式进行带压换刀，使盾构机尽快恢复掘进，较常规预定点开仓换刀技术，有极大的创新与突破，同时在成本费用上成倍缩减。

附图说明

图1是通过中盾或前盾的径向孔向盾体外部注入厚浆的示意图；

图2是膨润土泥浆循环排出土仓内渣土并在掌子面形成泥膜的示意图；

图3、图4是衡盾泥置换土仓内的膨润土泥浆并在泥膜上形成泥壁的示意图；

图5是带压空气置换土仓内的衡盾泥；

图6是惰性厚浆径向孔位置示意图。

图中：1—盾构机盾体，2—惰性厚浆加固层，3—盾构机刀盘面板，4 —衡盾泥泥壁，5—膨润土泥浆膜，6—径向孔，7—止水环，8—泥浆注入扣，9—排浆口，10—土体，11—土仓。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明，如图1至图5所示，所述一种复合地层盾构带压开仓多重组合护壁加固结构，其特征在于：所述加固结构包括包裹在盾构机盾体1外的惰性厚浆加固层2和覆盖在盾构机刀盘面板3上双重泥浆保护层，所述双重泥浆保护层是由从盾体向外依次覆盖在盾构机刀盘面板3上的衡盾泥泥壁4和膨润土泥浆膜5，所述膨润土泥浆膜5是通过向土仓内注入带压膨润土泥浆在掌子面形成的泥膜层，所述衡盾泥泥壁4是在膨润土泥浆膜5形成之后通过向土仓内注入衡盾泥在膨润土泥浆膜5与盾构机刀盘面板3之间形成的泥壁层；所述惰性厚浆加固层2是采用盾构机的同步注浆泵分别从中盾和前盾的径向孔6向盾体1 外注入惰性厚浆形成加固层，所述形成惰性厚浆加固层2的惰性厚浆为塌落度为210mm～230mm的厚浆。所述膨润土泥浆膜5是采用漏斗粘度 28s～30s的泥浆注入泥水仓，并保持注入压力为掌子面水土压力加0.2～ 0.3bar，使泥浆均匀渗入掌子面土体在掌子面形成一层3～9cm的泥膜层；所述衡盾泥泥壁4是在膨润土泥浆膜5形成之后，采用衡盾泥置换土仓内膨润土泥浆，刀盘以0.05～0.1r/min的转速转动一圈，使衡盾泥均匀涂抹在掌子面原有膨润土泥浆膜5上，随后用同压力气体缓慢置换出土仓内衡盾泥，在原有膨润土泥浆膜5和刀盘面板之间会形成的5～12cm厚衡盾泥层。

如图4所示，在盾构机盾体1的前盾或中盾上开设有六个径向孔6，其六个径向孔6成环形等距分布在盾体上，所述惰性厚浆加固层2是将制备好的厚浆采用盾构机佩带的同步注浆泵分别从中盾和前盾上的六个径向孔 6向盾体外注浆形成，其注浆压力为大于盾构机外地下水土压的0.3～ 0.5bar。

在注入膨润土泥浆膜5之前，采用漏斗黏度25s～28s的泥浆在泥浆系统中充分环流，使泥水仓中的石渣通过泥水循环排出至地面分离系统。为了增加密封效果，可以在盾构机的盾尾后侧的管片外注浆形成一圈阻隔地下水渗水通道的止水环7，其止水环也可以直接通过注入惰性厚浆形成。

下面结合实例对本实用新型具体实施步骤及控制要求进行详细说明：

1、施做盾体外惰性厚浆

(1)厚浆制备设备包括磅称、定量水箱、泥浆搅拌机等，制备的厚浆应满足良好的长期稳定性及流动性、良好的充填性能等；厚浆制备配合比如下:

(2)惰性厚浆配置完成后，如图1所示，采用盾构机佩带的同步注浆泵从中盾或前盾上等距离设置的六个径向孔向盾体外注，注浆压力为大于盾构机外地下水土0.3～0.5bar；

2、施做膨润土泥浆泥膜

(1)膨润土泥浆的制备：膨润土泥浆材料采用采用Ⅱ级钙基膨润土泥浆；分散剂为工业碳酸钠(Na2CO3)；降失水增粘剂为中粘类羧甲基纤维素钠(CMC)，配制泥浆用水采用淡水，拌制设备包括磅称、定量水箱、泥浆搅拌机、药剂贮液桶等。搅拌前先做好药剂配制，纯碱液配制浓度为1：10～ 1：5，CMC液对高粘度泥浆的配制浓度为1.5％；搅拌时先将水加至1/3，再把CMC粉缓慢撒入，用软轴搅拌器将大块CMC搅拌成小颗粒，继续加水搅拌，配制好的CMC液静止6h后方可使用。泥浆搅拌前先将水加至搅拌筒1/3 后开动搅拌机，在定量水箱不断加水同时，加入膨润土、纯碱液，搅拌3min 后，加入CMC液继续搅拌。搅拌好的泥浆应静置24h后使用。本方法中需要的两种不同黏度的泥浆采用相同的配方和配置方法，通过降失水增粘剂用量即可调配，分别为漏斗黏度25s～28s的泥浆和漏斗黏度在28s～30s 的泥浆其膨润土泥浆的配方如下：

膨润土泥浆配合比(1m³浆液)

(2)第一层泥浆泥膜施做，先将制备好的漏斗黏度25s～28s的泥浆在泥浆系统中充分环流，使泥水仓中的石渣通过泥水循环排出至地面分离系统；然后将制备好的漏斗黏度在28s-30s的泥浆注入泥水仓，保持注入压力为掌子面水土压力加0.2-0.3bar，如图2所示，使泥浆均匀渗入掌子面土体，在掌子面形成一层3-9cm泥膜；

3、施做第二层衡盾泥护壁(如图3至图5所示)

(1)衡盾泥配制：

①衡盾泥材料包含A、B两种原材料，A料为干粉状，B料为液体。

②配制流程：称重A组份→加入需用的水量→充分搅拌均匀(要求无结团微粒)→B组份与A组份浆体中按配比混合→泵送至泥水仓。

A组份：水＝1:1.5～1:3.0(浆体)

A组份浆体：B组份＝12.5:1～20:1

③A液制作，衡盾泥A液泥浆可以在地面制作，也可以在隧道内制作，搅拌均匀无颗粒状，无干粉状，无块状。

④A液与B液混合，通过台车上同步注浆罐，将A液与B液倒入卧式搅拌槽内进行混合，A液放量不能超过卧式搅拌叶片的2/3高度，每次1-2m³，2min后目测效果。

(2)衡盾泥置换膨润土泥浆：置换前应泥浆循环一段时间，确保泥水仓内的残余石块被排出，由于衡盾泥比重大于泥浆比重，为了充分置换，衡盾泥应从泥水仓隔板下部孔(4、8点位)注入，泥浆从泥水仓隔板上部孔 (12点位)排出；置换过程中，注入压力为掌子面水土压力加0.3～0.5bar，密切观察泥水仓上部压力变化，动态控制仓内压力，要求如下：

①注入进行至一定程度后，泥水仓压力基本稳定，压降较小，应打开泥水仓隔板上部孔位排出泥浆，但应保证排泥量与注入量基本平衡，控制泥水仓压力为掌子面水土压力加0.2～0.3bar，并做好记录。

②当排出的泥浆出现衡盾泥成分时，可慢速(0.05-0.1rpm)旋转刀盘 20～50°，再继续压浆；可以根据注入点位与出土口的相对位置关系自由选择刀盘正转或者反转，刀盘旋转方向，应保持该方向旋转，直至泥水仓置换完成。

③当刀盘旋转一周后，且上部孔位排出的泥浆连续为衡盾泥时，停止注入。

④刀盘的缓慢转动使衡盾泥均匀涂抹在掌子面原有膨润土泥浆膜上，随后用同压力气体缓慢置换出衡盾泥，在衡盾泥在原有膨润土泥浆膜上和刀盘面板之间会形成第二层5～12cm厚衡盾泥泥壁。

至此膨润土泥浆泥膜和衡盾泥泥壁“双重泥壁”加盾体惰性厚浆稳固且密闭的结构完全形成，在常规气压保压试验检测合格后，即可进行后续检修人员带压进仓检修作业。

对于本领域的工作人员来说，可以根据上述方案进行作出各种变更，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依照本发明的技术方案进行的变更，等同变化或修饰，均应包括在本发明权利要求的保护范围之内。