通过饱水砂层并在砂层中有大量孤石的盾构开挖方法与流程

本发明涉及地铁、输水隧洞、地下管廊等地下工程的浅埋盾构技术领域，尤其涉及一种通过饱水砂层并在砂层中有大量孤石的盾构开挖方法。

背景技术：

地铁或浅埋的地下管道穿越工程进行施工的过程中，不时会遇到埋于泥、砂等地层中的孤石(或称滚石)，需要对其进行破碎处理。

目前，如果孤石块径较小，例如最大径小于40cm，可以采用常用的圆盘切削式的刀盘和刀头进行破碎，但是，除了大直径(约10m直径以上)的刀盘外，刀盘上的开口一般均仅能通过≤50cm的孤石。再大的孤石(直径＞50cm)则要通过爆破、粉碎等方法破碎之。但在城市中，利用打孔爆破的方法破碎大孤石往往是不容许的。而若孤石量达到每千延米地铁或管线达到几百、上千块，则对施工的影响极大。特别是当盾构机从河下穿过，或地下水十分丰富时采用进舱处理孤石，或在地面上打孔爆破困难时，则施工难度更大。所以，需要开发一种方法来解决在城市中地下水丰富或在下穿河、湖、浅海时对大直径孤石进行破碎的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种通过饱水砂层并在砂层中有大量孤石的盾构开挖方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种通过饱水砂层并在砂层中有大量孤石的盾构开挖方法，采用开舱式的盾构装置，该盾构装置采用反铲式的挖掘器具作开挖，并将土、砂、石、孤石扒向开挖舱，通过皮带运输机运出，同时使用破碎器将大孤石进行破碎；在饱水砂层中开挖过程中，所述盾构装置的开挖舱及操作舱内充入大于舱内水压的高压气体来阻止水、砂、泥的涌入，并向掌子面喷射泡沫来防止掌子面泥、砂的坍塌妨碍开挖的有序进行。

优选地，所述盾构装置还包括多个过渡舱，所述过渡舱的压力低于开挖舱和操作舱，且所述过渡舱位于所述操作舱之后，沿远离所述操作舱的方向排列，所述过渡舱的压力逐渐减小，操作人员进入盾构装置的过程中，首先进入气压低的舱中停留一段时间适应后，再进入压力更高的舱中，操作人员离开盾构装置的过程中，首先进入气压低的舱中停留一段时间适应后，再进入压力更低的舱中。

优选地，所述过渡舱设置为两个，分别为第一过渡舱和第二过渡舱，所述第一过渡舱靠近所述操作舱设置，所述第二过渡舱之后设置有控制舱，所述开挖舱中设置有多个摄像头，所述控制舱中设置有显示器和控制器，所述摄像头将监控图像发送至所述显示器并显示，操控人员根据显示内容通过所述控制器远程控制各操作机械进行工作。

优选地，所述皮带运输机包括前段和后段，从开挖舱扒向皮带运输机的土、砂、石、孤石，首先进入位于开挖舱中的皮带运输机前段，所述前段运出的土、砂、石、孤石通过密封漏斗，再卸入位于与所述第二过渡舱气压一致的工作密封过渡舱的皮带运输机后段，最后通过自然气压舱运出。

优选地，所述反铲式的挖掘器具、破碎器以及用于向掌子面喷射泡沫的喷射器均安装在所述操作舱的前端，在开挖舱中工作。所述操作舱、过渡舱和控制舱位于上层，且从前端至后端依次排列，所述开挖舱、工作密封过渡舱和自然气压舱位于下层，且从前端至后端依次排列，各舱之间通过钢板焊接连接，每个舱均设置有密封门，操作人员可通过所述密封门从操作舱或第一过渡舱进入开挖舱，从开挖舱进入工作密封过渡舱，经过工作密封过渡舱进入自然气压舱。

优选地，所述开挖舱及操作舱充入的气体压力比舱内水压高0.05～0.10mpa。

优选地，在开挖过程中，不断测量掌子面上及附近的砂层、土层中的水压。

优选地，在各舱中，均设置至少两个摄像头和对讲装置，且将摄像头和对讲装置均与总控室或调度室连接。

本发明的有益效果是：本发明提供的通过饱水砂层并在砂层中有大量孤石的盾构开挖方法，采用前方敞开式(开胸式)的开挖舱，用反铲式挖掘机开挖，并配带破碎器破碎孤石，采用气压法通过富水砂层开挖段，在开挖舱和操作舱中均充入一定压力的空气以抵抗水压力，保持隧道(隧洞)掌子面的止水和稳定。所以，采用本发明提供的上述方法，在有大量孤石和通过河、湖、海底下及其它有水饱和砂层的地质情况下，既可以保证安全开挖，阻止水、砂、泥涌入开挖舱和操作舱，通过向掌子面喷射泡沫来防止掌子面泥、砂的坍塌妨碍开挖的有序进行，又可以通过破碎器破碎孤石，解决在城市中富水砂层和水下开挖时对大直径孤石进行破碎的问题。

附图说明

图1是盾构装置的侧视图；

图2是盾构装置的正视图；

图中，各符号的含义如下：

1顶管的混凝土管或管片、2气压舱钢外壳、3开挖舱、4操作舱、5反铲式的挖掘器具、6破碎器、7-1第一过渡舱、7-2第二过渡舱、8密封门、9-1皮带运输机前段、9-2皮带运输机后段、10-a工作密封过渡舱、10-b自然气压舱、11控制舱、12用于安装反铲式的挖掘器具和破碎器的机械构件、13密封漏斗、14扶梯、15钢板、16喷射器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

本发明实施例提供了一种通过饱水砂层并在砂层中有大量孤石的盾构开挖方法，采用开舱式的盾构装置，该盾构装置采用反铲式的挖掘器具作开挖，并将土、砂、石、孤石扒向开挖舱，通过皮带运输机运出，同时使用破碎器将大孤石进行破碎；在开挖过程中，所述盾构装置的开挖舱及操作舱内充入大于舱内水压的高压气体来阻止水、砂、泥的涌入，并向掌子面喷射泡沫来防止掌子面泥、砂的坍塌妨碍开挖的有序进行。

盾构装置的结构可参见图1-2所示。

本发明提供的上述方法中，采用前方敞开式(开胸式)的开挖舱，用反铲式挖掘机开挖，并配带破碎器破碎孤石，从而可以解决在城市中和水下掘进时对大直径孤石进行破碎的问题。反铲式挖掘机是主要的开挖机械，无论掌子面是砂层还是粘土层，用反铲开挖均很容易。大、中、小块的孤石也能容易地挖入开挖舱，并通过皮带运输机(卷扬机)将渣土石运出。其中，较大块孤石可以由破碎器破碎成小块。本发明中，采用气压法通过开挖段时，在开挖舱和操作舱中均充入一定压力的空气以抵抗水压力，保持隧道(隧洞)掌子面的止水和稳定。本实施例中，充入的气压可以高于隧道掌子面的水压0.05～0.10mpa；在实际应用过程中，开挖舱和操作舱中所充气压可以先作计算，根据水头高度以10m水头高度为1个大气压即约0.1mpa为标准，加1个大气压，再高0.05～0.10mpa作为计算值。

所以，采用本发明提供的上述方法，在有大量孤石和通过河底下及其它有水饱和砂层的地质情况下，既可以保证安全开挖，阻止水、砂、泥涌入开挖舱和操作舱，通过向掌子面喷射泡沫来防止掌子面泥、砂的坍塌妨碍开挖的有序进行，又可以通过破碎器破碎孤石，解决在城市中对和水下大直径孤石进行破碎的问题。

所述盾构装置还包括多个过渡舱，所述过渡舱的压力低于开挖舱3和操作舱4，且所述过渡舱位于所述操作舱4之后，即沿远离所述操作舱4的方向排列，所述过渡舱的压力逐渐减小，操作人员进入盾构装置的过程中，首先进入气压低的过渡舱中停留一段时间适应后，再进入压力更高的舱中，操作人员离开盾构装置的过程中，首先进入气压低的舱中停留一段时间适应后，再进入压力更低的舱中。

本发明实施例中，为了阻止水、砂、泥涌入开挖舱和操作舱，在开挖舱及操作舱内充入大于舱内水压的高压气体，操作人员如果从自然常压直接进入高压的开挖舱及操作舱内，就会出现各种高压反应。所以，本发明中，在盾构装置中设置了多个过渡舱，当需要操作人员进入开挖舱及操作舱内时，则可以利用气压逐渐升高的多个过渡舱进行过渡，使操作人员逐步适应压力的升高，最后再进入到高压的开挖舱及操作舱内。即首先进入气压低的过渡舱中停留一段时间适应后，再进入压力更高的舱中，操作人员离开盾构装置的过程中，首先进入气压低的过渡舱中停留一段时间适应后，再进入压力更低的舱中。

在本发明的一个优先实施例中，所述过渡舱可以设置为两个，分别为第一过渡舱7-1和第二过渡舱7-2，所述第一过渡舱7-1靠近所述操作舱4设置，所述第二过渡舱在7-2之后设置，其后有控制舱11，所述开挖舱3中设置有多个摄像头，所述控制舱11中设置有显示器和控制器，所述摄像头将监控图像发送至所述显示器并显示，操控人员根据显示内容通过所述控制器远程控制各操作机械进行工作。本发明中，可以在开挖舱内设置多个摄像头，比如7～20个摄像头对开挖舱的操作情况进行监控，操作人员可以在正常气压的控制舱11中通过监控摄像在显示屏上显示的图像对各操作机械(反铲式的挖掘器具、破碎器和用于向掌子面喷射泡沫的喷射器等)进行远程操作。这样，一般情况下操作人员不必每天进出高压的操作舱或开挖舱工作。

必要时，操作人员可进入操作舱中，直接通过其前方的玻璃窗观察和操作各机械(反铲式的挖掘器具、破碎器和用于向掌子面喷射泡沫的喷射器等)。

必要时其他工作人员可以通过操作舱侧的密封门出舱，通过上、下用的扶梯14进入开挖舱工作，并维修反铲式的挖掘器具、破碎器、皮带运输机和漏斗等。

操作人员在进入或离开高压舱时，可以通过过渡舱进行过渡，以适应压力的变化。其中，对于过渡舱中压力，可以根据开挖舱和操作舱中的所充气压进行设置。例如，若水压为1.5大气压(水头约15-16m)，即大致相当于0.15mpa，加水面以上空气约1个大气压，即开挖舱应承受0.25mpa的压力，故在开挖舱和操作舱中应充压约0.30mpa。工作人员可以先进入压力低的过渡舱，其中可充0.175mpa压力的气体；待适应后再进入压力稍高的过渡舱，其中可以充0.25mpa压力的气体；待适应后再进入开挖舱和操作舱。在过渡舱中适应时间可为0.5～1.5个小时。

所述皮带运输机包括前段9-1和后段9-2，开挖舱的土、砂、石、孤石，首先进入位于开挖舱3中的皮带运输机前段9-1，所述前段运出的土、砂、石、孤石通过密封漏斗13，再卸入位于与所述第二过渡舱7-2气压一致的工作密封过渡舱10-a的皮带运输机后段9-2，最后传输并通过自然气压舱10-b运出。

开挖舱挖出的泥、砂、孤石等，通过皮带运输机向舱外运出。由于开挖舱充了高压的气体，皮带运输机前段9-1位于开挖舱中，所以其压力与开挖舱一致。它运出的泥、砂、孤石等要通过密封漏斗13，再卸入位于与第二过渡舱气压一致的工作密封过渡舱的皮带运输机后段9-2，最后传输并通过自然气压舱运出。

本实施例中，所述反铲式的挖掘器具5、破碎器6以及用于向掌子面喷射泡沫的喷射器16均安装在所述操作舱4的前端，所述操作舱4、过渡舱5、6和控制舱11位于上层，且从前端至后端依次排列，所述开挖舱3为全断面敞开式、工作密封过渡舱10-a和自然气压舱10-b位于下层，且从前端至后端依次排列，各舱之间通过钢板15焊接连接，每个舱均设置有密封门8，操作人员可通过所述密封门8从操作舱4或第一过渡舱7-1进入开挖舱3，从开挖舱3进入工作密封过渡舱10-a，经过工作密封过渡舱10-a进入自然气压舱10-b。

其中，各道密封门都是用以隔离各不同压力舱，密封门是进出各不同压力舱的必须通过的门。各个舱的结合部都用钢板焊接连接，防止不同压力舱漏气。

所述开挖舱3及操作舱4充入的气体压力比舱内水压高0.05～0.10mpa。

在开挖过程中，要不断测量掌子面上及附近的砂层、土层中的水压。

本发明中，可以随时监测开挖舱掌子面及侧墙的砂、土中的水压，并对开挖舱、操作舱及过渡舱中的充气气压做调整。

在各舱中，均设置至少两个摄像头和对讲装置，且将摄像头和对讲装置均与总控室或调度室连接。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：本发明提供的通过饱水砂层并在砂层中有大量孤石的盾构开挖方法，采用前方敞开式(开胸式)的开挖舱，用反铲式挖掘机开挖，并配带破碎器破碎孤石，采用气压法通过开挖段，在开挖舱和操作舱中均充入一定压力的空气以抵抗水压力，保持隧道(隧洞)掌子面的止水和稳定。所以，采用本发明提供的上述方法，在有大量孤石和通过河底下及其它有水饱和砂层的地质情况下，既可以保证安全开挖，阻止水、砂、泥涌入开挖舱和操作舱，通过向掌子面喷射泡沫来防止掌子面泥、砂的坍塌妨碍开挖的有序进行，又可以通过破碎器破碎孤石，解决在城市中和水底下对大直径孤石进行破碎的问题。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。