超高水压长距离海底盾构隧道主动换刀结构及施工方法与流程

本发明属于隧道和地下工程设计与施工技术领域，特别涉及超高水压长距离海底盾构隧道主动换刀结构及施工方法。

背景技术：

随着社会的快速发展，盾构法隧道的建设在我国取得了非常迅猛的发展，被运用在城市地铁、道路、管廊、水利工程等各个领域，目前国内建成、在建的盾构法隧道总里程已达数千公里，相关技术也日趋成熟。而穿越江河湖海的水下盾构隧道是技术难度最大的盾构法隧道，国内外工程建设中屡屡发生重大安全事故，造成巨大损失。

高水压、长距离掘进条件下的穿江越海盾构法隧道面临最大的难题就是换刀作业。对于长距离的海底隧道盾构掘进，盾构刀具的磨损在所难免，一般地层200～500m就需要采用更换刀具的方式保证盾构机的破岩能力和继续掘进能力。目前常用的几种换刀方式包括开舱常压换刀技术、带压进舱换刀技术、饱和气体带压进舱换刀技术和基于换刀装置的常压换刀技术等。

目前地铁盾构隧道一般掘进距离短(1km)，埋深大多低于25m，采用压缩空气带压进舱换刀；如果埋深更大水压超过60m(南京长江隧道)，采用饱和气体带压换刀，费用高及工效极低。对于开舱常压换刀需要在硬岩地层或者对地层进行加固，基于换刀装置的常压换刀则不能完全更换刀具，只能更换35％～40％的刀具。更重要的是，目前盾构隧道工程都是在掘进过程中根据监测结果发现刀具需要更换时，再停机进行换刀作业，被动的换刀作业安全风险很高，施工周期很长。同时，在水压超过1mpa(100m水头高度)时，还没有实践方面的经验，这时候工人进入舱内能够作业的时间很短，而且出舱后还容易身体伤害。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的传统盾构法隧道带压换刀方法采用被动方式不能应用于超高水压海底隧道且安全风险大的技术问题，提供超高水压长距离海底盾构隧道主动换刀结构及施工方法，可达到实现海底盾构隧道超高水压条件下的换刀作业，确保盾构机能够高效安全掘进，结构受力合理，施工方便快捷，减小换刀时间并降低施工风险的有益效果。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：超高水压长距离海底盾构隧道主动换刀结构，包括海上作业平台(1)、预设加固区(4)、盾构机(12)，还包括盾构机保护结构(5)；所述海上作业平台(1)、预设加固区(4)间通过注浆孔(2)连接；所述盾构机(12)设于盾构机保护结构(5)内，设有刀盘(11)的一端朝向预设加固区(4)；所述盾构机保护结构(5)靠近刀盘(11)所在端的侧面均匀固定设有多个洞内补充加固结构(3)；

所述盾构机(12)相对刀盘(11)的另一端外表面固定设有二次补充注浆结构(8)，内侧固定设有多个加强注浆管片(9)，所述加强注浆管片(9)内设有多个预留注浆孔(10)；所述盾构机(12)位于盾构机保护结构(5)、二次补充注浆结构(8)之间的外表面固定设有盾尾隔水加固环(7)。

作为优选，所述预设加固区(4)为结合海底隧道的地质、埋深、海水深度等条件，沿隧道纵向间隔一定距离设置的加固区域，同时在水压最高处、地质变化处等特征部位设置，所述预设加固区(4)在盾构掘进之前先行设置。

作为优选，所述盾尾隔水加固环(7)由盾尾后方2～4环管片注浆形成。

作为优选，所述二次补充注浆结构(8)由加强注浆管片(9)注浆形成，在预设加固区(4)内形成常压换刀条件，实现快速高效的超高水压盾构刀具更换。

作为优选，所述海上作业平台(1)位于预设加固区(4)上方的海面，用于实施所述预设加固区的平台，放置注浆机械设备等，打设注浆孔，下管对地层进行加固；所述海上作业平台(1)采用固定的船体拼接而成或采用钢结构和钢管桩基础建设而成。

作为优选，所述洞内补充加固结构(3)为在盾构机掘进进入预设加固区(4)后，停机利用盾构机中部超前孔进行水平超前注浆形成，环向设置16个超前孔，对刀盘(11)前方地层进行补充注浆加固。为在盾构机掘进进入所述预设加固区后，停机利用盾构机中部超前孔进行水平超前注浆施工，对刀盘前方地层进行补充注浆加固。

作为优选，预设加固区(4)和洞内补充加固结构(3)联合形成土体注浆止水加固区域，保证土体止水和加固效果。注浆参数根据海水和地层试验确定，实施后进行检验。注浆孔间距1500mm×1500mm，梅花型布置，注浆浆液采用水泥水玻璃双液浆。

作为优选，隔水加固环为在所述预设加固区尽段与管片交接处，自管片注浆孔内注入聚氨酯等化学浆液，形成环状加固区封堵后方来水。隔水加固环长度根据水头高度确定，一般需对盾尾后方4～8环管片实施注浆堵水。

作为优选，每块所述加强注浆管片(9)均留设1～2个预留注浆孔(10)。

作为优选，预设加固区4为结合海底隧道的地质、埋深、海水深度等条件，沿隧道纵向间隔一定距离设置的加固区域，同时在水压最高处、地质变化处等特征部位设置。预设加固区4在盾构掘进之前就施做完毕，加固范围应覆盖盾构机主体范围，盾构机直径7m，主机长度10m，加固范围为超出刀盘前方3～5m、盾尾后方5～10m、盾体上方5～8m、盾体下方3～5m。

超高水压长距离海底盾构隧道主动换刀结构的施工方法，包括以下步骤：

(1)盾构机始发掘进前，分析整个区间隧道的地质、水深和埋深情况，根据隧道穿越地层情况预测刀具磨损。根据预测结果沿隧道纵向间隔500m设置注浆预设加固区，同时注浆预设加固区兼顾软硬不均、上软下硬等特殊地层变化处，水深较大处等；

(2)按照预设加固区的位置设置海上作业平台；

(3)在海上作业平台上进行钻孔注浆施工：依据施工基准点，按注浆孔施工图布置孔位，采用套管钻进方式，进行注浆孔钻进到设计深度，下好注浆管进行注浆；注浆完成后进行钻孔检验注浆效果；

(4)按照设计的位置依次完成注浆加固区的注浆工作；

(5)盾构机掘进距离至预设加固区一定距离处的管片设置为加强注浆的管片，进入预设加固区后匀速掘进，刀盘距离加固区尽端一定距离时停机准备检查刀具，进行换刀作业；

(6)在盾构机内部进行盾构机保护工作，在盾体尾部注入泥浆对注浆管路和盾尾密封进行保护；

(7)在临近盾尾与预设加固区范围交界处环管片通过预留注浆孔注入聚氨酯浆液，形成隔水加固环封堵后方地下水；对后方临近的多个环加强注浆管片利用留置的注浆孔进行二次补充注浆；

(8)利用盾构中部超前孔进行水平超前注浆孔施工洞内补充加固，对刀盘前方和上方地层补充加固；

(9)常压开仓检查刀具磨损情况，更换刀具后盾构机恢复掘进，掘进至下一个预设加固区重复上述步骤，完成超高水压盾构主动换刀施工。

作为优选，步骤(5)中，盾构机掘进距离至预设加固区30m处管片设置为可以加强注浆的管片，进入预设加固区后匀速掘进，刀盘距离加固区尽端5m时停机准备检查刀具，进行换刀作业。

作为优选，步骤(7)中，对后方临近的20环加强注浆管片利用留置的注浆孔进行二次补充注浆。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：本发明实现海底盾构隧道在超高水压下的换刀作业，保证盾构机长距离掘进；换刀作业过程在常压条件下进行，不需考虑高水压的问题；采用预设加固区主动换刀的方式，有效减少了换刀作业的时间，大大提高了施工效率；工法工艺简单、操作方便，利用盾构机保护和多道注浆加固区域，施工风险小，防水效果好，换刀修复安全可靠。

附图说明

图1为本发明的预设加固区实施示意图；

图2为本发明的盾构机进入预设加固区纵断面示意图；

图3为本发明的主动换刀结构纵断面示意图；

图4为本发明的刀盘处横断面示意图。

图中1-海上作业平台，2-注浆孔，3-洞内补充加固结构，4-预设加固区，5-盾构机保护结构，6-隧道轴线，7-盾尾隔水加固环，8-二次补充注浆结构，9-加强注浆管片，10-预留注浆孔，11-刀盘，12-盾构机。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。

本发明的实施例公开了超高水压长距离海底盾构隧道主动换刀结构，如图所示，其包括海上作业平台1、预设加固区4、盾构机12，还包括盾构机保护结构5；海上作业平台1、预设加固区4间通过注浆孔2连接；盾构机12设于盾构机保护结构5内，设有刀盘11的一端朝向预设加固区4；盾构机保护结构5靠近刀盘11所在端的侧面均匀固定设有多个洞内补充加固结构3；

盾构机12相对刀盘11的另一端外表面固定设有二次补充注浆结构8，内侧固定设有多个加强注浆管片9，加强注浆管片9内设有多个预留注浆孔10；盾构机12位于盾构机保护结构5、二次补充注浆结构8之间的外表面固定设有盾尾隔水加固环7。

本实施例中，预设加固区4为结合海底隧道的地质、埋深、海水深度等条件，沿隧道纵向间隔一定距离设置的加固区域，同时在水压最高处、地质变化处等特征部位设置，预设加固区4在盾构掘进之前先行设置。

本实施例中，盾尾隔水加固环7由盾尾后方2～4环管片注浆形成。

本实施例中，二次补充注浆结构8由加强注浆管片9注浆形成，在预设加固区4内形成常压换刀条件，实现快速高效的超高水压盾构刀具更换。

本实施例中，海上作业平台1位于预设加固区4上方的海面，用于实施预设加固区的平台，放置注浆机械设备等，打设注浆孔，下管对地层进行加固；海上作业平台1采用固定的船体拼接而成或采用钢结构和钢管桩基础建设而成。

本实施例中，洞内补充加固结构3为在盾构机掘进进入预设加固区4后，停机利用盾构机中部超前孔进行水平超前注浆形成，环向设置16个超前孔，对刀盘11前方地层进行补充注浆加固。为在盾构机掘进进入预设加固区后，停机利用盾构机中部超前孔进行水平超前注浆施工，对刀盘前方地层进行补充注浆加固。

本实施例中，预设加固区4和洞内补充加固结构3联合形成土体注浆止水加固区域，保证土体止水和加固效果。注浆参数根据海水和地层试验确定，实施后进行检验。注浆孔间距1500mm×1500mm，梅花型布置，注浆浆液采用水泥水玻璃双液浆。

本实施例中，隔水加固环为在预设加固区尽段与管片交接处，自管片注浆孔内注入聚氨酯等化学浆液，形成环状加固区封堵后方来水。隔水加固环长度根据水头高度确定，一般需对盾尾后方4～8环管片实施注浆堵水。

本实施例中，每块加强注浆管片9均留设1～2个预留注浆孔10。

本实施例中，预设加固区4为结合海底隧道的地质、埋深、海水深度等条件，沿隧道纵向间隔一定距离设置的加固区域，同时在水压最高处、地质变化处等特征部位设置。预设加固区4在盾构掘进之前就施做完毕，加固范围应覆盖盾构机主体范围，盾构机直径7m，主机长度10m，加固范围为超出刀盘前方3～5m、盾尾后方5～10m、盾体上方5～8m、盾体下方3～5m。

本实施例中，预设加固区4为结合海底隧道的地质、埋深、海水深度等条件，沿隧道纵向间隔500m设置的加固区域，同时在水压最高处、地质变化处等特征部位设置。预设加固区4在盾构掘进之前就施做完毕，加固范围应覆盖盾构机主体范围，盾构机直径7m，主机长度10m，加固范围为超出刀盘前方5m、盾尾后方5m、盾体上方5m、盾体下方3m。

超高水压长距离海底盾构隧道主动换刀结构的施工方法，包括以下步骤：

(1)盾构机始发掘进前，分析整个区间隧道的地质、水深和埋深情况，根据隧道穿越地层情况预测刀具磨损。根据预测结果沿隧道纵向间隔500m设置注浆预设加固区4，同时注浆预设加固区4兼顾软硬不均、上软下硬等特殊地层变化处，水深较大处等；

(2)按照预设加固区4的位置设置海上作业平台1，平台采用船体拼接而成；

(3)在海上作业平台1上进行钻孔注浆施工：依据施工基准点，按注浆孔施工图布置孔位，采用套管钻进方式，进行注浆孔2钻进到设计深度，下好注浆管进行注浆；注浆完成后进行钻孔检验注浆效果；

(4)按照设计的位置依次完成注浆加固区4的注浆工作；单个注浆区域沿隧道纵向长度为20m，高度为15m，宽度为17m；

(5)盾构机掘进距离至预设加固区4约30m处管片设置为可以加强注浆的管片9，进入预设加固区4后匀速掘进，刀盘距离加固区4尽端约5m时停机准备检查刀具，进行换刀作业；

(6)在盾构机内部进行盾构机保护5工作，在盾体尾部注入泥浆对注浆管路和盾尾密封进行保护；

(7)在临近盾尾与预设加固区范围交界处4～8环4环管片通过预留注浆孔注入聚氨酯浆液，形成隔水加固环7封堵后方地下水；对后方临近的20环加强注浆管片利用留置的注浆孔10进行二次补充注浆8；

(8)利用盾构中部超前孔进行水平超前注浆孔施工洞内补充加固3，对刀盘11前方和上方地层补充加固；

(9)常压开仓检查刀具磨损情况，更换刀具后盾构机恢复掘进，掘进至下一个预设加固区重复上述步骤，完成超高水压盾构主动换刀施工。换刀工作在常压状态下完成，无论隧道上方承受多高的水压。

本实施例中，预设加固点的个数和位置应根据地层和机械等条件分析确定，注浆加固的参数应根据水压和地层进行试验调整。

以上通过实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的示例性实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。本发明的保护范围由权利要求书限定。凡利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，在本发明的实质和保护范围内，设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的，或者对申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖保护范围之内。应当注意，为了清楚的进行表述，本发明的说明中省略了部分与本发明的保护范围无直接明显的关联但本领域技术人员已知的部件和处理的表述。