一种水下盾构隧道超高水压条件掘进换刀方法与流程

本发明属于隧道和地下工程设计与施工技术领域，尤其涉及一种在海域及水下超高水压条件下进行长距离盾构隧道施工时，为保证盾构顺利安全掘进而进行的更换刀具的方法。

背景技术：

我国城市多依水而建，海滨城市和岛屿城市因大海而迅速发展。但海洋和河流也限制了城市的交通发展。随着经济发展和技术进步，越来越多的水下隧道开始建设，应用工法最多的就是盾构法隧道。对于跨越水深较大的情况，盾构法水下隧道的建设面临建设条件复杂、高水压换刀等重大难题，直接限制了盾构法水下隧道的适用范围。

由于长距离的水下隧道盾构掘进刀具磨损不可避免，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。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。广深港狮子洋隧道全长10.8km，其中盾构段9.34km,为双管单线隧道，外径10.8m，该隧道穿越珠江入海口的狮子洋，河面宽度6.1km，结构承受最大水压约0.67mpa。佛莞城际狮子洋隧道隧道工程全长6.15km，水域宽度约1.8km，深槽水深10～15m；盾构管片外径13.1m，开挖直径约13.6m，隧道承受的最大水压力约0.78mpa。纬三路越江隧道工程全长4.1km，采用双管双层八车道设计；盾构管片外径14.5m，开挖直径约14.98m，隧道承受的最大水压力约0.72mpa。苏通gil综合管廊隧道全长5.5km，管廊直径11.6m，主要穿越砂层，结构承受的最大水压约0.86mpa。上述隧道盾构换刀采用了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，但功效低、费用高、安全风险大，实施过程中都遇到很大困难，造成工期延误或者费用大幅增加。

目前在超高水压即水压超过1mpa(100m水头高度)时，还没有盾构在如此高水压下的实践方面的经验，造成了盾构隧道在此种条件下实施的局限，直接影响工程建设的可行性。而且，采用饱和气体带压换刀，费用高及工效极低；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，超高水压时候工人进入舱内能够作业的时间很短，而且出舱后还容易造成身体伤害。

因此，考虑水下盾构隧道超高水压的工作条件，结合盾构机械和地质条件，为确保海底盾构隧道施工风险可控，提高施工效率，减小施工风险，提出一种由主动换刀预设加固点、被动饱和潜水带压换刀和非常状态下冻结加固脱困组合的水下盾构隧道超高水压条件掘进换刀方法，确保盾构机在超高水压的海域高效安全掘进，保证超高水压下盾构隧道的可实施性。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的上述传统盾构法隧道带压换刀方法不能应用于超高水压海底隧道技术问题，提供一种水下盾构隧道超高水压条件掘进换刀方法，实现水下或海底盾构隧道超过1mpa的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，工法工艺简单，结构安全合理，施工方便快捷，大大减小换刀时间并降低施工风险。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种水下盾构隧道超高水压条件掘进换刀方法，步骤如下：

步骤一：盾构掘进前，收集分析水下隧道建设条件资料；

步骤二：预设若干个换刀加固点；

步骤三：到达预设加固点主动换刀；

步骤四：分析数据，并动态调整前方换刀加固点；

步骤五：中间地带，被动带压进仓换刀；

步骤六：非常状态下冻结脱困换刀。

作为优选，步骤一中，水下隧道建设条件资料主要包括地质、水深、隧道埋深和盾构机配置条件等；。

作为优选，步骤二中，对盾构机不换刀掘进距离进行预测，结合隧道穿越地层沿隧道纵向间隔一定距离设置多个加固点；盾构掘进之前提前完成换刀加固点的加固施工；

结合盾构隧道所穿的地层，根据长距离盾构刀具磨损经验公式估算预设加固点的纵向设置距离；公式如下：

s＝k×π×d×l×n÷v

式中k为磨损系数，为经验常数；s为刀具允许磨损量，取20mm，外周刀具为40mm；d为盾构刀盘外径，单位为m；l为预设加固点纵向设置距离，单位为m；n为刀盘的转动速度，单位为r/min；v为掘进速度，单位为cm/min；同时，预设加固点位置和个数应考虑整个隧道地质条件变化处、水深较大处等特征点综合考虑；

预设加固点提前在海面上采用冻结或注浆进行加固，形成覆盖盾构主机长度的加固区域，主动进行计划性换刀检修。

作为优选，步骤三中，盾构始发掘进，待盾构机推进至预设加固点位置时主动对盾构机状态、刀具磨损情况进行检查，实现常压进仓并更换刀具；

实时记录盾构掘进长度、刀具磨损状态、穿越地层情况、盾构机掘进参数等的数据；

盾构机到达预设加固区一定位置时停机，同时对盾体和盾尾灌浆进行盾构机保护，盾尾后方2～4环管片注浆形成隔水加固环，阻断后方地下水；

作为优选，步骤四中，对实时记录的盾构掘进相关数据进行分析，结合隧道前方地质情况，再次对盾构不换刀掘进距离进行预测；

根据预测结果核实是否需要增设掘进前方的预设换刀加固点，及时调整并进行加固点施工。

作为优选，步骤五中，在预设加固点之外的掘进过程中，发生异常时，如盾构机掘进参数异常，显示需要进仓检查或换刀时，采用被动饱和潜水带压进仓换刀；

被动饱和潜水带压换刀，采用饱和氮氧或者氦氧混合气体进仓，按照海上潜水行业的相关技术标准、安全法规框架来进行；

当地层渗透系数较小时，采用弱渗透地层水下隧道减压限排换刀技术；采用水泥砂浆或衡盾泥填仓，通过盾体上的超前注浆孔加固地层，在工作面建立较低的平衡压力，允许地下水渗入仓内用封闭的管道泵排出，减压后采用普通压缩空气进仓换刀。

作为优选，步骤六中，在发生海域盾构因刀具磨损被困等风险事故时，实施非常状态下冻结脱困换刀；采用海面垂直冻结加固，辅以洞内超前孔水平冻结，常压进仓，开挖修复工作室，进行修复作业，修复完成后脱困继续掘进；

通过海面冷冻作业平台实施垂直冻结，利用盾构机下部超前孔进行水平超前冻结，最后在冻结范围内开挖修复工作室，通过旋转刀盘在修复工作室内实现非常状态下的盾构应急换刀和刀盘修复；

水下隧道为双线隧道时，采用相邻隧道水平冻结加固常压进仓修复的方式。

作为优选，步骤四、五、六中，预设加固点主动换刀是超高水压水下盾构换刀的主要解决方案，被动饱和潜水带压进仓换刀是辅助，非常状态下冻结脱困换刀是特殊风险事故下启动实施的，可以确保超高水压下盾构的安全掘进；

通过以上各步骤中三种换刀方式的组合，完成水下盾构在大于1mpa超高水压下掘进过程中的换刀作业。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

1、本发明可实现海底盾构隧道在大于1.0mpa的超高水压条件下的更换刀具，拓展了盾构法隧道的适用范围；

2、本发明换刀和修复过程在大部分在常压条件下进行，不需考虑高水压的问题，施工工效高；

3、本发明方法工艺简单、操作方便，利用预先设置换刀点、掘进过程带压换刀辅助和异常状态冻结换刀托底的综合方式，可保证超高水压下的盾构换刀施工风险可控，防水效果好，换刀修复安全可靠。

附图说明

图1为本发明的水下盾构隧道超高水压条件掘进换刀方法流程图；

图2为本发明的预设换刀加固点布置示意图；

图3为本发明的换刀纵断面示意图。

图中1-盾构始发井，2-隧道线路，3-预设加固点，4-盾构机保护，5-隔水加固环，6-刀盘。

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一种水下盾构隧道超高水压条件掘进换刀方法，如图1-图3所示，以高速铁路单线隧道为例，盾构法断面外径12.0m、内径10.8m，包括按顺序进行的下列步骤：

步骤一：收集分析水下隧道建设条件资料；

收集水下隧道建设条件资料，主要包括地质、水深和隧道埋深等，结合盾构机性能，沿隧道纵向分析隧道掘进风险因素；首先考虑将隧道埋置合适地层，隧道埋深选择位于渗透系数较小的如粉质粘土、粉质粘土间夹粉砂地层，地层渗透系数4×10^-9m/s；盾构选型选择加气式泥水平衡盾构；采用高质量泥膜形成技术：泥浆质量和配比试验确定；设定合理的掘进支护压力：刀盘前方的水压力与主动土压力之和，根据潮汐修正；采取上述措施保证盾构高水压状态下顺利掘进；

步骤二：预设若干个换刀加固点；

在盾构掘进之前通过对建设条件资料的分析，结合盾构隧道所穿的地层为粉质粘土地层，根据长距离盾构刀具磨损经验公式估算预设加固点的纵向设置距离；公式如下：

s＝k×π×d×l×n÷v

磨损系数k淤泥或粘土地层约为0.0015mm/km，砂土取0.007；刀具允许磨损量为20mm(外周刀具为40mm)，计算在粘土地层中，不换刀掘进距离14.7km；砂土地层3.2km；结合上述分析，结合地层情况沿隧道轴线平均间隔2.0km设置一个预设加固换刀点，海域共设置10个；

预设加固点提前在海面上采用冻结或注浆进行加固，加固区域沿隧道纵向长度35m，断面为盾构外轮廓外扩5m，形成覆盖盾构主机长度的加固区域，主动进行计划性换刀检修；盾构掘进之前提前完成换刀加固点的加固施工；

步骤三：到达预设加固点主动换刀；

3.1盾构机自盾构始发井1始发后，沿隧道线路2掘进，到达预设加固点3当盾构机完全进入加固区后停机，同时对盾体和盾尾灌浆进行盾构机保护4，盾尾后方2～4环管片注浆形成隔水加固环5，阻断后方地下水；然后主动对盾构机状态、刀具磨损情况进行检查，常压进仓并更换盾构机刀盘6上的刀具；

更换刀具后盾构机重新恢复掘进，然后重复步骤三依次通过每个预设加固点3.

3.2实时记录盾构掘进长度、刀具磨损状态、穿越地层情况、盾构机掘进参数等数据；

步骤四：数据分析动态调整前方换刀加固点；

4.1对实时记录的盾构掘进相关数据进行分析，结合隧道前方地质情况，再次对盾构不换刀掘进距离进行预测；

4.2根据预测结果核实是否需要增设掘进前方的预设换刀加固点，及时调整并进行加固点施工；

步骤五：中间地带被动带压进仓换刀；

在预设加固点3之外的掘进过程中，如盾构机掘进参数异常，显示需要进仓检查或换刀时，采用被动饱和潜水带压进仓更换刀盘6上的刀具；被动饱和潜水带压换刀采用饱和氮氧或者氦氧混合气体进仓，按照海上潜水行业的相关技术标准、安全法规框架来进行；当地层渗透系数较小时，考虑采用饱和潜水作业效率较低且投入大，可采用弱渗透地层水下隧道减压限排换刀技术；采用水泥砂浆或衡盾泥填仓，通过盾体上的超前注浆孔加固地层，在工作面建立较低的平衡压力，允许地下水渗入仓内用封闭的管道泵排出，减压后采用普通压缩空气进仓换刀；

步骤六：非常状态下冻结脱困换刀；

在发生海域盾构因刀具磨损被困等风险事故时，实施非常状态下冻结脱困换刀；通过海面冷冻作业平台实施垂直冻结，利用盾构机下部超前孔进行水平超前冻结，最后在冻结范围内开挖修复工作室，通过旋转刀盘6在修复工作室内实现非常状态下的盾构应急换刀和刀盘6修复，修复完成后脱困继续掘进；如果水下隧道为双线隧道，可采用相邻隧道水平冻结加固常压进仓修复的方式；

通过以上步骤中三种换刀方式的组合，预设加固点主动换刀是超高水压水下盾构换刀的主要解决方案，被动饱和潜水带压进仓换刀是辅助，非常状态下冻结脱困换刀是特殊风险事故下启动实施的，可以确保超高水压下盾构的安全掘进，完成水下盾构在超高水压下掘进过程中的换刀作业；

本发明结构及施工方法适用于水下盾构隧道超高水压条件下的掘进换刀方法；预设加固点采用注浆或者冻结的选择以及具体的参数应根据水压和地层进行试验来确定和调整。

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。