低温带压开仓方法与流程

1.本发明涉及隧道施工技术领域，特别涉及一种低温带压开仓方法。


背景技术：

2.盾构法隧道施工，面对的是地下复杂的地质环境，一般情况下，当出现参数异常、刀具磨损时，可以采取直接常压开仓方式处理，安全风险小，时间短。但在自稳性较差、渗透性较大的特殊地层环境条件下，出现必须要进仓作业的情况，则要采取针对性措施。目前，盾构带压开仓运用越来越多，相较于现行的填仓法和冷冻法，在浅埋地层中建立泥膜带压开仓法具有较大的工期和经济成本优势，但在浅埋砂层复杂地层条件下采取带压开仓方式的实践运用并不多见，在浅埋条件下如何有效保压、保持覆土稳定是关键，富水砂层中保持泥膜的气密性和持久性是难点。
3.根据现有文献显示，在我国南方大部分城市，地铁隧道盾构施工经常会使工作面附近作业区域的温度达到40℃以上。在一些小断面盾构施工作业区域，夏天的环境温度甚至高达50℃左右，而环境相对湿度可高达90％以上，通过通风管道压入工作区域的新鲜空气时常在35℃以上。由此可见，盾构设备在施工过程中会产生大量的热，隧道环境尚且如此，在带压开仓作业中土仓内的密闭、高压、高温、高湿环境可想而知。
4.随着新技术的推广应用，机械效能在提升，能量损失在降低，以及盾构洞径的扩大使得盾构隧道施工的温度环境在逐步改善。盾构隧道环境虽有改善，但带压开仓时的闷热难耐依然是困扰更换刀具的难题，工人在高压、密闭、高温、高湿环境下作业，直接影响工人工作状态和换刀效率。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本发明的一些实施例提供了一种低温带压开仓方法，能够有效的增强泥膜的护壁性能，以保持覆土稳定。
6.根据本发明实施例的低温带压开仓方法，包括以下步骤：
7.盾构机的盾体间隙填充：通过盾体径向注入孔在盾体的四周注入膨润土泥浆以填充所述盾体的间隙；
8.管片壁后止水环的制作：对管片壁后二次注浆用以进行系统注浆封闭，确保管片壁后填充密实，形成封闭止水环，其中，注入的浆液为第一浆液；
9.布置监测点：在开仓里程现有地面加密布置地面监测点，以及时准确的了解地表沉降情况；
10.确定稳定开仓气压p：软土层静水压力掌子面的稳定开仓气压p计算公式如下：
11.p＝pw+pr
12.式中：pw为隧道上方的覆土压力，pr为压力调整值；
13.泥膜制作：针对开挖掌子面地层扩散系数分析，配比两组不同粘稠度的膨润土浆
体，向土仓注入所述膨润土浆体以置换渣土，通过多次的注入泥浆以分级进行加压；
14.土仓内空气温度控制及泥膜养护：盾构机上安装有土仓温度控制系统，以对空压机出来的压缩气体进行降温，保压时启动所述土仓温度控制系统，土仓内安装有温度传感器，所述温度传感器与所述土仓温度控制系统连接，以控制所述土仓内的空气温度；
15.带压换刀。
16.基于上述技术方案，本发明实施例至少具有以下有益效果：本发明实施例针对开挖掌子面地层扩散系数分析，配比两组不同粘稠度的膨润土浆体，可以提高泥浆渗透范围，形成有效的支撑结构，提高覆土的承压能力，本发明实施例采用土仓内温度调节系统控制土仓内温度，以使土仓温度满足泥膜养护条件，能够增强泥膜的护壁性和持久性，避免高温对护壁泥膜的不利影响，同时土仓内的温度能够提供一个舒适的工作环境，能够有效提高操作人员的工作效率。
17.根据本发明的一些实施例，所述土仓内还安装有湿度传感器，所述湿度传感器与所述土仓温度控制系统连接，所述土仓温度控制系统还与加湿器连接，以控制所述土仓内的湿度。
18.根据本发明的一些实施例，所述土仓内的空气温度为22℃至24℃，所述土仓内的湿度为75％。
19.根据本发明的一些实施例，所述第一浆液的质量配比为水泥：粉煤灰：膨润土：水＝1； 1.5：0.9375：1.875。
20.根据本发明的一些实施例，所述膨润土浆体的配制流程为：
21.称重膨润土；
22.加入适量的水，充分搅拌均匀；
23.剪切泵剪切；
24.泵送至压浆台车的浆罐静置一段时间；
25.注入渣土仓。
26.根据本发明的一些实施例，所述膨润土浆体为纳基膨润土浆体，两组不同粘稠度的所述膨润土浆体的配合比分别为：a组膨润土浆体，纳基膨润土：水＝1：12；b组膨润土浆体，纳基膨润土：水＝1：10。
27.根据本发明的一些实施例，通过少量多次的注入泥浆以分三级进行加压，所述三级分别为第一级：1.4bar至1.6bar，第二级：1.6bar至1.8bar和第三级：1.8bar至2.0bar。
28.根据本发明的一些实施例，所述第一级和所述第二级加压过程中，注入所述a组膨润土浆体以加压，刀盘转速为1.0r/min至1.6r/min，以提高膨润土渗透范围，动态稳压2小时，所述第三级加压过程中，注入所述b组膨润土浆体以加压，刀盘转速为0.2r/min至0.5r/min，动态稳压3小时。
29.根据本发明的一些实施例，在所述第三级加压过程中，盾体后退6cm至8cm，以确保膨润土在掌子面位置形成泥墙，从而保证掌子面的稳定。
30.根据本发明的一些实施例，每次加压的同时转动刀盘，所述第三级加压过程中刀盘固定往一个方向转动，以确保掌子面位置形成加厚泥膜。
31.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
32.下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；
33.图1为本发明实施例超前加固的主视图；
34.图2为本发明实施例超前加固的左视图；
35.图3为本发明实施例的盾构机工作环境示意图；
36.图4为本发明实施例的砂层中膨润土渗透结构示意图；
37.图5为本发明实施例的盾构土仓温度环境示意图。
38.附图标记：盾构机100，刀盘110，前中盾120，盾尾130，超前注入孔140，土仓150，径向注入孔160，加固钻杆200，加固区域300，砂层400，岩层500，泥浆渗透层600，加厚泥膜700，盾体外周扰动间隙800。
具体实施方式
39.本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
40.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
41.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
42.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
43.广佛某隧道的停机位所在地层上软下硬，上部为中、粗砂砂层400，下部为强度80mpa 的中风化花岗岩岩层500。停机位置位于距离河流30米处，正前方4米处有一条供水补压管，埋深5m，管道压力为1mpa，供水补压管与直径1m的混凝土管承接式连接，地下水丰富，覆土深度为11.8m。
44.存在的问题详细描述如下：盾构开挖掌子面中部以下为中风化花岗岩岩层500，上部以及顶部10m范围为中砂层400，地表为人工填土层，砂层400自稳性差，开仓风险极高；该处埋深仅为11.8m，在上软下硬地层中为保持盾构姿态掘进速度较慢，土仓内部及渣土温度较高，掘进过程中对上层土体易造成扰动，开仓保压时极易击穿覆土层，产生气体通道而漏气，导致保压失败；按照相关规范确定带压开仓压力，以软土层静水压力掌子面的稳定开仓气压计算，洞顶埋深为11.8m时土仓保压值应为1.4bar，在保压实验中出现泥膜多次被击穿，丧失气密性，致使保压失败；上软下硬地层保压掘进中导致土仓内的温度较高，导致泥膜在高温条件下开裂脱落，出现完成一次换刀需要多次建造泥膜的情况，严重影响施工效率。
45.参见图1至5，本发明的一些实施例提供了一种低温带压开仓方法，能够增强泥膜
的护壁性能，有效解决盾构机100在浅埋富水砂层400下带压开仓覆土易击穿、泥膜持久性差等难题，现以上述的广佛某隧道为例阐述一下本方法的具体流程。
46.s100、盾构机100的盾体间隙填充：通过盾体径向注入孔在盾体的四周注入膨润土泥浆以填充盾体间隙。
47.如图1和图2所示，盾构机100包括刀盘110、前中盾120、盾尾130，盾构机100上设置有超前注入孔140、径向注入孔160，通过盾体径向注入孔160在盾体四周注入膨润土浓泥浆填充盾体外周扰动间隙800。具体地，参见图1和图2，在盾构机100顶部由径向注入孔160注入膨润土泥浆填充盾体与地层间的盾体外周扰动间隙800，防止止水环注浆及地层预处理注浆过程中浆液进入盾体外周扰动间隙800固化，导致盾构机100被裹死，图3示出本实施例中盾构机100在上部为中、粗砂砂层400，下部为强度80mpa的中风化花岗岩岩层 500的工作环境示意图。
48.s200、管片壁后止水环的制作：对管片壁后二次注浆用以进行系统注浆封闭，确保管片壁后填充密实，形成封闭止水环，其中，注入的浆液为第一浆液。
49.成型隧道前后对管片壁后二次注浆进行系统注浆封闭，确保管片壁后填充密实，形成封闭止水环，其中，注入的浆液为第一浆液，第一浆液的质量配合比为水泥：粉煤灰：膨润土：水＝1；1.5：0.9375：1.875。
50.具体地，选取倒数第5环、第10环为止水环，在止水环位置2、4、8、10点方位打孔注入第一浆液，在相邻5环处12点方位开孔排水。通过打开注浆头观察水流情况无线性流水证明止水效果满足要求。
51.s300、地面预处理：确定好刀盘110位置，检查附近地面原地质勘察钻孔，确保钻孔密封完整，在刀盘110正上方和正前方布设注浆孔，采用钻注一体机向注浆孔注入第二浆液加固。注浆材料为水泥、水玻璃、磷酸，选取适当注浆配合比，防止注浆过程包裹盾体。
52.在一些实施例中，第二浆液为水泥和水玻璃混合的双液浆，体积配比为水玻璃液：(水泥浆+磷酸原液)＝1：1，其中，水玻璃液的体积配比为水玻璃原液：水＝1：2，水泥浆的质量配比为水泥：水＝0.8：1，水泥浆和磷酸原液的体积配比为水泥浆：磷酸原液＝250：1。
53.s400、洞内处理：通过盾构机100的超前注入孔140钻孔注入第三浆液，在洞顶进行超前加固(参见图1和图2)，采用后退式注入法对洞内地层注入第二浆液。
54.具体的处理步骤如下：
55.s410、在拼装机位置搭设注浆钻机操作平台，在连接桥下方搭设注浆加工平台，平台完成后钻孔、注浆设备就位。
56.s420、通过盾构机100上的超前注入孔140钻孔注浆，参见图2，注浆孔位按盾构机100 预留超前注入孔140位置选择在2点、10点、12点三个位置，孔径50mm，孔深为14至16m，加固钻杆200角度10
°
，调整钻机角度，准备合适长度的加固钻杆200，加固区域300如图 1和图2所示。
57.s430、钻孔钻进盾体上方时注入第三浆液，钻到终孔位15m处加大注入第三浆液进行封堵止水，可以理解的是，第三浆液为磷酸和水玻璃混合的双液浆，体积配比为水玻璃液：磷酸液＝1：1，其中，水玻璃液的体积配比为水玻璃原液：水＝1：2，磷酸液的体积配比为磷酸原液：水＝1：15。注入压力控制在2.0至2.5mpa，注浆长度9米，土仓150顶部压力不超过1.6bar。
58.s440、洞内地层预处理注浆采用后退式注入法，浆液采用第二浆液，注入压力控制在2 至3mpa，现场根据仓压、埋深、水土压力、地面监测进行调节。
59.s500、布置监测点：在开仓里程现有地面加密布置地面监测点，以及时准确的了解地表沉降情况。
60.地层预处理完成后，在开仓里程现有地面加密布置地面监测点，以及时准确的了解地表沉降情况。在土仓150保压过程中严密监测地面沉降数据，洞内与地面联动，对汇总和分析沉降数据及时采取保压调整措施。
61.s600、确定稳定开仓气压p。
62.软土层静水压力掌子面的稳定开仓气压p计算公式如下：
63.p＝pw+pr，
64.其中，pw＝ρgh，
65.式中：pw为隧道上方的覆土压力；ρ为覆土密度，取ρ＝1.0kg/m3；g为重力加速度，取g＝9.8n/kg；h为洞顶埋深；pr为压力调整值。
66.本实施例中，带压进仓位置洞顶埋深为11.8m，即h＝11.8m，则
67.pw＝ρgh＝1.0kg/m3*9.8n/kg*11.8m＝115.64kpa＝1.1564bar，取整pw＝1.2bar，考虑不同地质条件、地面环境及开挖面位置的压力调整值，pr取调整值0.2bar，则
68.稳定开仓气压p＝pw+pr＝1.4bar，因此土仓150压力取值为1.4bar。
69.浅埋砂层400具有稳定性差、透气性强的特点，浅覆土耐压极其敏感，土仓150建压不易过大，否则容易击穿覆土建压失败。为保障开仓安全应加强泥膜后方承压能力，以地面监测数据为辅助，到达泥膜压力平衡。
70.s700、泥膜制作：针对开挖掌子面地层扩散系数分析，配比两组不同粘稠度的膨润土浆体，在土仓150注膨润土浆体置换渣土，通过少量多次的注入泥浆分级进行加压，每级增量 0.2bar。
71.在一些实施例中，具体实施步骤如下：
72.s710、根据地层的地质水文条件，选用高纯度纳基膨润土浆体配比。
73.s720、膨润土浆体的配制流程为：
74.s721、称重膨润土；
75.s722、加入适量的水，充分搅拌均匀；
76.s723、剪切泵剪切；
77.s724、泵送至压浆台车的浆罐静置20分钟；
78.s725、注入渣土仓。
79.s730、针对开挖掌子面地层扩散系数分析，配比两组不同粘稠度的膨润土浆体：
80.a组：高纯度纳基膨润土：水＝1：12，
81.b组：高纯度纳基膨润土：水＝1：10。
82.本发明膨润土浆体具体的技术参数如下表所示：
[0083][0084]
s740、目标加压强度为当前地层中土仓150压力的1.2倍，具体根据加压时情况及地面的监测数据适时调整。
[0085]
s750、在土仓150注膨润土泥浆置换渣土，以1.0rpm/min转速转动刀盘110，同时向土仓150注入膨润土转动螺旋机出土，直至螺旋机排除渣土为膨润土时置换完成。
[0086]
s760、通过少量多次的注入泥浆以分三级进行加压，三级分别为第一级：1.4至1.6bar、第二级：1.6至1.8bar和第三级：1.8至2.0bar。
[0087]
s770、第一级和第二级注入a组膨润土浆体，刀盘110转速为1.0至1.6r/min，以提高膨润土渗透范围，动态稳压2小时，以增强泥膜后方支撑，图4示出泥浆渗透层600。第三级注入b组膨润土浆体，加泥稳压过程中单向转动刀盘110，刀盘110转速为0.2至0.5r/min，动态稳压3小时，以确保掌子面位置形成加厚泥膜700。
[0088]
第三级注入b组膨润土浆体时，在1.8至2.0bar加压过程中，让盾体后退6至8cm，确保膨润土在掌子面位置形成加厚泥膜700(参见图4)，提高掌子面的稳定性。
[0089]
在稳压过程中，如果压力在规定稳压时间内未降到开始加压值，则表示该段分级加压成功。
[0090]
s780、泥膜建造过程各工序指标如下表所示：
[0091][0092][0093]
s800、土仓内空气温度控制及泥膜养护。
[0094]
刀盘110旋转破岩会让土仓150内摩擦加剧从而产生高温，图5示出盾构土仓150温度环境示意图。带压开仓中保压泥膜对于环境的温度十分敏感，不同温度环境下的泥膜失水速率相差较大，极易影响泥膜干燥开裂脱落，导致开仓气密性不佳而重造泥膜，低温条件下泥膜失水速率降低，通过降低土仓150内的温度可增加泥膜的耐久性能，减少开仓次数，
保障开仓安全。因此，泥膜表面的温度控制是泥膜养护的关键。高温对操作人员也会造成极大的身体伤害，损害操作人员的健康的同时也会降低工作效率，人体舒适的环境温度在22℃-26℃，相对湿度在45％-75％。
[0095]
在一些实施例中，盾构机100上设计安装有土仓温度控制系统，对空压机出来的压缩气体进行降温，土仓内安装有温度传感器和湿度传感器，温度传感器和湿度传感器均与土仓温度控制系统连接，土仓温度控制系统还与加湿器连接，以控制土仓内空气温度在22℃至24℃，控制空气循环速率保持湿度在75％，达到泥膜与操作工人最佳的适应环境，延长泥膜保压时间，增强泥膜使用的耐久性，达到最节能的泥膜养护条件。
[0096]
具体地，完成空气置换泥浆后开始保压测试，保压时启动土仓温度控制系统，调节土仓空气温度，通过土仓温度控制系统控制土仓内空气的温度在22℃至24℃，土仓内温度传感器监测的土仓温度实时传输到控制系统，以控制土仓内温度恒定。当空气湿度低于预设值时，土仓温度控制系统控制加湿器提高土仓空气湿度，达到泥膜与工人操作共同的最佳的环境，延长泥膜保压时间，增加泥膜使用耐久性，达到最节能的泥膜养护条件。
[0097]
s900、带压换刀。
[0098]
土仓150内作业采用轮班制，每班工作时间总长5小时，每班6人，其中仓内2人作业，土仓150门口1人。仓外监督1人，医护1人，机电1人(8小时一班)，配备6个作业班组，每班进仓人员24小时内只工作一仓。低压进仓作业选择连仓方式，减少带压换刀的总时间，提高换刀效率。
[0099]
根据本发明实施例的低温带压开仓方法的其他步骤以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
[0100]
本发明实施例通过对地层采取预处理技术措施、改良护壁泥膜的配方和工艺以提高泥浆渗透范围，在泥膜壁后方形成有效支撑结构，提高覆土承压能力，在安全开仓压力下作业，保障了施工安全性，提高了建膜成功率。本发明实施例采用土仓内温度调节系统控制土仓内温度以养护泥膜，增强泥膜的持久性，避免高温对护壁泥膜的不利影响，还可避免因泥膜使用周期不足需要重新建立泥膜的情况，同时还给换刀人员创造了舒适的换刀条件，提高换刀施工效率，降低施工安全风险和施工成本。本发明实施例能够增强泥膜护壁性能，有效的解决盾构机在浅埋富水砂层下带压开仓覆土易击穿、泥膜持久性差等难题。
[0101]
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。