技术领域
[0001] 本
发明提供了一种强透水土岩复合地层大直径泥水盾构综合掘进方法，涉及盾构施工领域。
背景技术
[0002] 泥水盾构工法是一项十分成熟的隧道施工工法，由于其“环境扰动小、施工效率高、地层适应性好”的优点，随着我国地
铁建设事业的兴起，越来越多的城市在地铁修建中选择该工法。然而由于岩土工程的区域性和独特性，泥水盾构在修建城市地铁隧道过程中不可避免会遭遇一些特殊的工程地质条件，目前来说难度最大的就是上土下岩复合地层。
[0003] 由于土体和岩体的物理
力学性质差异巨大，当泥水盾构开挖面内同时存在这两种材料时，盾构各系统工作情况和状态变化非常剧烈，直接导致“刀盘刀具磨损严重、刀盘易结泥饼、掘进速度慢、掘进方向偏移”等诸多技术难题，如果上部土体渗透系数较高，还会发生“泥膜
质量差开挖面不稳定、带压进仓保压困难”等问题。
[0004] 现有的复合地质施工方法采用的多为土压平衡盾构，对于强透水上土下岩复合地层中泥水盾构掘进施工的相关控制技术还不够完善。
[0005] 同时
现有技术中对于盾构穿越区域附近建构筑物结构的维稳或地表沉降的控制，未考虑盾构穿越的特殊地质条件，为均质地层的（相比较于复合地层而言）适用施工方法，且大部分
专利研究对象为土压平衡盾构，对于本发明专利启发意义不大。
发明内容
[0006] 为了解决以上问题，本发明提供了一种强透水土岩复合地层大直径泥水盾构综合掘进方法，能够提高大直径泥水盾构穿越强透水土岩复合地层掘进施工效率。
[0007] 本发明的技术方案如下：一种强透水土岩复合地层大直径泥水盾构综合掘进方法，包括盾构掘进方法和盾构泥饼
预防处理方法；所述盾构掘进方法包括掘进前盾构准备和掘进过程控制两部分；所述掘进前盾构准备包括刀盘选型和刀具配置，刀盘采用复合式常压刀盘，所述刀盘上设置有刀位，所述刀位上安装有可常压更换的刀具，所述刀位包括刀具形式固定的Ⅰ类刀位和可实现常压滚齿互换的Ⅱ类刀位，所述Ⅰ类刀位上安装有固定刀具，所述Ⅱ类刀位上安装有可互换刀具，所述可互换刀具的切削轨迹
覆盖刀盘；掘进过程控制包括刀盘转速控制、刀盘推力及
扭矩控制、切口压力控制、
姿态控制，同步注浆施工参数控制；所述同步注浆施工采用具有抗水分散性的硬性单液浆。
[0008] 所述硬性单液浆的制成材料主要包括
水泥、
膨润土、
粉煤灰、砂、保塑剂、
减水剂和水，所述硬性单液浆的初凝时间为6～10小时，稠度为8～12cm，扩展度为52～58cm，所述硬性单液浆的配比材料的强度与周边地层相匹配。
[0009] 对于强度较高的球状
风化体岩体（即孤石），由于盾构无法进行有效切削，在盾构掘进前需要进行爆破预处理：先对掘进断面内的高强度岩体先进行爆破，然后进行注浆固结，确保加固后的
破碎岩体能够维持自身稳定，以进行盾构掘进切削。
[0010] 本工艺中的爆破施工与常规爆破施工工艺基本相同，不同之处在于钻孔放药及起爆的
位置均在地面或水面，每次爆破沿盾构掘进方向布设“两短一长”的三排炮孔，炮孔间距0.6～0.8m，孔位基本与盾构开挖边界重合。
[0011] 结合地质勘查资料，如地质断面中存在破碎带岩体，则对盾构掘进前方的破碎岩体进行注浆预固结处理，保证盾构穿越破碎岩体时能有效切削，其工艺与水上爆破预处理中的注浆加固相同，此处不再赘述。
[0012] 本发明技术方案还包括：所述刀具配置采用贝壳型先行刀和刮刀搭配的刀具体系，所述刀盘的内部为中空结构，所述Ⅰ类刀位设置在刀盘中间部位，所述Ⅱ类刀位设置在刀盘
外圈，所述可互换刀具的刀高大于固定刀具。
[0013] 两类刀位覆盖整个刀盘的切削轨迹，在土岩复合地层或
岩石地层切削时刀具磨损量较大，施工中根据刀具磨损监测装置的监测到的磨损情况，采取常压换刀技术实现盾构的长距离掘进，常压换刀技术可大大缩短换刀时间。常压更换刀具的步骤主要包括：①伸缩油缸装入；②换刀辅助工具固定；③伸缩油缸吊
耳固定；④松开刀筒
螺栓将刀筒抽回；⑤边冲刷边关闭闸板；⑥刀筒卸下并取下刀头；⑦检查更换新刀或装回旧刀。
[0014] 为了解决刀盘易结泥饼的问题，本发明的盾构泥饼预防处理方法包括盾构泥饼预防方法和盾构泥饼处理方法；所述盾构泥饼预防方法包括，在刀盘中心安装中心冲刷刀和刀筒，所述中心冲刷刀上设置有冲刷喷口，所述冲刷喷口与泥浆通道连通，所述刀筒与P0.1
泵连接，泥浆的压力由P0.1泵进行控制；所述盾构泥饼预防方法与盾构掘进同步实施。
[0015] 在盾构正常掘进过程中，实时监测掘进参数及刀盘
温度的变化情况，当掘进参数出现异常情况时，首先往泥浆中加注泥饼分散剂，并进一步分析相关参数的变化情况：若参数稳定，则可继续掘进并在适当情形下恢复正常掘进；若刀盘温度监测系统监测的温度持续升高，掘进参数持续变化，确定刀盘中心体处已经生成泥饼后，盾构停机进行泥饼清理。
[0016] 所述盾构泥饼处理方法包括：盾构停止掘进，在开挖面泥水压力保持恒定的情况下，选择一把中心冲刷刀更换为自旋转切割水刀，自旋转切割水刀与高压泵组连通，高压泵组为自旋转切割水刀提供高压水对中心冲刷刀处的泥饼进行切割清理，清理完毕后依次清理其他刀具附近的泥饼，直至中心泥饼清理完毕，恢复盾构推进。
[0017] 同时，由于盾构机的开挖直径略大于盾体直径，且盾体直径略大于盾尾直径，盾构机的开挖直径达12.55米，而前盾体的直径为12.51米，中盾直径为12.49米，盾尾直径为12.47米，因此开挖面和盾尾之间的空隙约为4cm，此空间在管片脱出盾尾未进行管片壁后注浆前为锥度空间，此空间目的是为了降低土体对盾构机的
挤压力和
摩擦力而设置的，但是在掘进过程中是可能形成顶部沉降的一个空间。
[0018] 为减轻开挖面与盾体形成的锥度而导致的沉降，在盾构推进过程中，通过盾体预留的上部径向孔向盾体外同步注入一种惰性材料，及时填充开挖直径和盾体之间的空隙。注入率为120～130%之间。在盾构推进过程中，以120～130%的注入率，从盾壳外侧径向朝刀盘超挖部分在盾体与盾尾间的空隙内注入惰性填充材料，同时监测地表沉降，控制惰性填充材料的施工参数。
[0019] 惰性材料是使用地层稳定控制剂粉末与水玻璃20:1比例混合后注入开挖直径与盾体直径锥度空间内，有一定强度与
支撑力，较长时间不
凝结，可控制由于锥度空间无法及时填充引起的沉降。
[0020] 本发明技术方案还包括：在高水位强透水复合地层进行开仓作业前，使用泥模成型促进剂辅助泥浆形成高弹模、低渗透的泥膜，从而确保开仓过程中的气压稳定，所述泥模成型促进剂包括保压
硅胶和硅胶促凝剂，所述硅胶促凝剂通过盾构自带的高压水喷头注入刀盘前方混合有保压硅胶的泥浆中，通过刀盘转动混合均匀。
[0021] 盾构掘进过程中需要加强对刀盘转速、刀盘推力及扭矩、切口压力、姿态及同步注浆施工参数的控制。
[0022] 刀盘转速需要综合考虑刀盘扭矩及刀具磨损量来确定，在复合地层掘进过程中，所述刀盘转速为0.8～1.3r/min。
[0023] 复合地层中刀盘的推力和扭矩是相关的两个参数，一般情况下在复合地层中掘进时，刀盘推力控制在推力设计值的40%～65%，扭矩控制在设计扭矩的30%～65%，所述刀盘推力和扭矩的最大值不超过设计值的70%。
[0024] 掘进过程中严格控制掌子面的切口压力
波动，实际操作切口压力比理论计算值略大0 0.2bar，不宜相差过大，以防发生掌子面顶部击穿。~
[0025] 泥浆主材为膨润土，正常掘进状态下泥浆比重控制在1.1～1.2g/cm3，
粘度控制在23S以上，其性质应具有较好的
稳定性。定时检测泥浆指标，及时将废浆外排并补充新浆。
[0026] 在上软下硬地层中，加强对管片点位选择的管理。当管片的上浮量较大时，应按照“管片姿态适应于盾构姿态”的原则，动态调整盾构姿态和选择管片拼装点位。在上软下硬地层进行纠偏时，应采用分区油压差的方式，特殊的情况下可采用改变油缸使用数量和
应力释放的技术手段。纠偏应遵循长距离缓慢纠正的原则，纠偏半径一定要大于偏移半径。
[0027] 本发明的有益效果为：本发明提供了一种强透水土岩复合地层大直径泥水盾构的综合掘进方法，通过采用复合式常压刀盘，将刀具形式固定的固定刀具和可实现常压滚齿互换的可互换刀具分别安装在其上，两类刀位覆盖整个刀盘的切削轨迹，固定刀具切削土体，可互换刀具切削岩体，从而保证复合地质的顺利掘进。
[0028] 在土岩复合地层或岩石地层切削时刀具磨损量较大，采取常压换刀技术可大大缩短换刀时间，同时能够实现盾构的长距离掘进，从而有效保障施工进度。
[0029] 盾构掘进过程中需要加强对刀盘转速、刀盘推力及扭矩、切口压力、姿态及同步注浆施工参数的控制。其中，同步注浆
浆液采用具有抗水分散性的硬性单液浆，用以抵抗高水位地层的强透水性质，从而保障正常施工环境。
附图说明
[0030] 图1为本发明刀盘结构示意图；图2为本发明填充材料注入示意图；
图3为本发明中心冲刷刀安装示意图；
图4为图3局部放大图；
图5为本发明孤石爆破炮孔布置示意图。
[0031] 其中，1、刀盘，2、可互换刀具。
具体实施方式
[0032] 下面将结合附图和
实施例对本发明作进一步介绍。
[0033] 同时，由于下文的只是部分实施例，在不冲突的情况下，本
申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0034] 实施例一对于上土下岩复合地层，盾构正式掘进前需要进行刀盘1选型与刀具配置。
[0035] 如图1，刀盘1创新采用复合式常压刀盘1的设计形式，内部设计为中空结构，刀盘1面上布置有两种类型的刀位：刀盘1中间部位为刀具形式固定的I类刀位，刀盘1外圈为可实现常压滚齿互换的II类刀位（如图1中圈出来的位置所示），盾构掘进过程中两类刀位的占比根据盾构掘进断面内土体与岩体的占比及岩体的侵入高度来确定，确保复合地层中
滚刀刀具切削轨迹能够基本覆盖岩体。
[0036] 刀盘1
开口率综合考虑断面岩体占比及岩体力学指标而定，同时应该确保常压换刀技术的作业空间，一般为25%～35%，过大的刀盘1开口率会带来较大的扭矩。
[0037] 刀具采用贝壳型先行刀和刮刀搭配的刀具体系，常压可更换刀具的切削轨迹覆盖整个刀盘1，层次性的布置刀具，可互换刀具2刀高大于固定刀具，刀盘1外圈布置一定数量的常压可更换滚刀，其刀刃最高。
[0038] 盾构在复合地层中掘进时，基于“滚刀破岩、齿刀切土”的滚齿刀布置原则、根据掘进断面内岩体所占比例对II类刀位上的滚齿刀布置形式进行调整，并利用常压滚齿互换技术进行更换。
[0039] 两类刀位覆盖整个刀盘1的切削轨迹，在土岩复合地层或岩石地层切削时刀具磨损量较大，施工中根据刀具磨损监测装置的监测到的磨损情况，采取常压换刀技术实现盾构的长距离掘进，用以缩短换刀时间。
[0040] I类刀位刀具更换包括7步：①伸缩油缸装入；②摆钟型套筒固定；③伸缩油缸吊耳固定；④松开刀筒螺栓将刀筒抽回；⑤边冲刷边关闭闸板；⑥刀筒卸下并取下刀头；⑦检查更换新刀或装回旧刀。
[0041] II类刀位上的滚齿互换操作与I基本一致，主要不同在于：①换刀辅助工具不同，I类刀位刀具更换使用摆钟型套筒，II类刀位使用刀筒托架和刀筒夹具；②II类刀位上滚刀更换前需关闭磨损探测仪。
[0042] 掘进过程控制加强对刀盘1转速、刀盘1推力及扭矩、切口压力、姿态及同步注浆施工参数的控制。
[0043] 主要包括以下方面：（1）刀盘1转速需要综合考虑刀盘1扭矩及刀具磨损量来确定，复合地层刀盘1转速控制在0.8～1.3r/min即可。
[0044] （2）复合地层中刀盘1的推力和扭矩是相关的两个参数，一般情况下复合地层中掘进时，刀盘1推力控制在推力设计值的40%～65%，扭矩控制在设计扭矩的30%～65%，两者最大值不得超过设计值的70%。
[0045] （3）掘进过程中严格控制掌子面的切口压力波动，实际操作切口压力比理论计算值略大0～0.2bar，不宜相差过大，以防发生掌子面顶部击穿。
[0046] （4）泥浆主材为膨润土，正常掘进状态下泥浆比重控制在1.1～1.2g/cm3，粘度控制在23S以上，其性质应具有较好的稳定性。定时检测泥浆指标，及时将废浆外排并补充新浆。
[0047] （5）姿态控制的重点不是盾构或管片偏离设计轴线的绝对值,而是两者的相对位置关系，在上软下硬地层中，更应加强对管片点位选择的管理。当管片的上浮量较大时，应按照“管片姿态适应于盾构姿态”的原则，动态调整盾构姿态和选择管片拼装点位。在上软下硬地层进行纠偏时，应采用分区油压差的方式，特殊的情况下可采用改变油缸使用数量和应力释放的技术手段。纠偏应遵循长距离缓慢纠正的原则，纠偏半径一定要大于偏移半径。
[0048] （6）同步注浆施工参数同步注浆浆液采用硬性单液浆，必须具有抗水分散性，以抵抗高水位地层的强透水性质，其材料包括水泥、膨润土、粉煤灰、砂、保塑剂、减水剂和水，初凝时间6～10小时，稠度8～12cm，扩展度52～58cm，配比材料的强度应与周边地层相匹配，土质地层28天抗压强度大于1MPa，岩质地层可适当提高粉煤灰和水泥的掺量，28天抗压强度2～3MPa，但需要保证初凝时间，防止堵管。
[0049] 注浆压力综合考虑地层条件、管片强度、浆液性能和泥水压力等因素，一般注浆压力P=P1(注浆点泥水压力值)+P2（注浆管道压力损失）+P3(取30-50kPa)，掘进过程中采用分时分点位不间断注浆为主，手动注浆为辅的注浆控制。
[0050] 注浆量根据地层地质情况每环（2米）理论注浆量V=(π/4) ×（D2－d2）×2(D为刀盘1开挖直径，d为衬砌管片外径)，充填系数不小于1.3，正常控制在1.3～1.8。以武汉地铁8号线越江盾构隧道为例，其12.55米直径的泥水盾构在上软下硬地层实际由满足注浆压力的注浆量在19 m3，现场控制在22～23 m3。
[0051] 实施例二在实施例一的
基础上，对刀盘1泥饼的防治工作进行加强。
[0052] 刀盘1中心体泥饼的防治包含预防与处理两种技术措施，综合使用包含开发的带冲刷功能的中心冲刷刀、泥饼切割水刀、刀盘1温度实时监测系统、泥饼分散剂在内的多种设备和材料，并辅以盾构掘进参数共同进行泥饼的防治。
[0053] 刀盘1泥饼的预防是将刀盘1原装中心冲刷刀更换为带有冲刷喷口及泥浆通道的中心冲刷刀，刀筒后方连接后方P0.1泵，泥浆压力根据实际情况进行调整，在盾构掘进切土的同时，将泥浆从冲刷喷口喷出以冲刷渣土及既有泥饼，预防由于刀盘1中心区开口率过低导致的刀盘1结泥饼问题的发生。刀盘1泥饼的预防与盾构掘进同步开展。
[0054] 盾构正常掘进过程中，实时监测掘进参数及刀盘1温度的变化情况，当掘进参数出现异常情况时，首先往泥浆中加注泥饼分散剂，并进一步分析相关参数的变化情况：若参数稳定，则可继续掘进并在适当情形下恢复正常掘进（即泥浆中不再掺加泥饼分散剂）；若刀盘1温度监测系统监测的温度持续升高，掘进参数持续变化，根据已有经验判定为刀盘1中心体处已经生成泥饼后，需要将盾构停机进行泥饼清理。
[0055] 当盾构刀盘1中心体处结成泥饼后，盾构停止掘进，在开挖面泥水压力保持恒定的情况下，选择一把中心冲刷刀更换为自行开发设计的水刀并在水刀后方连接高压泵组，利用高压水对中心冲刷刀处的泥饼进行切割清理，清理完毕后依次清理其他刀具附近的泥饼，直至中心泥饼清理完毕，恢复盾构推进。
[0056] 实施例三由于盾构机的开挖直径略大于盾体直径，且盾体直径略大于盾尾直径，盾构机的开挖直径达12.55米，而前盾体的直径为12.51米，中盾直径为12.49米，盾尾直径为12.47米，因此开挖面和盾尾之间的空隙约为4cm，此空间在管片脱出盾尾未进行管片壁后注浆前为锥度空间，是为了降低土体对盾构机的挤压力和摩擦力而设置的，但是在掘进过程中是可能形成顶部沉降的一个空间。
[0057] 为减轻开挖面与盾体形成的锥度而导致的沉降，在盾构推进过程中，通过盾体预留的上部径向孔向盾体外同步注入一种惰性材料，及时填充开挖直径和盾体之间的空隙。注入率为120～130%之间。
[0058] 惰性材料是使用地层稳定控制剂粉末与水玻璃20:1比例混合后注入开挖直径与盾体直径锥度空间内，有一定强度与支撑力，较长时间不凝结，可控制由于锥度空间无法及时填充引起的沉降。
[0059] 实施例四对于强度较高的球状风化体岩体（即孤石），由于盾构无法进行有效切削，在盾构掘进前需要进行爆破预处理：先对掘进断面内的高强度岩体先进行爆破，然后进行注浆固结，确保加固后的破碎岩体能够维持自身稳定，以进行盾构掘进切削。
[0060] 本工艺中的爆破施工与常规爆破施工工艺基本相同，不同之处在于钻孔放药及起爆的位置均在地面或水面，每次爆破沿盾构掘进方向布设“两短一长”三排炮孔，炮孔间距0.6 0.8m，孔位基本与盾构开挖边界重合。爆破后破碎岩体的注浆加固工艺与常规注浆加~
固工艺相同，注浆压力根据注浆区域水土压力确定，注浆范围覆盖破碎岩体即可，岩体加固完成后使用双液浆对注浆孔进行封孔处理。
[0061] 实施例五结合地质勘查资料，如地质断面中存在破碎带岩体，则对盾构掘进前方的破碎岩体进行注浆预固结处理，保证盾构穿越破碎岩体时能有效切削，其工艺与水上爆破预处理中的注浆加固相同，此处不再赘述。
[0062] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡在本发明的精神和原则之内所做任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
