技术领域
[0001] 本
申请涉及一种盾构掘进施工工艺，具体涉及一种盾构掘进施工中带压进仓前的准备工艺。
背景技术
[0002] 盾构设备是超大直径盾构隧道项目成败的关键，超大直径盾构隧道因其横断面尺寸及结构顶覆土要求，掘进过程中不可避免遭遇多个土层，因此，盾构设备需要有较高的可靠性和技术先进性，以满足隧道所在地可能出现的复杂的
水文、地质、沿线
建筑物等环境。
[0003] 根据盾构掘进出渣情况、地质勘查情况，综合分析停机掌子面工程地质情况是否稳定，确认在采取有效防护措施的前题下是否可以满足带压进仓施工的安全需要。在满足的情况下，为保证开仓作业的连续、快速，必须做好充分的施工准备工作。
发明内容
[0004] 为了实现盾构掘进施工顺利带压进仓，本发明提供了一种盾构掘进施工中带压进仓前的准备工艺。
[0005] 本发明采用的具体技术方案如下：
[0006] 一种盾构掘进施工中带压进仓前的准备工艺，准备工艺包括盾构开仓相关设备正常运行的检查与备份，开仓作业工具准备、洞内
风、水、电准备、清仓机具及材料及应急物资、
活体检测等的准备，依据地质详勘资料、补勘资料以及近期所出渣土组成等信息，综合分析盾构机所处
位置地质情况，确定
地层稳定具备盾构机带压进仓作业的条件，具体包括以下几个方面：
[0007] (1)地面监测工艺；
[0008] (2)气压值确定工艺；
[0009] (3)盾尾密封工艺；
[0010] (4)泥膜制作工艺；
[0011] (5)降液位工艺；
[0012] (6)泥水仓密封效果检查工艺。
[0013] 进一步地，地面检测工艺具体包括：
[0014] (1)监测点布设
[0015] 在陆域段带压进仓换刀点位置，在刀盘里程后方5m设置1个监测断面，刀盘位置设置1个监测断面，刀盘前方间隔5m设置2个监测断面，共计4个监测断面；每个断面线路中线上设置1个，线路中线两侧各5m设置1个，每个断面设置3个地表监测点；带压进仓前监测
频率4次/天，沉降速率未超过2mm/天，开累沉降未超过2cm时，具备开仓条件；进仓期间监测频率5次/天，沉降速率未超过3mm/天，开累沉降未超过3cm时，可以继续仓内作业；带压进仓完成正常掘进过程中监测频率2次/天，沉降速率未超过3mm/天，开累沉降未超过3cm；
[0016] (2)监测方法
[0017] 发射换能器从海面向下发射声脉冲，声脉冲在水中向下传播，遇到
密度不同的海底介质时发生反射，反射后的声脉冲在
海水中向上传播，并被海面的接收换能器所接收；根据声脉冲在海水中往返的时间和它在海水中的声速，就能算出换能器至海底的直线距离，即水深,根据水深的变化判断海床的沉陷情况；
[0018] 沉降计算：Uxi＝Z+H水
[0019] 对同一测点ΔUx＝Uxi-Uxi-1
[0020] 式中，ΔUx、Uxi、Uxi-1分别为第x位置测点第i次测得海床面沉陷值、第i次基准水面距海床面深度、第i-1测得基准水面距海床面深度；
[0021] (3)监测控制标准
[0023] ①地表沉降累计值为25mm；
[0024] ②地表变化速率按3mm/d的控制；
[0025] ③盾构隧道结构竖向位移和水平位移累计值：30mm变化速率：3mm/d；
[0026] ④盾构隧道结构净空收敛累计值：3‰D变化速率：3mm/d；
[0027] (4)警戒值
[0028] 根据设计要求及相关规范，当监测数据达到监测控制标准值的70％时，定为警戒值，应加强监测频率；当监测数据达到或监测控制标准值时，应立即停止施工，修正支护参数后方能继续施工；
[0029] 在信息化施工中，监测后应及时对各种监测数据进行
整理分析，判断监测对象的
稳定性，并及时反馈到施工中去指导施工。根据上述监测控制标准，可选择监测频率：一般在Ⅲ级管理阶段监测频率可适当放大一些；在Ⅱ级管理阶段则应注意加密监测次数；在Ⅰ级管理阶则应密切关注，加强监测，监测频率可达到1～2次/天或更多；具体如下表所示：
[0030] 监测管理表
[0031]管理等级 管理位移 施工状态
Ⅲ U0＜Un/3 可正常施工
Ⅱ Un/3≤U0≤UNA2/3 应注意，并加强监测
Ⅰ U0＞UNA2/3 应采取加强支护等措施
[0032] 表中，U0—实测位移值；Un—允许位移值Un的取值，即监测控制标准。
[0033] 进一步地，气压值确定工艺具体包括：
[0034] 带压进仓气压作业工作压
力值确以能保证掌子面的稳定且上部地层不被高压气击穿为原则；计算方法如下：
[0035] P＝Pa+Pw+P预备
[0036] 式中：P—气压作业工作压力；
[0037] Pa—计算至隧道开挖顶部的水土压力；
[0038] Pw—土体上部覆水压力；
[0039] P预备—预备压力，取0.2bar；
[0040] Pa＝KaλH
[0041] Ka—主动土压力系数，Ka＝tan2(45°-φ/2)；
[0042] λ—土体重度；
[0043] H—土体埋深。
[0044] 进一步地，盾尾密封工艺具体包括：
[0045] ①在盾构机快到停机位置时加大同步注浆量，确保同步注浆填充饱满，同时加大盾尾油脂的注入量，避免注浆压力过大流入盾尾导致盾尾密封失效；
[0046] ②在盾尾后2环～10环利用管片上的二次注浆孔开孔进行
水泥～水玻璃
浆液双液浆的补注，同时从盾体径向孔注入聚
氨酯，在盾壳外形成封闭止水圈，以保证壁后注浆的填充密实度及隔水效果，避免盾尾后的
地下水流入仓内；
[0047] ③密封措施完成后，调整气仓压力为开仓压力，通过观察泥水仓压力变化和液位变化判断盾尾止水效果；
[0048] ④若止水效果不理想，可采取在盾尾后部管片开孔进行聚氨酯的补注，确保盾尾密封效果，在确认盾尾密封效果满足规定要求后，开始准备进行泥膜的制作。
[0049] 进一步地，泥膜制作工艺具体包括：
[0050] 高
粘度泥浆的配比可根据带压开仓人员进仓检查掌子面泥膜实际效果进行适当的调整，以确保泥膜的
质量；
[0051] ①高粘度泥浆的调制
[0052] 高粘度泥浆的调制可采用泥浆站的调制浆系统进行调制，泥浆的调制严格按照配合比进行，高粘度泥浆调制完成后必须静置24h，并对调制完成的高粘度泥浆进行性能测试，满足规定要求后并利用
混凝土运输
罐车将高粘度泥浆运输至盾构机；
[0053] ②高粘度泥浆的压注
[0054] 高粘度泥浆的压注采用盾构的同步注浆系统通过进浆管向泥水仓内压注的方式进行，对仓内泥浆进行置换，做泥膜时，仓内压力需高于工作压力0.2bar～0.5bar，高粘度泥浆的注入压力不得小于开仓压力，注入高粘度泥浆置换仓内泥浆过程中仓内压力需保持基本稳定；高粘度泥浆注入过程中及时进行排浆，保证仓内液位及压力稳定，泥浆置换量为仓内泥浆容积的1.2倍,则切口尺寸为50mm时，需要置换的泥浆方量为216.5m3；置换完成后低速转动刀盘一定时间，一方面确保成型泥膜质量，一方面避免压力过大导致地面被击穿；
[0055] ③泥浆补注
[0056] 随着开仓时间延续，为保障开挖面泥膜的持续密封效果，在每天最后一仓完成后，向刀盘前方压注新的高粘度泥浆，并通过出浆管将置换出来的浆液排出，过程中保证仓内压力稳定，置换完成后，仓内形成新的泥膜，然后静置保压不小于2h，通过补气量判断泥膜质量。
[0057] 进一步地，降液位工艺具体包括：
[0058] 根据带压进仓作业目的，确定液位降低标准，一般分降低泥水仓液位和降低气压仓液位，具体为：
[0059] ①降低气压仓液位
[0060] 当仅需要带压进入气仓检修
碎石机等部件或疏通排浆口堵塞物时，则只需利用盾构配备的排浆
泵在旁通循环模式下将气压仓液位降低，同时增加气压设置压力，液位降低标准一般为略高于气压仓底部与泥水仓的连接通道；此时，泥水仓为满仓泥浆，而气压仓则为小半仓泥浆，气压不至于通过两仓连接通道窜至泥水仓；在降低液位、增加气压的过程中，应分梯度进行，即当液位降低1m时，应及时将压力设置值提高0.1bar，避免因压力突变造成掌子面失稳；
[0061] ②降低泥水仓液位
[0062] 若需要进入泥水仓进行下部压力
传感器更换、障碍物探测、刀具检修、孤石打捞等作业时，则须降低泥水仓液位；在将气压仓液位降至设计位置后，打开泥水仓和气压仓之间的联通
阀，使气体通至泥水仓，并调整气压设置值；最终达到两仓液位相平，上部为气体，下部为泥水的目的，此时气压为平衡掌子面中部水土压力的计算值。
[0063] 进一步地，泥水仓密封效果检查工艺具体包括：
[0064] 初次开仓前做开挖仓的保压试验，保压时间不小余2h；根据仓内泥水、气体逸散速率判断泥膜保压性能，若供气量小于供气能力的10％时，开挖仓压力能在2h内无变化或不发生大的
波动时，表明保压试验合格，在气压开仓过程中若供气量大于供气能力的50％，则应停止气压作业并重新采用浆气置换修补泥膜至保压试压合格；
[0065] 供气量大于供气能力的50％判别方法：
[0066] 每台盾构机保压系统共设置4台供气能力为12m3/min的空压机，总供气能力为48m3/min；
[0067] 若补气量小于每小时200m3，则说明供气量小于盾构保压系统供气能力的50％，密封效果满足进仓作业要求，保压系统可满足仓内气体保压需求；
[0068] 若补气量大于每小时200m3，则说明供气量大余盾构保压系统供气能力的50％，仓内密封效果较差不能满足进仓作业要求，保压系统不满足仓内气体保压需求，应停止气压作业并重新采用浆气置换修补泥膜至保压试压合格。
[0069] 本发明通过地质详勘资料、补勘资料以及近期所出渣土组成等信息，综合分析盾构机所处位置地质情况，确定地层稳定具备盾构机带压进仓作业的条件，并通过对地面监测工艺、气压值确定工艺、盾尾密封工艺、泥膜制作工艺、降液位工艺以及泥水仓密封效果检查工艺的控制实现盾构掘进施工中带压进仓前的准备，实现盾构掘进施工顺利带压进仓。
具体实施方式
[0070] 一种盾构掘进施工中带压进仓前的准备工艺，准备工艺包括盾构开仓相关设备正常运行的检查与备份，开仓作业工具准备、洞内风、水、电准备、清仓机具及材料及应急物资、活体检测等的准备，依据地质详勘资料、补勘资料以及近期所出渣土组成等信息，综合分析盾构机所处位置地质情况，确定地层稳定具备盾构机带压进仓作业的条件，具体包括以下几个方面：
[0071] (1)地面监测工艺；
[0072] (2)气压值确定工艺；
[0073] (3)盾尾密封工艺；
[0074] (4)泥膜制作工艺；
[0075] (5)降液位工艺；
[0076] (6)泥水仓密封效果检查工艺。
[0077] 进一步地，地面检测工艺具体包括：
[0078] (1)监测点布设
[0079] 在陆域段带压进仓换刀点位置，在刀盘里程后方5m设置1个监测断面，刀盘位置设置1个监测断面，刀盘前方间隔5m设置2个监测断面，共计4个监测断面；每个断面线路中线上设置1个，线路中线两侧各5m设置1个，每个断面设置3个地表监测点；带压进仓前监测频率4次/天，沉降速率未超过2mm/天，开累沉降未超过2cm时，具备开仓条件；进仓期间监测频率5次/天，沉降速率未超过3mm/天，开累沉降未超过3cm时，可以继续仓内作业；带压进仓完成正常掘进过程中监测频率2次/天，沉降速率未超过3mm/天，开累沉降未超过3cm；
[0080] (2)监测方法
[0081] 发射换能器从海面向下发射声脉冲，声脉冲在水中向下传播，遇到密度不同的海底介质时发生反射，反射后的声脉冲在海水中向上传播，并被海面的接收换能器所接收；根据声脉冲在海水中往返的时间和它在海水中的声速，就能算出换能器至海底的直线距离，即水深,根据水深的变化判断海床的沉陷情况；
[0082] 沉降计算：Uxi＝Z+H水
[0083] 对同一测点ΔUx＝Uxi-Uxi-1
[0084] 式中，ΔUx、Uxi、Uxi-1分别为第x位置测点第i次测得海床面沉陷值、第i次基准水面距海床面深度、第i-1测得基准水面距海床面深度；
[0085] (3)监测控制标准
[0086] 地表变形应按照如下标准进行控制：
[0087] ①地表沉降累计值为25mm；
[0088] ②地表变化速率按3mm/d的控制；
[0089] ③盾构隧道结构竖向位移和水平位移累计值：30mm变化速率：3mm/d；
[0090] ④盾构隧道结构净空收敛累计值：3‰D变化速率：3mm/d；
[0091] (4)警戒值
[0092] 根据设计要求及相关规范，当监测数据达到监测控制标准值的70％时，定为警戒值，应加强监测频率；当监测数据达到或监测控制标准值时，应立即停止施工，修正支护参数后方能继续施工；
[0093] 在信息化施工中，监测后应及时对各种监测数据进行整理分析，判断监测对象的稳定性，并及时反馈到施工中去指导施工。根据上述监测控制标准，可选择监测频率：一般在Ⅲ级管理阶段监测频率可适当放大一些；在Ⅱ级管理阶段则应注意加密监测次数；在Ⅰ级管理阶则应密切关注，加强监测，监测频率可达到1～2次/天或更多；具体如下表所示：
[0094] 监测管理表
[0095] 管理等级 管理位移 施工状态Ⅲ U0＜Un/3 可正常施工
Ⅱ Un/3≤U0≤UNA2/3 应注意，并加强监测
Ⅰ U0＞UNA2/3 应采取加强支护等措施
[0096] 表中，U0—实测位移值；Un—允许位移值Un的取值，即监测控制标准。
[0097] 进一步地，气压值确定工艺具体包括：
[0098] 带压进仓气压作业工作压力值确以能保证掌子面的稳定且上部地层不被高压气击穿为原则；计算方法如下：
[0099] P＝Pa+Pw+P预备
[0100] 式中：P—气压作业工作压力；
[0101] Pa—计算至隧道开挖顶部的水土压力；
[0102] Pw—土体上部覆水压力；
[0103] P预备—预备压力，取0.2bar；
[0104] Pa＝KaλH
[0105] Ka—主动土压力系数，Ka＝tan2(45°-φ/2)；
[0106] λ—土体重度；
[0107] H—土体埋深。
[0108] (1)东线EK4+876带压进仓气压值
[0109] 带压进仓位置水位深约6.1m，洞顶埋深15.8m，由此根据掌子面的稳定开仓气压计算方法确定如下：
[0110] Pa＝(15.8+7.5)×16.7×0.72/100＝2.8bar；
[0111] Pw＝6.1×0.1＝0.61
[0112] 根据上述计算可得：
[0113] P＝2.8+0.61+0.2＝3.6bar
[0114] 同时应结合盾构正常掘进过程中土仓上部保压值，和其具体带压进仓气压值受潮汐影响，实际工作压力根据保压试验结果确认。
[0115] (2)西线EK4+858带压进仓气压值
[0116] 带压进仓位置地下水位埋深约6.4m，洞顶埋深15.3m，由此根据掌子面的稳定开仓气压计算方法确定如下：
[0117] Pa＝(15.3+7.5)×16.7×0.72/100＝2.74bar；
[0118] Pw＝6.4×0.1＝0.64
[0119] 根据上述计算可得：
[0120] P＝2.74+0.64+0.2＝3.58bar
[0121] 同时应结合盾构正常掘进过程中土仓上部保压值，和其具体带压进仓气压值受潮汐影响，实际工作压力根据保压试验结果确认。
[0122] (3)东线EK4+442带压进仓气压值：
[0123] 带压进仓位置地下水位埋深约7.1m，洞顶埋深13.6m，由此根据掌子面的稳定开仓气压计算方法确定如下：
[0124] Pa＝(13.6+7.5)×17×0.72＝2.58bar；
[0125] Pw＝7.1×0.1＝0.71
[0126] 根据上述计算可得：
[0127] P＝2.58+0.71+0.2＝3.49bar
[0128] 同时应结合盾构正常掘进过程中土仓上部保压值，和其具体带压进仓气压值受潮汐影响，实际工作压力根据保压试验结果确认。
[0129] (4)西线WK4+425带压进仓气压值：
[0130] 带压进仓位置地下水位埋深约7.2m，洞顶埋深13m，由此根据掌子面的稳定开仓气压计算方法确定如下：
[0131] Pa＝(13+7.5)×17×0.72＝2.51bar；
[0132] Pw＝7.2×0.1＝0.72
[0133] 根据上述计算可得：
[0134] P＝2.51+0.72+0.2＝3.53bar
[0135] 同时应结合盾构正常掘进过程中土仓上部保压值，和其具体带压进仓气压值受潮汐影响，实际工作压力根据保压试验结果确认。
[0136] 进一步地，盾尾密封工艺具体包括：
[0137] ①在盾构机快到停机位置时加大同步注浆量，确保同步注浆填充饱满，同时加大盾尾油脂的注入量，避免注浆压力过大流入盾尾导致盾尾密封失效；
[0138] ②在盾尾后2环～10环利用管片上的二次注浆孔开孔进行水泥～水玻璃浆液双液浆的补注，同时从盾体径向孔注入聚氨酯，在盾壳外形成封闭止水圈，以保证壁后注浆的填充密实度及隔水效果，避免盾尾后的地下水流入仓内；
[0139] ③密封措施完成后，调整气仓压力为开仓压力，通过观察泥水仓压力变化和液位变化判断盾尾止水效果；
[0140] ④若止水效果不理想，可采取在盾尾后部管片开孔进行聚氨酯的补注，确保盾尾密封效果，在确认盾尾密封效果满足规定要求后，开始准备进行泥膜的制作。
[0141] 进一步地，泥膜制作工艺具体包括：
[0142] 高粘度泥浆的配比可根据带压开仓人员进仓检查掌子面泥膜实际效果进行适当的调整，以确保泥膜的质量；
[0143] ①高粘度泥浆的调制
[0144] 高粘度泥浆的调制可采用泥浆站的调制浆系统进行调制，泥浆的调制严格按照配合比进行，高粘度泥浆调制完成后必须静置24h，并对调制完成的高粘度泥浆进行性能测试，满足规定要求后并利用混凝土运输罐车将高粘度泥浆运输至盾构机；
[0145] ②高粘度泥浆的压注
[0146] 高粘度泥浆的压注采用盾构的同步注浆系统通过进浆管向泥水仓内压注的方式进行，对仓内泥浆进行置换，做泥膜时，仓内压力需高于工作压力0.2bar～0.5bar，高粘度泥浆的注入压力不得小于开仓压力，注入高粘度泥浆置换仓内泥浆过程中仓内压力需保持基本稳定；高粘度泥浆注入过程中及时进行排浆，保证仓内液位及压力稳定，泥浆置换量为仓内泥浆容积的1.2倍,则切口尺寸为50mm时，需要置换的泥浆方量为216.5m3；置换完成后低速转动刀盘一定时间，一方面确保成型泥膜质量，一方面避免压力过大导致地面被击穿；
[0147] ③泥浆补注
[0148] 随着开仓时间延续，为保障开挖面泥膜的持续密封效果，在每天最后一仓完成后，向刀盘前方压注新的高粘度泥浆，并通过出浆管将置换出来的浆液排出，过程中保证仓内压力稳定，置换完成后，仓内形成新的泥膜，然后静置保压不小于2h，通过补气量判断泥膜质量。
[0149] 进一步地，降液位工艺具体包括：
[0150] 根据带压进仓作业目的，确定液位降低标准，一般分降低泥水仓液位和降低气压仓液位，具体为：
[0151] ①降低气压仓液位
[0152] 当仅需要带压进入气仓检修碎石机等部件或疏通排浆口堵塞物时，则只需利用盾构配备的排浆泵在旁通循环模式下将气压仓液位降低，同时增加气压设置压力，液位降低标准一般为略高于气压仓底部与泥水仓的连接通道；此时，泥水仓为满仓泥浆，而气压仓则为小半仓泥浆，气压不至于通过两仓连接通道窜至泥水仓；在降低液位、增加气压的过程中，应分梯度进行，即当液位降低1m时，应及时将压力设置值提高0.1bar，避免因压力突变造成掌子面失稳；
[0153] ②降低泥水仓液位
[0154] 若需要进入泥水仓进行下部
压力传感器更换、障碍物探测、刀具检修、孤石打捞等作业时，则须降低泥水仓液位；在将气压仓液位降至设计位置后，打开泥水仓和气压仓之间的联通阀，使气体通至泥水仓，并调整气压设置值；最终达到两仓液位相平，上部为气体，下部为泥水的目的，此时气压为平衡掌子面中部水土压力的计算值。
[0155] 进一步地，泥水仓密封效果检查工艺具体包括：
[0156] 初次开仓前做开挖仓的保压试验，保压时间不小余2h；根据仓内泥水、气体逸散速率判断泥膜保压性能，若供气量小于供气能力的10％时，开挖仓压力能在2h内无变化或不发生大的波动时，表明保压试验合格，在气压开仓过程中若供气量大于供气能力的50％，则应停止气压作业并重新采用浆气置换修补泥膜至保压试压合格；
[0157] 供气量大于供气能力的50％判别方法：
[0158] 每台盾构机保压系统共设置4台供气能力为12m3/min的空压机，总供气能力为48m3/min；
[0159] 若补气量小于每小时200m3，则说明供气量小于盾构保压系统供气能力的50％，密封效果满足进仓作业要求，保压系统可满足仓内气体保压需求；
[0160] 若补气量大于每小时200m3，则说明供气量大余盾构保压系统供气能力的50％，仓内密封效果较差不能满足进仓作业要求，保压系统不满足仓内气体保压需求，应停止气压作业并重新采用浆气置换修补泥膜至保压试压合格。
[0161] 本发明通过地质详勘资料、补勘资料以及近期所出渣土组成等信息，综合分析盾构机所处位置地质情况，确定地层稳定具备盾构机带压进仓作业的条件，并通过对地面监测工艺、气压值确定工艺、盾尾密封工艺、泥膜制作工艺、降液位工艺以及泥水仓密封效果检查工艺的控制实现盾构掘进施工中带压进仓前的准备，实现盾构掘进施工顺利带压进仓。
