一种带压拆除螺旋输送机的施工方法与流程

1.本发明属于土压平衡盾构施工技术领域，尤其涉及一种带压拆除螺旋输送机的施工方法。


背景技术：

2.盾构法因其对附近既有建（构）筑物的影响较小，已被广泛应用于隧道施工。土压平衡盾构施工的关键是土压平衡的实现，而螺旋输送机作为土压平衡盾构输送盾构机土仓内渣土和建立土压平衡的主要设备，安装于盾构机前体的底部和管片拼装机之间，其中线从前向后上扬一定角度。当螺旋输送机工作时，伸入盾构机土仓内的螺杆和螺旋叶片在液压马达的驱动下旋转，渣土在螺旋叶片和机壳的共同作用下，沿一定角度的螺旋线进行输送提升，至出土口处排出。
3.盾构隧道掘进施工过程中，由于穿越软硬不均夹带孤石群的地层导致螺旋输送机叶片磨损，需要在螺旋输送机无法正常工作前，就对螺旋输送机进行更换，更换前需先对叶片磨损的螺旋输送机进行拆卸。当掌子面土压力较大时，更换螺旋输送机需要对盾构机土仓内进行保压，在盾构机土仓内带压力的情况下对螺旋输送机进行更换，更换过程中需要确保盾构机土仓内外压力动态平衡，从而达到安全高效地更换螺旋输送机。
4.现有技术中，中国专利申请号201510730729.9公开了一种砂层中土压平衡盾构机仓内注浆换刀的施工方法，其在空气置换盾构机土仓内的渣土泥浆步骤中，转动螺旋输送机输出盾构机土仓内的渣土泥浆，直至渣土泥浆完全排出；输出渣土泥浆过程中，保持盾构机土仓内压力稳定在第一设定值；第一设定值是0.06mpa。
5.现有技术的不足在于，该专利为盾构刀盘的更换方法，且其在空气置换盾构机土仓内的渣土泥浆时，盾构机土仓内的压力值的选取为一固定数值，并未考虑盾构机土仓内外压力动态平衡。因此，现有技术无法保证盾构机土仓内外压力动态平衡，无法利用气压来平衡刀盘前方水、土压力，不能实现利用气压保证前方土体稳定和防止地下水渗入的目的。
6.因此，实有必要提供一种新的带压拆除螺旋输送机的施工方法解决上述技术问题。


技术实现要素：

7.（一）要解决的技术问题基于此，本发明提出了一种带压拆除螺旋输送机的施工方法，该带压拆除螺旋输送机的施工方法旨在解决现有技术无法保证盾构机土仓内外压力动态平衡，无法在拆除螺旋输送机时，利用气压来平衡刀盘前方水、土压力，不能实现利用气压保证前方土体稳定和防止地下水渗入的目的。
8.（二）技术方案为解决上述技术问题，本发明提出了一种带压拆除螺旋输送机的施工方法，包括如下步骤。
9.步骤1：形成气压保护膜采用同步注浆工艺，向盾构机土仓内泵入膨润土浆液，使膨润土浆液充分进入盾构机刀盘周围地层，形成气压保护膜。
10.步骤2：清理盾构机土仓在形成气压保护膜后，对盾构机土仓的渣土进行排渣，并清理盾构机土仓内的孤石，在清仓的过程中维持维持盾构机土仓内压力稳定，其中：在清除的过程中维持仓内压力稳定的方法如下。
11.在排渣清仓减压的同时，根据空气损失量对盾构机土仓进行加气增压，以保证盾构机土仓内压力稳定，实现盾构机土仓内外的压力平衡，直至把由盾构机掘进产生的渣土置换为维持盾构机土仓内压力稳定的气体，实现盾构机土仓内介质的置换；其中，空气损失量q的计算公式如下：其中：q为空气损失量，m3/min；ka为土中空气的渗透系数，m/min；γw为水的重度，取值为10kn/m3；p1为盾构机土仓压力，kpa；p2为地表绝对压强，kpa；l为隧道顶部至空气可以自由流动的路径长度，m；h为水位距离隧道顶部的垂直距离，m；s为掌子面与压缩气体的接触面积，m2；μ1为刀盘正面损失系数；μ2为盾体开挖间隙损失系数；μ3为盾尾间隙沿隧道损失系数；μ4为螺旋输送机的损失系数。
12.步骤3：拆除螺旋输送机并关闭仓门清理盾构机土仓结束后，拆除螺旋输送机，关闭盾构机土仓的前门。
13.步骤4：填充稳压防水介质关闭盾构机土仓的前门后，先向盾构机土仓内填充河砂，形成底部介质层；然后在底部介质层上填充磷酸和水玻璃混和物，磷酸和水玻璃混和物填充完毕且充分反应后形成中部防水层；再在中部防水层上填充膨润土，形成顶部土压层。
14.优选的，步骤1中，向盾构机土仓内泵入膨润土浆液时，需控制盾构机土仓内的压力在2.8bar以内。
15.优选的，步骤1中，使膨润土浆液充分进入盾构机刀盘周围地层的方法为：向盾构机土仓内泵入膨润土浆液的同时，盾构机刀盘以低于1.5r/min的速度连续转动至少2小时。
16.优选的，步骤1中，通过盾构机胸壁中上部的预留孔向盾构机土仓内泵入膨润土浆液；在膨润土泵入前，需对膨润土的粘度进行现场试验，膨润土的稠度要求为：稠度范围为80-100s。
17.优选的，在步骤2清理盾构机土仓时，盾构机土仓内外的压降不大于0.2bar。
18.优选的，步骤2中，计算空气空气损失量q时，根据盾构机土仓内渣土的性质确定μ1、μ2的值，根据盾构机的工作状态确定μ3的值；根据螺旋输送机的出土流畅程度确定μ4的具体值。
19.优选的，步骤3中，拆除螺旋输送机的过程如下：将螺旋输送机的防喷涌装置拆卸完毕，利用螺旋输送机的伸缩油缸将螺杆全部缩回；螺旋输送机拆除后，使用石棉垫和钢板将螺旋输送机分断处的法兰密封起来，以阻断螺旋输送机与盾构机土仓外部空间的连通，
维持盾构机土仓内压力稳定。
20.优选的，步骤3中，前门包括前仓门和前闸门；关闭前仓门和前闸门，并在前仓门及其周围位置填充盾尾油脂，以确保前仓门的密封性，防止盾构机前方的地下水和砂浆进入盾构机土仓内，而导致盾构机土仓内的压力失去平衡。
21.优选的，步骤4：中部防水层的厚度为30cm。
22.优选的，当盾构机土仓内渣土为围岩石时，μ1=0；当盾构机土仓内渣土为非固结土时，μ1=1.0；当盾构机土仓内渣土的渗透系数k在10-3-10-5
cm/s时，μ2=0；当盾构机土仓内渣土的渗透系数k＞10-1
cm/s时，μ2=1.0-3.0，μ2的具体取值根据渗透性而定；当盾构机处于未泵入膨润土浆液的状态时，μ3=0；当盾构机处于泵入膨润土浆液的状态时，μ3=1.0-2.0，μ3的具体取值依据浆液的凝结程度而确定；μ4=0-2.0。
23.（三）有益效果本发明与现有技术对比，本发明带压拆除螺旋输送机的施工方法的有益效果主要包括：本发明的带压拆除螺旋输送机的施工方法，在保证盾构前方周围土体和盾构机土仓满足气密性要求的条件下，利用空气压缩机将空气加压到盾构机土仓，利用气压来平衡刀盘前方水、土压力，实现利用气压保证前方土体稳定和防止地下水渗入的目的，作业人员在气压条件下，进入盾构机土仓内进行作业。在排渣清仓减压的同时，根据空气损失量对盾构机土仓进行加气增压，以保证盾构机土仓内压力稳定，实现盾构机土仓内外的压力平衡，直至把由土压平衡盾构机掘进产生的渣土置换为维持盾构机土仓内压力稳定的气体，实现盾构机土仓内介质的置换。
附图说明
24.通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：图1为本发明的施工方法中涉及的装置的结构示意图。
25.图2为本发明的施工方法中的土仓介质填充示意图。
26.附图标记说明：1.河砂，2.磷酸和水玻璃混和物，3.膨润土，4.中盾，5.前门，6.螺旋输送机，7.土仓，8.刀盘，9.人仓，10.防水板。
具体实施方式
27.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
28.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，也可以是“传动连接”，即通过带传动、齿轮传动或链轮传动等各种合适的方式进行动力连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
29.下面结合附图1-2对本发明的带压拆除螺旋输送机的施工方法作进一步的说明。
30.本发明公开了一种带压拆除螺旋输送机的施工方法，包括如下步骤。
31.步骤1：形成气压保护膜采用同步注浆工艺，向盾构机土仓7内泵入膨润土浆液，使膨润土浆液充分进入盾构机刀盘8周围地层，形成气压保护膜。
32.步骤2：清理盾构机土仓在形成气压保护膜后，对盾构机土仓7的渣土进行排渣，在清仓的过程中维持维持盾构机土仓7内压力稳定，其中：在清除的过程中维持仓内压力稳定的方法如下。
33.在排渣清仓减压的同时，根据空气损失量对盾构机土仓7进行加气增压，以保证盾构机土仓7内压力稳定，实现盾构机土仓7内外的压力平衡，直至把由盾构机掘进产生的渣土置换为维持盾构机土仓7内压力稳定的气体，实现盾构机土仓7内介质的置换；其中，空气损失量q的计算公式如下：其中：q为空气损失量，m3/min；ka为土中空气的渗透系数，m/min；γw为水的重度，取值为10kn/m3；p1为盾构机土仓压力，kpa；p2为地表绝对压强，kpa；l为隧道顶部至空气可以自由流动的路径长度，m；h为水位距离隧道顶部的垂直距离，m；s为掌子面与压缩气体的接触面积，m2；μ1为刀盘正面损失系数；μ2为盾体开挖间隙损失系数；μ3为盾尾间隙沿隧道损失系数；μ4为螺旋输送机的损失系数。
34.步骤3：拆除螺旋输送机并关闭仓门清理盾构机土仓7结束后，拆除螺旋输送机6，关闭盾构机土仓的前门5。
35.步骤4：填充稳压防水介质关闭盾构机土仓的前门5后，先向盾构机土仓7内填充河砂1，形成底部介质层；然后在底部介质层上填充磷酸和水玻璃混和物2，磷酸和水玻璃混和物2填充完毕且充分反应后形成中部防水层；再在中部防水层上填充膨润土3，形成顶部土压层。
36.根据本发明的具体实施方式，步骤1中，向盾构机土仓7内泵入膨润土浆液时，需控制盾构机土仓7内的压力在2.8bar以内。本实施方式，采用该结构，利于进一步保证盾构机土仓7内的压力的稳定性。
37.根据本发明的具体实施方式，步骤1中，使膨润土浆液充分进入盾构机刀盘8周围地层的方法为：向盾构机土仓7内泵入膨润土浆液的同时，盾构机刀盘8以低于1.5r/min的速度连续转动至少2小时。本实施方式中，采用该方案利于膨润土3充分进入刀盘8周围地层，提高气压保护膜的质量。
38.根据本发明的具体实施方式，步骤1中，通过盾构机胸壁中上部的预留孔向盾构机土仓7内泵入膨润土浆液；在膨润土3泵入前，需对膨润土3的粘度进行现场试验，膨润土3的稠度要求为：稠度范围为80-100s。本实施方式中，通过预留孔泵入浆液，可提高浆液泵入的便利性。对膨润土3的粘度进行检测，利于进一步保证气压保护膜的质量。
39.根据本发明的具体实施方式，在步骤2清理盾构机土仓7时，盾构机土仓7内外的压降不大于0.2bar。本实施方式中，采用该方案利于保证盾构机土仓7内的压力稳定性，防止
失稳。
40.本实施方式中，根据出土流畅度μ4在0-2.0呈线性分布。l为隧道顶部至空气可以自由流动的路径长度，具体是指隧道上部至空气可自由流动的长度，由于不同的地层，这部分长度不定，需根据实际情况选取。
41.根据本发明的具体实施方式，步骤2中，计算空气空气损失量q时，根据盾构机土仓7内渣土的性质确定μ1、μ2的值，根据盾构机的工作状态确定μ3的值；根据螺旋输送机6的出土流畅程度确定μ4的具体值。更具体地，当盾构机土仓7内渣土为围岩石时，μ1=0；当盾构机土仓7内渣土为非固结土时，μ1=1.0；当盾构机土仓7内渣土的渗透系数k在10-3-10-5
cm/s时，μ2=0；当盾构机土仓7内渣土的渗透系数k＞10-1
cm/s时，μ2=1.0-3.0，μ2的具体取值根据渗透性而定；当盾构机处于未泵入膨润土浆液的状态时，μ3=0；当盾构机处于泵入膨润土浆液的状态时，μ3=1.0-2.0，μ3的具体取值依据浆液的凝结程度而确定；μ4=0-2.0。本实施方式中，未泵入膨润土浆液的状态时，盾尾处于脱离管片的状态。
42.根据本发明的具体实施方式，步骤3中，拆除螺旋输送机6的过程如下：将螺旋输送机6的防喷涌装置拆卸完毕，利用螺旋输送机6的伸缩油缸将螺杆全部缩回；螺旋输送机6拆除后，使用石棉垫和钢板将螺旋输送机6分断处的法兰密封起来，以阻断螺旋输送机6与盾构机土仓7外部空间的连通，维持盾构机土仓7内压力稳定。
43.本实施方式中，在螺旋输送机6分断处设置法兰密封，目的是隔绝盾构机土仓7与中盾4部分，主要为后续土仓7内填充介质提供密闭条件。
44.根据本发明的具体实施方式，步骤3中，前门5包括前仓门和前闸门；关闭前仓门和前闸门，并在前仓门及其周围位置填充盾尾油脂，以确保前仓门的密封性，防止盾构机前方的地下水和砂浆进入盾构机土仓7内，而导致盾构机土仓7内的压力失去平衡。
45.根据本发明的具体实施方式，步骤4：中部防水层的厚度为30cm。本实施方式中，采用该结构利于保证防水性能。
46.更具体地，步骤1中，采用螺旋输送机6排土。需要说明的是，螺旋输送机6在出渣过程中，若遇到孤石，可能会对螺旋输送机6的叶片进行磨损。需要在螺旋输送机6完全不能使用之前进行更换。因此，在排出渣土时，还能用该螺旋输送机6输送渣土。
47.下面继续对本发明的带压拆除螺旋输送机的施工方法作进一步的说明。
48.本实施方式的步骤2中，在进行清仓过程中需要维持盾构机土仓7内压力稳定，以防止掌子面压力失稳，发生事故。
49.盾构机土仓7加气的过程应遵循压力平衡的原则，对盾构机土仓7内加气是加压的过程，螺旋输送机6排渣是盾构机土仓7内降压的过程，保持盾构机土仓压力的同时完成盾构机土仓7内的填充介质的交换。在进行清仓时，盾构机土仓7内的介质是由土压平衡盾构机掘进产生的渣土与维持盾构机土仓7内压力稳定填充的气体之间的交换。最终实现将盾构机土仓7内的渣土置换为气体。
50.带压开舱进行螺旋输送机6的更换过程中，最重要的环节就是对气压的控制，压缩空气周边的密封程度、气压的稳定情况将影响整个带压拆除螺旋输送机6过程中掌子面的稳定性和工作人员的安全问题，所以对于开舱作业前需要对更换螺旋输送机6过程中损失气体进行严密计算，根据损失气体的量来补偿气体，完成盾构机土仓7内介质交换。
51.空气损失量q的计算公式中，关于μ1、μ2、μ3和μ4的取值，具体说明如下。
52.μ1为刀盘正面损失系数，μ1=0适用于高固结土、硬岩等渗透性较低围岩石，μ1=1.0适用于渗透性较高的非固结土。
53.μ2为盾体开挖间隙损失系数，μ2=0适用于高固结土、硬岩等低渗透性土，μ2=1.0-3.0适用于高渗透性土，取值大小根据渗透性而定。
54.μ3为盾尾间隙沿隧道损失系数，μ3=0为盾尾脱离管片未注浆时，μ3=1.0-2.0为注入同步注浆浆液时，其取值大小依据浆液的凝结程度而确定。
55.μ4为螺旋输送机的损失系数，根据螺旋输送机6的出土流畅程度确定，μ4=0-2.0。
56.其中：渗透系数k在10-3-10-5
cm/s为低渗透性土，渗透系数k＞10-1
cm/s为高渗透性土。
57.本实施方式的步骤3中，在前仓门及其周围位置填充盾尾油脂的目的是，确保前仓门的密封性，防止盾构机前方的地下水和砂浆进入盾构机土仓7内，导致盾构机土仓7内压力失去平衡。
58.本实施方式中，通过关闭前仓门并确认前舱门关闭严实，可阻断盾构机土仓7与隧道外部空间的连通，利于盾构机土仓7与隧道外部密闭保压。
59.本实施方式的步骤4中：水玻璃的化学成分是硅酸钠，磷酸是弱酸，硅酸是比磷酸还弱的酸，所以磷酸可以和硅酸钠反应生成硅酸，而生成的硅酸是不溶于水的沉淀。因此，向盾构机土仓7内填充磷酸和水玻璃的双浆液对细砂有良好的固结止水效果，且上述双浆液渗透能力强，固结速度快，整体稳定性良好。将盾构机土仓7内部分高压气体置换为部分磷酸和水玻璃混和物2，在这次介质交换过程中，通过盾构机土仓7内填充，可以在第一种填充介质河砂1的上部形成一层有效的防水层，防止地下水渗土盾构机土仓7，导致盾构机土仓7内外失去压力平衡，影响螺旋输送机6的更换。
60.请重点参考图1，该图示出了前闸门、螺旋输送机6、盾构机土仓7、刀盘8、防水板10、人仓9、地表及地表与盾构机土仓7之间的距离γh。
61.请重点参考图2，待磷酸和水玻璃混和物2填充完毕且充分反应后，向盾构机土仓7内注入满仓膨润土3，确保掌子面的压力平衡，为盾构机土仓7内提供主要的土压，与河砂1、磷酸和水玻璃混和物2和空气压缩机提供的压缩气体共同作用，实现盾构机土仓7内介质的压力平衡。
62.本发明的带压拆除螺旋输送机的施工方法，在保证盾构前方周围土体和盾构机土仓7满足气密性要求的条件下，利用空气压缩机将空气加压到盾构机土仓7，利用气压来平衡刀盘8前方水、土压力，实现利用气压保证前方土体稳定和防止地下水渗入的目的，作业人员在气压条件下，进入盾构机土仓7内进行作业。在排渣清仓减压的同时，根据空气损失量对盾构机土仓7进行加气增压，以保证盾构机土仓7内压力稳定，实现盾构机土仓7内外的压力平衡，直至把由盾构机掘进产生的渣土置换为维持盾构机土仓7内压力稳定的气体，实现盾构机土仓7内介质的置换。
63.虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。