一种盾构冷冻开仓工艺

摘要

本发明公开了一种盾构冷冻开仓工艺，盾构机停止掘进，维持开挖仓内部压力，排出开挖仓内部原有土体，向开挖仓内泵入填充盾构冷冻开仓填充浆液；所述盾构冷冻开仓填充浆液的造浆材料包括粉煤灰、细砂、膨润土粉末、填充结构粒和水；所述造浆材料的配比需保证制浆后浆液稳定；所述填充结构粒为在浆液冷冻时压缩能够吸收冻胀变形、而浆液升温融化时又能回弹提供支撑的颗粒物;冻结步骤：采用制冷系统对开挖仓中填充的浆液及刀盘和盾体周围土体进行冻结；开仓步骤：待开挖仓内浆液及盾体周围土体冻结完毕后，在常压下开仓，此过程冷冻系统继续工作，维持开挖仓内浆液及刀盘和盾体周围的土体处于冻结状态。

权利要求

1.一种盾构冷冻开仓工艺，包括如下步骤：开挖仓排空与浆液填充步骤：盾构机停止掘进，维持开挖仓内部压力，排出开挖仓内部原有土体，向开挖仓内泵入填充盾构冷冻开仓填充浆液；所述盾构冷冻开仓填充浆液的造浆材料包括粉煤灰、细砂、膨润土粉末、填充结构粒和水；所述造浆材料的配比需保证制浆后浆液稳定,其按重量份数计：粉煤灰200‑350；细砂400‑750；膨润土粉末45‑85；填充结构粒70‑125，水200‑370；所述填充结构粒为在浆液冷冻时压缩能够吸收冻胀变形、而浆液升温融化时又能回弹提供支撑的颗粒物；所述填充结构粒为柱状橡胶粒，其直径为2‑10mm，长度10‑50mm，表面粗糙；或者所述填充结构粒为球状橡胶粒，其直径为2‑10mm，表面粗糙；

冻结步骤：采用制冷系统对开挖仓中填充的浆液及刀盘和盾体周围土体进行冻结；

开仓步骤：待开挖仓内浆液及盾体周围土体冻结完毕后，在常压下开仓，此过程冷冻系统继续工作，维持开挖仓内浆液及刀盘和盾体周围的土体处于冻结状态。

2.根据权利要求1所述的盾构冷冻开仓工艺，其特征在于：冻结步骤中，需控制使开挖仓内温度维持在‑5℃以下。

3.根据权利要求1所述的盾构冷冻开仓工艺，其特征在于：开仓步骤中，需控制使开挖仓内温度维持在‑5℃以下。

4.根据权利要求1所述的盾构冷冻开仓工艺，其特征在于：所述柱状橡胶粒或球状橡胶粒的表面设置不同方向伸出的杆状物或刺状物。

5.根据权利要求1所述的盾构冷冻开仓工艺，其特征在于：所述球状橡胶粒的表面设置不同方向伸出的杆状物或刺状物。

6.根据权利要求4或5所述的盾构冷冻开仓工艺，其特征在于：所述球状橡胶粒，其球体内设置若干个小空腔。

7.根据权利要求6所述的盾构冷冻开仓工艺，其特征在于：在所述小空腔内填充有弹性强度略低于本体的弹性材料。

8.根据权利要求7所述的盾构冷冻开仓工艺，其特征在于：所述弹性材料为泡沫粒或橡胶粒。

说明书

一种盾构冷冻开仓工艺

技术领域

[0001] 本发明涉及盾构施工技术领域，特别是一种盾构机冷冻开仓工艺。

背景技术

[0002] 盾构施工中，因地质情况改变或刀具损坏等原因，需要开仓换刀。换刀过程需要工作人员进入开挖仓中作业，在地质条件较为恶劣时，存在塌方、水浸等可能，给操作带来风
险。为了保证操作安全性，地层冻结法得到了应用，通过在盾构机刀盘上设置冷冻管路，向
冷冻管路内通入冷媒，与所处地层进行热交换，将地层温度降到所含水的冰点温度以下，形
成冻土体，从而大幅增加仓体周围土体的强度和弹性模量，提高了开仓换刀操作的安全性。

[0003] 然而，上述地层冻结法，在地层冻结与融化过程会对地层产生影响，水变成冰，在原位其体积要增大约9.05%；反之，固相冰融化成液相水时，其对应冰的体积要缩小约8.3%。
地层冻结过程中，如果产生水分向冻结锋面迁移，迁移的水体积加上因水变成固体冰的体
积，将导致土层体积较大幅的增加，相应此处在融化时同样体积会较大幅的缩小，因而地层
冻结法应用过程中会出现地层冻胀和融沉现象，有破坏隧道上方建筑结构的风险，存在较
大的安全隐患，极大的制约了地层冻结法的应用。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种能够有效避免地层冻结法应用过程中的冻胀和融沉现象发生的盾构冷冻开仓工艺，以提高地层冻结法应用的安全性及适用范围。

[0005] 本发明所述的盾构冷冻开仓工艺，包括如下步骤：

[0006] 开挖仓排空与浆液填充步骤：盾构机停止掘进，维持开挖仓内部压力，排出开挖仓内部原有土体，向开挖仓内泵入盾构冷冻开仓填充浆液；所述盾构冷冻开仓填充浆液的造
浆材料包括粉煤灰、细砂、膨润土粉末、填充结构粒和水；所述造浆材料的配比需保证制浆
后浆液稳定；所述填充结构粒为在浆液冷冻时压缩能够吸收冻胀变形、而浆液升温融化时
又能回弹提供支撑的颗粒物;

[0007] 冻结步骤：采用制冷系统对开挖仓中填充的浆液及刀盘和盾体周围土体进行冻结；

[0008] 开仓步骤：待开挖仓内浆液及盾体周围土体冻结完毕后，在常压下开仓，此过程冷冻系统继续工作，维持开挖仓内浆液及刀盘和盾体周围的土体处于冻结状态。

[0009] 本发明所述的盾构冷冻开仓工艺，其开仓前，在开挖仓内通过特定的盾构冷冻开仓填充浆液替换了常规的原有土体，浆液冻结后，填充浆液能够对仓体周围提供有力的支
撑，且浆液中均匀分布的填充结构粒，在冻结时能够向内压缩变形，吸收水分导致的冻胀变
形，而在融化时，填充结构粒又能够回弹，对浆液提供支撑，其很好地避免地层冻胀和融沉
现象的发生，从而避免了因冻胀和融沉对隧道上方建筑结构及路面带来破坏，极大提高盾
构开仓工艺得安全性。

[0010] 所述盾构冷冻开仓填充浆液的造浆材料，按重量份包括如下成分：粉煤灰200—350；细砂400‑750；膨润土粉末45‑85；填充结构粒70‑125，水200‑370。

[0011] 所述冻结步骤中，最好能控制开挖仓内温度维持在‑5℃以下，以确保整个开挖仓及盾体周围的土体的可靠冻结，提供足够的支撑强度。

[0012] 所述开仓步骤中，维持冷冻系统的继续工作，开挖仓内的温度同样控制在‑5℃以下为佳，以保证整个开仓操作过程的安全性。

[0013] 所述填充结构粒，可为柱状橡胶粒，其直径为2‑10mm，长度10‑50mm以内，表面粗糙。

[0014] 所述填充结构粒，还可为球状橡胶粒，其直径为2‑10mm，表面粗糙。

[0015] 所述柱状橡胶粒的表面可设置不同方向伸出的杆状物或刺状物。

[0016] 所述球状橡胶粒的表面可设置不同方向伸出的杆状物或刺状物。

[0017] 所述球状橡胶粒或柱状橡胶粒本体的内部可设置若干个小空腔。通过设置小空腔,可进一步的提升对冻胀变形的吸收能力，以更好的适应实际需要。

[0018] 在小空腔内可填充弹性强度略低于本体的弹性材料、例如：泡沫粒、塑料粒、或者不同材质的橡胶粒等。此结构在对冻胀变形提供更强的适应能力时，填充的弹性强度略低
于本体的弹性材料还能对空腔提供支撑，从而能在此时更好地保证填充结构粒的回弹能
力，在浆液溶化时，能够更好的提供支撑，更有利于避免溶沉的发生。通过上述结构，可使所
述浆液能适应更大的冻胀和溶沉体积变化，从而更好地适应各种情况下的使用。

[0019] 本发明所述的盾构冷冻开仓填充浆液制备方法，包括如下步骤：

[0020] 按所述重量比例称取干料粉煤灰、细砂、膨润土粉末和填充结构粒，并搅拌均匀；而后，将搅拌后干料倒入搅拌箱内，加入上述相应重量的水，启动搅拌机搅拌，直至砂浆搅
拌均匀，使填充结构粒均匀分布于浆液之中。

[0021] 所述浆液中填充结构粒尺寸不宜过大，需要易于泵送,其粒径尺寸以２mm到60mm为佳。

[0022] 所述填充结构粒的比重与混合浆液相近为佳，以利于均匀分布于浆液之中，避免填充结构粒局部堆积的现象发生。

[0023] 填充结构粒的比重与混合浆液相同最好，其使浆液泵入掌子面后能够稳定的悬浮在混合浆液中，从而更均匀地吸收冻胀和融沉的变形。

附图说明

[0024] 图1为一种填充结构粒的结构立体示意图;

[0025] 图2 为一种填充结构粒的结构剖视图；

[0026] 图3 为一种填充结构粒的结构立体示意图;

[0027] 图４为一种填充结构粒的结构剖视图。

具体实施方式

[0028] 一种盾构冷冻开仓工艺，包括如下步骤：

[0029] 开挖仓排空与浆液填充步骤：盾构机停止掘进，维持开挖仓内部压力，排出开挖仓内部原有土体，向开挖仓内泵入填充盾构冷冻开仓填充浆液；所述盾构冷冻开仓填充浆液
的造浆材料包括粉煤灰、细砂、膨润土粉末、填充结构粒和水；所述造浆材料的配比需保证
制浆后浆液稳定；所述填充结构粒为在浆液冷冻时压缩能够吸收冻胀变形、而浆液升温融
化时又能回弹提供支撑的颗粒物；

[0030] 浆液填充步骤：向开挖仓内泵入填充浆液;所述填充浆液按重量份包括如下成分：粉煤灰200—350；细砂400‑750；膨润土粉末45‑85；填充结构粒70‑125，水200‑370；所述填
充结构粒为在浆液冷冻时压缩能够吸收冻胀变形、而浆液升温融化时又能回弹提供支撑的
颗粒物；

[0031] 冻结步骤：采用制冷系统对开挖仓中填充的浆液及刀盘和盾体周围土体进行冻结，为保证仓内浆液可靠冻结，控制使开挖仓内温度维持在‑5℃以下为佳；

[0032] 开仓步骤：待开挖仓内浆液及盾体周围土体冻结完毕后，在常压下开仓，此过程冷冻系统继续工作，为可靠保证浆液冻结，提供足够的支撑强度，需维持开挖仓内的温度控制
在‑5℃以下。

[0033] 开挖仓排空与浆液填充步骤中，可以先排空开挖仓，再填充盾构冷冻开仓填充浆液，也可以一边排出原有土体一边填充盾构冷冻开仓填充浆液。以边排出边填充的方式为
佳，其能避免排空过程发生的周围土体坍塌，更好的保障施工效率和安全性。

[0034] 所述填充浆液，制备时，称取上述重量份的粉煤灰、细砂、膨润土、填充结构粒的干料，将干料搅拌均匀；而后倒入搅拌箱内，加入相应重量份的水，启动搅拌机搅拌，直至砂浆
搅拌均匀，使柱状橡胶粒均匀分布于浆液之中。

[0035] 所述填充结构粒可采用柱状橡胶粒结构。所述柱状橡胶粒，直径为2‑10mm，长度10‑50mm以内，表面粗糙，如图１。粗糙的表面，使柱状橡胶粒的表面能与浆液的其他材料更
好的结合。还可以在柱状橡胶粒的表面设置多根有向不同方向延伸的细杆。通过不同方向
延伸的细杆，能进一步提升其余其他材料的结合力，同时也能进一步提供对浆料的结构支
撑。

[0036] 大量分布于浆液中的柱状橡胶粒，具有一定的弹性，在冻结的过程中，能够压缩变形，从而能够较好的吸收冻胀；而在融化过程中，柱状橡胶粒又能够自动回弹，从而对浆液
产生支撑，补充因冰融为水而减小的体积，从而避免融沉的发生。

[0037] 所述柱状橡胶粒比重与整体浆液的比重相接近为佳，其能够较好地悬浮于浆液中。尤以柱状橡胶粒比重与整体浆液的比重相同最佳，其能均匀的悬浮于浆液中，避免泵送
入掌子面后发生橡胶粒的整体上浮、沉降等聚积现象而影响对冻胀和融沉的整体吸收效
果，从而影响使用效果。

[0038] 所述填充结构粒也可以为球形橡胶粒，直径为2‑10mm，表面有多根向不同方向延伸的长刺或细杆４，如图2、图４。又或者填充结构粒也可以为椭球形，表面粗燥、凹凸不平，如
图３。通过不同方向延伸的长刺或细杆，能进一步提升其余其他材料的结合力，同时也能进
一步提供对浆料的结构支撑。

[0039] 所述球状橡胶粒或柱状橡胶粒的本体１内部可设置若干个小空腔２，如图２、图４。通过小空腔２的设置，可以进一步提供其压缩空间，从而能够更好地避免冻胀发生。在所述小
空腔２内可填充弹性强度略低于橡胶球的弹性材料３，例如泡沫粒、塑料粒、以及其它材质的
橡胶粒等，如图４。通过此结构能够在空腔内提供回弹支撑，从而能够在融化过程中更好的
回弹，更可靠的避免融沉的发生。

[0040] 所述填充物颗粒，还可采用水稻秸秆段、玉米芯颗粒等，其在改善环保性能的同时能够大幅降低成本。