[发明专利]一种开挖各种断面的盾构装置及施工方法

说明书

本发明公开了一种开挖各种断面的盾构装置及施工方法，盾体无刀盘，盾体包括盾壳、气压仓、泥水仓、旋喷机构、泥浆喷淋管及气压管路系统、泥浆管路系统，在盾体前端设置气压仓，在气压仓后面设置泥水仓。气压仓内设置若干旋喷管，旋喷管的旋喷作业面叠加覆盖隧道开挖面；气压仓内设置泥浆喷淋管，喷淋管向开挖面喷出高浓度泥浆，在气压作用下自动形成泥浆护壁；气压仓底部设置泥浆池，切削下来的土体进入泥浆池，经搅拌后进入泥水仓，再由排浆管排出。盾构在掘进状态下由泥浆护壁和压缩空气共同平衡开挖面。本发明可实现各种断面（含大断面）隧道的开挖，解决了传统气压平衡盾构存在的地层漏气、富水砂层喷涌、气压仓漏气、难以连续出土等问题。

技术领域

本发明涉及隧道工程或隧道盾构技术领域，尤其是一种开挖各种断面的盾构装置及施工方法。

背景技术

隧道根据功能、受力等采用矩形、马蹄形、椭圆形、直墙拱形、多心圆形等断面形式比圆形断面更合理，可减少开挖面积、衬砌工程量、渣土处理量和回填混凝土量，从而提高施工效率和空间利用率，降低工程总造价。目前，日本已开发出刀盘经特殊设计的矩形、马蹄形、椭圆形、多心圆形等多种异形盾构，均采用特殊设计的刀盘，刀盘设计非常复杂。因此，有必要寻求一种更简单的、能够开挖各种断面隧道的盾构装置及施工方法。

盾构开挖面的稳定早期采用挡土板挡住土体，后来长期采用压缩空气平衡开挖面的方法（1886年）并用于开放式盾构中（即气压盾构）。气压盾构设备比较简单且容易进行压力管理，曾在英国、法国、德国、美国、日本等国大量应用于横穿河底的水下隧道，如美国纽约在20世纪30～40年代采用气压盾构法建造了19条水底道路隧道、地铁隧道、市政管道等，日本曾采用气压平衡盾构工法在淤泥及砂层中施工直径10.7m～12.8m的大直径盾构。但传统气压平衡盾构在透气系数大的地层中难以保持气压，在富水砂层中容易涌水、需要采取降水或注浆止水等辅助措施才能平衡开挖面，不能实现掘进状态下自动平衡开挖面；后来经过改进的局部气压盾构仍然存在难以连续出土和气压仓漏气问题。由于密封舱在同样压力差和空隙条件下，漏气量比漏水量大80倍之多，因此在局部气压盾构的气压仓内通入泥水以代替压缩空气，利用泥水压力稳定开挖面，开发出了泥水平衡盾构（1966年）。1974年，日本提出了采用密封舱内的土体压力来平衡开挖面的方法，开发了土压平衡盾构。鉴于气压平衡盾构存在的问题尚未被解决，目前几乎被泥水平衡盾构和土压平衡盾构所取代。

发明内容

高压水射流切割技术作为一项新兴技术，分为无沙切割和加沙切割。高压旋喷桩切割土体采用无沙切割技术(其切割土体的部分为旋喷管)。高压水射流中掺入磨料沙后其切割性能显著提高，盾构隧道施工中应用于切割障碍物或辅助破岩；但盾构仍采用常规的刀盘开挖、用土压或泥水平衡开挖面，而高压水射流在泥水或土中所受阻力很大，导致切削效能显著降低。因此，目前尚未见盾构不采用刀盘、采用高压射流开挖各种断面（含大断面）隧道的报道。

为了摒弃传统的刀盘而采用高压射流开挖各种断面（含大断面）隧道，需要让高压水射流在空气中或气压仓中分发挥切割效能，显然传统的气压盾构难以满足使用要求，需要解决传统气压盾构存在的地层漏气、富水砂层喷涌、气压仓漏气、难以连续出土等技术难题。

针对现有隧道盾构技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种开挖各种断面的盾构装置及施工方法，其中盾构装置的具体技术方案为：

一种开挖各种断面的盾构装置，包括盾壳、气压仓、泥水仓、旋喷机构、泥浆喷淋管及气压管路系统、泥浆管路系统。在盾体前端设置气压仓，气压仓后面设置泥水仓。

所述盾壳采用与设计隧道形状一致的断面形式，盾壳前端设置刃脚并插入土中。