[发明专利]超高水压长距离海底盾构隧道主动换刀结构及施工方法

说明书

本发明公开超高水压长距离海底盾构隧道主动换刀结构及施工方法，通过海面作业平台实施多个预设加固区，盾构机到达预设加固区一定位置时停机对刀盘进行洞内补充加固，在预设加固区内形成常压换刀条件，快速高效的超高水压盾构刀具更换；施工步骤为：(1)分析地质设置预设加固区；(2)按照设计位置完成预设加固区注浆加固；(3)盾构机到达预设加固区停机进行盾构机保护；(4)盾尾实施隔水加固环；(5)洞内对刀盘前方地层补充加固；(6)常压开仓检查更换刀具，恢复掘进。本发明可达到实现海底盾构隧道超高水压条件下的换刀作业，确保盾构机能够高效安全掘进，结构受力合理，施工方便快捷，减小换刀时间并降低施工风险的有益效果。

技术领域

本发明属于隧道和地下工程设计与施工技术领域，特别涉及超高水压长距离海底盾构隧道主动换刀结构及施工方法。

背景技术

随着社会的快速发展，盾构法隧道的建设在我国取得了非常迅猛的发展，被运用在城市地铁、道路、管廊、水利工程等各个领域，目前国内建成、在建的盾构法隧道总里程已达数千公里，相关技术也日趋成熟。而穿越江河湖海的水下盾构隧道是技术难度最大的盾构法隧道，国内外工程建设中屡屡发生重大安全事故，造成巨大损失。

高水压、长距离掘进条件下的穿江越海盾构法隧道面临最大的难题就是换刀作业。对于长距离的海底隧道盾构掘进，盾构刀具的磨损在所难免，一般地层200～500m就需要采用更换刀具的方式保证盾构机的破岩能力和继续掘进能力。目前常用的几种换刀方式包括开舱常压换刀技术、带压进舱换刀技术、饱和气体带压进舱换刀技术和基于换刀装置的常压换刀技术等。

目前地铁盾构隧道一般掘进距离短(1km)，埋深大多低于25m，采用压缩空气带压进舱换刀；如果埋深更大水压超过60m(南京长江隧道)，采用饱和气体带压换刀，费用高及工效极低。对于开舱常压换刀需要在硬岩地层或者对地层进行加固，基于换刀装置的常压换刀则不能完全更换刀具，只能更换35％～40％的刀具。更重要的是，目前盾构隧道工程都是在掘进过程中根据监测结果发现刀具需要更换时，再停机进行换刀作业，被动的换刀作业安全风险很高，施工周期很长。同时，在水压超过1MPa(100m水头高度)时，还没有实践方面的经验，这时候工人进入舱内能够作业的时间很短，而且出舱后还容易身体伤害。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的传统盾构法隧道带压换刀方法采用被动方式不能应用于超高水压海底隧道且安全风险大的技术问题，提供超高水压长距离海底盾构隧道主动换刀结构及施工方法，可达到实现海底盾构隧道超高水压条件下的换刀作业，确保盾构机能够高效安全掘进，结构受力合理，施工方便快捷，减小换刀时间并降低施工风险的有益效果。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：超高水压长距离海底盾构隧道主动换刀结构，包括海上作业平台(1)、预设加固区(4)、盾构机(12)，还包括盾构机保护结构(5)；所述海上作业平台(1)、预设加固区(4)间通过注浆孔(2)连接；所述盾构机(12)设于盾构机保护结构(5)内，设有刀盘(11)的一端朝向预设加固区(4)；所述盾构机保护结构(5)靠近刀盘(11)所在端的侧面均匀固定设有多个洞内补充加固结构(3)；

所述盾构机(12)相对刀盘(11)的另一端外表面固定设有二次补充注浆结构(8)，内侧固定设有多个加强注浆管片(9)，所述加强注浆管片(9)内设有多个预留注浆孔(10)；所述盾构机(12)位于盾构机保护结构(5)、二次补充注浆结构(8)之间的外表面固定设有盾尾隔水加固环(7)。

作为优选，所述预设加固区(4)为结合海底隧道的地质、埋深、海水深度等条件，沿隧道纵向间隔一定距离设置的加固区域，同时在水压最高处、地质变化处等特征部位设置，所述预设加固区(4)在盾构掘进之前先行设置。

作为优选，所述盾尾隔水加固环(7)由盾尾后方2～4环管片注浆形成。

作为优选，所述二次补充注浆结构(8)由加强注浆管片(9)注浆形成，在预设加固区(4)内形成常压换刀条件，实现快速高效的超高水压盾构刀具更换。