[发明专利]一种钢结构盾构换刀空间结构及施工方法

权利要求书

1.一种钢结构盾构换刀空间结构，其特征是：

在隧道盾构机前方轴线上、距离盾头净距1.2m处布置竖向钢护筒，所述竖向钢护筒为多节式拼接结构，筒体直径上大下小，以隧道顶部1.0m高度为界，以上为直径2.0m的大直径筒段，以下为直径1.8m的小直径筒段；

在所述竖向钢护筒朝向盾构机一侧的筒壁上、正对盾构机的位置处开设安装孔，用于安装水平向钢箱，所述水平向钢箱设有至多两层，单层箱体最大高度不大于1.5m，并均是采用多段式拼接结构，各层箱体竖向叠设，整体高度按照土层厚度对应设置，水平悬伸于竖向钢护筒与盾构机机头之间，一端相适配地插设于安装孔中，另一端与盾构机机头之间保留10cm间距，作为竖向钢护筒通往盾构机机头的水平向通道，最底层箱体的底部支撑在岩层上，所述岩层内、位于最底层箱体的正下方自最底层箱体底部竖直向下至盾头圆心以下0.4m深度位置之间，按照水平向钢箱的宽度挖设有相同宽度的箱下空间；

所述水平向钢箱采用逐段依次顶进的方式施工，自竖向钢护筒朝向盾构机机头，将上层箱体依次分为A1、A2……An各段，将下层箱体依次分为B1、B2……Bn各段，采用上下两层交替顶进的施工顺序，按照A1-B1-A2-B2……An-Bn的顺序将各段箱体自竖向钢护筒朝向盾构机机头依次顶进；

所述竖向钢护筒、多层水平向钢箱及所述箱下空间，共同形成供盾构机换刀的换刀操作空间。

2.根据权利要求1所述的钢结构盾构换刀空间结构，其特征是：所述竖向钢护筒由3cm厚钢板制成。

3.根据权利要求1所述的钢结构盾构换刀空间结构，其特征是：所述竖向钢护筒是由多节筒体竖向拼接组装而成，相邻两节筒体之间焊接相连，每节筒体长度为3-5m。

4.根据权利要求1所述的钢结构盾构换刀空间结构及，其特征是：每层水平向钢箱的各段箱体自竖向钢护筒向盾构机机头沿水平向依次拼接，每段箱体的长度按照水箱钢箱总长均分。

5.根据权利要求1或4所述的钢结构盾构换刀空间结构及，其特征是：每层水平向钢箱中，每段箱体长度为40-50cm。

6.根据权利要求1所述的钢结构盾构换刀空间结构及，其特征是：水平向钢箱的箱体宽度为1.2m。

7.一种钢结构盾构换刀空间结构的施工方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤一、布置降水深井并降低地下水位

在隧道前进方向轴线上确定竖向钢护筒中心位置后，在以竖向钢护筒的中心为圆心、半径为5m的周边范围内布置3口降水深井，井位应避开已开挖的隧道，井底高程至盾构隧道底部以下；降水深井外管径为Φ50cm、内管径为Φ40cm，降水层安装混凝土滤管，井内安装水泵抽排地下水，用于降低竖向钢护筒周边地下水位；

步骤二、旋挖机成孔、安装竖向钢护筒

在隧道盾构机前方轴线上距离盾头净距1.2m处布置竖向钢护筒：先测量定位，确定竖向钢护筒圆心，使用全回转套管机采用多节式拼接的方式将竖向钢护筒分节打入，同时，使用旋挖机分节挖出竖向钢护筒内土方；在直径2m的大直径筒段达到隧道中心以下1.0m高程后，采用多节式拼接的方式打入直径1.8m的小直径筒段至隧道中心以下1.0m，再将大直径筒段提升至隧道顶部1.0m处；其中，大直径筒段与小直径筒段搭接长度不小于0.5m，之间焊接相连；大直径筒段每节筒体长3-5m，之间焊接相连；

步骤三、制作水平向钢箱

每层水平向钢箱分段制作，直接使用40-50cm宽槽钢制作每段箱体，每段箱体使用4段槽钢首尾相接焊接制成，槽钢每侧翼缘上布置4个钻孔，用于相接的两段箱体对接时用8.8级M27螺栓临时连接与固定；

在顶层水平向钢箱位于盾构机机头一侧的第一段箱体的顶部加焊一块与钢箱同等宽度、前端薄、后端厚3cm、长不超过10cm的钢板，作为钢箱顶进时的前端切削刀具和挡土顶板；

步骤四、钢箱顶进后背施工

每层水平向钢箱采用水平顶进的方式施工，在每层水平向钢箱后部的中部位置设置一道顶进后背：首先，对千斤顶靠背及钢箱顶进轨道进行测量定位，确定后背的位置；在竖向钢护筒上焊接2cm厚的后背平面钢板，距离竖向钢护筒最大距离为30cm、高0.5m，平面钢板与竖向钢护筒间浇筑C20混凝土，形成顶进后背；

步骤五、管棚施工

在竖向钢护筒内对水平向钢箱上部的土体采用管棚支护方式进行加固，在竖向钢护筒与盾构机之间以及水平向钢箱的上方形成用于保证各层水平向钢箱施工安全的管棚：在顶层水平向钢箱的顶部以上40cm、间距不超过5cm、宽度不小于2m范围内，向土体内打入长度不小于1.5m、直径￠50的钢管，打入钢管后，将钢管端头与竖向钢护筒之间焊接相连；

步骤六、钢箱分层、分段交替顶进施工

6.1、将上层水平向钢箱分为A1、A2、A3三段，将下层水平向钢箱分为B1、B2、B3三段；

6.2、千斤顶布置：上层水平向钢箱使用2台20T千斤顶顶进，下层水平向钢箱使用2台50T千斤顶顶进；

6.3、顶进顺序：采用上下两层交替顶进的施工顺序，即按照A1-B1-A2-B2-A3-B3的顺序依次顶进；

6.4、钢箱顶进作业：

1)在竖向钢护筒上按照两层水平向钢箱断面大小，切除出相应适配的安装孔；

2)下层水平向钢箱下部为岩层，顶进前应对岩面进行清理，平整岩面，形成钢箱水平顶进时的水平工作面；在水平工作面上安装43#钢轨两道，作为下层水平向钢箱顶进方向和路线；在下层水平向钢箱的各段箱体顶部焊接槽钢，用于上层水平向钢箱顶进时方向的辅助控制；

3)安装A1段与B1段箱体，前端自竖向钢护筒上的安装孔伸出，后端与顶进后背间安装千斤顶，千斤顶的前端分别支撑在A1与B1两段箱体的两侧边框上，后端支撑在顶进后背上；在A1与B1段箱体内使用风镐开挖土体，风镐开挖一小段，千斤顶相应顶进一小段；首先顶进A1段箱体，A1段箱体超前，再顶进B1段箱体，顶进过程中保持B1段箱体紧跟A1段箱体；

4)A1段与B1段箱体全部进入土层后，及时安装A2段、B2段箱体，A2段、B2段箱体分别与A1段、B1段箱体间用螺栓相连；以此类推，完成所有水平向钢箱的顶进施工；

5)上层与下层水平向钢箱顶进完成后，与竖向钢护筒之间焊接相连，形成一个整体；

步骤七、岩层内箱下空间施工

采用冲击等机械开挖钢箱下部岩层，形成与水平向钢箱同等宽度的箱下空间，在岩层空间的两侧安装钢支撑，用于支撑上方钢箱；

步骤八、盾构换刀作业

换刀操作空间形成后，打开盾构机仓门，将盾构机刀盘上正对所述换刀操作空间部位的刀具逐一更换，更换后，转动盾构机刀盘，将未换刀部位依次转动至正对所述换刀操作空间并进行换刀，直至完成整个盾构机刀盘的换刀作业；

步骤九、换刀空间结构拆除

换刀完成后，按照与安装相反的顺序进行拆除，依次进行：拆除下部岩石钢支撑-拆除下层水平向钢箱-拆除上层水平向钢箱-拔出顶棚钢管-拔出竖向钢护筒：

9.1、拆除下部岩石层钢支撑，并用水泥土回填岩石层内的箱下空间，以及竖向钢护筒下部空间；

9.2、逐段拆除下层水平向钢箱；在钢箱外侧竖向钢护筒上焊接两个三角撑，作为液压千斤顶支点；使用200工字钢作为横担，与拟拔出的B3段箱体连接在一起，使用50T千斤顶支撑在三角撑上，顶住横担，逐步加压，将下层水平向钢箱顶出，拆除B3段箱体与B2段箱体间的连接螺栓，将B3段箱体从竖向钢护筒内吊至地面；再将B2段箱体与200工字钢连接，同样用千斤顶顶出，将B2段钢箱从竖向钢护筒内吊至地面，同样，将B1段箱体顶出后吊至地面，完成对整个下层水平向钢箱的拆除，拆除后及时用轻质混凝土预制块与水泥土填塞下层水平向钢箱拆除后的空间；

9.3、参照步骤9.2，用同样的方式拆除上层水平向钢箱，拆除后及时用轻质混凝土预制块与水泥土填塞上层水平向钢箱拆除后的空间；

9.4、及时拆除顶棚钢管；直接切断钢管，并逐根拔除；

9.5、在上层水平向钢箱以上的竖向钢护筒筒段内回填壤土，壤土含水量为19％-23％，压实系数不小于0.93，在回填前提前埋设2-3根伸入地面的注浆管；

9.6、采用全回转套管机拔除竖向钢护筒，对拔出部位进行整理，待盾体通过竖向钢护筒段后及时对竖向钢护筒段进行注浆加固，防止地面沉降。