CN102200019A - 隧道掘进机中板步进加固支撑机构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及隧道掘进机中板步进加固支撑机构及其施工方法。隧道掘进机设备荷载大，为了避免主机与后配套连接处各种管路的拆卸、安装与调试带来的麻烦，可采用沿线路中线步进过站的方法整机移动，而仅依靠中板结构自身承载力无法满足步进要求。本发明在中板上部浇筑弧形导台，使隧道掘进机自重荷载可通过弧形导台有效扩散；沿步进方向通长布置加固支撑，在中板内埋设的上翻梁，提高中板结构的整体强度与稳定性。本发明可将隧道掘进机自重荷载通过加固支撑传递至基础，保护中板不出现结构损伤，不需显著加大结构体系中的构件，加固支撑拆卸后可作为基坑支护构件重复使用，具有较高的经济效益和社会效益，在地铁、铁路、公路等工程中有广泛的应用价值。

Description

隧道掘进机中板步进加固支撑机构及其施工方法

技术领域

本发明属于隧道工程技术领域，具体涉及隧道掘进机中板步进加固支撑机构及其施工方法。

背景技术

在城市轨道交通建设中，盾构机整体过站技术已经较为成熟，各种过站方法也得到了相应的应用，盾构机整体过站已经成为地铁隧道领域中一项快捷方便而且比较成熟的方法，由于其具有明显的经济优势，已显现出取代传统盾构机吊运过站的趋势。受地质条件的限制，隧道掘进机在城市轨道交通工程中的应用并不多见，只有青岛、重庆等以岩石为主的地层，才有可能使用隧道掘进机，纵观国内外，也只有美国纽约地铁隧道East Side Access（ESA）曾成功运用过隧道掘进机，因此隧道掘进机整体移动过站的工程案例也就很少遇到。

隧道掘进机的整体移动过站与盾构机存在一定的相似性，要么利用过站小车等外部条件，将主机与后配套系统分离后，在站端实现顶升、平移、下降等操作，要么依靠自身条件，沿线路中线直接掘进过站或步进过站。相比于盾构机，隧道掘进机整机设备较长，荷载较大，后配套桥架及门架拖车体积也较大，为了避免隧道掘进机主机与后配套连接处各种管路的拆卸、安装与调试带来的麻烦，也为了避免顶升并平移重达600吨左右的隧道掘进机主机带来的风险，对于主体结构已经施作完成的车站，沿线路中线步进过站的方法应是首选。

一般而言，不管是盾构机还是隧道掘进机，不管是依靠外部条件还是自身条件，整体移动过站都是在施作完成的车站底板之上通过的，或在车站施工前采用直接掘进过站的方式。而从施作完成的车站中板之上整体移动通过的成功案例，极为罕见。受控于整体线路及施工方法，重庆地铁6号线某车站为上下重叠单岛四线同台平行换乘车站，6号线位于车站一侧，左右线上下垂直设置，隧道掘进机到达该车站时，车站主体结构已经施作完成，上行线隧道掘进机，需从车站中板之上移动通过，致使车站中板在施工期间承受的荷载远大于运营期，为了确保工程安全，需要对此类车站进行特殊设计。

由于隧道掘进机中板步进过站工况极为特殊，在国内外工程实践中极少遇到，因此对车站相关的加固设计理念与方法尚属空白。对车站结构加固处理的工程案例并不少见，相应的加固方法也很多，但整体而言，传统的加固方法要么增大结构截面尺寸，要么采用高强度材料或相应位置增加配筋率来增大结构刚度或强度，是属于对结构本体的加固处理。而自重荷载很大的隧道掘进机要从车站中板上步进通过，仅依靠中板结构自身的承载力是无法满足步进要求的。

发明内容

本发明的目的是提供一种在中板与底板之间搭建钢支撑体系的隧道掘进机中板步进加固支撑机构及其施工方法，采取额外的补强措施，对中板的支撑力进行强化，从而实现隧道掘进机中板上的整体移动。

本发明所采用的技术方案是：

一种隧道掘进机中板步进加固支撑机构，包含有中板和底板，其特征在于：

所述的中板和底板之间设置有支撑件，包含有钢支撑、柱间支撑和柱间交叉支撑；

所述的钢支撑竖直固定在中板和底板之间；

所述的柱间支撑水平连接在纵、横向相邻的两根钢支撑之间；

所述的柱间交叉支撑两两交叉连接，各端点与钢支撑的顶部和底部、钢支撑和柱间支撑的连接处相连接。

所述的钢支撑沿隧道掘进机步进方向纵向全线设置两列，每排连线与隧道掘进机步进方向垂直；

钢支撑的顶部自上而下依次设置有抗剪键、预埋钢板和柱脚底板，其中抗剪键和预埋钢板预埋在中板中，预埋钢板和柱脚底板上设置有对应的固定孔，预埋在中板中的U形锚栓穿过固定孔并由垫板和螺母固定；

钢支撑的底部自下而上依次设置有抗剪键、预埋钢板和柱脚底板，其中抗剪键和预埋钢板预埋在底板中，预埋钢板和柱脚底板上设置有对应的固定孔，预埋在底板中的柱脚锚栓穿过固定孔并由垫板和螺母固定，柱脚锚栓的底部设置有锚板；

钢支撑在中板和底板的固定处都焊接有加劲肋，钢支撑的中部焊接有节点板。

所述的柱间支撑连接在纵、横向相邻的钢支撑的节点板上，通过螺栓固定。

所述的柱间支撑上下两侧各设置一组柱间交叉支撑，柱间交叉支撑的各个端点连接在钢支撑的加劲肋和节点板上，通过螺栓固定。

所述中板的板顶对应于两列钢支撑的位置处全线设置上翻梁，梁内设置有销孔，孔内设置预埋钢管）。

所述的上翻梁梁上全线设置弧形导台，对应于预埋钢管的位置设置步进架支撑平台，步进架支撑平台之间为弧形底面，弧形底面两侧设置预埋钢轨，弧形导台的弧形底面形状与隧道掘进机轮廓界限一致。

如所述的隧道掘进机中板步进加固支撑机构的施工方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

步骤一：浇筑中板与上翻梁：

中板板顶全线设置两列上翻梁，通长配筋，上翻梁大部分位于中板内；上翻梁内部设置有销孔，孔内设置预埋钢管，其下部伸入上翻梁内；中板板底对应于钢支撑的位置预埋U型锚栓、抗剪键和预埋钢板；

步骤二：浇注弧形导台：

上翻梁之间全线设置弧形导台，预埋钢管超出上翻梁的部分预埋在弧形导台中，弧形导台上对应于预埋钢管的位置预留步进架支撑平台；步进架支撑平台之间为弧形底面，两侧设置预埋钢轨，钢轨轨面与钢轨所在位置的圆弧法线重合；

步骤三：底板预埋固定件：

底板中对应于钢支撑的位置预埋抗剪键、预埋钢板和柱脚锚栓；

步骤四：钢支撑的搭设：

在中板和底板之间全线设置钢支撑两列；钢支撑顶部通过垫板和螺母与中板中的预埋件相固定；钢支撑底部通过垫板和螺母与底板中的预埋件相固定；

步骤五：焊接节点板和加劲肋：

在钢支撑的中部焊接节点板；在钢支撑的顶部和底部的固定处焊接加劲肋；

步骤六：柱间支撑和柱间交叉支撑的搭设：

将柱间支撑连接在纵、横向相邻的钢支撑的中部，在该处节点板处通过螺母固定；两根柱间交叉支撑从中部交叉连接，连接处焊接节点板固定；柱间支撑的上下两侧各设置一组柱间交叉支撑，柱间交叉支撑的各个端点固定在钢支撑上对应位置的加劲肋和节点板处，并用螺栓固定。

步骤四中，钢支撑在车站施工中，兼作为施工模板支撑，与中板及底板在预埋钢板的接触面上顶紧。

本发明具有以下优点：

本发明在中板上部浇筑弧形导台，使得隧道掘进机自重荷载可以通过弧形底面向四周有效扩散；在中板内设置上翻梁，在中板与底板之间设置加固支撑，在隧道掘进机步进过站后，弧形导台与上翻梁可以作为车站中板结构的一部分继续发挥作用，钢支撑则可以作为基坑的支护结构继续使用，最大限度地节省了工程投资；沿步进方向通长布置加固支撑，在中板内埋设的上翻梁，提高了中板结构的整体强度与稳定性，不但可以将隧道掘进机自重荷载由中板沿钢支撑传递至基础，，而且在以后地铁运营期间，也可以有效承担运营荷载，对维持车站结构的整体稳定具有一定作用。本发明具有较高的经济效益和社会效益，在铁路、公路、地铁、水利等类似工程中有广泛的应用价值。

附图说明

图1为弧形导台、上翻梁、加固支撑与中板位置关系示意图。

图2为加固支撑体系机构示意图。

图3为1-1截面示意图。

图4为A处放大图。

图5为B处放大图。

图6为C处放大图。

图7为D处放大图。

图中，1-中板，2-弧形导台，3-上翻梁，4-钢支撑，5-加劲肋，6-隧道掘进机轮廓界限，7-车站结构轮廓界限，8-预埋钢管，9-柱间支撑，10-柱脚锚栓，11-柱间交叉支撑，12-底板，13-节点板，14-预埋钢板，15-抗剪键，16-U形锚栓，17-柱脚底板，18-垫板，19-螺母，20-锚板，21-预埋钢轨，22-步进架支撑平台，23-螺栓。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明所涉及的一种隧道掘进机中板步进加固支撑机构主要包含有三部分结构：中板1和底板12和两者之间设置有支撑件，支撑件包含有钢支撑4、柱间支撑9和柱间交叉支撑11。

其中，钢支撑4竖直固定在中板1和底板12之间，沿隧道掘进机步进方向纵向全线设置两列，每排连线与隧道掘进机步进方向垂直。钢支撑4的顶部自上而下依次设置有抗剪键15、预埋钢板14和柱脚底板17。抗剪键15和预埋钢板14预埋在中板1中，预埋钢板14和柱脚底板17上设置有对应的固定孔，预埋在中板1中的U形锚栓16穿过固定孔并由垫板18和螺母19固定，钢支撑4的顶部就被固定在中板1底板上了。钢支撑4的底部自下而上依次设置有抗剪键15、预埋钢板14和柱脚底板17。抗剪键15和预埋钢板14预埋在底板12中，预埋钢板14和柱脚底板17上设置有对应的固定孔，预埋在底板12中的柱脚锚栓10穿过固定孔并由垫板18和螺母19固定，柱脚锚栓10的底部设置有锚板20。抗剪键15的设置有效防止了钢支撑4因受力不均匀而发生的位移。钢支撑4在中板1和底板12的固定处都焊接有加劲肋5，钢支撑4的中部焊接有节点板13。

柱间支撑9水平连接在纵、横向相邻的钢支撑4的节点板13上，通过螺栓23固定。

柱间交叉支撑11两两交叉连接，连接处焊接节点板13，柱间支撑9上下两侧各设置一组柱间交叉支撑11，柱间交叉支撑11的各个端点连接在钢支撑4的加劲肋5和节点板13上，通过螺栓23固定。不必每相邻两根钢支撑4之间都设置柱间交叉支撑11，在保证支撑件的荷载能力的情况下，可间隔设置。

中板1的板顶对应于两列钢支撑4的位置处全线设置上翻梁3，梁内设置有销孔，孔内设置预埋钢管8，上翻梁3梁上全线设置弧形导台2，对应于预埋钢管8的位置设置步进架支撑平台22，步进架支撑平台22之间为弧形底面，弧形底面两侧设置预埋钢轨21，弧形导台2的弧形底面形状与隧道掘进机轮廓界限6一致。隧道掘进机是在弧形导台2上的预埋钢轨21上滑动前进的，因此必须要确保弧形底面光滑无凸起，预埋钢轨21应稳固牢靠，曲率适中，钢轨表面应打磨光滑，必须要确保边界条件达到步进要求。在此基础上，隧道掘进机可以在预埋钢轨21上顺利快速地滑动，最大限度地缓解工期压力。弧形底面上的预埋钢轨21使得隧道掘进机自重荷载可以通过弧形底面向四周有效扩散，确保了中板1结构的稳定性。

本发明所述的隧道掘进机中板步进加固支撑机构的施工方法，由以下步骤实现：

步骤一：浇筑中板1与上翻梁3：

中板1的混凝土采用C40混凝土浇筑，厚度约810毫米。中板1板顶对应于两列钢支撑4的位置处全线设置上翻梁3，通长配筋，梁顶、梁底各配受力筋11-Φ28，两侧各配腰筋3-Φ20。上翻梁3截面尺寸为1000×1000毫米，上翻梁3大部分位于中板1内。上翻梁3内部设置有销孔，孔深度为500毫米，孔沿线路纵向间距3000毫米，孔内设置预埋钢管8，钢管长约500毫米，钢构件采用Q235-B钢制作，伸入上翻梁3内200毫米。中板1板底预埋U型锚栓16、抗剪键15和预埋钢板14。

步骤二：浇注弧形导台2：

弧形导台2二次浇注区域采用C40细石混凝土。预埋钢管8超出上翻梁3的部分预埋在弧形导台2中，弧形导台2上对应于预埋钢管8的位置预留步进架支撑平台22，平台宽度400毫米，承担竖直方向上的步进荷载作用。步进架支撑平台22之间为弧形底面，两侧设置预埋钢轨21，钢轨横向间距2.59米，圆心角48度，钢轨表面高出弧形底面25毫米，钢轨轨面与钢轨所在位置的圆弧法线重合，以利于应力的扩散，随后，荷载将主要通过中板2内设置上翻梁3传递到钢支撑4上。

步骤三：底板12预埋固定件：

底板中预埋抗剪键15、预埋钢板14和柱脚锚栓10。

步骤四：钢支撑4的搭设：

在中板1和底板12之间全线设置钢支撑4两列，间距4米；钢支撑4顶部的柱脚底板17紧靠中板1中预埋的预埋钢板14，柱脚底板17的固定孔穿过U型锚栓16，用垫板18和螺母19加以固定。钢支撑4底部的柱脚底板17紧靠底板12中预埋的预埋钢板14，柱脚底板17的固定孔穿过柱脚锚栓20，用垫板18和螺母19加以固定。钢支撑4在车站施工中，兼作为施工模板支撑，与中板及底板在预埋钢板14的接触面上顶紧。

步骤五：焊接节点板13和加劲肋5：

在钢支撑4的中部焊接节点板13。在钢支撑4的顶部和底部的固定处焊接加劲肋5。

步骤六：柱间支撑9和柱间交叉支撑11的搭设：

将柱间支撑9连接在纵、横向相邻的钢支撑4的中部，在该处节点板13处通过螺栓23固定。两根柱间交叉支撑11从中部交叉连接，连接处焊接节点板13固定。柱间支撑9的上下两侧各设置一组柱间交叉支撑11，柱间交叉支撑11的各个端点固定在钢支撑4上对应位置的加劲肋5和节点板13处，并用螺栓23固定。

钢支撑4采用D609钢管，壁厚16毫米，柱间支撑9和柱间交叉支撑11采用角钢L125x8。

为保证钢支撑4与中板1下预埋钢板14接触牢固、稳定，对钢支撑4施加预应力，即将钢支撑4固定在中板1板底后，用千斤顶在固定处加压，在缝隙处塞进钢锲加压然后撤去千斤顶，强化固定。

隧道掘进机在中板1上整体步进过程如下：

在中板1上设置弧形导台2，并在中板1下搭设了支撑件，隧道掘进机的步进条件已经具备。隧道掘进机步进时，主机机头架始终在弧形导台2弧形底面的预埋钢轨21上滑动，步进架的荷载一直由步进架支撑平台22承担，后支撑的荷载一直由弧形底面承担。先期将后支撑收起，撑靴处步进架下落销紧或撑靴撑紧洞壁推动机器向前移动一个行程，然后将后支撑放下，步进架收起或撑靴离开洞壁，靠油缸收缩向前移动一个行程，并再次用撑靴撑紧洞壁，后支撑再次抬起往复循环，依次完成步进。隧道掘进机步进时，机头始终在预埋钢轨21上滑移，荷载一直被弧形导台2扩散，并通过中板2内的上翻梁3传递到钢支撑4上。步进架和后支撑交替作用，步进架支撑平台22和弧形底面交替承担荷载。

Claims (8)

1.一种隧道掘进机中板步进加固支撑机构，包含有中板（1）和底板（12），其特征在于：

所述的中板（1）和底板（12）之间设置有支撑件，包含有钢支撑（4）、柱间支撑（9）和柱间交叉支撑（11）；

所述的钢支撑（4）竖直固定在中板（1）和底板（12）之间；

所述的柱间支撑（9）水平连接在纵、横向相邻的两根钢支撑（4）之间；

所述的柱间交叉支撑（11）两两交叉连接，各端点与钢支撑（4）的顶部和底部、钢支撑（4）和柱间支撑（9）的连接处相连接。

2.根据权利要求1所述的隧道掘进机中板步进加固支撑机构，其特征在于：

所述的钢支撑（4）沿隧道掘进机步进方向纵向全线设置两列，每排连线与隧道掘进机步进方向垂直；

钢支撑（4）的顶部自上而下依次设置有抗剪键（15）、预埋钢板（14）和柱脚底板（17），其中抗剪键（15）和预埋钢板（14）预埋在中板（1）中，预埋钢板（14）和柱脚底板（17）上设置有对应的固定孔，预埋在中板（1）中的U形锚栓（16）穿过固定孔并由垫板（18）和螺母（19）固定；

钢支撑（4）的底部自下而上依次设置有抗剪键（15）、预埋钢板（14）和柱脚底板（17），其中抗剪键（15）和预埋钢板（14）预埋在底板（12）中，预埋钢板（14）和柱脚底板（17）上设置有对应的固定孔，预埋在底板（12）中的柱脚锚栓（10）穿过固定孔并由垫板（18）和螺母（19）固定，柱脚锚栓（10）的底部设置有锚板（20）；

钢支撑（4）在中板（1）和底板（12）的固定处都焊接有加劲肋（5），钢支撑（4）的中部焊接有节点板（13）。

3.根据权利要求1所述的隧道掘进机中板步进加固支撑机构，其特征在于：

所述的柱间支撑（9）连接在纵、横向相邻的钢支撑（4）的节点板（13）上，通过螺栓（23）固定。

4.根据权利要求1所述的隧道掘进机中板步进加固支撑机构，其特征在于：

所述的柱间支撑（9）上下两侧各设置一组柱间交叉支撑（11），柱间交叉支撑（11）的各个端点连接在钢支撑（4）的加劲肋（5）和节点板（13）上，通过螺栓（23）固定。

5.根据权利要求1所述的隧道掘进机中板步进加固支撑机构，其特征在于：

所述中板（1）的板顶对应于两列钢支撑（4）的位置处全线设置上翻梁（3），梁内设置有销孔，孔内设置预埋钢管（8）。

6.根据权利要求5，其特征在于：

所述的上翻梁（3）梁上全线设置弧形导台（2），对应于预埋钢管（8）的位置设置步进架支撑平台（22），步进架支撑平台（22）之间为弧形底面，弧形底面两侧设置预埋钢轨（21），弧形导台（2）的弧形底面形状与隧道掘进机轮廓界限（6）一致。

7.如权利要求1所述的隧道掘进机中板步进加固支撑机构的施工方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

步骤一：浇筑中板（1）与上翻梁（3）：

中板（1）板顶全线设置两列上翻梁（3），通长配筋，上翻梁（3）大部分位于中板（1）内；上翻梁（3）内部设置有销孔，孔内设置预埋钢管（8），其下部伸入上翻梁（3）内；中板（1）板底对应于钢支撑（4）的位置预埋U型锚栓（16）、抗剪键（15）和预埋钢板（14）；

步骤二：浇注弧形导台（2）：

上翻梁（3）之间全线设置弧形导台（2），预埋钢管（8）超出上翻梁（3）的部分预埋在弧形导台（2）中，弧形导台（2）上对应于预埋钢管（8）的位置预留步进架支撑平台（22）；步进架支撑平台（22）之间为弧形底面，两侧设置预埋钢轨（21），钢轨轨面与钢轨所在位置的圆弧法线重合；

步骤三：底板（12）预埋固定件：

底板中对应于钢支撑（4）的位置预埋抗剪键（15）、预埋钢板（14）和柱脚锚栓（10）；

步骤四：钢支撑（4）的搭设：

在中板（1）和底板（12）之间全线设置钢支撑（4）两列；钢支撑（4）顶部通过垫板（18）和螺母（19）与中板（1）中的预埋件相固定；钢支撑（4）底部通过垫板（18）和螺母（19）与底板（12）中的预埋件相固定；

步骤五：焊接节点板（13）和加劲肋（5）：

在钢支撑（4）的中部焊接节点板（13）；在钢支撑（4）的顶部和底部的固定处焊接加劲肋（5）；

步骤六：柱间支撑（9）和柱间交叉支撑（11）的搭设：

将柱间支撑（9）连接在纵、横向相邻的钢支撑（4）的中部，在该处节点板（13）处通过螺母（19）固定；两根柱间交叉支撑（11）从中部交叉连接，连接处焊接节点板（13）固定；柱间支撑（9）的上下两侧各设置一组柱间交叉支撑（11），柱间交叉支撑（11）的各个端点固定在钢支撑（4）上对应位置的加劲肋（5）和节点板（13）处，并用螺栓（23）固定。

8.根据权利要求7所述的隧道掘进机中板步进加固支撑机构的施工方法，其特征在于：

步骤四中，钢支撑（4）在车站施工中，兼作为施工模板支撑，与中板及底板在预埋钢板（14）的接触面上顶紧。

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