CN104847393B - 一种隧道移动支护结构及其保护下的隧道施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道移动支护结构及其保护下的隧道施工方法。移动支护结构由多个箱体按照隧道外轮廓形状咬合拼接而成，箱体的尾部带有向后延伸的护盾。在咬合成环的箱体及其尾部护盾组成的移动支护结构的保护下可以安全快速地进行隧道开挖和衬砌。在该移动支护结构保护下的隧道施工方法主要包括场地准备、移动支护结构的拼装及施工设备安装调试、移动支护结构就位及设备定位、隧道开挖，预制件拼装或初支施工等工序。该移动支护结构可实现滑动式隧道超前支护；在复杂地层情况下无需多环实施隧道超前支护施工，无需反复进行设备的拆卸与安装，减少了费用，提高了工效；而且该施工方法具有安全性及通用性等特点，方便易实施。

Description

一种隧道移动支护结构及其保护下的隧道施工方法

技术领域

本发明涉及隧道施工领域，尤其涉及一种机械化的移动支护结构及其保护下隧道施工方法。

背景技术

隧道施工可主要分为以人力为主矿山法方式和以机械为主的盾构法方式。目前城市地铁区间以盾构法施工为主，而其它隧道大多还是采用以人力为主的矿山法施工方式。随着隧道施工面临着复杂的地质条件、地面环境和日益增加的劳动力成本等问题，矿山法施工的机械化水平亟待提高。特别是在一些软弱围岩条件下矿山法施工尤其困难。为了保证施工安全和有效控制围岩变形，对软弱围岩需要进行超前加固或超前支护如注浆、管棚、管幕、水平旋喷等方法。这些超前加固或超前支护作为临时支护措施不能作为衬砌结构的一部分参与受力计算，施作超前支护的管棚等不能重复利用，而且设备需要反复撤离与安装，以方便超前支护与隧道开挖的顺利交替进行，这样不仅提高了工程造价而且也大大的增加了施工工期。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目在于提供一种可移动的支护结构，该结构不仅能提供临时支护而且能够随着隧道掌子面的向前移动而移动，能在临时支护的保护下进行隧道包括初支或二衬的衬砌施工，本发明还给出了在该移动支护结构保护下的隧道施工方法。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种隧道移动支护结构，包括箱体组结构和护盾组结构，所述箱体组结构由多个箱体按照隧道外轮廓形状咬合拼接而成，在每个所述箱体之上设置有一个护盾，所述护盾为在所述箱体外面板尾部向后延伸一定长度的板材结构；当所述箱体相互咬合形成箱体组结构时，所述护盾相互拼接形成护盾组结构。

所述外面板为组成箱体结构的箱体外侧面也就是接近土体的一侧面板。

所述每个箱体两侧设有咬合构件，所述咬合构件作为相邻箱体之间互为滑动的轨道。所述咬合构件为卡槽、凹槽或榫头等。

在每个所述箱体内部各自设有掘进出土装置，所述掘进出土装置自带动力或由外加设备驱动。

所述护盾为金属板材，如钢板。

护盾的长度要能始终在已有衬砌上搭接0.5~5m，优选2-5m。金属板材的厚度要能抵御周围土体的应力。

相邻护盾之间环向搭接，相邻护盾的尾部用锁扣连接。

本发明还提供一种隧道移动支护结构保护下的隧道施工方法，其包括以下步骤：

步骤一：场地准备。

步骤二：箱体组结构的拼装及施工设备的安装调试

所述箱体组结构是根据隧道外轮廓形状、将多个箱体通过箱体间的咬合构件拼接而成的环状结构；所述的每个箱体是根据隧道形状而特制的，所述箱体外面板尾部向后延伸形成护盾；当多个箱体相互拼接形成箱体组结构后，其尾部的护盾形成护盾组结构；

所述施工设备包括驱动箱体掘进设备、隧道掌子面开挖出土设备、预制件拼装设备或拱架安装及喷锚设备。

步骤三：移动支护结构就位及设备定位

所述移动支护结构就位包含箱体组结构在掌子面就位及隧道循环施工就位；所述隧道循环施工就位，是指箱体组结构在掌子面就位后，箱体组结构沿隧道轴线向前掘进到达预定位置，为后续隧道开挖-箱体掘进-预制件拼装或初支施工的循环施工做准备。

步骤四：在箱体组结构的保护下进行隧道开挖

将步骤三中形成的箱体组结构内部掌子面的土体开挖1-5米，每次开挖深度要小于所述箱体及护盾长度。

步骤五：箱体掘进

驱动单个箱体沿隧道轴向掘进，在掘进同时通过掘进钻具将土体收集排出，到达预定深度后进行下一箱体掘进，相邻箱体通过咬合构件进行咬合，并利用咬合构件作为互为滑动的轨道；如此依次将相互咬合拼接形成隧道支护外轮廓形状的所有箱体推入到预定深度；全部箱体推入土体后，相互咬合拼接的箱体和护盾形成的箱体组结构和护盾组结构将承担土体的压力，起到隧道临时支护作用。

步骤六：在箱体组结构和护盾组结构保护下进行预制件拼装或进行初支施工

在步骤五形成的护盾组结构和步骤三形成的箱体组结构的保护下利用预制件拼装设备将预制件安装成环，形成隧道衬砌；也可以不采用预制件拼装方式而用型钢拱架或格栅钢架现场架设，先形成隧道初支然后进行二次衬砌方式。

步骤七：重复步骤四至六，直至全部隧道施工完成。

所述步骤三及步骤五的箱体掘进出土冲击钻或采用螺旋钻切削及螺旋出土方式。

所述步骤六中的预制件为混凝土或钢制预制件，预制件拼接而成的结构即为隧道的衬砌结构。

所述拼装的箱体组结构为封闭式或非闭合式结构，即隧道超前支护及隧道仰拱可同时进行施工或分开进行施工。

与传统技术相比，本发明的有益效果：（1）与矿山法相比，提高了隧道施工的机械化水平，提高隧道施工的安全性；（2）移动式支护结构可以方便超前支护、隧道开挖等工序连续交替施工，且在此期间避免了施工设备反复安装，施工，拆卸，撤离等工序，提高了施工工效；（3）移动支护结构作为一种临时支护结构，可以反复利用，降低了工程造价，与软弱围岩中需超前支护或加固的矿山法相比，更加经济合理；（4）与盾构法相比，方法简单，机动灵活。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1移动式支护结构主视图。

图2移动式支护结构侧视图。

图3 相邻箱体一种咬合方式示意图。

图4 相邻箱体一种咬合方式示意图。

图5箱体内部示意图。

图6 箱体及护盾侧视图。

图7箱体组结构在掌子面就位示意图。

图8 单个箱体隧道循环施工就位示意图。

图9 移动支护结构隧道循环施工就位示意图。

图10 隧道开挖。

图11 箱体掘进。

图12 箱体结构向前掘进完成。

图13预制件拼接。

图14 施工过程状态-移动支护结构就位。

图15 施工过程状态-隧道开挖。

图16 隧道施工状态-箱体掘进。

图17 施工过程状态-预制件拼接。

图18 施工结束状态。

图19 施工效果示意图。

其中，1-箱体；2- 预制件；3-初始掌子面；4-新掌子面；5-咬合构件；6-箱体组结构；7-护盾；8-掘进钻具；9-护盾组结构；10- 隧道土体；11-开挖轮廓线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-4所示 ，本发明的一种隧道移动支护结构，包括箱体组结构6和护盾组结构9，

所述箱体组结构6由多个箱体1按照隧道外轮廓形状咬合拼接而成，在每个所述箱体1之上设置有一个护盾7，所述护盾为在所述箱体外面板向后延伸一定长度的板材结构；当所述箱体相互咬合形成箱体组结构时，所述护盾7相互拼接形成护盾组结构9。

如图3-4所示，所述每个箱体1两侧设有咬合构件5，所述咬合构件作为相邻箱体之间互为滑动的轨道，以便箱体之间进行咬合和滑动；所述咬合构件为卡槽、凹槽或榫头等。

图3中咬合构件为卡槽结构，相邻箱体通过卡槽连接，且可沿卡槽相互滑动。

图4中咬合构件为孔-销结构，在箱体的边角位置设置连接孔，相邻箱体通过U型销相互连接，且可沿U型销相互滑动。

如图5所示，在每个所述箱体1内部各自设有掘进出土装置；所述的箱体内部的掘进出土装置自带动力或由外加设备驱动。

如图6所示，所述护盾为在所述箱体外面板向后延伸一定长度的板材结构，即所述护盾的长度要能满足始终在已有衬砌上搭接0.5~5m，优选2~5m。

所述护盾为金属板材，如钢板，金属板材的厚度要能抵御周围土体的应力。

所述护盾之间可部分环向搭接，护盾的尾部可用锁扣连接。

本发明提供的一种隧道移动支护结构保护下的隧道施工方法，包括以下步骤：

步骤一：场地准备。

步骤二：箱体组结构的拼装及施工设备的安装调试

所述箱体组结构是根据隧道外轮廓形状、将多个箱体通过箱体间的咬合构件拼接而成的环状结构；所述的每个箱体是根据隧道形状而特制的，所述箱体外面板尾部向后延伸形成护盾；当多个箱体相互拼接形成箱体组结构后，其尾部的护盾形成护盾组结构。

所述施工设备包括驱动箱体掘进设备、隧道掌子面开挖出土设备、预制件拼装设备或拱架安装及喷锚设备。

步骤三：移动支护结构就位及设备定位

所述移动支护结构就位包含箱体组结构在掌子面就位（如图7）及隧道循环施工就位（如图8-9）；所述隧道循环施工就位，是指箱体组结构在掌子面就位后，箱体组结构沿隧道轴线向前掘进到达预定位置，为后续隧道开挖-箱体掘进-预制件拼装或初支施工的循环施工做准备。

其中图8表示第一个箱体向前掘进，图9为箱体组结构的所有箱体均已向前掘进完毕，完成移动支护结构的隧道循环施工就位。

步骤四：在箱体组结构的保护下进行隧道开挖

如图10，将步骤三中箱体结构内部掌子面的土体开挖1-5米，每次开挖深度要小于所述箱体及护盾长度。并根据隧道围岩地质情况，合理保留部分掌子面超前核心土。

步骤五：箱体掘进

如图11，驱动单个箱体沿隧道轴向掘进，在掘进同时通过掘进钻具将土体收集排出，到达预定深度后进行下一箱体掘进，相邻箱体通过咬合构件进行咬合，并利用咬合构件作为互为滑动的轨道；如此依次将相互咬合拼接形成隧道支护外轮廓形状的所有箱体推入到预定深度；如图12全部箱体推入土体后，相互咬合拼接的箱体和护盾形成的箱体组结构和护盾组结构将承担土体的压力，起到隧道临时支护作用。

步骤六：在箱体组结构和护盾组结构保护下进行预制件拼装或进行初支施工

如图13，在步骤五形成的护盾组结构和步骤三形成的箱体组结构的保护下利用预制件拼装设备将预制件安装成环，形成隧道衬砌；也可以不采用预制件拼装方式而用型钢拱架或格栅钢架现场架设，先形成隧道初支然后进行二次衬砌方式。

步骤七：重复步骤四至六，直至全部隧道施工完成

重复步骤四至六，即图10-13，使得能够充分利用移动支护结构能够移动的特点，不断进行隧道开挖和移动支护结构施工的连续交替循环进行，施工过程状态见图14-17，其中，图14指的是连续施作多个循环后，即完成上一循环预制件拼装及下一循环即将开始时移动支护结构的就位状态，图15指的是在图14移动支护结构的保护下进行该循环的隧道开挖工序，图16指的是在图15隧道开挖后的箱体掘进工序，以便为下一工序及预制件拼装提供施做空间及支撑保护，图17指的是图16箱体掘进完毕后的预制件拼装工序，护盾组结构为预制件拼接提供临时支撑保护。该循环预制件拼装结束后继续循环图15-17所示施工工序直至整个隧道土体开挖完毕，预制件拼装结束，此时随着不断向前施工，移动支护结构移出隧道外部，如图18；整体施工效果图见图19。

所述步骤三和步骤五的箱体结构掘进出土可采用冲击钻或螺旋钻切削及螺旋出土方式。

所述步骤四中的掌子面的土体开挖需要预留部分掌子面核心土，以增加掌子面及箱体组结构的稳定。

所述步骤六中的预制件为混凝土或钢制预制件，预制件拼接而成的结构即为隧道的衬砌结构。

所述拼装的箱体结构为封闭式或非闭合式结构，即隧道超前支护及隧道仰拱可同时进行施工或分开进行施工。

本发明的移动支护结构箱体在掘进至设计深度后，通过自身的咬合构件与相邻箱体进行咬合，另外，护盾在箱体尾部延伸的部分可适当进行加宽，以便与相邻箱体的护盾进行搭接。更重要的是在该移动支护结构的箱体结构保护下，可以确保隧道开挖施工安全，同时该移动支护结构可以为预制件的拼装或初支施工提供临时支护。

本发明的隧道移动支护结构为移动式结构，即在完成一循环支护结构后，无需进行设备撤场，可直接进行隧道开挖和预制件的拼装，方便了隧道超前支护、隧道开挖连续交替施工，避免了传统结构施工过程中的设备反复安装，施工，拆卸，撤离等工序，提高了施工工效，而且，该移动支护结构作为一临时支护结构，可反复使用，避免了传统施工结构比如管棚，水平旋喷，注浆等工法中材料不可回收利用等弊端，降低了工程造价。

Claims (9)

1.一种隧道移动支护结构，其特征在于包括箱体组结构和护盾组结构；所述箱体组结构由多个箱体按照隧道外轮廓形状咬合拼接而成，在每个所述箱体之上设置有一个护盾，所述护盾为在箱体外面板尾部向后延伸一定长度的板材结构；当所述箱体相互咬合形成箱体组结构时，所述护盾相互拼接形成护盾组结构；相互咬合拼接的箱体和护盾形成的箱体组结构和护盾组结构将承担土体的压力，起到隧道临时支护作用；箱体掘进出土采用冲击钻或螺旋钻切削及螺旋出土方式。

2.根据权利要求1所述的一种隧道移动支护结构，其特征在于每个箱体两侧设有咬合构件，所述咬合构件作为相邻箱体之间互为滑动的轨道。

3.根据权利要求1所述的一种隧道移动支护结构，其特征在于在每个所述箱体内部各自设有掘进出土装置，所述的掘进出土装置自带动力或由外加设备驱动。

4.根据权利要求1所述的一种隧道移动支护结构，其特征在于所述护盾为金属板材且与箱体的外面板相连；所述护盾的长度要能始终在已有衬砌上搭接0.5~5m，金属板材的厚度要能抵御周围土体的应力；所述外面板为组成箱体结构的箱体外侧面也就是接近土体的一侧面板。

5.根据权利要求1所述的一种隧道移动支护结构，其特征在于相邻护盾环向搭接，相邻护盾的尾部用锁扣连接。

6. 一种隧道移动支护结构保护下的隧道施工方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：场地准备；

步骤二：箱体组结构的拼装及施工设备的安装调试

所述箱体组结构是根据隧道外轮廓形状、将多个箱体通过箱体间的咬合构件拼接而成的环状结构；每个箱体是根据隧道形状而特制的，箱体外面板尾部向后延伸形成护盾；当多个箱体相互拼接形成箱体组结构后，其尾部的护盾形成护盾组结构；

所述施工设备包括驱动箱体掘进设备、隧道掌子面开挖出土设备、预制件拼装设备或拱架安装及喷锚设备；

步骤三：移动支护结构就位及设备定位

所述移动支护结构就位包含箱体组结构在掌子面就位及隧道循环施工就位；所述隧道循环施工就位，是指箱体组结构在掌子面就位后，箱体组结构沿隧道轴线向前掘进到达预定位置，为后续隧道开挖-箱体掘进-预制件拼装或初支施工的循环施工做准备；

步骤四：在箱体组结构的保护下进行隧道开挖

将步骤三中形成的箱体组结构内部掌子面的土体开挖1-5米，每次开挖深度要小于所述箱体及护盾长度；

步骤五：箱体掘进

驱动单个箱体沿隧道轴向掘进，在掘进同时通过掘进钻具将土体收集排出，到达预定深度后进行下一箱体掘进，相邻箱体通过咬合构件进行咬合，并利用咬合构件作为互为滑动的轨道；如此依次将相互咬合拼接形成隧道支护外轮廓形状的所有箱体推入到预定深度；全部箱体推入土体后，相互咬合拼接的箱体和护盾形成的箱体组结构和护盾组结构将承担土体的压力，起到隧道临时支护作用；

步骤六：在箱体组结构和护盾组结构保护下进行预制件拼装或进行初支施工

在步骤五形成的护盾组结构和步骤三形成的箱体组结构的保护下利用预制件拼装设备将预制件安装成环，形成隧道衬砌；也可以不采用预制件拼装方式而用型钢拱架或格栅钢架现场架设，先形成隧道初支然后进行二次衬砌；

步骤七：重复步骤四至六，直至全部隧道施工完成。

7.根据权利要求6所述的一种隧道移动支护结构保护下的隧道施工方法，其特征在于，所述步骤三及步骤五的箱体掘进出土采用冲击钻或螺旋钻切削及螺旋出土方式。

8.根据权利要求6所述的一种隧道移动支护结构保护下的隧道施工方法，其特征在于，所述步骤六中的预制件为混凝土或钢制预制件，预制件拼接而成的结构即为隧道的衬砌结构。

9.根据权利要求6所述的一种隧道移动支护结构保护下的隧道施工方法，其特征在于，拼装而成的所述箱体组结构为封闭式或非闭合式结构，即隧道超前支护及隧道仰拱可同时进行施工或分开施工。