CN110242331B - 一种用于盾构隧道中的抗浮装置及采用其辅助管片衬砌环抗浮的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于盾构隧道中的抗浮装置及采用其辅助管片衬砌环抗浮的方法，涉及盾构隧道施工技术领域，该抗浮装置包括拱顶管片，拱顶管片的外侧平铺固定有气囊，气囊的材质为柔性材料，气囊上设置有充气口、放气口和注浆口，充气口、放气口和注浆口上分别设置有充气控制阀、放气控制阀和注浆控制阀，充气控制阀、放气控制阀、注浆控制阀和压力传感器分别电连接于控制器上；拱顶管片上还安装有静力水准仪，静力水准仪电连接于控制器上。控制器可根据静力水准仪感知的拱顶位移变化量智能化地调整充气阀或放气阀，实现抗浮力可调。解决了现有技术中盾构隧道抗浮不易精准控制，尤其对于施工过程中地下水位变化带来抗浮力需求不确定的问题。

Description

一种用于盾构隧道中的抗浮装置及采用其辅助管片衬砌环抗 浮的方法

技术领域

本发明涉及盾构隧道施工技术领域，特别是涉及一种用于盾构隧道中的抗浮装置及采用其辅助管片衬砌环抗浮的方法。

背景技术

在现有控制盾构管片上浮的方法中，通常在隧道底部管片上设置钢垫板，沿管片径向设置拉杆组件，将拉杆组件一端穿过管片预留孔后埋入土体中，另一端与钢垫板相连，通过拉杆组件和钢垫板，增强衬砌管片与地层的连接力，并通过拉力杆连接相邻各环管片上的钢垫板，从而将各环衬砌管片连接成整体，从而提高衬砌结构的抗浮能力；或在沿盾构隧道线路方向依次设置多个抗浮桩，抗浮桩从隧道上方沿隧道径向方向朝隧道一侧延伸，使得盾构隧道管片安装后被约束在抗浮桩下方，盾构隧道穿过抗浮桩后，盾构隧道管片刚好与抗浮桩接触，在浆液尚未凝固之前，抗浮桩对管片上浮产生约束作用，从而控制盾构隧道管片上浮。

抗浮桩和钢垫板的施工会花费大量的人力物力，且由于以上方法均采用刚性约束来控制管片上浮，其对管片上浮不能智能化调控，所以对于管片上浮不易精准控制问题的解决显得尤为重要。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种用于盾构隧道中的抗浮装置，解决了现有技术中盾构隧道抗浮不易精准控制，尤其对于施工过程中地下水位变化带来抗浮力需求不确定的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

提供一种用于盾构隧道中的抗浮装置，其包括拱顶管片，拱顶管片的外侧平铺固定有气囊，气囊的材质为柔性材料，气囊上设置有充气口、放气口和注浆口，充气口、放气口和注浆口上分别设置有充气控制阀、放气控制阀和注浆控制阀，充气控制阀、放气控制阀和注浆控制阀分别电连接于控制器上；拱顶管片上还安装有静力水准仪，静力水准仪电连接于控制器上。

进一步地，气囊平铺于拱顶管片的整个外圆弧面上。

进一步地，充气口、放气口和注浆口分别独立设置于气囊邻近拱顶管片的一侧。

进一步地，充气口、放气口和注浆口上分别密封可拆卸连接有管道，管道穿过拱顶管片并通入到拱顶管片的内侧，充气控制阀、放气控制阀和注浆控制阀分别设置于对应的管道上并位于拱顶管片的内侧。

进一步地，充气控制阀和放气控制阀均包括连接于对应管道上的电磁阀和控制电磁阀开断的继电器，继电器分别电连接于控制器上。

采用上述用于盾构隧道中的抗浮装置辅助管片衬砌环抗浮的方法包括：

步骤1，管片拼装机对盾构管片进行拼装，将拱顶管片拼装到管片衬砌环的顶端，使气囊的中轴线与隧道拱顶的中轴线对齐；

步骤2，对管片衬砌环除拱顶管片以外的其它管片进行盾尾同步注浆；

步骤3，将充气管道、放气管道和注浆管道与气囊上的充气口、放气口和注浆口密封连接，在充气管道、放气管道和注浆管道上分别安装上充气控制阀、放气控制阀和注浆控制阀，通过管道将充气控制阀连接到充气泵上，通过管道将注浆控制阀连接到注浆泵上；

步骤4，通过静力水准仪实时测量拱顶管片的实时标高并将信号转化为数字信号输入到控制器中，通过控制器判断实时标高值是否在设计标高的范围内，

若实时标高大于设计标高，则关闭放气控制阀并打开充气控制阀；

若实时标高等于设计标高，则关闭充气控制阀；

若实时标高小于设计标高，则关闭充气控制阀并打开放气控制阀；

步骤5，待拱顶管片在预设的时间内，实时标高均位于设计标高的范围内，以及周围浆液凝固且管片衬砌环稳定后，通过控制器打开注浆控制阀，再打开放气控制阀，向气囊内注浆，气囊内的气体从放气口排出，待气囊内浆液凝固后，从充气口、放气口和注浆口上拆除充气管道、放气管道和注浆管道。

本发明的有益效果为：通过在现有管片衬砌环的拱顶管片上固定一个柔性材料制成的气囊，对现有管片拼装机的拼装过程不会造成影响，不需要更改现有拼装机的结构，制作工艺简单，施工难度小。

通过向气囊中通入易于调节容量和压力大小的高压气体，使气囊内产生足够的压力支撑在拱顶管片与土层之间，防止在注浆过程中管片衬砌环受到浆液的浮力而上浮影响隧道的施工质量，以及有效解决在盾构施工过程中衬砌管片受到地下水的作用，由于地下水位变化衬砌管片上浮不易控制而影响隧道的施工质量的问题。。

通过静力水准仪实时监测拱顶管片的标高来判断管片衬砌环是否有上浮现象，并通过控制气囊进气和出气来实时调节管片衬砌环的位置，使管片衬砌环不论受到注浆浆液浮力的影响还是受到隧道施工过程中水位变化的影响，都能够将管片衬砌环调整到具有最佳对中性的位置处并稳定，再用浆液替换气体将管片衬砌环固定，提高隧道的施工质量；且整个检测和调整过程通过控制器自动实现，操作简单、高效、准确度高。

向气囊中注入浆液时，由于有了气囊的限制作用，浆液不会沿着拱顶管片外壁流向两侧，即不会形成月牙形分布，能够保证拱顶管片上的注浆厚度，且注浆完成以后，气囊内的浆液与管片衬砌环与土层之间的浆液凝固为一个整体，形成一个完整的注浆环，不影响管片衬砌环支撑土层的强度以及其防水能力。

通过本方案中的方法解决了管片衬砌环在注浆过程中的上浮问题，保证了管片衬砌环的施工准确性，提高了隧道的施工质量，且节省了大量的人力物力，作业强度降低，施工效率加快。

附图说明

图1为用于盾构隧道中的抗浮装置应用于管片衬砌环上的示意图。

其中，1、拱顶管片；2、气囊；21、充气口；22、放气口；23、注浆口；3、充气控制阀；4、放气控制阀；5、注浆控制阀；6、控制器；7、静力水准仪。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，管片衬砌环通常包括拼装的左标准块、左邻接块、右标准块、右邻接块和封顶块，本方案中的拱顶管片1为其中的一块标准块，拱顶管片1位于管片衬砌环的顶端。

该用于盾构隧道中的抗浮装置包括拱顶管片1，拱顶管片1的外侧平铺固定有气囊2，气囊2为背覆式气囊，气囊2优先采用涂层为聚氯乙烯(PVC)或热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)的网架复合材料，其是一种高强度柔性材质，内部设置土工布一类加筋材料，通过热合等技术制作成各种容量和形状的浆液包容容器，类比与现有市场中的水囊。气囊2具有不透水性、柔韧性以及一定的机械强度和延展性。为了满足工程要求，气囊2各处的厚度不能够小于5mm，其材料拉伸屈服强度不低于100MPa，材料的弹性模量位于3.14～3.92GPa的区间里。

在制作气囊2的热合加工过程中，将三个带有螺纹的连接管固定在气囊2上并与气囊2内部连通，该三个螺纹连接管分别作为充气口、放气口和注浆口上的可拆卸的螺纹连接管。由于现有技术中的管片衬砌环的标准块上只预留有注浆口，所以本方案中的拱顶管片1在施工的时候需要预先预留供充气口和放气口上面连接的螺纹连接管通过的通孔。

气囊2平铺于拱顶管片1的整个外圆弧面上，并将气囊2的外表面固定到拱顶管片1的外圆弧面上，固定方式可以采用强力胶粘接，或者在加工气囊2时在气囊2上采用热合加工技术固定上连接管，在制作拱顶管片1时将对应的连接管固定到外圆弧面上，通过连接管的连接来达到将气囊2固定到拱顶管片1上的目的。在拼接管片衬砌环时，气囊2中没有气体，气囊2仅是一层膜布贴合在拱顶管片1的外圆弧面上，不会影响管片衬砌环的正常施工。

充气口、放气口和注浆口分别独立设置于气囊2与拱顶管片固定连接的一侧，使充气口、放气口和注浆口上固定的螺纹连接管能够穿过拱顶管片1通入其内侧方便施工人员连接管道。

在盾构机的操作平台上预先将充气控制阀3、放气控制阀4和注浆控制阀5连接到对应的管道上并与控制器6电连接。将充气控制阀3远离气囊2的一端通过管道连接到充气泵上，将注浆控制阀5远离气囊2的一端通过管道连接到注浆泵上。

充气控制阀3包括安装在充气管道上的电磁阀，优选型号为2W15-80，通过电磁阀的通断来决定是否向气囊2中充气，电磁阀通过继电器控制其动作，继电器优选型号为943-1C-12DS，继电器通过控制器6控制。控制器6优选型号为stm32f103c8t6的单片机。

放气控制阀4与充气控制阀3结构相同，同样包括型号为2W15-80的电磁阀和型号为943-1C-12DS的继电器，控制器6控制放气控制阀4的通断来决定是否对气囊2进行放气。放气控制阀4连接在从放气口引出的管道上。注浆控制阀5包括液用常闭电磁阀DF-15和控制该电磁阀的继电器，继电器优选优选型号为943-1C-12DS。

拱顶管片1上安装有静力水准仪7，静力水准仪7电连接于控制器6上，静力水准仪7优选型号为HX-SZY100。静力水准仪7安装在拱顶管片1内侧的中轴线上，通过静力水准仪7实时测量拱顶管片1的标高，并将测量数据实时反馈给控制器6。静力水准仪7电连接于控制器6的输入端，充气控制阀3、放气控制阀4和注浆控制阀5电连接于控制器6的输出端。

采用上述用于盾构隧道中的抗浮装置辅助管片衬砌环抗浮的方法包括：

使用盾构法挖掘隧道过程中，管片衬砌环刚脱离盾构机时会因为惯性而受到盾构机的轴向作用力，使得管片衬砌环不会发生上浮现象，但随着盾构机远离，管片衬砌环在浆液中仅受到重力和浆液对其的浮力，浮力大于重力就会导致管片衬砌环上浮。

步骤1，将固定有气囊2的拱顶管片1置于盾构机中，掘进机挖掘隧道以后，管片拼装机拼装管片衬砌环来支撑刚挖出的隧道，盾构机管片拼装机将拱顶管片1拼装到管片衬砌环的顶端，使气囊2的中轴线与隧道拱顶的中轴线对齐。

步骤2，对管片衬砌环除拱顶管片以外的其它管片进行盾尾同步注浆，盾尾同步注浆是注浆泵连接到设置在每个管片上的注浆孔进行注浆。

步骤3，在透明软管上固定螺母连接头，作为充气管道和放气管道分别与充气口和放气口上的螺纹连接管连接，使用不锈钢钢管作为注浆管道与注浆口上的螺纹连接管连接；在充气管道、放气管道和注浆管道上分别安装上均为常闭的充气控制阀3、放气控制阀4和注浆控制阀5，通过透明软管将充气控制阀3连接到充气泵上，通过不锈钢钢管将注浆控制阀5连接到注浆泵上，充气泵与注浆泵均是盾构机中的常备设备，具体结构和组成此处不再赘述。

步骤4，通过静力水准仪7实时测量拱顶管片的实时标高并将信号转化为数字信号输入到控制器6中，通过控制器6判断实时标高值是否在设计标高的范围内，

若实时标高大于设计标高，则关闭放气控制阀4并打开充气控制阀3；

若实时标高等于设计标高，则关闭充气控制阀3；

若实时标高小于设计标高，则关闭充气控制阀3并打开放气控制阀4；

步骤5，待拱顶管片1在预设的时间内，实时标高均位于设计标高的范围内，以及周围浆液凝固且管片衬砌环稳定后，通过控制器6打开注浆控制阀5，再打开放气控制阀4，将气囊2内的气体置换为浆液，待气囊2内的浆液凝固后，从充气口、放气口和注浆口上拆除充气管道、放气管道和注浆管道。

Claims (3)

1.一种用于盾构隧道中的抗浮装置，其特征在于，包括拱顶管片，所述拱顶管片的外侧平铺固定有气囊，所述气囊的材质为柔性材料，所述气囊上设置有充气口、放气口和注浆口，所述充气口、放气口和注浆口上分别设置有充气控制阀、放气控制阀和注浆控制阀，所述充气控制阀、放气控制阀和所述注浆控制阀分别电连接于控制器上；所述拱顶管片上还安装有静力水准仪，所述静力水准仪电连接于控制器上；

所述充气口、放气口和注浆口分别独立设置于所述气囊邻近所述拱顶管片的一侧；

所述充气口、放气口和注浆口上分别密封可拆卸连接有管道，所述管道穿过所述拱顶管片并通入到所述拱顶管片的内侧，所述充气控制阀、放气控制阀和注浆控制阀分别设置于对应的管道上并位于所述拱顶管片的内侧；

所述气囊平铺于所述拱顶管片的整个外圆弧面上。

2.根据权利要求1所述的用于盾构隧道中的抗浮装置，其特征在于，所述充气控制阀和放气控制阀均包括连接于对应管道上的电磁阀和控制所述电磁阀开断的继电器，所述继电器分别电连接于控制器上。

3.一种采用权利要求1至2任一所述的用于盾构隧道中的抗浮装置辅助管片衬砌环抗浮的方法，其包括，

步骤1，管片拼装机对盾构管片进行拼装，将拱顶管片拼装到管片衬砌环的顶端，使气囊的中轴线与隧道拱顶的中轴线对齐；

步骤2，对管片衬砌环除拱顶管片以外的其它管片进行盾尾同步注浆；

步骤3，将充气管道、放气管道和注浆管道与气囊上的充气口、放气口和注浆口密封连接，在充气管道、放气管道和注浆管道上分别安装上充气控制阀、放气控制阀和注浆控制阀，通过管道将充气控制阀连接到充气泵上，通过管道将注浆控制阀连接到注浆泵上；

步骤4，通过静力水准仪实时测量拱顶管片的实时标高并将信号转化为数字信号输入到控制器中，通过控制器判断实时标高值是否在设计标高的范围内，

若实时标高大于设计标高，则关闭放气控制阀并打开充气控制阀；

若实时标高等于设计标高，则关闭充气控制阀；

若实时标高小于设计标高，则关闭充气控制阀并打开放气控制阀；

步骤5，待拱顶管片在预设的时间内，实时标高均位于设计标高的范围内，以及周围浆液凝固且管片衬砌环稳定后，通过控制器打开注浆控制阀，再打开放气控制阀，向气囊内注浆，气囊内的气体从放气口排出，待气囊内浆液凝固后，从充气口、放气口和注浆口上拆除充气管道、放气管道和注浆管道。