CN111236971B - 城市盾构隧道气囊式管片及其作业方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种城市盾构隧道气囊式管片及其作业方法，包括：盾构管片本体，呈弧形，其上设置有注浆孔和排气孔；弧形框架梁，通过可伸缩框架柱连接设置于所述盾构管片本体外；气囊单元，设置于所述弧形框架梁内的空间；以及排气管，一端设置于气囊单元内的顶部区域，另一端连接至所述排气孔。作业时，当盾构管片拼装成环后，关闭排气孔，通过注浆孔向气囊注入气体，使气囊膨胀并带动弧形框架梁向外移动，直至弧形框架梁达到施工高度及气囊达到预设压力后，停止充气；然后打开排气孔，同时通过注浆孔向气囊内注满浆液，从而使气囊内的气体通过排气管完全排出；最后关闭注浆孔及排气孔，完成城市盾构隧道气囊式管片的施工作业。
Description
技术领域
本公开涉及盾构及配套构件技术领域，尤其涉及一种城市盾构隧道气囊式管片及其作业方法。
背景技术
随着我国城市化进程的不断加快，基础设施落后问题显现，城市交通运输矛盾日益突出。盾构隧道以其掘进速度快，自动化作业程度高，对环境影响小等优点，在拓宽城市空间、打造城市快速立体交通网络和改善城市交通环境方面发挥越来越大的作用。盾构管片是盾构施工的主要装配构件，在装配过程中，因盾构开挖直径大于盾构管片外径，故工程中大多以壁后注浆来辅助管片装配，而壁后注浆常存在跑浆与注浆压力无法控制而导致地层沉降过大等工程问题。盾构施工中，盾构机千斤顶需要作用在已安装衬砌环上来实现盾构机的推进与转向，因而衬砌环常因承受极大的偏心压力而导致管片损伤较大，管片损伤对于管片防水及其承载能力有较大影响，由此带来的隧道涌水也是较为常见的工程问题，且承载能力降低会给隧道施工与运营带来极大的风险。
传统的盾构管片存在以下问题：在工程中，由于壁后边界条件未知，可能存在跑浆问题，注浆压力与注浆量也难以控制，致使地层沉降较大，间隙无法被填充完全，进而影响管片整体防水性能，同时跑浆造成严重的环境问题；同步注浆对于浆体的强度和技术要求较高，浆体强度的高低和凝结时间的长短，可造成较大的地表变形；由于浆液的时效性，导致盾尾部分2-4环管片壁后无浆液形成悬臂结构，盾构机调整姿态时，会对盾尾管片受力影响较大且能损坏管片结构，对后续隧道施工、运营中的管片承载与防水能力造成极大影响。以上问题，都会带来城市盾构隧道严重的安全问题、极大的生命和财产安全问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种城市盾构隧道气囊式管片及其作业方法，以缓解现有技术中盾构管片存在施工时容易出现跑浆、盾尾位置注浆不足、注浆压力与注浆量难以控制、地层变形大及管片易损坏等技术问题。
(二)技术方案
本公开的一个方面，提供一种城市盾构隧道气囊式管片，包括：
盾构管片本体，呈弧形，其上设置有注浆孔和排气孔；
弧形框架梁，通过可伸缩框架柱连接设置于所述盾构管片本体外；
气囊单元，设置于所述弧形框架梁内的空间；以及
排气管，一端设置于气囊单元内的顶部区域，另一端连接至所述排气孔。
在本公开实施例中，所述气囊单元包括：
气囊，制备材料包括可降解薄膜；以及
碳纤维网格布，粘接于所述气囊外。
在本公开实施例中，所述弧形框架梁与所述盾构管片本体外表面保持平行。
在本公开实施例中，所述排气管可伸缩。
在本公开实施例中，所述可伸缩框架柱包括固定柱与活动柱，固定柱设置有固定滑杆，活动柱设有滑槽12，使活动注通过滑杆和滑槽配合实现滑动。
在本公开实施例中，所述可伸缩框架柱包括限位结构，用于控制伸缩程度。
在本公开实施例中，所述碳纤维网格布只可由水通过。
在本公开实施例中，所述气囊制备材料为PVA薄膜。
在本公开实施例中，所述注浆孔连接有注浆控制器，可自动控制每分钟注浆量；所述排气孔连接有排气控制器，可自动控制每分钟排气量。
在本公开的另一方面，提供一种城市盾构隧道气囊式管片的作业方法，基于以上任一项所述的城市盾构隧道气囊式管片进行作业，所述作业方法包括：
步骤S1：盾构管片拼装成环后，关闭排气孔，通过注浆孔向气囊注入气体，使气囊膨胀并带动弧形框架梁向外移动，直至弧形框架梁达到施工高度及气囊达到预设压力后，停止充气；
步骤S2：打开排气孔，同时通过注浆孔向气囊内注满浆液，从而使气囊内的气体通过排气管完全排出；以及
步骤S3：关闭注浆孔及排气孔，完成城市盾构隧道气囊式管片的施工作业。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开城市盾构隧道气囊式管片及其作业方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)能够控制壁后注浆量与注浆压力；
(2)减少因形成悬臂结构而带来的盾尾管片损伤，提高了隧道施工运营的安全性；
(3)能够控制土体变形量，降低对管片周围土体环境的污染和壁后注浆工程造价；
(4)占用空间小，适合在盾构机密闭环境中使用；
(5)可解决跑浆问题，减少了环境污染；
(6)简单且实施可行性高，可降低工程造价并提高施工效率，具有良好应用前景。
附图说明
图1为本公开实施例城市盾构隧道气囊式管片的侧视结构示意图。
图2为本公开实施例城市盾构隧道气囊式管片的俯视结构示意图。
图3为本公开实施例城市盾构隧道气囊式管片的仰视结构示意图。
图4为本公开实施例可伸缩框架柱的结构示意图。
图5为本公开实施例可伸缩框架柱中滑动柱的结构示意图。
图6为本公开实施例可伸缩框架柱中固定柱的结构示意图。
图7为本公开实施例基于城市盾构隧道气囊式管片的作业方法流程图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1-碳纤维网格布；2-气囊；3-可伸缩框架柱；4-活动柱；5-固定柱；6-螺栓；7-框架梁；8-排气孔；9-注浆孔；10-盾构管片本体；11-排气管；12-滑槽；13-滑杆；14-固定柱底部预留螺栓孔；15-金属限位片；16-弹簧片。
具体实施方式
本公开提供了一种城市盾构隧道气囊式管片及其作业方法，通过气囊结构为注浆提供已知边界条件来控制壁后注浆量和注浆压力，从而控制地层变形和降低壁后注浆工程造价；早期通过气压支承围岩以保证盾尾部分管片与周围土体形成整体，降低管片损伤，提高了隧道施工运营的安全性；后期利用浆液-气体等强置换控制地层沉降。另外，本公开的框架系统占用空间小，适合在盾构机密闭环境中使用；本公开使用PVA薄膜为可降解材料且可解决跑浆问题，减少了环境污染；本公开可对地层变形严格控制，上下或左右并行隧道可同时施工，提高工程施工效率。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中，提供一种城市盾构隧道气囊式管片，结合图1至图6所示，所述城市盾构隧道气囊式管片，包括：
盾构管片本体，呈弧形，其上设置有注浆孔和排气孔；
弧形框架梁，通过可伸缩框架柱连接设置于所述盾构管片本体外；
气囊单元，设置于所述弧形框架梁内的空间；以及
排气管，一端设置于气囊单元内的顶部区域，另一端连接至所述排气孔。
所述气囊单元包括：
气囊，制备材料包括：PVA薄膜、或其它可降解薄膜
碳纤维网格布，粘接于所述气囊外；
所述弧形框架梁7与所述盾构管片本体外表面保持平行；
所述弧形框架梁7的制备材料包括：铝合金、或其他轻便且具备一定强度的金属、非金属材料。
所述可伸缩框架柱3包括：固定柱5与活动柱4，固定柱5设置有固定滑杆13，活动柱5设有滑槽12，使活动注5通过滑杆13和滑槽12配合实现滑动；
进一步地，所述可伸缩框架柱包括限位结构，用于控制伸缩程度。在本公开实施例中，所述限位结构为一弹簧片，如图5所示，所述活动柱4上部设有两个金属限位片15，所述金属限位片15连接有弹簧片16，用于控制活动柱的位置进而控制可伸缩框架柱的移动高度。
进一步地，所述可伸缩框架柱结构截面为槽型，端口设有留孔挡板；所述框架柱结构制备材料包括：铝合金、或其他轻便且具备一定强度的金属、非金属材料。
进一步地，所述可伸缩框架柱包括两根槽型柱，所述槽型柱留有滑槽，通过滑轮实现移动伸缩，同时滑槽的上部设有两个内凹的部件连接有弹簧片，可控制框架柱的移动高度。
弧形框架梁和可伸缩框架柱不用于承载外部的压力。
所述碳纤维网格布1只可由水通过；
所述碳纤维网格布粘结在所述弧形框架梁内侧；
所述碳纤维网格布1与所述气囊通过聚乙烯胶水粘接。
所述气囊与所述盾构管片本体上表面10通过聚乙烯胶水连接。
所述排气管11可伸缩，制备材料包括：PVC、或其它可降解材料。
所述排气管一端粘在所述气囊内顶部，另一端通过所述排气孔置于外部，所述PVC排气管可伸缩。
进一步地，所述注浆孔连接有注浆控制器，可自动控制每分钟注浆量；所述排气孔连接有排气控制器，可自动控制每分钟排气量。
所述注浆孔用以第一阶段充气与第二阶段注入浆液；所述排气孔用以在第二阶段注浆时排出气囊肿气体。
所述盾构管片本体外表面设有螺栓，用以确定所述固定柱位置并固定框架柱。
本公开还提供一种基于上述城市盾构隧道气囊式管片的作业方法，如图7所示，包括：
步骤S1：盾构管片拼装成环后，关闭排气孔，通过注浆孔向气囊注入气体，使气囊膨胀并带动弧形框架梁向外移动，直至弧形框架梁达到施工高度及气囊达到预设压力后，停止充气；
在盾构管片拼装成环之后，根据相应工程测量资料，通过计算可得到所需注浆压力，打开注浆孔，关闭排气孔，由注浆孔注入气体，使气囊膨胀并带动框架系统的纵向移动，达到使用高度时，可利用弹簧片限制框架梁的纵向移动，持续注入气体直至气囊内压力达到预设压力后关闭注浆孔。充气可解决盾构机推进中管片壁后注浆延迟性问题，可避免盾尾管片成为悬臂结构而导致管片损坏。
步骤S2：打开排气孔，同时通过注浆孔向气囊内注满浆液，从而使气囊内的气体通过排气管完全排出；
在后续管片相继成环后，进行浆液和气体的置换，通过注浆孔注入浆液，同时气体通过PVC排气管排出。注浆孔的注浆控制器与排气孔的排气控制器可分别控制注浆与排气速率，用以控制浆液-气体置换过程中的地层变形。待浆液-气体完全置换后，注浆完成，关闭注浆孔，关闭排气孔。
步骤S3：关闭注浆孔及排气孔，完成基于城市盾构隧道气囊式管片的施工作业。
在注浆孔与排气孔关闭后，管片结构基本形成。气囊中通过碳纤维网格布与土体间接接触的PVA薄膜在土壤微生物的作用下，缓慢降解，所设碳纤维网格布目数极小，只有水可通过，同时由于浆液仍具有一定流动性，在四周PVA薄膜被降解后，不同管片气囊之间浆液可以渗透形成整体。随着PVA薄膜缓慢降解，浆液逐渐凝固硬化，从而具有一定承载能力，不会造成过大的地层变形，同时解决了跑浆问题，减少了环境污染，可控制注浆量，降低了壁后注浆造价。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开城市盾构隧道气囊式管片及其作业方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种城市盾构隧道气囊式管片及其作业方法，本公开的一种城市盾构隧道新型管片，通过气囊结构为注浆提供已知边界条件来控制壁后注浆量和注浆压力，从而控制地层变形和降低壁后注浆工程造价；早期通过气压支承围岩以保证盾尾部分管片与周围土体形成整体，降低管片损伤，提高了隧道施工运营的安全性；后期利用浆液-气体等强置换控制地层沉降。另外，本公开的框架系统占用空间小，适合在盾构机密闭环境中使用；本公开使用PVA薄膜为可降解材料且可解决跑浆问题，减少了环境污染；本公开可对地层变形严格控制，上下或左右并行隧道可同时施工，提高工程施工效率。本公开装置简单且实施可行性高，可降低工程造价并提高施工效率，具有良好应用前景。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种城市盾构隧道气囊式管片，包括：
盾构管片本体，呈弧形，其上设置有注浆孔和排气孔；
弧形框架梁，通过可伸缩框架柱连接设置于所述盾构管片本体外；
气囊单元，设置于所述弧形框架梁内的空间；以及
排气管，一端设置于气囊单元内的顶部区域，另一端连接至所述排气孔；
所述气囊单元包括：
气囊，制备材料包括可降解薄膜；以及
碳纤维网格布，粘接于所述气囊外；
能够通过注浆孔向气囊注入气体；
能够通过注浆孔向气囊内注满浆液，使气囊内的气体通过排气管完全排出，控制注浆与排气速率，用以控制浆液-气体置换过程中的地层变形；所述浆液能够逐渐凝固硬化。
2.根据权利要求1所述的城市盾构隧道气囊式管片，所述弧形框架梁与所述盾构管片本体外表面保持平行。
3.根据权利要求1所述的城市盾构隧道气囊式管片，所述排气管可伸缩。
4.根据权利要求1所述的城市盾构隧道气囊式管片，所述可伸缩框架柱包括固定柱与活动柱，固定柱设置有固定滑杆，活动柱设有滑槽，使活动柱 通过滑杆和滑槽配合实现滑动。
5.根据权利要求1所述的城市盾构隧道气囊式管片，所述可伸缩框架柱包括限位结构，用于控制伸缩程度。
6.根据权利要求1所述的城市盾构隧道气囊式管片，所述碳纤维网格布只可由水通过。
7.根据权利要求2所述的城市盾构隧道气囊式管片，所述气囊制备材料为PVA薄膜。
8.根据权利要求1所述的城市盾构隧道气囊式管片，所述注浆孔连接有注浆控制器，可自动控制每分钟注浆量；所述排气孔连接有排气控制器，可自动控制每分钟排气量。
9.一种城市盾构隧道气囊式管片的作业方法，基于权利要求1至8任一项所述的城市盾构隧道气囊式管片进行作业，所述作业方法包括：
步骤S1：盾构管片拼装成环后，关闭排气孔，通过注浆孔向气囊注入气体，使气囊膨胀并带动弧形框架梁向外移动，直至弧形框架梁达到施工高度及气囊达到预设压力后，停止充气；
步骤S2：打开排气孔，同时通过注浆孔向气囊内注满浆液，从而使气囊内的气体通过排气管完全排出；以及
步骤S3：关闭注浆孔及排气孔，随着气囊缓慢降解，浆液逐渐凝固硬化，完成城市盾构隧道气囊式管片的施工作业。
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