CN111305872B

CN111305872B - Tbm盾构隧道管片及其作业方法

Info

Publication number: CN111305872B
Application number: CN202010161268.9A
Authority: CN
Inventors: 张稳军; 来涛涛; 曹文振; 王博达; 张高乐; 上官丹丹; 王祎
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2020-03-10
Filing date: 2020-03-10
Publication date: 2020-12-01
Anticipated expiration: 2040-03-10
Also published as: CN111305872A

Abstract

本公开提供一种TBM盾构隧道管片，包括：盾构管片本体；升降杆系统，设置于盾构管片本体上，包括：多个微型液压升降杆，沿盾构管片本体边缘设置；钢丝网，沿多个微型液压升降杆设置，随微型液压升降杆同步升降；气囊，位于多个微型液压升降杆包围的空间内；包括：上气囊部以及侧‑底气囊部，其与上气囊部通过热熔胶粘合后组成完整的气囊；环形索，通过囊上的预留通道使气囊与多个微型液压升降杆相连，使得气囊能能够随微型液压升降杆同步升降；浆液置换与压力控制系统，用于进行气囊内外浆液与气体的置换；电加热系统，包括：电热管，位于气囊的热熔胶粘合处，用于对粘合处的热熔胶加热使得气囊从粘合处分离。

Description

TBM盾构隧道管片及其作业方法

技术领域

本公开涉及隧道工程设备技术领域，尤其涉及一种TBM盾构隧道管片及其作业方法，具体为适用于山岭隧道TBM法的附带气囊的新型盾构管片。

背景技术

随着工程技术和经济的不断发展、人口的膨胀和社会现代化不断进步，促进长途交通和能源运输对山岭隧道需求越来越大，但传统矿山法与新奥法所具有的工期长、安全性低和震动噪音大等缺点限制了山岭隧道的快速发展。TBM(Tunnel Boring Machine-隧道掘进机)以其施工速度快，震动噪音小，作业人员少和作业环境好等优点，在增加能源运输效率、拓展人类活动空间、打造全国立体交通网络等方面发挥了越来越大的作用。与其他盾构施工隧道相同，盾构管片是TBM主要的装配构件，在进行管片装配时，常辅以豆砾石回填和高效灌浆技术，该技术制约成型隧洞的安全质量，由于山岭隧道大都存在大变形问题，对盾构管片质量和承载能力有较高要求；在盾尾处盾构管片直接与围岩接触会对盾构管片表面造成损坏，在山岭输水隧道中还存在污染水源等工程问题。山岭隧道TBM的快速发展与项目对成型隧洞质量要求的不断提高，使得对盾构管片进行优化具有十分重要的工程和现实意义。

传统山岭隧道TBM盾构管片存在以下问题：由于山岭隧道在开挖后大部分会发生大变形，为保证管片具有足够承载能力，要求增加和保证盾构管片质量和等级，大大增加了工程造价；豆砾石回填和高效灌浆技术操作较难，常会导致管片错台和降低隧道防水能力等工程问题；由于灌浆与豆砾石回填存在延迟效应，盾尾部分直接与围岩接触，可能会损坏管片表面，降低管片承载能力，影响工程质量安全。以上问题都会增加山岭TBM隧道的工程造价，且会带来严重的生产安全问题和极大的生命、财产安全隐患。

公开内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种TBM盾构隧道管片及其作业方法，以缓解现有技术中隧道施工过程中盾尾部分直接与围岩接触，可能会损坏管片表面，降低管片承载能力，影响工程质量安全，以及对管片质量要求过高，围岩变形程度难以控制等技术问题。

(二)技术方案

本公开的一个方面，提供一种TBM盾构隧道管片，包括：盾构管片本体；升降杆系统，设置于所述盾构管片本体上，包括：多个微型液压升降杆，沿所述盾构管片本体边缘设置；以及钢丝网，沿所述多个微型液压升降杆设置，随微型液压升降杆同步升降；气囊，位于所述多个微型液压升降杆包围的空间内；所述气囊包括：上气囊部，包括多片通过热熔胶粘合的橡胶气囊片；以及侧-底气囊部，与所述上气囊部通过热熔胶粘合后组成完整的气囊；环形索，通过囊上的预留通道使气囊与所述多个微型液压升降杆相连，使得气囊能能够通过环形索随微型液压升降杆同步升降；浆液置换与压力控制系统，用于进行气囊内外浆液与气体的置换，所述浆液置换与压力控制系统包括：注气孔和注浆孔，位于所述盾构管片本体内壁面；排气管，一端连接所述上气囊部的内壁，另一端经所述注气孔通至外部；压力监测器，设置于所述侧-底气囊部表面；以及电加热系统，包括：电热管，位于所述上气囊部中橡胶气囊片的粘合处以及上气囊部与侧-底气囊部的粘合处，用于对粘合处的热熔胶加热使得气囊从粘合处分离；电路单元，位于气囊内表面及微型液压升降杆外部的电路系统管道；以及刚性保护盒，位于电热管的外部。

在本公开实施例中，所述上气囊部由三部分组成，各部分之间通过热熔胶粘合。

在本公开实施例中，所述热熔胶的软化温度为65摄氏度-135摄氏度。

在本公开实施例中，所述排气管可随着气囊充卸压而伸缩。

在本公开实施例中，所述电路单元为所述电热管提供加热所需电源。

在本公开实施例中，所述电路单元通过所述注浆孔与外部电路系统连接。

在本公开实施例中，所述压力监测器的显示器设于盾构管片本体内部侧面。

本公开的另一方面，提供一种TBM盾构隧道管片的作业方法，基于以上任一项所述的TBM盾构隧道管片进行施工作业，所述作业方法，包括：步骤S1：根据相应工程测量资料，分析计算施工参数；步骤S2：向气囊中充气，同时微型液压升降杆上升，在上气囊部与围岩接触后，再根据计算得到的施工参数进行卸压，最终达到施工要求的位置；步骤S3：盾构管片连接成环后通过浆液置换与压力控制系统进行浆液与气体的置换，直至气囊内气体完全排出；以及步骤S4：通过电加热系统对气囊粘合处的热熔胶加热，使气囊从粘合处分离损坏，同时，将微型液压升降杆降下，带动侧-底气囊部下缩，从而使得浆液中的水分流失而凝固，相邻管片间浆液混合成为整体，完成基于TBM盾构管片的施工作业。

在本公开实施例中，所述施工参数包括维持围岩稳定且不发生变形所需压力P₁和可充分利用围岩自承载能力最佳压力P₂。

在本公开实施例中，分三次对气囊粘合处的热熔胶进行加热。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开一种TBM盾构隧道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)通过控制气囊的变形进而控制围岩变形，充分利用围岩自承载能力，从而降低所需盾构管片的承载等级，降低工程造价和保证施工及运营安全；

(2)初期管片不错台，后期使得浆液缓慢凝固且管片与管片之间浆液互相融合形成整体，增加了管片防水能力；

(3)气囊的存在及浆液-气体置换系统会极大的保护管片表面不受损坏，从而保证了盾构管片的承载能力，对工程施工及运营的安全及其重要。本公开装置简单且实施可行性高，可降低工程造价并提高隧道施工及运营安全，具有良好应用前景。

附图说明

图1是本公开实施例的TBM盾构隧道管片的结构示意图。

图2是本公开实施例的TBM盾构隧道管片中升降杆系统的侧视结构示意图。

图3是本公开实施例的TBM盾构隧道管片及升降杆系统的俯视结构示意图。

图4是本公开实施例的TBM盾构隧道管片中环形索位置的局部示意图。

图5是本公开实施例的TBM盾构隧道管片中电热管布置示意图。

图6是本公开实施例的TBM盾构隧道管片中电热管及刚性保护盒的安装结构示意图。

图7是本公开实施例的TBM盾构隧道管片的作业方法流程示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1-注气孔；2-注浆孔；3-排气管；4-压力监测器；

5-微型液压升降杆；6-钢丝网；7-环形索；8-电路单元；

9-电热管；10-刚性保护盒；11-上气囊部；12-侧-底气囊部。

具体实施方式

本公开提供了一种TBM盾构隧道管片及其作业方法，能够充分利用围岩自承载能力，从而降低隧道管片等级和质量要求，能够实现灌浆技术简单、高效化，能够避免盾构管片与围岩直接接触，浆液固结时间可控，最终达到降低工程造价和保证施工和运营安全的目的。

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TBM盾构隧道管片，结合图1至图6所示，所述TBM盾构隧道管片，包括：

盾构管片本体；

升降杆系统，包括：

多个微型液压升降杆5，沿所述盾构管片本体边缘设置；

钢丝网，沿所述多个微型液压升降杆设置，随微型液压升降杆同步升降；

气囊，位于所述多个微型液压升降杆包围的空间内；所述气囊包括：

上气囊部5，包括多片通过热熔胶粘合的橡胶气囊片；以及

侧-底气囊部6，与所述上气囊部通过热熔胶粘合后组成完整的气囊；

环形索7，通过气囊上的预留通道使气囊与所述多个微型液压升降杆相连，使得气囊能能够通过环形索随微型液压升降杆同步升降；

浆液置换与压力控制系统，用于进行气囊内外浆液与气体的置换，所述浆液置换与压力控制系统包括：

注气孔1和注浆孔2，位于所述盾构管片本体内壁面；

排气管3，一端连接所述上气囊部的内壁，另一端经所述注气孔通至外部；所述排气管可收缩；

压力监测器4，设置于所述侧-底气囊部表面，压力监测器4的显示器设于盾构管片本体内部侧面。

电加热系统，包括：

电热管9，位于所述上气囊部11中橡胶气囊片的粘合处以及上气囊部与侧-底气囊部12的粘合处，用于对粘合处的热熔胶加热使得气囊从粘合处分离；

电路单元，位于气囊内表面及微型液压升降杆外部的电路系统管道；以及

刚性保护盒，位于电热管的外部。

所述电热管连接电路单元8，电热管外包覆有刚性保护盒；

所述电路单元8，用于连接电热管和外部电源及对电热管进行供电；

所述微型液压升降杆5内部设有微型液压装置，且外部设有电路系统管道。

所述热熔胶的软化温度为65摄氏度-135摄氏度。

所述侧-底气囊部12设于所述微型液压升降杆内部，且两者之间设有钢丝网6。

所述侧-底气囊部12通过所述环形索7与所述微型液压升降杆5连接。

所述电热管9设于所述上气囊部11各部分连接处和所述上气囊部11与侧-底气囊部12连接处。

所述电路单元8为所述电热管9提供加热所需电源。

所述电路单元8通过所述微型液压升降杆5外部的电路系统管道，且通过所述管片壁面注浆孔2与外部电路系统连接。

作为本公开的进一步改进，所述排气管一端粘结在所述上气囊部内壁，另一端通过所述注气孔置于外部，所述排气管可随着所述橡胶气囊上升而伸缩。

作为本公开的进一步改进，所述压力监测器设于所述侧-底气囊部表面，所述压力监测器显示器设于管片内部侧面，用于检测橡胶气囊内部压力，便于控制气体压力从而控制围岩变形。

作为本公开的进一步改进，所述微型液压升降杆设于所述盾构管片外侧表面四周，用于限制侧部气囊变形和带动气囊迅速上升，使气囊与围岩尽快接触。

作为本公开的进一步改进，所述微型液压升降杆内部设有微型液压装置，且外部设有电路系统管道，电路系统管道用于通过及收纳内部电线，便于管理及保护电路安全。

作为本公开的进一步改进，所述上气囊部与侧-底气囊部通过热熔胶粘合成整体。

作为本公开的进一步改进，所述上气囊部由三部分组成，各部分之间通过热熔胶粘合，且所述热熔胶软化温度为65摄氏度至135摄氏度。

作为本公开的进一步改进，所述侧-底气囊部设于所述微型液压升降杆内部，且两者之间设有钢丝网，钢丝网用于限制侧部气囊变形。

作为本公开的进一步改进，所述侧-底气囊部通过所述环形索与所述微型液压升降杆连接，侧-底气囊部可随微型液压升降杆升降。

作为本公开的进一步改进，所述电热管设于所述上气囊部各部分连接处和所述上气囊部与侧-底气囊部连接处。

作为本公开的进一步改进，所述电热管外部皆布有刚性保护盒，用以保护电热管不受损坏。

作为本公开的进一步改进，所述电路单元为所述电热管提供加热所需电源。

作为本公开的进一步改进，所述电路单元通过所述微型液压升降杆外部的电路系统管道，且通过所述管片壁面注浆孔与外部电路系统连接。

作为本公开的进一步改进，所述电热管设在所有使用热熔胶所粘结部位。

在本公开实施中，结合图5至图6所示，电热管总共三环，最外一环布置在上气囊部与侧-底气囊部连接处，内两环布置在上气囊部中，电热管外有刚性保护盒，电热管通过电路系统与外部电源相连。刚性保护盒布置在上气囊部各部分连接处和所述上气囊部与侧-底气囊部连接处。

在本公开实施例中，结合图2至图4所示，环形索连接于各微型液压升降杆系统的顶部，钢丝网布置在微型液压升降杆系统的内部，顶部和底部分别通过焊接连接在微型液压升降杆上，整体实现环形索与微型液压升降杆以及钢丝网的同步升降。环形索在经过微型液压升降杆处，与微型液压升降杆相连，其他地方则布置在气囊预留通道内，可实现环形索带动气囊一起升降的目的。

本公开还提供一种使用上述TBM盾构隧道管片的作业方法，如图7所示，所述TBM盾构隧道管片的作业方法，包括：

步骤S1：根据相应工程测量资料，分析计算施工参数；所述施工参数包括维持围岩稳定且不发生变形所需压力P₁和可充分利用围岩自承载能力最佳压力P₂；

在盾构管片拼装成环后，根据相应工程测量资料，通过计算、分析，可得到维持围岩稳定且不发生变形所需压力P₁和可充分利用围岩自承载能力最佳压力P₂；

步骤S2：向气囊中充气，同时微型液压升降杆上升，在上气囊部与围岩接触后，再根据计算得到的施工参数进行卸压，最终达到施工要求的位置；

将维持围岩稳定且不发生变形所需压力P₁作为气囊第一级压力，利用微型液压升降杆迅速带动气囊上升，使得上气囊部与围岩接触，迅速打开注气孔，关闭注浆孔，由注气孔注入气体，通过压力监测系统监测气囊内部压力，在压力达到P₁时，停止注入压力，关闭注气孔。此举用于保证盾构管片之间不发生错台。打开注浆孔，缓慢进行卸压，通过压力检测系统监测气囊内部压力，在压力达到P₂时停止卸压，关闭注浆孔。卸压过程可使围岩发生变形，从而充分利用围岩自承载能力。

步骤S3：盾构管片连接成环后通过浆液置换与压力控制系统进行浆液与气体的置换，直至气囊内气体完全排出；

在后续管环相继成环后，可通过浆液置换与压力控制系统进行浆液与气体的置换，通过注浆孔注入浆液，同时气体通过排气管排出。可根据压力监测系统监测气囊内部压力，依此来调节注浆与排气速率，保证气囊内部压力在合理范围内，用于防止围岩发生较大变形而给施工带来的危险。待气体完全排出后，封闭注气孔与注浆孔。

步骤S4：通过电加热系统对粘合处的热熔胶加热，使气囊从粘合处分离损坏，同时，将微型液压升降杆降下，带动侧-底气囊部下缩，从而使得浆液中的水分流失而凝固，相邻管片间浆液混合成为整体，完成基于TBM盾构管片的施工作业。

在注气孔与注浆孔封闭后，管片结构基本形成，按需要分三次开启电加热装置，融化其所处位置的热熔胶，使得气囊破坏，且侧-底气囊部与上气囊部分开，此后浆液可逐渐凝固。同时，将微型液压升降杆降下，带动侧-底气囊部下缩，此时相邻管片间浆液混合成为整体，提高管片防水能力。

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TBM盾构隧道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TBM盾构隧道管片及其作业方法，通过控制气囊内部压力控制气囊的变形，从而控制围岩变形，充分利用围岩自承载能力，从而降低所需盾构管片的承载等级，降低工程造价和保证施工及运营安全；初期通过气压承载，保证管片不错台，后期利用浆液置换气体，分步加热含有热熔胶区域，使得浆液缓慢凝固且管片与管片之间浆液互相融合形成整体，增加管片防水能力；气囊的存在及浆液-气体置换系统的存在会极大的保护管片表面不受损坏，从而保证了盾构管片的承载能力，对工程施工及运营的安全极其重要。本发明装置简单且实施可行性高，可降低工程造价并提高隧道施工及运营安全，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。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

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。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

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

1.一种TBM盾构隧道管片，包括：

盾构管片本体；

升降杆系统，设置于所述盾构管片本体上，包括：

多个微型液压升降杆，沿所述盾构管片本体边缘设置；以及

上气囊部，包括多片通过热熔胶粘合的橡胶气囊片；以及

侧-底气囊部，与所述上气囊部通过热熔胶粘合后组成完整的气囊；

环形索，通过囊上的预留通道使气囊与所述多个微型液压升降杆相连，使得气囊能够通过环形索随微型液压升降杆同步升降；

注气孔和注浆孔，位于所述盾构管片本体内壁面；

排气管，一端连接所述上气囊部的内壁，另一端经所述注气孔通至外部；

压力监测器，设置于所述侧-底气囊部表面；以及

电加热系统，包括：

电热管，位于所述上气囊部中橡胶气囊片的粘合处以及上气囊部与侧-底气囊部的粘合处，用于对粘合处的热熔胶加热使得气囊从粘合处分离；

刚性保护盒，位于电热管的外部。

2.根据权利要求1所述的TBM盾构隧道管片，所述上气囊部由三部分组成，各部分之间通过热熔胶粘合。

3.根据权利要求1所述的TBM盾构隧道管片，所述热熔胶的软化温度为65摄氏度-135摄氏度。

4.根据权利要求1所述的TBM盾构隧道管片，所述排气管可随着气囊充卸压而伸缩。

5.根据权利要求1所述的TBM盾构隧道管片，所述电路单元为所述电热管提供加热所需电源。

6.根据权利要求1所述的TBM盾构隧道管片，所述电路单元通过所述注浆孔与外部电路系统连接。

7.根据权利要求1所述的TBM盾构隧道管片，所述压力监测器的显示器设于盾构管片本体内部侧面。

8.一种TBM盾构隧道管片的作业方法，基于上述权利要求1至7任一项所述的TBM盾构隧道管片进行施工作业，所述作业方法，包括：

步骤S1：根据相应工程测量资料，分析计算施工参数；

步骤S3：盾构管片连接成环后通过浆液置换与压力控制系统进行浆液与气体的置换，直至气囊内气体完全排出；以及

步骤S4：通过电加热系统对气囊粘合处的热熔胶加热，使气囊从粘合处分离损坏，同时，将微型液压升降杆降下，带动侧-底气囊部下缩，从而使得浆液中的水分流失而凝固，相邻管片间浆液混合成为整体，完成基于TBM盾构管片的施工作业。

9.根据权利要求8所述的TBM盾构隧道管片的作业方法，所述施工参数包括维持围岩稳定且不发生变形所需压力P₁和可充分利用围岩自承载能力最佳压力P₂。

10.根据权利要求8所述的TBM盾构隧道管片的作业方法，分三次对气囊粘合处的热熔胶进行加热。