CN111335917B - Tbm施工前置消能型组合衬砌及其作业方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种TBM施工前置消能型组合衬砌，包括支护系统和辅助支护系统；所述支护系统，包括：多榀拱架，每榀拱架由多片工字钢单元焊接成环形；相邻两榀拱架间通过纵向连接筋焊接成筒形钢架结构；以及格栅，焊接于所述筒形钢架结构外；所述辅助支护系统，包括：气囊，采用水溶性膜结构制成，包覆于所述格栅外，作业时，待气囊用水溶解后，向格栅喷射混凝土进而形成整体支承围岩；所述气囊包括：充气孔和排气孔；锚固结构，用于连接气囊和格栅；以及电控充排气系统，用于控制充气孔和排气孔的开闭；以及应力监测系统，包括设置于气囊外侧的多组应变片组以及应力监测单元，用于监测气囊与围岩的接触应力。

Description

TBM施工前置消能型组合衬砌及其作业方法

技术领域

本发明涉及TBM隧道施工设备技术领域，尤其涉及一种TBM施工前置消能型组合衬砌及其作业方法。

背景技术

随着我国经济的不断发展，交通运输问题日益显现，公路铁路对于隧道建设的要求不断提高。TBM施工隧道以其掘进速度快、施工工期短、机械化程度高等优点，在进行山岭隧道建设、打造全国交通网络和改善交通环境等方面发挥着巨大的作用。衬砌施工是隧道施工的重要环节，快速及时支护对于TBM安全高效掘进有着重要影响。由于TBM上支护设备位置的限制，初期支护一般不能像钻爆法施工一样及时，出现围岩松弛变形、落石的概率极大，对于围岩受力及TBM设备的安全不利。在地应力较大的区域，常规型衬砌结构刚度较大，不易收缩，对于围岩的变形约束较大，进而导致衬砌结构承担较大的地应力荷载，存在衬砌结构破坏的风险。

传统的TBM隧道衬砌存在以下问题：在工程中，由于TBM机械设备的限制，无法进行及时有效的初期支护，可能存在围岩变形较大问题，影响施工质量，围岩存在进一步松动的问题，进而导致塌方的危险；在高地应力区，由于衬砌结构的不可收缩，围岩的变形受到约束，衬砌结构承担较大的地应力荷载，存在破坏的风险，对于后续隧道的施工、运营阶段的承载与防水能力等方面产生巨大的影响。以上问题均会影响TBM安全高效掘进，同时对人工和机械存在较大的安全隐患问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本发明提供了一种TBM施工前置消能型组合衬砌及其作业方法，以缓解现有技术中在施工时，无法进行及时有效的初期支护，可能存在围岩变形较大问题，影响施工质量，围岩存在进一步松动的问题，进而导致塌方的危险；在高地应力区，由于衬砌结构的不可收缩，围岩的变形受到约束，衬砌结构承担较大的地应力荷载，存在破坏的风险，对于后续隧道的施工、运营阶段的承载与防水能力等方面产生巨大的影响等技术问题。

(二)技术方案

本发明的一个方面，提供一种TBM施工前置消能型组合衬砌，包括支护系统和辅助支护系统；所述支护系统，包括：多榀拱架，每榀拱架由多片工字钢单元焊接成环形；相邻两榀拱架间通过纵向连接筋焊接成筒形钢架结构；以及格栅，焊接于所述筒形钢架结构外；所述辅助支护系统，包括：气囊，采用水溶性膜结构制成，包覆于所述格栅外，作业时，待气囊用水溶解后，向格栅喷射混凝土进而形成整体支承围岩；所述气囊包括：充气孔和排气孔；锚固结构，用于连接气囊和格栅；以及电控充排气系统，用于控制充气孔和排气孔的开闭；以及应力监测系统，包括设置于气囊外侧的多组应变片组以及应力监测单元，用于监测气囊与围岩的接触应力。

在本发明实施例中，所述锚固结构包括：连接带和锚扣，所述连接带一端连接气囊，另一端通过锚扣连接所述格栅。

在本发明实施例中，每榀拱架由四片工字钢单元焊接成环形。

在本发明实施例中，所述格栅为钢格栅，格栅孔的形状为方形。

在本发明实施例中，所述格栅长度为相邻两榀拱架间的轴线长度。

在本发明实施例中，所述锚扣包括可插接的固定扣和活动扣，所述固定扣固定在所述连接带上，与活动扣插接后完成气囊和格栅的安装。

在本发明实施例中，所述应变片组为三组，沿气囊外侧轴向等间距布置。

在本发明实施例中，每组包括25个应变片，沿气囊外侧周向等间距布置。

在本发明的另一方面，提供一种TBM施工前置消能型组合衬砌的作业方法，基于以上任一项所述的TBM施工前置消能型组合衬砌进行作业，所述作业方法包括：

步骤S1：将气囊通过锚固结构固定于格栅外并组装焊接支护系统；

步骤S2：根据工程测量资料计算后向气囊内充入气体至预设压力；

步骤S3：通过应力监测系统监测气囊与围岩的接触应力，并根据围岩要达到的预设收敛值对气囊进行重复充排气；

步骤S4：在围岩收敛达到预设收敛值后，排出所有气体，同时对气囊喷水，使气囊溶解；以及

步骤S5：去除锚固结构，在气囊溶解完后，喷射混凝土，使得格栅与喷射混凝土形成整体支承围岩，完成TBM施工前置消能型组合衬砌的作业。

在本发明实施例中，重复充气排气使围岩进行变形收敛，利用围岩的自稳性减小对衬砌的地应力荷载。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明一种TBM施工前置消能型组合衬砌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)快速高效提供早期支护，达到限制围岩收敛的目的；

(2)早期通过气压支承围岩以减小围岩松动滑落的风险，避免产生塌方的危险，保证人员与机械的安全性；

(3)充分利用围岩的自稳性，进而降低衬砌结构承担的地应力荷载；

(4)可解决气囊的后期处置问题，同时降低对于环境的污染；

(5)缩短了早期支护的时间，提高工程效率；

(6)装置简易且实施可行性高，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为本发明实施例的TBM施工前置消能型组合衬砌的立体结构示意图。

图2为本发明实施例的TBM施工前置消能型组合衬砌的截面示意图。

图3为本发明实施例的TBM施工前置消能型组合衬砌中拱架及纵向连接筋的结构示意图。

图4为本发明实施例的TBM施工前置消能型组合衬砌中格栅的结构示意图。

图5为本发明实施例的TBM施工前置消能型组合衬砌中气囊的结构示意图。

图6本发明实施例的TBM施工前置消能型组合衬砌中锚固结构示意图。

图7本发明实施例的TBM施工前置消能型组合衬砌的作业方法流程示意图。

【附图中本发明实施例主要元件符号说明】

1-气囊；2-格栅；3-钢架；4-纵向连接筋；5-应变片；6-充气孔；7-排气孔；8-连接带；9-锚扣；10-固定扣；11-活动扣。

具体实施方式

本发明提供了一种TBM施工前置消能型组合衬砌及其作业方法，能够在TBM掘进后，进行快速及时支护，控制围岩产生的变形，进而降低围岩松动滑落的风险，同时降低衬砌结构承担的地应力荷载，确保TBM安全高效掘进和隧道施工与运营中的安全。

为使本发明的目的、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，对本发明进一步详细说明。

在本发明实施例中，提供一种TBM施工前置消能型组合衬砌，结合图1至图6所示，所述TBM施工前置消能型组合衬砌，包括：

支护系统和辅助支护系统；

所述支护系统，包括：

多榀拱架，每榀拱架由多片工字钢单元焊接成环形；相邻两榀拱架间通过纵向连接筋焊接成筒形钢架结构；以及

格栅，焊接于所述筒形钢架结构外；

所述辅助支护系统，包括：

气囊，采用水溶性膜结构制成，包覆于所述格栅外；所述气囊包括：

充气孔和排气孔；

锚固结构，用于连接气囊和格栅；

电控充排气系统，用于控制充气孔和排气孔的开闭；

作业时，待气囊用水溶解后，向格栅喷射混凝土形成整体支承围岩。

应力监测系统，包括设置于气囊外侧的多组应变片组以及应力监测单元，用于监测气囊与围岩的接触应力；

所述锚固结构包括：

连接带和锚扣，所述连接带一端连接气囊，另一端通过锚扣连接所述格栅；

所述锚扣包括可插接的固定扣和活动扣，所述固定扣固定在所述连接带上，与活动扣插接后完成气囊和格栅的安装；

在本发明实施例中，每榀拱架由四片工字钢单元焊接成环形；

在本发明实施例中，所述格栅为钢格栅，格栅孔为方形；格栅长度为相邻两榀拱架间的轴线长度；

在本发明实施例中，所述气囊主体由所述水溶性膜结构构成，所述水溶性膜结构有良好的气密性和韧性，同时具有水溶性。

在本发明实施例中，所述应变片组为三组，沿气囊外侧轴向等间距布置；每组包括25个应变片，沿气囊外侧周向等间距布置。

本发明还提供一种基于上述TBM施工前置消能型组合衬砌的作业方法，如图7所示，所述作业方法包括：

步骤S1：将气囊通过锚固结构固定于格栅外并组装焊接支护系统；

在TBM机开挖之后，通过锚固结构将气囊1固定于格栅2之外。测量定位，安装拱架，相邻拱架用纵向连接筋焊接，拱架与格栅通过焊接连接，拼装成环组成支护系统。

步骤S2：根据工程测量资料计算后向气囊内充入气体至预设压力；

待安装完成之后，根据相应工程测量资料，计算所需的承载力，打开充气孔6，关闭排气孔7，注入气体达到预设压力，关闭充气孔6。充气可以解决初期支护延迟性的问题，可以避免围岩的松动滑落。

步骤S3：通过应力监测系统监测气囊与围岩的接触应力，并根据围岩要达到的预设收敛值对气囊进行重复充排气；

通过应力监测系统监测气囊与围岩的接触应力，待接触应力增大时，打开排气孔7，排出气体到下一个预设压力，使围岩发生收敛变形。在通过压力监测系统监测气囊1与围岩的接触应力，待接触应力增大时，重复上述操作，直到围岩达到预设收敛值为止。重复充气排气可以允许围岩进行变形收敛，利用围岩的自稳性减小对衬砌的地应力荷载。

步骤S4：在围岩收敛达到预设收敛值后，排出所有气体，同时对气囊喷水，使气囊溶解；

在围岩收敛达到预设收敛值时，打开排气孔7，排出所有气体，同时对气囊1喷水，使气囊1溶解。

步骤S5：去除锚固结构，在气囊溶解完后，喷射混凝土，使得格栅与喷射混凝土形成整体支承围岩，完成TBM施工前置消能型组合衬砌的作业。

打开锚扣9，拆卸连接带8，在气囊1溶解之后，喷射混凝土，与钢格栅2形成整体支承围岩，从而保证施工和运营期间的安全。

至此，已经结合附图对本发明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发明TBM施工前置消能型组合衬砌及其作业方法有了清楚的认识。

综上所述，本发明提供了一种TBM施工前置消能型组合衬砌及其作业方法，通过气囊结构的支承力快速高效提供早期支护，达到限制围岩收敛的目的；早期通过气压支承围岩以减小围岩松动滑落的风险，避免产生塌方的危险，保证人员与机械的安全性；通过应力监测系统监测气囊与围岩的接触应力，中期通过电控充排气系统调整气囊气压大小，进而控制围岩的收敛变形，充分利用围岩的自稳性，进而降低衬砌结构承担的地应力荷载；后期利用喷射混凝土与钢格栅组合进行承载；本发明采用的水溶性膜结构可解决气囊的后期处置问题，同时降低对于环境的污染；本发明具有早期的支承力，同时严格控制围岩收敛，缩短了早期支护的时间，提高工程效率。本发明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，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，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，而仅示意本发明实施例的内容。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，能够根据通过本发明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，为了精简本发明并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明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：即所要求保护的本发明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发明的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、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，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种TBM施工前置消能型组合衬砌，包括支护系统和辅助支护系统；

所述支护系统，包括：

多榀拱架，每榀拱架由多片工字钢单元焊接成环形；相邻两榀拱架间通过纵向连接筋焊接成筒形钢架结构；以及

格栅，焊接于所述筒形钢架结构外；

所述辅助支护系统，包括：

气囊，采用水溶性膜结构制成，包覆于所述格栅外，作业时，待气囊用水溶解后，向格栅喷射混凝土进而形成整体支承围岩；所述气囊包括：

充气孔和排气孔；

锚固结构，用于连接气囊和格栅；以及

电控充排气系统，用于控制充气孔和排气孔的开闭；以及

应力监测系统，包括设置于气囊外侧的多组应变片组以及应力监测单元，用于监测气囊与围岩的接触应力。

2.根据权利要求1所述的TBM施工前置消能型组合衬砌，所述锚固结构包括：

连接带和锚扣，所述连接带一端连接气囊，另一端通过锚扣连接所述格栅。

3.根据权利要求1所述的TBM施工前置消能型组合衬砌，每榀拱架由四片工字钢单元焊接成环形。

4.根据权利要求1所述的TBM施工前置消能型组合衬砌，所述格栅为钢格栅，格栅孔的形状为方形。

5.根据权利要求1所述的TBM施工前置消能型组合衬砌，所述格栅长度为相邻两榀拱架间的轴线长度。

6.根据权利要求2所述的TBM施工前置消能型组合衬砌，所述锚扣包括可插接的固定扣和活动扣，所述固定扣固定在所述连接带上，与活动扣插接后完成气囊和格栅的安装。

7.根据权利要求1所述的TBM施工前置消能型组合衬砌，所述应变片组为三组，沿气囊外侧轴向等间距布置。

8.根据权利要求7所述的TBM施工前置消能型组合衬砌，每组包括25个应变片，沿气囊外侧周向等间距布置。

9.一种TBM施工前置消能型组合衬砌的作业方法，基于权利要求1至8任一项所述的TBM施工前置消能型组合衬砌进行作业，所述作业方法包括：

步骤S1：将气囊通过锚固结构固定于格栅外并组装焊接支护系统；

步骤S2：根据工程测量资料计算后向气囊内充入气体至预设压力；

步骤S3：通过应力监测系统监测气囊与围岩的接触应力，并根据围岩要达到的预设收敛值对气囊进行重复充排气；

步骤S4：在围岩收敛达到预设收敛值后，排出所有气体，同时对气囊喷水，使气囊溶解；以及

步骤S5：去除锚固结构，在气囊溶解完后，喷射混凝土，使得格栅与喷射混凝土形成整体支承围岩，完成TBM施工前置消能型组合衬砌的作业。

10.根据权利要求9所述的TBM施工前置消能型组合衬砌的作业方法，重复充气排气使围岩进行变形收敛，利用围岩的自稳性减小对衬砌的地应力荷载。

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