CN112523777A - 一种盾构隧道加固结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构隧道加固结构及施工方法，属于隧道加固技术领域。本发明的一种盾构隧道加固结构，设置能够隧道管片相抵触的双环内张圈组件；所述双环内张圈组件包括弧状结构的刚度内环、能够与隧道管片固接的柔性外环、具有一定形变能力的吸收层；所述刚度内环和柔性外环形成空腔，所述吸收层装设在所述空腔内。本发明经过不断探索以及试验，设置双环内张圈结构，并装配吸收层，形成复合多层结构；使得加固结构具有一定韧性，能够承受一定冲击过压，适用范围较广，对预防性加固以及变形后的管片均能起到良好的加固效果。本发明的结构相比现有技术，加固效果好，稳定可靠，耐久性好。

Description

一种盾构隧道加固结构及施工方法

技术领域

本发明涉及一种盾构隧道加固结构及施工方法，属于隧道加固技术领域。

背景技术

中国专利(公开号CN211116012U)公开了一种采用波纹钢的盾构隧道加固结构，包括隧道原管片、以及贴合固定在隧道原管片表面并与其形状匹配的波纹钢组件，所述波纹钢组件与隧道原管片表面之间还形成波纹钢空腔，在波纹钢空腔内还灌注有混凝土。

上述方案在加固结构内灌注混凝土，虽然能在一定程度上提高隧道刚度，但是混凝土结构缺乏韧性，使得加固结构短时间承受过压后，无法恢复原状，导致加固结构的报废，如果不能及时发现进行维修或更换，存在一定的安全隐患。

同时对上述加固结构对灌注混凝土的压力有严格要求，如果灌注压力小，将无法满足隧道加固要求；如果灌注压力过大，将导致管片以及波纹钢组件变形以及局部隆起，最终影响隧道的加固效果。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种双环内张圈结构，并装配吸收层，形成复合多层结构；并具有一定韧性，稳定可靠，耐久性好的盾构隧道加固结构及施工方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种盾构隧道加固结构，

设置能够隧道管片相抵触的双环内张圈组件；

所述双环内张圈组件包括弧状结构的刚度内环、能够与隧道管片固接的柔性外环、具有一定形变能力的吸收层；

所述刚度内环和柔性外环形成空腔，所述吸收层装设在所述空腔内。

本发明经过不断探索以及试验，设置双环内张圈结构，并装配吸收层，形成复合多层结构；使得加固结构具有一定韧性，能够承受一定冲击过压，适用范围较广，对预防性加固以及变形后的管片均能起到良好的加固效果。

本发明的加固结构不灌注混凝土，通过设置吸收层来抵消外部冲击，能够有效吸收应力，缓冲过压冲击，提高了本发明二次变形的加固效果，相比现有技术，加固效果好，稳定可靠，耐久性好。

作为优选技术措施：

所述刚度内环为正圆形或与隧道道床组成闭环的优弧形，有利于提高其抗变形能力。

作为优选技术措施：

所述刚度内环包括正圆形钢环和加筋肋组成；

所述加筋肋焊接在正圆形钢环外侧，加强其径向刚度，且沿刚度内环纵向均匀间隔布置。

同时刚度内环的加筋肋结构在提高刚度的同时节省了钢材，具有良好的经济性和加固效果。

作为优选技术措施：

柔性外环采用高韧性材料制造而成；其具有良好的径向贴合性和变形协调能力，在满足横向刚度的前提下优先选用镂空形式，以提高轻量化和经济性。

作为优选技术措施：

所述吸收层由人字形或者波形板组成的弹性变形件；所述吸收层分别与刚度内环和柔性外环锚固连接。

作为优选技术措施：

所述刚度内环和柔性内环之间喷射聚氨酯泡沫填缝剂，可有效防止异物进入应力吸收层同时对防潮、防锈也有一定帮助。

作为优选技术措施：

为了运输和安装方便，所述刚度内环由若干刚度块拼接而成，其拼接数量与隧道管片的数量相匹配，各刚度块之间采用法兰连接。

作为优选技术措施：

一种盾构隧道加固施工方法，

应用上述的一种盾构隧道加固结构，其包括以下步骤：

第一步，首先对隧道横、纵向变形以及地表沉降等相关指标进行评估；

第二步，通过控制注浆压力和注浆量等参数结合地表沉降进行注浆以增大隧道整体刚度，防止进一步变形；

第三步，待注浆初凝压力稳定后对隧道管片或衬砌进行修补，待完成并无渗漏后进行下一步施工工序；

第四步，依次安装柔性外环、吸收层，安装化学锚栓并固化养生，而且锚栓应避开手孔及受力主筋等位置；

第五步，刚度内环的若干刚度块进行吊装，进而调整其角度并进行拼接；

刚度块拼接处采用坡口焊接并做防腐处理；

第六步，所述刚度内环和柔性内环之间外缘喷射聚氨酯泡沫填缝剂，防止异物进入及水分等引起锈蚀，进而完成盾构隧道的加固。

本发明通过控制外部注浆压力，能够有效保护了隧道周围土体以及大地浅层和表层(构)建筑物。同时设置双环内张圈结构，并装配吸收层，形成复合多层结构；使得加固结构具有一定韧性，能够承受一定冲击过压，适用范围较广，对预防性加固以及变形后的管片均能起到良好的加固效果。本发明相比现有技术，加固效果好，稳定可靠，耐久性好。

作为优选技术措施：

所述第二步中，注浆压力和注浆量的计算过程如下：

以管片为中心向地面投影，收集中心附近200米范围内的地表建筑物变形资料，根据地表隆起、沉降程度及建筑物变形情况制定相应的注浆方案，包括根据柱形扩散理论等计算注浆压力和注浆量；

其中注浆浆液对管片产生的压力为

其中，P_g为注浆压力；r₀为注浆孔半径；r为经过注浆时间t后浆液的扩散半径；λ为注入率；n为土体的原始孔隙率。K为浆液扩散厚度范围内土体的渗透系数；t为注浆时间；β为注浆液体与水的粘度比值。

作为优选技术措施：

所述注浆压力小于或等于0.3MPa；

若遇到注浆压力突增超过设计注浆终压3MPa而注浆量小于时应及时停止，筛查原因，最终使注浆在经过压密注浆及劈裂填充后达到预期注浆水平。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明经过不断探索以及试验，设置双环内张圈结构，并装配吸收层，形成复合多层结构；使得加固结构具有一定韧性，能够承受一定冲击过压，适用范围较广，对预防性加固以及变形后的管片均能起到良好的加固效果。本发明的结构相比现有技术，加固效果好，稳定可靠，耐久性好。

进一步，设置吸收层能够有效吸收应力，缓冲过压冲击，提高了本发明二次变形的加固效果。

附图说明

图1为本发明一种结构示图；

图2为图1所示结构转换一定角度示图；

图3为本发明另一种结构示图。

附图标记说明：

1、刚度内环；2、柔性外环；3、吸收层；4、注浆层；5、法兰。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

如图1-2所示，一种盾构隧道加固结构，设置能够隧道管片相抵触的双环内张圈组件；

所述双环内张圈组件包括弧状结构的刚度内环1、能够与隧道管片固接的柔性外环2、具有一定形变能力的吸收层3。

所述刚度内环1和柔性外环2形成空腔，所述吸收层3装设在所述空腔内。

所述刚度内环1和柔性内环之间喷射聚氨酯泡沫填缝剂，可有效防止异物进入应力吸收层3同时对防潮、防锈也有一定帮助。

本发明经过不断探索以及试验，设置双环内张圈结构，并装配吸收层3，形成复合多层结构；使得加固结构具有一定韧性，能够承受一定冲击过压，适用范围较广，对预防性加固以及变形后的管片均能起到良好的加固效果。本发明的结构相比现有技术，加固效果好，稳定可靠，耐久性好。

进一步，设置吸收层3能够有效吸收应力，缓冲过压冲击，提高了本发明二次变形的加固效果。

本发明刚度内环1的一种具体实施例：

所述刚度内环1为正圆形或与隧道道床组成闭环的优弧形，有利于提高其抗变形能力。

所述刚度内环1包括正圆形钢环和加筋肋组成；

所述加筋肋焊接在刚度内环1外侧，加强其径向刚度，且沿刚度内环1纵向均匀间隔布置。

同时刚度内环1的加筋肋结构在提高刚度的同时节省了钢材，具有良好的经济性和加固效果。

为了运输和安装方便，所述刚度内环1可由若干刚度块拼接而成，其拼接数量与隧道管片的数量相匹配，各刚度块之间采用法兰5连接。

本发明柔性外环2的一种具体实施例：

柔性外环2采用高韧性材料制造而成；其具有良好的径向贴合性和变形协调能力，在满足横向刚度的前提下优先选用镂空形式，以提高轻量化和经济性。

本发明吸收层3的一种具体实施例：

所述吸收层3由人字形或者波形板组成的弹性变形件；所述吸收层3分别与刚度内环1和柔性外环2锚固连接。

应用本发明的一种具体实施例：

地铁列车根据“体宽”可分为A、B、C三个型号，以A型列车宽度最大，载客量最多。但绝大多数城市还是会选择B型地铁车辆作为自己主要的运营车辆，目前最大运行速度可达到120km/h。B型地铁车辆转向架相对于A型地铁车辆转向架轴距相对较小，大约2200～2300mm、轴重相对也会减小，一般为14t，但车轮和使用轨距没有变化。因此，结合图3以B型车运行轨道为例对本发明的具体实施方式做以下说明。其中B型车基本尺寸为：长19m、宽2.8m、高3.8m。

首先设计双环形内张圈，该结构包括刚度内环和柔性内环。

刚度内环的厚度为2cm，优先使用钢材，强度206Gpa。该刚度内环沿隧道环内弧面环状布置，形成钢环。为了运输和安装方便，将整体钢环按照隧道管片相匹配的方式分块拼装，各部分之间采用法兰连接。钢环分为6块，其中底部1块85°，两侧各2块40°和2块60°顶部75°。钢环片沿衬砌环内弧面各环均有布置。钢圈分块角度可根据施工工艺调整，但要确保钢环接缝与管片纵缝错开≥5°。

加筋肋焊接在钢环外侧，其高度为5cm，加强其径向刚度，且沿内钢环纵向均匀间隔布置。钢环片加筋肋采用坡口焊接与内环连接，焊接时应采用有效措施，避免钢环片变形过大，全部焊缝必须按照国家标准《无损检测》进行磁探伤。在焊接施工结束后需要做防腐处理。

柔性外环可采用韧性较好的合金钢充当柔性骨架，其直径与隧道管片内直径一致。

应力(变形)吸收层可选用记忆合金，本次选用波形板结构，当隧道受到卸载和加载影响时也可以较好地贴合隧道管片，以提供足够的支撑刚度。应力吸收层与内外钢圈锚固连接。

同时在此基础上，一种盾构隧道加固施工方法，包括以下步骤：

(1)首先测量隧道横、纵向变形得到椭圆度等指标，评价变形等级。

(2)以管片为中心向地面投影，收集中心附近200米范围内的地表建筑物变形资料，根据地表隆起、沉降程度及建筑物变形情况制定相应的注浆方案，包括根据柱形扩散理论等计算注浆层4的注浆压力和注浆量。

其中注浆浆液对管片产生的压力为

其中，P_g为注浆压力；r₀为注浆孔半径；r为经过注浆时间t后浆液的扩散半径；λ为注入率；n为土体的原始孔隙率。K为浆液扩散厚度范围内土体的渗透系数；t为注浆时间；β为注浆液体与水的粘度比值。

根据某工程案例，相应的参数取值如下：

参数	r<sub>0</sub>/cm	λ/	n/％	K/10<sup>-2</sup>cm·s<sup>-1</sup>	t/min	β/1
							单位	2.5	1.5	20	5	30	4

当注浆压力分别取0.1、0.2、0.3、0.4Mpa，对应的浆液扩散半径125.2cm，170.5cm，204.5cm，232.7cm，经过计算对管片产生的注浆压力分别为130.9kN，483.4kN，1040.3kN，1793.9kN。管片薄弱部位为接缝处，其变形主要受到螺栓的屈服强度控制。

当螺栓连接超过586kN时，管片接缝中螺栓进入屈服阶段，螺栓受拉应变快速增长导致管片变形过大，甚至引发失稳破坏。因此应该将注浆压力控制在0.3MPa内。

(3)在注浆过程中，通过控制注浆压力和注浆量等参数结合地表沉降进行注浆以增大隧道整体刚度，防止进一步变形。待注浆初凝压力稳定后对隧道管片或衬砌进行修补，待完成并无渗漏后进行下一步施工工序。若遇到注浆压力突增超过设计注浆终压3MPa而注浆量小于时应及时停止，筛查原因，最终使注浆在经过压密注浆及劈裂填充后达到预期注浆水平。

(4)对隧道管片或衬砌进行修补，待完成并无渗漏后进行下一步施工工序。

(5)依次安装外环、应力吸收层，钢圈尽量与管片内弧面紧贴。然后内钢环管片吊装、调整角度并进行拼接，钢环片间拼接采用坡口焊接并做防腐处理，安装化学锚栓并固化养生。

(6)内外钢圈外缘喷射聚氨酯泡沫填缝剂，防止异物进入及水分等引起锈蚀。施工时通过配套施胶枪或手动喷管将气雾状胶体喷射至待施工部位，短期完成成型、发泡、粘结和密封过程。

(7)其中，打孔前应采用钢筋探测仪器进行探测管片钢筋，锚孔应尽量避开受力主筋。如与管片内钢筋相碰撞，可适当调整螺栓位置，调整距离不得大于25mm。锚栓应避开手孔等位置，与边孔距离应不小于100mm。

(8)锚固操作应按照产品使用说明书的规定进行。锚孔施工的机具必须带深度控制尺，应用孔压机或者手动气筒吹净孔那内粉屑，并保持孔道干燥。对于废孔，应用化学锚固胶或者高强度等级的树脂水泥砂浆填实。在锚孔施工并控制垂直度、深度等指标。螺杆选用A4-80不锈钢材质，锚栓的抗拔力不小于40KN，抗剪力不小于70KN。化学胶及螺杆置入锚孔后，在固化完成之前，应按照厂家所提供的养生条件进行固化养生，固化期间禁止扰动及承载。

本发明的有益效果是，内张加固钢圈适用范围较广，对预防性加固以及变形后的管片均能起到良好的加固效果。同时内张钢圈的加肋结构在提高刚度的同时节省了钢材，具有良好的经济性和加固效果，应力吸收层尤其提高了二次变形的加固效果。控制外部注浆压力保护了隧道周围土体以及大地浅层和表层(构)建筑物。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种盾构隧道加固结构，其特征在于，

设置能够隧道管片相抵触的双环内张圈组件；

所述双环内张圈组件包括弧状结构的刚度内环(1)、能够与隧道管片固接的柔性外环(2)、具有一定形变能力的吸收层(3)；

所述刚度内环(1)和柔性外环(2)形成空腔，所述吸收层(3)装设在所述空腔内。

2.如权利要求1所述的一种盾构隧道加固结构，其特征在于，

所述刚度内环(1)为正圆形或与隧道道床组成闭环的优弧形。

3.如权利要求2所述的一种盾构隧道加固结构，其特征在于，

所述刚度内环(1)包括正圆形钢环和加筋肋组成；

所述加筋肋焊接在正圆形钢环外侧。

4.如权利要求1所述的一种盾构隧道加固结构，其特征在于，

柔性外环(2)采用高韧性材料制造而成。

5.如权利要求1所述的一种盾构隧道加固结构，其特征在于，

所述吸收层(3)由人字形或者波形板组成的弹性变形件；所述吸收层(3)分别与刚度内环(1)和柔性外环(2)锚固连接。

6.如权利要求1所述的一种盾构隧道加固结构，其特征在于，

所述刚度内环(1)和柔性内环之间喷射聚氨酯泡沫填缝剂。

7.如权利要求1所述的一种盾构隧道加固结构，其特征在于，

所述刚度内环(1)由若干刚度块拼接而成，其拼接数量与隧道管片的数量相匹配，各刚度块之间采用法兰(5)连接。

8.一种盾构隧道加固施工方法，其特征在于，

应用如权利要求1-7任一所述的一种盾构隧道加固结构，其包括以下步骤：

第一步，首先对隧道横、纵向变形以及地表沉降指标进行评估；

第二步，通过控制注浆压力和注浆量，结合地表沉降进行注浆以增大隧道整体刚度；

第三步，待注浆初凝压力稳定后对隧道管片或衬砌进行修补，待完成并无渗漏后进行下一步施工工序；

第四步，依次安装柔性外环、吸收层，安装化学锚栓并固化养生；

第五步，刚度内环的若干刚度块进行吊装，进而调整其角度并进行拼接；

刚度块拼接处采用坡口焊接并做防腐处理；

第六步，所述刚度内环和柔性内环之间外缘喷射聚氨酯泡沫填缝剂，进而完成盾构隧道的加固。

9.如权利要求8所述的一种盾构隧道加固施工方法，其特征在于，

所述第二步中，注浆压力和注浆量的计算过程如下：

以管片为中心向地面投影，收集中心附近200米范围内的地表建筑物变形资料，根据地表隆起、沉降程度及建筑物变形情况制定相应的注浆方案，包括根据柱形扩散理论等计算注浆压力和注浆量；

其中注浆浆液对管片产生的压力为

其中，P_g为注浆压力；r₀为注浆孔半径；r为经过注浆时间t后浆液的扩散半径；λ为注入率；n为土体的原始孔隙率；K为浆液扩散厚度范围内土体的渗透系数；t为注浆时间；β为注浆液体与水的粘度比值。

10.如权利要求9所述的一种盾构隧道加固施工方法，其特征在于，

所述注浆压力小于或等于0.3MPa；

若遇到注浆压力突增超过设计注浆终压3MPa而注浆量小于时应及时停止，筛查原因，最终使注浆在经过压密注浆及劈裂填充后达到预期注浆水平。

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