CN113294188B - 一种水下盾构隧道抗浮抗渗装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水下盾构隧道抗浮抗渗装置及方法，包括空心锚杆，设于空心锚杆顶部可伸缩张开的伞式扩大头，设于空心锚杆尾部的紧固部件。通过设于管片上的安装孔，空心锚杆顶部进入预先钻好的孔洞，注入高压液体，形成一个较大的伞形空腔，再进行混泥土注浆，伞式扩大头凝固后形成一个较大的伞形锚固部。伞形锚固部增大了与土层的连接力，通过紧固空心锚杆尾部的紧固部件，使伞形锚固部与管片连为一体，用于抵抗水下盾构隧道受到上浮力。进一步地，通过设置多个水下盾构隧道抗浮抗渗装置，通过空心锚杆的杆体向土体内注浆，浆液在注浆压力作用下向周围土体渗透，与临近的伞形锚固部相连，有利于形成一个防水层，达到防水防渗的目的。
Description
技术领域
本发明涉及盾构隧道施工技术领域，更具体地，涉及一种水下盾构隧道抗浮抗渗装置及方法。
背景技术
随着我国线路标准的提升，以及铁路、公路修建规模的不断扩大，国内的水下盾构隧道工程量与日俱增。在水下盾构隧道快速发展的同时，既有水下盾构隧道已暴露出了由于隧道上浮引发的衬砌结构病害与安全问题。
水下盾构隧道穿江越海，不可避免地受到地下水影响引起管片上浮变形，工程上一般采用压重法居多，但一般应用于隧道两端的浅覆土段的抗浮设计，对于跨江(河、海)段多采用抗浮抗渗的注浆材料来改善地下水渗流影响，但对于水下盾构隧道所处的深厚软土地层与复杂渗流环境，一般还会增设抗浮结构来共同承担地下水、同步浆液等的上浮作用。
例如中国发明专利CN201811157581.4中提供的一种拉杆(扩大头锚杆与土钉)-钢垫板组合结构，将拉杆穿过管片预留孔埋入土体，增强管片结构与地层的连接力，在保证纵向管片整体稳定性的基础上提高隧道结构的抗浮能力。但该专利中通过锚杆与土钉来提高软土层的连接力，其作用是有限的，并且也无法降低水的渗流影响；现有的中国实用新型专利CN201710455452.2提供了一种基于预应力锚索的抗浮结构，虽然可以增强土层与隧道之间的连接力，但是预应力锚索造价高，在隧道内施工难度大，同时也不能降低地下水的渗流影响。因此，目前亟需一种既能增强土层与隧道之间连接力、又能降低地下水渗流影响的水下盾构隧道抗浮抗渗结构。
发明内容
针对现有技术中的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种既能增强土层与隧道之间连接力、又能降低地下水渗流影响的盾构隧道抗浮抗渗结构。
本发明提供一种水下盾构隧道抗浮抗渗装置及方法，包括用于向土体内注浆的空心锚杆，所述空心锚杆内设有拉杆；设于所述空心锚杆一端的紧固部件，所述紧固部件包括用于将所述空心锚杆固定于管片的第一紧固部、及用于固定拉杆的第二紧固部；以及设于所述空心锚杆另一端的可伸缩张开的伞式扩大头，所述伞式扩大头包括与所述拉杆一端连接的圆形伞帽、可沿所述空心锚杆径向运动的多个连接杆组，所述圆形伞帽、连接杆组和空心锚杆之间通过铰接部件活动连接；所述拉杆带动所述伞式扩大头沿空心锚杆径向运动在土层中形成伞形空腔，继而进行混泥土注浆形成伞形锚固部，使伞形锚固部与管片连为一体，从而抵抗水下盾构隧道受到的上浮力。
进一步地，所述连接杆组包括第一连接杆和第二连接杆，所述铰接部件包括球形铰；所述第一连接杆、第二连接杆通过球形铰连接，所述第一连接杆可绕球形铰相对于第二连接杆做径向运动。
进一步地，所述铰接部件包括合页铰，所述合页铰包括第一合页铰和第二合页铰；所述第一连接杆通过第一合页铰与圆形伞帽连接，可绕圆形伞帽做径向运动；所述第二连接杆通过第二合页铰与空心锚杆顶部连接，可绕空心锚杆顶部做径向运动。
进一步地，所述圆形伞帽直径与空心锚杆直径相同；所述连接杆组及铰接部件均采用刚性材料制成。
进一步地，所述第一紧固部包括设于所述空心锚杆尾部的螺纹、与螺纹配套的密封螺帽及中间设有圆孔、可穿过所述空心锚杆贴合放于管片内壁上的垫片。
进一步地，所述第二紧固部包括设于所述拉杆尾部的螺纹、与螺纹配套的固定螺栓和所述拉杆尾部穿过密封螺帽中心设置的小孔。
进一步地，所述垫片上设有连接块，在所述连接块上设有螺孔，与螺孔配套设有拉力杆；所述拉力杆可将各环衬砌管片上纵向相邻的垫片连接成整体。
进一步地，所述垫片的弧度与管片内壁弧度一致；所述垫片、连接块及拉力杆均采用刚性材料制成。
本发明还提供水下盾构隧道抗浮抗渗的方法，包括步骤：
S100：根据盾构隧道的抗浮或抗渗流设计要求，确定需要设置抗浮结构的部位，并在相应部位的管片上预设安装孔；
S200：采用钻机在安装孔位置向地层钻孔，钻孔深度与孔径大小根据空心锚杆的长度以及直径来设计；
S300：钻孔完成后，将空心锚杆通过安装孔伸进钻孔内，并通过夹具将空心锚杆的尾部固定在管片内壁面上；
S400：采用高压泵通过空心锚杆内部向伞形扩大头处喷射高压液体进行扩孔，同时，在空心锚杆尾部处利用夹具向隧道内拉动空心锚杆内的拉杆对周边土层进行破碎；
S500：利用循环水或水泥浆将伞形扩大头处已经破碎的土颗粒排出，使扩大头处形成一个伞形的空腔，；
S600：通过空心锚杆向扩大头处注浆，并使浆液向伞形扩大头周围渗透，在一定注浆压力下浆液发生回流时即停止注浆；
S700：向钻孔与空心锚杆之间空隙处注浆，待水泥浆凝固并达到设计强度后，松开空心锚杆尾部处的夹具，将垫片套在空心锚杆的尾部上，拧上封堵螺帽，并使空心锚杆的内部拉杆穿过封堵螺帽中心处的小孔；
S800：在空心锚杆的内部拉杆外露部位，采用配套的固定螺栓进行固定。
S900：通过连接杆与相邻垫片上的连接块实现纵向上的连接，安装完成后所有的拉力杆沿隧道纵向呈多列布置，将纵向各环衬砌管片上的垫片连接成整体。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1.本发明的一种水下盾构隧道抗浮抗渗装置，通过设于空心锚杆顶部的可伸缩张开的伞式扩大头，在土层中形成伞状空腔后再进行混泥土注浆，可形成一个较大的伞形锚固部，增大了空心锚杆与土层的连接力，通过紧固空心锚杆尾部的紧固部件，使伞形锚固部与管片连为一体，用于抵抗水下盾构隧道受到的上浮力，以达到隧道抗浮的目的，进一步地，通过设置多个水下盾构隧道抗浮抗渗装置，通过空心锚杆的杆体向土体内注浆，在填充伞式扩大头的同时，浆液在注浆压力作用下向周围土体渗透，与临近的伞形锚固部相连，有利于形成一个防水层，达到管片抗渗的目的。
2.本发明的一种水下盾构隧道抗浮抗渗装置，包括，空心锚杆，设于空心锚杆顶部伞式扩大头，设于空心锚杆尾部的紧固部件，通过安装孔将空心锚杆放入预先钻好的孔洞，用高压液体冲刷形成伞状空腔后进行注浆，完成后用紧固部件将空心锚杆固定在管片上。本发明的装置结构简单，安装施工较为简便，对场地空间要求不高，有利于在盾构隧道施工中推广应用。
3.本发明的一种水下盾构隧道抗浮抗渗装置，垫片上设有连接块，连接块上设有螺纹，可通过拉力杆实现纵向相邻垫片相连，从而将纵向各环衬砌管片上的垫片连接成整体，解决了现有技术中纵向管片3间的整体稳定性不能保证的问题，有利于提高衬砌结构的抗浮能力，大大降低了因管片上浮而导致的连接螺栓破坏、管片错台等风险。
附图说明
图1为本发明实施例一种水下盾构隧道抗浮抗渗装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中伞式扩大头的结构示意图；
图3为本发明实施例一种水下盾构隧道抗浮抗渗方法流程示意图。
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-伞式扩大头、11-合页铰、111-第一合页铰、112-第二合页铰、12-球形铰、13-连接杆组、131-第一连接杆、132-第二连接杆、14-圆形伞帽2-空心锚杆、3-管片、4-安装孔、5-垫片、6-密封螺帽、7-固定螺栓、8-拉杆。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供一种水下盾构隧道抗浮抗渗装置，包括空心锚杆2，设于空心锚杆2顶部可伸缩张开的伞式扩大头1，设于空心锚杆2尾部的紧固部件。通过设于管片上3的安装孔4，空心锚杆2顶部进入预先钻好的孔洞，注入高压液体，在伸缩张开的伞式扩大头1的作用下，形成一个较大的伞形空腔，再进行混泥土注浆，凝固后张开的伞式扩大头1处形成一个较大的伞形锚固部。伞形锚固部增大了与土层的连接力，通过紧固空心锚杆2尾部的紧固部件，使伞形锚固部与管片3连为一体，用于抵抗隧道上部覆土减少后引起的上浮力，以达到隧道抗浮的目的。进一步地，通过设置多个水下盾构隧道抗浮抗渗装置，通过空心锚杆2的杆体向土体内注浆，在填充伞式扩大头1的同时，浆液在注浆压力作用下向周围土体渗透，与临近的伞形锚固部相连，有利于形成一个防水层，达到防水防渗的目的。
如图1所示，设于空心锚杆2尾部的紧固部件，包括第一紧固部和第二紧固部。第一紧固部包括设于空心锚杆2尾部的螺纹，与螺纹配套的密封螺帽6，中间设有圆孔、可穿过空心锚杆2贴合放于管片3内壁上的垫片5。混凝土凝固后，将垫片5穿过空心锚杆2放于管片3内壁上，拧紧密封螺帽6，将锚杆2与管片3连为一体，起到固定伞形锚固部的作用。第二紧固部包括设于拉杆8尾部的螺纹，与螺纹配套的固定螺栓7。拉杆8的顶部通过空心锚杆2与伞式扩大头1连接，尾部穿过密封螺帽6中心设置的小孔，拉杆8尾部设置有螺纹，固定螺栓7通过螺纹将拉杆8固定在密封螺帽6上，进一步加强了伞形锚固部与管片3的连接，从而通过伞形锚固部与土层的连接力，达到了隧道抗浮的目的。
如图2所示，设于空心锚杆2顶部的伞式扩大头1，包括圆形伞帽14、多个连接杆组13、合页铰11及球形铰12。其中，每个连接杆组13包括第一连接杆131和第二连接杆132，合页铰11包括第一合页铰111和第二合页铰112。第一连接杆131、第二连接杆132通过球形铰12连接，第一连接杆131可绕球形铰12相对于第二连接杆132做径向运动。第一连接杆131通过第一合页铰111与圆形伞帽14连接，可绕圆形伞帽14做径向运动，第二连接杆132通过第二合页铰112与空心锚杆2顶部连接，可绕空心锚杆2顶部做径向运动。圆形伞帽14直径与空心锚杆2的直径相同，其与拉杆8的顶部固定连接。通过拉动拉杆8，圆形伞帽14带动第一连接杆131做径向运动，同时拉力传动到球形铰12时，可带动第二连接杆132绕空心锚杆2顶部做径向运动，形成一个伞状结构，注浆凝固后，形成伞形锚固部从而增大空心锚杆2与土层的连接力；通过推动拉杆8，带动圆形伞帽14的同时，连接杆组13通过铰接部件的作用下运动至与拉杆8平行时停止，此时伞式扩大头1可通过管片上3的安装孔4进入预先钻好的孔洞。连接杆组13与铰接部件均采用刚性材料制成，对预先钻好的孔洞注入高压液体时，可通过拉杆8伸缩张开伞式扩大头1，对周边孔洞泥土进行破碎，加快工程进度，形成一个伞形空腔，在注浆后，也避免了因材料强度不够，混凝土破碎导致空心锚杆2与土层的连接力降低的不良状况。
如图1、2所示，在本发明实施例中，根据管片3所处隧道的地质条件在管片上预设一定数量的安装孔4。在完成管片4的安装工作后，根据空心锚杆2的直径与长度采用钻机通过安装孔4进行钻孔。完成钻孔工作后将空心锚杆2的顶部通过安装孔4伸入钻孔内，尾部采用夹具固定在管片4内壁面上。固定空心锚杆2后，采用高压泵通过空心锚杆2内部向伞形扩大头1处喷射高压液体，高压液体对伞式扩大头1周边进行冲刷，形成空腔，同时可反复拉动拉杆8带动伞式扩大头1支开和收拢，对周围土层进行破碎，加大空腔容积。在空腔形成后，对钻孔进行清理，用泵将水和破碎土层颗粒清出，进行下一步注浆工作。通过空心锚杆2向伞式扩大头1处空腔进行注浆，待注浆回流时停止注浆，此时将拉杆8拉起，伞式扩大头1支起，增加其在土层内的受力点。通过钻孔与空心锚杆2之间的间隙向安装孔4内进行注浆，防止地下水渗入隧道。待水泥凝固后拆除夹具，在空心锚杆2装上垫片5，用密封螺帽6固定在管片3内壁上，拉杆8通过固定螺栓7固定在密封螺帽6上。
此时，伞式扩大头1处混凝土凝结，形成一个较大的伞形锚固部，可以提高锚杆的锚固力，增加周围土体对管片3的连接力，有利于控制隧道的上浮变形；同时，由于伞式扩大头1支开时面积较大，形成的空腔较大，只需在管片内设置几组水下盾构隧道抗浮抗渗装置，通过空心锚杆2的杆体向土体内注浆，在填充伞式扩大头1的同时，浆液在注浆压力作用下向周围土体渗透，与临近的伞式扩大头1相连，有利于形成一个混凝土帷幕，不仅增大了对周围土体的锚固力，也降低了地下水的渗流影响。
在本发明实施例中，所述的安装孔4可以为管片自身注浆口与空心锚杆2安装的共同孔位，以减少后期对管片进行开孔施工。所述垫片5采用刚性材料制成，其弧度与管片3内壁弧度一致，能贴合放置在管片3内壁上。优选地，垫片5上设有连接块，在连接块上设有螺孔，纵向相邻垫片5上的连接块采用拉力杆连接，拉力杆与连接块之间为栓接，安装完成后所有的拉力杆沿隧道纵向呈多列布置，从而将纵向各环衬砌管片3上的垫片5连接成整体，解决了现有技术中纵向管片3间的整体稳定性不能保证的问题，有利于提高衬砌结构的抗浮能力，大大降低了因管片上浮而导致的连接螺栓破坏、管片错台等风险。
上述基于水下盾构隧道抗浮抗渗装置及施工步骤，本发明提供一种水下盾构隧道抗浮抗渗流的方法，包括以下步骤：
S100：根据盾构隧道的抗浮或抗渗流设计要求，确定需要设置抗浮结构的部位，并在相应部位的管片3上预设安装孔4；
S200：采用钻机在安装孔4位置向地层钻孔，钻孔深度与孔径大小根据空心锚杆2的长度以及直径来设计；
S300：钻孔完成后，将空心锚杆2通过安装孔4伸进钻孔内，并通过夹具将空心锚杆2的尾部固定在管片3内壁面上；
S400：采用高压泵通过空心锚杆2内部向伞形扩大头1处喷射高压液体进行扩孔，同时，在空心锚杆2尾部处利用夹具向隧道内拉动空心锚杆2内的拉杆8对周边土层进行破碎；
S500：利用循环水或水泥浆将伞形扩大头1处已经破碎的土颗粒排出，使扩大头处形成一个伞形的空腔；
S600：通过空心锚杆2向伞形扩大头1处注浆，并使浆液向伞形扩大头1周围渗透，在一定注浆压力下浆液发生回流时即停止注浆；
S700：向钻孔与空心锚杆2之间空隙处注浆，待水泥浆凝固并达到设计强度后，松开空心锚杆2尾部处的夹具，将垫片5套在空心锚杆2的尾部上，拧上封堵螺帽6，并使空心锚杆2的内部拉杆8穿过封堵螺帽中心处的小孔；
S800：在空心锚杆2的内部拉杆8外露部位，采用配套的固定螺栓7进行固定；
S900：通过连接杆与相邻垫片5上的连接块实现纵向上的连接，安装完成后所有的拉力杆沿隧道纵向呈多列布置，将纵向各环衬砌管片3上的垫片5连接成整体。
本发明水下盾构隧道抗浮抗渗装置的安装施工较为简便，对场地空间要求不高，有利于在盾构隧道施工中推广应用；本发明水下盾构隧道抗浮抗渗装置不但可以作为抗浮结构，还可抵抗不同方向渗流作用，例如，对于跨江(河、海)水下隧道，本发明可用于抵抗上游水压力对隧道结构侧面的渗流作用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种水下盾构隧道抗浮抗渗装置，其特征在于，包括：
用于向土体内注浆的空心锚杆（2），所述空心锚杆（2）内设有拉杆（8）；
设于所述空心锚杆（2）一端的紧固部件，所述紧固部件包括用于将所述空心锚杆（2）固定于管片（3）的第一紧固部、及用于固定拉杆（8）的第二紧固部；所述第一紧固部包括设于所述空心锚杆（2）尾部的螺纹、与螺纹配套的密封螺帽（6）及中间设有圆孔、可穿过所述空心锚杆（2）贴合放于管片（3）内壁上的垫片（5）；所述第二紧固部包括设于所述拉杆（8）尾部的螺纹、与螺纹配套的固定螺栓（7）和所述拉杆（8）尾部穿过密封螺帽（6）中心设置的小孔；
以及设于所述空心锚杆（2）另一端的可伸缩张开的伞式扩大头（1），所述伞式扩大头（1）包括与所述拉杆（8）一端连接的圆形伞帽（14）、可沿所述空心锚杆（2）径向运动的多个连接杆组（13），所述圆形伞帽（14）、连接杆组（13）和空心锚杆（2）之间通过铰接部件活动连接；
所述拉杆（8）带动所述伞式扩大头（1）沿空心锚杆（2）径向运动在土层中形成伞形空腔，继而进行混泥土注浆形成伞形锚固部，使伞形锚固部与管片（3）连为一体，从而抵抗水下盾构隧道受到的上浮力；
通过空心锚杆（2）的杆体向土体内注浆，在填充伞式扩大头（1）的同时，浆液在注浆压力作用下向周围土体渗透，与临近的伞式扩大头（1）相连，有利于形成一个混凝土帷幕。
2.根据权利要求1所述的一种水下盾构隧道抗浮抗渗装置，其特征在于，所述连接杆组（13）包括第一连接杆（131）和第二连接杆（132），所述铰接部件包括球形铰（12）；
所述第一连接杆（131）、第二连接杆（132）通过球形铰（12）连接，所述第一连接杆（131）可绕球形铰（12）相对于第二连接杆（132）做径向运动。
3.根据权利要求2所述的一种水下盾构隧道抗浮抗渗装置，其特征在于，所述铰接部件包括合页铰（11），所述合页铰（11）包括第一合页铰（111）和第二合页铰（112）；
所述第一连接杆（131）通过第一合页铰（111）与圆形伞帽（14）连接，可绕圆形伞帽（14）做径向运动；
所述第二连接杆（132）通过第二合页铰（112）与空心锚杆（2）顶部连接，可绕空心锚杆（2）顶部做径向运动。
4.根据权利要求3所述的一种水下盾构隧道抗浮抗渗装置，其特征在于，所述圆形伞帽（14）直径与空心锚杆（2）直径相同；所述连接杆组（13）及铰接部件均采用刚性材料制成。
5.据权利要求4所述的一种水下盾构隧道抗浮抗渗装置，其特征在于，所述垫片（5）上设有连接块，在所述连接块上设有螺孔，与螺孔配套设有拉力杆；所述拉力杆可将各环衬砌管片（3）上纵向相邻的垫片（5）连接成整体。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的一种水下盾构隧道抗浮抗渗装置，其特征在于，所述垫片（5）的弧度与管片（3）内壁弧度一致；所述垫片（5）、连接块及拉力杆均采用刚性材料制成。
7.一种水下盾构隧道抗浮抗渗的方法，应用如权利要求1-6中任一项所述的一种水下盾构隧道抗浮抗渗装置实现，其特征在于，包括步骤：
S100：根据盾构隧道的抗浮或抗渗流设计要求，确定需要设置抗浮结构的部位，并在相应部位的管片（3）上预设安装孔（4）；
S200：采用钻机在安装孔（4）位置向地层钻孔，钻孔深度与孔径大小根据空心锚杆（2）的长度以及直径来设计；
S300：钻孔完成后，将空心锚杆（2）通过安装孔（4）伸进钻孔内，并通过夹具将空心锚杆（2）的尾部固定在管片（3）内壁面上；
S400：采用高压泵通过空心锚杆（2）内部向伞形扩大头（1）处喷射高压液体进行扩孔，同时，在空心锚杆（2）尾部处利用夹具向隧道内拉动空心锚杆（2）内的拉杆（8）对周边土层进行破碎；
S500：利用循环水或水泥浆将伞形扩大头（1）处已经破碎的土颗粒排出，使扩大头处形成一个伞形的空腔；
S600：通过空心锚杆（2）向伞形扩大头（1）处注浆，并使浆液向伞形扩大头（1）周围渗透，在一定注浆压力下浆液发生回流时即停止注浆；
S700：向钻孔与空心锚杆（2）之间空隙处注浆，待水泥浆凝固并达到设计强度后，松开空心锚杆（2）尾部处的夹具，将垫片（5）套在空心锚杆（2）尾部上，拧上封堵螺帽（6），并使空心锚杆（2）的内部拉杆（8）穿过封堵螺帽中心处的小孔；
S800：在空心锚杆（2）的内部拉杆（8）外露部位，采用配套的固定螺栓（7）进行固定；
S900：通拉力杆与相邻垫片（5）上的连接块实现纵向上的连接，安装完成后所有的拉力杆沿隧道纵向呈多列布置，将纵向各环衬砌管片（3）上的垫片（5）连接成整体。
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