CN220748288U - 一种tbm不良地层快速掘进的衬砌结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及长大隧道TBM施工技术领域，具体公开了一种TBM不良地层快速掘进的衬砌结构，包括钢片层，钢片层与岩壁之间填充有细石混凝土，钢片层内侧依次设置有二次衬砌模筑混凝土、防水层和喷射混凝土，钢片层本体由钢管片组合而成，钢片层的截面为圆环，钢管片包括弧形钢板，弧形钢板上设置有弧形角钢、纵向肋、环向肋和抓举槽。解决了TBM隧道施工法面对软岩大变形地层、破碎地层和岩爆地层掘进困难的技术问题。

Description

一种TBM不良地层快速掘进的衬砌结构

技术领域

本实用新型涉及长大隧道TBM施工技术领域，具体涉及一种TBM不良地层快速掘进的衬砌结构。

背景技术

在山岭长大隧道建设中TBM已经得到普遍应用，其施工技术日益成熟，尤其是针对II级、III级、IV级围岩及V级稳定性好坚硬地层，TBM隧道施工法施工安全性高、进尺快，但是对于软岩大变形地层、破碎地层和岩爆地层适用性较差。

在TBM掘进隧洞中，经常遇到软岩大变形、破碎地层、岩爆等不良地层的掘进，而导致掘进困难、掘进效率低、安全风险高等技术问题，还可能使TBM受损，甚至可能造成TBM掘进失败。以往TBM受软岩大变形、破碎地层、岩爆等不良地层的制约也有被迫改成钻爆法成洞。

TBM在软岩大变形、破碎地层、岩爆等不良地层掘进经常遇到掌子面大面积坍塌，大量破碎围岩进入刀盘，导致TBM卡机而无法掘进，超前处理困难，人工清理劳动强度大，大量石渣积压皮带，连续皮带机运输压力大，逼迫停机，影响掘进效率，现有TBM隧洞掘进遇到上述大量坍塌而导致卡机，均采用在TBM护盾后方扩挖管棚工作间，施作大管棚，但是耗时长，安全风险高、施工效率低。

在软岩大变形地层、破碎带地层中，围岩稳定性较差，TBM 撑靴处易发生塌方形成较大空腔，导致撑靴无法在围岩处撑紧，不能提供TBM推进反力，出现“打滑”现象，需要提前对撑靴周围坍塌的空腔进行清理及回填注浆，并待达到强度后再恢复掘进，循环效率较低，影响TBM掘进效率。

同时TBM在强烈岩爆区，无法抵御岩爆产生的飞石对人员的伤害和机械的设备的损害，往往需要停机待避，影响TBM的正常掘进，虽然采用相应技术措施后岩爆暂时缓解，但不能避免二次岩爆的风险。

鉴于TBM在以上软岩大变形、破碎地层、岩爆等不良地层中快速掘进还需要进一步的研究和探讨，提出在地层中掘进为克服软岩大变形、断层坍塌的风险采用细石混凝土、钢管片和喷射混凝土衬砌结构，使TBM快速通过上述不良地层，取得较好的施工效果。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种TBM不良地层快速掘进的衬砌结构，解决了TBM隧道施工法面对软岩大变形地层、破碎地层和岩爆地层掘进困难的技术问题。

本实用新型通过下述技术方案实现：一种TBM不良地层快速掘进的衬砌结构，包括，

细石混凝土，位于岩壁与钢片层之间，将钢片层完全包裹在内；

钢片层，外侧与细石混凝土接触，钢片层本体由钢管片组合而成，钢片层的截面为圆环，钢管片包括弧形钢板，弧形钢板上设置有弧形角钢、纵向肋、环向肋和抓举槽，钢片层针对脱出盾尾的软岩大变形、破碎地层、岩爆等不良地层能够快速的支护封闭裸露围岩，为后续空腔充填作业提供保护，提升安全性，减弱掘进过程中软岩大变形、破碎地层、岩爆等不良地层坍塌掉块、飞石对施工人员及施工设备的威胁，提供更好的防护，也为后期防水层、二次衬砌模筑混凝土施工提供平整的基准面，提升了二次衬砌模筑混凝土的施工质量；

二次衬砌模筑混凝土，设置于钢片层内侧；

喷射混凝土，设置于钢片层与二次衬砌模筑混凝土之间；

防水层，设置于喷射混凝土与二次衬砌模筑混凝土之间，防止水渗入二次衬砌模筑混凝土而对二次衬砌模筑混凝土的结构造成侵蚀。

在本实用新型中，当TBM隧道施工法面对软岩大变形地层、破碎地层和岩爆地层时，受到地形限制严重，且存在安全隐患，导致TBM隧道施工法掘进困难，本实用新型将型钢拱架、钢筋网和系统锚杆为一体的支护钢结构整合为钢管片作为初期支护结构，针对脱出盾尾的软岩大变形、破碎地层、岩爆等不良地层能够快速的支护封闭裸露围岩，为后续空腔充填作业提供保护，提升安全性；同时也简化安装工艺，在掘进过程中可利用辅推油缸顶紧钢管片，为TBM的掘进提供反推力，提升掘进效率。

进一步地，钢片层中位于底部的钢管片与岩壁之间设置有钢垫块，底部的钢管片上方设置有抑拱块，钢管片上还插有无缝钢管，抑拱块可提高隧道基础承载力，减少下沉，同时防止底鼓的隆起变形，调整衬砌应力。

进一步地，钢管片上弧形钢板在环向方向上的两侧垂直向上延伸形成钢板面，弧形钢板在纵向方向上的两侧与弧形角钢垂直且通过焊接连接，钢板面之间设置有环向肋，弧形角钢之间设置有纵向肋，环向肋与纵向肋垂直相交，相交处设置有抓举槽，环向肋、纵向肋和抓举槽底部均与弧形钢板焊接，弧形钢板上开设有至少一个注浆孔，环向肋与纵向肋可增强钢管片的结构强度，注浆孔处可注入承压水将钢管片与岩壁间空隙和坍塌空腔充填固结，同时也通过注浆孔将其壁后承压水先泄压后封堵，减少壁后承压水对钢管片的腐蚀，确保施工期及运营期钢管片的施工质量。

进一步地，钢管片之间在钢板面处通过螺栓进行螺纹连接形成环状钢管片，相邻的环状钢管片之间通过螺栓在相邻钢管片的弧形角钢处形成螺纹连接，相邻环状钢管片在连接时环状钢管片钢板面螺纹连接形成的拼接缝相互错开，提升钢片层的稳定性。

进一步地，钢板面处连接面之间以及弧形角钢连接面之间均设置有止水装置，提升钢片层的防水能力。

进一步地，二次衬砌模筑混凝土内设置有环向钢筋，环向钢筋与抑拱块两端开设的钢筋预留孔连接，提升连接过程的准确度以及稳定性。

进一步地，喷射混凝土厚度至少超过钢管片的厚度20毫米，且喷射混凝土表面平整，厚度均匀，为后续二次衬砌模筑混凝土的施工提供平整的基准面。

进一步地，防水层包括纵向排水管和环向排水管，环向排水管沿喷射混凝土表面敷设且相邻环向排水管之间纵向并列排放，纵向排水管沿着隧道方向延伸，环向排水管两端与底部纵向排水管连接，将隧道内的水快速排出隧道。

本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本实用新型提供的一种TBM不良地层快速掘进的衬砌结构，将型钢拱架、钢筋网和系统锚杆为一体的支护钢结构整合为钢管片作为初期支护结构，具有强度刚度大，稳定性好，能抵抗各种围岩的收敛及变形，针对脱出盾尾的软岩大变形、破碎地层、岩爆等不良地层能够快速的支护封闭裸露围岩，为后续空腔充填作业提供保护，提升安全性，减弱掘进过程中软岩大变形、破碎地层、岩爆等不良地层坍塌掉块、飞石对施工人员及施工设备的威胁；

2、本实用新型提供的一种TBM不良地层快速掘进的衬砌结构，钢管片采用人工辅助管片安装机完成，机械化程度高，效率块，相邻钢管片之间采用高强度螺栓连接，施工工序简单、安装快捷、操作方便，利用盾尾的钢管片拼装机在护盾内侧拼装成圆，移除盾尾后直接支护，省去安装环向连接筋、安装钢筋网片、锚杆施工等工序，提升施工效率；

3、本实用新型提供的一种TBM不良地层快速掘进的衬砌结构，掘进过程中可利用辅推油缸顶紧钢管片，为TBM的掘进提供反推力，后支撑行走轮借助钢管片上的可拆卸式后支撑行走轨道，随着TBM的掘进向前移动，减少了TBM掘进过程中换步的时间，提升掘进效率；

4、本实用新型提供的一种TBM不良地层快速掘进的衬砌结构，针对软岩大变形、破碎地层支护完成后，钢管片与岩壁间空隙、坍塌的空腔、承压水可通过注浆孔进行注浆充填及固结，确保钢管片壁后空隙充填密实，同时通过钢管片上的预留孔对其壁后的承压水先泄压后封堵，减少壁后承压水对钢管片的腐蚀，影响其耐久性，确保了施工期及运营期钢管片的施工质量；

5、本实用新型提供的一种TBM不良地层快速掘进的衬砌结构，采用钢管片+二次衬砌模筑混凝土的衬砌结构可降低施工成本，也能确保隧道施工期及运营期间的衬砌结构的施工质量；

6、本实用新型提供的一种TBM不良地层快速掘进的衬砌结构，为了方便背后充填密实，一端以盾尾后方的盾尾刷和止浆板为堵头板，另一端以充填完成的钢管片与岩壁间空间为堵头板，通过钢管片注浆孔注入高强细石混凝土，其流动性强，浆液路径较远，能充填破碎岩石、坍塌石渣的任何角落，避免了豆砾石回填过程中回填厚度不均匀，导致应力集中现象，针对富水地层采用化学浆液、水泥浆液等流动性较好浆液起到了加固破碎围岩有能止水的效应，确保钢管片与围岩间空隙的密实性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的管片环向展开图；

图3为本实用新型的图2中A-A处的剖面图；

图4为本实用新型的图2中B-B处的剖面图；

图5为本实用新型的后续施工结构示意图；

附图中标记及对应的零部件名称：

1-细石混凝土，2-钢片层，3-二次衬砌模筑混凝土，4-喷射混凝土，5-钢垫块，6-抑拱块，7-钢管片，701-弧形钢板，702-弧形角钢，703-纵向肋，704-环向肋，705-螺栓，706-抓举槽，707-注浆孔，8-无缝钢管，9-止水装置，10-可拆卸式后支撑行走轨道，11-后支撑行走轮。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。需要说明的是，本实用新型已经处于实际研发使用阶段。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图一至图四所示，在本实施例中，一种TBM不良地层快速掘进的衬砌结构，包括，

细石混凝土1，位于岩壁与钢片层2之间，将钢片层2完全包裹在内；

钢片层2，外侧与细石混凝土1接触，钢片层2本体由钢管片7组合而成，钢片层2的截面为圆环，钢管片7包括弧形钢板701，弧形钢板701上设置有弧形角钢702、纵向肋703、环向肋704和抓举槽706，钢片层2针对脱出盾尾的软岩大变形、破碎地层、岩爆等不良地层能够快速的支护封闭裸露围岩，为后续空腔充填作业提供保护，提升安全性，减弱掘进过程中软岩大变形、破碎地层、岩爆等不良地层坍塌掉块、飞石对施工人员及施工设备的威胁，提供更好的防护，也为后期防水层、二次衬砌模筑混凝土3施工提供平整的基准面，提升了二次衬砌模筑混凝土3的施工质量；

二次衬砌模筑混凝土3，设置于钢片层2内侧；

喷射混凝土4，设置于钢片层2与二次衬砌模筑混凝土3之间；

防水层，设置于喷射混凝土4与二次衬砌模筑混凝土3之间，防止水渗入二次衬砌模筑混凝土3而对二次衬砌模筑混凝土3的结构造成侵蚀。

钢片层2中位于底部的钢管片7与岩壁之间设置有钢垫块5，底部的钢管片7上方设置有抑拱块6，钢管片7上还插有无缝钢管8，抑拱块6可提高隧道基础承载力，减少下沉，同时防止底鼓的隆起变形，调整衬砌应力，钢管片7上弧形钢板701在环向方向上的两侧垂直向上延伸形成钢板面，弧形钢板701在纵向方向上的两侧与弧形角钢702垂直且通过焊接连接，钢板面之间设置有环向肋704，弧形角钢702之间设置有纵向肋703，环向肋704与纵向肋703垂直相交，相交处设置有抓举槽706，环向肋704、纵向肋703和抓举槽706底部均与弧形钢板701焊接，弧形钢板701上开设有至少一个注浆孔707，环向肋704与纵向肋703可增强钢管片7的结构强度，注浆孔707处可注入承压水将钢管片7与岩壁间空隙和坍塌空腔充填固结，同时也通过注浆孔707将其壁后承压水先泄压后封堵，减少壁后承压水对钢管片7的腐蚀，确保施工期及运营期钢管片7的施工质量，钢管片7之间在钢板面处通过螺栓705进行螺纹连接形成环状钢管片7，相邻的环状钢管片7之间通过螺栓705在相邻钢管片7的弧形角钢702处形成螺纹连接，相邻环状钢管片7在连接时环状钢管片7钢板面螺纹连接形成的拼接缝相互错开，提升钢片层2的稳定性，钢板面处连接面之间以及弧形角钢702连接面之间均设置有止水装置9，提升钢片层2的防水能力。

二次衬砌模筑混凝土3内设置有环向钢筋，环向钢筋与抑拱块6两端开设的钢筋预留孔连接，提升连接过程的准确度以及稳定性，喷射混凝土4厚度至少超过钢管片7的厚度20毫米，且喷射混凝土4表面平整，厚度均匀，为后续二次衬砌模筑混凝土3的施工提供平整的基准面。

防水层包括纵向排水管和环向排水管，环向排水管沿喷射混凝土4表面敷设且相邻环向排水管之间纵向并列排放，环向排水管两端与底部纵向排水管连接，纵向排水管沿着隧道方向延伸，将隧道内的水快速排出隧道。

如图五所示，拆除喷射混凝土4、防水层、抑拱块6和二次衬砌模筑混凝土3后，进行后续施工，在底部钢管片7两侧的同一平面上对称安装可拆卸式后支撑行走轨道10，可拆卸式后支撑行走轨道10可供后支撑行走轮11进行移动。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、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，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种TBM不良地层快速掘进的衬砌结构，其特征在于，包括，

细石混凝土（1），位于岩壁与钢片层（2）之间，将钢片层（2）完全包裹在内；

钢片层（2），外侧与细石混凝土（1）接触，钢片层（2）本体由钢管片（7）组合而成，钢片层（2）的截面为圆环，钢管片（7）包括弧形钢板（701），弧形钢板（701）上设置有弧形角钢（702）、纵向肋（703）、环向肋（704）和抓举槽（706）；

二次衬砌模筑混凝土（3），设置于钢片层（2）内侧；

喷射混凝土（4），设置于钢片层（2）与二次衬砌模筑混凝土（3）之间；

防水层，设置于喷射混凝土（4）与二次衬砌模筑混凝土（3）之间。

2.根据权利要求1所述的一种TBM不良地层快速掘进的衬砌结构，其特征在于：所述钢片层（2）中位于底部的钢管片（7）与岩壁之间设置有钢垫块（5），底部的钢管片（7）上方设置有抑拱块（6），钢管片（7）上还插有无缝钢管（8）。

3.根据权利要求2所述的一种TBM不良地层快速掘进的衬砌结构，其特征在于：所述钢管片（7）上弧形钢板（701）在环向方向上的两侧垂直向上延伸形成钢板面，弧形钢板（701）在纵向方向上的两侧与弧形角钢（702）垂直且通过焊接连接，钢板面之间设置有环向肋（704），弧形角钢（702）之间设置有纵向肋（703），环向肋（704）与纵向肋（703）垂直相交，相交处设置有抓举槽（706），环向肋（704）、纵向肋（703）和抓举槽（706）底部均与弧形钢板（701）焊接，弧形钢板（701）上开设有至少一个注浆孔（707）。

4.根据权利要求3所述的一种TBM不良地层快速掘进的衬砌结构，其特征在于：所述钢管片（7）之间在钢板面处通过螺栓（705）进行螺纹连接形成环状钢管片（7），相邻的环状钢管片（7）之间通过螺栓（705）在相邻钢管片（7）的弧形角钢（702）处形成螺纹连接，相邻环状钢管片（7）在连接时环状钢管片（7）钢板面螺纹连接形成的拼接缝相互错开。

5.根据权利要求4所述的一种TBM不良地层快速掘进的衬砌结构，其特征在于：所述钢板面处连接面之间以及弧形角钢（702）连接面之间均设置有止水装置（9）。

6.根据权利要求1所述的一种TBM不良地层快速掘进的衬砌结构，其特征在于：所述二次衬砌模筑混凝土（3）内设置有环向钢筋，环向钢筋与抑拱块（6）两端开设的钢筋预留孔连接。

7.根据权利要求1所述的一种TBM不良地层快速掘进的衬砌结构，其特征在于：所述喷射混凝土（4）厚度至少超过钢管片（7）的厚度20毫米，且喷射混凝土（4）表面平整，厚度均匀。

8.根据权利要求1所述的一种TBM不良地层快速掘进的衬砌结构，其特征在于：所述防水层包括纵向排水管和环向排水管，环向排水管沿喷射混凝土（4）表面敷设且相邻环向排水管之间纵向并列排放，纵向排水管沿着隧道方向延伸，环向排水管两端与底部纵向排水管连接。