一种适用于盾构隧道集水井施工的环形支架及工作方法与流程

1.本发明涉及城市隧道开挖掘进施工机械设备技术领域，具体为一种适用于盾构隧道集水井施工的环形支架及工作方法。


背景技术：

2.随着我国经济的迅速发展，城市地下空间开发需求日益增长，大量城市隧道工程应运而生。其中，盾构工法因其施工效率高（能够实现开挖、支护一体化施工）、隧洞成型好、对周边环境影响小等诸多优点，在城市隧道开挖中使用越来越广泛。集水井作为盾构隧道的附属构筑物，起到了集水蓄水的重要作用。目前盾构隧道集水井通常设置在左右区间联络通道的中间底部位置，也有直接设置在其中某条隧道底部的案例，其中前一种情况在我国较为常用，而后一种情况在其他国家也有采用。然而，无论是在联络通道进行集水井施工或是在盾构隧道中直接进行集水井施工，均需要对完整的盾构管片进行切割拆除，并开挖岩土体，不可避免地将对集水井施工临近区域隧道结构稳定性造成影响。为了保证临近区域隧道结构的整体稳定性，通常采用应力支架支撑管片衬砌，在此基础上进行管片的切割和集水井的开挖与支护施工作业。
3.然而，现有的应力支架主要存在以下问题：1）支架与衬砌管片内壁接触为点接触，接触力不易控制导致受力不均，且容易造成局部破损；2）集水井截面通常为矩形，当遭遇较差岩土层时不易自稳，需加设内撑从而保证整体稳定性等。针对上述不足之处，需要设计一种用于适用于盾构隧道集水井施工的环形支架，并提出相应的工作方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种适用于盾构隧道集水井施工的环形支架及工作方法，以解决上述技术背景中的问题，通过主要部件完成环形支架的装配，并对衬砌管片内壁施加均匀分布的径向压力，从而保证在管片下部开口并施工隧道集水井的过程中整个盾构隧道的安全性与稳定性，以及人员通行、物料运输的便捷性；通过采用椭圆形截面的集水井，在环形支架的支撑作用下，对底部衬砌管片进行切割开口、土体加固、开挖、初期支护、模筑混凝土二次支护及养护，最终完成集水井的施工。特别地，该发明提出的环形支架及工作方法，同样适用于集水井设置在联络通道的一般情况。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种适用于盾构隧道集水井施工的环形支架，包括环形主梁、纵向结构梁、纵向连系梁、斜撑以及水平撑；所述环形支架由5圈环形钢架通过2根纵向结构梁、38根纵向连系梁、8根斜撑和4根水平撑连接而成，其中1圈环形钢架一侧开设有管片开口，所述管片开口以环形钢架圆心成68
°
夹角，设置管片开口处的1圈环形钢架由3片等长的环形主梁连接而成，而未设置管片开口处的4圈环形钢架每一圈均由4片等长的环形主梁连接而成，且相邻两片环形主梁通过角焊缝焊接连接板，并采用m24螺栓进行连接；
相邻2圈环形钢架的顶部左右对称连接纵向连系梁，且每一根纵向连系梁与环形主梁的连接节点以环形钢架圆心成30
°
夹角，且在其上部240
°
范围内共有9根纵向连系梁，即5圈环形钢架的上部240
°
范围内共计36根纵向连系梁，未设置管片开口的邻近2圈环形钢架底部均设置1根纵向连系梁，纵向连系梁总计38根，在5圈环形钢架的下部位置通长对称连接2根纵向结构梁，2根纵向结构梁以环形钢架圆心成90
°
夹角，除设置管片开口的环形钢架，其余4圈环形钢架下部均设置1根水平撑，每根水平撑左右端部均与纵向结构梁连接，所述斜撑可分为2组，其中第一组为4根，设置于最外圈环形钢架的环形主梁与纵向连系梁的节点处到内圈环形钢架的环形主梁与纵向结构梁的节点之间；第二组为4根，两端分别连接在内圈环形钢架的环形主梁与纵向结构梁的节点与中圈环形钢架的环形主梁与纵向连系梁的节点之间；所述环形钢架外围设有管片衬砌，且所述环形主梁外侧靠近管片衬砌的翼缘外部设置一圈宽度大于翼缘宽度且与环形主梁等长的柔性注浆囊袋。
6.作为本发明进一步方案：所述环形主梁和纵向结构梁之间通过连接板及m24螺栓连接，所述连接板宽度、长度分别与环形主梁的翼缘、高度相同，并通过角焊缝进行连接。
7.作为本发明进一步方案：所述纵向结构梁腹板两侧分别设置2块加劲肋，采用角焊缝焊接加劲肋与纵向结构梁的腹板、翼缘内侧，并在其外侧焊接相同尺寸的连接板，通过m24螺栓连接环形主梁和纵向结构梁，所述水平撑通过角焊缝与纵向结构梁的翼缘进行连接。
8.作为本发明进一步方案：所述斜撑通过角焊缝焊接连接板，并采用m24螺栓分别与环形主梁、纵向结构梁进行连接，且在所述斜撑接头部位以及环形主梁接头部位焊接连接板，并通过m24螺栓与环形主梁、纵向连系梁紧固连接。
9.作为本发明进一步方案：所述环形主梁和纵向连系梁采用2*125*125ea等边角钢进行连接，并分别通过m24螺栓连接等边角钢和环形主梁、纵向连系梁的腹板。
10.作为本发明进一步方案：所述环形主梁之间通过角焊缝焊接连接板，并采用m24螺栓进行连接。
11.作为本发明进一步方案：在所述环形主梁的翼缘两边每隔30
°
通过螺栓连接有一对定位卡环，所述定位卡环设在柔性注浆囊袋外围，且所述柔性注浆囊袋内部为分区隔断构造，即每一分区长度相同且独立设置有注浆孔和泄浆孔。
12.作为本发明进一步方案：在所述水平撑的中部设置一对钢轨梁，所述钢轨梁上铺设有钢板及导轨。
13.作为本发明进一步方案：所述环形主梁、纵向结构梁和水平撑采用hw300*300c热轧h型钢，纵向连系梁采用hw150*150热轧h型钢，斜撑和钢轨梁采用hw250*250b热轧h型钢。
14.一种适用于盾构隧道集水井施工的环形支架的工作方法，所述工作方法步骤如下：一种适用于盾构隧道集水井施工的环形支架的工作方法，其特征在于，所述工作方法步骤如下：s1、 在盾构机到达集水井施工位置前50 m，提前对集水井四周及下方区域岩土体进行加固，并封堵地下水的裂隙渗流通道，具体地，采用高压旋喷加固，注浆压力控制在0.5
‑
2.5 mpa之间，加固体范围需达到超过集水井边界及底部1.0 m以上；
s2、盾构掘进通过集水井施工区域，完成管片拼装后，在该区域进行环形支架的现场装配；通过压力注浆机连接注浆管并将注浆管与注浆孔连接，往柔性注浆囊袋中充填砂浆，使其与隧道管片衬砌内壁充分贴合；s3、在集水井施工区域盾构隧道管片衬砌内壁设置收敛监测螺栓，每个隧道截面的拱肩、拱脚均匀设置4个测点，分别在45
°
、135
°
、225
°
、315
°
处，共设置5个监测截面，5个监测截面的间距均取为l1/2，l1为环形支架纵向长度，隧道管片收敛监测点自切割底部管片开口即开始监测，在集水井临时支护完成前监测频率为1次/天，在此之后直至永久结构施工完毕监测频率为1次/周；当收敛值达到10mm时发出预警，并进行必要的加固措施；s4、根据集水井位置及结构尺寸，确定盾构隧道底部管片开口位置及具体尺寸，管片开口角度宜控制在65
‑
70
°
范围内；切割底部管片形成开口，在此过程中根据管片变形数据，实时调整柔性注浆囊袋内压力；s5、在管片开口处打设勘探钻孔，对加固体的物理力学性质进行测定；勘探钻孔设置及布设方式根据工程地质条件及施工条件现场确定；岩土体加固后，需满足单轴抗压强度ucs不小于600 kpa，不排水抗剪强度不小于300 kpa，弹性模量不小于150 mpa，渗透系数k不大于5
×
10^
‑
8 m/s；当不满足上述指标或存在裂隙水时，需进行二次补注浆或裂隙注浆加固；s6、在周边岩土体加固达到要求后，进行集水井的开挖和侧壁临时支护步序：分层开挖集水井区域岩土体，开挖面为长/短轴比=1.20的椭圆形，每层最大厚度1.0 m；侧壁采用钢筋网喷混凝土衬砌进行临时支护，钢筋网为2层，网间距200mm，钢筋型号为hrb400，直径10 mm，喷层厚度350 mm；每一层临时支护喷射混凝土强度达到15 mpa后，方可进行下一层的开挖支护；喷射混凝土28d抗压强度需不低于30 mpa；在喷层中预留若干泄水孔；s7、每一层开挖和临时网喷支护后，在衬砌内壁1/2高度处均布4个收敛监测螺栓，用于监测后续开挖过程中已施作衬砌的变形；在集水井土体开挖
‑
临时支护过程中监测频率为1次/天，在此之后直至永久结构施工完毕监测频率为1次/周；当收敛值达到10mm时发出预警，并进行必要的加固措施；s8、集水井底部开挖完成后及时施作仰拱封闭，抵抗应开挖卸荷土体回弹产生的地基反力；仰拱与最下部喷射混凝土之间采用l型钢筋加强节点；s9、支设二衬模板，灌注二衬模筑混凝土形成二衬结构，完成集水井主体结构的施工和养护；s10、集水井施作完毕并达到设计强度后，通过泄浆孔卸除柔性注浆囊袋内压力，并进行环形支架的拆卸、调运、保存。
15.有益效果：1.本发明用通过采用螺栓连接若干片环形主梁、纵向结构梁、纵向连系梁、斜撑和水平撑等主要部件进行装配组成，环形支架尺寸可通过环形主梁片数进行调整，可适用于不同尺寸的盾构隧道。
16.2.本发明所采用的主要构件尺寸适中且较为均匀，便于吊装、拆卸运输和循环利用，符合绿色环保的工程建设要求。
17.3.本发明内部纵向方向上设置了一组钢轨梁，可与隧道内导轨连接或临时铺设钢板，用于运输物料或工人行走，不影响施工进度
4.本发明的环形主梁外侧设置柔性注浆囊袋，通过充填砂浆调整柔性管与隧道衬砌管片内壁的接触应力，保证受力均匀，在施工过程中，可调整柔性管内砂浆压力，从而调整环形支架与管片内壁的接触力，方式更为灵活。
18.5.本发明中的集水井开挖过程中采用椭圆形初衬结构，能够更好地发挥初衬网喷混凝土抗压性能，从而确保在没有临时内支撑作用的情况下自稳，很大程度上降低了工程造价并节约了工期。
19.6.本发明构造简单，所用零部件加工简便且辅助设施技术成熟，具备较高的可行性。
附图说明
20.图1为本发明的俯视结构示意图；图2为本发明的垂直截面a
‑
a示意图；图3为本发明的垂直截面b
‑
b示意图；图4为本发明的垂直截面c
‑
c示意图；图5为本发明的垂直截面d
‑
d示意图；图6是本发明中的环形主梁、纵向连系梁连接部位示意图；图7是本发明中的环形主梁、纵向结构梁、水平撑连接部位示意图；图8是本发明中的环形主梁
‑
、纵向结构梁、斜撑连接部位示意图；图9是本发明中的环形主梁连接部位示意图；图10是本发明中的环形主梁、斜撑、纵向连系梁连接部位示意图；图11是本发明的集水井开挖、支护步序示意图；图12是本发明的集水井施工区域注浆加固范围及勘探钻孔布置剖面示意图；图13是本发明的集水井施工区域注浆加固范围及勘探钻孔布置俯视结构示意图；图14是本发明的集水井施工区域监测点布置e
‑
e剖面示意图；图15是本发明的集水井施工区域监测点布置剖面示意图；图16是本发明的集水井施工区域监测点布置俯视结构示意图；图17是本发明的工作方法工序图；图中：1、环形主梁；2、纵向结构梁；3、纵向连系梁；4、斜撑；5、水平撑；6、管片衬砌；6
‑
1、管片开口；7、钢轨梁；7
‑
1、钢板；7
‑
2、导轨；8
‑
1、m24螺栓；9、等边角钢；10、柔性注浆囊袋；10
‑
1、定位卡环；10
‑
2、压力注浆机；10
‑
3、注浆孔；10
‑
4、泄浆孔；10
‑
5、注浆管；11、加劲肋；12、角焊缝；13、连接板；14、集水井；15、钢筋网喷混凝土衬砌；15
‑
1、钢筋网；15
‑
2、喷射混凝土；15
‑
3、仰拱；16、二衬结构；16
‑
1、二衬模板；16
‑
2、二衬模筑混凝土； 17、l型钢筋；18、泄水孔；19、加固体；20、勘探钻孔；21、收敛监测螺栓；22、监测截面。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.本发明提供如下技术方案：如图1
‑
17所示，一种适用于盾构隧道集水井施工的环形支架，包括环形主梁1、纵向结构梁2、纵向连系梁3、斜撑4以及水平撑5；环形支架由5圈环形钢架通过2根纵向结构梁2、38根纵向连系梁3、8根斜撑4和4根水平撑5连接而成，其中1圈环形钢架一侧开设有管片开口6
‑
1，管片开口6
‑
1以环形钢架圆心成68
°
夹角，设置管片开口6
‑
1处的1圈环形钢架由3片等长的环形主梁1连接而成，而未设置管片开口6
‑
1处的4圈环形钢架每一圈均由4片等长的环形主梁1连接而成，且相邻两片环形主梁1通过角焊缝12焊接连接板13，并采用m24螺栓8
‑
1进行连接；相邻2圈环形钢架的顶部左右对称连接纵向连系梁3，且每一根纵向连系梁3与环形主梁1的连接节点以环形钢架圆心成30
°
夹角，且在其上部240
°
范围内共有9根纵向连系梁3，即5圈环形钢架的上部240
°
范围内共计36根纵向连系梁3，未设置管片开口6
‑
1的邻近2圈环形钢架底部均设置1根纵向连系梁3，纵向连系梁3总计38根，在5圈环形钢架的下部位置通长对称连接2根纵向结构梁2，2根纵向结构梁2以环形钢架圆心成90
°
夹角，除设置管片开口6
‑
1的环形钢架，其余4圈环形钢架下部均设置1根水平撑5，每根水平撑5左右端部均与纵向结构梁2连接，斜撑4可分为2组，其中第一组为4根，设置于最外圈环形钢架的环形主梁1与纵向连系梁3的节点处到内圈环形钢架的环形主梁1与纵向结构梁2的节点之间；第二组为4根，两端分别连接在内圈环形钢架的环形主梁1与纵向结构梁2的节点与中圈环形钢架的环形主梁1与纵向连系梁3的节点之间；环形钢架外围设有管片衬砌6，且环形主梁1外侧靠近管片衬砌6的翼缘外部设置一圈宽度大于翼缘宽度且与环形主梁1等长的柔性注浆囊袋10。
23.环形主梁1和纵向结构梁2之间通过连接板13及m24螺栓8
‑
1连接，连接板13宽度、长度分别与环形主梁1的翼缘、高度相同，并通过角焊缝12进行连接。
24.纵向结构梁2腹板两侧分别设置2块加劲肋11，采用角焊缝12焊接加劲肋11与纵向结构梁2的腹板、翼缘内侧，并在其外侧焊接相同尺寸的连接板13，通过m24螺栓8
‑
1连接环形主梁1和纵向结构梁2，水平撑5通过角焊缝12与纵向结构梁2的翼缘进行连接。
25.斜撑4通过角焊缝12焊接连接板13，并采用m24螺栓8
‑
1分别与环形主梁1、纵向结构梁2进行连接，且在斜撑4接头部位以及环形主梁1接头部位焊接连接板13，并通过m24螺栓8
‑
1与环形主梁1、纵向连系梁3紧固连接。
26.环形主梁1和纵向连系梁3采用2*125*125ea等边角钢9进行连接，并分别通过m24螺栓8
‑
1连接等边角钢9和环形主梁1、纵向连系梁3的腹板。
27.环形主梁1之间通过角焊缝12焊接连接板13，并采用m24螺栓8
‑
1进行连接。
28.在环形主梁1的翼缘两边每隔30
°
通过螺栓连接有一对定位卡环10
‑
1，定位卡环10
‑
1设在柔性注浆囊袋10外围，通过定位卡环10
‑
1实现柔性注浆囊袋10的临时固定与定位，避免因位置偏斜而无法均匀传递压应力，且柔性注浆囊袋10内部为分区隔断构造，即每一分区长度相同且独立设置有注浆孔10
‑
3和泄浆孔10
‑
4，采用压力注浆机10
‑
2通过注浆孔10
‑
3对该柔性注浆囊袋10内缓慢均匀注入砂浆，关闭泄浆孔10
‑
4并通过注浆管10
‑
5向注浆孔10
‑
3分区同步加压注浆至设计压力值，关闭注浆孔10
‑
3，实现内部砂浆的均匀充填，从而使环形支架与管片衬砌6紧密贴合，均匀传递接触力，避免常规应力支架中点接触导致的应力高度集中，而使整个结构受力不均衡甚至局部发生破损，施工结束后，打开泄浆孔10
‑
4排
泄砂浆，便于柔性注浆囊袋10及整个环形支架的拆卸。
29.在水平撑5的中部设置一对钢轨梁7，钢轨梁7上铺设有钢板7
‑
1及导轨7
‑
2，用于运输物料或工人行走。
30.环形主梁1、纵向结构梁2和水平撑5采用hw300*300c热轧h型钢，纵向连系梁3采用hw150*150热轧h型钢，斜撑4和钢轨梁7采用hw250*250b热轧h型钢。
31.一种适用于盾构隧道集水井施工的环形支架的工作方法，工作方法步骤如下：s1、 在盾构机到达集水井施工位置前50 m，提前对集水井14四周及下方区域岩土体进行加固，并封堵地下水的裂隙渗流通道并提高土体强度和稳定性，具体地，采用高压旋喷加固，注浆压力应控制在0.5
‑
2.5 mpa之间，加固体19范围需达到超过集水井边界及底部1.0 m以上，如图12所示；s2、盾构掘进通过集水井14施工区域，完成管片拼装后，在该区域进行环形支架的现场装配；通过压力注浆机10
‑
2连接注浆管10
‑
5并将注浆管10
‑
5与注浆孔10
‑
3连接，往柔性注浆囊袋10中充填砂浆，使其与隧道管片衬砌6内壁充分贴合，在保证接触部位受力均匀的同时提供足够的支撑力，确保后续管片切割与集水井14施工过程中隧道的整体稳定性；s3、在集水井14施工区域盾构隧道管片衬砌6内壁设置收敛监测螺栓21，，每个隧道截面的拱肩、拱脚均匀设置4个测点，分别在45
°
、135
°
、225
°
、315
°
处，共设置5个监测截面22，如图14所示，特别地，5个监测截面的间距均取为l1/2，l1为环形支架纵向长度，隧道管片收敛监测点自切割底部管片开口6
‑
1即开始监测，在集水井14临时支护完成前监测频率为1次/天，在此之后直至永久结构施工完毕监测频率为1次/周；当收敛值达到10mm时发出预警，并进行必要的加固措施；s4、根据集水井14位置及结构尺寸，确定盾构隧道底部管片开口6
‑
1位置及具体尺寸，特别地，管片开口6
‑
1角度宜控制在65
‑
70
°
范围内；切割底部管片形成开口，在此过程中根据管片变形数据，实时调整柔性注浆囊袋10内压力；s5、在管片开口6
‑
1处打设勘探钻孔20，对加固体19的物理力学性质进行测定；特别地，勘探钻孔20设置及布设方式根据工程地质条件及施工条件现场确定；岩土体加固后，需满足单轴抗压强度ucs不小于600 kpa，不排水抗剪强度不小于300 kpa，弹性模量不小于150 mpa，渗透系数k不大于5
×
10^
‑
8 m/s；当不满足上述指标或存在裂隙水时，需进行二次补注浆或裂隙注浆加固；s6、在周边岩土体加固达到要求后，进行集水井14的开挖和侧壁临时支护步序：分层开挖集水井区域岩土体，开挖面为长/短轴比=1.20的椭圆形，每层最大厚度1.0 m；侧壁采用钢筋网喷混凝土衬砌15进行临时支护，钢筋网15
‑
1为2层，网间距200mm，钢筋型号为hrb400，直径10 mm，喷层厚度350 mm；每一层临时支护喷射混凝土15
‑
2强度达到15 mpa后，方可进行下一层的开挖支护；喷射混凝土28d抗压强度需不低于30 mpa；在喷层中预留若干泄水孔18，避免衬砌背后储水；s7、每一层开挖和临时网喷支护后，在衬砌内壁1/2高度处均布4个收敛监测螺栓21，用于监测后续开挖过程中已施作衬砌的变形；在集水井14土体开挖
‑
临时支护过程中监测频率为1次/天，在此之后直至永久结构施工完毕监测频率为1次/周；当收敛值达到10mm时发出预警，并进行必要的加固措施；s8、集水井14底部开挖完成后及时施作仰拱15
‑
3封闭，抵抗应开挖卸荷土体回弹
产生的地基反力；仰拱15
‑
3与最下部喷射混凝土15
‑
2之间采用l型钢筋17加强节点，提高临时支护的整体刚度及稳定性；s9、支设二衬模板16
‑
1，灌注二衬模筑混凝土16
‑
2形成二衬结构16，完成集水井14主体结构的施工和养护；s10、集水井14施作完毕并达到设计强度后，通过泄浆孔10
‑
4卸除柔性注浆囊袋10内压力，并进行环形支架的拆卸、调运、保存，便于二次利用。
32.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。