一种控制隧道大变形的装配式地层应力补偿伺服钢架系统的制作方法

1.本发明涉及隧道工程技术领域，具体涉及一种控制隧道大变形的装配式地层应力补偿伺服钢架系统。


背景技术：

2.深埋隧道通常采用暗挖法施工，隧道开挖后围岩要进行应力和位移的释放，围岩在发挥自身承载能力的同时尚需利用支护结构来协助围岩承载，进而达到地层-结构之间的相互平衡。初期支护是协助围岩承载的第一道防线，承受周边土压力和水压力，根据以往的工程经验可知，拱顶沉降变形和边墙变形一般比较大，由于隧道上覆岩体的自重和软岩的流变特性，以及局部不良地质情况，初期支护拱顶和边墙出现大变形，增加了初支结构风险。目前国内针对初期支护在围压作用下的软岩大变形尚无很好的解决方法，通常是采取临时支护措施，增加初期支护刚度，在支护结构变形后先打锚杆后喷浆，无法及时抑制初期支护的变形。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是现有技术中对于隧道开挖后初期支护产生的软岩大变形采用被动支护的方式，无法及时抑制初期支护的变形，目的在于提供一种控制隧道大变形的装配式地层应力补偿伺服钢架系统，解决上述问题。
4.本发明通过下述技术方案实现：
5.一种控制隧道大变形的装配式地层应力补偿伺服钢架系统，包括：
6.伺服支撑结构，被配置为在隧道的初期支付完成时为所述初期支护提供支撑；
7.伺服控制器，被配置为控制所述伺服支撑结构向所述初期支护提供伺服自适应支撑；
8.其中：
9.所述伺服支撑结构包括：
10.环形钢拱架，被配置于所述隧道内，并安装于所述隧道的内底部；
11.伺服器，被配置于所述环形钢拱架和所述初期支护之间，且一端连接于所述初期支护，另一端安装于所述环形钢拱架；
12.所述伺服控制器根据所述初期支护的变形调整所述伺服器的支撑力。
13.现有技术中，对于隧道工程来说，对于初期支护结构的变形，主要采用的是注浆锚杆等提高刚度的方法来进行抑制，而随着技术的发展，伺服控制技术已经开始大规模的进入了土建技术领域。如现有技术中公开了申请号为cn202110725607.6的中国专利公开了一种深基坑滑降式快速预支撑体系，其顶撑装置采用千斤顶液压伺服系统进行支撑实现对基坑施加预应力内支撑。而现有技术中申请号为cn202110565352.1的中国专利公开了一种紧邻地铁的半盖挖顺作城市隧道结构及施工方法，采用轴力伺服系统对侧壁进行支撑，提高了施工的安全性。显而易见的，这些方式其实都是对侧壁进行支撑的自适应伺服系统，而发
明人发现，这些方式应用到隧道工程施工时，尤其是应用到软岩大变形的隧道施工中时，难以很好的适应，主要原因在于软岩大变形隧道的收敛是不均匀的，主要的收敛变形来自于隧道拱顶，如果做全周向的自适应伺服控制支撑，容易造成仰拱不健康的变形。
14.本实施例实施时，采用了独立的伺服支撑结构，在该结构中环形钢拱架被安装在隧道底部，并没有在隧道底部安装任何的伺服器，这就保证了在其他位置的伺服器进行自适应加载时，隧道底部的应力只会传导至下层围岩，而减低了仰拱变形。通过伺服器施加和释放压力，控制初期支护的变形，当伺服器向拱顶施加压力抵抗其下沉时，千斤顶伸张并与钢板接触将力传递到支护结构上，此时拱顶会向该伺服器施加一个反作用力，荷载通过环梁向下传递到深层围岩中。同样地，当隧道边墙发生收敛变形时，荷载以同样的方式传递给深部岩体，使积聚在初期支护上的集中应力得以消散。该支撑系统利用了力学传递机制与相互作用原理实现了地层-结构协同承载，在补救措施实施前解决了初期支护变形过大的问题。通过装配式型钢拼装形成钢架，安装快速方便，工艺操作简单，施工方便，控制变形效果较好。
15.应当理解的是，对于本领域技术人员来说，环形钢拱架的设置方式是明确的，即环形钢拱架的纵向轴线一般平行或重叠于隧道的轴线，环形钢拱架的环形轴线一般平行于隧道的掌子面。
16.进一步的，所述伺服器包括：
17.拱顶伺服器，被配置于所述隧道的拱顶处，且一端连接于所述隧道拱顶处的初期支护，另一端连接于所述环形钢拱架的对应位置；
18.拱肩伺服器，被配置于所述隧道的拱肩处，且一端连接于所述隧道拱肩处的初期支护，另一端连接于所述环形钢拱架的对应位置；
19.拱腰伺服器，被配置于所述隧道的拱腰处，且一端连接于所述隧道拱腰处的初期支护，另一端连接于所述环形钢拱架的对应位置；
20.拱脚伺服器，被配置于所述隧道的拱脚处，且一端连接于所述隧道拱脚处的初期支护，另一端连接于所述环形钢拱架的对应位置。
21.进一步的，所述拱肩伺服器、所述拱腰伺服器和所述拱脚伺服器的数量均为两个；
22.两个所述拱肩伺服器分别配置于所述隧道的左拱肩和右拱肩处；
23.两个所述拱腰伺服器分别配置于所述隧道的左拱腰和右拱腰处；
24.两个所述拱脚伺服器分别配置于所述隧道的左拱脚和右拱脚处。
25.进一步的，所述伺服控制器还被配置为，当检测到所述初期支护中任意点的收敛变形时，获取变形点所对应的伺服器，并控制获取的所述的伺服器的千斤顶伸张。
26.进一步的，所述伺服控制器还被配置为，当检测到所述初期支护中任意点的收敛变形时，获取变形点所对应的伺服器，并获取该伺服器对应的辅助伺服器；
27.所述伺服控制器控制所述辅助伺服器的千斤顶伸张。
28.进一步的，所述拱顶伺服器对应的所述辅助伺服器为两个拱腰伺服器；
29.所述拱肩伺服器对应的所述辅助伺服器为同侧于所述拱肩伺服器的拱脚伺服器和另一个拱肩伺服器；
30.所述拱腰伺服器对应的所述辅助伺服器为所述拱顶伺服器；
31.所述拱脚伺服器对应的所述辅助伺服器为同侧于所述拱脚伺服器的拱肩伺服器
和另一个拱脚伺服器。
32.进一步的，所述环形钢拱架包括多段钢环梁；多段所述钢环梁依次拼接形成所述环形钢拱架。
33.进一步的，所述伺服支撑结构的数量为多个，且沿所述隧道轴线依次设置；
34.所述伺服支撑结构在初期支护完成后进行安装，并在隧道的二次衬砌浇筑前拆除。
35.进一步的，所述伺服器包括支座、千斤顶和柔性套筒；所述千斤顶的一端通过所述支座安装于所述环形钢拱架，另一端连接于所述初期支护；所述柔性套筒套装于所述千斤顶。
36.进一步的，所述伺服器的千斤顶通过钢垫板抵接于所述初期支护。
37.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
38.本发明一种控制隧道大变形的装配式地层应力补偿伺服钢架系统，利用了力学传递机制与相互作用原理实现了地层-结构协同承载，在补救措施实施前解决了初期支护变形过大的问题，通过装配式型钢拼装形成钢架，安装快速方便，工艺操作简单，施工方便，控制变形效果较好。
附图说明
39.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
40.图1为本发明实施例结构正视图；
41.图2为本发明实施例结构侧视图。
42.附图中标记及对应的零部件名称：
43.1-初期支护，2-二次衬砌，3-环形钢拱架，4-伺服器，401-拱顶伺服器，402-拱肩伺服器，403-拱腰伺服器，404-拱脚伺服器。
具体实施方式
44.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
45.实施例
46.为了便于对上述的一种控制隧道大变形的装配式地层应力补偿伺服钢架系统进行阐述，请结合参考图1，提供了本发明实施例所公开的一种控制隧道大变形的装配式地层应力补偿伺服钢架系统的结构正视图；请结合参考图2，提供了本发明实施例所公开的一种控制隧道大变形的装配式地层应力补偿伺服钢架系统的结构侧视图，其中，所述控制隧道大变形的装配式地层应力补偿伺服钢架系统包括：
47.伺服支撑结构，被配置为在隧道的初期支付1完成时为所述初期支护1提供支撑；
48.伺服控制器，被配置为控制所述伺服支撑结构向所述初期支护1提供伺服自适应支撑；
49.其中：
50.所述伺服支撑结构包括：
51.环形钢拱架3，被配置于所述隧道内，并安装于所述隧道的内底部；
52.伺服器4，被配置于所述环形钢拱架3和所述初期支护1之间，且一端连接于所述初期支护1，另一端安装于所述环形钢拱架3；
53.所述伺服控制器根据所述初期支护1的变形调整所述伺服器4的支撑力。
54.本实施例实施时，采用了独立的伺服支撑结构，在该结构中环形钢拱架3被安装在隧道底部，并没有在隧道底部安装任何的伺服器4，这就保证了在其他位置的伺服器4进行自适应加载时，隧道底部的应力只会传导至下层围岩，而减低了仰拱变形。通过伺服器4施加和释放压力，控制初期支护的变形，当伺服器4向拱顶施加压力抵抗其下沉时，千斤顶伸张并与钢板接触将力传递到初期支护1上，此时拱顶会向该伺服器4施加一个反作用力，荷载通过环形钢拱架3向下传递到深层围岩中。同样地，当隧道边墙发生收敛变形时，荷载以同样的方式传递给深部岩体，使积聚在初期支护1上的集中应力得以消散。该支撑系统利用了力学传递机制与相互作用原理实现了地层-结构协同承载，在补救措施实施前解决了初期支护1变形过大的问题。通过装配式型钢拼装形成钢架，安装快速方便，工艺操作简单，施工方便，控制变形效果较好。
55.在一个实施例中，请参阅图1，所述伺服器4包括：
56.拱顶伺服器401，被配置于所述隧道的拱顶处，且一端连接于所述隧道拱顶处的初期支护1，另一端连接于所述环形钢拱架3的对应位置；
57.拱肩伺服器402，被配置于所述隧道的拱肩处，且一端连接于所述隧道拱肩处的初期支护1，另一端连接于所述环形钢拱架3的对应位置；
58.拱腰伺服器403，被配置于所述隧道的拱腰处，且一端连接于所述隧道拱腰处的初期支护1，另一端连接于所述环形钢拱架3的对应位置；
59.拱脚伺服器404，被配置于所述隧道的拱脚处，且一端连接于所述隧道拱脚处的初期支护1，另一端连接于所述环形钢拱架3的对应位置。
60.本实施例实施时，采用了四种不同的伺服器4进行隧道初期支护1的支撑，其中拱顶伺服器401是用于进行拱顶的自适应支撑的，拱肩伺服器402是用于进行拱肩的自适应支撑的，拱腰伺服器403是用于进行拱腰的自适应支撑的，拱脚伺服器404是用于进行拱脚的自适应支撑的，在本实施例中设置上述四种伺服器4，可以在后续进行控制中对这些伺服器进行联动的控制，提高支护效果。
61.应当理解的是，本实施例中所述的对应位置是本领域技术人员可以理解的位置，示例的，对于拱顶来说，环形钢拱架3的对应位置为环形钢拱架3的顶部，对于拱肩来说，环形钢拱架3的对应位置为环形钢拱架3朝向拱肩的位置，这个位置可能会随隧道断面形状的变化而变化。
62.在一个实施例中，所述拱肩伺服器402、所述拱腰伺服器403和所述拱脚伺服器404的数量均为两个；
63.两个所述拱肩伺服器402分别配置于所述隧道的左拱肩和右拱肩处；
64.两个所述拱腰伺服器403分别配置于所述隧道的左拱腰和右拱腰处；
65.两个所述拱脚伺服器404分别配置于所述隧道的左拱脚和右拱脚处。
66.本实施例实施时，作为一种更具体的方案，两个所述拱肩伺服器402、两个所述拱
腰伺服器403和两个所述拱脚伺服器404均可以作对称设置，所述对称设置的对称轴为隧道的中心线，这种情况适应于普通的隧道施工。
67.而作为另一种更具体的方案，对于偏压隧道施工，两个所述拱肩伺服器402、两个所述拱腰伺服器403和两个所述拱脚伺服器404可以不做对称设计，而可以根据偏压情况进行具体位置的设计，本领域技术人员可以根据本实施例实现对偏压隧道中伺服器4布置的设计。
68.在一个实施例中，所述伺服控制器还被配置为，当检测到所述初期支护1中任意点的收敛变形时，获取变形点所对应的伺服器4，并控制获取的所述的伺服器4的千斤顶伸张。
69.在一个实施例中，所述伺服控制器还被配置为，当检测到所述初期支护1中任意点的收敛变形时，获取变形点所对应的伺服器4，并获取该伺服器4对应的辅助伺服器；
70.所述伺服控制器控制所述辅助伺服器的千斤顶伸张。
71.在一个实施例中，所述拱顶伺服器401对应的所述辅助伺服器为两个拱腰伺服器403；
72.所述拱肩伺服器402对应的所述辅助伺服器为同侧于所述拱肩伺服器402的拱脚伺服器404和另一个拱肩伺服器402；
73.所述拱腰伺服器403对应的所述辅助伺服器为所述拱顶伺服器401；
74.所述拱脚伺服器404对应的所述辅助伺服器为同侧于所述拱脚伺服器404的拱肩伺服器402和另一个拱脚伺服器404。
75.本实施例实施时，发明人发现，由于隧道结构的特殊性，如果仅仅采用普通的伺服系统对每个伺服器4进行单独控制的话，本身难以产生联动效应，不同于竖井或者侧壁支撑的伺服控制，隧道内部的收敛情况是非常不均匀的，如果对于每个伺服器4进行单独控制，一个点位移带来的伺服器4加载很容易影响到其他点的加载情况；示例的，拱顶往往是收敛最大的地方，当拱顶发生收敛时，拱顶伺服器401会自动加载，而在加载过程中力传播至环形钢拱架3上，环形钢拱架3发生径向方向的轻微变形，此时拱肩伺服器402处对初期支护1的支撑就会变小，甚至可能会出现脱离初期支护1的现象；而拱肩处的初期支护1在失去了支撑后不但会存在进一步收敛的风险，还会造成拱顶至拱肩位置的应力重新分布，使得拱顶位置出现应力集中，存在很大的安全隐患。
76.在本实施例中，发明人创造性的提出了辅助伺服器的概念，辅助伺服器为每个伺服器4加载时，消除本次加载对其他伺服器4影响的伺服器4；正如本实施例中对于不同的伺服器4的辅助伺服器的选择。应当理解的是，本实施例中所说的同侧是指位于隧道中心线的同一侧，示例的，左拱肩处的拱肩伺服器402对应的所述辅助伺服器为左拱脚处的拱脚伺服器404和右拱肩处的拱肩伺服器402。
77.为了更清晰的表达本实施例的工作过程，以拱顶变形为例，当拱顶发生竖向位移时，拱顶伺服器401的千斤顶会自动伸张，此时力传导到环形钢拱架3上后，环形钢拱架3产生竖向方向的径向变形，而拱顶伺服器401对应的辅助伺服器进行同步加载，对环形钢拱架3横向方向的变形进行约束，从而降低环形钢拱架3在竖向方向的变形，进而维持住拱肩位置处拱肩伺服器402所处位置，这种方式可以明显的防止拱顶到拱肩处的应力重分布，减小应力集中，提供隧道施工安全。同样的其他部位的辅助伺服器工作原理基本一致。
78.作为另一种更具体的实施方案，当对偏压隧道的初期支护1进行支撑时，所述伺服
控制器获取所述偏压隧道的拱肩应力比；所述拱肩应力比为所述偏压隧道的内侧拱肩最大应力与外侧拱肩最大应力比值；
79.当所述拱肩应力比超过预设值时，所述伺服控制器控制内侧拱肩的辅助伺服器的千斤顶伸张；
80.当所述拱肩应力从高于所述预设值降低至低于所述预设值时，所述伺服控制器控制所述内侧拱肩的辅助伺服器的千斤顶的伸张力度降低至所述拱肩应力稳定。
81.本实施例实施时，对于现有的偏压隧道，一般需要进行专门的初期支护1计算和设计，对相应的部分进行加强，并且做出施工工艺相应的变化；然而发明人在实践中发现，偏压隧道的收敛往往是非常不均匀的，尤其是软岩大变形隧道中，洞身可能会发生整体性变形，向偏压隧道外侧倾倒，直接导致隧道边墙(拱腰)处发生破坏，而普通的拱架结构是一种对称式的结构设计，很容易出现随着洞身变形一起倾覆。
82.所以在本实施例中，面对偏压隧道，伺服控制器控制内侧拱肩的辅助伺服器的千斤顶伸张，对环形钢拱架3进行挤压，使得环形钢拱架3发生变形，改变环形钢拱架3的受力形式，环形钢拱架3被向内侧拱肩和对向拱脚方向延伸，形成沿这个方向的支撑力，当环形钢拱架3和初期支护1形成一个整体时，环形钢拱架3的变形为整体架构提高了很高的刚度，有效的降低了隧道洞身在偏压下的变形。
83.在一个更具体的实施例中，如果收敛变形对应的伺服器4超过两个时，分别对每个伺服器4对应的辅助伺服器加载情况进行计算，并将计算结果进行叠加；根据叠加后的结果对相应的伺服器4进行控制。
84.在一个实施例中，所述环形钢拱架3包括多段钢环梁；多段所述钢环梁依次拼接形成所述环形钢拱架3。
85.在一个实施例中，所述伺服支撑结构的数量为多个，且沿所述隧道轴线依次设置；
86.所述伺服支撑结构在初期支护1完成后进行安装，并在隧道的二次衬砌2浇筑前拆除。
87.在一个实施例中，所述伺服器4包括支座、千斤顶和柔性套筒；所述千斤顶的一端通过所述支座安装于所述环形钢拱架3，另一端连接于所述初期支护1；所述柔性套筒套装于所述千斤顶。
88.在一个实施例中，所述伺服器4的千斤顶通过钢垫板抵接于所述初期支护1。
89.在一个更具体的实施例中，由于伺服支撑结构是沿隧道轴线依次设置，并且伺服支撑结构本身需要进行拆除后才能进行二次衬砌2浇筑，此时需要进行伺服支撑机构的拆除，此时的伺服器拆除过程遵循拱脚伺服器404开始拆除，再拆除拱腰伺服器403，然后将拱肩伺服器402和拱顶伺服器401进行同步拆除，保证初期衬砌1的应力释放过程较为平稳，提高了隧道施工安全性。
90.本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
91.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。
92.所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显然本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
93.另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
94.所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网格设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
95.以上所述的具体实施方式，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方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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。