盾构隧道管片及其作业方法与流程

1.本公开涉及隧道工程设备技术领域，尤其涉及一种盾构隧道管片及其作业方法，具体为适用于软土地层的附带升降支座的新型盾构管片。


背景技术：

2.随着经济的不断发展和科技的进步，我国城市化的进程不断加快，城市人口数量也开始飞速上涨，进而给城市交通带来了前所未有的压力。由于地面空间相对有限，许多大城市的地面交通已经接近饱和，为解决地面交通运输能力不足与人口持续增长的矛盾，地下交通运输开始逐步发展，地铁以其方便、快捷、高效的运输特点而被各大城市广泛建造，而盾构法以其不影响地面交通、掘进速度快、无噪音污染等优越性在城市隧道中被广泛使用，就在地铁日益发展的同时，地铁建设及运营方面的诸多问题相继出现。在上海、广州、天津为代表的地区，其土层大多为软土，具有高压缩性、低强度、高灵敏度的特点，这种特性的土层极易出现不均匀沉降，而盾构隧道中起关键承载作用的结构是由盾构管片拼装而成的衬砌环，在土层沉降的作用下，隧道管片产生错台，使得隧道结构破裂产生隧道渗漏水等问题，当错台发展过快，危险发现不及时时，还会引起隧道坍塌从而造成不可挽回的损失。软土地区盾构隧道的快速发展与各大城市对隧道衬砌错台量要求的不断提高，使得盾构隧道管片结构的改型和优化具有重要意义。
3.传统盾构隧道管片存在以下问题：为减小软土地层沉降给隧道带来的危害，会对沉降严重地段进行一定的地表注浆加固，而地表注浆存在一定的不均匀性和未知性，注浆效果相对较差，且在占用地表空间的同时会大大增加工程造价；在地层发生不均匀沉降时，管片所受外力分布产生变化，部分位置产生受力集中，而管片间是拼装而成，仅凭管片接头和管片间的摩擦力难以抵抗外力，进而使管片发生错台，降低管片的承载能力和防水能力；隧道管片错台在发展较快超过错台限值时，没有一个及时的报警装置来进行预警，使得救险不及时，严重时会引起隧道坍塌，带来极大危害和不可挽回的损失。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.基于上述问题，本公开提供了一种盾构隧道管片及其作业方法，以缓解现有技术中软土地层地表注浆占用地面空间多，注浆效率低，管片在土层不均匀沉降作用下易发生纵缝或环缝错台，降低管片承载能力和防水能力，管片错台量超限时不能实时监测反馈等技术问题。
6.(二)技术方案
7.本公开提供一种盾构隧道管片，包括：盾构管片本体，其内壁面设置有注浆孔和联络孔，盾构管片本体内部设置有多条与注浆孔相连的注浆通道；电源盒，设置在盾构管片本体内壁面；多个升降支座系统，设置于盾构管片本体上，用于监测隧道周围土层对盾构管片本体的压力；多个伸缩式锚杆系统，用于对隧道周围土层注浆加固，每个伸缩式锚杆系统包
括：伸缩式锚杆，其为中空杆，设置于升降支座系统的中心处，伸缩式锚杆的一端连接注浆通道，另一端具有多个小孔且能够延伸至隧道周围土层中；多个管片错台电测系统，用于监测管片间错台值，判断错台量是否超限，每个管片错台电测系统包括：磁性电阻块，通过导线连接至电源盒，磁性电阻块设置于盾构管片本体的边缘处并连接有置弹簧，相邻管片间的磁性电阻块发生错动时引起电阻发生变化从而得出相应的错台值。
8.根据本公开实施例，每个升降支座系统，包括：液压升降支座，对应注浆通道设置于盾构管片本体的外壁面；套管，套设于液压升降支座外；以及压力传感器，设置于液压升降支座顶部，能够随液压升降支座同步升降，用于监测隧道周围土层对盾构管片本体的压力。
9.根据本公开实施例，伸缩式锚杆系统，还包括：压力监测器，设置在每个伸缩式锚杆内，用于监测对应伸缩式锚杆注浆时的注浆压力；以及注浆开关，用于根据压力监测器所监测的注浆压力选择性的控制对应的伸缩式锚杆的注浆状态。
10.根据本公开实施例，位于相邻盾构管片上的相对应位置的磁性电阻块的极性相反。
11.根据本公开实施例，内置弹簧用于在相邻盾构管片之间产生一定张开量时伸长，从而保持电路处于接通状态。
12.根据本公开实施例，套管与液压升降支座之间设置有空隙，空隙为5mm。
13.根据本公开实施例，伸缩式锚杆延伸至隧道周围土层中的部分沿轴向设置多个小孔，小孔用于向土层进行注浆。
14.根据本公开实施例，导线设置于注浆通道内，导线外套设有保护盒。
15.本公开的另一方面，提供一种盾构隧道管片作业方法，采用以上任一项的盾构隧道管片进行作业，作业方法包括：
16.操作s1：根据工程测量资料结合工程经验，确定隧道维持稳定及最小变形所需的周围土层的加固范围，从而确定伸缩式锚杆需延伸的长度；
17.操作s2：控制液压升降支座系统上升至与隧道周围土层接触，并延伸伸缩式锚杆至土层中进行注浆；
18.操作s3：监控每个伸缩式锚杆的注浆时的注浆压力，从而选择性的控制对应的伸缩式锚杆的注浆状态，完成注浆；
19.操作s4：监控每个液压升降支座系统所承受的隧道周围土层的压力，并通过其对侧的隧道管片的对应液压升降支座系统向土层施加与该压力同等大小的力，维持衬砌环的整体受力平衡；以及
20.操作s5：监控每个管片错台电测系统所监测的错台值。
21.根据本公开实施例，错台值超过设定阈值时，对应的管片错台电测系统将发出警告给施工人员或管理人员。
22.(三)有益效果
23.从上述技术方案可以看出，本公开盾构隧道管片及其作业方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
24.(1)通过伸缩式锚杆对隧道周围土体进行注浆加固，在锚杆的嵌固作用以及浆液加固作用下，抑制了管片发生纵缝错台；
25.(2)通过压力传感器实时监测管片所受压力并在对侧管片液压升降支座施加压力，可以实时调节衬砌环的整体受力状态，有效抑制管片因土层不均匀沉降而发生的环缝错台。
26.(3)相邻管片间发生错台时，两管片的磁性电阻块发生错动，根据电阻变化可测出管片错台值，并将错台值实时反馈，从而在隧道管片错台超限时及时补救，降低损失。
附图说明
27.图1是本公开实施例的盾构隧道管片的侧视结构示意图。
28.图2是本公开实施例的盾构隧道管片的俯视结构示意图。
29.图3是本公开实施例的盾构隧道管片中升降支座系统的局部示意图。
30.图4是本公开实施例的盾构隧道管片中注浆通道及刚性保护盒的安装结构示意图。
31.图5是本公开实施例的盾构隧道管片的作业方法流程示意图。
32.【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
33.1-注浆孔；2-联络孔；3-磁性电阻块；4-圆形套管；
34.5-液压升降支座；6-伸缩式锚杆；7-刚性保护盒；8-导线；
35.9-压力传感器；10-注浆通道；11-微型电源盒；12-内置弹簧；
36.13-注浆开关；14-压力监测器。
具体实施方式
37.本公开提供了一种盾构隧道管片及其作业方法，能够高效加固隧道周围土体，有效抑制隧道管片纵缝错台，能够缓解因土层不均匀沉降引起的隧道衬砌环受力不均，从而有效抑制隧道管片环缝错台，通过磁性电阻块的滑动精确测量管片错台量，实现隧道错台超限时的及时补救，最终达到提高施工效率和保证施工和运营安全的目的。
38.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
39.在本公开实施例中，提供一种软土地层盾构隧道管片，如图1所示，所述软土地层盾构隧道管片，包括：
40.盾构管片本体，其内壁面设置有注浆孔1和联络孔2，所述盾构管片本体内部设置有多条与所述注浆孔相连的注浆通道10；
41.电源盒，设置在盾构管片本体内壁面；
42.多个升降支座系统，设置于所述盾构管片本体上，用于监测隧道周围土层对盾构管片本体的压力；
43.多个伸缩式锚杆系统，用于对隧道周围土层注浆加固，每个所述伸缩式锚杆系统包括：
44.伸缩式锚杆6，其为中空杆，设置于所述升降支座系统的中心处，所述伸缩式锚杆6的一端连接所述注浆通道10，另一端具有多个小孔且能够延伸至隧道周围土层中；
45.多个管片错台电测系统，用于监测管片间错台值，判断错台量是否超限，每个所述管片错台电测系统包括：
46.磁性电阻块3，通过导线连接至所述电源盒11，所述磁性电阻块设置于盾构管片本体的边缘处并连接有内置弹簧12，相邻管片间的磁性电阻块发生错动时引起电阻发生变化从而得出相应的错台值。
47.根据本公开实施例，每个所述升降支座系统，包括：
48.液压升降支座5，对应所述注浆通道设置于所述盾构管片本体的外壁面；
49.套管4，套设于所述液压升降支座外；以及
50.压力传感器9，设置于所述液压升降支座5顶部，能够随液压升降支座5同步升降，用于监测隧道周围土层对盾构管片本体的压力。
51.根据本公开实施例，所述伸缩式锚杆系统，还包括：压力监测器14，设置在每个所述伸缩式锚杆6内，用于监测对应伸缩式锚杆注浆时的注浆压力；以及注浆开关13，用于根据所述压力监测器所监测的注浆压力选择性的控制对应的伸缩式锚杆的注浆状态。所述注浆开关13，也可以设置在注浆通道10与圆形套管4外侧相交处；所述压力监测器14可以设置在注浆开关13内侧表面。
52.根据本公开实施例，所述伸缩式锚杆6延伸至隧道周围土层中的部分沿轴向设置多个小孔，所述小孔用于向土层进行注浆。
53.作为本公开的进一步改进，所述导线连接磁性电阻块、压力传感器、圆形套管、液压升降支座、伸缩式锚杆、注浆开关、压力监测器。
54.作为本公开的进一步改进，所述压力监测器设于所述液压升降支座顶部表面，用于监测液压升降支座所受土层压力变化，便于控制同一衬砌环内对侧管片的液压升降支座压力从而控制衬砌环整体沉降。
55.作为本公开的进一步改进，所述导线设置于所述注浆通道内，所述导线8外布有刚性保护盒7，防止浆液凝固后破坏电路。
56.作为本公开的进一步改进，所述微型电源盒为管片错台电测系统提供所需电源。
57.作为本公开的进一步改进，所述圆形套管与所述液压升降支座不设置接触，且二者间空隙为5mm。
58.在本公开实施中，结合图1至图2所示，液压升降支座共三排四列，最左侧一列液压升降支座的压力传感器对应同一衬砌环内对侧管片上最右侧一列液压升降支座，实现在外力突变时衬砌环的整体受力平衡。
59.本公开还提供一种使用上述软土地层盾构隧道管片的作业方法，如图5所示，所述软土地层盾构隧道管片的作业方法，包括：
60.操作s1：根据工程测量资料结合工程经验，确定隧道维持稳定及最小变形所需的周围土层的加固范围，从而确定伸缩式锚杆需延伸的长度；
61.根据工程测量资料结合工程经验，计算出隧道维持基本稳定及最小变形所需周围土体的加固范围，再采取安全系数法确定伸缩式锚杆长度。
62.操作s2：控制液压升降支座系统上升至与隧道周围土层接触，并延伸所述伸缩式锚杆至土层中进行注浆；
63.盾构管片连接成环后，圆形套管和液压升降支座同时上升直至与周围土层接触，伸缩式锚杆伸出嵌入到周围土层进行注浆，注浆机开始进行二次注浆时，打开所有注浆通道内的注浆开关。
64.操作s3：监控每个伸缩式锚杆的注浆时的注浆压力，从而选择性的控制对应的伸缩式锚杆的注浆状态，完成注浆；
65.根据注浆开关上的压力监测器选择性关闭已经达到拟定压力的注浆开关，直至所有伸缩式锚杆完成注浆。锚杆注浆的存在可有效防止管片纵缝错台。
66.操作s4：监控每个液压升降支座系统所承受的隧道周围土层的压力，并通过其对侧的隧道管片的对应液压升降支座系统向土层施加与该压力同等大小的力，维持衬砌环的整体受力平衡。
67.在发生土层沉降时，沉降位置管片的对侧管片上的液压升降支座施加与土层沉降压力同等大小的压力，维持衬砌环的整体受力平衡；具体地，在土层发生不均匀沉降时，受力集中处管片上的压力传感器监测到受力变化，将该压力增量以电信号传递给同一衬砌环内对侧管片的液压升降支座，液压升降支座施加相同的顶推力，来维持整个衬砌环的受力平衡。液压升降支座可有效防止管片环缝错台。
68.操作s5：监控每个管片错台电测系统所监测的错台值，从而完成基于盾构隧道管片的施工作业。
69.在施工作业或后期的隧道管理维护期间，通过监控每个管片错台电测系统所监测的错台值，来掌握相邻的管片间的错台情况，在管片间发生错台时，相邻管片间的磁性电阻块发生错动，电阻发生变化，从而得出相应的错台值，错台值超过设定阈值时，对应的管片错台电测系统可以发出声光警告或发送信息至管理中心，从而能够更及时的采取应对措施。
70.至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
71.依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开盾构隧道管片及其作业方法有了清楚的认识。
72.综上所述，本公开提供了一种盾构隧道管片及其作业方法，通过伸缩式锚杆对周围土层进行加固，提高土体加固效率，增加周围土层刚度，抑制管片纵缝错台。利用液压升降支座上的压力传感器监测管片受力突变，并将土体压力变化信息传递给同一衬砌环内对侧管片上的液压升降支座，通过施加支座压力来维持衬砌环的整体受力平衡，最大限度的减小管片环缝错台，保证盾构隧道管片的承载力和防水能力。在管片错台超限时，将错台信息及时反馈给控制中心，对风险进行及时补救，防止管片错台超限导致隧道坍塌等事故进而造成不可挽回的损失。本发明装置简单且实施可行性高，可提高工程施工效率并提高隧道施工及运营安全，具有良好应用前景。
73.还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。
74.说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰
相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
75.此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
76.以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。