能够防止产生横向扁变的盾构隧道管壁及其施工方法与流程

1.本技术涉及盾构隧道施工技术领域，尤其涉及一种能够防止产生横向扁变的盾构隧道管壁及其施工法。


背景技术：

2.当地铁隧道建造在软土体区（尤其是淤泥质土）时，隧道上覆土无法形成“拱效应”，同时，地层能够提供给隧道管壁（构成隧道的轮廓的侧向抗力效应较弱，随着隧道埋深增大，隧道管壁会产生横向扁平变形（以下简称横向扁变）、即实现方向尺寸变短左右方向边长而有圆形边长一个椭圆形；为了解决此问题，本技术人的团队研究出了在管壁上开孔，然后通过高压注浆形成连接在管壁上的插入隧道壁内的泥土中的抗变杆。该方式的抗变杆由于需要在管壁上开口，而管壁开口的设置容易导致渗漏现象。


技术实现要素：

3.本发明旨在提供一种能够防止产生横向扁变的盾构隧道管壁及其施工方法，用于解决现有的在管壁上开孔连接抗变杆的方式所存在的容易导致隧道产生泄漏的问题。
4.为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种能够防止产生横向扁变的盾构隧道管壁，包括若干沿隧道延伸方向对接在一起的圆形的管片，其特征在于，所述管片沿水平方向的两侧的外部设有若干沿管片的周向分布径向延伸的插入在盾构隧道壁部的泥土里的混凝土结构的抗变杆，所述抗变干包括混凝土主杆、浇筑在混凝土主杆一端的端面内的金属连接管和穿设在金属连接管内的连接柱，所述连接柱一体成型在管片的外周面上，所述金属连接管为远离管片的一端封闭的盲管结构。本发明中的抗变杆由于不需要在隧道管壁上开孔进行制作与安装，从而上端增加抗变杆后隧道管壁上不会产生连接孔，从而不好导致管壁的防水性能破坏。
5.一种盾构隧道管壁施工方法，其特征在于，在预制隧道管片时在管壁的外周面上一体成型连接柱，在盾构机盾构隧道时在盾构机的外壳上设置作业孔，经过所述作业孔在盾构隧道壁部的泥土内形成桩孔，将混凝土注入桩孔内硬化而形成混凝土主杆，在混凝土主杆硬化前经所述作业孔将金属连接管穿设到混凝土主体内且金属连接管的开口端外露，将管片装配到盾构隧道内形成盾构隧道管壁的过程中时连接柱穿设到金属连接管内。该施工方法，能够不在隧道管壁上开孔既能够形成连接在管壁外部的抗变杆。
6.作为优选，在作业孔内安装一根插入在盾构隧道壁部的泥土内的冷冻管，通过冰水机将盐水降温为0
°
以下后通过循环泵输送到所述冷冻管，盐水流过冷冻管时释放冷量给土体后回流回冰水机被再次降温，冷冻管释放冷量使得盾构隧道壁部的泥土冰冻硬化而形成包裹住冷冻管的硬化土层，给冷冻管加热而使得冷冻管和硬化土层之间脱开，取出冷冻管从而形成所述桩孔；所述冷冻管包括外管和穿设在外管内的内管，所述外管为导热材料制作而成，所述外管远离盾构机外壳的一端通过外端盖封闭住，外管同盾构机外壳连接的一端和内管之间设有同冰水机的出口端相连接的冷冻管部冰水进口，内管远离所述外端盖
的一端设有同冰水机的进口端相连接的冷冻管部冰水出口。该方法由于在拔出冷冻管形成桩孔和注浆时，桩孔的孔壁被冰冻硬化，从而能够避免由于软土地具有流动性，而导致冷冻管拔出后桩孔会产生封闭而导致注浆不能够完成的问题和注浆范围部可控的问题。
7.作为优选，所述冷冻管通过冷冻管伸出盾构机外壳机构驱动而插入到盾构隧道壁部的泥土内，所述外管为内螺纹管结构，所述外管的外周面上设有沿外管轴向延伸周向分布的若干止转沟槽，所述冷冻管伸出盾构机外壳机构包括螺纹管支撑座、转动连接在螺纹管支撑座上的外螺纹管、驱动外螺纹管转动的螺纹管转动机构和固定在盾构机外壳内的同作业孔对齐的连接套，外螺纹管设有光面段和位于光面段两端的两个阻止外螺纹管沿轴向移动的挡环，所述光面段转动穿设在螺纹管支撑座上，两个所述挡环挡在螺纹管支撑座的两侧，所述连接套设有能够一一对应地穿设到所述止转沟槽内的止转滑块；驱动冷冻管插入土体内的过程为：将外螺纹管螺纹连接在外管内，内管穿设在外螺纹管内，将冷冻管从盾构机外壳内部以设有外端盖的一端朝向作业孔的状态穿设到作业孔内，通过螺纹管转动机构驱动外螺纹管转动从而使得冷冻管输出盾构机外壳从而插入盾构机隧道壁部的泥土内。能够提高本发明插入冷冻管时的方便性。
8.作为优选，，所述连接套上设有若干沿连接套周向分布的螺栓过孔，作业孔的周围设有数量同螺栓过孔数量相同的螺纹孔，连接套通过若干螺栓一一对应地穿过所述螺栓过孔后一一对应地螺纹连接在所述螺纹孔内而固定在盾构机外壳内，所述螺栓过孔为沿连接套周向延伸的弧形孔，在通过冷冻管伸出盾构机外壳机构驱动冷冻管插入土体内的过程中通过转动连接套来使得止转滑块同止转沟槽对齐。当冷冻管有多段构成时，为了保证多段之间可靠密封的连接，可能会产生两端之间的止转沟槽对不齐的现象，产生通过转动连接套的位置来使得止转滑块能够插入止转沟槽内，否则对各段管之间的制作精度要求会很高，使得制作成本增加。
9.作为优选，所述内管为软性结构，所述外管包括若干依次连接在一起的管段，相邻的管段之间通过外螺纹连接管头连接在一起，相邻的管段之间通过密封圈密封连接在一起，相邻的管段的对接端的端面上设有端面部镜面层，相邻的管段的对接端的端面上设有沿外管周向延伸的密封圈安装环槽，所述密封圈位于所述密封圈安装环槽内，相邻的管段的对接端的端面抵接在一起；在通过冷冻管伸出盾构机外壳机构驱动冷冻管插入土体内的过程中，在一个分段插入盾构隧道壁部的泥土内后才将下一个分段同插入的分段连接在一起并插入盾构隧道壁部的泥土内。设计为多段沟槽，能够在冷冻管的长度大于盾构机外壳内部的空置空间时，冷冻管也能够被装配。装配时先推出最外端的一段，然后将第二段同最外端的一段连接在一起，将第二段也推出盾构机外壳，以此类推，而将冷冻管的各段连接在一起且安装到盾构机外壳外部。本技术方案，移动冷冻管时同土体之间的阻力小，内管设计为柔性管，使得长度长时不需要分段。
10.作为优选，所述密封圈为中空结构，所述密封圈的内部填充满水。冰冻时水结冰而产生膨胀，起到提高密封性的作用。
11.作为优选，所述外管为内螺纹管结构，所述外管的外周面为镜面结构，所述外管同盾构机外壳连接的一端还设有内端盖，所述内管为软性结构，所述内管为绝热材料制作而成；所述外端盖的内端面上设有外端盖部连接管头，所述外端盖部连接管头上设有若干过水孔，所述内端盖的端表面上设有内端盖部连接管头，内端盖部连接管头贯通内端盖的外
端面而构成所述冷冻管部冰水出口，所述内管的一端同外端盖部连接管头可拆卸固定在一起、另一端同内端盖部连接管头可拆卸固定在一起，所述冷冻管部冰水进口设置在所述内端盖上。能够降低降温冰冻土体时的效率。装配储存冷冻管时方便。
12.作为优选，所述外端盖内设有内腔，所述内腔设有连通外端盖部连接管头内部空间的进水孔，所述内腔设有若干贯通外端盖周面的径向滑孔，所述外管的内周面上设有若干沿外管周向分布径向延伸的同径向滑孔一一对应地对齐的外管部盲孔，外管部盲孔内设有外管部插销和驱动外管部插销插入径向滑孔内的外管部弹簧，外管部插销同径向滑孔密封滑动连接在一起；所述外端盖同所述外管密封连接在一起，外管部插销拔出径向滑孔并移动外端盖到内管完全伸直时、外端盖仍旧穿设且密封连接在外管内且径向滑孔同外管错开；取出冷冻管的过程为：给外管内加热水使得外管外表面的冰层融化从而实现冷冻管和硬化土层之间脱开，给冷冻管内注入水提高冷冻管内的压力到外管部插销完全收缩到外管部盲孔内而失去对外端盖的固定作用，外端盖外移到内管伸直，通过内管注入水泥浆，水泥浆从径向滑孔喷出而产生朝盾构机外壳内推冷冻管的力、从而驱动冷冻管从土体内拔出，水泥浆在桩孔内硬化而形成所述混凝土主体。提供了拔出冷冻管和注浆的一种新的技术方案。
13.作为优选，所述内腔的壁部设有若干延伸到外端盖部连接管头的壁部内的外端盖部盲孔，外端盖部盲孔同所述过水孔一一对应地交叉，所述外端盖部盲孔的孔壁上设有外端盖部插销孔，外端盖部盲孔内滑动密封连接有封闭所述过水孔的设有连通孔的堵销和驱动堵销朝向内腔内移动而处于连通孔同过水孔对齐的位置的开孔弹簧，所述外端盖部插销孔内滑动密封连接有托杆和驱动托杆伸入到外端盖部盲孔内的外端盖部弹簧；托杆伸入外端盖部插销孔内而阻拦在堵销的一端上时，开孔弹簧处于储能状态且堵销封闭住所述过水孔；注水给冷冻管内加压时既驱动外管部插销脱出径向滑孔、又驱动堵销插入深度增加到同托杆错开，托杆在外端盖部弹簧的作用下阻拦在堵销朝向内腔的一端使得堵销维持在封闭住过水孔的位置，关闭冷冻管部冰水进口使得内管维持在伸直状态，从冷冻管部冰水出口注入水泥浆到内管内，注入的水泥浆从径向滑孔流出而推冷冻管朝盾构机外壳内移动而使得冷冻管拔出土。本技术方案能够防止径向滑孔同冷冻管的外部空间连通后，土体内的泥巴和注入的水泥浆进入内管和外管之间而导致外管内部污染，因外管内部清洗不便、污染后则不便于下次再使用时冰水的循环，本技术方案使得能够通过施工时产生的污水注入内管来推冷冻管实现冷冻管拔出土体。
14.作为优选，所述端盖部插销孔的孔壁上设有连通内管和外管之间的空间沿托杆延伸方向延伸的长条形孔，所述托杆上设有同所述长条孔对齐的拨孔。通过杆体经长条孔插入拨孔去驱动托杆收缩到外端盖部插销孔内而使得托杆失去对堵销的阻拦作用，在开孔弹簧的作用下堵销复位而使得过水孔开启，然后停止拨托杆。进行堵销复位时方便。
15.作为优选，所述内端盖部内设有沿内端盖部连接管头周向延伸的环形腔，所述冷冻管部冰水进口连通环形腔和内端盖位于外管外的部分，所述环形腔内设有若干沿内端盖部连接管周向分布的连通内管和外管之间的空间的出液孔。能够提供冷却冰冻效率，防止产生高温盲区。
16.作为优选，给冷冻管内注水加压时，堵销封闭过水孔的时刻早于外盖部插销脱出径向滑孔的时刻；堵销封闭过水孔后从冷冻管部冰水进口输入清洁的水到内管和外管之间
以维持内杆处于完全伸直状态，从冷冻管部冰水进口输入水泥浆从径向滑孔流出而驱动冷冻管朝向盾构机内部移动而从盾构隧道壁的土体内拔出。能够提高拆除作业过程中维持外管内部清洁性时的可靠性。外管为柔性管，清洁时方便，及时一次性使用也能够达到低成本。
17.本发明具有如下有益效果：能够不破坏隧道管壁而形成抗变杆，实现了在软土地尤其是淤泥土体内注浆时的可靠。
附图说明
18.图1为本发明的示意图；图2是本发明进行形成桩孔时的示意图；图3是图2的a处的局部放大示意图；图4是图3的b处的局部放大示意图；图5是图4的c处的局部放大示意图；图6是图3的d处的局部放大示意图；图7是沿图3的e向观察冷冻管和盾构机外壳时的示意图；图8是对冷冻管进行安装时的示意图。
19.图中：盾构机外壳1、冷冻管2、作业孔3、外管5、内管6、外端盖封7、冷冻管部冰水进口8、冷冻管部冰水出口9、盾构隧道壁部的泥土4、止转沟槽10、螺纹管支撑座11、外螺纹管12、连接环13、连接套14、从动齿轮15、主动齿轮16、电机17、光面段18、挡环19、止转滑块20、螺栓过孔21、螺纹孔22、螺栓23、管段24、外螺纹连接管头25、密封圈26、水27、外端盖部连接管头28、过水孔29、内端盖部连接管头30、环形腔31、出液孔32、内腔33、进水孔34、径向滑孔35、外管部盲孔36、外管部插销37、外管部弹簧38、外端盖部盲孔39、外端盖部插销孔40、连通孔41、堵销42、开孔弹簧43、托杆44、外端盖部弹簧45、长条形孔46、拨孔47、最外段管段49、次外端管段50、管片51、硬化土层52、混凝土主杆53、金属连接管54、连接柱55、抗变杆56。
具体实施方式
20.下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的阐述。
21.参见图1到图8，一种能够防止产生横向扁变的盾构隧道管壁，包括若干接沿隧道延伸方向对接在一起的圆形的管片51。管片沿水平方向的两侧的外部设有若干沿管片的周向分布径向延伸的插入在盾构隧道壁部的泥土4里的混凝土结构的抗变杆56，抗变干包括混凝土主杆53、浇筑在混凝土主杆一端的端面内的金属连接管54和穿设在金属连接管内的连接柱55，连接柱一体成型在管片的外周面上，金属连接管为远离管片的一端封闭的盲管结构。
22.本发明中的盾构隧道管壁的施工方法为：在预制隧道管片时在管壁的外周面上一体成型连接柱，在盾构机盾构隧道时在盾构机的外壳1上设置作业孔3，经过作业孔在盾构隧道壁部的泥土内形成桩孔，将混凝土注入桩孔内硬化而形成混凝土主杆，在混凝土主杆硬化前经作业孔将金属连接管穿设到混凝土主体内且金属连接管的开口端外露，将管片装配到盾构隧道内形成盾构隧道管壁的过程中使连接柱穿设到金属连接管内。
23.具体地：在作业孔内安装一根插入在盾构隧道壁部的泥土内的冷冻管2，通过冰水机将盐水降温为0
°
以下后通过循环泵输送到冷冻管，盐水流过冷冻管时释放冷量给土体后回流回冰水机被再次降温，冷冻管释放冷量使得盾构隧道壁部的泥土冰冻硬化而形成包裹住冷冻管的硬化土层52，给冷冻管加热而使得冷冻管和硬化土层之间脱开，取出冷冻管从而形成桩孔。
24.冷冻管包括外管5和穿设在外管内的内管6。外管为导热材料制作而成、具体地为铜挂，内管为柔性结构且为绝热材料制作而成，具体地为橡胶管。每一根冷冻管的外管的一端分别穿设在一个安装孔内，所述外管远离盾构机外壳的一端通过外端盖封7闭住，外管同盾构机外壳连接的一端和内管之间设有冷冻管部冰水进口8，内管远离所述外端盖的一端设有冷冻管部冰水出口9，冰水机输出的冰水经冷冻管部冰水进口进入内管和外管之间的空间后流入内管再从冷冻管部冰水出口流回冰水机。冰水机输出的冰水为冰点在零度以下的盐水。
25.本发明还包括冷冻管伸出盾构机外壳机构，外管的外周面上设有沿外管轴向延伸周向分布的若干止转沟槽10，冷冻管伸出盾构机外壳机构包括螺纹管支撑座11、转动连接在螺纹管支撑座上的外螺纹管12、驱动外螺纹管转动的螺纹管转动机构和固定在盾构机外壳内的同作业孔对齐的连接套14。螺纹管转动机构包括设置在外螺纹管上的从动齿轮15、同从动齿轮啮合在一起的主动齿轮16和驱动主动齿轮转到的电机17。外螺纹管设有光面段18和位于光面段两端的两个阻止外螺纹管沿轴向移动的挡环19，光面段转动穿设在螺纹管支撑座上，两个挡环挡在螺纹管支撑座的两侧，连接套设有能够一一对应地穿设到止转沟槽内的止转滑块20。连接套上设有若干沿连接套周向分布的螺栓过孔21，作业孔的周围设有数量同螺栓过孔数量相同的螺纹孔22，连接套通过若干螺栓23一一对应地穿过所述螺栓过孔后一一对应地螺纹连接在所述螺纹孔内而固定在盾构机外壳内，螺栓过孔为沿连接套周向延伸的弧形孔。外管包括若干依次连接在一起的管段24，相邻的管段之间通过外螺纹连接管头25连接在一起，相邻的管段之间通过密封圈26密封连接在一起，相邻的管段的对接端的端面上设有端面部镜面层，相邻的管段的对接端的端面上设有沿外管周向延伸的密封圈安装环槽，密封圈位于所述密封圈安装环槽内，相邻的管段的对接端的端面抵接在一起。密封圈为中空结构，所述密封圈的内部填充满水27。外管的外周面为镜面结构，外管同盾构机外壳连接的一端还设有内端盖28。外端盖的内端面上设有外端盖部连接管头28。外端盖部连接管头上设有若干过水孔29，内端盖的端表面上设有内端盖部连接管头30，内端盖部连接管头贯通内端盖的外端面而构成冷冻管部冰水出口，内管的一端同外端盖部连接管头可拆卸固定在一起、另一端同内端盖部连接管头可拆卸固定在一起，冷冻管部冰水进口设置在内端盖上。内端盖部内设有沿内端盖部连接管头周向延伸的环形腔31，冷冻管部冰水进口连通环形腔和内端盖位于外管外的部分，环形腔内设有若干沿内端盖部连接管周向分布的连通内管和外管之间的空间的出液孔32。外端盖内设有内腔33，内腔设有连通外端盖部连接管头内部空间的进水孔34，内腔设有若干贯通外端盖周面的径向滑孔35，外管的内周面上设有若干沿外管周向分布径向延伸的同径向滑孔一一对应地对齐的外管部盲孔36，外管部盲孔内设有外管部插销37和驱动外管部插销插入径向滑孔内的外管部弹簧38，外管部插销同径向滑孔密封滑动连接在一起；外端盖同所述外管密封连接在一起，外管部插销拔出径向滑孔并移动外端盖到内管完全伸直时、外端盖仍旧穿设且密封连接在外管
内且径向滑孔同外管错开（即径向滑孔的位于外端盖周面上的一端位于外管的外部）。内腔的壁部设有若干延伸到外端盖部连接管头的壁部内的外端盖部盲孔39，外端盖部盲孔同过水孔一一对应地交叉，外端盖部盲孔的孔壁上设有外端盖部插销孔40，外端盖部盲孔内滑动密封连接有封闭过水孔的设有连通孔41的堵销42和驱动堵销朝向内腔内移动而处于连通孔同过水孔对齐的位置的开孔弹簧43，外端盖部插销孔内滑动密封连接有托杆44和驱动托杆伸入到外端盖部盲孔内的外端盖部弹簧45；托杆伸入外端盖部插销孔内而阻拦在堵销的一端上时，开孔弹簧处于储能状态且堵销封闭住所述过水孔。端盖部插销孔的孔壁上设有连通内管和外管之间的空间沿托杆延伸方向延伸的长条形孔46，托杆上设有同长条孔对齐的拨孔47。通过杆体经长条孔插入拨孔去驱动托杆收缩到外端盖部插销孔内而使得托杆失去对堵销的阻拦作用，在开孔弹簧的作用下堵销复位而使得过水孔开启，然后停止拨托杆。所有的堵杆通过连接环13连接在一起。只在其中一个外端盖盲孔上设有外端盖部插销孔，托杆阻挡在连接环上而实现对所有的堵杆的挡接而使得堵杆封闭住过水孔，即所有的过水孔的封闭。
26.驱动冷冻管插入土体内的过程为：将内管的一端同外端盖部连接管固定在一起，将外端盖装配到最外段管段49的外端上；驱动最外段管段输出盾构机外壳，驱动最外段管段输出盾构机外壳的过程为：将最外段管段螺纹连接到外螺纹杆外，内管穿设在外螺纹管内，使最外段管段从盾构机外壳内部同作业孔对齐且穿设在作业孔内，止转滑块一一对应地穿设在止转沟槽内，通过螺纹管转动机构驱动外螺纹管转动从而使得冷冻管伸出盾构机外壳；将内管穿过次外端管段50后时次外端管段同最外段管段连接在一起，以驱动最外段管段输出盾构机外壳的方法使得次外段管段伸出盾构机外壳，一侧类推而使得整个外管伸出盾构机外壳而插入盾构机隧道壁部的泥土内；将内端盖连接在外管和内管上。
27.取出冷冻管和进行注水泥浆的过程为：给外管内加热水使得外管外表面上的冰层融化以使得冷冻杆同硬化土层脱开；给冷冻管内注入清洁的水提高冷冻管内的压力到外管部插销完全收缩到外管部盲孔内而失去对外端盖的固定作用，冷冻管内加压时既驱动外管部插销脱出径向滑孔、又驱动堵销插入深度增加到同托杆错开，托杆在外端盖部弹簧的作用下阻拦在堵销朝向内腔的一端使得堵销维持在封闭住过水孔的位置，关闭冷冻管部冰水进口使得内管维持在伸直状态，从冷冻管部冰水出口注入水泥浆到内管内，注入的水泥浆从径向滑孔流出而推冷冻管朝盾构机外壳内移动而使得冷冻管拔出土体，水泥浆填充在冷冻管退出时形成的桩孔内形成混凝土主体，在混凝土主体硬化前将金属连接管插入混凝土主体内而使得混凝土主体硬化后二者浇筑在一起。
28.具体地：给冷冻管内加压时，堵销封闭过水孔的时刻早于外盖部插销脱出径向滑孔的时刻；堵销封闭过水孔后从冷冻管部冰水进口输入清洁的水到内管和外管之间以维持内杆处于完全伸直状态，从冷冻管部冰水进口输入水泥浆从径向滑孔流出而驱动冷冻管朝向盾构机内部移动而从盾构隧道壁的土体内拔出。