小净距盾构隧道施工的隧道应力补偿装置及施工方法与流程

1.本发明涉及盾构隧道施工技术领域，具体涉及小净距盾构隧道施工的隧道应力补偿装置及施工方法。


背景技术：

2.随着城市发展地铁线路也逐渐增多，新建地铁进行盾构隧道施工时，由于施工周边环境复杂、线路交错纵横以及建设顺序不同，新建地铁隧道不可避免会出现一些近接工程，如双线叠落隧道、近距离穿越建筑物、双线小净距工程以及三线并行小净距工程。由于盾构隧道之间的间距太小，后行隧道掘进过程中势必会对先行隧道及周边土体再次产生较大扰动，或者盾构机在已经扰动过的隧道之间推进时对先行隧道造成影响，最终可能造成先行隧道偏移、管片变形及破裂的施工隐患，最终造成后行隧道施工过程中出现地面隆沉、变形、塌陷等施工事故，具有极大的安全风险。
3.目前针对于小净距隧道施工，多采用在先施工隧道内架设支撑，支顶隧道管片，但支撑多为固定支撑，如cn111456770和cn114263475中使用的管片支撑装置，但是上述装置均为单体支撑，首先因为支撑长度短导致需要频繁移动，其次由于单次支撑长度短，移动后无法保证相邻支撑段内隧道支撑效果的一致性及平衡性，同时存在无法有效调整支撑位置角度，只能起到管片支撑作用，无法解决邻近隧道施工使得隧道管片存在卸载作用，造成管片拉伸、收敛超限、甚至管片挤压破损的问题。本发明提供小净距盾构隧道施工的隧道应力补偿装置及施工方法解决上述问题。


技术实现要素：

4.本发明提供一种小净距盾构隧道施工的隧道应力补偿装置及施工方法，采用单元环架结构以及自动智能化应力补偿方法实现对小净距盾构隧道施工的隧道应力补偿，保证施工安全和工程质量。
5.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种小净距盾构隧道施工的隧道应力补偿装置，包括牵引控制结构和应力补偿结构，所述牵引控制结构和应力补偿结构连接，均位于盾构隧道中，所述应力补偿结构包括单元环架和运动连接结构，所述单元环架沿隧道轴线前后间隔设置，所述运动连接结构成组设在相邻的单元环架之间；所述单元环架包括环架、支撑机构、牵拉机构和行走机构，所述支撑机构、牵拉机构和行走机构均间隔设置在环架上，所述运动连接结构连接在相邻单元环架的环架上。
6.进一步地，所述支撑机构包括安装座、伸缩座和撑靴，所述安装座固定连接在环架上，所述撑靴通过伸缩座设在安装座上，所述撑靴上设有应力检测装置；所述牵拉机构包括安装座、伸缩座和卡爪，所述卡爪通过伸缩座设在安装座上；所述行走机构包括安装座、伸缩座和行走轮，所述行走轮通过伸缩座设在安装座上。
7.进一步地，所述环架包括上环架和下环架，所述上环架和下环架均包括半环架体
和支撑架体，所述支撑架体位于半环架体的内部，所述上环架的半环架体和下环架的半环架体相互拼接，所述上环架的支撑架体和下环架的支撑架体相互连接。
8.进一步地，所述半环架体包括环板和连接杠，所述连接杠间隔设置在前后两个环板之间；所述上环架的环板和下环架的环板通过连接板连接。
9.进一步地，所述运动连接结构包括连接底座和伸缩装置，所述连接底座活动连接在伸缩装置的两端，两个连接底座分别设在相邻的两个单元环架上。
10.进一步地，所述单元环架上设有扫描探测装置，所述扫描探测装置包括扫描仪和位移探测仪，所述扫描仪设在单元环架的后侧，所述位移探测仪设在单元环架的前侧。
11.进一步地，所述牵引控制结构包括平板车、控制系统和伸缩系统，所述控制系统与支撑机构、牵拉机构、行走机构、运动连接结构、扫描探测装置和伸缩系统连接，所述伸缩系统与支撑机构、牵拉机构、行走机构和运动连接结构连接。
12.小净距盾构隧道施工的隧道应力补偿装置的施工方法，包括以下步骤：s1，先行隧道施工：先进行先行隧道的施工，并在先行隧道中安装监测仪器，然后进行后行隧道的前期施工；s2，应力补偿装置预组装：在地面进行上环架和下环架的组装，然后将支撑机构、牵拉机构和行走机构安装在上环架和下环架上，安装完成后吊装下井；s3，组装成型：在井内将上环架和下环架进行拼装形成单元环架，通过固定支架保持单元环架处于竖直状态，在单元环架之间安装运动连接结构组成应力补偿结构，与牵引控制结构连接，并将控制系统和伸缩系统与应力补偿结构连接，完成应力补偿装置的组装成型；s4，隧道扫描：应力补偿装置自行进入先行隧道中，利用扫描探测装置扫描隧道，确定隧道管片状态及收敛情况、识别出管片吊装孔位置，并将扫描数据传输至控制系统中；s5，装置展开预支：根据后行隧道的施工进度，将应力补偿装置移动至应力补偿位置处并展开，所有单元环架缩回行走机构、伸出支撑机构支撑在管片内壁上、伸出牵拉机构与管片吊装孔连接，对先行隧道的管片进行预支；s6，隧道管片应力补偿：后行隧道进行掘进施工，根据先行隧道中的检测仪器的实时检测数据与扫描探测装置扫描到的扫描数据进行对比分析，分别控制不同单元环架上不同位置处的支撑机构和牵拉机构进行实时调整，对先行隧道管片进行应力补偿；s7，装置移动：当前环段的后行隧道掘进完成后，应力补偿装置自行移动至下一环段进行预支；s8，持续施工：根据s4-s7的顺序，按照先对先行隧道进行预支，然后进行后行隧道掘进的操作进行施工，直至后行隧道施工完成。
13.进一步地，步骤s7中，应力补偿装置自行移动的操作如下：位于首端第一个单元环架的支撑机构和牵拉机构处于伸出状态，其余单元环架的支撑机构和牵拉机构缩回，并伸出行走机构，由首到尾逐个控制相邻单元环架之间的运动连接结构缩回，完成应力补偿装置的收缩；完成收缩后，首端第二个单元环架缩回行走机构、伸出支撑机构和牵拉机构进行支撑，首端第一个单元环架伸出行走机构，缩回支撑机构和牵拉机构，控制首端第一个单元环架和首端第二个单元环架之间的运动连接结构伸出，推动首端第一个单元环架前移，按
照由首到尾的顺序通过上述操作将单元环架依次前移，直至尾端的单元环架推动其余的单元环架前移就位，完成应力补偿装置的自行移动。
14.进一步地，步骤s5中，单元环架缩回行走机构前，根据步骤s4中的扫描数据调整应力补偿装置绕轴线转动，使得牵拉机构与管片吊装孔相对应。
15.本发明有益效果如下：采用多个单元环架连接的结构对较长距离的隧道进行应力补偿，保证小净距盾构隧道施工时隧道应力补偿效果的一致性和平衡性，避免了较短距离支撑时相邻段应力状态不一致导致的失稳问题；设置支撑机构和牵拉机构实现对隧道进行支撑和牵拉，补偿平衡先行隧道的应力及变形，保证整体隧道的整圆度，避免管片破损和收敛超限情况；采用环架结构并通过运动连接结构实现应力补偿位置的灵活调整并能够适应隧道曲率，满足不同曲率隧道的应力补偿；环架结构配合牵引控制结构实现应力补偿的实时调整以及自动智能调整，满足不同位置不同的应力补偿值，保证应力补偿效果。
附图说明
16.图1为本发明的施工状态示意图；图2为本发明装置的整体结构侧视示意图；图3为本发明装置的整体结构主视示意图；图4为本发明的单元环架结构主视示意图；图5为本发明的环架示意图；图6为本发明的上环架主视示意图；图7为本发明的下环架主视示意图；图8为本发明的支撑机构示意图；图9为本发明的牵拉机构示意图；图10为本发明的行走机构示意图；图11为本发明的运动连接结构主视示意图。
17.附图标记：1-单元环架，11-环架，111-半环架体，112-支撑架体，12-支撑机构，121-安装座，122-伸缩座，123-撑靴，13-牵拉机构，131-卡爪，14-行走机构，141-行走轮，2-运动连接结构，21-连接底座，22-伸缩装置。
实施方式
18.下面将结合说明书附图，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。
19.在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“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专利和简化描述，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专利的限制。
20.如图1、2、3所示，一种小净距盾构隧道施工的隧道应力补偿装置，包括牵引控制结构和应力补偿结构，所述牵引控制结构和应力补偿结构连接，所述牵引控制结构用于放置控制系统并放置液压泵站，起到控制应力补偿结构伸缩的作用，所述应力补偿结构通过伸缩实现对隧道管片的应力补偿作用，均位于盾构隧道中，所述应力补偿结构包括单元环架1和运动连接结构2，所述单元环架1沿隧道轴线前后间隔设置，所述运动连接结构2成组设在相邻的单元环架1之间。
21.本发明针对的施工工况为小净距后行隧道进行施工时对先行隧道的支撑，由于隧道的间距较小，后行隧道的施工对先行隧道的扰动极大，先行隧道存在被挤压或者收敛的情况，影响先行隧道的质量安全。本发明通过由单元环架1和运动连接结构2组成的应力补偿结构对较长长度的隧道进行应力补偿，包括顶推应力补偿和牵拉应力补偿，通过长距离内较为一致的应力补偿，保证对隧道管片应力补偿的一致和平衡，并且通过实时监控和自动控制对不同位置实现不同方向的应力补偿，有效保证应力补偿的效果。
22.如图2、3、4所示，所述单元环架1包括环架11、支撑机构12、牵拉机构13和行走机构14，环架11用于放置支撑机构12、牵拉机构13和行走机构14，所述支撑机构12、牵拉机构13和行走机构14均间隔设置在环架11上，所述运动连接结构2连接在相邻单元环架1的环架11上，所述支撑机构12用于支撑管片，起到顶推的应力补偿作用，所述牵拉机构13用于牵拉管片，起到牵引的应力补偿作用，所述行走机构14用于行走和自转调整位置。
23.如图8、9、10所示，进一步地，所述支撑机构12包括安装座121、伸缩座122和撑靴123，所述安装座121固定连接在环架11上，所述撑靴123通过伸缩座122设在安装座121上，所述撑靴123上设有应力检测装置；所述牵拉机构13包括安装座121、伸缩座122和卡爪131，所述卡爪131通过伸缩座122设在安装座121上；所述行走机构14包括安装座121、伸缩座122和行走轮141，所述行走轮141通过伸缩座122设在安装座121上。
24.优选的，所述安装座121设在环架11中，位于前后两个环板之间，既起到安装支撑机构12的作用，也增加环架11的结构强度和稳定性。
25.优选的，所述撑靴123的顶面与管片的内壁弧面相匹配，所述应力检测装置为应力片，应力片嵌设在撑靴123的顶部中心，起到实时检测应力数值的作用，应力片与控制系统连接，将实时应力数值数据传输至控制系统中。
26.优选的，所述支撑机构12均匀间隔设在环架11上，共设置8个，所述撑靴123的伸缩行程为10cm；所述牵拉机构13间隔设在环架11上，共设置6个，并且牵拉机构13的设置位置与隧道管片的吊装孔位置相匹配，通过装置自转实现牵拉机构13与隧道管片吊装孔的位置对应。
27.如图9所示，优选的，所述卡爪131包括抓举装置和管片吊装头，管片吊装头设在抓举装置外端，在进行应力补偿时，抓举装置先将管片吊装头拧入管片吊装孔中，待管片吊装头和管片吊装孔连接牢固后，通过伸缩座122的回缩带动卡爪131回缩，进而起到牵拉作用，实现对隧道管片的牵引应力补偿作用，防止管片出现拉伸、收敛超限、甚至挤压破损的问题。
28.优选的，所述支撑机构12、牵拉机构13和行走机构14上的伸缩座122均与牵引控制结构上的伸缩系统连接，通过伸缩系统实现不同位置上的支撑机构12、牵拉机构13和行走机构14的灵活的应力补偿。
29.优选的，安装座121采用工字钢焊接而成，并焊接在前后两个环板之间。
30.优选的，所述行走轮141为万向轮，实现轴向移动和绕轴自转，进而调整支撑机构12和牵拉机构13的位置，使得牵拉机构13能够与管片吊装孔相对应。
31.如图5、6、7所示，进一步地，所述环架11包括上环架和下环架，分为上环架和下环架方便下井，并且在井下只需要进行上环架和下环架的拼装即可，降低操作难度，所述上环架和下环架均包括半环架体111和支撑架体112，所述支撑架体112位于半环架体111的内部，所述上环架的半环架体111和下环架的半环架体111相互拼接，拼接成环形的环架11，所述上环架的支撑架体112和下环架的支撑架体112相互连接，起到支撑环架11的作用。
32.优选的，所述上环架和下环架上分别设有企口，上环架和下环架通过企口拼接，并通过设在拼接位置外侧的连接板进行固定连接。
33.优选的，所述连接板通过连接螺栓连接，所述连接板位于环架11的前后两侧，连接螺栓穿过环架11将前后两个连接板锁固连接。
34.进一步地，所述半环架体111包括环板和连接杠，所述连接杠间隔设置在前后两个环板之间；所述上环架的环板和下环架的环板通过连接板连接。
35.优选的，所述环板为钢板，所述连接杠为工字钢，焊接连接在前后两个环板之间。
36.优选的，所述上环架和下环架上的支撑架体112连接后形成井字型支撑架，对环架11进行支撑。
37.如图11所示，进一步地，所述运动连接结构2包括连接底座21和伸缩装置22，所述连接底座21活动连接在伸缩装置22的两端，两个连接底座21分别设在相邻的两个单元环架1上。
38.优选的，所述连接底座21通过万向球头活动连接在伸缩装置22的两端，采用万向球头连接，使得应力补偿装置能够实现弯曲布设，进而满足隧道的弧形曲率，保证支撑效果。
39.如图2所示，进一步地，所述单元环架1上设有扫描探测装置，所述扫描探测装置包括扫描仪和位移探测仪，所述扫描仪设在单元环架1的后侧，用于扫描隧道管片的位置、形态以及管片吊装孔的位置，形成先行隧道的现状数据，作为施工过程中隧道参数变化的对比基础，所述位移探测仪设在单元环架1的前侧，用于扫描隧道洞内收敛情况，作为控制系统的调整基础。
40.进一步地，所述牵引控制结构包括平板车、控制系统和伸缩系统，所述控制系统与支撑机构12、牵拉机构13、行走机构14、运动连接结构2、扫描探测装置和伸缩系统连接，所述伸缩系统与支撑机构12、牵拉机构13、行走机构14和运动连接结构2连接。
41.优选的，所述平板车通过销轴连接在应力补偿结构上，销轴活动连接在应力补偿结构，在应力补偿结构绕轴自转时，平板车不随应力补偿结构一起自转，通过应力补偿结构的移动带动平板车移动，控制系统和伸缩系统设在平板车上。
42.优选的，所述伸缩系统为液压泵站，所述伸缩座122和伸缩装置22均为液压油缸，并与伸缩系统连接。
43.优选的，所述控制系统内置有施工前地质及隧道的基础参数数据，用于接收扫描探测装置的数据，并实时接收应力检测装置以及先行隧道中安装的监测仪器的数据，对上述数据进行收集、分析计算后，根据情况实时调整不同位置处的伸缩座122和伸缩装置22的
伸缩实现应力补偿。
44.如图1所示，小净距盾构隧道施工的隧道应力补偿装置的施工方法，包括以下步骤：s1，先行隧道施工：先进行先行隧道的施工，并在先行隧道中安装监测仪器，然后进行后行隧道的前期施工；监测仪器包括土压力盒、应力计和应变片，土压力盒用于感知土体对管片的挤压变化，管片内安装应力计以及管片内侧安装应变片用于感知混凝土管片应力和应变的数据；上述数据与扫描数据配合进行应力补偿结构的应力补偿；s2，应力补偿装置预组装：在地面进行上环架和下环架的组装，然后将支撑机构12、牵拉机构13和行走机构14安装在上环架和下环架上，安装完成后吊装下井；s3，组装成型：在井内将上环架和下环架进行拼装形成单元环架1，通过固定支架保持单元环架1处于竖直状态，在单元环架1之间安装运动连接结构2组成应力补偿结构，与牵引控制结构连接，并将控制系统和伸缩系统与应力补偿结构连接，完成应力补偿装置的组装成型；s4，隧道扫描：应力补偿装置自行进入先行隧道中，利用扫描探测装置扫描隧道，确定隧道管片状态及收敛情况、识别出管片吊装孔位置，并将扫描数据传输至控制系统中；s5，装置展开预支：根据后行隧道的施工进度，将应力补偿装置移动至应力补偿位置处并展开，所有单元环架1缩回行走机构14、伸出支撑机构12支撑在管片内壁上、伸出牵拉机构13与管片吊装孔连接，对先行隧道的管片进行预支，此时只进行支撑机构12和牵拉机构13的连接预紧，并不进行应力补偿；s6，隧道管片应力补偿：后行隧道进行掘进施工，根据先行隧道中的检测仪器的实时检测数据与扫描探测装置扫描到的扫描数据进行对比分析，根据实时对比结果分别控制不同单元环架1上不同位置处的支撑机构12和牵拉机构13进行实时调整，对先行隧道管片进行相应的应力补偿；s7，装置移动：当前环段的后行隧道掘进完成后，应力补偿装置自行移动至下一环段进行预支；s8，持续施工：根据s4-s7的顺序，按照先对先行隧道进行预支，然后进行后行隧道掘进的操作进行施工，直至后行隧道施工完成。
45.进一步地，步骤s7中，应力补偿装置自行移动的操作如下：先进行收缩，位于首端第一个单元环架1的支撑机构12和牵拉机构13处于伸出状态，其余单元环架1的支撑机构12和牵拉机构13缩回，并伸出行走机构14，由首到尾逐个控制相邻单元环架1之间的运动连接结构2缩回，完成应力补偿装置的收缩；完成收缩后，首端第二个单元环架1缩回行走机构14、伸出支撑机构12和牵拉机构13进行支撑，首端第一个单元环架1伸出行走机构14，缩回支撑机构12和牵拉机构13，控制首端第一个单元环架1和首端第二个单元环架1之间的运动连接结构2伸出，推动首端第一个单元环架1前移，按照由首到尾的顺序通过上述操作将单元环架1依次前移，直至尾端的单元环架1推动其余的单元环架1前移就位，完成应力补偿装置的自行移动。
46.进一步地，步骤s5中，单元环架1缩回行走机构14前，根据步骤s4中的扫描数据将应力补偿装置进行绕轴线转动，调整其朝向，使得牵拉机构13与管片吊装孔相对应。
47.进一步地，步骤s7中，当前环段施工完成后，后行隧道内的盾构机的传输信号至应
力补偿装置，应力补偿装置自行移动至下一施工环段并按照s4-s6的操作自动展开并进行应力补偿。
48.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。