一种大埋深矩形或类矩形隧道盾构施工装置及方法与流程

本发明涉及地下工程施工技术领域，尤其涉及一种大埋深矩形或类矩形隧道盾构施工装置及方法。

背景技术：

对于埋深较大的隧道工程结构，一般采用圆形或马蹄形断面。但有时圆形或马蹄形断面的空间利用率较低，比如大埋深的公路隧道，采用圆形或马蹄形断面往往会造成使用空间的极大浪费，而采用矩形或类矩形断面更为经济合理；一般地，矩形或类矩形断面的隧道工程多采用矿山法施工，工效低且安全风险高，而采用盾构法可以提高施工效率，降低安全风险，但是隧道的衬砌结构需要分块拼装，矩形或类矩形断面管片采用常规的钢筋混凝土结构拼装难度非常大，且拼装后整体性差，结构容易失稳，而且在大埋深的条件下这种钢筋混凝土管片的厚度将会非常大，不仅增加了施工的难度，还造成了建设成本和安全风险的增加。

如何在安全可靠的前提下完成大埋深矩形或类矩形断面隧道的快速施工，而且还要满足大埋深高荷载下管片结构的承载力要求，并且尽可能地提高隧道空间利用率，从而实现更高更好的经济效益和社会效益，这是一个亟待解决、亟待完善、意义深远的课题。

技术实现要素：

本发明的发明目的：

针对上述既有技术的不足，本发明目的在于提供一种适用于大埋深，可装配式机械化建造的矩形或类矩形隧道盾构施工装置，提高施工过程中的安全可靠性能，加快施工进度，且提供一种经济能耗优宜的新型施工方法。

本发明的技术方案为：

提供了一种大埋深矩形或类矩形隧道盾构施工装置，该装置主要由盾构主机、后配套、模板台车组成，在盾构主机的前端面设置有组合旋转刀盘，在盾构主机的后端设置有矩形管片拼装机，在矩形管片拼装机后端部的支撑悬臂梁上连接有模板伸缩油缸，在模板伸缩油缸的另一端连接固定有模板，在模板上预留设置有注浆口，注浆口通过管道与混凝土注浆机相连接，混凝土注浆机固定在后配套的前端部，后配套与盾构主机相连且同步移动，在后配套的后端设置有模板台车。

所述的模板台车外部呈龙门拱形设置，在模板台车的下部车脚位置处设置有行走电机，在模板台车上部还连接固定有伸缩油缸，在伸缩油缸外侧还连接设置有浇筑模板，在浇筑模板上设置有注浆孔。

所述的矩形管片拼装机拼装的管片采用工厂预制式加工，由多个管片节相互拼接而成，管片节之间通过螺栓固定连接，断面为矩形或类矩形。

根据上述任一项所述的一种大埋深矩形或类矩形隧道盾构施工装置所采用的施工方法为：

（1）、首先进行隧道开挖，盾构主机带动组合旋转刀盘旋转，在液压油缸的作用下，切削土体的同时沿设计线路向接收井推进，挖出的土体通过运渣车运至弃渣场地；

（2）、进行矩形或类矩形钢管片拼装，随着盾构主机的向前推移同步进行，通过管片输送机将预制钢管片吊装就位，管片拼装机进行矩形钢管片的拼装，并将拼装的管片通过螺栓连接；环向管片利用相邻管片间预留的孔洞，进行螺栓连接；纵向管片利用环与环之间的预留孔洞，进行螺栓连接；

（3）、架设临时支撑，在盾构机推进过程中，装配式的矩形钢管片起到临时支撑的作用，保证围岩的稳定性，如果隧道跨度较大应在钢管片跨中位置设置一道或多道临时支撑；

（4）、进行矩形或类矩形钢管片内混凝土浇筑，主要利用模板伸缩油缸、模板支架、混凝土注射装置对钢管片槽内注射混凝土，在掘进过程中拼装完成的矩形或类矩形钢管片兼具内模的作用，混凝土浇筑完成后，混凝土与型钢形成组合结构；

（5）、二次砌衬施工，在盾构机掘进的同时，模板台车紧随其后，行走于下部钢管片布置的钢轨上，在盾构主机推进一定距离后，二次衬砌的施工可以适时开展，形成流水作业，应用混凝土浇筑设备，并配合使用模板台车施工；

（6）、重复上述（1）～（5）过程至隧道掘进贯通。

本发明的有益效果是：

（1）通过引进矩形盾构机和矩形管片，形成矩形截面隧道，可以大幅提升隧道掘进空间的利用率，相较常规的圆形截面，矩形截面的空间利用率提升可达20%。同时，矩形管片的一次成型，减免二衬和内装饰时诸多不便；

（2）通过引进装配式的钢管片形式，可以起到临时支撑作用，保障施工安全性，适用于大埋深工况，同时可以大幅提高机械化施工的速度；

（3）通过二衬施工，实现钢管片与混凝土的组合，组合发挥两者的材料优势，提高组合管片的承载力和耐久性。

（4）整个施工过程清晰流畅，施工过程可控性强，可组织性好，施工质量容易得到保障；

（5）该施工装置及方法将矩形截面、组合结构、装配化建造引入隧道施工中，从地下空间利用率，材料利用率，施工速度、施工组织管理诸多方面降低成本，具有显著的经济效益。

附图说明

图1为本发明的结构盾构装置的结构示意图；

图2为本发明的模板台车的结构示意图；

图3为本发明的矩形管片拼装的结构示意图。

图中；1为盾构主机；2为后配套；3为模板台车；4为组合旋转刀盘；5为矩形管片拼装机；6为支撑悬臂梁；7为模板伸缩油缸；8为模板；9为注浆口；10为管道；11为混凝土注浆机；12为行走电机；13为伸缩油缸；14为浇筑模板；15为注浆孔；16为管片节。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做出详细的描述。

如图1～3所示，提供了一种大埋深矩形或类矩形隧道盾构施工装置，该装置主要由盾构主机1、后配套2、模板台车3组成，在盾构主机的前端面设置有组合旋转刀盘4，在盾构主机的后端设置有矩形管片拼装机5，在矩形管片拼装机后端部的支撑悬臂梁6上连接有模板伸缩油缸7，在模板伸缩油缸7的另一端连接固定有模板8，在模板上预留设置有注浆口9，注浆口通过管道10与混凝土注浆机11相连接，混凝土注浆机11固定在后配套2的前端部，后配套与盾构主机相连且同步移动，在后配套2的后端设置有模板台车3。

所述的模板台车外部呈龙门拱形设置，在模板台车3的下部车脚位置处设置有行走电机12，在模板台车3上部还连接固定有伸缩油缸13，在伸缩油缸13外侧还连接设置有浇筑模板14，在浇筑模板上设置有注浆孔15。

所述的矩形管片拼装机拼装的管片采用工厂预制式加工，由多个管片节16相互拼接而成，管片节之间通过螺栓固定连接，断面为矩形或类矩形。

根据上述任一项所述的一种大埋深矩形或类矩形隧道盾构施工装置所采用的施工方法为：

（1）、首先进行隧道开挖，盾构主机带动组合旋转刀盘旋转，在液压油缸的作用下，切削土体的同时沿设计线路向接收井推进，挖出的土体通过运渣车运至弃渣场地。

（2）、进行矩形或类矩形钢管片拼装，随着盾构主机的向前推移同步进行，通过管片输送机将预制钢管片吊装就位，管片拼装机进行矩形钢管片的拼装，并将拼装的管片通过螺栓连接；环向管片利用相邻管片间预留的孔洞，进行螺栓连接；纵向管片利用环与环之间的预留孔洞，进行螺栓连接。

（3）、架设临时支撑，在盾构机推进过程中，装配式的矩形钢管片起到临时支撑的作用，保证围岩的稳定性，如果隧道跨度较大应在钢管片跨中位置设置一道或多道临时支撑。

（4）、进行矩形或类矩形钢管片内混凝土浇筑，主要利用模板伸缩油缸、模板支架、混凝土注射装置对钢管片槽内注射混凝土，在掘进过程中拼装完成的矩形或类矩形钢管片兼具内模的作用，混凝土浇筑完成后，混凝土与型钢形成组合结构。

（5）、二次砌衬施工，在盾构机掘进的同时，模板台车紧随其后，行走于下部钢管片布置的钢轨上，在盾构主机推进一定距离后，二次衬砌的施工可以适时开展，形成流水作业，应用混凝土浇筑设备，并配合使用模板台车施工。

（6）、重复上述（1）～（5）过程至隧道掘进贯通。

本发明首先提供了一种矩形盾构掘进的成套设备,该设备由盾构主机、模板伸缩油缸、模板、钢管片、混凝土注射装置、后配套以及模板台车等部分组成；在选用时盾构主机的刀盘为组合旋转刀盘，该刀盘旋转开挖切削扭矩大、搅拌扭矩低，对周围土体扰动小，同时盾体跳动小，有利于顶管姿态控制及地表沉降控制，设备后期的运行可靠性高；该盾构装置的盾壳为组合超宽盾壳，主要承受水土压力及地面载荷压力；该装置的管片拼装机采用矩形管片拼装设计；矩形管片的注浆主要借助盾构主机尾盾布置的模板支架完成，模板支架上布置有模板伸缩油缸，油缸一端与管片拼装机支撑悬臂梁连接，一端连接模板，模板上预留注浆口，注浆口通过泥浆管与凝土注射机连接；在盾构机运行一定行程后，模板伸缩油缸提升将模板压紧矩形钢管片，然后进行混凝土的成型浇筑，在浇筑完成后收缩模板伸缩油缸，跟随盾构主机一同向接收井移动，后配套与盾构主机相连，同步移动；在该设备的最后端还设置有模板台车，其主要用于二衬结构的施工，位于盾构机之后，与盾构机分离单独工作，该模板台车的外形呈现龙门拱形，下方可穿行双头钢管片运输车和运渣小车；在具体的工作中，模板台车模板可在液压油缸的作用下收缩、伸展，在需要工作时，其在液压油缸上连接的浇筑模板收缩脱离钢管片一定安全距离，在行走电机的带动下行走到下一工位，当到达指定工位后模板台车浇筑模板在伸缩油缸的带动下外伸贴合钢管片，在矩形或类矩形钢管片内形成封闭空间，进行素混凝土浇筑，待混凝土凝固具备一定强度后，模板台车模板再次收缩、行走到下一工位，依此往复完成隧洞的二次衬砌。

为了配合本发明的大埋深盾构装置的安全且高效率的工作，还提供了一种装配式钢管片与现浇模筑混凝土相结合的衬砌结构形式；该管片由多块工厂预制的钢管片在现场拼装而成，管片断面为矩形或类矩形；各组成部分的连接，既可以采用螺栓的方式，也可采用焊接的方式；钢管片设置横纵加劲肋以增强钢管片整体和局部的强度、刚度以及稳定性；钢管片环与环的连接通过预留的孔洞采用高强螺栓进行连接，管片环向各管片之间的拼接可通过环向各管片间预留的孔洞进行螺栓连接；从而有效增强整个隧道结构的整体稳定性；钢管片拼装完成后，通过现浇模筑形成组合结构，实现型钢与混凝土的共同受力，协同工作。