用于控制后靠管片变形的实时调节系统及方法与流程

本发明涉及隧道工程领域，特指一种用于控制后靠管片变形的实时调节系统及方法。

背景技术：

随着城市地下空间开发的快速发展，联络通道作为沟通两条相邻隧道的应急通道，其建设需求大幅提高，相比于传统的暗挖法施工，机械设备法隧道联络通道在施工安全性、建设工期以及造价方面有较大的优势。隧道联络通道顶管法是顶管机在已成型的主隧道内切削混凝土管片后掘进未预先加固地层的一种机械施工方法。顶管机向前掘进所需的推进反力则最终由主隧道结构及其外侧土体共同承担，顶管机每向前顶进一个管节距离，顶进千斤顶就会回缩，新管节就位后千斤顶再次顶进，如此反复，主隧道结构及其外侧土体将面临频繁的加载-卸载工况。为控制顶进过程中主隧道结构变形，保证施工安全，施工前通常会对联络通道处主隧道结构进行加强或对外侧土体进行预加固。

现有的做法在顶管顶进施工过程中，对于主隧道结构的变形控制往往停留在被动监控的程度，只要变形不超过设计要求，一般不会采取额外控制措施，而由于主隧道结构和背后土体在加载-卸载工况作用下，两者的回弹变形并非保持一致，会使得管片和背后土体脱开，增加管片的荷载分担比，同时也可能产生类似金属的“疲劳”效应，不利于隧道结构的变形控制和受力安全。如果顶进过程中主隧道变形超过设计指标，则将导致联络通道停工，并对壁后土体进行多次注浆，额外增加了工期和成本，削弱了机械设备法隧道联络通道的优势。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种用于控制后靠变形的实时调节系统及方法，解决现有技术中不能解决推进反力的频繁加卸载对隧道管片变形和受力的不利影响，及变形超限时额外增加工期和成本的的问题。

实现上述目的的技术方案是：

本发明提供了一种用于控制后靠管片变形的实时调节方法，所述后靠管片为主隧道中承受顶管顶进反力作用的管片，所述实时调节方法包括如下步骤：

于所述后靠管片处的土体内施工隔离墙，并使得所述隔离墙与所述后靠管片的外表面围合形成一密封腔，通过所述密封腔包围所述后靠管片的外表面处的土体；以及

在所述顶管机掘进施工的过程中，实时检测所述后靠管片的变形量，并根据所述变形量动态的调整向所述密封腔内注入的非可硬性浆液的注入量，从而实现控制所述后靠管片的变形。

本发明提供了一种实时调节来控制后靠管片变形的方法，先于后靠管片对应的土体中施工隔离墙以形成一与后靠管片对应的密封腔，从而根据后靠管片的变形量来调整向密封腔内注入非可硬性浆液的注入量来控制后靠管片的变形，实现了实时调控的效果，弥补了现有技术中，后靠管片变形控制重事前预防和事后处置、轻事中控制的不足，实现了后靠管片变形的事中动态控制。解决了现有技术中仅被动监控管片的变形程度而无应对措施的问题，还避免了变形超限情况的发生，从而避免了额外增加工期和成本的问题。

本发明用于控制后靠管片变形的实时调节方法的进一步改进在于，施工隔离墙，包括：

从所述主隧道的管片上的预留注浆孔打设注浆管，令所述注浆管穿过对应的管片而打入至对应的管片外侧的土体内；

通过所述注浆管向土体内注入可硬性浆液从而形成所述隔离墙。

本发明用于控制后靠管片变形的实时调节方法的进一步改进在于，施工隔离墙时，将与所述后靠管片连接的隔离墙设于所述后靠管片的边缘，并与所述后靠管片垂直连接。

本发明用于控制后靠管片变形的实时调节方法的进一步改进在于，在所述顶管机掘进施工之前，还包括：

从所述后靠管片上的预留注浆孔打设泥浆注入管，令所述泥浆注入管打入至所述密封腔内；

于所述泥浆注入管上位于所述主隧道内的端部处连接双向泥浆泵，通过所述双向泥浆泵可向所述密封腔内注入非可硬性浆液以增加所述后靠管片外表面处的压力，还可从所述密封腔内抽取所注入的非可硬性浆液以减小所述后靠管片外表面处的压力，从而实现了动态的调整非可硬性浆液的注入量和所述后靠管片外表面处的压力。

本发明用于控制后靠管片变形的实时调节方法的进一步改进在于，实时检测所述后靠管片的变形量，包括：

于所述后靠管片的内表面安装一用于检测管片收敛变形的传感器，通过所述传感器实时检测所述后靠管片的变形量。

本发明还提供了一种用于控制后靠管片变形的实时调节系统，所述后靠管片为主隧道中承受顶管顶进反力作用的管片，所述实时调节系统包括：

设于所述后靠管片处的土体内的隔离墙，所述隔离墙与所述后靠管片的外表面围合形成一密封腔，通过所述密封腔包围所述后靠管片的外表面处的土体；

安装于所述后靠管片上的检测单元，用于实时检测所述后靠管片的变形量；以及

与所述密封腔和所述检测单元均连接的注浆单元，用于根据所述变形量动态的调整向所述密封腔内注入的非可硬性浆液的注入量，从而实现控制所述后靠管片的变形。

本发明用于控制后靠管片变形的实时调节系统的进一步改进在于，与所述后靠管片连接的所述隔离墙设于所述后靠管片的边缘并与所述后靠管片垂直连接。

本发明用于控制后靠管片变形的实时调节系统的进一步改进在于，所述注浆单元包括从所述后靠管片上的预留注浆孔打入所述密封腔内的泥浆注入管、与所述注浆管连接的双向泥浆泵以及与所述双向泥浆泵控制连接的控制模块；

所述控制模块与所述检测单元连接，所述控制模块可根据所述变形量控制所述双向泥浆泵向所述密封腔内注入非可硬性浆液以增加所述后靠管片外表面处的压力，还可根据所述变形量控制所述双向泥浆泵从所述密封腔内抽取所注入的非可硬性浆液以减小所述后靠管片外表面处的压力，从而实现了动态的调整后靠管片的变形。

本发明用于控制后靠管片变形的实时调节系统的进一步改进在于，所述注浆单元还包括安装于所述泥浆注入管上的压力传感器，所述压力传感器与所述控制模块连接，用于实时检测所述后靠管片外表面处的压力形成参考压力数据，并将所检测的参考压力数据发送给所述控制模块。

本发明用于控制后靠管片变形的实时调节系统的进一步改进在于，所述检测单元包括安装于所述后靠管片的内表面、且用于检测管片收敛变形的传感器，通过所述传感器实时检测所述后靠管片的变形量。

附图说明

图1为本发明用于控制后靠管片变形的实时调节系统及方法中主隧道、联络通道以及隔离墙的纵向剖视图。

图2为本发明用于控制后靠管片变形的实时调节系统及方法中主隧道、联络通道以及隔离墙的横向剖视图。

图3为本发明用于控制后靠管片变形的实时调节方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参阅图1，本发明提供了一种用于控制后靠管片变形的实时调节系统及方法，应用于顶管法施工隧道联络通道时支撑顶管机的管片处，由于顶管法施工中的顶管机会对后靠管片频繁的加载-卸下，顶管机对管片额外施加的荷载势必会对管片造成影响，本发明的实时调节系统及方法能够实时的进行调控，根据后靠管片的变形量来实时调整后靠管片外表面的作用力，以尽量减少后靠管片的变形，达到控制后靠管片变形的目的。下面结合附图对本发明用于控制后靠管片变形的实时调节系统及方法进行说明。

参阅图1，显示了本发明用于控制后靠管片变形的实时调节系统及方法中主隧道、联络通道以及隔离墙的纵向剖视图。下面结合图1，对本发明用于控制后靠管片变形的实时调节系统及方法进行说明。

如图1所示，本发明的用于控制后靠管片变形的实时调节系统应用于后靠管片111处，该后靠管片111为主隧道11上支撑顶管机31的管片，即主隧道11中承受顶管顶进反力作用的管片，顶管机31用于在两个主隧道11之间掘进施工联络通道12，在主隧道11的管片上对应待施工的联络通道12的位置处设置可切削的部分112，顶管机31的顶进千斤顶通过一后靠架与后靠管片111连接，通过顶进千斤顶顶推顶管机31前进，切削可切削的部分112而掘进施工联络通道12，在顶进千斤顶的顶进和回缩的时候，后靠管片111及其外侧的土体会受到加载-卸载工况。主隧道11和待形成的联络通道12均置于地下，即均埋设于土体10内，在主隧道11和待形成的联络通道12外周的土体为非加固结构，该土体对主隧道11和待形成的联络通道12的外表面会施加一定的水土压力，该水土压力作用于主隧道11的管片的外表面，所以在后靠管片111处的主要受力包括隧道外的水土压力、顶管机掘进产生的反力以及相邻管片的约束力，当该后靠管片111的受力不均衡时，极易发生变形。本发明提出实时调节系统针对后靠管片111在顶管机31掘进施工过程中的频繁的加载-卸载工况，用于控制后靠管片111的变形。

该实时调节系统包括隔离墙21、检测单元以及注浆单元，结合图2所示，隔离墙21设于后靠管片111处的土体10内，隔离墙21与后靠管片111的外表面围合形成一密封腔22，通过该密封腔22包围后靠管片111的外表面处的土体10。检测单元安装在后靠管片111上，用于实时检测后靠管片111的变形量，该变形量可以为后靠管片111的水平向位移量，也可以是后靠管片111的收敛变形量，通过检测单元可实时的检测后靠管片111的变形情况。注浆单元与密封腔22和检测单元连接，注浆单元获取检测单元检测的后靠管片111的变形量，并根据变形量动态的调整向密封腔22内注入的非可硬性浆液的注入量，从而实现控制后靠管片111的变形。注浆单元与密封腔22连接，用于向密封腔22内注入非可硬性浆液，所注入的非可硬性浆液受到隔离墙21的密封限制，而充填于密封腔22内，且非可硬性浆液为流动性浆液，不会凝固，该非可硬性浆液和密封腔22内的土体一起对后靠管片111的外表面施加作用力，从而注浆单元通过动态调整注入的非可硬性浆液的注入量，即实现了动态调整后靠管片111的外表面的作用力，达到了控制后靠管片111变形的效果。

较佳地，非可硬性浆液可采用膨润土浆液，也可以采用克泥效。

作为本发明的一较佳实施方式，如图1和图2所示，与后靠管片111连接的隔离墙21设于后靠管片11的边缘并与后靠管片111垂直连接。从而隔离墙21和后靠管片111围合形成的密封腔22能够完全对应于后靠管片111的外表面，使得注入密封腔22内的非可硬性浆液能够直接产生作用于后靠管片111上对应反力作用区(顶管机31顶进时产生的反力作用的范围)的作用力，也即作用于后靠管片111的整个外表面上。

本发明的后靠管片111为主隧道11的管片上对应顶管机31的部分，也即反力作用区处的管片部分为后靠管片111。在施工隔离墙21时，可沿着后靠管片111的四周施工四个依次连接的隔离墙21作为密封腔22的侧墙，接着施工密封腔22上与后靠管片111相面对的隔离墙21，该隔离墙21与其余四个隔离墙21密封连接，从而与后靠管片111一起围合形成了密封腔22，且密封腔22与后靠管片111的外表面相对应，使得注入密封腔22内的非可硬性浆液能够直接产生作用于后靠管片111外表面的作用力。

进一步地，在主隧道11的管片上设有预留注浆孔，本发明可利用该预留注浆孔施工隔离墙21。按照隔离墙21的施工范围向管片上的预留注浆孔打入注浆管，将注浆管的注浆口伸入到隔离墙21的设计位置处，进而向注浆管内压注可硬性浆液，该可硬性浆液在凝固后即在土体10中形成了具有一定强度且隔水的隔离墙21，隔离墙21为连续的墙体结构，扣设在后靠管片111的外侧，并与后靠管片111的边缘密封连接，从而形成了密封腔22。

较佳地，可硬性浆液可采用水泥浆，也可以采用水泥砂浆。

作为本发明的另一较佳实施方式，如图1所示，注浆单元包括从后靠管片111上的预留注浆孔打入密封腔22内的泥浆注入管23、与该泥浆注入管23连接的双向泥浆泵以及与该双向泥浆泵控制连接的控制模块；其中的双向泥浆泵可向密封腔22内压注浆液，也可从密封腔22内抽取浆液。控制模块与检测单元连接，该控制模块可根据检测单元实时检测的变形量来实时控制双向泥浆泵的运行，可控制双向泥浆泵向密封腔22内注入非可硬性浆液以增加后靠管片111外表面处的压力，还可控制双向泥浆泵从密封腔22内抽取所注入的非可硬性浆液以减小后靠管片111的外表面处的压力，从而实现了动态的调整非可硬性浆液的注入量。

当检测单元所检测得到的后靠管片111的变形量为向外侧变形，也即后靠管片111的内表面的受力大于外表面的受力，此时控制模块控制双向泥浆泵向密封腔22内注入非可硬性浆液，以增加后靠管片111的外表面的压力，从而减小后靠管片及隧道的变形。非可硬性浆液的注入量可逐渐增加，同时参照实时检测的变形量，至该变形量趋于零或趋于可接受的范围内时，即可停止非可硬性浆液的注入。当检测单元所检测得到的后靠管片111的变形量为向内侧变形，也即后靠管片111的外表面的受力大于内表面的受力，此时控制模块控制双向泥浆泵从密封腔22中抽取非可硬性浆液，以减小后靠管片111的外表面的压力，从而减小后靠管片及隧道的变形。在抽取非可硬性浆液的过程中，同时参照实时检测的变形量，至该变形量趋于零或趋于可接受的范围内时，可停止非可硬性浆液的抽取。本发明实现了动态的调节控制，能够及时有效的控制隧道及管片的变形。

较佳地，在每环管片上的泥浆注入管23连接单独的一台双向泥浆泵，利用单独设置的双向泥浆泵控制对应环的管片的泥浆注入管23的注浆量。这样可对应每环管片的注浆量进行单独的控制，实现变形的精确调控。

进一步地，在泥浆注入管23上靠近后靠管片111的内表面处依次连接有压力传感器和阀门，压力传感器用于检测压力，其所检测到的压力为后靠管片111的外表面所受到的压力，该压力传感器与注浆单元的控制模块连接，为控制模块的控制提供参考数据，控制模块在动态调整非可硬性浆液的注入量时，可参考压力传感器所检测到的压力，即后靠管片111外表面处的压力。在控制模块内设置有压力限值，当压力传感器检测的压力数值大于等于该压力限值时，控制模块停止非可硬性浆液的注入并报警提示现场施工人员进行处理，从而能够提高作业安全，避免压入密封腔22内的非可硬性浆液的量过大，而对后靠管片造成破坏。

作为本发明的又一较佳实施方式，检测单元包括安装在后靠管片111的内表面、且用于检测管片收敛变形的传感器，通过该传感器实时检测后靠管片111的变形量。该传感器与注浆单元的控制模块连接，将实时检测的信息发送给控制模块。

该控制模块可以为设置在主隧道11内的控制计算机，控制计算机根据管片收敛变形传感器和泥浆注入管23处的压力传感器的数据反馈，实时控制泥浆泵的开启和闭合，调整密封腔22泥浆注入量，调整后靠管片外表面的受力情况，保证顶管机顶进阶段隧道结构变形的稳定。

作为本发明的再一较佳实施方式，在主隧道11内靠近后靠管片111处设置有泥浆储存箱，该泥浆储存箱与双向泥浆泵连接，用于存储非可硬性浆液，双向泥浆泵将泥浆储存箱内的非可硬性浆液收取出并压注到密封腔22内，双向泥浆泵还可以将密封腔22内的非可硬性浆液抽出并送入到泥浆储存箱内进行存储。

下面本发明的实时调节系统的原理进行说明：隧道结构变形和接缝螺栓受剪的原因在于管片的内外表面受力的不平衡。顶管机施工过程中，后靠管片收到顶进反力作用，该后靠管片的主要受力包括顶进反力、隧道外水土压力和相连管片的约束力，相连管片的约束力用于平衡隧道内外的压差。在反力加载-卸载时，本发明的实时调节系统动态调整密封腔泥浆注入量，调整外侧水土压力与隧道内顶进反力趋于相平衡，尽量减少相连管片约束力和隧道变形。

在顶管法施工完成后，利用可硬性浆液替换密封腔22内的非可硬性浆液，使得密封腔22视为具有一定强度且防水的加固结构，然后封堵管片的预留注浆孔，拆除相关设施。

本发明的实时调节系统，在机械法联络通道顶进过程中，可实时调整反力作用处隧道外表面的作用力，有效控制反力加卸载作用下隧道结构内力，减缓“疲劳”效应，减小隧道结构变形；避免隧道变形超限后，联络通道停工，管片外侧二次注浆带来的工期和成本增加。

下面对本发明提供的用于控制后靠管片变形的实时调节方法进行说明。

本发明提供了一种用于控制后靠管片变形的实时调节方法，后靠管片为主隧道上支撑顶管机的管片，实时调节方法包括如下步骤：

如图3所示，执行步骤s101，于土体内施工隔离墙，并与后靠管片围合形成一密封腔；结合图1和图2所示，于后靠管片111处的土体10内施工隔离墙21，并使得隔离墙21与后靠管片111的外表面围合形成一密封腔22，通过密封腔22包围后靠管片111的外表面处的土体；接着执行步骤s102；

执行步骤s102，顶管机施工中，实时根据检测的后靠管片的变形量动态调整向密封腔内注入的非可硬性浆液的注入量以控制后靠管片的变形。在顶管机31掘进施工的过程中，实时检测后靠管片111的变形量，并根据变形量动态的调整向密封腔22内注入的非可硬性浆液的注入量，从而实现控制后靠管片111的变形。

本发明的实时调节方法用于采用顶管法施工主隧道11间的联络通道12时主隧道11管片上作为顶管机31支撑的管片(后靠管片111)的变形控制，顶管机31通过后靠架与主隧道11上对应的管片连接，该后靠架在顶管机31顶进的过程中会对连接的管片施加反力，该反力作用区的管片即为后靠管片111。本发明的调节方法在后靠管片的外侧土体10中施工对应的隔离墙，利用隔离墙和后靠管片的外表面围合形成一个密封腔，接着通过控制向密封腔内注入非可硬性浆液的注入量来调节后靠管片的外表面的压力，从而可控制后靠管片的变形。解决了现有技术中仅被动监控管片的变形程度而无应对措施的问题，还避免了变形超限情况的发生，从而避免了额外增加工期和成本的问题。

作为本发明的一较佳实施方式，该实时调节方法中的施工隔离墙的步骤包括：

如图1和图2所示，从主隧道11的管片上的预留注浆孔打设注浆管，令注浆管穿过对应的管片而打入至对应的管片外侧的土体10内；较佳地，注浆管的打设位置根据隔离墙的设置范围来确定；

通过注浆管向土体10内注入可硬性浆液从而形成隔离墙21。所形成的隔离墙是具有一定的强度、防水且连续的墙体。

较佳地，可硬性浆液可采用水泥浆，也可以采用水泥砂浆。

进一步地，在施工隔离墙21时，将与后靠管片111连接的隔离墙21设于后靠管片111的边缘，并与后靠管片111垂直连接。从而隔离墙21和后靠管片111围合形成的密封腔22能够完全对应于后靠管片111的外表面，使得注入密封腔22内的非可硬性浆液能够直接产生作用于后靠管片111上对应反力作用区(顶管机31顶进时产生的反力作用的范围)的作用力，也即作用于后靠管片111的整个外表面上。

作为本发明的另一较佳实施方式，在顶管机31掘进施工之前，还包括：

从后靠管片111上的预留注浆孔打设泥浆注入管23，令泥浆注入管23打入至密封腔22内；

于泥浆注入管23上位于主隧道11内的端部处连接双向泥浆泵，通过双向泥浆泵可向密封腔22内注入非可硬性浆液以增加后靠管片111外表面处的压力，还可从密封腔22内抽取所注入的非可硬性浆液以减小后靠管片111外表面处的压力，从而实现了动态的调整非可硬性浆液的注入量。

当所检测得到的后靠管片111的变形量为向外侧变形，也即后靠管片111的内表面的受力大于外表面的受力，此时双向泥浆泵向密封腔22内注入非可硬性浆液，以增加后靠管片111的外表面的压力，从而减小后靠管片及隧道的变形。非可硬性浆液的注入量可逐渐增加，同时参照实时检测的变形量，至该变形量趋于零或趋于可接受的范围内时，即可停止非可硬性浆液的注入。当所检测得到的后靠管片111的变形量为向内侧变形，也即后靠管片111的外表面的受力大于内表面的受力，此时双向泥浆泵从密封腔22中抽取非可硬性浆液，以减小后靠管片111的外表面的压力，从而减小后靠管片及隧道的变形。在抽取非可硬性浆液的过程中，同时参照实时检测的变形量，至该变形量趋于零或趋于可接受的范围内时，可停止非可硬性浆液的抽取。本发明实现了动态的调节控制，能够及时有效的控制隧道及管片的变形。

较佳地，在每环管片上的泥浆注入管23连接单独的一台双向泥浆泵，利用单独设置的双向泥浆泵控制对应环的管片的泥浆注入管23的注浆量。这样可对应每环管片的注浆量进行单独的控制，实现变形的精确调控。

作为本发明的又一较佳实施方式，实时检测后靠管片的变形量，包括：

于后靠管片111的内表面安装一用于检测管片收敛变形的传感器，通过传感器实时检测后靠管片的变形量。

进一步地，为双向泥浆泵控制连接一控制计算机，将控制计算机与用于检测管片收敛变形的传感器连接，实时接收后靠管片的变形量，控制计算机根据管片收敛变形传感器的数据反馈，实时控制泥浆泵的开启和闭合，调整密封腔22泥浆注入量，调整后靠管片外表面的受力情况，保证顶管机顶进阶段隧道结构变形的稳定。

进一步地，在泥浆注入管23上靠近后靠管片111的内表面处依次连接有压力传感器和阀门，压力传感器用于检测压力，其所检测到的压力为后靠管片111的外表面所受到的压力，该压力传感器与控制计算机连接，为控制计算机的控制提供参考数据，控制计算机在动态调整非可硬性浆液的注入量时，可参考压力传感器所检测到的压力，即后靠管片111外表面处的压力。在控制模块内设置有压力限值，当压力传感器检测的压力数值大于等于该压力限值时，控制模块停止非可硬性浆液的注入并报警提示现场施工人员进行处理，从而能够提高作业安全，避免压入密封腔22内的非可硬性浆液的量过大，而对后靠管片造成破坏。

作为本发明的再一较佳实施方式，在主隧道11内靠近后靠管片111处设置有泥浆储存箱，该泥浆储存箱与双向泥浆泵连接，用于存储非可硬性浆液，双向泥浆泵将泥浆储存箱内的非可硬性浆液收取出并压注到密封腔22内，双向泥浆泵还可以将密封腔22内的非可硬性浆液抽出并送入到泥浆储存箱内进行存储。

在顶管法施工完成后，利用可硬性浆液替换密封腔22内的非可硬性浆液，使得密封腔22视为具有一定强度且防水的加固结构，然后封堵管片的预留注浆孔，拆除相关设施。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。