一种控制盾构隧道管片上浮的装置及方法

1.本发明属于地下工程施工技术领域，具体是涉及一种控制盾构隧道管片上浮的装置及方法。


背景技术：

2.近年来盾构法应用越来越广泛，尤其是在过江隧道和城市地铁中。但是盾构隧道也出现了很多问题，施工阶段管片脱离盾尾后，容易出现上浮现象，可能会引起管片错台与破损、环间螺栓剪断，渗漏水等安全事故的发生，严重影响隧道成型质量。控制管片上浮为隧道施工的重要一环，也是影响隧道成型质量的重要因素。
3.目前，发明人发现，在盾构隧道施工的过程中，当管片上浮时一般采用选择合适的浆液、控制盾构机的姿态、采用恰当是注浆方法等，这些处理措施在实施工程中加大了施工强度和精细度，对施工人员的素质要求较高，并且对控制管片上浮的效果不明显。
4.在专利202110755608.5中公开了一种防止管片上浮的壁后缓冲囊袋装置及其施工方法，该专利利用壁后缓冲囊袋装置，向管片外侧的囊袋体中充入高压气体，充气完成之后，再进行盾尾空隙的同步注浆，此时囊袋体受到气压作用的膨胀，接触到外侧围岩后给予管片相应的反力，来抵消地下水和浆液所产生的上浮力，管片上浮得到有效控制之后，再对囊袋进行注浆，对囊袋进行填充，施工完成。在其整个的施工过程中，主要是通过设置在管片外侧的高压囊袋与围压的接触，从而起到对盾构管片上浮控制的目的。
5.该方法存在以下问题：
6.1.该专利中提及的壁后缓冲囊袋装置，是通过管片上开设的孔洞实现安装，这种在管片上打孔发方式进行安装会破坏力管片结构的完整性，虽对管片受力可能影响不大，但对管片的防水会产生较大的不利影响，造成隧道渗漏水；
7.2、该专利所提及的壁后缓冲囊袋装置需要在一环管片每一块(标准块、邻接块及封顶块)上进行安装，安装数量多，施工繁冗。
8.3、从该专利的示意图中可看出，每个缓冲囊袋装置的尺寸都比较小，可能在管片外侧和囊袋贴合处产生应力集中，从而可能造成管片的结构性破坏。
9.4、专利提及要向囊袋体中充入高压气体，还要与外侧的围岩相接触、挤压，因此容易造成囊袋爆炸，对管片结构和施工人员生命安全产生威胁。


技术实现要素：

10.针对现有技术存在的不足，本发明提供的是一种简单易安装、施工简便、最大程度上减小对管片的破坏，适用性强的控制管片上浮的方法，可以减少施工工人的施工强度，缩短施工时间，保证管片的完整性，同时可以有效地预防和控制管片的上浮。
11.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
12.第一方面，本发明的实施例提供了一种控制盾构隧道管片上浮的装置，包括囊袋筒、囊袋、筒盖、内置筒；所述的囊袋筒顶部敞口，底部设有一个孔，且底部与筒盖配合，在通
盖上设有堵头；所述的囊袋储存在囊袋筒中，并且囊袋的开口端固定在囊袋筒的底部，在囊袋内设置有一个内置筒，内置筒底部和顶部均敞口，内置筒插装在囊袋筒的底部的孔中，且内置筒与囊袋筒同轴设置，在筒盖上设有堵头。
13.作为进一步的技术方案，所述的筒盖还可以与注浆转换接头相连。
14.作为进一步的技术方案，还包括辅助装置，所述的辅助装置由竖杆和横杆组成，所述的竖杆和横杆之间过弹性件相连。
15.作为进一步的技术方案，所述囊袋包括圆弧形囊袋以及设置在圆弧形囊袋中心且沿着其圆弧形囊袋径向分布的柱形囊袋，柱形囊袋与圆弧形囊袋相连通。
16.作为进一步的技术方案，所述的柱形囊袋的敞口端通过热熔的方式固定在囊袋筒底部，且与囊袋筒底部的孔连通。
17.作为进一步的技术方案，所述的囊袋筒直径略小于管片二次注浆孔的直径。
18.作为进一步的技术方案，所述的囊袋筒的一侧设有向囊袋内充气的充气口。
19.作为进一步的技术方案，所述筒盖中与堵头配合的孔为注浆转换接头的连接口，或者充气接头的连接口。
20.作为进一步的技术方案，所述圆弧形囊袋在管片周长方向约占整个管片周长的1/6～1/4。
21.第二方面，本发明还提供了利用所述的控制盾构隧道管片上浮的装置进行上浮控制的方法，如下：
22.在盾构管片安装后，打开上部管片的二次注浆孔，将囊袋筒的上部安装到注浆孔中固定好；再将充气泵连接到气密芯对气囊进行充气，当气囊难以伸展时，取下圆堵头，将辅助装置伸出至盾尾空隙中弹出横杆，上下移动并旋转横杆，重复此操作至气囊完全伸展；待充气完成之后撤下充气泵，取出辅助装置，取下环堵头连同内置筒；再将注浆转换接头安装到囊袋筒下端，注浆管连接到转换接头进行注浆，注浆完成之后，取出囊袋筒并切断与其连接的气囊柱，施工完成。
23.上述本发明的实施例的有益效果如下：
24.1、本发明的囊袋装置是在不改变现有管片结构的基础上提出的，主要利用管片上的二次注浆孔进行施工，二次注浆孔是管片的既有构件。在安装囊袋时不会造成管片的破坏。
25.2、本发明所提及的囊袋，向其中充气只是为了使囊袋在管片与围岩之间展开，对其进行注浆操作时，会对其放气，使得浆液能顺利注入其中，囊袋的作用仅仅是为了限制注浆浆液的无序流动而设置的。
26.3、囊袋中充入的气体不需要较大气压，仅仅使囊袋能够展开即可，故安全隐患较小。
27.4、本发明的所提到的囊袋在管片外部展开之后，在管片周长方向约占整个管片周长的1/6～1/4,囊袋的直径控制在一环到两环管片宽度之间，大大的改善了应力集中问题。
28.5、由于囊袋的面积较大，且是靠囊袋内硬化的浆体其主要作用，故囊袋的设置位置可根据现场实际的管片顶部二次注浆孔的位置灵活调节，
附图说明
29.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
30.图1是现有技术中控制盾构隧道管片上浮的方法；
31.图2是本发明中控制盾构隧道管片上浮的方法；
32.图3是本发明在使用状态的示意图；
33.图4本发明提出的控制盾构隧道管片上浮的装置的结构示意图；
34.图5是本发明公开的注浆转换接口机构示意图；
35.图6(a)注浆前安装囊袋筒示意图；
36.图6(b)气囊在盾尾空隙中的展开示意图；
37.图6(c)盾构壁后注浆完成的示意图；
38.图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。
39.1囊袋，2囊筒，3筒盖，4内置筒，5竖杆，6横杆，7圆堵头，8环堵头，9注浆转换接口，10密封圈，11盾构机外壳，12盾尾空隙，13盾构管片，14壁后注浆体，15充气口。
具体实施方式
40.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
41.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
42.为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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发明的限制。
43.正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种控制盾构隧道管片上浮的方法。
44.实施例1：
45.本发明中的一种典型的实施方式中，如图3所示，提出的一种控制管片上浮方法中所涉及到的安装装置，包括囊袋1、囊袋筒2、筒盖3、环堵头8、圆堵头7、内置筒4、辅助装置横杆6和竖杆5、注浆转接口9。
46.囊袋筒2和筒盖3为此装置的主体结构，对整个装置起到支撑、保护、储存囊袋的作用。装置未使用之前，囊袋1是储存在囊袋筒2中的，并且囊袋1的开口端是通过热熔的方式紧密贴合在囊袋筒2的底部，在囊袋1内设置有一个内置筒4，内置筒4底部和顶部均敞口，在囊袋筒2底部开有一孔，内置筒4插装在囊袋筒2的底部孔中，且内置筒4与囊袋筒2同轴设置，即相同于囊袋1套装在内置筒4上；且囊袋筒2的底部且与筒盖3相连，顶部敞口。
47.在筒盖3的中心位置设有圆堵头7和环堵头8。环堵头8是直接塞入到筒盖3中的，并
且内径和外径边缘都设有密封圈；环堵头8的内径上部边缘是直接与内置筒4的下端焊接在一起的，圆堵头7直接塞入到环堵头8中间的孔洞中，实现对筒盖的密封，环堵头8的中间孔洞内侧设有螺纹，在圆堵头7拆卸后，环堵头8可与注浆转换接口9相连接。
48.作为进一步的技术方案，所述的注浆转换接口9是有两个直径不同的空心柱，通过裙装结构连接两个空心桩的上端和下端而组成的。在注浆转换接口9的上端外侧设有外螺纹，外螺纹与环堵头8的中间孔洞配合；在下端设有螺栓孔洞，其与注浆管配合，并附有密封圈，可保证注浆管与注浆转换接口9连接的牢固性与密封性。
49.作为进一步的技术方案，辅助装置是由竖杆5和横杆6组成的。在装置未使用之前，辅助装置与主体结构是分开的，装置使用时，将圆堵头7取下，把辅助装置直接从内置筒4的底部伸入到内置筒4中使用。竖杆5和横杆6连接处装有弹簧，在伸入内置筒4时，弹簧是处于压缩状态；当横杆6伸出内置筒4时，弹簧会使横杆6在囊袋中平置，此时，可通过辅助装置辅助囊袋在盾尾空隙中的伸展。
50.本发明的控制管片上浮的装置，可以减少施工工人的施工强度，缩短施工时间，保证管片的完整性，同时可以有效地预防和控制管片的上浮。
51.进一步的，本实施例中的囊袋材料拟使用与汽车安全囊袋相同的材料(尼龙丝内涂密封橡胶)，后期可在进行优化。囊袋筒等各部分拟使用不锈钢材料。
52.进一步的，囊袋筒直径略小于管片上二次注浆孔的直径，其为一个长筒结构，在距囊袋筒底部的一段距离处设有螺栓孔，通过螺栓与筒盖相连，筒盖直径略大于囊袋筒。
53.进一步的，本实施例中，在囊袋筒的侧面还配有囊袋充气口15，可以通过该孔向囊袋里面充气，也可以通过前面的注浆孔向囊袋里面充气，当通过注浆孔向囊袋里面充气时，需要安装充气转换接头。
54.进一步的，本实施例中的囊袋其形状为两个相同弧度的圆曲面囊片，由一个环状的囊片在圆曲面囊片的边缘处将其连接而成，底部的圆曲线囊片中间有圆形的孔洞并与囊袋柱相连。囊袋的尺寸，例如：内外径、厚度、面积等参数，都是在使用盾构工法施工之前根据所经路线的地质情况和盾构机自身参数，经过精确的计算得来的。
55.下面具体描述了发现管片开始上浮时，为控制管片上浮采用如上所述的装置去控制管片上浮的方法，包括步骤如下：
56.(1)当发现某管片上浮时，在后续的管片安装时都可以采用上述方法进行上浮的控制，使得后续管片的上浮量每环都会减少，从而实现对管片上浮量的逐级控制，最后使管片轴线与设计轴线相符。采用该方法时应先对上浮的每环管片之间的连接进行检查，管片之间是否存在错台与破损、环间螺栓剪断，渗漏水等情况，若存在问题要及时处理。
57.(2)当上浮管片下一环管片安装后，按照该方法进行上浮控制，施工人员通过钻头等工具打通上部管片的二次注浆孔，将囊袋筒的上端安装到注浆孔中固定好并将气密芯连接到充气泵。
58.(3)对囊袋进行充气，当囊袋在盾尾空隙中难以伸展时，取下圆堵头，将辅助装置伸入到内置筒中，向上移动竖杆，将横杆弹出至空隙中，将横杆在囊袋内部进行上下移动，并将其旋转。取下辅助装置，装好圆堵头，再进行充气，反复此操作，使得囊袋在盾尾空隙中得到伸展，直至囊袋完全展开并最大程度贴合管片的外表面时，停止充气，撤下充气泵。
59.(4)取出辅助装置，将环堵头连同内置筒一并取出，在此过程中囊袋放气，再将转
换接头连接到囊袋筒的下端。
60.(5)把注浆管道连接到注浆转换接头中，对囊袋内部进行注浆，注浆完成并硬化之后，切断管片与囊袋筒连接出的囊袋柱，将囊袋筒取下。
61.(6)进行盾构同步注浆，监测观片上浮情况，根据现场实际情况，对后续的管片进行相同处理，逐渐减少管片的上浮量，从而完成对管片的上浮控制。未取出的囊袋并不会对管片和围岩产生影响，可不做处理。
62.(7)对已安装的囊袋等，可不做处理，使其留在管片与围岩之间的空隙之中。
63.利用本实施例中所提到的囊袋装置，通过管片上的二次注浆孔进行安装，安装完成后进行充气，在气体的作用下使得囊袋在管片上部外表面与围岩之间的空隙中展开，安装完成后，囊袋的上部与围岩之间还留有一定的空隙，囊袋完全展开之后，向其中进行注浆，当囊袋内部的注浆浆液凝固之后，再进行盾尾空隙的同步注浆作业。在实施盾构同步注浆过程中，管片在注浆浆液和浆液压力作用下，管片会进行上浮，此时由于管片上部的囊袋中硬化的注浆体的支撑作用，从而阻止管片的上浮超过期望值，从而达到控制管片上浮的目的。
64.在本发明中，囊袋的作用只是对注入其中的浆体进行限制，使其能被限制在管片的上部与围岩之间，并且由于囊袋的面积较大，不会造成应力集中，管片的上浮控制主要是由囊袋里硬化的注浆体的强度确定，囊袋里充入的气体仅仅起到展开囊袋的作用。
65.最后还需要说明的是，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
66.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。