隧道维修加固的置换式旋喷注浆台车与施工方法与流程

本发明涉及土木工程技术领域，具体来说是一种城市地铁隧道或高铁与公路隧道加固维修与主动保护的技术。

背景技术：

目前大量运营的隧道，已经出现了不同程度的病害，如隧道管片出现的裂缝、露筋、剥落、腐蚀、错台、开裂、及结构大变形和漏水等问题，直接影响隧道的使用功能和机车运行的安全。对运营隧道的修复加固，目前主要是采用一种临时性加固结构，如内衬钢板圈结构加固、粘贴纤维布及注浆等，这些加固方式由于受隧道内部空间和时间的限制，加固体的尺寸和强度均受到较多控制，无法从根本上修复隧道的病害。

隧道出现的衬砌结构裂缝、衬砌体露筋、剥落、腐蚀、错台、开裂、漏水及结构大变形等问题，主要是由于隧道所处地层的软弱和不均匀，以及受载不均匀和临近人类活动影响所致。例如，城市隧道出现椭圆形变形，是由于隧道顶部承担较大载荷时，隧道两侧的地层不能提供足够的抗力，导致隧道衬砌结构在腰部向外发生变形引起的；另一原因是上覆荷载减少，使隧道结构发生腰部向内收敛变形过大。当变形较大时，就会影响到隧道的安全及使用要求了。其外，当隧道周边分布的地层不均匀时，作用于隧道上的地压呈不均匀分布，将使隧道的衬砌结构出现较大的拉应力和不均匀的变形，从而使隧道管片的拼装连接件变形产生裂缝，导致漏水和外围地层的水土流失，并引起进一步的破坏。

为了永久性地修复隧道的病害，对隧道外侧的地层进行有效加固是一个最好的方法。注浆加固或高压旋喷注浆加固施工法是二种传统的地层加固方法，主要有普通注浆方法，如充填注浆、压密注浆和劈裂注浆等方法；高压旋喷注浆有单重管、双重管高压旋喷注浆和三重管高压旋喷注浆方法。

普通的注浆方法是通过在加固位置钻孔埋设固定的注浆管，注浆管与引孔的孔壁间设有止浆塞，注浆喷嘴定点喷浆，浆液由近及远向地层中流动，压力越大，浆液流动的范围越广，浆液的扩散路径呈脉状不均匀扩散。由于没有置换，当注浆量和压力较大时，注入的浆液将向地层表面流动，或向地下沟槽内流动，浆液的消耗量较大，对隧道本身的影响和损害也较大，对周围建筑的影响难以控制，注浆加固效果不可控，质量较差。

高压旋喷方法是先在加固位置钻孔埋设旋喷注浆管，喷浆嘴安装在旋喷钻头位置，喷浆嘴随喷浆管旋转和提升移动，旋喷管与引孔孔壁之间留有间隙，允许旋喷注射浆液产生的置换泥浆从这个间隙中排出。旋喷嘴喷射的是浆、水和气流体，压力越大，切削地基土的能力越强，能使加固浆液扩散一个较大的直径，形成一个大直径的加固体。由于气升效果，能使置换的泥浆从钻杆与引孔孔壁之间的间隙排出，但是，随着施工深度的增加，气升效果会越来越弱，另外，当间隙堵塞的时候，加固区域的压力会不断增加，一方面造成高压喷嘴的喷射效率会下降，另外会造成地面隆起、挤压管线、损伤隧道结构等副作用。此外，沿钻杆与引孔孔壁之间的间隙随意排出的泥浆清理十分困难，对施工结束后快速恢复通车是无法实现的。传统高压旋喷注浆加固施工时，引孔和注浆压力等参数监测水平较低，导致形成的加固体质量难以达到设计要求。

我国隧道工程，尤其是地铁盾构隧道运营里程已上万公里，采用架设钢拱架(或者格栅拱)等手段对管片进行加固，以保证施工和隧道的安全。但目前，我国隧道施工仍是采用原始的人工肩扛手抬来配合简易台架的传统施工方法，作业人员劳动强度大，危险系数高、作业效率低。要改变这种落后、危险的施工状况，将我国隧道工人从繁重、危险的作业中解放出来，用机械代替人工已成为不可逆转的趋势。

不论是被动的加内支钢板圈方式加固，或主动的注浆加固，不仅劳动强度大，施工作业环境差，而且施工效率低、施工工期长，安全隐患不能及时排除。

因此，需要用创新的技术，来实现隧道外侧地层置换式旋喷注浆加固的更安全、高质量和高效率、微扰动，解决地铁运行窗口期内能快速加固维修，从根本上治理好隧道的病害，发明这种施工技术这也是大势所趋。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种置换式加固结构的专用施工台车，加固过程中既确保隧道结构的安全性，又能提供一种永久性的加固结构，从根本上治理隧道的病害。该种加固结构能克服现有高压旋喷注浆存在的缺陷：如施工过程对隧道本身及相邻建(构)筑物的扰动与损伤，加固体质量差与强度低、施工过程产生的废弃物排放量大，施工周期长等缺点。

为达到上述目的，本发明专利采用的技术方案是：提供一种隧道维修加固的置换式旋喷注浆台车与施工方法，形成一种包络式旋喷注浆加固结构，能从根本上改变隧道受力的不均匀性、沉降和上浮的不均匀性及隧道侧向土体被动抗力不足出现椭圆形变形等破坏形态。

所述隧道加固的置换式旋喷注浆台车，由标准转向架、平板轨道车、多只机械手、安全监测与检测装置、信息处理器、多台旋喷注浆机具、自动制浆机、卧式贮料仓、发机电、隧道结构临时支撑架、施工操作室、抽排泥浆收集箱和工具材料箱组成。

所述的机械手具有精准rv关节、电传执行plc既定指令来控制其动作；机械手在x、z方向上的移动量为0～5m；在x方向是沿平台车的轴向移动，以隧道内预埋的注浆管为定位基点，根据控制室的指令实现精准的施工定位；机械手在隧道内能自动完成钻杆安装、钻孔、旋喷注浆、抽排泥浆等动作；

所述安全监测与检测装置是由红外测距防撞系统、激光制导测量定位系统、压力与荷重传感系统和视频传输系统组成；

所述信息处理器将施工设计要求、检测数据及监测数据进行处理，向施工操作室输送信息；信息处理器将根据施工计划、设计要求，对本次的施工材料和施工设备进行备料检查，发出定位信息和施工任务信息；通过牵引车将该台车拖至工作面，台车将自动固定，并向各只机械手发出施工执行指令，在给定的窗口时间内完成施工任务，经检查验收后回撤到安全区域；

所述的隧道结构临时支撑架是一种可施加预应力的自动支撑钢架；该隧道结构临时支撑架，位于台车上有多个对称支撑加压装置，支撑加压装置的一端支承在隧道的管片结构上，另一端支顶在台车的车架上；

所述的自动制浆机根据信息控制器下达的指令参数，自动完成旋喷加固浆液的制备；

所述旋喷注浆机具由旋喷注浆控制器、高压注浆泵、抽排泥浆机、直径80mm以下的置换式旋喷钻杆和钻头组成；旋喷注浆是按对称旋喷注浆方式多点同时作业；

所述的隧道加固是通过预埋注浆管，对隧道管片外围地层进行置换式旋喷注浆加固；旋喷注浆孔是隧道管片中预埋的注浆管；

所述的隧道加固是一种置换式旋喷注浆加固，其旋喷钻杆为多孔管，能将旋喷加固的高压浆液、压缩空气输送到钻头的喷嘴处；将产生的废泥浆抽排出来到泥浆抽排收集箱中；对隧道衬砌结构外侧2m厚度范围的地层进行加固；使加固体在1小时内达到初凝；使软土加固体终凝时的单轴抗压强度达到2mpa以上。

所述的泥浆抽排收集箱是一种能贮存、分离废弃泥浆的装置。

所述的置换式旋喷注浆台车对隧道维修加固方法，具体施工步骤如下：

(1)、由牵引车将旋喷注浆台车移动到需维修加固的施工位置；

(2)、检测装置和信息处理器启动工作，控制台车自动定位和固定；

(3)、隧道结构临时支撑架自动扩展支撑臂，启动预压装置，将支撑架与隧道衬砌顶紧；

(4)、2台以上的机械手同时启动，先在预埋的注浆管上安装防喷装置；

(5)、转换机械手拿起旋喷钻具，插入到防喷装置内，向隧道衬砌外侧土层中钻进；

(6)、2台以上的机械手同时操作控制旋喷钻具，在孔口水平面以上地层中加固时，采用前推旋喷注浆加固方法，是从孔口处将旋喷钻头由近向远处旋转推进，一边前推钻进，一边喷射注浆，高压射流切削地层，将破碎的地层泥土与固化浆液拌合混和，上浮的泥浆位于喷嘴的上部，将吸浆口设置在喷嘴的前部，便于及时抽吸排出废泥浮浆；在孔口水平面以下地层中加固时，采用提拔旋喷注浆地层加固方法，使旋喷钻头由远向近处提拔的旋喷方法，将吸浆口设置在喷嘴的后部，随着旋喷钻杆的提拔，切削产生的废浆浮于上部，废浆被高效排出到台车上的集浆箱中；

(7)、在旋喷钻具上安装有压内探头，通过监测加固区域的内压，以控制抽排出的泥浆量和旋喷注浆区的地压力。

(8)、旋喷钻具抽出注浆管后，及时关闭防喷阀，待旋喷注浆加固体达初凝后松开临时支撑架，再打开台车的固定装置，并由牵引车将台车拉离加固位置，满足运营隧道窗口期结束后恢复运营的要求。

有益效果：本发明实现了运营隧道在微扰动条件的永久性加固，提供的加固结构安全可靠，质量可控。本发明从根本上解决了在隧道运营窗口期内快速加固维修的难题，实现了现场施工操作的自动化，信息化监测监控，作业效率高，能够保证加固施工质量，工程实施效果良好。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1台车在运营隧道内运行的断面布置示意图；

图2台车上临时支撑架收叠状态与隧道断面布置关系示意图；

图3台车上临时支撑架工作状态与隧道断面布置关系示意图；

图4台车在运营隧道内实施旋喷流注浆加固过程断面布置示意图；

图5台车沿长度方向的设备布置示意图。

其中：1—隧道衬砌结构(管片)，11---管片的接缝，12---隧道衬砌结构内预埋的注浆管，13---隧道内挂电力与通信线路，14---隧道内挂的管路，15—机车供电接触网，16---道床，17---钢轨，2---台车，21---台车车轮，22—台车固定装置，23—台车平板工作台，3—可折叠支撑架，31—可伸缩式接触支撑顶柱，32—柔性垫，33—移动式固定座，34—液压伸缩节，4—机械手，41—轴向(x方向)移动轴，42—操作臂，43—操作手，5---旋喷钻具，51—置换式旋喷加固体，52—旋喷注浆用管路，53---加固材料贮存罐，54—加固浆液制备装置，55—旋喷注浆泵，56—抽排泵，57—抽排废泥浆管路，58—废泥浆集中贮存罐，59—空压机。6—测量与检测装置，7—操作控制器。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

为了将加固台车2牵引到需要维修的位置，台车2要在运营隧道的窗口期内在行驶，运营隧道内吊挂有电力与通信线路13和管路14，机车供电接触网15，台车2的车轮21将行驶在道床16中安装的钢轨17上。台车2的固定装置22位于台车2的两侧，并呈收缩状态，在平板工作台23上布置有机械手4，其中操作臂42和操作手43均收缩到最小尺寸内，才能使台车2在运营隧道中安全行驶，如图1所示。

为了使台车2在运营隧道内与布置有各类设施之间没有碰撞之虑，安装在加固台车上的可折叠支撑架3，其可伸缩式接触支撑顶柱31、柔性垫32、移动式固定座33和液压伸缩节34均需要收缩到最小尺寸，这样才能保证加固台车2上安装有可折叠支撑架3时也可以在运营隧道中安全行驶，如图2所示。

当加固台车2被牵引到维修加固位置时，可折叠支撑架3中的可伸缩式接触支撑顶柱31、移动式固定座33和液压伸缩节34，通过液压控制，顶撑到加固段的管片1内侧，柔性垫32与管片1直接接触，增大了接触面积。利用这个临时支撑架3能给加固段的管片1提供一个内侧的支撑反力，如图3所示，这样才能确保在加固施工过程中不会引起隧道的沉降、上浮、侧移以及非均匀变形和收敛。

在支撑架3架设顶紧之后，启动安装在台车2上的测量与检测装置6和操作控制器7，指令机械手4的操作臂42，沿轴向(x方向)移动轴41移动，并使操作手43转位，操作旋喷钻具5在空间定位，将旋喷钻具5从隧道衬砌结构内预埋的注浆管12内钻入到管片1的外侧地层中。

启动加固浆液制备装置54进行制浆，再由高压注浆泵55通过管路52输送到旋喷钻具5中，并启动空压机59输送压缩空气，如图5所示。高压加固浆液和压缩空气从喷嘴中喷射出高压射流实现旋喷作业。

同时，由压力传感器监控作业区地层的内压，适时启动抽排泵56，能过抽排废泥浆管路57将产生的废泥浆送到集中贮存罐58中，如图5所示。从而形置换式旋喷加固体51，如图4所示。

案例一，当注浆孔口水平面低于加固地层时的置换式旋喷加固方法：

采用前推旋喷注浆加固方法，是从预埋在管片中的注浆管12中将旋喷钻头插入到管片1外围地层中，由近向远处旋转推进，一边前推钻进，一边喷射注浆。

加固浆液按水灰比1.0配制，由高压泵55将加固浆液加压到40mpa，输送到钻头的喷嘴处；同时由空压机59将压力为0.5mpa以上的压缩空气也输送到钻头的喷嘴处，形成气幕包围的高压浆液射流切削地层，将破碎的地层泥土与固化浆液拌合混和形成加固体51。加固浆液的比重高于泥浆的比重，这样上浮的泥浆就位于旋喷嘴的上部，将吸浆口设置在旋喷嘴的前部，便于及时抽吸排废泥浮浆；

案例二：当注浆孔口水平面高于加固地层时的置换式旋喷加固方法：

采用提拔旋喷注浆加固方法，是使旋喷钻头由远向近处提拔的旋喷方法，将吸浆口设置在喷嘴的后部，随着旋喷钻杆的提拔，切削产生的废浆浮于上部，废浆被高效排出到台车2上的集浆箱58中。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。