隧道掘進機中板步進加固支撐機構及其施工方法
2023-05-25 22:21:21 2
專利名稱：隧道掘進機中板步進加固支撐機構及其施工方法
技術領域：
本發明屬於隧道工程技術領域，具體涉及隧道掘進機中板步進加固支撐機構及其施工方法。
背景技術：
在城市軌道交通建設中，盾構機整體過站技術已經較為成熟，各種過站方法也得到了相應的應用，盾構機整體過站已經成為地鐵隧道領域中一項快捷方便而且比較成熟的方法，由於其具有明顯的經濟優勢，已顯現出取代傳統盾構機吊運過站的趨勢。受地質條件的限制，隧道掘進機在城市軌道交通工程中的應用並不多見，只有青島、重慶等以巖石為主的地層，才有可能使用隧道掘進機，縱觀國內外，也只有美國紐約地鐵隧道fest Side Access (ESA)曾成功運用過隧道掘進機，因此隧道掘進機整體移動過站的工程案例也就很少遇到。隧道掘進機的整體移動過站與盾構機存在一定的相似性，要麼利用過站小車等外部條件，將主機與後配套系統分離後，在站端實現頂升、平移、下降等操作，要麼依靠自身條件，沿線路中線直接掘進過站或步進過站。相比於盾構機，隧道掘進機整機設備較長，荷載較大，後配套橋架及門架拖車體積也較大，為了避免隧道掘進機主機與後配套連接處各種管路的拆卸、安裝與調試帶來的麻煩，也為了避免頂升並平移重達600噸左右的隧道掘進機主機帶來的風險，對於主體結構已經施作完成的車站，沿線路中線步進過站的方法應是首選。一般而言，不管是盾構機還是隧道掘進機，不管是依靠外部條件還是自身條件，整體移動過站都是在施作完成的車站底板之上通過的，或在車站施工前採用直接掘進過站的方式。而從施作完成的車站中板之上整體移動通過的成功案例，極為罕見。受控於整體線路及施工方法，重慶地鐵6號線某車站為上下重疊單島四線同臺平行換乘車站，6號線位於車站一側，左右線上下垂直設置，隧道掘進機到達該車站時，車站主體結構已經施作完成， 上行線隧道掘進機，需從車站中板之上移動通過，致使車站中板在施工期間承受的荷載遠大於運營期，為了確保工程安全，需要對此類車站進行特殊設計。由於隧道掘進機中板步進過站工況極為特殊，在國內外工程實踐中極少遇到，因此對車站相關的加固設計理念與方法尚屬空白。對車站結構加固處理的工程案例並不少見，相應的加固方法也很多，但整體而言，傳統的加固方法要麼增大結構截面尺寸，要麼採用高強度材料或相應位置增加配筋率來增大結構剛度或強度，是屬於對結構本體的加固處理。而自重荷載很大的隧道掘進機要從車站中板上步進通過，僅依靠中板結構自身的承載力是無法滿足步進要求的。
發明內容
本發明的目的是提供一種在中板與底板之間搭建鋼支撐體系的隧道掘進機中板步進加固支撐機構及其施工方法，採取額外的補強措施，對中板的支撐力進行強化，從而實現隧道掘進機中板上的整體移動。本發明所採用的技術方案是
一種隧道掘進機中板步進加固支撐機構，包含有中板和底板，其特徵在於 所述的中板和底板之間設置有支撐件，包含有鋼支撐、柱間支撐和柱間交叉支撐； 所述的鋼支撐豎直固定在中板和底板之間； 所述的柱間支撐水平連接在縱、橫向相鄰的兩根鋼支撐之間； 所述的柱間交叉支撐兩兩交叉連接，各端點與鋼支撐的頂部和底部、鋼支撐和柱間支撐的連接處相連接。所述的鋼支撐沿隧道掘進機步進方向縱向全線設置兩列，每排連線與隧道掘進機步進方向垂直；
鋼支撐的頂部自上而下依次設置有抗剪鍵、預埋鋼板和柱腳底板，其中抗剪鍵和預埋鋼板預埋在中板中，預埋鋼板和柱腳底板上設置有對應的固定孔，預埋在中板中的U形錨栓穿過固定孔並由墊板和螺母固定；
鋼支撐的底部自下而上依次設置有抗剪鍵、預埋鋼板和柱腳底板，其中抗剪鍵和預埋鋼板預埋在底板中，預埋鋼板和柱腳底板上設置有對應的固定孔，預埋在底板中的柱腳錨栓穿過固定孔並由墊板和螺母固定，柱腳錨栓的底部設置有錨板；
鋼支撐在中板和底板的固定處都焊接有加勁肋，鋼支撐的中部焊接有節點板。所述的柱間支撐連接在縱、橫向相鄰的鋼支撐的節點板上，通過螺栓固定。所述的柱間支撐上下兩側各設置一組柱間交叉支撐，柱間交叉支撐的各個端點連接在鋼支撐的加勁肋和節點板上，通過螺栓固定。所述中板的板頂對應於兩列鋼支撐的位置處全線設置上翻梁，梁內設置有銷孔， 孔內設置預埋鋼管)。所述的上翻梁梁上全線設置弧形導臺，對應於預埋鋼管的位置設置步進架支撐平臺，步進架支撐平臺之間為弧形底面，弧形底面兩側設置預埋鋼軌，弧形導臺的弧形底面形狀與隧道掘進機輪廓界限一致。如所述的隧道掘進機中板步進加固支撐機構的施工方法，其特徵在於 由以下步驟實現
步驟一澆築中板與上翻梁
中板板頂全線設置兩列上翻梁，通長配筋，上翻梁大部分位於中板內；上翻梁內部設置有銷孔，孔內設置預埋鋼管，其下部伸入上翻梁內；中板板底對應於鋼支撐的位置預埋U型錨栓、抗剪鍵和預埋鋼板； 步驟二 澆注弧形導臺
上翻梁之間全線設置弧形導臺，預埋鋼管超出上翻梁的部分預埋在弧形導臺中，弧形導臺上對應於預埋鋼管的位置預留步進架支撐平臺；步進架支撐平臺之間為弧形底面，兩側設置預埋鋼軌，鋼軌軌面與鋼軌所在位置的圓弧法線重合； 步驟三底板預埋固定件
底板中對應於鋼支撐的位置預埋抗剪鍵、預埋鋼板和柱腳錨栓； 步驟四鋼支撐的搭設
在中板和底板之間全線設置鋼支撐兩列；鋼支撐頂部通過墊板和螺母與中板中的預埋件相固定；鋼支撐底部通過墊板和螺母與底板中的預埋件相固定； 步驟五焊接節點板和加勁肋
在鋼支撐的中部焊接節點板；在鋼支撐的頂部和底部的固定處焊接加勁肋； 步驟六柱間支撐和柱間交叉支撐的搭設
將柱間支撐連接在縱、橫向相鄰的鋼支撐的中部，在該處節點板處通過螺母固定；兩根柱間交叉支撐從中部交叉連接，連接處焊接節點板固定；柱間支撐的上下兩側各設置一組柱間交叉支撐，柱間交叉支撐的各個端點固定在鋼支撐上對應位置的加勁肋和節點板處， 並用螺栓固定。步驟四中，鋼支撐在車站施工中，兼作為施工模板支撐，與中板及底板在預埋鋼板的接觸面上頂緊。本發明具有以下優點
本發明在中板上部澆築弧形導臺，使得隧道掘進機自重荷載可以通過弧形底面向四周有效擴散；在中板內設置上翻梁，在中板與底板之間設置加固支撐，在隧道掘進機步進過站後，弧形導臺與上翻梁可以作為車站中板結構的一部分繼續發揮作用，鋼支撐則可以作為基坑的支護結構繼續使用，最大限度地節省了工程投資；沿步進方向通長布置加固支撐，在中板內埋設的上翻梁，提高了中板結構的整體強度與穩定性，不但可以將隧道掘進機自重荷載由中板沿鋼支撐傳遞至基礎，，而且在以後地鐵運營期間，也可以有效承擔運營荷載， 對維持車站結構的整體穩定具有一定作用。本發明具有較高的經濟效益和社會效益，在鐵路、公路、地鐵、水利等類似工程中有廣泛的應用價值。
圖1為弧形導臺、上翻梁、加固支撐與中板位置關係示意圖。圖2為加固支撐體系機構示意圖。圖3為1-1截面示意圖。圖4為A處放大圖。圖5為B處放大圖。圖6為C處放大圖。圖7為D處放大圖。圖中，1-中板，2-弧形導臺，3-上翻梁，4-鋼支撐，5-加勁肋，6-隧道掘進機輪廓界限，7-車站結構輪廓界限，8-預埋鋼管，9-柱間支撐，10-柱腳錨栓，11-柱間交叉支撐，12-底板，13-節點板，14-預埋鋼板，15-抗剪鍵，16-U形錨栓，17-柱腳底板，18-墊板， 19-螺母，20-錨板，21-預埋鋼軌，22-步進架支撐平臺，23-螺栓。
具體實施例方式下面結合具體實施方式
對本發明進行詳細的說明。本發明所涉及的一種隧道掘進機中板步進加固支撐機構主要包含有三部分結構 中板1和底板12和兩者之間設置有支撐件，支撐件包含有鋼支撐4、柱間支撐9和柱間交叉支撐11。其中，鋼支撐4豎直固定在中板1和底板12之間，沿隧道掘進機步進方向縱向全線設置兩列，每排連線與隧道掘進機步進方向垂直。鋼支撐4的頂部自上而下依次設置有抗剪鍵15、預埋鋼板14和柱腳底板17。抗剪鍵15和預埋鋼板14預埋在中板1中，預埋鋼板14和柱腳底板17上設置有對應的固定孔，預埋在中板1中的U形錨栓16穿過固定孔並由墊板18和螺母19固定，鋼支撐4的頂部就被固定在中板1底板上了。鋼支撐4的底部自下而上依次設置有抗剪鍵15、預埋鋼板14和柱腳底板17。抗剪鍵15和預埋鋼板14預埋在底板12中，預埋鋼板14和柱腳底板17上設置有對應的固定孔，預埋在底板12中的柱腳錨栓10穿過固定孔並由墊板18和螺母19固定，柱腳錨栓10的底部設置有錨板20。抗剪鍵15的設置有效防止了鋼支撐4因受力不均勻而發生的位移。鋼支撐4在中板1和底板12的固定處都焊接有加勁肋5，鋼支撐4的中部焊接有節點板13。柱間支撐9水平連接在縱、橫向相鄰的鋼支撐4的節點板13上，通過螺栓23固定。柱間交叉支撐11兩兩交叉連接，連接處焊接節點板13，柱間支撐9上下兩側各設置一組柱間交叉支撐11，柱間交叉支撐11的各個端點連接在鋼支撐4的加勁肋5和節點板 13上，通過螺栓23固定。不必每相鄰兩根鋼支撐4之間都設置柱間交叉支撐11，在保證支撐件的荷載能力的情況下，可間隔設置。中板1的板頂對應於兩列鋼支撐4的位置處全線設置上翻梁3，梁內設置有銷孔， 孔內設置預埋鋼管8，上翻梁3梁上全線設置弧形導臺2，對應於預埋鋼管8的位置設置步進架支撐平臺22，步進架支撐平臺22之間為弧形底面，弧形底面兩側設置預埋鋼軌21，弧形導臺2的弧形底面形狀與隧道掘進機輪廓界限6 —致。隧道掘進機是在弧形導臺2上的預埋鋼軌21上滑動前進的，因此必須要確保弧形底面光滑無凸起，預埋鋼軌21應穩固牢靠，曲率適中，鋼軌表面應打磨光滑，必須要確保邊界條件達到步進要求。在此基礎上，隧道掘進機可以在預埋鋼軌21上順利快速地滑動，最大限度地緩解工期壓力。弧形底面上的預埋鋼軌21使得隧道掘進機自重荷載可以通過弧形底面向四周有效擴散，確保了中板1結構的穩定性。本發明所述的隧道掘進機中板步進加固支撐機構的施工方法，由以下步驟實現 步驟一澆築中板1與上翻梁3
中板1的混凝土採用C40混凝土澆築，厚度約810毫米。中板1板頂對應於兩列鋼支撐4的位置處全線設置上翻梁3，通長配筋，梁頂、梁底各配受力筋11-Φ觀，兩側各配腰筋 3-Φ20。上翻梁3截面尺寸為1000X1000毫米，上翻梁3大部分位於中板1內。上翻梁3 內部設置有銷孔，孔深度為500毫米，孔沿線路縱向間距3000毫米，孔內設置預埋鋼管8，鋼管長約500毫米，鋼構件採用Q235-B鋼製作，伸入上翻梁3內200毫米。中板1板底預埋 U型錨栓16、抗剪鍵15和預埋鋼板14。步驟二 澆注弧形導臺2:
弧形導臺2 二次澆注區域採用C40細石混凝土。預埋鋼管8超出上翻梁3的部分預埋在弧形導臺2中，弧形導臺2上對應於預埋鋼管8的位置預留步進架支撐平臺22，平臺寬度 400毫米，承擔豎直方向上的步進荷載作用。步進架支撐平臺22之間為弧形底面，兩側設置預埋鋼軌21，鋼軌橫向間距2. 59米，圓心角48度，鋼軌表面高出弧形底面25毫米，鋼軌軌面與鋼軌所在位置的圓弧法線重合，以利於應力的擴散，隨後，荷載將主要通過中板2內設置上翻梁3傳遞到鋼支撐4上。步驟三底板12預埋固定件底板中預埋抗剪鍵15、預埋鋼板14和柱腳錨栓10。步驟四鋼支撐4的搭設
在中板1和底板12之間全線設置鋼支撐4兩列，間距4米；鋼支撐4頂部的柱腳底板 17緊靠中板1中預埋的預埋鋼板14，柱腳底板17的固定孔穿過U型錨栓16，用墊板18和螺母19加以固定。鋼支撐4底部的柱腳底板17緊靠底板12中預埋的預埋鋼板14，柱腳底板17的固定孔穿過柱腳錨栓20，用墊板18和螺母19加以固定。鋼支撐4在車站施工中， 兼作為施工模板支撐，與中板及底板在預埋鋼板14的接觸面上頂緊。步驟五焊接節點板13和加勁肋5
在鋼支撐4的中部焊接節點板13。在鋼支撐4的頂部和底部的固定處焊接加勁肋5。步驟六柱間支撐9和柱間交叉支撐11的搭設
將柱間支撐9連接在縱、橫向相鄰的鋼支撐4的中部，在該處節點板13處通過螺栓23 固定。兩根柱間交叉支撐11從中部交叉連接，連接處焊接節點板13固定。柱間支撐9的上下兩側各設置一組柱間交叉支撐11，柱間交叉支撐11的各個端點固定在鋼支撐4上對應位置的加勁肋5和節點板13處，並用螺栓23固定。鋼支撐4採用D609鋼管，壁厚16毫米，柱間支撐9和柱間交叉支撐11採用角鋼 L125x80為保證鋼支撐4與中板1下預埋鋼板14接觸牢固、穩定，對鋼支撐4施加預應力， 即將鋼支撐4固定在中板1板底後，用千斤頂在固定處加壓，在縫隙處塞進鋼鍥加壓然後撤去千斤頂，強化固定。隧道掘進機在中板1上整體步進過程如下
在中板1上設置弧形導臺2，並在中板1下搭設了支撐件，隧道掘進機的步進條件已經具備。隧道掘進機步進時，主機機頭架始終在弧形導臺2弧形底面的預埋鋼軌21上滑動， 步進架的荷載一直由步進架支撐平臺22承擔，後支撐的荷載一直由弧形底面承擔。先期將後支撐收起，撐靴處步進架下落銷緊或撐靴撐緊洞壁推動機器向前移動一個行程，然後將後支撐放下，步進架收起或撐靴離開洞壁，靠油缸收縮向前移動一個行程，並再次用撐靴撐緊洞壁，後支撐再次抬起往復循環，依次完成步進。隧道掘進機步進時，機頭始終在預埋鋼軌21上滑移，荷載一直被弧形導臺2擴散，並通過中板2內的上翻梁3傳遞到鋼支撐4上。 步進架和後支撐交替作用，步進架支撐平臺22和弧形底面交替承擔荷載。
權利要求
1.一種隧道掘進機中板步進加固支撐機構，包含有中板(1)和底板(12)，其特徵在於所述的中板(1)和底板(12)之間設置有支撐件，包含有鋼支撐(4)、柱間支撐(9)和柱間交叉支撐(11);所述的鋼支撐(4)豎直固定在中板(1)和底板(12)之間；所述的柱間支撐(9)水平連接在縱、橫向相鄰的兩根鋼支撐(4)之間；所述的柱間交叉支撐(11)兩兩交叉連接，各端點與鋼支撐(4)的頂部和底部、鋼支撐 (4)和柱間支撐(9)的連接處相連接。
2.根據權利要求1所述的隧道掘進機中板步進加固支撐機構，其特徵在於所述的鋼支撐(4)沿隧道掘進機步進方向縱向全線設置兩列，每排連線與隧道掘進機步進方向垂直；鋼支撐(4)的頂部自上而下依次設置有抗剪鍵(15)、預埋鋼板(14)和柱腳底板(17)， 其中抗剪鍵(15)和預埋鋼板(14)預埋在中板(1)中，預埋鋼板(14)和柱腳底板(17)上設置有對應的固定孔，預埋在中板(1)中的U形錨栓(16)穿過固定孔並由墊板(18)和螺母 (19)固定；鋼支撐(4)的底部自下而上依次設置有抗剪鍵(15)、預埋鋼板(14)和柱腳底板(17)， 其中抗剪鍵(15)和預埋鋼板(14)預埋在底板(12)中，預埋鋼板(14)和柱腳底板(17)上設置有對應的固定孔，預埋在底板(12)中的柱腳錨栓(10)穿過固定孔並由墊板(18)和螺母(19)固定，柱腳錨栓(10)的底部設置有錨板(20)；鋼支撐(4)在中板(1)和底板(12)的固定處都焊接有加勁肋(5)，鋼支撐(4)的中部焊接有節點板(13)。
3.根據權利要求1所述的隧道掘進機中板步進加固支撐機構，其特徵在於所述的柱間支撐(9)連接在縱、橫向相鄰的鋼支撐(4)的節點板(13)上，通過螺栓(23) 固定。
4.根據權利要求1所述的隧道掘進機中板步進加固支撐機構，其特徵在於所述的柱間支撐(9)上下兩側各設置一組柱間交叉支撐(11 )，柱間交叉支撐(11)的各個端點連接在鋼支撐(4)的加勁肋(5)和節點板(13)上，通過螺栓(23)固定。
5.根據權利要求1所述的隧道掘進機中板步進加固支撐機構，其特徵在於所述中板(1)的板頂對應於兩列鋼支撐(4)的位置處全線設置上翻梁(3)，梁內設置有銷孔，孔內設置預埋鋼管(8)。
6.根據權利要求5，其特徵在於所述的上翻梁(3)梁上全線設置弧形導臺(2)，對應於預埋鋼管(8)的位置設置步進架支撐平臺(22)，步進架支撐平臺(22)之間為弧形底面，弧形底面兩側設置預埋鋼軌(21)， 弧形導臺(2)的弧形底面形狀與隧道掘進機輪廓界限(6) —致。
7.如權利要求1所述的隧道掘進機中板步進加固支撐機構的施工方法，其特徵在於由以下步驟實現步驟一澆築中板(1)與上翻梁(3)中板(1)板頂全線設置兩列上翻梁(3)，通長配筋，上翻梁(3)大部分位於中板(1)內； 上翻梁(3)內部設置有銷孔，孔內設置預埋鋼管(8)，其下部伸入上翻梁(3)內；中板(1)板底對應於鋼支撐(4)的位置預埋U型錨栓(16)、抗剪鍵(15)和預埋鋼板(14)；步驟二 澆注弧形導臺(2):上翻梁(3)之間全線設置弧形導臺(2)，預埋鋼管(8)超出上翻梁(3)的部分預埋在弧形導臺(2)中，弧形導臺(2)上對應於預埋鋼管(8)的位置預留步進架支撐平臺(22);步進架支撐平臺(22)之間為弧形底面，兩側設置預埋鋼軌(21)，鋼軌軌面與鋼軌所在位置的圓弧法線重合；步驟三底板(12)預埋固定件底板中對應於鋼支撐(4)的位置預埋抗剪鍵(15)、預埋鋼板(14)和柱腳錨栓(10)； 步驟四鋼支撐(4)的搭設在中板(1)和底板(12)之間全線設置鋼支撐(4)兩列；鋼支撐(4)頂部通過墊板(18) 和螺母(19)與中板(1)中的預埋件相固定；鋼支撐(4)底部通過墊板(18)和螺母(19)與底板(12)中的預埋件相固定；步驟五焊接節點板(13)和加勁肋(5)在鋼支撐(4)的中部焊接節點板(13)；在鋼支撐(4)的頂部和底部的固定處焊接加勁肋(5);步驟六柱間支撐(9)和柱間交叉支撐(11)的搭設將柱間支撐(9)連接在縱、橫向相鄰的鋼支撐(4)的中部，在該處節點板(13)處通過螺母(19)固定；兩根柱間交叉支撐(11)從中部交叉連接，連接處焊接節點板(13)固定；柱間支撐(9)的上下兩側各設置一組柱間交叉支撐(11)，柱間交叉支撐(11)的各個端點固定在鋼支撐(4)上對應位置的加勁肋(5)和節點板(13)處，並用螺栓(23)固定。
8.根據權利要求7所述的隧道掘進機中板步進加固支撐機構的施工方法，其特徵在於步驟四中，鋼支撐(4)在車站施工中，兼作為施工模板支撐，與中板及底板在預埋鋼板 (14)的接觸面上頂緊。
全文摘要
本發明涉及隧道掘進機中板步進加固支撐機構及其施工方法。隧道掘進機設備荷載大，為了避免主機與後配套連接處各種管路的拆卸、安裝與調試帶來的麻煩，可採用沿線路中線步進過站的方法整機移動，而僅依靠中板結構自身承載力無法滿足步進要求。本發明在中板上部澆築弧形導臺，使隧道掘進機自重荷載可通過弧形導臺有效擴散；沿步進方向通長布置加固支撐，在中板內埋設的上翻梁，提高中板結構的整體強度與穩定性。本發明可將隧道掘進機自重荷載通過加固支撐傳遞至基礎，保護中板不出現結構損傷，不需顯著加大結構體系中的構件，加固支撐拆卸後可作為基坑支護構件重複使用，具有較高的經濟效益和社會效益，在地鐵、鐵路、公路等工程中有廣泛的應用價值。
文檔編號E21D21/00GK102200019SQ20111009354
公開日2011年9月28日 申請日期2011年4月14日 優先權日2011年4月14日
發明者侯勉望, 周虎利, 康華, 張利斌, 張毓斌, 張海, 戴志仁, 楊開屏, 毛念華, 王俊, 王天明, 胡雙平, 郭建鵬, 高志宏 申請人:中鐵第一勘察設計院集團有限公司