一種馬蹄形開敞式盾構體結構及其盾構法施工工藝的製作方法
2023-05-14 22:07:56
一種馬蹄形開敞式盾構體結構及其盾構法施工工藝的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種馬蹄形開敞式盾構體結構及其盾構法施工工藝,包括採用馬蹄形斷面盾構體結構,利用周邊若干只液壓千斤頂和支撐工字鋼加工可拆移式的反力體系,結合一期防護和盾構體安全保障,完成開挖土體工作;開挖完一個段落後,拆除反力體系,進行鋼筋混凝土襯砌,完成洞身結構施工。該方案經有限元模型計算,機構強度和受力安全指標符合要求,並且通過將加工件分塊、焊接和檢測技術按照鋼結構加工要求進行,在加工廠進行整機試拼裝。液壓系統從市場採購名牌產品,經有關部門對整機施工安全性進行現場評估後開始試運行。
【專利說明】一種馬蹄形開敞式盾構體結構及其盾構法施工工藝
【技術領域】
[0001]本發明涉及基於盾構體工作原理、為了解決飽和黃土地層礦山法開挖的安全問題而研製的馬蹄形開敞式盾構體及其盾構法施工工藝,屬於盾構技術的延伸。
【背景技術】
[0002]目前在土層中開挖隧道,由於土層強度低,尤其是含水量大時成洞穩定性極差,因此盾構法施工應運而生。盾構法是利用鋼材的高強度和易加工特點,將鋼板加工成隧洞斷面形狀,形成在土層中對施工人員和設備的防護體;再在頭部設置開挖輔助設施如人工挖掘隔倉、切削刀盤、水力噴頭等;在盾體內設置開挖料輸出裝置,如螺旋輸送帶、泥水管路、輕軌鬥車;在盾尾設置襯砌支護設施,形成開挖、出土、支護、襯砌配套協作的結構,完成隧道施工的完整方法。
[0003]回顧盾構法的形成、發展和現狀,1823年,倫敦泰晤士河隧道建設中,將煤礦礦山工程師的盾構設想變成實際操作嘗試,儘管水下隧道歷時18年,但為類似工程施工開創了有創舉的新方法。
[0004]經過百餘年的不懈探索和實踐,20世紀90年代開始,各種類型的盾構設備開發使用逐步進入了繁榮時期。日本東京灣公路隧道被稱為世界超大型道路交通隧道盾構法施工的範例;英法海底隧道更是成為世界盾構技術強國集中施工技術前沿技術成果的典範。盾構技術的不斷發展,不但使土壓平衡、泥水平衡技術日臻完善,而且使得操作更簡單、系統更完善、自動化程度更高、控制精度更準確。在開挖斷面適應性方面,研製成功了單頭、雙頭和多頭刀盤,利用曲軸傳動技術,開發出適應矩形斷面、橢圓形斷面或任意斷面的刀盤和支護設備。
[0005]中國在1962年在上海開始進行盾構法試驗隧道開挖,1970年完成上海打浦路公路隧道,這是中國第一條盾構法施工的水下公路隧道。20世紀90年代,中國各大城市地鐵工程蓬勃發展,一批地下輕軌隧道開始興建,上海、北京、廣州、深圳等地鐵隧道施工都應用了盾構技術。特別是2003年,上海隧道工程有限公司率先採用雙圓隧道工程掘進機施工上海M8線地鐵區間隧道,將中國盾構法隧道施工帶入了與世界先進技術水平同步發展的新時代。
[0006]在中國,如今盾構技術研製水平與世界同步,各種盾構機都能在國內生產,這極大地提高了這一領域發展的速度。
[0007]當今盾構技術的優缺點,在於從盾構施工的基本原理看,為了支撐掌子面的穩定,採用土壓平衡或泥水平衡盾構。土壓平衡盾構適合於地下水少、滲透係數小的粘性土地層、砂性地層和砂礫土層,通過精確控制開挖倉的排土量,保持開挖艙的土體壓力,與開挖面土體保持平衡,防止坍塌。泥水平衡盾構適合於地下水位高、流沙等富水地層及砂礫石含量較高的地層,通過向開挖艙壓注泥漿,一方面平衡工作面土體,另一方面用管道泥漿將開挖料輸送出洞。隨著盾構技術的發展,將不同盾構形式和開挖面穩定方法進行組合,形成複合盾構法。複合盾構可以根據土層地質和水文條件作調整,其本質上是對開挖面支撐方式以及刀具、出渣運輸系統和其他設備調整。複合盾構的組合模式有泥水式、敞開式盾構;土壓平衡、敞開式盾構;泥水式、土壓平衡盾構;敞開式、泥水式、土壓平衡盾構等。
[0008]現在,非圓斷面盾構主要是在開挖面將多個刀盤組合,通過雙軸、多軸和曲軸等方法,控制不同刀盤的運動軌跡,開挖出矩形、橢圓形、馬蹄形、雙圓型、三圓形等各種需要的斷面形狀,在地鐵車站的特殊地下結構中開發利用,並日益成熟。隨著非圓斷面隧道採用盾構施工技術含量越來越高,設計、製造、集成複雜,造價很高。因此工程使用僅限於工程量大的重要工程,在一般工程中很少使用。總之,這些盾構機適用於長隧道或大斷面,優點是自動化程度高、功能多,缺點是製造周期長、構造複雜,造價高。
【發明內容】
[0009]本發明的目的是,針對現有技術存在的問題,提供一種機械強度和受力安全指標符合飽和黃土地層礦山法開挖的安全問題要求而研製的馬蹄形開敞式盾構體結構及其盾構法施工工藝。
[0010]為實現上述發明目的,本發明採用的技術方案是:提供一種馬蹄形開敞式盾構結構,其特徵在於,所述盾構結構包括馬蹄形斷面盾構機,在盾構機馬蹄形斷面的周邊設有若干只液壓千斤頂和支撐工字鋼構成的可拆移式反力結構,在反力結構的一側設置有鋼筋混凝土襯砌洞身結構。
[0011]其中優選的技術方案是,在所述馬蹄形盾構機的兩側分別設有十字網格,安裝在盾構機尾部一周的十字網格與液壓千斤頂配合且同時用於反鏟裝車,安裝在盾構機前部的十字網格用於切削土體。
[0012]進一步優選的技術方案是,在所述盾構機的前部還加設有縱向和水平加強梁。
[0013]進一步優選的技術方案還有,所述液壓千斤頂被設置在馬蹄形盾構機的兩側和底邊。
[0014]一種採用上述馬蹄形開敞式盾構結構的盾構法施工工藝,其特徵在於,所述盾構法施工工藝包括如下工藝步驟:
[0015]S1:採用馬蹄形斷面,利用周邊若干只液壓千斤頂和型鋼加工可拆移式反力體系;
[0016]S2:結合支護和盾體安全裝置,完成開挖工作;
[0017]S3:開挖一個段後,拆除可拆移式反力體系,進行鋼筋混凝土襯砌,完成洞身結構施工。
[0018]其中優選的技術方案是,所述SI步中的可拆移式反力體系通過安裝在盾尾一周的12個液壓千斤頂協同工作,使前部網格切削土體,網格後反鏟裝車,實現開挖土體工作。
[0019]進一步優選的技術方案是,所述S2步中支護和盾體安全裝置為頂進過程中,液壓千斤頂頂進一個行程60cm,即為工字鋼支撐的間距,將新裝工字鋼支撐安裝在盾構機尾部的防護部下,並與已安裝的支撐工字鋼和鋼筋條焊接在一起;當盾構推進後,及時進行噴混凝土防護,形成臨時穩定洞室。
[0020]進一步優選的技術方案還有,將所述支撐工字鋼安裝在盾構機尾部的防護部下,並與已安裝的支撐工字鋼和鋼筋條焊接在一起。
[0021]進一步優選的技術方案還有,所述防護部為盾構機推進後由噴射於洞壁鋼筋上的混凝土形成的臨時穩定洞室。
[0022]進一步優選的技術方案還有,在所述盾構機盾構機尾部與鋼筋混凝土襯砌之間設置有可組裝的鋼桁架的傳力結構。
[0023]與現有技術相比,本發明的有益效果是:該馬蹄形開敞式盾構結構及其盾構法的施工工藝具有如下特點:
[0024](I)該馬蹄形開敞式盾構結構的設計方案經有限元模型計算,機構強度和受力安全指標符合規定要求。
[0025](2)加工製作方便,該馬蹄形開敞式盾構結構通過將加工件分塊、焊接和檢測技術按照鋼結構加工要求進行,在加工廠進行整機試拼裝。液壓系統從市場採購,構件製造與組裝方便。
[0026](3)施工質量顯著提高,當該馬蹄形開敞式盾構結構頂進60cm,及時進行掛網噴混凝土支護。鋼筋網焊接在工字鋼支撐上,噴混凝土分三層完成,每次噴層厚度6cm左右,故工程質量顯著提高。
[0027](4)本發明解決了常規礦山法開挖在飽和黃土地層的安全問題,工程投資低、施工方便可靠
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1為本發明馬蹄形開敞式盾構體的正面結構示意圖;
[0029]圖2為圖1的側視圖;
[0030]圖3為本發明馬蹄形開敞式盾構體推進系統及後靠正面圖;
[0031]圖4為本發明馬蹄形開敞式盾構體推進系統及後靠縱斷圖。
[0032]圖中:1-支撐工字鋼,2-混凝土層,3-十字網格,4-盾構體頭,5-液壓千斤頂,6-鋼桁架。
【具體實施方式】
[0033]本發明是一種馬蹄形開敞式盾構結構,所述盾構結構包括馬蹄形斷面盾構機,在盾構機馬蹄形斷面的周邊設有若干只液壓千斤頂5和支撐工字鋼I構成的可拆移式反力結構,在所述反力結構的一側設置有鋼筋混凝土襯砌洞身結構。
[0034]本發明中優選的實施方案是,在所述馬蹄形盾構機的兩側分別設有十字網格3,安裝在盾構機尾部一周的十字網格3與液壓千斤頂5配合且同時用於反鏟裝車,安裝在盾構機前部即盾構體頭4的十字網格3用於切削土體。
[0035]本發明中進一步優選的實施方案是,在所述盾構機前部還加設有縱向和水平加強梁。
[0036]本發明中進一步優選的實施方案還有,所述液壓千斤頂5被設置在馬蹄形盾構機的兩側和底邊。
[0037]一種採用上述馬蹄形開敞式盾構結構的盾構法施工工藝,所述盾構法施工工藝包括如下工藝步驟:
[0038]第一步:採用馬蹄形斷面,利用周邊若干只液壓千斤頂5和型鋼加工可拆移式反力體系;
[0039]第二步:結合支護和盾體安全裝置,完成開挖工作;
[0040]第三步:開挖一個段後,拆除反力體系,進行加鋼筋的混凝土層2的襯砌,完成洞身結構施工。
[0041]本發明中優選的實施方案是,所述第一步中的可拆移式反力體系通過安裝在盾尾一周的12個液壓千斤頂5協同工作,使前部十字網格3切削土體,十字網格3後的反鏟裝車,實現開挖土體工作。
[0042]本發明中進一步優選的實施方案是,所述第二步中支護和盾體安全裝置為在頂進過程中,液壓千斤頂5頂進一個行程60cm,即為支撐工字鋼I支撐的間距,將新裝支撐工字鋼I支撐安裝在盾尾防護部下,並與已安裝的支撐工字鋼I和支撐鋼筋條焊接在一起;當盾構推進後,及時進行噴混凝土防護,形成臨時穩定洞室。
[0043]本發明中進一步優選的實施方案還有,將所述支撐工字鋼I安裝在盾構機尾部的防護部下,並與已安裝的支撐工字鋼I和支撐鋼筋條焊接在一起。
[0044]本發明中進一步優選的實施方案還有,所述防護部為盾構機推進後由噴射於洞壁的支撐鋼筋條上的所述混凝土層2形成的臨時穩定洞室。
[0045]本發明中進一步優選的實施方案還有,在所述盾構機尾部與襯砌的混凝土層2之間設置有可組裝後的鋼桁架6傳力結構。
[0046]實施例1
[0047]本發明是一種馬蹄形開敞式盾構體結構及其盾構法施工工藝,該馬蹄形開敞式盾構體結構首先符合設計斷面要求,採用馬蹄形斷面,利用周邊12隻液壓千斤頂5和型鋼組合成可拆移式反力體系,結合一期支護和盾體安全保障,完成開挖工作。開挖一個段落後,拆除所述反力體系,進行混凝土層2的襯砌,完成洞身結構施工。
[0048]初步選用十字網格馬蹄形盾構,通過安裝在盾尾一周的幾個千斤頂協同工作,使前部網格切削土體,網格後反鏟裝車,實現開挖土體工作。反鏟裝車設在盾體內,在頂進過程中,液壓千斤頂5 —個行程60cm,是支撐工字鋼I的間距,將新裝支撐工字鋼I安裝在盾尾防護部下,並與已安裝的支撐工I字鋼I和鋼筋條可靠焊接。當所述盾構推進後,及時進行噴混凝土防護,形成臨時穩定洞室。
[0049]因此,盾構機的設計要在反映現場需求的前提下儘可能簡單、經濟、可靠,是課題研究的關鍵項目。
[0050]盾構機設計指標如下:
[0051]護盾採用40mm厚Q235鋼板卷制、焊接加工,內斷面形狀為帶仰拱的馬蹄形設計開挖斷面,斷面5900mmX 7600mm。盾構總長度6490mm,其中前突上護盾長1800mm,前後艙立隔板的前部全斷面長度1496_,前艙主要是切土部分,為了軟塑土體的穩定,用40_鋼板分割成小方格;後艙長3194_,為敞開式護盾,設置液壓千斤頂支座,以及液壓千斤頂5收回時安裝支護的支撐工字鋼I。
[0052]根據設計計算,盾構外殼土中摩擦阻力和切土阻力之和為7320kN,考慮糾偏和圍土含水率變化,需求推力取lOOOOkN。
[0053]為此,沿周邊布置液壓千斤頂5的液壓缸取200/110-800mm、系統壓力300bar,單只液壓缸推力為942kN,共14個千斤頂,總推力13188kN,滿足需求。
[0054]液壓千斤頂5設計行程800mm,使用行程600mm,後靠背採用型鋼加工,寬度同液壓千斤頂5使用行程,全斷面分成4段,即上部橫梁、兩個邊柱和一個底梁。
[0055]鋼桁架6頂進方案的設計:
[0056]設計方案以現有洞斷面為基礎設計,掌子面處布置開敞式盾構機,先在盾殼內組裝支撐工字鋼1,並與後部已噴護支撐使用的支撐工字鋼I連接,之後盾構機向前頂進一榀距離,待盾尾圍土出露後即噴射混凝土封閉,隨後安排開挖出土及下一循環施工,如圖圖1、圖2所示。結合退水洞的施工經驗,以及施工進度的需要,支撐工字鋼I選用I 20a型工字鋼(縱向連接仍使用I 16),每榀距離控制為0.7m,支撐工字鋼I內安裝Φ60200鋼筋網,噴0.25m厚C20混凝土。
[0057]盾構機頂進時,以已完成的永久混凝土襯砌為最終受力點,在盾尾與混凝土層2襯砌間設置可組裝的鋼桁架6傳力結構,盾構機頂進I榀後,液壓千斤頂I回縮,在液壓千斤頂I背後安裝I榀鋼桁架6,進行下一次頂進。當頂進總長度達到10m(初次頂進需達Ilm),停止隧洞開挖支護,轉而拆除盾構機後的鋼桁架6,安排底板及邊牆混凝土層2襯砌,混凝土澆築成型3天後可恢復開挖支護,頂拱混凝土層2襯砌可與前方開挖支護平行進行。
[0058]盾構機設計
[0059](I)盾構盾尾強度計算
[0060]①盾構殼體載荷
[0061]按公式,B = 5.9m, H = 7.6m,坍落拱高度h = 13.36m,為保證盾構可靠度,h按19.5m考慮。
[0062]頂部垂直荷載按q = 270kN/m2。
[0063]頂部水平荷載el = 105.8kN/m2。
[0064]底部水平荷載e2 = 158.8kN/m2。
[0065]底部垂直荷載q2 = 158.8kN/m2。
I , Λ ^ 15880-105800 n
[0066]側向壓力分布斜率:-—-=7
[0067]②盾構殼體有限元網格劃分
[0068]盾構殼體應力按有限元法進行分析。
[0069]③應力分析
[0070]最大應力為120N/mm2,小於鋼板設計強度210N/mm2。最大應力出現在頂進方向的前沿邊牆中部,該部位為直線段,受側向土壓力和頂拱壓力撓曲作用大,因此在加工時應進行加強處理。
[0071]從應力分析結果看,頂拱受力條件較好,但在頂進過程中,盾構殼體要穿越隧洞軸線上的降水井,降水井井管為混凝土,每節長度為lm,由於在頂進中無法將井管提前取出,需要盾構殼體將井管擠出開挖區,因此拱頂鋼板也需進行加強處理,防止井管擠壓頂拱造成盾殼變形。
[0072]④位移分析
[0073]最大位移為0.9cm。最大位移出現在液壓千斤頂5支座附近的盾構後部直立牆段,該部位為直線段,受側向土壓力和液壓千斤頂5頂進力複合作用大,因此在加工時應進行加強處理。
[0074]在頂進操作中,應檢測液壓千斤頂5頂進方向,調整後靠背位置,儘可能使液壓千斤頂5頂進方向與洞軸線平行,防止盾殼偏心受壓,造成內收位移增大。在加強措施方面,在所述盾構前部加設十字撐,縱向設水平加強梁,一方面固定液壓千斤頂5,另一方先可以增強所述盾構整體性和剛度,減少變形,確保正常運行。
[0075]⑤安全係數
[0076]最小安全係數為1.787。
[0077](2)盾構推進力計算
[0078]盾構推進力主要考慮盾構殼體與土體摩擦力F1和盾構切口環切入土體阻力F2。
[0079]在粘性土中=F1= B L C
[0080]上式中:
[0081]B—盾構殼體周長(m);
[0082]L一盾構殼體長度(m);
[0083]C一土體內聚力(kN/m2);
[0084]F1 = B L C = 22.92X5.5X42.8 = 5393kN
[0085]土體壓力(20kN/m2, 1m 計算):
[0086]20X10 = 200kN/m2 = 200KPa
[0087]切口插入土壤的貫入時外周阻力
[0088]F2= (1XLXC) + [1X0.05X200] = 781+365 = 1146kN
[0089]I.厚度.P = (23+5.9+7.6) X0.05X200 = 365kN
[0090]I——貫入面周長長度(m) T——刃腳貫入深度(m)0.2m
[0091]Kp——被動土壓力係數,0.4 Pw——作用在盾構上的平均土壓(KPa)
[0092]F = F^F2 = 5393+1146 = 6539kN
[0093]綜合以上計算,推力取lOOOOkN。
[0094](3)推進液壓系統設計
[0095]液壓千斤頂5的液壓缸取200/110-800mm,系統壓力300bar,所述液壓缸個數14個。
[0096]單只液壓缸推力為:
[0097]
【權利要求】
1.一種馬蹄形開敞式盾構結構,其特徵在於,所述盾構結構包括馬蹄形斷面盾構機,在盾構機馬蹄形斷面的周邊設有若干只液壓千斤頂和支撐工字鋼構成的可拆移式反力結構,在反力結構的一側設置有鋼筋混凝土襯砌洞身結構。
2.如權利要求1所述的馬蹄形開敞式盾構結構,其特徵在於,在所述馬蹄形盾構機的兩側分別設有十字網格,安裝在盾構機尾部一周的十字網格與液壓千斤頂配合且同時用於反鏟裝車,安裝在盾構機前部的十字網格用於切削土體。
3.如權利要求2所述的馬蹄形開敞式盾構結構,其特徵在於,在所述盾構機的前部還加設有縱向和水平加強梁。
4.如權利要求3所述的馬蹄形開敞式盾構結構,其特徵在於,所述液壓千斤頂被設置在馬蹄形盾構機的兩側和底邊。
5.一種採用權I所述馬蹄形開敞式盾構結構的盾構法施工工藝,其特徵在於,所述盾構法施工工藝包括如下工藝步驟: S1:採用馬蹄形斷面,利用周邊若干只液壓千斤頂和型鋼加工可拆移式反力體系; 52:結合支護和盾體安全裝置,完成開挖工作; 53:開挖一個段後,拆除反力體系,進行鋼筋混凝土襯砌,完成洞身結構施工。
6.如權利要求5所述的馬蹄形開敞式盾構結構盾構法施工工藝,其特徵在於,所述SI步中的可拆移式反力體系通過安裝在盾尾一周的12個液壓千斤頂協同工作,使前部網格切削土體,網格後反鏟裝車,實現開挖土體工作。
7.如權利要求5所述的馬蹄形開敞式盾構結構盾構法施工工藝,其特徵在於,所述S2步中支護和盾體安全裝置為頂進過程中,液壓千斤頂頂進一個行程60cm,即為工字鋼支撐的間距,將新裝工字鋼支撐安裝在盾尾防護下,並與已安裝的工字鋼支撐鋼筋條焊接;當盾構推進後,及時進行噴混凝土防護,形成臨時穩定洞室。
8.如權利要求7所述的馬蹄形開敞式盾構結構盾構法施工工藝,其特徵在於,將所述支撐工字鋼安裝在盾構機尾部的防護部下,並與已安裝的支撐工字鋼和鋼筋條焊接在一起。
9.如權利要求8所述的馬蹄形開敞式盾構結構盾構法施工工藝,其特徵在於,所述防護部為盾構機推進後由噴射於洞壁鋼筋上的混凝土形成的臨時穩定洞室。
10.如權利要求8所述的馬蹄形開敞式盾構結構盾構法施工工藝,其特徵在於,在所述盾構機的盾尾與鋼筋混凝土襯砌之間設置有可組裝的鋼桁架的傳力結構。
【文檔編號】E21D9/06GK104074526SQ201410275343
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月19日 優先權日:2014年6月19日
【發明者】趙新民, 顏志強, 衡富安, 徐其陽, 李峰 申請人:中國水利水電第十一工程局有限公司