盾构隧道首负环管片免后推快速拼装推进装置及方法与流程

1.本发明涉及盾构施工技术领域，尤其涉及一种盾构隧道首负环管片免后推快速拼装推进装置及方法。


背景技术：

2.随着经济的发展，城市化进程的加快，城市地铁、水利水电、公路、铁路等隧道都需要盾构法来进行施工开挖，盾构以其安全快速等诸多优势而逐渐普及。盾构在始发阶段的施工难度很大，始发技术是盾构法施工技术的关键，也是盾构施工成败的标志。
3.盾构始发推进前，需在盾尾内拼装2环成环管片。管片作为盾构开挖后的一次衬砌，用于支撑隧道上的土压和水压，防止隧道土体坍塌、变形以及渗漏水，是隧道永久性结构，并为盾构推进提供反力。
4.现有技术中，一般先在盾尾内管片拼装区域底部水平设置多条支撑垫条，支撑垫条选择尺寸合适的槽钢，按选定点位从下部向两侧分块拼装首负环管片，并通过固定挡块临时固定每环管片，在上部管片拼装过程中，需设置“l”型挂钩以悬挂稳定管片，管片成环后，割除“l”型挂钩和固定挡块，在后部无支撑情况下，利用推进油缸向后均匀顶推，推出到一定位置后，再次临时固定首负环，拼装完成第2负环，再次整体推出管片，直到管片后部与始发反力设施形成有效的传力结构后，盾构方可依靠推进油缸和始发反力设施提供足够支撑反力，达到向前推进。
5.随着国内盾构隧道的快速发展，盾构法隧道施工技术正在朝长距离、大直径、大埋深、复杂环境和高度自动化方向发展。当盾构开挖直径为φ14m以上的超大直径盾构时，盾尾的长度相对更长，作用在盾尾刷上的管片重量更重。因此，盾构始发时，应尽快完成首负环管片拼装，避免向后空推管片，并快速与始发反力设施形成有效的传力结构。
6.在此过程中，至少存在如下技术问题：存在 2环负环管片后部无支撑空推的工况，易导致管片失圆、下沉等现象，造成盾尾刷局部受力过大损坏和管片破损等问题；且管片在盾尾内成环过程中，需在盾壳内焊接钢构件以支撑和固定管片；无螺栓/无锁扣的管片之间、首负环与第2负环之间需采取预埋件焊接或拉紧等措施；在管片拼装和向后推进过程中，无法及时前推盾构来抵挡掌子面失稳等异常情况。


技术实现要素：

7.鉴于以上技术问题，本公开提供了一种盾构隧道首负环管片免后推快速拼装推进方法，解决了现有技术中管片后部无支撑情况下向后空推出盾尾，盾构无法及时向前推进始发，成环管片由于无支撑失圆、下沉、尾刷局部受力过大损坏以及管片破损的技术问题根据本公开的一个方面，提供一种盾构隧道首负环管片免后推快速拼装推进装置，连接盾构主机，所述盾构主机的盾尾设有尾刷和盾尾加强环，其特征在于：所述推进装置包括推进油缸、支撑钢管、始发反力设施；所述推进油缸安装于盾构主机的盾尾处；
所述支撑钢管悬臂连接始发反力设施，所述支撑钢管固定臂伸入盾构主机盾尾内，并越过盾构主机的尾刷与盾尾加强环处于同一环面内，且连接于首负环管片后端面；在盾构始发轴线方向上依次设置始发反力设施、支撑钢管、首负环管片、推进油缸，形成有效传力系统。
8.在本公开的一些实施例中，所述始发反力设施为钢结构，与支撑钢管焊接固定。
9.在本公开的一些实施例中，所述始发反力设施为混凝土结构，所述始发反力设施前端面设有得以焊接支撑钢管的第一预埋钢板。
10.在本公开的一些实施例中，所述首负环管片后端面按推进对应点位/整个受力面设有第二预埋钢板，所述支撑钢管与第二预埋钢板焊接固定，所述第二预埋钢板的位置与所述推进油缸位置一致或间隔布置。
11.根据本公开的另一个方面，提供一种盾构隧道首负环管片免后推快速拼装推进方法，根据始发井尺寸、盾构主机尺寸、始发反力设施位置以及始发洞门位置，以确定始发导台与盾构主机组装位置；在始发反力设施/始发井后端墙位置与盾构主机盾尾之间预留作业空间，以实现盾构主机及始发反力设施的组装；其特征在于，包括如下步骤：预制首负环管片：在掘进机后安装首付环管片，在首负环后端面按对应支撑点位/整个受力面预埋若干钢板，以焊接支撑钢管；预制支撑钢管：按照始发反力设施与预制首负环管片后端面拼装位置之间的距离确定支撑钢管长度；连接支撑钢管：将支撑钢管悬臂连接始发反力设施，将支撑钢管固定臂伸入盾构主机盾尾内，并越过其尾刷与盾尾加强环处于同一环面；支撑钢管轴线与盾构始发纵轴线平行；安装首负环管片：利用推进油缸和步骤(3)中形成的支撑钢管压紧首负环管片，在盾尾内按点位逐块安装首负环管片；首负环管片拼装时，始发反力设施、支撑钢管、首负环管片和推进油缸在盾构始发轴线方向上形成有效传力系统后，盾构整体向前推进，以首负环管片为基准进行盾构空推和管片拼装循环施工，直至正常始发。
12.在本公开的一些实施例中，所述步骤(4)之前还包括设置盾构主机防前移措施：安装首负环管片时，检算盾构主机与始发导台之间的摩擦力为x，设置始发反力设施的推进反力大于x。
13.在本公开的一些实施例中，所述连接包括焊接/螺栓连接/铆接。
14.在本公开的一些实施例中，所述步骤(3)还包括将支撑钢管按顺序与始发反力设施逐一焊接固定。
15.在本公开的一些实施例中，所述步骤(4)之后还包括支撑负环管片，负环管片脱出盾尾后，采用垫块支撑于负环管片与始发导台之间。
16.本发明的有益效果在于：首次提出使用延长的支撑钢管，该支撑钢管在负环管片拼装成环过程中，通过延长支撑钢管的长度，使支撑钢管一端伸入盾构主机的盾尾内，配合推进油缸，固定首负环管片，支撑管自身可以占据一部分空间并起到支撑作用，从而节约1环负环管片，通过受力检算，满足盾构始发反力要求，校正长度和端面平整度，在始发轴线方向上快速形成有效的传
力系统，首负环拼装完成后可及时空推盾构前进，进入下一循环施工，施工效率高，大大降低盾构隧道前期负环拼装、空推以及始发过程中的技术难度和安全风险。
17.无需在盾尾内焊接
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l”型挂钩等辅助措施；对于无螺栓或无锁扣的管片设计，在负环管片拼装过程中，管片块或环之间也无需采取拉紧等措施，避免了首负环管片在后部无支撑的情况下向后推出盾尾的现象，减少了成环管片由于无支撑，造成失圆、下沉以及尾刷局部受力过大异常损坏等问题的发生。
18.始发反力设施可采用钢结构的形式，或前端面按照盾构推进油缸各点位预埋钢板的混凝土结构的形式，结构稳定，满足盾构始发反力要求；始发反力设施直接焊接支撑钢管或通过预埋钢板焊接支撑钢管，使用方式多样，应用场景广泛，满足不同的使用需求。
19.在管片拼装时设置盾构主机防前移措施，在空推盾构过程中提供把负环管片挤紧不下滑的反力，负环管片脱出盾尾后，在盾构始发导台上牢固支撑管片，防止负环管片脱出盾尾后下沉。
20.设置首负环管片的厚度大于支撑钢管的直径，以便于首负环管片焊接支撑钢管，使得焊接牢固可靠。
附图说明
21.图1为盾构隧道首负环管片拼装示意图；图2为盾构隧道首负环管片与第二负环管片拼装示意图；图3为盾构隧道首负环管片预埋钢板与支撑钢管位置示意图；图4为始发反力设施与支撑钢管位置示意图；图中各部件名称：1、盾构主机盾尾；2、推进油缸；3、首负环管片；4、始发反力设施；5、支撑钢管；6、始发导台；7、盾尾加强环；8、第二负环管片；9、首负环封顶块管片；10、首负环管片预埋钢板；11、始发井主体结构墙；a、支撑钢管的直径，b、首负环管片的厚度。
具体实施方式
22.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
23.本例公开一种盾构隧道首负环管片免后推快速拼装推进装置，参见图1至图4，连接盾构主机盾尾1，在始发导台6上推进，盾构主机盾尾1的盾尾设有尾刷和盾尾加强环7，盾构隧道首负环管片免后推快速拼装推进装置包括推进油缸2、支撑钢管5、始发反力设施4；推进油缸2安装于盾构主机盾尾1的盾尾处；支撑钢管5悬臂连接始发反力设施4，支撑钢管5固定臂伸入盾构主机盾尾1盾尾内，并越过盾构主机盾尾1的尾刷与盾尾加强环7处于同一环面，且连接于首负环管片3后端面；在盾构始发轴线方向上依次设置始发反力设施4、支撑钢管5、首负环管片3、推进油缸2，形成有效传力系统；支撑钢管5的直径为a，首负环管片3的厚度为b，b-a》5cm，以便于首负环管片焊接支撑钢管，使得焊接牢固可靠。
24.始发反力设施4为钢结构，与支撑钢管5焊接固定；或始发反力设施4为混凝土结
构，始发反力设施4前端面设有第一预埋钢板，第一预埋钢板与支撑钢管5焊接固定，第一预埋钢板的位置与推进油缸2的位置相对应，第一预埋钢板的任一边长均大于支撑钢管5直径。
25.首负环管片3后端面按推进对应点位/整个受力面设有首负环管片预埋钢板10，支撑钢管5与首负环管片预埋钢板10焊接固定，首负环管片预埋钢板10的位置与推进油缸2的位置一致或间隔布置。
26.本例以φ15m盾构在始发井内始发对本发明进行说明，首负环管片3外径φ14.5m，内径φ13.3m，厚60cm，首负环管片3共计10块管片，其中包括1块首负环封顶块管片9、2块邻接块、7块标准块，推进油缸共28组，盾构始发过程中，推进油缸2、首负环管片3、支撑钢管5、始发反力设施4在始发纵轴线方向上形成有效的传力系统后，盾构向前推进。
27.根据始发井尺寸、盾构主机盾尾1尺寸、始发反力设施4位置、洞门位置等确定始发导台6及盾构主机盾尾1组装位置，在始发反力设施4或始发井主体结构墙11与盾尾之间预留合适作业空间，满足盾构主机盾尾1及始发反力设施4的组装。
28.根据盾构始发需要的推力、管片分块数量、管片厚度、支撑钢管5承载力及始发反力设施4和盾构主要位置确定支撑钢管5长度为4m，外径400mm、壁厚10mm，共19根，对应首负环封顶块管片9位置焊接1根支撑钢管5，对应邻接块和标准块位置每块管片焊接2根支撑钢管5，按照对应推进油缸2进行编号。
29.首负环管片3预制时，在首负环管片3后端面对应位置预埋钢板，始发反力设施4施做时，在始发反力设施4前端面对应位置预埋钢板，钢板尺寸满足支撑钢管受力和周边牢固焊接要求，如图3、图4所示。
30.提前按编号焊接支撑钢管5与始发反力设施4，焊接过程中调整支撑钢管5的位置和纵轴线，保证支撑钢管5在预埋钢板中部，且纵轴线与始发纵轴线平行，前端面位于同一端面。
31.在盾尾内宜从底部开始安装首负环管片3，首负环管片3由推进油缸2与支撑钢管5压紧或用薄钢板进行调整并焊接，过程中做好邻接块与首负环封顶块管片9的间隙调整。
32.推进油缸2、首负环管片3、支撑钢管5、始发反力设施4在始发轴线方向上形成有效传力系统后，盾构整体向前推进，进入下一循环第二负环管片8的施工，如图2所示。
33.本实施例中，支撑钢管组分为8组均匀分布在支撑面，每组有2-3个支撑管。针对对应的管片起到独立支撑的作用，稳定性高。
实施例2
34.本例公开一种盾构隧道首负环管片免后推快速拼装推进方法，根据始发井尺寸、盾构主机尺寸、始发反力设施位置以及始发洞门位置，以确定始发导台与盾构主机组装位置；在始发反力设施/始发井后端墙位置与盾构主机的盾尾之间预留作业空间，以实现盾构主机与始发反力设施的组装；包括如下步骤：(1)预制首负环管片：在掘进机后安装首付环管片，在首负环后端面按对应支撑点位/整个受力面预埋若干钢板，以焊接支撑钢管；(2)预制支撑钢管：按照始发反力设施与预制首负环管片后端面拼装位置之间的距离确定支撑钢管长度；支撑钢管应按各对应点位提前进行下料加工，直径宜小于管片厚
度5cm，长度满足后端与始发反力装置连接、前端深入盾尾越过第一道尾刷前部10cm为宜；每块首负环管片标准块、邻接块上的支撑钢管至少2根，每块首负环封顶块管片9上的支撑钢管至少1根；(3)焊接支撑钢管：将始发反力设施预埋钢板按照顺序进行编号，将支撑钢管悬臂按照编号顺序与始发反力设施逐一焊接固定；将支撑钢管固定臂伸入盾构主机盾尾内，并越过其尾刷与盾尾加强环处于同一环面，焊接首负环管片后端面预埋钢板，首负环管片与支撑钢管之间若存在空隙，则采用预埋钢板塞填焊接；支撑钢管轴线与盾构始发纵轴线平行；(4)设置盾构主机防前移措施：安装首负环管片时，检算盾构主机与始发导台之间的摩擦力为x，设置始发反力设施的推进反力大于x；在空推盾构过程中提供把负环管片挤紧不下滑的反力，检算盾构主机与盾构主机始发导台的摩擦力，推进反力宜大于5倍管片重力，不满足时增加反力措施；(5)安装首负环管片：利用推进油缸和步骤(3)中形成的支撑钢管压紧首负环管片，在盾尾内宜从底部开始按点位逐块安装首负环管片；(6)支撑负环管片：首负环管片脱出盾尾后，采用垫块支撑于负环管片与始发导台之间。
35.首负环管片拼装时，始发反力设施、支撑钢管、首负环管片和推进油缸在始发轴线方向上形成有效传力系统后，盾构整体向前推进，以首负环管片为基准进行盾构空推和管片拼装循环施工，直至正常始发。整体过程中节约一环负环管片，成本极大节约。
36.尽管已描述了本发明的一些优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
37.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本实发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种盾构隧道首负环管片免后推快速拼装推进装置，连接盾构主机，所述盾构主机的盾尾设有尾刷和盾尾加强环，其特征在于：所述推进装置包括推进油缸、支撑钢管、始发反力设施；所述推进油缸安装于盾构主机的盾尾处；所述支撑钢管悬臂连接始发反力设施，所述支撑钢管固定臂伸入盾构主机盾尾内，并越过盾构主机的尾刷与盾尾加强环处于同一环面内，且连接于首负环管片后端面；在盾构始发轴线方向上依次设置始发反力设施、支撑钢管、首负环管片、推进油缸，形成有效传力系统。2.如权利要求1所述的盾构隧道首负环管片免后推快速拼装推进装置，其特征在于：所述始发反力设施为钢结构，与支撑钢管焊接固定。3.如权利要求1所述的盾构隧道首负环管片免后推快速拼装推进装置，其特征在于：所述始发反力设施为混凝土结构，所述始发反力设施前端面设有得以焊接支撑钢管的第一预埋钢板。4.如权利要求1所述的盾构隧道首负环管片免后推快速拼装推进装置，其特征在于：所述首负环管片后端面按推进对应点位/整个受力面设有第二预埋钢板，所述支撑钢管与第二预埋钢板焊接固定，所述第二预埋钢板的位置与所述推进油缸位置一致或间隔布置。5.一种盾构隧道首负环管片免后推快速拼装推进方法，根据始发井尺寸、盾构主机尺寸、始发反力设施位置以及始发洞门位置，以确定始发导台与盾构主机组装位置；在始发反力设施/始发井后端墙位置与盾构主机盾尾之间预留作业空间，以实现盾构主机及始发反力设施的组装；其特征在于，包括如下步骤：(1)预制首负环管片：在掘进机后安装首付环管片，在首负环后端面按对应支撑点位/整个受力面预埋若干钢板，以焊接支撑钢管；(2)预制支撑钢管：按照始发反力设施与预制首负环管片后端面拼装位置之间的距离确定支撑钢管长度；(3)连接支撑钢管：将支撑钢管悬臂连接始发反力设施，将支撑钢管固定臂伸入盾构主机盾尾内，并越过其尾刷与盾尾加强环处于同一环面；支撑钢管轴线与盾构始发纵轴线平行；(4)安装首负环管片：利用推进油缸和步骤(3)中形成的支撑钢管压紧首负环管片，在盾尾内按点位逐块安装首负环管片；首负环管片拼装时，始发反力设施、支撑钢管、首负环管片和推进油缸在盾构始发轴线方向上形成有效传力系统后，盾构整体向前推进，以首负环管片为基准进行盾构空推和管片拼装循环施工，直至正常始发。6.如权利要求5所述的盾构隧道首负环管片免后推快速拼装推进方法，其特征在于：所述步骤(4)之前还包括设置盾构主机防前移措施：安装首负环管片时，检算盾构主机与始发导台之间的摩擦力为x，设置始发反力设施的推进反力大于x。7.如权利要求5所述的盾构隧道首负环管片免后推快速拼装推进方法，其特征在于：所述连接包括焊接/螺栓连接/铆接。8.如权利要求5所述的盾构隧道首负环管片免后推快速拼装推进方法，其特征在于：所述步骤(3)还包括将支撑钢管按顺序与始发反力设施逐一焊接固定。
9.如权利要求5所述的盾构隧道首负环管片免后推快速拼装推进方法，其特征在于：所述步骤(4)之后还包括支撑负环管片，负环管片脱出盾尾后，采用垫块支撑于负环管片与始发导台之间。

技术总结
本发明涉及盾构施工技术领域，公开了一种盾构隧道首负环管片免后推快速拼装推进装置及方法。旨在解决现有技术中首负环管片后部无支撑情况下向后空推出盾尾，盾构无法及时向前推进始发，成环管片由于无支撑/局部受力过大造成失圆、下沉、损坏的技术问题。本发明连接盾构主机，在始发导台上推进，本发明包括推进油缸、支撑钢管、始发反力设施；推进油缸连接盾构主机的盾尾处；支撑钢管悬臂连接始发反力设施，支撑钢管固定臂连接于首负环管片后端面。本发明首负环管片位置固定，节约1环负环管片，能够及时有效提供盾构推进反力，减少成环管片的异常问题，使盾构及时始发推进，大大降低盾构前期负环拼装、空推、始发过程中的技术难度和安全风险。和安全风险。和安全风险。


技术研发人员：杜闯东 陈林 孙祥惠 张提 陈文義 卢建伟 方俊波 刘海江 张春阳 李立功 郑骞
受保护的技术使用者：中铁隧道局集团有限公司
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/7/7