尾盾已变形的水下大直径盾构持续掘进施工工装及施工方法与流程

1.本发明涉及一种水下隧道的施工工装及方法，特别涉及一种水下大直径盾构的尾盾已产生塑性变形后仍能继续掘进的施工工装及方法，属于隧道工程技术领域。


背景技术：

2.盾构是用于建造穿越江河、海底水下隧道的主要设备之一，近年来正在向着大深度、大断面、长距离的方向发展并在国内外逐渐建成了一批大直径（隧道断面直径在8～14m之间）甚至超大直径（隧道断面直径大于14m）的海底或江底隧道和城市道路隧道。
3.随着盾构穿越地层种类不断增加，施工难度逐渐加大，对盾构的制造技术及掘进控制也提出了更高的要求。大直径盾构是指直径在8～14m之间的盾构，大直径盾构在密实地层中掘进过程中，在各种阻力的综合作用下盾构挖掘路径容易发生偏移，需要及时进行纠偏，在盾构纠偏过程中会产生较大的地基反力和被动土压力。盾构的尾盾作为管片运输和拼装的工作空间，采用薄壁圆筒结构造成尾盾是盾构强度和刚度的最薄弱的部分，由于盾体安全储备不足加之不良的操作、长期蛇形前进等原因可能会引起尾盾壳体产生不同程度的塑性变形，影响盾构掘进，严重的甚至会导致油缸撑靴与尾盾产生摩擦、管片与尾盾贴紧等导致盾构被困无法继续前进。
4.现有的尾盾壳体变形矫正方式如下：先将变形区域的尾盾壳体割除开窗，然后清理外部固结物或障碍物，再对尾盾壳体进行整圆矫正并补焊割除的窗口。申请号202010575523 .4的发明专利申请公开了“用于强透水砂层大直径盾构尾盾变形矫正的圆环形工装及方法”，该申请采用圆环形工装配合开孔放砂等辅助性措施，实现尾盾变形矫正及整圆，可以保证尾盾钢板与油缸撑靴及成型管片拉开间隙，使盾构实现脱困。申请号202010711631.x的发明专利申请公开了“一种处置富水砂层中盾尾变形的矫正工装及其施工工艺”可快速实现拼装、拆除作业，满足重复使用的要求，对盾构后续正常掘进提供保障。可作为常规的盾构矫正手段，适用范围广。然而，上述的尾盾变形矫正施工方法存在结构加工复杂、施工周期长、安全风险高等缺点。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种尾盾已变形的水下大直径盾构持续掘进施工工装及施工方法，不需对变形尾盾进行矫正，就能保证盾构正常掘进。
6.本发明通过以下技术方案予以实现：一种尾盾已变形的水下大直径盾构持续掘进施工工装，包括输水单元、多个高压水囊和多根导向条，所述多根导向条沿尾盾壳体内壁径向均匀分布，分别固定在尾盾壳体内壁上；高压水囊位于两根导向条之间，分别固定在尾盾壳体内壁上，且位于尾盾壳体内壁和管片环外周面之间；所述输水单元包括顺次连接的工业水箱、输入水管、高压水泵、输出水管和末端软管，压力表旁接在输出水管上，工业水箱位于盾构内，高压水囊输入水管分别接有截止阀，数个高压水囊输入水管并联成一路总输入水管，所述总输入水管一端与快速
接头固定连接，输水单元的末端软管一端依次通过快速接头、总输入水管、高压水囊输入水管与数个高压水囊相连。
7.本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现。
8.进一步的，所述高压水囊包括囊体、数根横向束带和一根纵向束带，间隔设置的数根横向束带分别绕囊体横向一周，一根纵向束带绕囊体纵向中心一周，所述横向束带和纵向束带分别粘接固定在囊体上，高压水囊一端和两侧分别间隔设有连接板，高压水囊通过穿过连接板的紧固螺钉固定在尾盾壳体内壁上。
9.进一步的，高压水囊的充水水压为1.0～1.5mpa，高压水囊充水加压后厚度≥40mm。
10.进一步的，所述囊体的材质采用耐磨橡胶。所述横向束带和纵向束带的材质均采用三元乙丙橡胶。
11.一种使用尾盾已变形的水下大直径盾构持续掘进施工工装的施工方法，包括以下步骤：1）分别安装高压水囊：根据管片拼装工序进展和高压水囊安装在尾盾壳体内壁的位置要求，确定高压水囊的连接板定位孔中心的位置；先用磁力钻机在尾盾露出区域内分别进行钻孔，然后进行机攻或人工攻丝，逐一完成尾盾壳体内壁的螺纹孔加工；接着将紧固螺钉分别横穿过高压水囊的连接板定位孔后拧入对应螺纹孔中，从而将高压水囊分别固定在尾盾壳体内壁各自对应位置的2根导向条之间；从尾盾壳体内壁的底部开始，多个高压水囊纵向相邻地排列成绕尾盾壳体内壁一周的环形，高压水囊的长度与将要铺设的一圈管片环的宽度匹配；2）高压水囊单元连接输水单元：根据盾构竖直径向高程将尾盾壳体内壁一周的多个高压水囊分为若干个高压水囊单元，每一高压水囊单元分别包括数个高压水囊，所述数个高压水囊的输入水管并联成一路总输入管后与快速接头固定连接，输水单元的末端软管一端分别与高压水囊单元的总输入管端头的快速接头相连，完成高压水囊单元与输水单元的连接；3）拼装一圈管片环：综合评估盾构油缸的伸出行程、盾构姿态和盾尾间隙，确定尾盾内封顶f管片块的拼装点位；采用相邻的标准管片块和邻接管片块错缝拼装的安装方式，首先拼装一圈管片环底部的b3标准块管片，随后左右交叉拼装标准块管片及邻接块管片，并及时依次拧紧相邻管片块的数个环纵缝连接螺栓螺母组件，最后沿隧道轴向插入封顶的f管片块，并依次最终拧紧所有环纵缝连接螺栓螺母组件，完成一圈管片环的拼装；4）注水加压高压水囊单元：一圈管片环拼装完成后，先分别开启一组高压水囊单元各高压水囊的截止阀，然后启动输水单元的高压水泵对各高压水囊注水加压，以压力表读数为准进行控制；各组水压以高压水囊所处高程位置盾体外侧水土压力为准，加压过程中，观察环纵缝连接螺栓螺母组件及管片环纵缝束紧情况，及时对高压水囊的水压进行相应调整；在注水加压结束后，先关闭高压水泵，然后分别关闭各高压水囊的截止阀，最后及时进行环纵缝连接螺栓螺母组件的复紧；5）依次完成一圈管片环内其余高压水囊单元的注水加压：重复步骤4）的过程，逐步完成一圈管片环内其余高压水囊单元的注水加压；6）盾构掘进与监测：盾构采用分段式掘进方式，按管片环宽度分成两阶段掘进，第
一阶段掘进深度为管片环宽度的3/4，第二阶段掘进深度为管片环宽度的1/4；第一阶段以控制盾构掘进速度为主，盾构姿态为辅，第二阶段以控制盾构姿态为主；尾盾壳体内壁至油缸撑靴端面的距离c即盾尾间隙≥40mm；盾构掘进距离至175～185cm时，按照盾构油缸的点位进行全环测量各点位的盾尾间隙，同时测量尾盾壳体已发生塑性变形区域的导向条间距；在盾构每掘进完成20～30管片环时，采用全站仪进行盾尾圆度测量，基于最小二乘法的曲线拟合原理进行盾尾圆度绘图，从而掌握尾盾壳体的变形情况；根据盾尾间隙及尾盾壳体圆度变化情况，合理选择管片环的管片块的拼装顺序，并针对尾盾壳体环面不同位置的变形量，合理调整对应区域的高压水囊水压，使得该区域的管片块不会受到已变形的尾盾壳体的挤压，确保盾构能正常掘进。盾构掘进速度为25～35mm/min。
12.本发明在尾盾壳体内壁和管片外周面之间，增设环绕尾盾壳体内壁一圈的若干组高压水囊，利用高压水囊隔开尾盾壳体和管片，从而无需使用大型结构构件进行尾盾变形矫正及对盾体结构进行加固，有效降低了施工安全风险，可在不影响掘进效率的前提下确保盾构的正常掘进。本发明盾构掘进与监测方法操作简便，便于施工现场实施。本发明对一圈管片环的管片块之间提前进行预紧，使得管片环的管片块之间的周向固定连接稳定可靠，防止已变形的尾盾壳体内壁挤压管片块，降低了成型隧道内管片的破损，提高了施工效率，降低了施工成本。
13.本发明的优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释，这些实施例，是参照附图仅作为例子给出的。
附图说明
14.图1是本发明拼装管片的分区图；图2是第45至第47管片环的展开示意图；图3是本发明的高压水囊单元与输水单元的连接简图；图4是图1的ⅰ部放大图；图5是图4的a向视图。
具体实施方式
15.下面结合附图和直径12.12m盾构掘进的实施例对本发明作进一步说明。
16.如图1和图2所示，在尾盾内安装的管片环10从底部的b3管片块至顶部的f管片块，包括b1至b5，l1、l2和f共八块管片块，其中最后安装的f管片块两端倾斜，与f管片块两端相邻的管片块101分别为l1邻接块和l2邻接块，l1邻接块一端的倾斜面和l2邻接块一端的倾斜面分别与f管片块两端倾斜面匹配，便于将f管片块最后从隧道轴向嵌入安装在l1邻接块和l2邻接块之间，与早期已安装好的b1～b5标准块形成一个封闭的管片环10。图2所示一隧道的第45～第47环三组相邻的管片环10，每一组管片环10的管片块101之间接缝与相邻组管片环10的管片块101之间接缝均已错开。
17.图1中盾构外周面的圈内数字1～23表示盾构内成一圈排列的共23个盾构油缸20。图5所示油缸活塞杆201端头与油缸撑靴30右侧连接，油缸撑靴30包括固定连接成一体的尼龙缓冲板301和支撑块302，油缸撑靴30左侧的尼龙缓冲板301压在管片块101的右端端面上，每个管片块101端面被2个或3个油缸撑靴30压住。数个油缸活塞杆201同时推动各自对
应的油缸撑靴30，通过油缸撑靴30的移动，推动管片块101向着已安装好的管片环10移动，消除其与已安装完毕管片环10的轴向间隙，提高水下隧道的的施工质量。
18.如图3和图4所示，本实施例的施工工装包括输水单元1、多个高压水囊2和多根导向条3，多根导向条3沿尾盾壳体401内壁径向均匀分布，分别固定在尾盾壳体401内壁上，高压水囊2位于两根导向条3之间，分别固定在尾盾壳体401内壁上，且位于尾盾壳体401内壁和管片环10外周面之间。输水单元1包括顺次连接的工业水箱11、输入水管12、高压水泵13、输出水管14和末端软管15，压力表16旁接在输出水管14上，工业水箱11位于盾构40内，高压水囊输入水管21分别接有截止阀22，数个高压水囊2的高压水囊输入水管21先并联成一路总输入水管23，总输入水管23一端与快速接头24固定连接，输水单元1的末端软管15一端依次通过快速接头24、总输入水管23、高压水囊输入水管21与数个高压水囊2相连。
19.高压水囊2包括囊体21、三根横向束带211和一根纵向束带212，间隔设置的三根横向束带211分别绕囊体21横向一周，一根纵向束带212绕囊体21纵向中心一周，横向束带211和纵向束带212分别粘接固定在囊体21上，高压水囊2一端并排设有2块连接板25，高压水囊2两侧分别间隔设有2块连接板25，高压水囊2通过穿过连接板25的紧固螺钉26固定在尾盾壳体401内壁上。本实施例的囊体21的长
×
宽
×
厚为220cm
×
60cm
×
2cm，高压水囊2充水加压后的厚度≥40mm。高压水囊2的充水水压为1.0～1.5mpa。囊体21的材质采用耐磨橡胶，横向束带211和纵向束带212的材质均采用三元乙丙橡胶。
20.一种使用尾盾已变形的水下大直径盾构持续掘进施工工装的施工方法，包括以下步骤：1）分别安装高压水囊2：根据管片拼装工序进展和高压水囊2安装在尾盾壳体401内壁的位置要求，确定高压水囊2的连接板定位孔251的中心位置。先用磁力钻机在尾盾40露出区域内分别进行钻孔，然后进行机攻或人工攻丝，逐一完成尾盾壳体401内壁的螺纹孔402加工。接着将紧固螺钉26分别横穿过高压水囊2的连接板定位孔251后拧入对应螺纹孔402中，从而将高压水囊2分别固定在尾盾壳体401内壁各自对应位置的2根导向条3之间。从尾盾壳体401内壁的底部开始，多个高压水囊2纵向相邻地排列成绕尾盾壳体401内壁一周的环形，高压水囊2的长度与将要铺设的一圈管片环10的宽度匹配。
21.2）高压水囊单元20连接输水单元1：根据盾构40竖直径向高程将尾盾壳体内壁一周的多个高压水囊2分为若干个高压水囊单元20，每一高压水囊单元20分别包括数个高压水囊2，数个高压水囊2的输入水管22并联成一路总输入管23后与快速接头24固定连接，输水单元1的末端软管15一端分别与高压水囊单元的总输入管23端头的快速接头24相连，完成高压水囊单元20与输水单元1的连接。
22.3）拼装一圈管片环10：综合评估盾构油缸20的伸出行程、盾构姿态和盾尾间隙，确定尾盾40内封顶f管片块的拼装点位。采用相邻的标准管片块和邻接管片块错缝拼装的安装方式，如图1所示，首先拼装一圈管片环10底部的b3标准块管片，随后左右交叉顺序拼装b2标准块管片、b4标准块管片，b1标准块管片、b5标准块管片及l1邻接块管片和l2邻接块管片，并及时依次拧紧相邻管片环10的数个环纵缝连接螺栓螺母组件5，最后沿隧道轴向插入封顶的f管片块，并依次最终拧紧所有环纵缝连接螺栓螺母组件5，完成一圈管片环10的拼装。
23.4）注水加压高压水囊单元20：一圈管片环10拼装完成后，如图3所示，先分别开启
一组高压水囊单元20各高压水囊2的截止阀22，然后启动输水单元1的高压水泵13对各高压水囊2注水加压，以压力表16读数为准进行控制。各组水压以高压水囊2所处高程位置盾体外侧水土压力为准，加压过程中，观察环纵缝连接螺栓螺母组件5及管片环10纵缝束紧情况，及时对高压水囊2的水压进行相应调整。在注水加压结束后，先关闭高压水泵13，然后分别关闭各高压水囊2的截止阀22，最后及时进行环纵缝连接螺栓螺母组件5的复紧。
24.5）依次完成一圈管片环10内其余高压水囊单元20的注水加压：依次次重复步骤4）的过程，逐步完成一圈管片环10内其余高压水囊单元20的注水加压。
25.6）盾构的掘进与监测：盾构采用分段式掘进方式，按管片环10宽度分成两阶段掘进，第一阶段掘进深度为管片环10宽度的3/4，第二阶段掘进深度为管片环10宽度的1/4。在本实施例中，管片环10宽度为200cm，第一阶段掘进150cm，第二阶段掘进50cm。第一阶段以控制盾构掘进速度为主，盾构姿态为辅，第二阶段以控制盾构姿态为主。图5中尾盾壳体401内壁至相邻的油缸撑靴端面的距离c即盾尾间隙≥40mm。盾构掘进距离至180cm左右时，按照盾构油缸20的点位进行全环测量各点位的盾尾间隙c，同时测量尾盾壳体401已发生塑性变形区域的导向条3间距。在盾构每掘进完成20～30管片环10时，采用全站仪进行盾尾圆度测量，基于最小二乘法的曲线拟合原理进行盾尾圆度绘图，从而掌握尾盾壳体401的变形情况。根据盾尾间隙c及尾盾壳体401圆度变化情况，合理选择管片环10的管片块101拼装顺序，并针对尾盾壳体401环面不同位置的变形量，合理调整对应区域的高压水囊2的水压，使得该区域的管片块101不会受到已变形的尾盾壳体401的挤压，确保盾构能正常掘进。盾构掘进速度为25～35mm/min。
26.除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。