一种应用于软弱围岩隧道修建的超前衬砌方法及衬砌设备

摘要

一种应用于软弱围岩隧道修建的超前衬砌方法及衬砌设备，所述超前衬砌方法包括场地清理、启动设备、灌注混凝土形成弧形拱壳混凝土片、连续施作多个形成弧形拱壳等步骤，所述设备包括主机和后台，所述主机包括拱形机架和掘进灌砼机，所述掘进灌砼机包括刀盘土仓、输出轴仓、动力仓和机壳。本发明解决了传统超前支护与衬砌结构先后进行施工的施工方法存在工期长、施工进度无法保证、浪费材料的缺点，解决了传统超前支护施工过程中，地面变形较大无法保证隧道施工安全的技术问题。

说明书

技术领域

本发明涉及软弱围岩隧道修建中的一种超前衬砌方法及衬砌设备，特别是一种利用拱形机架和掘进灌砼机针对软弱围岩进行超前支护的一种隧道超前衬砌方法及衬砌设备。

背景技术

为防止隧道坍塌，加固隧道周围岩体，控制浅埋隧道地表沉降，软弱围岩的隧道施工通常需要进行超前支护即预支护。预支护的主要目的是为了在隧道开挖时保证掌子面的稳定和防止拱部临空面的松动和垮塌。由于预支护同隧道的衬砌并不构成一个整体，在隧道开挖完成后预支护的作用一般也随之结束，当前用于软弱围岩隧道的预支护主要为长管棚、水平旋喷、超前小导管、超前注浆等方法。这些措施主要是通过地层改良和钢管的超前支护起作用，加固效果和施工技术水平关系很大，沉降变形控制困难。

目前，由于城市轨道交通和市政工程的快速建设，城市软弱地层浅埋隧道越来越多，地表沉降控制要求越来越高，迫切需要寻找一种能控制隧道变形和保证结构安全的隧道施工方法。如果在隧道预支护中采用永久性材料形成隧道衬砌的一部分，也就是说在隧道开挖前将部分或全部衬砌结构完成，从而不仅能保证隧道开挖时掌子面的稳定和防止拱部临空面的松动和垮塌，而且能使预支护成为最终隧道衬砌结构的一部分甚至全部，则此种预支护方法就是超前衬砌方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于软弱围岩隧道修建的超前衬砌方法及衬砌设备，解决传统超前支护与衬砌结构先后进行施工的施工方法存在工期长、施工进度无法保证、浪费材料的缺点，解决传统超前支护施工过程中，地面变形较大无法保证隧道施工安全的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种应用于软弱围岩隧道修建的超前衬砌方法，步骤如下：

步骤一：掌子面和施工场地的清理以及衬砌设备的安装，所述衬砌设备的安装包括主机和后台的安装，所述主机包括拱形机架和掘进灌砼机，拱形机架置于地面上，掘进灌砼机安装在拱形机架的滑轨上沿拱形机架作环向滑动，将主机与后台相连；确定超前衬砌的施工工位，按施工要求调整掘进灌砼机到超前衬砌起始位置；

步骤二：启动掘进灌砼机，掘进灌砼机沿着隧道掘进方向在拱形机架上向前推进，推动刀盘在隧道开挖轮廓线外向前掘进，刀盘切割土体，搅拌棒同时将切割下来的渣土与进浆管注入的膨润土稀浆混合经排泥管排出；

步骤三：掘进到规定深度后，一边通过箱体内的排泥管向掘进灌砼机前部泵送混凝土，一边回退掘进灌砼机；当掘进灌砼机的灌注工作即将完成时，在泵送的混凝土中加入速凝剂，待其凝固之后即在隧道开挖轮廓线外形成了一个条板状的弧形拱壳混凝土片；

步骤四：沿拱形机架环向且按施工顺序连续施作多个弧形拱壳混凝土片，形成一弧形拱壳，即超前衬砌结构，这时超前衬砌结构即成为隧道衬砌的一部分；

步骤五：待超前衬砌结构的混凝土凝固后，在弧形拱壳的保护下对隧道进行短于弧形拱壳的开挖，保留一定长度的弧形拱壳作为下一层弧形拱壳的搭接；

步骤六：在开挖结束位置喷锚形成新的掌子面，将拱形机架及掘进灌砼机向前移动至新的掌子面附近，进行下一循环的施工，直至超前衬砌全部完成。

所述步骤三中规定深度为2.5m-15m。

所述步骤四中，多个弧形拱壳混凝土片的施工顺序为连续施工两个弧形拱壳混凝土片的工位之间需间隔一个工位进行。

根据以上所述的一种应用于软弱围岩隧道修建的超前衬砌方法的衬砌设备，包括主机和后台，所述后台包括液压泵站、泥浆泵、渣泥收集转运设备、高压混凝土泵，所述主机包括拱形机架和掘进灌砼机，掘进灌砼机安装在拱形机架的滑架上沿滑架作环向滑动，所述掘进灌砼机包括仓体和仓体底部的给进架，所述仓体由前至后依次包括刀盘土仓、输出轴仓、动力仓和机壳；所述刀盘土仓的头部按前两后三的位置设置五个独立刀盘，独立刀盘的一侧还设有两个小刀盘，用于弧形拱壳混凝土片搭接整形，所述刀盘土仓的后部为储土间，储土间内设置刀盘轴，后三个所述独立刀盘的刀盘轴两侧安装有搅拌棒；所述输出轴仓内设有刀盘的动力输出轴，小刀盘的动力输出轴与相邻的刀盘动力输出轴通过传动链条进行传动；所述动力仓内设有动力输出轴的液压马达，所述机壳内设有同步阀、进油管、集流器、回油管，传感器的数据线，掘进机支撑骨架以及进浆管和排泥管；

所述进浆管与后台泥浆泵相连并穿过机壳，横跨动力仓内部且伸出五个分管直达输出轴仓与刀盘土仓的分界处；所述排泥管始于输出轴仓与刀盘土仓分界处的中部，依次穿过输出轴仓、动力仓和机壳，与后台渣泥收集转运设备相连。

所述仓体底部的给进架的架体由型钢焊接而成，其截面呈矩形，给进架的架体沿掘进方向尾部有给进马达，头部有从动链轮，仓体的前进、后退由链传动提供，所述给进架的架体沿掘进方向间隔焊有抱箍，用来固定掘进灌砼机的仓体及限制仓体的运动轨迹。

所述抱箍为弧形钢板，所述弧形钢板内侧的弧度与掘进灌砼机的外部形状相适应。

与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：

采用本发明针对软弱围岩隧道的超前衬砌方法时的地面变形很小，可以最大程度的保证隧道施工安全，不仅可以保证隧道开挖时掌子面的稳定和防止拱部临空面的松动和垮塌，而且能使预支护成为最终隧道衬砌结构的一部分甚至全部，缩短工期，减少隧道施工材料和费用，节省人力财力。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1是本发明超前衬砌方法步骤二中切割土体的示意图。

图2是本发明超前衬砌方法步骤三中注入混凝土后回退掘进灌砼机的示意图。

图3是本发明超前衬砌方法步骤四中多个弧形拱壳混凝土片的施工顺序示意图。

图4是本发明超前衬砌方法设备中拱形机架和掘进灌砼机相对位置示意图。

图5是图4的侧视图。

图6是本发明中弧形拱壳的结构示意图。

图7是本发明超前衬砌方法设备中掘进灌砼机的主视图。

图8是图7中E-E剖面的结构示意图。

图9是图7中掘进灌砼机仓体的内部详图。

图10是图9中刀盘一侧的侧视图。

附图标记：1－隧道围岩土体、2－弧形拱壳、2.1－弧形拱壳混凝土片、3－混凝土、4－拱形机架、5－掘进灌砼机、5.1－刀盘、5.2－进浆管、5.3－排泥管、5.4－刀盘土仓、5.5－输出轴仓、5.6－动力仓、5.7－机壳、5.8－小刀盘、5.9－搅拌棒、5.10－动力输出轴、5.11－掘进机支撑骨架、5.12－抱箍、5.13－仓体、5.14－给进马达、5.15－从动链轮、5.16－给进架、5.17－储土间，5.18－刀盘轴、5.19－液压马达、5.20－传动链条、5.21－同步阀、5.22－进油管、5.23－集流器、5.24－回油管、5.25－接口、6－掌子面。

具体实施方式

实施例参见图1-5所示，一种应用于软弱围岩隧道修建的超前衬砌方法，步骤如下：

步骤一：掌子面6和施工场地的清理以及衬砌设备的安装，所述衬砌设备的安装包括主机和后台的安装，后台主要包括液压泵站、泥浆泵、砼拌站或商砼、混凝土泵，拱形机架置于地面上，参见图4-5所示，所述主机包括拱形机架4和掘进灌砼机5，掘进灌砼机5安装在拱形机架4的滑轨上沿拱形机架作环向滑动，将主机与后台相连；确定超前衬砌的施工工位，按施工要求调整掘进灌砼机5到超前衬砌起始位置。

步骤二：参见图1-2和图7所示，启动掘进灌砼机，掘进灌砼机沿着隧道掘进方向P在拱形机架4上向前推进，推动刀盘5.1在隧道开挖轮廓线外向前掘进，刀盘5.1切割土体，搅拌棒5.9同时将切割下来的渣土与进浆管5.2注入的膨润土稀浆混合经排泥管5.3排出。

步骤三：参见图1-2和图6-7所示，掘进到规定深度一般为2.5m-15m时，一边通过箱体内的排泥管5.3向掘进灌砼机前部泵送混凝土3，一边回退掘进灌砼机；当掘进灌砼机的灌注工作即将完成时，为了加快浆液固化，防止浆液倒流，在泵送的混凝土中加入速凝剂，待其凝固之后即在隧道开挖轮廓线外形成了一个条板状的弧形拱壳混凝土片2.1；掘进灌砼机退出后从排泥管5.3注入膨润土浆，将管路及储土间中遗留的混凝土或水泥砂浆的浆液排出。图1-2中为了结构显示清晰，已经施工完成的弧形拱壳只用了一块顶部的弧形拱壳混凝土片表示。

步骤四：参见图6所示，沿拱形机架4环向且按施工顺序连续施作多个弧形拱壳混凝土片2.1，形成一弧形拱壳2，即超前衬砌结构，这时超前衬砌结构即成为隧道衬砌的一部分；

为保证超前衬砌的效果，多个弧形拱壳混凝土片的施工顺序为连续施工两个弧形拱壳混凝土片的工位之间需间隔一个工位。参见图3和图6所示，从隧道左侧施工到中间位置时，施工顺序应为A→B→C→D。

步骤五：参见图1-2所示，待超前衬砌结构的混凝土凝固后，在弧形拱壳2的保护下对隧道进行短于弧形拱壳2的开挖，保留一定长度的弧形拱壳2作为下一层弧形拱壳的搭接；

步骤六：在开挖结束位置喷锚形成新的掌子面，将拱形机架4及掘进灌砼机5向前移动至新的掌子面附近，进行下一循环的施工，直至超前衬砌全部完成。

根据以上所述的一种应用于软弱围岩隧道修建的超前衬砌方法的衬砌设备，包括主机和后台，参见图4-5所示，所述后台包括液压泵站、泥浆泵、渣泥收集转运设备、高压混凝土泵，所述主机包括拱形机架4和掘进灌砼机5，所述拱形机架主要由拱形梁、大小滑架、行走底盘、伸缩架四部分组成，掘进灌砼机5安装在拱形机架4的滑架上沿滑架作环向滑动。

参见图7-10所示，所述掘进灌砼机5包括仓体5.13和仓体底部的给进架5.16，所述仓体由前至后依次包括刀盘土仓5.4、输出轴仓5.5、动力仓5.6和机壳5.7；所述刀盘土仓5.4的头部按前两后三的位置设置五个独立刀盘5.1，独立刀盘5.1的一侧还设有两个小刀盘5.8，用于弧形拱壳混凝土片2.1搭接整形，所述刀盘土仓5.4的后部为储土间5.17，储土间内设置刀盘轴5.18，后三个所述独立刀盘5.1的刀盘轴两侧安装有搅拌棒5.9；所述输出轴仓5.5内设有刀盘的动力输出轴5.10，小刀盘的动力输出轴与相邻的刀盘动力输出轴通过传动链条5.20进行传动；所述动力仓5.6内设有动力输出轴的液压马达5.19，所述机壳5.7内设有同步阀5.21、进油管5.22、集流器5.23、回油管5.24，传感器的数据线，掘进机支撑骨架5.11以及进浆管5.2和排泥管5.3。

所述进浆管5.2与后台泥浆泵相连并穿过机壳5.7，横跨动力仓内部且伸出五个分管直达输出轴仓5.5与刀盘土仓5.4的分界处；所述排泥管5.3始于输出轴仓5.5与刀盘土仓5.4分界处的中部，依次穿过输出轴仓5.5、动力仓5.6和机壳5.7，与后台渣泥收集转运设备相连；设置输出轴仓5.5的目的是为了安装动力输出轴及隔断储土间与后部动力仓5.6。

参见图9所示，图中黑色粗线表示仓体边界，接口5.25是为了仓体安装方便，将仓体分为四个部分，分别为刀盘土仓5.4、输出轴仓5.5、动力仓5.6和机壳5.7，每部分之间可用螺栓固定连接为一整体。

参见图7-8所示，所述仓体底部的给进架5.16的架体由型钢焊接而成，其截面呈矩形，给进架5.16的架体沿掘进方向尾部有给进马达5.14，头部有从动链轮5.15，仓体的前进、后退由链传动提供，所述给进架的架体沿掘进方向间隔焊有抱箍5.12，用来固定掘进灌砼机5的仓体5.13及限制仓体5.13的运动轨迹，所述抱箍5.12为弧形钢板，所述弧形钢板内侧的弧度与掘进灌砼机5的外部形状相适应。

使用本发明的衬砌方法施工完成后即形成一种隧道超前衬砌结构，固结在隧道围岩土体1内部，所述弧形拱壳2是若干个条板状的弧形拱壳混凝土片2.1环向紧密固结而成，弧形拱壳混凝土片2.1的长度可为2.5-15米，宽度可为1-2米，厚度可为0.2-0.6米。弧形拱壳混凝土片2.1为也可以不放粗骨料直接使用水泥砂浆固结体。沿隧道掘进方向的前后两个所述弧形拱壳2的搭接长度一般为1-2米。