盾构上方地层多形态联合布置沉降智能控制及回收装置的制作方法

1.本发明涉及地铁盾构沉降控制相关领域，特别是涉及盾构上方地层多形态联合布置沉降智能控制及回收装置。


背景技术：

2.随着国民经济的迅速发展，城市的规模和人口在不断增长，为缓解随之而来的交通压力，地下交通得以快速发展，如地铁隧道、快速路隧道等。地铁隧道作为城市地下交通的主要建筑设施在修建过程中需要盾构施工。盾构会影响土体原本的应力场和位移场，导致地表土体发生变形，为了保证地上建筑设施的安全，需要对土体的进行变形控制(沉降和隆起)。目前现有的注浆加固装置存在以下3个问题：
3.1、在注浆加固过程中对土体也有影响，施工后土体性质改变和遗留孔洞等问题导致的沉降难以解决；
4.2、加固过程中高压引起土体变形，影响范围大，对环境和后续施工影响较大；
5.3、加固形式为连续桩体，没有对加固体的组合进行优化，组合形式单一，没有起到联合作用。
6.因此，如何科学有效、安全环保地进行土体变形控制是一个需要亟待解决的突出难题。


技术实现要素：

7.为了克服已有盾构施工过程中沉降变形和组合形式单一的问题，本发明提供了一种盾构上方地层多形态联合布置沉降智能控制及回收装置，能有效的控制沉降，而且简单易行、操作方便、造价低、绿色环保。
8.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
9.一种盾构上方地层多形态联合布置沉降智能控制及回收装置，包括防护管、交换机、膨胀体、转轴、数控电机、多通道注压机和计算机控制系统，所述防护管为空心圆管，底部封闭；所述防护管包括标准管和伸出管，所述膨胀体和伸出管连接，转轴连接数控电机和交换机，所述数控电机通过正、反转动来带动转轴和交换机同向转动，使得交换机在防护管中上、下移动，所述多通道注压机通过管线群和交换机连接；所述计算机控制系统与数控电机和多通道注压机连接，实时显示各组成装置的相关数据，能够控制数控电机和多通道注压机。
10.进一步，所述标准管包括限位管节和吊耳，限位管节为标准管上的均布凹槽，在土体中控制防护管的沉降，吊耳为起吊构件。
11.再进一步，所述标准管和伸出管之间设有止水橡胶，避免地下水进入防护管中，标准管和伸出管之间通过连接螺纹连接。
12.更进一步，所述伸出管包括挡土门、弹簧、接口、卡块和定位器，挡土门和伸出管之间通过铰链连接，可以转动，弹簧与卡块连接，常规状态下处于伸展状态。优选的，挡土门由
2个钝角三角形的挡板组成，可以使得在常规状态为关闭状态，2个挡板之间采用错齿咬合。
13.所述管线群包括定位响应器线圈、伸缩缸气管、电磁控制器线圈、输入管、伸缩杆气管、输出管和卡块气管，分别与交换机中的定位响应器、伸缩缸、电磁控制器a和b、输入口、伸缩杆和输出口连接，伸缩缸与伸缩块连接，可以推动伸缩块来回移动，输入管、伸缩杆气管、输出管和卡块气管的端头设有气塞，同电磁控制器a和b一起固定在伸缩块上，可以随伸缩块来回移动；定位响应器和定位器接触时会产生电磁感应并被计算机控制系统接收，以此来完成定位。
14.转换头位于交换机中的移动空间中，所述转换头包括尖头锥、环箍、限位块、气囊、气囊转轴、输入阀门、输出阀门、输入管接口、伸缩杆接口、输出管接口、伸缩杆、输入口和输出口，尖头锥与气囊一端连接，另外一端的上下层通过气囊转轴进行收卷，并被环箍和限位块固定在转换头上；电磁控制阀门a和电磁控制阀门b分别是控制输入阀门和输出阀门的开关，继而控制输入口和输出口的开关；输入管接口、伸缩杆接口和输出管接口与气塞形状匹配，接触后可以密封；限位块由四块限位块组成，伸缩杆固定在转换头中，可以在气囊内进行多级伸缩，所述伸缩杆的端头可以顶住尖头锥向外移动。
15.所述转换头设有卡块凹槽并与卡块相匹配，可以被卡块限位固定。
16.所述气囊末端与气囊转轴粘接，能够承受一定的拉力，长度要求根据膨胀体长度提前设定；所述限位块与气囊接触处设有锯齿状槽纹，外部设有放置环箍的沟槽。
17.所述尖头锥为尖锥状，利于破开土体，尾部呈圆弧状，利于恢复土体中被破开的空隙。
18.所述气塞共有四个，位于伸缩块上，与相应的接口对齐；伸缩块移动过程中，其上的电磁控制器a、b和气塞随之运动。
19.本发明的有益效果主要表现在：
20.1、多形态布置，适用面广。装置可以通过调整防护管数量、伸出管的高度位置和挡土门的数量，在沉降控制区域外围形成多种膨胀体的分部形式，满足各种场地的需求，适用面广。
21.2、隔离土体，一机多头。伸出管和标准管之间采用了隔水橡胶，伸出管上设有挡土门隔离土体，利用了气囊在膨胀时限位块在气压越大密闭性越好的特性进行隔离密封。实现了一个交换机对接多个转换头，完成对各气囊的气压调控，减少了管线群的数量。
22.3、智能操作，绿色环保。在地下土层中通过装置实现了交换机的精确定位悬停、转换头的安装和回收、气囊的预埋、膨胀和脱离等作业，避免人工操作；气囊和尖头锥可以自行降解，其余装置构件皆可回收重复利用，避免遗留在土体中而造成环境破坏和资源浪费。
附图说明
23.图1是盾构下穿地层沉降错齿控制示意图。
24.图2是标准管和伸出管连接图。
25.图3是交换机剖面图。
26.图4是交换机与伸出管连接图。
27.图5是转换头剖面图。
28.图6是限位块组合连接示意图。
29.图7是伸缩杆伸、缩状态示意图。
30.其中，附图标记为：1.防护管；2.交换机；3.膨胀体；4.转轴；5.数控电机；6.多通道注压机；7.计算机控制系统；8.标准管；9.伸出管；10.限位管节；11.吊耳；12.止水橡胶；13.连接螺纹；14.挡土门；15.弹簧；16.接口；17.卡块；18.管线群；181.定位响应器线圈；182.伸缩缸气管；183.电磁控制器线圈；184.输入管；185.伸缩杆气管；186.输出管；187.卡块气管；19.伸缩缸；20.伸缩块；211.电磁控制器a；212.电磁控制器b；22.气塞；23移动空间；24.定位响应器；25.定位器；26.转换头；27.尖头锥；28.环箍；29.限位块；30.气囊；31.气囊转轴；321.电磁控制阀门a；322.电磁控制阀门b；331.输入管接口；332.伸缩杆接口；333.输出管接口；341.输入口；342.输出口；35.伸缩杆；361.盾构左线；362.盾构右线；37.卡块凹槽；381.左侧控制井；382.中间控制井；383.右侧控制井。
具体实施方式
31.下面结合附图对本发明作进一步描述。
32.参照图1～图7，一种盾构上方地层多形态联合布置沉降智能控制及回收装置，包括防护管1、交换机2、膨胀体3、转轴4、数控电机5、多通道注压机6和计算机控制系统7，所述防护管1为空心圆管，底部封闭，防护管1主要由标准管8和伸出管9组合而成，膨胀体3和伸出管9连接，转轴4连接数控电机5和交换机2，数控电机5通过正、反转动来带动转轴4和交换机2相应转动，从而使得交换机2在防护管1中上、下旋转移动，多通道注压机6通过管线群和交换机2连接。计算机控制系统7与数控电机5和多通道注压机6连接，实时显示各组成装置的相关数据，能够控制数控电机5和多通道注压机6；标准管8包括限位管节10和吊耳11，限位管节10为标准管8上的均布凹槽，在土体中控制防护管1的沉降，吊耳11为起吊构件；标准管8和伸出管9之间设有止水橡胶12，避免地下水进入防护管1中，标准管8和伸出管9之间通过连接螺纹13连接；伸出管9包括挡土门14、弹簧15、接口16、卡块17和定位器25，挡土门14和伸出管9之间通过铰链连接，可以转动，弹簧15与卡块17连接，常规状态下处于伸展状态，挡土门14常规状态为关闭状态，采用错齿咬合；管线群包含定位响应器线圈181、伸缩缸气管182、电磁控制器线圈183、输入管184、伸缩杆气管185、输出管186和卡块气管187，分别与交换机2中的定位响应器24、伸缩缸19、电磁控制器a和b、输入口341、伸缩杆35和输出口342连接，伸缩缸19与伸缩块20连接，可以推动伸缩块20来回移动，输入管184、伸缩杆气管185、输出管186和卡块气管187的端头设有气塞22，同电磁控制器a和b一起固定在伸缩块20上，可以随伸缩块20上、来回移动；定位响应器24和定位器25接触时会产生电磁感应并被计算机控制系统7接收；转换头26位于交换机2中的移动空间23中，包括尖头锥27、环箍28、限位块29、气囊30、气囊转轴31、输入阀门321、输出阀门322、输入管接口331、伸缩杆接口332、输出管接口333、伸缩杆35、输入口341和输出口342，尖头锥27与气囊30一端连接，气囊30的另外一端的上、下层通过气囊转轴31进行收卷，并被环箍28和限位块29固定在转换头26上；电磁控制阀门a321和电磁控制阀门b322分别是控制输入阀门321和输出阀门322的开关，继而输入口341和输出口342的开关；输入管接口331、伸缩杆接口332和输出管接口333与气塞22形状匹配，接触后可以密封；限位块29由四块限位块组成，伸缩杆35固定在转换头26中，可以在气囊30内进行多级伸缩，端头可以顶住尖头锥27向外移动。
33.转换头26设有卡块凹槽37并与卡块17相匹配，可以被卡块17限位固定。
34.计算机控制系统7主要控制数控电机5的正反转动和转动圈数、多通道注压机6产生压力、电磁控制器a211和电磁控制器b、相关数据的储存和显示。
35.多通道注压机6可以提供多个流体供给通道并彼此独立控制，互不影响，可以外接气泵或压力泵。
36.气囊30末端与气囊转轴31粘接，能够承受一定的拉力，长度要求根据膨胀体长度提前设定。
37.限位块29与气囊30接触处设有锯齿状槽纹，外部设有放置环箍28的沟槽。
38.伸出管9的定位器25与挡土门14中间位置的垂直距离是固定的。
39.尖头锥27为尖锥状，利于破开土体，尾部呈圆弧状，利于土体填补破开的空隙恢复。
40.气塞22共有四个，位于伸缩块20上，与相应的接口对应且同一水平高度。
41.伸缩块20移动过程中，其上的电磁控制器a211、b 212和气塞22随之运动。
42.伸出管9上可以调整挡土门14的数量，实现多向布置膨胀体3。
43.进一步，气囊30采用可降解材料制作而成，厚度≤0.5mm，气囊单次膨胀≤10mm。
44.膨胀体3由气囊30和气囊中空气或泥浆液体组成。
45.实例：某绍兴市城市轨道交通2号线一期工程盾构下穿既有道路，区间长度为1197m，道路宽6m，下穿深度为23m，盾构隧道上方土体依次
①1杂填土、
③
1-2
淤泥质粘土和
⑥2粘土层，厚度分别为1m、17m和6m，地下常年水位地表以下3m。气囊采用可降解的聚丁烯琥珀酸酯制成，厚度0.4mm，弹性模量e＝200mpa，膨胀最大高度为20mm，气体采用co2，监测装置采用莱卡监测机器人。
46.本发明的实施方案如下：
47.1、确定相关参数和布置形式
48.为了制定更好的沉降控制方案，需要确定相关加固参数，主要参数主要包括：防护管的数量、长度和布置形式，膨胀体长度、数量、放置深度和布置形式。本次案例中防护管1共12个，成3
×
3阵列布置，间距5m，位于盾构左线361和盾构左线362的两侧和中间，其中试验观测区3个，防护管1长度21m。膨胀体3长度为3m，土层
③
1-2
淤泥质粘土中设有3道，
⑥2粘土层中有1道，深度分别为地下5m、10m、15m和20m，左侧控制井381和右间控制井383中的防护管1设有4道，中间控制井382中的防护管1两侧共设有8道，不同防护管1之间的膨胀体3为错齿布置。
49.2、防护管安装
50.根据防护管1位置进行开挖，开挖孔径略大于防护管1直径。根据膨胀体3的位置分布依次组装标准管8和伸出管9，完成后通过吊耳11进行起吊，起吊过程中保证防护管1的垂直度，缓缓下降直至到达设计位置。防护管1和土体之间的空隙采用细砂回填。
51.3、仪器组装和调试
52.依次将交换机2、转轴4、数控电机5、多通道注压机6、监测机器人39和计算机控制系统7进行连接，并完成管线群的连接。将气囊30缠绕在气囊转轴31上，然后将限位块29与转换头26拼装在一起，将环箍28套在限位块29上完成固定，最后将组装好的转换头26放入交换机2中的移动空间23中后进行装置调试。
53.4、交换机移动和定位悬停
54.启动数控电机5，交换机2在转轴4的带动下旋转下移，当定位响应器24与定位器25接触后产生响应并被计算机控制系统7接收到，表明下降固定距离即可完成交换机2与挡土门14的高度对接。控制数控电机5通过旋转固定圈数后停止转动来实现下降固定距离，停止转动后转换头26上的尖头锥27正对挡土门14的中间位置。
55.5、转换头就位
56.启动多通道注压机6中气泵，通过伸缩缸气管182给伸缩缸19注压，推动伸缩块20向外移动，移动过程中伸缩块20上的电磁控制器21和气塞22随之运动，伸缩块20推动转换头26进入伸出管9中，在弹簧15作用下卡块17先上移，等转换头26完全进入后回弹进入转换头26的凹槽37中，完成转换头26的固定就位。
57.6、气囊预埋
58.通过伸缩杆气管185往伸缩杆35中注压，伸缩杆35逐步向外伸出，推动尖头锥27向外水平移动，挤开挡土门14和土体，同时移动过程中被缠绕在气囊转轴31上的气囊30随之释放直至完成，此时达到设计位置。通过伸缩杆气管185降压使得伸缩杆35缩回转换头26中，然后伸缩缸气管182降压使伸缩块20缩回并与转换头26分离。更换转换头26完成后续气囊30预埋，预埋顺序自下而上，相邻防护管1之间的气囊30错位伸出，最下层气囊30齐平相接。
59.7、气囊膨胀
60.根据沉降数据通过控制气压调整气囊30的膨胀高度来补偿地表沉降损失。将交换机2移动到转换头26位置后，推动伸缩块20使得气塞22与接口16、输入管接口331、伸缩杆接口332和输出管接口333密封接触。启动电磁控制器a打开电磁控制阀门a，通过输入管184往气囊30中注入气体co2至相应级别的压力值后保压。由于气囊30和气囊转轴31粘结，在气囊30膨胀过程中会拉动气囊转轴31和转换头26向外移动，但是由于在向外过程中限位块29的形状构造会挤压气囊30，锯齿状槽纹增大了摩擦力。当气压越大，摩擦力越大，密封性越好，使得气囊30无法脱离气囊转轴31。启动电磁控制器a关闭电磁控制阀门a，缩回伸缩块20后对其他位置的气囊30进行充气膨胀。盾构过程中气囊30自下而上依次膨胀。
61.8、盾构下穿试验观测区
62.盾构下穿时。将步骤10获取的沉降最大值均分n份，每份沉降值≤10mm。相应的气压p也分n次逐级增压。每个级别的增压完成后进行保压控制。案例中，盾构左线361和盾构右线362上方土体的最大沉降分别为40cm和50mm，将最大沉降值分成5份，通过左侧控制井381和中间控制井382的左侧膨胀体3来完成盾构左线361上方土体沉降补偿，单次补偿8mm；通过右侧控制井383和中间控制井382的右侧膨胀体3来完成盾构右线362上方土体沉降补偿，单次补偿10mm，皆分成5次分级增压进行补偿。
63.9、气浆置换
64.当沉降稳定后，启动电磁控制器a、电磁控制器b打开电磁控制阀门a和电磁控制阀门b，通过输入管184和输入口341往气囊30中等压注入水泥浆液，同时通过输出管186和输出口342抽取气囊30中气体，密度较大的水泥浆液在气囊30中自下而上挤压气体直至完全置换气囊30中气体，然后关闭电磁控制阀门a和电磁控制阀门b进行保压控制，避免因为泄压导致土体发生沉降。左侧控制井381和右侧控制井383的气囊30的置换顺序自下而上，中间控制井382暂时不进行置换。
65.10、转换头回收
66.待水泥浆液达到强度形成加固体后，启动电磁控制器b打开电磁控制阀门b进行泄压操作，气囊30周围土体压力由膨胀体3承担，避免地层发生沉降，泄压过程中注意观测土体沉降，必要时停止泄压并回注水泥浆，待强度达到后再进行泄压。通过伸缩杆气管185往伸缩杆35中注压，伸缩杆35向外伸出挤压加固体来反推转换头26向交换机2方向移动，同时通过卡块气管187抽取卡块上方空间气体，使卡块17收缩进凹槽37，避免阻挡转换头26移动。此时气囊30和限位块29之间摩擦力不断减小，当伸缩杆35的反推力大于气囊30和气囊转轴31之间的粘力与摩擦力之和时，转换头26与气囊30完成脱离并进入到交换机2中，降压缩回伸缩杆35，完成转换头26回收。调整交换机2位置，依次回收其余转换头26。
67.11、防护管回收
68.将吊钩与吊耳11相连，启动吊机向上缓缓拔出防护管1，由于采用流动性好的细砂回填，避免了拔出防护管1带出土体而产生土体损失。回收顺序上先回收左侧控制井381和右侧控制井383中的防护管1，当产生沉降时，可以通过中间控制井382中的气囊30进行沉降补偿，完成后进行步骤14和步骤15。对所有拔出的防护管1依次拆解，完成清洗后分类回收，以备下次使用。
69.12、竖井回填
70.防护管1吊出完成后将之前开挖土体根据土质不同分别制作成不同的重塑样，根据地勘报告来确定回填厚度和类别，完成进行回填控制井和试验井。
71.本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。

技术特征：
1.一种盾构上方地层多形态联合布置沉降智能控制及回收装置，其特征在于，所述装置包括防护管、交换机、膨胀体、转轴、数控电机、多通道注压机和计算机控制系统，所述防护管为空心圆管，底部封闭；所述防护管包括标准管和伸出管，所述膨胀体和伸出管连接，转轴连接数控电机和交换机，所述数控电机通过正、反转动来带动转轴和交换机同向转动，使得交换机在防护管中上、下移动，所述多通道注压机通过管线群和交换机连接；所述计算机控制系统与数控电机和多通道注压机连接，实时显示各组成装置的相关数据，能够控制数控电机和多通道注压机。2.如权利要求1所述的盾构上方地层多形态联合布置沉降智能控制及回收装置，其特征在于，所述标准管包括限位管节和吊耳，限位管节为标准管上的均布凹槽，在土体中控制防护管的沉降，吊耳为起吊构件。3.如权利要求1或2所述的盾构上方地层多形态联合布置沉降智能控制及回收装置，其特征在于，所述标准管和伸出管之间设有止水橡胶，避免地下水进入防护管中，标准管和伸出管之间通过连接螺纹连接。4.如权利要求1或2所述的盾构上方地层多形态联合布置沉降智能控制及回收装置，其特征在于，所述伸出管包括挡土门、弹簧、接口、卡块和定位器，挡土门和伸出管之间通过铰链连接，可以转动，弹簧与卡块连接，常规状态下处于伸展状态。5.如权利要求1或2所述的盾构上方地层多形态联合布置沉降智能控制及回收装置，其特征在于，所述管线群包括定位响应器线圈、伸缩缸气管、电磁控制器线圈、输入管、伸缩杆气管、输出管和卡块气管，分别与交换机中的定位响应器、伸缩缸、电磁控制器a和b、输入口、伸缩杆和输出口连接，伸缩缸与伸缩块连接，可以推动伸缩块来回移动，输入管、伸缩杆气管、输出管和卡块气管的端头设有气塞，同电磁控制器a和b一起固定在伸缩块上，可以随伸缩块来回移动；定位响应器和定位器接触时会产生电磁感应并被计算机控制系统接收。6.如权利要求1或2所述的盾构上方地层多形态联合布置沉降智能控制及回收装置，其特征在于，转换头位于交换机中的移动空间中，所述转换头包括尖头锥、环箍、限位块、气囊、气囊转轴、输入阀门、输出阀门、输入管接口、伸缩杆接口、输出管接口、伸缩杆、输入口和输出口，尖头锥与气囊一端连接，另外一端的上下层通过气囊转轴进行收卷，并被环箍和限位块固定在转换头上；电磁控制阀门a和电磁控制阀门b分别是控制输入阀门和输出阀门的开关，继而控制输入口和输出口的开关；输入管接口、伸缩杆接口和输出管接口与气塞形状匹配，接触后可以密封；限位块由四块限位块组成，伸缩杆固定在转换头中，可以在气囊内进行多级伸缩，所述伸缩杆的端头可以顶住尖头锥向外移动。7.如权利要求6所述的盾构上方地层多形态联合布置沉降智能控制及回收装置，其特征在于，所述转换头设有卡块凹槽并与卡块相匹配，可以被卡块限位固定。8.如权利要求6所述的盾构上方地层多形态联合布置沉降智能控制及回收装置，其特征在于，所述气囊末端与气囊转轴粘接，能够承受一定的拉力，长度要求根据膨胀体长度提前设定；所述限位块与气囊接触处设有锯齿状槽纹，外部设有放置环箍的沟槽。9.如权利要求6所述的盾构上方地层多形态联合布置沉降智能控制及回收装置，其特征在于，所述尖头锥为尖锥状，利于破开土体，尾部呈圆弧状，利于土体填补破开的空隙恢复。10.如权利要求5所述的盾构上方地层多形态联合布置沉降智能控制及回收装置，其特
征在于，所述气塞共有四个，位于伸缩块上，与相应的接口对应；伸缩块移动过程中，其上的电磁控制器a、b和气塞随之运动。

技术总结
一种盾构上方地层多形态联合布置沉降智能控制及回收装置，其特征在于，所述装置包括防护管、交换机、膨胀体、转轴、数控电机、多通道注压机和计算机控制系统，所述防护管为空心圆管，底部封闭；所述防护管包括标准管和伸出管，所述膨胀体和伸出管连接，转轴连接数控电机和交换机，所述数控电机通过正、反转动来带动转轴和交换机同向转动，使得交换机在防护管中上、下移动，所述多通道注压机通过管线群和交换机连接；所述计算机控制系统与数控电机和多通道注压机连接，实时显示各组成装置的相关数据，能够控制数控电机和多通道注压机。本发明能有效的控制沉降，而且简单易行、操作方便、造价低、工期短。工期短。工期短。


技术研发人员：苟学登 杨琛 田野 赵伟伟 王子瑞 何水林 何雷
受保护的技术使用者：中水电四局武汉轨道交通工程有限公司
技术研发日：2023.03.27
技术公布日：2023/7/22