一种盾构隧道衬砌管片加固体辅助安装方法与流程

本发明涉及盾构隧道维护，尤其是运营隧道衬砌管片的检修加固技术，具体涉及一种盾构隧道衬砌管片加固体辅助安装方法。

背景技术：

1、在地面资源紧张的城市地区，地铁隧道通常采用盾构法修建。盾构隧道在服役期间，在外界水土荷载的长期作用或周边临近施工的扰动下，通常会不可避免地产生收敛变形。收敛变形既影响隧道的受力状态，带来结构安全隐患，同时可能产生侵入限界等问题，影响列车的正常运营。

2、目前在盾构隧道收敛变形的治理中，常在隧道内安装各类加固体以提升隧道抗变形能力，如钢环、波纹钢环、复合腔体等。以使用最为广泛的钢环加固为例，钢环一般由5-16片厚度20mm的弧形钢板组成，施工时，先将每块弧形钢板用4-6条不锈钢膨胀螺栓或化学锚栓固定在待加固的盾构管片上，之后通过焊接将所有弧形钢板连接成为一个整体，最后在弧形钢板与盾构管片间注入环氧树脂进行粘结，完成安装。其他加固体的施工方法与此类似，均经过固定部件、连接成环、间隙注胶这三个步骤完成。

3、但是，运营地铁内可供维修作业的天窗时间一般仅几个小时，可用于加固作业的时间十分受限，以上现有流程用于解决隧道收敛变形问题时面临以下问题：

4、（1）钻孔时间长、孔位难保证。在加固体与盾构管片固定的环节中，管片上的螺栓孔需现场钻孔。当加固体上没有预制孔时，则需在施工现场先通过机械臂安放加固体至指定位置，之后先钻穿加固体，再钻至管片内螺栓深度，耗时较长，且因钢板的遮挡，钻孔不容易与管片表面垂直从而固定效果难保证。而当加固体上有预制孔时，则需要测量加固体上螺栓孔的相对位置，并在管片对应位置依次进行钻孔，但如果其中某一个管片上的孔位不满足要求，如钻孔后暴露出管片内部钢筋、孔位处存在既有管线遮挡等情况使管片上的孔位无法钻取施工时，则其他前序完成的孔位均会作废无法使用，既破坏了原有结构也增加了返工时间。

5、（2）加固体拼装施工中不能并行操作，常需要二次加工。通常将加固体由盾构隧道两侧的下方依次拼装至隧道拱顶，每块加固体在经过多次的钻孔与打入螺栓后，才可完成固定并判定下一块加固体应当放置的具体位置。而如果前几片加固体已安装完成时，后续某一加固体因尺寸误差或隧道贴合问题无法安装时，则需要现场切割加固体以适应，产生额外的作业与风险，对施工进度影响巨大。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提出了一种盾构隧道衬砌管片加固体辅助安装方法，以提高施工精度，提升作业效率。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、一种盾构隧道衬砌管片加固体辅助安装方法，包括：获取盾构管片内轮廓与加固体轮廓信息，其中所述加固体预设有将其安装固定至管片的安装孔，且所述安装孔与盾构管片上的待钻孔位一一对应；判断加固体安装固定至管片后的拼装误差是否满足要求，若不满足则调整加固体；收集管片结构信息和隧道内附属物信息，确定钻孔限制区域；判断盾构管片上的待钻孔位与钻孔限制区域是否冲突，若冲突则调整加固体或对隧道内附属物进行迁移，若不冲突则在管片上选取对准基点；基于所述对准基点，将合格的待钻孔位及钻孔限制区域布设至管片上；参照待钻孔位及钻孔限制区域在管片上进行钻孔施工，安装固定加固体。

4、在一些实施例中，所述获取盾构管片内轮廓与加固体轮廓信息包括：确定各结构体空间函数。

5、在一些实施例中，所述确定各结构体空间函数包括：

6、在空间坐标系中，以一环管片在横断面上的圆心及纵断面上的中点为原点o，以x、z轴为隧道横断面的水平与竖直方向，以y轴为隧道纵向，则管片内表面可表示为一个柱心为y轴的圆柱面，即：

7、

8、其中：rt为隧道内径，wt为管片纵向宽度；

9、加固体与管片类似，统一为柱心为y轴的部分圆柱面，以隧道横断面左下方为第一块加固体，按顺时针方向序号增大，则其中第i块加固体ri的空间函数可以表征为：

10、

11、其中：rr为加固体外径或内径；w1,i、w2,i为加固体在y轴方向上的起点与终点，θ1,i、θ2,i分别代表在xoz平面内，第i块加固体弧形起点与原点连线与x轴的夹角，以及弧形终点与原点连线与x轴的夹角。

12、在一些实施例中，所述确定各结构体空间函数还包括：

13、对于预先布置在加固体上的安装孔，其空间函数可视为一个空间圆形沿其法向量方向拓展的圆柱面，则第i块加固体上的第j个安装孔的空间函数可表示为：

14、

15、其中：x0、y0、z0为安装孔的圆心坐标，r为安装孔半径，l、m、n为圆柱面中轴线的方向向量；

16、盾构管片上的待钻孔位与加固体上安装孔位置相同，因此可用同样的空间函数进行表征。

17、在一些实施例中，所述判断加固体安装固定至管片后的拼装误差是否满足要求包括：

18、以管片内表面上一系列坐标(xi, yi, zi)作为判别点，根据这些判别点的x、y坐标计算加固体外表面空间函数ri(x, y, z)中的z坐标值，并与判别点的zi坐标值进行对比；

19、当累积误差不超过限值时，认为拼装误差满足要求。

20、在一些实施例中，所述收集管片结构信息和隧道内附属物信息，确定钻孔限制区域包括：

21、收集管片结构配筋图和隧道内附属物布置图，确定钻孔限制区域的空间函数。

22、在一些实施例中，所述确定钻孔限制区域的空间函数包括：

23、以钢筋、隧道内附属物在管片内表面上的投影面表示钻孔限制区域；

24、在空间坐标系中，以一环管片在横断面上的圆心及纵断面上的中点为原点o，以x、z轴为隧道横断面的水平与竖直方向，以y轴为隧道纵向，限制物在管片内表面投影区域的空间函数与加固体外表面的空间函数形式一致或基本一致，第i个限制物投影面的空间函数可表征为：

25、

26、其中：ws1,i、ws2,i为第i个限制物投影面在y轴方向上的起点与终点，θs1,i、θs2,i分别代表在xoz平面内，第i块钢筋投影面弧形起点与原点连线与x轴的夹角，以及弧形终点与原点连线与x轴的夹角。

27、在一些实施例中，所述判断盾构管片上的待钻孔位与钻孔限制区域是否冲突包括：

28、基于盾构管片上的待钻孔位的空间函数与钻孔限制区域的空间函数进行联立求解，若两者空间函数存在交集点，则钻孔限制区域内存在待钻孔位。

29、在一些实施例中，所述在管片上选取对准基点包括：

30、选定盾构管片上易被现场识别或易被测量的区域作为对准基点，包括吊装孔、注浆孔、手孔，以便于后续现场进行投影布置。

31、在一些实施例中，所述基于所述对准基点，将合格的待钻孔位及钻孔限制区域布设至管片上包括：

32、将对准基点、待钻孔位及钻孔限制区域信息导入投影设备，以投影设备将合格的待钻孔位及钻孔限制区域投影至管片上。

33、在一些实施例中，所述以投影设备将合格的待钻孔位及钻孔限制区域投影至管片上包括：

34、在投影设备中设置对准基点；

35、打开投影设备，仅显示对准基点；

36、调整投影的缩放比率与角度，使所有对准基点与现场管片上的对准基点一一匹配；

37、显示区域内所有待钻孔位及钻孔限制区域；

38、逐一检查投影图形与现场情况是否符合，若符合则在管片的指定部位准备钻孔施工。

39、本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明提供的一种盾构隧道衬砌管片加固体辅助安装方法，针对盾构隧道衬砌管片在加固体的拼装中效率低、精度差的问题，拟通过螺栓孔辅助定位系统，提前确定加固体螺栓孔在盾构管片上的对应位置，使各加固体可以被精准安装，提高施工精度。同时通过空间算法、避让规则等手段，在施工前对全环孔位完成预布置，使费时的打孔作业可以并行施工，大大提升作业效率。具体优点至少包括如下一个或多个：

40、（1）本发明提出的方法，大幅提升施工的可行性。本发明通过误差判定与冲突检验，将原本隧道内需进行的调整、决策工作提前完成，防止加固体与隧道管片不匹配、钻孔方案无法实施等情况的发生。

41、（2）本发明提出的方法，提升了安装的准确性。本发明通过对准基点设置与施工投影，可将数字空间中的施工点位精确地布设到实物空间，提升了施工的准确性，更容易达成预期的安装要求。

42、（3）本发明提出的方法，显著加快施工效率。相比于传统施工方法，本发明可将加固体施工中的钻孔、施工锚栓两个环节并行完成，同时钻孔工作可在不抬升大重量加固体的情况下仅依靠空间投影完成，大幅提升了施工效率。

43、（4）本发明提出的方法，算法运算量小，装置轻便。本发明通过运用空间函数，大幅减少了直接使用三维模型产生的高额计算量，同时额外的功能仅需存储于较为轻便的投影设备，易用性较强，值得推广使用。

44、应当理解，本发明任一实施方式的实现并不意味要同时具备或达到上述有益效果的多个或全部。