深部地层型钢混凝土结构清除方法及室内模拟试验设备与流程

本发明涉及地下施工除障方法领域，特别是一种深部地层型钢混凝土结构清除方法及室内模拟试验设备。

背景技术：

1、随着城市轨道交通不断发展，线路纵横交错，已不断出现盾构与既有地铁车站交叉的情况，需穿越既有地下连续墙等围护结构，导致盾构机往往需面对带有型钢接头与28mm以上密布钢筋的地下连续墙，盾构直接磨墙难度极大、风险极高，且国内尚未见相关案例。国内目前处理该问题主要采取施工清障井的方式明挖见底，再采取冷冻等辅助措施进行清障作业的方法，但该方法对场地要求大，地面占用时间长，造价较高，且竖井开挖自身风险及周边环境保护难度很大。随着新线路不断规划建设，该问题愈发突出，从施工安全、成本、便利性角度出发亟须一种机械化程度高、非人工的清障方式来解决该问题。

2、如在全断面岩层等较好地质条件下，盾构敞开式掘进，在地连墙前开仓进行人工清障，可较好地解决地连墙型钢接头、临时立柱型钢等障碍物。针对软土、富水砂卵石地层条件，人工清障风险极大，施工安全难以保证。目前常见的有两种方式，一种是直接采用镐头机进行强制性破除，另一种是为避免车站主体结构及附属工程围护结构出现开裂渗漏，采用搭脚手架沿车站洞门位置两侧钻排孔，然后对洞门位置地连墙分块切割，吊除洞门位置混凝土块。上述两种方式都需要施工临时围护结构，存在基坑安全隐患与围护结构开裂渗漏等问题。

技术实现思路

1、本发明的目的就是拟解决城市复杂环境下现有技术破除深部地下连续墙占地面积大、风险高、工期长的问题，提出一种安全高效的成套机械法施工设备，并完成设备概念与确定关键参数。

2、针对软土地层盾构施工穿越深部地连墙的难题，原有工法及设备在软土地层条件下施工难以解决施工风险、场地条件制约与施工费用问题，此项目结合施工步序，研制深部地连墙局部切除机械法施工成套设备，通过设备概念设计、关键子系统设计、详细设计与制造、设备试验与改进、施工对环境的影响分析、施工工艺与工效分析，形成安全高效施工工艺，最终形成深部地连墙局部切除机械法施工成套技术。

3、本发明的具体方案是：

4、设计一种深部地层型钢混凝土结构清除方法，包括如下步骤：

5、（1）检测：采集施工信息，依托工程及计划的应用场景，确定设备施工的地层适用条件；确定需要的施工场地尺寸，对施工处地面进行场地平整硬化处理，制作水平的定位导墙；进一步确定设备施工最大允许深度、切除施工的沉井尺寸、钻机尺寸；

6、（2）评估应力点，钻孔尺寸与钻孔数量分析：对待施工区域进行区块划分，以区块内钻孔后余料的支撑强度足以维持自身不坍塌为限制条件，以单位挖掘刀头强度大于途经障碍物强度整体为原则，确定与盾构挖掘掌子面相适应的钻孔面、钻孔数量、和钻孔分布形状，所述钻孔分布形状包括但不限于圆形、方形、梅花形；

7、（3）设备就位：搓管机就位，所述搓管机的动力输出端带动钢套管加工垂直立孔，所述垂直立孔的孔深与深部地层混凝土结构的深度相对应，钻孔过程中，采用与钢套管尺寸匹配的备用钢套管对接加长，最终垂直立孔加工完成后，在钢套管底端的对应位置制作一个水平孔作为钻进设备的出口；所述垂直立孔的加工过程中，液压抓斗在所述垂直立孔内取土；取土完毕后，在设备笼中安装水平液压钻进设备，设备笼在驱动机构和导向机构的带动下下沉到水平孔的位置，之后设备笼中的钻进设备开始按步骤（2）中的计划逐个横向钻孔，直至所有设计孔钻探完毕；

8、（4）复位掘进：钻进设备复位回收进设备笼中，搓管机复位过程中液压抓手实现原土回填；原土回填工步完成后，后续掘进设备跟进，直至掘进机构的刀头接触钻孔面后，相贯孔打通，之后收集搬运废料，完成深部地层混凝土结构清除。

9、步骤（3）中所述逐个横向钻孔，包括按步骤（2）中的区块划分，实现逐个区块的钻进，同时，每相邻两个区块的钻进工序之间，间隔至少一个未作业的区块。

10、具体实施中，在步骤（2）之前，还包括堵水止水步骤，将各钢管套构成的圆柱体称为立筒，堵水止水步骤包括：a.在所述搓管机的立筒内外对应位置处标记施工出现涌水、地层与地连墙存在裂缝及破损位置，b.在标记位置处涂覆厚度大于5cm的防水胶层。

11、步骤（3）中垂直立孔的钻探深度大于混凝土结构自身厚度的2/3。

12、所述步骤（3）中，钻孔设计遵循如下设计原则：设单次钻进强度为a，钻头（10）强度为b，掘进土层围岩硬度为c，刀头强度为d，单次掘进面积为s,实际单次掘进面积为h；b>a,d>c,b/c>h/s即钻头强度与掘进土层围岩硬度之比＞实际单次掘进面积与单次掘进面积之比。

13、一种室内模拟试验设备，在上述深部地层型钢混凝土结构清除方法的步骤（1）前使用，对钻机刀具切割型钢机理及刀具选型进行室内试验，优化刀具配置与布局，其中室内试验设备包括模拟箱（1），所述模拟箱（1）内设有插装混凝土板（3）的卡槽（2），所述混凝土板（3）的一侧设为待施工区填装模拟土层，另一侧设为已施工区，其后方安装至少一个加压液压缸（4）以模仿土压，在所述已施工区，还设置一个具有笛卡尔坐标系三坐标自由度的活动加压缸（6），所述活动加压缸（6）上设有压力感应装置，所述混凝土板（3）的厚度和模拟钻机用钻头的尺寸等比例缩小，所述混凝土板（3）的强度等同于现场强度，钻头（10）强度等同与实际刀头强度；

14、还包括钻洞设备，所述钻洞设备包括模拟柱（7），所述模拟柱（7）上设有圆形水平孔，所述模拟柱（7）内安装升降架（9），所述升降架（9）内安装水平钻机，所述水平钻机在升降架（9）内设有水平移动机构。

15、所述活动加压缸（6）底部安装在活动台（8）上，所述活动台（8）底部设有带动其在水平面上移动的驱动机构。

16、所述待施工区还设有弹性软管，所述弹性软管内安装液压伸缩机构或柔性注水管。

17、所述待施工区安装至少一个伸缩套管（5），所述伸缩套管（5）一端抵接混凝土板（3）、另一端抵接移动加压板（11），以实现待施工区的土压模拟，所述移动加压板（11）背部设置水平加压液压缸组（12）。

18、所述升降架（9）采用丝杠螺母升降式连接。

19、本发明的有益效果在于：

20、以研发新设备和优化施工工艺为目标，降低施工周期和成本，减小占用的施工场地面积，减少对周边环境的影响。此项研究为类似工程提供一种全新的安全有效的清障施工方法，研究成果直接服务于工程实践，推广价值大；

21、配套的模拟试验设备，可以有效预先模拟整个施工场合，设备灵活性能高，适应范围广；

22、软管内安装液压伸缩机构或柔性注水管，当后方压力不足时，可以安装液压伸缩机构实现模拟箱内的加压，当需要模拟单侧有河流的场合时，可以安装柔性主水管，通过在单侧注水模拟水压，或者两侧注水量不相同以模拟侧压的方式，实现对现场工况的模拟，拓展设备的使用范围。

技术特征：

1.一种深部地层型钢混凝土结构清除方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的深部地层型钢混凝土结构清除方法，其特征在于：步骤（3）中所述逐个横向钻孔，包括按步骤（2）中的区块划分，实现逐个区块的钻进，同时，每相邻两个区块的钻进工序之间，间隔至少一个未作业的区块。

3.如权利要求1所述的深部地层型钢混凝土结构清除方法，其特征在于：在步骤（2）之前，还包括堵水止水步骤，将各钢管套构成的圆柱体称为立筒，堵水止水步骤包括：a.在所述搓管机的立筒内外对应位置处标记施工出现涌水、地层与地连墙存在裂缝及破损位置，b.在标记位置处涂覆厚度大于5cm的防水胶层。

4.如权利要求1所述的深部地层型钢混凝土结构清除方法，其特征在于：步骤（3）中垂直立孔的钻探深度大于混凝土结构自身厚度的2/3。

5.如权利要求4所述的深部地层型钢混凝土结构清除方法，其特征在于：所述步骤（3）中，钻孔设计遵循如下设计原则：设单次钻进强度为a，钻头（10）强度为b，掘进土层围岩硬度为c，刀头强度为d，单次掘进面积为s,实际单次掘进面积为h；b>a,d>c,b/c>h/s即钻头强度与掘进土层围岩硬度之比＞实际单次掘进面积与单次掘进面积之比。

6.一种室内模拟试验设备，在权利要求1所述深部地层型钢混凝土结构清除方法的步骤（1）前使用，其特征在于：对钻机刀具切割型钢机理及刀具选型进行室内试验，优化刀具配置与布局，其中室内试验设备包括模拟箱（1），所述模拟箱（1）内设有插装混凝土板（3）的卡槽（2），所述混凝土板（3）的一侧设为待施工区填装模拟土层，另一侧设为已施工区，已施工区后方安装至少一个加压液压缸（4）以模仿土压，在所述已施工区，还设置一个具有笛卡尔坐标系三坐标自由度的活动加压缸（6），所述活动加压缸（6）上设有压力感应装置，所述混凝土板（3）的厚度和模拟钻机用钻头的尺寸等比例缩小，所述混凝土板（3）的强度等同于现场强度，钻头（10）强度等同与实际刀头强度；

7.如权利要求6所述的室内模拟试验设备，其特征在于：所述活动加压缸（6）底部安装在活动台（8）上，所述活动台（8）底部设有带动其在水平面上移动的驱动机构。

8.如权利要求6所述的室内模拟试验设备，其特征在于：所述待施工区还设有弹性软管，所述弹性软管内安装液压伸缩机构或柔性注水管。

9.如权利要求8所述的室内模拟试验设备，其特征在于：所述待施工区安装至少一个伸缩套管（5），所述伸缩套管（5）一端抵接混凝土板（3）、另一端抵接移动加压板（11），以实现待施工区的土压模拟，所述移动加压板（11）背部设置水平加压液压缸组（12）。

10.如权利要求9所述的室内模拟试验设备，其特征在于：所述升降架（9）采用丝杠螺母升降式连接。

技术总结本发明涉及地下施工除障方法领域，特别是一种深部地层型钢混凝土结构清除方法及室内模拟试验设备。旨在解决城市复杂环境下现有技术破除深部地下连续墙占地面积大、风险高、成本高、工期长的问题。本发明包括检测、评估、设备钻进和后续盾构设备跟进等步骤。优点在于：降低施工周期和成本，减小占用的施工场地面积，减少对周边环境的影响。技术研发人员：邓稀肥,申志军,李宏波,江胜华,朱松林,张焱,陈涛,杨杰,张士宝,璩泽君,杜伟,朱红武受保护的技术使用者：中铁四局集团有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/18