本发明涉及一种盾构隧道内支撑装置及方法，特别涉及一种盾构隧道内快速支撑装置及方法。
背景技术：
随着我国经济技术不断发展，轨道交通建设规模日益增大。如今我国隧道多采用盾构机方法施工。若在地下水位较高或地质条件较为复杂的地区施工，先建隧道易受地层条件、车辆运行以及周边环境加卸载的影响，从而导致隧道管片上方土体受到扰动，进而隧道内部局部管片发生结构变形或开裂，造成隧道支撑装置支撑大小不够，使得需要重新制作隧道支撑装置，导致施工量加强，施工速度延缓，如不及时处理将危及隧道内部行车安全，严重者将导致隧道垮塌。针对隧道管片破损问题，目前采用隧道台车进行支撑，来满足隧道小间距施工时对已建成隧道的保护，但隧道台车支撑抢险技术存在以下不足：
一、台车支撑技术范围有限，无法修补长区间隧道管片破坏情况。
二、当隧道遇见突发险情时，若使用台车支撑技术需提供相应作业面，台车液压系统安装调试耗时较长，无法迅速修补隧道险情。
三、传统的台车采用钢支撑技术，台车重量较大，人工运输及安拆困难，实际工程中存在一定使用难度，且费用高昂。
技术实现要素：
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种可用于盾构隧道事故中快速抢险的盾构隧道内快速支撑装置及方法。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种盾构隧道内快速支撑装置，包括位于盾构隧道中心的中心转轴；围绕所述中心转轴周向均布多个径向伸缩的伸缩液压缸；所述伸缩液压缸的固定端与所述中心转轴相连；对应每个所述伸缩液压缸设有一个管片支撑座；所述伸缩液压缸的末级活塞杆的伸出端部与所述管片支撑座的顶面相连；所述管片支撑座的底面配合贴附于隧道管片内表面；每两个相邻的所述末级活塞杆之间可拆卸连接有一固定支撑杆。
进一步地，所述管片支撑座与所述末级活塞杆的端部之间设有压力传感器。
进一步地，所述末级活塞杆与所述固定支撑杆间通过锁扣式连接管夹连接固定。
进一步地，所述伸缩液压缸的固定端与所述中心转轴插接连接。
进一步地，所述伸缩液压缸的固定端设有连接耳环；所述中心转轴的外侧表面设有与所述连接耳环匹配的插槽；所述连接耳环插入所述插槽内。
进一步地，所述伸缩液压缸的固定端设有阶梯柱形插头；所述中心转轴的外侧表面设有与所述阶梯柱形插头匹配的阶梯孔；所述阶梯柱形插头插入所述阶梯孔内。
进一步地，还包括液压站，所述液压站采用相互独立且互锁的双液压回路驱动所述伸缩液压缸。
本发明还提供一种盾构隧道内快速支撑方法，该方法为：设置一中心转轴，使之位于盾构隧道中心；围绕该中心转轴周向均布多个径向伸缩的伸缩液压缸；使伸缩液压缸的固定端与中心转轴相连；对应每个伸缩液压缸设有一个管片支撑座；使伸缩液压缸的末级活塞杆的伸出端部与管片支撑座的顶面相连；使管片支撑座的底面与隧道管片内表面配合贴附；在每两个相邻的末级活塞杆之间可拆卸连接一固定支撑杆。
进一步地，该方法包括如下步骤：
步骤一，支撑固定中心转轴，使中心转轴的轴心位于隧道中心；将伸缩液压缸与中心转轴相连；
步骤二，在每个伸缩液压缸的末级活塞杆的伸出端部连接一压力传感器；将管片支撑座正对压力传感器检测面并与隧道管片贴附；
步骤三，使伸缩液压缸的末级活塞杆伸出，使压力传感器的检测面与管片支撑座接触；
步骤四，通过锁扣式连接管夹依次将固定支撑杆与末级活塞杆连接；
步骤五，根据压力传感器的检测值，调节伸缩液压缸的输出压力，使其满足隧道支撑所需支撑力范围；
步骤六，将锁扣式连接管夹的螺栓拧紧，从而使固定支撑杆与伸缩液压缸的末级活塞杆紧固。
进一步地，在实施步骤一前，对盾构隧道变形情况进行测量，根据测量结果进行分析；针对隧道破坏部位进行安全性评估，获得对应的评估区段损害程度，判断需要进行隧道支撑的具体位置和支撑力大小。
本发明具有的优点和积极效果是：。
一、本发明的结构设计简单，新颖合理。
二、本发明通过液压装置，能够在短时间内使第一活塞与第二活塞伸出并紧贴在隧道管片上，快速高效地为隧道管片提供良好的支撑力。
三、本发明各构件重量较轻，易于运输安装。当盾构隧道出现险情时，本快速支撑装置各构件能够第一时间抵达现场，为工程抢险节约宝贵时间。
四、本发明拆卸方便，可重复利用价值较高。
五、本发明成本低，使用效果好，适用于实际工程中推广应用。
基于现有技术而言，本发明结构简单，设计新颖，液压装置易于搬运，在实际工程中具有较高的工作可靠性，装置结构不易损耗，可反复利用，使用寿命长，便于广泛推广应用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的其中一个伸缩液压缸与压力传感器及管片支撑座的连接示意图；
图3为多组盾构隧道内快速支撑装置共同支撑隧道管片的示意图；
图4为本发明的一种中心转轴的半剖视图；
图5为图4的a向剖视图；
图6为本发明的一种驱动伸缩液压缸工作的液压站的工作原理图。
图中：1、伸缩液压缸；2、末级活塞杆；3、压力传感器；4、锁扣式连接管夹；5、固定支撑杆；6、中心转轴；7、管片支撑座；8、隧道管片；9、伸缩液压缸的固定端；10、钢管；11、第一换向阀；12、单向阀；13、第二换向阀；14、截止阀；15、第二溢流阀；16、第一溢流阀；17、第一油泵；18、第二油泵。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参见图1至图6，一种盾构隧道内快速支撑装置，其特征在于，包括位于盾构隧道中心的中心转轴6；围绕所述中心转轴6周向均布多个径向伸缩的伸缩液压缸1；所述伸缩液压缸的固定端9与所述中心转轴6相连；对应每个所述伸缩液压缸1设有一个管片支撑座7；所述伸缩液压缸1的末级活塞杆2的伸出端部与所述管片支撑座7的顶面相连；所述管片支撑座7的底面配合贴附于隧道管片8内表面；每两个相邻的所述末级活塞杆2之间可拆卸连接有一固定支撑杆5。管片支撑座7可用于隔离末级活塞杆2和隧道管片8，增加末级活塞杆2和隧道管片8的接触面积，以及缓冲末级活塞杆2对隧道管片8施加的支撑力等，固定支撑杆5用于支撑伸缩液压缸1，防止其在隧道管片8的作用力下产生弯曲变形。
所述管片支撑座7与所述二级活塞的端部之间可设有压力传感器3。设置压力传感器3可检测伸缩液压缸1的支撑力，通过控制驱动伸缩液压缸1工作的控制阀等，从而使多个伸缩液压缸1的支撑力相同。所述压力传感器3可为盾构机压力传感器3，其可固接在所述二级活塞的端部，其测量面与隧道内管片支撑座7相接。
所述末级活塞2与所述固定支撑杆5间可通过锁扣式连接管夹4连接固定。所述二级活塞与所述固定支撑杆5间也可通过销轴连接并锁紧。所述二级活塞可开有活塞销孔；所述固定支撑杆5可开有长销孔，销轴穿过活塞销孔和长销孔后可通过卡销等锁紧，销轴也可为螺栓，可通过螺母拧紧。
锁扣式连接管夹4，又称脚手架活动扣件、脚手架万向扣件、万向旋转锁扣等，可用于将两个管件或杆件连接固定在一起。其包括两个夹扣，两个夹扣之间转动连接，每个夹扣一端开口，套接在一个管件或杆件上，通过螺栓将夹扣的开口端连接封闭，拧紧螺栓，使开口缩小，从而使卡扣内径缩小，可将管件与夹扣紧固在一起，从而将两个管件或杆件连接在一起。锁扣式连接管夹4可选用现有技术的市售产品。比如广州市易之力机械设备有限公司生产的万向旋转锁扣等。
所述伸缩液压缸的固定端9可与所述中心转轴6插接连接。比如：所述伸缩液压缸的固定端9壳设有连接耳环；所述中心转轴6的外侧表面设有与所述连接耳环匹配的插槽；所述连接耳环插入所述插槽内，然后将连接耳环和中心转轴6两者固定。可在所述中心转轴6端面开有匹配连接耳环的贯通销孔，将螺栓插入中心转轴6的销孔及连接耳环的孔后用螺母锁紧。
所述伸缩液压缸的固定端9也可设有球形头部；所述中心转轴6的外侧表面可设有与所述球形头部匹配的孔槽；所述球形头部插入所述孔槽内，然后将球形头部和中心转轴6两者固定。可在球形头部设置弹簧卡销，在孔槽内表面对应设置卡销孔，当球形头部插入所述孔槽内后，弹簧卡销伸出至卡销孔内，使球形头部和中心转轴6两者固定。
所述伸缩液压缸的固定端9可设有阶梯柱形插头；所述中心转轴6的外侧表面可设有与所述阶梯柱形插头匹配的阶梯孔；所述阶梯柱形插头插入所述阶梯孔内。可在阶梯柱形插头上设置弹簧卡销，在阶梯孔内表面对应设置卡销孔，当阶梯柱形插头插入阶梯孔内后，弹簧卡销伸出至卡销孔内，使阶梯柱形插头和中心转轴6两者固定。
所述伸缩液压缸的固定端9与所述中心转轴6还可以选择其他插接方式及对应的插接结构进行连接。所述伸缩液压缸的固定端9与所述中心转轴6插接连接，可使所述伸缩液压缸的固定端9与所述中心转轴6实现快速插接连接。
所述伸缩液压缸的固定端9也可设有法兰座，所述中心转轴6可设有与所述法兰座固接的法兰盘。
所述中心转轴6可为正多边柱形，其边数为伸缩液压缸1数量的整数倍，其内可开有轴孔。所述中心转轴6也可为圆柱形，其内可开有轴孔。
本发明还可包括液压站，所述液压站壳采用相互独立且互锁的双液压回路驱动所述伸缩液压缸1。每个液压回路中的压力和流速可单独调整，两个液压回路间采用互锁结构，即在相同时间内只有一个液压回路能形成通路，有液压油流过。
本发明还提供了一种盾构隧道内快速支撑方法实施例，其设置一中心转轴6，使之位于盾构隧道中心；围绕该中心转轴6周向均布多个径向伸缩的伸缩液压缸1；使伸缩液压缸的固定端9与中心转轴6相连；对应每个伸缩液压缸1设有一个管片支撑座7；使伸缩液压缸1的末级活塞杆2的伸出端部与管片支撑座7的顶面相连；使管片支撑座7的底面与隧道管片8内表面配合贴附；在每两个相邻的末级活塞杆2之间可拆卸连接一固定支撑杆5。可将该中心转轴6套接在一实心支撑轴上，通过升降支撑架或千斤顶等可调高度的支撑装置来支撑实心支撑轴，使实心支撑轴的轴心位于盾构隧道中心。使实心支撑轴的轴心位于盾构隧道中心，可在该实心支撑轴上套接多个中心转轴6，每个中心转轴6对应一组盾构隧道内快速支撑装置。可形成多组盾构隧道内快速支撑装置共同支撑隧道管片8，请参见图3，两组相邻的固定支撑杆5之间可用平行于隧道管片8的钢杆依次连接固定。多组盾构隧道内快速支撑装置通过钢管10连成整体，共同起到支撑隧道管片8的作用。
该方法可包括如下步骤：
步骤一，支撑固定中心转轴6，使中心转轴6的轴心位于隧道中心；将伸缩液压缸1与中心转轴6相连；
步骤二，在每个伸缩液压缸1的末级活塞杆2的伸出端部连接一压力传感器3；将管片支撑座7正对压力传感器3检测面并与隧道管片8贴附；可采用粘结胶等贴附。
步骤三，使伸缩液压缸1的末级活塞杆2伸出，使压力传感器3的检测面与管片支撑座7接触；
步骤四，通过锁扣式连接管夹4依次将固定支撑杆5与末级活塞杆2连接；将螺栓拧入锁扣式连接管夹4，使锁扣式连接管夹4开口封闭，但无需拧紧，以便后期调试伸缩液压缸1压力。螺栓可采用高强螺栓。
步骤五，根据压力传感器3的检测值，调节伸缩液压缸1的输出压力，使其满足隧道支撑所需支撑力范围；
步骤六，将锁扣式连接管夹4的螺栓拧紧，从而使固定支撑杆5与伸缩液压缸1的末级活塞杆2紧固。
在实施步骤一前，可对盾构隧道变形情况进行测量，可根据测量结果进行分析；可针对隧道破坏部位进行安全性评估，获得对应的评估区段损害程度，可判断需要进行隧道支撑的具体位置和支撑力大小。
下面结合本发明的一个优选实施例来说明本发明的工作方法和工作原理：
一种盾构隧道内快速支撑装置，其包括中心转轴61个，伸缩液压缸16个，固定支撑杆56个，压力传感器36个，管片支撑座76个。伸缩液压缸1通过插接方式与中心转轴6连接并沿其环绕布置。伸缩液压缸1包括一级活塞与二级活塞，其中二级活塞为末级活塞杆2，驱动伸缩液压缸1，一级活塞与二级活塞可从伸缩液压缸1中伸出并提供支撑力。二级活塞与压力传感器3通过螺纹连接，压力传感器3另一端与管片支撑座7接触并紧密贴合，从而使二级活塞工作时能够有效地支撑隧道管片8。每两个伸缩液压缸1之间通过固定支撑杆5连接，所述固定支撑杆5与二级活塞间可用锁扣式连接管夹4固定，且每个伸缩液压缸1之间夹角为60°。
可设液压站对伸缩液压缸1进行驱动，实施盾构隧道内快速支撑时，支撑每环隧道管片8需要多个伸缩液压缸1，且能够根据压力传感器3示数调节伸缩液压缸1输出支撑力大小。因此，液压站可采用多缸快慢速互不干扰的双液压回路。如附图6所示，液压站可包括第一油泵17、第二油泵18、第一溢流阀16、第二溢流阀15、第一换向阀11、第二换向阀13、单向阀12及截止阀14等。
其中第一油泵17与第一溢流阀16连通，第二油泵18与第二溢流阀15连通，第一油泵17的出油压力和第二油泵18的出油压力可相互独立调节。该液压站可同时驱动多个伸缩液压缸1，共用两个油泵(第一油泵17与第二油泵18)，其中一个油泵供油给其中的一个回路。
液压站的工作原理如下：
(1)装置启动后，将第一换向阀11调整至左位，第二换向阀13调整至右位，此时油压从第二油泵18输出，依次流经第二换向阀13、第一换向阀11至液压缸内，实现快速进油，液压缸内一级活塞被推动。当一级活塞完全伸出后，持续进油，由于液压缸内受力面积较大，活塞所受液压变小，因此二级活塞伸出速度较慢。
(2)当二级活塞伸出一定长度后，此时将第二换向阀13移至左位，第一换向阀11移至右位。此时油压从第一油泵17输出，通过截止阀14控制流量，依次流经第二换向阀13、单向阀12、第一换向阀11至液压缸内，实现慢速进油，且进油量可控。此时，缓慢推进二级活塞至压力传感器3与管片支撑支座接触为止。
(3)卸压时，将第一换向阀11与第二换向阀13均调整为左位，油压从第二油泵18输出，直接经第一换向阀11至液压缸右端，逆向推动活塞，即可使活塞左侧油压流经第一换向阀11、第二换向阀13至油箱，进行卸压。
具体支撑装置安装操作流程如下：
(1)对盾构隧道变形情况进行测量，根据测量结果进行分析并采用合理方式加固，具体隧道监测内容为：根据盾构隧道管片8的开裂、错台、接头张开、管片环变形、接缝渗漏水以及漏泥沙情况，随后针对隧道破坏部位进行安全性评估，获得对应的评估区段损害程度，判断需要使用隧道支撑装置的具体位置。
(2)根据现场情况，选择采用机械运输或人工运输，将安装支撑装置所需伸缩液压缸1、固定支撑杆5、钢管10等物料第一时间送至隧道发生险情处。可将中心转轴6套接在一实心支撑轴上，通过升降支撑架或千斤顶等可调高度的支撑装置来支撑实心支撑轴，使实心支撑轴的轴心位于盾构隧道中心。
(3)将压力传感器3依次与已安装的伸缩液压缸1连接，将管片支撑座7依次与隧道管片8连接。
(4)将固定中心转轴6与伸缩液压缸1相连，通过实地测量控制转轴高度和位置后，将伸缩液压缸1分别与中心转轴6相连。启动液压系统，使伸缩液压缸1的二级活塞伸出，使压力传感器3与对应的管片支撑座7接触，调试压力传感器3。
可按环绕中心转轴6的布置顺序将6个伸缩液压缸1依次编号为第一伸缩液压缸1、第二伸缩液压缸1、第三伸缩液压缸1、第四伸缩液压缸1、第五伸缩液压缸1、第六伸缩液压缸1，先将第一伸缩液压缸1、第三伸缩液压缸1、第五伸缩液压缸1分别与中心转轴6插接相连，使压力传感器3与对应的管片支撑座7接触，调试压力传感器3。压力传感器3调试完毕后，将剩余二伸缩液压缸1、第四伸缩液压缸1、第六伸缩液压缸1与中心转轴6相连，使压力传感器3检测面紧密与管片支撑支座接触，调试压力传感器3。
(5)将六个固定支撑杆5依次与对应的二级活塞相连，可通过锁扣式连接管夹4连接，并安装高强螺栓于二级活塞锁扣中，但无需拧紧，以便后期调试伸缩液压缸1的支撑力。
(6)根据压力传感器3的检测值，通过调节液压系统的控制阀及调压阀等，缓慢调节伸缩液压缸1的输出压力，使其满足评估所计算出的压力范围。
(7)将固定支撑杆5与二级活塞紧固。
(8)按上述方法安装下一组盾构隧道内快速支撑装置，将两组之间固定支撑杆5置与一平行隧道管片8的钢管10用锁扣式连接管夹4相连，并使用高强螺栓加固拧紧，使支撑装置整体稳定性增加，单元之间通过钢管10连成整体，共同起到支撑隧道管片8的作用。
发生险情时，可在盾构后配套尾部对连续五环隧道管片8进行加固，可以采用机械搬运或人工搬运，整个支撑系统可在1小时内完成安装。
本发明将伸缩液压缸1等上述部件的互相组合，通过液压装置与压力传感器3装置，可以任意调节各方向支撑力大小，在短时间内为受损处隧道管片8提供支撑，有效地延缓隧道险情的蔓延。本盾构隧道内快速支撑装置可应用于实际工程中，防止隧道因承受的山体力不同，导致单一部位长时间受力结构破损，造成更严重的隧道险情。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。
技术特征：
1.一种盾构隧道内快速支撑装置，其特征在于，包括位于盾构隧道中心的中心转轴；围绕所述中心转轴周向均布多个径向伸缩的伸缩液压缸；所述伸缩液压缸的固定端与所述中心转轴相连；对应每个所述伸缩液压缸设有一个管片支撑座；所述伸缩液压缸的末级活塞杆的伸出端部与所述管片支撑座的顶面相连；所述管片支撑座的底面配合贴附于隧道管片内表面；每两个相邻的所述末级活塞杆之间可拆卸连接有一固定支撑杆。
2.根据权利要求1所述的盾构隧道内快速支撑装置，其特征在于，所述管片支撑座与所述末级活塞杆的端部之间设有压力传感器。
3.根据权利要求1所述的盾构隧道内快速支撑装置，其特征在于，所述末级活塞杆与所述固定支撑杆间通过锁扣式连接管夹连接固定。
4.根据权利要求1所述的盾构隧道内快速支撑装置，其特征在于，所述伸缩液压缸的固定端与所述中心转轴插接连接。
5.根据权利要求4所述的盾构隧道内快速支撑装置，其特征在于，所述伸缩液压缸的固定端设有连接耳环；所述中心转轴的外侧表面设有与所述连接耳环匹配的插槽；所述连接耳环插入所述插槽内。
6.根据权利要求4所述的盾构隧道内快速支撑装置，其特征在于，所述伸缩液压缸的固定端设有阶梯柱形插头；所述中心转轴的外侧表面设有与所述阶梯柱形插头匹配的阶梯孔；所述阶梯柱形插头插入所述阶梯孔内。
7.根据权利要求1所述的盾构隧道内快速支撑装置，其特征在于，还包括液压站，所述液压站采用相互独立且互锁的双液压回路驱动所述伸缩液压缸。
8.一种盾构隧道内快速支撑方法，其特征在于，设置一中心转轴，使之位于盾构隧道中心；围绕该中心转轴周向均布多个径向伸缩的伸缩液压缸；使伸缩液压缸的固定端与中心转轴相连；对应每个伸缩液压缸设有一个管片支撑座；使伸缩液压缸的末级活塞杆的伸出端部与管片支撑座的顶面相连；使管片支撑座的底面与隧道管片内表面配合贴附；在每两个相邻的末级活塞杆之间可拆卸连接一固定支撑杆。
9.根据权利要求8所述的盾构隧道内快速支撑方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，支撑固定中心转轴，使中心转轴的轴心位于隧道中心；将伸缩液压缸与中心转轴相连；
步骤二，在每个伸缩液压缸的末级活塞杆的伸出端部连接一压力传感器；将管片支撑座正对压力传感器检测面并与隧道管片贴附；
步骤三，使伸缩液压缸的末级活塞杆伸出，使压力传感器的检测面与管片支撑座接触；
步骤四，通过锁扣式连接管夹依次将固定支撑杆与末级活塞杆连接；
步骤五，根据压力传感器的检测值，调节伸缩液压缸的输出压力，使其满足隧道支撑所需支撑力范围；
步骤六，将锁扣式连接管夹的螺栓拧紧，从而使固定支撑杆与伸缩液压缸的末级活塞杆紧固。
10.根据权利要求9所述的盾构隧道内快速支撑方法，其特征在于，在实施步骤一前，对盾构隧道变形情况进行测量，根据测量结果进行分析；针对隧道破坏部位进行安全性评估，获得对应的评估区段损害程度，判断需要进行隧道支撑的具体位置和支撑力大小。
技术总结
本发明公开了一种盾构隧道内快速支撑装置，包括位于盾构隧道中心的空心转轴；围绕所述空心转轴周向均布多个径向伸缩的伸缩液压缸；所述伸缩液压缸的固定端与所述空心转轴相连；对应每个所述伸缩液压缸设有一个管片支撑座；所述伸缩液压缸的末级活塞杆的伸出端部与所述管片支撑座的顶面相连；所述管片支撑座的底面配合贴附于隧道管片内表面；每两个相邻的所述末级活塞杆之间可拆卸连接有一固定支撑杆。本发明还公开了一种盾构隧道内快速支撑方法。本发明通过液压装置，能够在短时间内使第一活塞与第二活塞伸出并紧贴在隧道管片上，快速高效地为隧道管片提供良好的支撑力。
技术研发人员：程雪松;赵悦镔;郑刚;哈达;栗晴瀚
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：.11.20
技术公布日：.02.18
