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一种可满足大间隙需求的叠式多层橡胶囊封闭结构及其使用方法
申请号	CN202010177048.5	申请日	2020-03-13	公开(公告)号	CN111425211B	公开(公告)日	2021-11-02
申请人	中国水利水电科学研究院;			发明人	刘立鹏; 汪小刚; 吴浩; 周刚; 潘定才; 郭凯; 英鹏涛; 张琪琦; 黄鹤程; 王玉杰; 赵宇飞; 冯珺; 王斌; 孙兴松; 傅睿智; 皮进; 冷合勤;
摘要	本发明公开了一种可满足大间隙需求的叠式多层橡胶囊封闭结构，包括内层橡胶囊，中间可叠加橡胶囊，外层橡胶囊，外层橡胶囊心囊，充气管，出口单向阀，加长管，内层囊密封垫片，中间囊密封垫片，外层囊密封垫片，充气管压力表，出口单向阀压力表，橡胶囊穿管孔和管片。叠式多层橡胶囊结构按内层、中间层、外层组装，内层橡胶囊在管片安装槽内固定，外层橡胶囊与围岩相贴，中间可叠加橡胶囊根据实际需要确定数量。本发明能够对护盾式TBM管片与围岩大间隙进行快速有效的封闭，以满足回填灌浆的阻隔封闭要求。
权利要求	1.一种可满足大间隙需求的叠式多层橡胶囊封闭结构，包括内层橡胶囊(1)、中间可叠加橡胶囊(2)、外层橡胶囊(3)、外层橡胶囊心囊(4)、充气管(5)、出口单向阀(6)、内层囊密封垫片(8)、中间囊密封垫片(9)、外层囊密封垫片(10)、充气管压力表(11)、出口单向阀压力表(12)、橡胶囊穿管孔(13)和管片(14)，其特征在于：内层橡胶囊(1)设置在叠式多层橡胶囊最内层，与管片(14)外表面相贴；外层橡胶囊(3)设置在叠式多层橡胶囊最外层，与围岩相贴；中间可叠加橡胶囊(2)设置在内层橡胶囊(1)和外层橡胶囊(3)之间，根据实际需要确定数量；外层橡胶囊心囊(4)置于外层橡胶囊(3)中；充气管(5)穿过内层橡胶囊(1)、中间可叠加橡胶囊(2)、外层橡胶囊(3)、外层橡胶囊心囊(4)的一侧设置有橡胶囊穿管孔(13)；出口单向阀(6)依次连接内层橡胶囊(1)、中间可叠加橡胶囊(2)、外层橡胶囊(3)、外层橡胶囊心囊(4)的另一侧也设置有橡胶囊穿管孔(13)；充气管压力表(11)布置在充气管加长管 (7)的管口处；出口单向阀压力表(12)布置在出口单向阀加长管(7)的管口处，所述管片 (14)的外表面预制有内层橡胶囊安装槽，或在管片预制完成后进行开槽制作，且安装槽边缘设有橡胶囊固定配件；所述管片(14)上有两个穿管孔，可在制作时预留或预制完成后开孔，由所述内层橡胶囊(1)、所述中间可叠加橡胶囊(2)、所述外层橡胶囊(3)组成的叠式多层橡胶囊充气后能膨胀到一定厚度，能充填管片(14)和围岩间的间隙，橡胶囊的长度根据管片(14)长度调整定制，所述中间可叠加橡胶囊(2)叠加数量根据间隙大小增减；叠式多层橡胶囊抽空后压成片状置于安装槽内。 2.根据权利要求1所述的可满足大间隙需求的叠式多层橡胶囊封闭结构，其特征在于，加长管(7)是满足内层橡胶囊(1)的充气管(5)和出口单向阀(6)穿过管片(14)的穿管孔管路加长需要使用；所述加长管(7)根据管片(14)实际厚度调整长度。 3.根据权利要求1所述的可满足大间隙需求的叠式多层橡胶囊封闭结构，其特征在于，所述的内层橡胶囊(1)、所述的中间可叠加橡胶囊(2)表面设有两对对穿的橡胶囊穿管孔 (13)。 4.根据权利要求1所述的可满足大间隙需求的叠式多层橡胶囊封闭结构，其特征在于，所述外层橡胶囊(3)、所述外层橡胶囊心囊(4)单面同侧设有两个穿管孔，两层囊的穿管孔 (13)尺寸一致且重合；所述外层橡胶囊心囊(4)置于所述外层橡胶囊(3)内部，两层囊间的空隙充满润滑油。 5.根据权利要求1所述的可满足大间隙需求的叠式多层橡胶囊封闭结构，其特征在于，内层橡胶囊(1)的穿管孔(13)与充气管(5)、出口单向阀(6)的空隙间设置有内层囊密封垫片(8)；外层橡胶囊(3)和外层橡胶囊心囊(4)的穿管孔(13)与充气管(5)、出口单向阀(6)间的空隙间设置有外层囊密封垫片(10)；中间可叠加橡胶囊(2)的穿管孔(13)与充气管(5)、出口单向阀(6)间的空隙间设置有中间囊密封垫片(9)。 6.一种如权利要求1‑5任一所述的一种可满足大间隙需求的叠式多层橡胶囊封闭结构的使用方法，其特征在于，使用步骤如下：步骤1：管片(14)制作过程中预制橡胶囊安装槽和橡胶囊固定配件，或在制作好的管片上开槽制作橡胶囊安装槽和橡胶囊固定配件；管片(14)制作过程中预制两个穿管孔，或在制作好的管片上开两个穿管孔；步骤2：将叠式多层橡胶囊按内层橡胶囊(1)、中间可叠加橡胶囊(2)、外层橡胶囊(3)组装好，一侧橡胶囊穿管孔(13)由出口单向阀(6)连接，另一侧橡胶囊穿管孔(13)由充气管 (5)连接，置于管片(14)的安装槽内，内层橡胶囊(1)由安装槽内的固定配件固定；步骤3：内层橡胶囊(1)内表面的出口单向阀(6)和充气管(5)分别与加长管(7)连接，并置于管片(14)穿管孔内，在出口端分别连接出口单向阀压力表(12)和充气管压力表(11)；步骤4：通过出口单向阀(6)对橡胶囊进行抽气，使其扁平后贴于橡胶囊安装槽内；步骤5：重复步骤1‑4，安装管片；步骤6：通过充气管(5)对橡胶囊进行充气，达到预定气压后关闭气阀门，整圈管片充气完成后，即完成护盾式TBM管片与围岩大间隙封闭圈的施工；步骤7：随时观测出口单向阀压力表(12)、充气管压力表(11)的读数，若两数值基本一致，则叠式多层橡胶囊状态良好；若出口单向阀压力表(12)读数远大于充气管压力表(11) 读数，则表示外层橡胶囊及心囊均失效。
说明书全文	一种可满足大间隙需求的叠式多层橡胶囊封闭结构及其使用方法技术领域 [0001] 本发明涉及地下工程围岩变形控制领域，具体是隧道开挖管片外围岩快速支护结构及施工方法。背景技术 [0002] 隧道(洞)工程中岩体开挖后，由于应力重新调整作用使得围岩产生变形。护盾式TBM在施工过程中，对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时支撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。在开挖掘进过后，迅速拼接管片成环，管片与围岩间回填灌浆以达到围岩支护的目的。同时，在实际施工过程中，为避免回填过程中豆砾石和砂浆卡死TBM 设备及防止顶部回填不密实空腔的产生，管片与围岩间已有单层膨胀式橡胶囊的使用，但遇到护盾与围岩之间、管片与围岩之间间隙较大时，单层膨胀式橡胶囊极易发生如下不利情形：(1)橡胶囊与围岩接触面在加压过程中，会因围岩凹凸粗糙不平使橡胶囊表面局部卡阻不能均匀受压，导致在小于设计压力时破损；(2)破损后模袋失效，无补救或备用措施。同时，橡胶囊内压力实时监测并智能调整压力，这也是工程的迫切需求。如何基于现有单层膨胀式橡胶囊施工工艺的基础上，对工程进度不产生影响情况下，消除上述不利情形，仍是工程中亟待解决的难题。发明内容 [0003] 本发明的目的在于提供一种可满足大间隙需求的叠式多层橡胶囊封闭结构，在护盾式TBM管片膨胀式橡胶囊支护结构中，解决上述背景技术中提出的隧道施工中管片与围岩大间隙需求、橡胶囊破损且无备用措施以及无法实时监测模袋内压力等问题。 [0004] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案： [0005] 一种可满足大间隙需求的叠式多层橡胶囊封闭结构，包括内层橡胶囊，中间可叠加橡胶囊，外层橡胶囊，外层橡胶囊心囊，充气管，出口单向阀，加长管，内层囊密封垫片，中间囊密封垫片，外层囊密封垫片，充气管压力表，出口单向阀压力表，橡胶囊穿管孔和管片；所述内层橡胶囊设置在叠式多层橡胶囊最内层，与所述管片外表面相贴；所述外层橡胶囊设置在叠式多层橡胶囊最外层，与围岩相贴；所述中间可叠加橡胶囊设置在内层橡胶囊和外层橡胶囊之间，可根据实际需要确定数量；所述外层橡胶囊心囊置于所述外层橡胶囊中；所述充气管穿过所述内层橡胶囊、所述中间可叠加橡胶囊、所述外层橡胶囊、所述外层橡胶囊心囊的一侧所述橡胶囊穿管孔；所述出口单向阀依次连接所述内层橡胶囊、所述中间可叠加橡胶囊、所述外层橡胶囊、所述外层橡胶囊心囊的另一侧所述橡胶囊穿管孔；所述加长管是满足所述内层橡胶囊的所述充气管和所述出口单向阀穿过所述管片的穿管孔管路加长需要使用；所述内层囊密封垫片是用于密封所述内层橡胶囊的穿管孔与所述充气管、所述出口单向阀间的空隙；所述外层囊密封垫片是用于密封所述外层橡胶囊和所述外层橡胶囊心囊的穿管孔与所述充气管、所述出口单向阀间的空隙；所述中间囊密封垫片是用于密封所述中间可叠加橡胶囊的穿管孔与所述充气管、所述出口单向阀间的空隙；所述充气管压力表布置在所述充气管的管口处；所述出口单向阀压力表布置在所述出口单向阀加长管的管口处。 [0006] 进一步地，在上述方案中，所述管片是TBM施工中主要装配构件，其外表面预制有内层橡胶囊安装槽，或在管片预制完成后进行开槽制作，且安装槽边缘设有橡胶囊固定配件。所述管片上有两个穿管孔，可在制作时预留或预制完成后开孔。 [0007] 进一步地，在上述方案中，由所述内层橡胶囊、所述中间可叠加橡胶囊、所述外层橡胶囊组成的叠式多层橡胶囊充气后能膨胀到一定厚度，能充填管片和围岩间的间隙，橡胶囊的长度可根据管片长度调整定制，所述中间可叠加橡胶囊叠加数量可根据间隙大小增减。叠式多层橡胶囊抽空后可压成片状置于安装槽内，不影响管片的施工。 [0008] 进一步地，在上述方案中，所述加长管可根据管片实际厚度调整长度。 [0009] 进一步地，在上述方案中，所述的内层橡胶囊、所述的中间可叠加橡胶囊表面设有两对对穿的橡胶囊穿管孔。 [0010] 进一步地，在上述方案中，所述外层橡胶囊、所述外层橡胶囊心囊单面同侧设有两个穿管孔，两层囊的穿管孔尺寸一致且重合。所述外层橡胶囊心囊置于所述外层橡胶囊内部，两层囊重叠应在加工厂定制，且两层囊间的空隙充满润滑油，以保证在加压的过程中，无论外层橡胶囊是否出现卡阻、应力集中等现象，心囊表面始终可自由变形处于均匀加压状态。同时，外层橡胶囊如发生破损失效的情况，心囊能独立发挥作用，增强整套装置的可靠性。 [0011] 进一步地，所述充气管与各层橡胶囊穿管孔相接处由各密封垫片密封，充气管在各层橡胶囊内的部分具有伸缩性。 [0012] 本发明还提供了一种可满足大间隙需求的叠式多层橡胶囊封闭结构的使用方法，包括以下使用步骤： [0013] 步骤1：管片制作过程中预制橡胶囊安装槽和橡胶囊固定配件，或在制作好的管片上开槽制作橡胶囊安装槽和橡胶囊固定配件；管片制作过程中预制两个穿管孔，或在制作好的管片上开两个穿管孔； [0014] 步骤2：将叠式多层橡胶囊按内层橡胶囊、中间层可叠加橡胶囊、外层橡胶囊组装好，一侧橡胶囊穿管孔由出口单向阀连接，另一侧橡胶囊穿管孔由充气管连接，置于管片的安装槽内，内层橡胶囊由安装槽内的固定配件固定。 [0015] 步骤3：内层橡胶囊内表面的出口单向阀和充气管分别与加长管连接，并置于管片穿管孔内，在出口端分别连接出口单向阀压力表和充气管压力表。 [0016] 步骤4：通过出口单向阀对橡胶囊进行抽气，使其扁平后贴于橡胶囊安装槽内； [0017] 步骤5：逐片按上述步骤安装管片； [0018] 步骤6：通过充气管对橡胶囊进行充气，达到预定气压后关闭气阀门，整圈管片充气完成后，即完成护盾式TBM管片与围岩大间隙封闭圈的施工。 [0019] 步骤7：可随时观测出口单向阀压力表、充气管压力表的读数，若两数值基本一致，则叠式多层橡胶囊状态良好；若出口单向阀压力表读数远大于充气管压力表读数，则表示外层橡胶囊及心囊均失效。 [0020] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明结构简单、设计合理、安装高效、可靠性高；本发明能够对护盾式TBM管片与围岩大间隙进行快速有效的封闭，以满足回填灌浆的阻隔封闭要求，在不影响工程进度情况下，有效保证回填质量及管片支护力的发挥，降低发生卡机的风险，并防止抱死TBM 设备的发生，极大地体现出护盾式TBM快速、安全施工的优势。附图说明 [0021] 图1为本发明中装置装配后整体图。 [0022] 图2为本发明中装置装配后整体前视图。 [0023] 图3为本发明中装置装配后整体右视图。 [0024] 图4为本发明中装置装配后整体俯视图。 [0025] 图5为本发明中装置装配后整体仰视图。 [0026] 图6为本发明中装置装配后整体剖面图。 [0027] 图7为本发明中外层橡胶囊囊剖面细节图。 [0028] 图8为本发明中充气管整体细部图。 [0029] 其中，1‑内层橡胶囊；2‑中间可叠加橡胶囊；3‑外层橡胶囊；4‑外层橡胶囊心囊；5‑充气管；6‑出口单向阀；7‑加长管；8‑内层囊密封垫片；9‑中间囊密封垫片；10‑外层囊密封垫片；11‑充气管压力表；12‑出口单向阀压力表； [0030] 13‑橡胶囊穿管孔；14‑管片。具体实施方式 [0031] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。应该了解，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0032] 一种可满足大间隙需求的叠式多层橡胶囊，包括内层橡胶囊1，中间可叠加橡胶囊2，外层橡胶囊3，外层橡胶囊心囊4，充气管5，出口单向阀6，加长管7，内层囊密封垫片8，中间囊密封垫片9，外层囊密封垫片10，充气管压力表11，出口单向阀压力表12，橡胶囊穿管孔 13和管片14；内层橡胶囊1 设置在叠式多层橡胶囊最内层，与管片14外表面相贴；外层橡胶囊3设置在叠式多层橡胶囊最外层，与围岩相贴；中间可叠加橡胶囊2设置在内层橡胶囊 1 和外层橡胶囊3之间，可根据实际需要确定数量；外层橡胶囊心囊4置于外层橡胶囊3中；充气管5穿过内层橡胶囊1、中间可叠加橡胶囊2、外层橡胶囊3、外层橡胶囊心囊4的一侧橡胶囊穿管孔13；出口单向阀6依次连接内层橡胶囊1、中间可叠加橡胶囊2、外层橡胶囊3、外层橡胶囊心囊4的另一侧橡胶囊穿管孔13；加长管7是满足内层橡胶囊1的充气管5和出口单向阀6 穿过管片14的穿管孔管路加长需要使用；内层囊密封垫片8是用于密封内层橡胶囊1的穿管孔13与充气管5、出口单向阀6间的空隙；外层囊密封垫片 10是用于密封外层橡胶囊3 和外层橡胶囊心囊4的穿管孔13与充气管5、出口单向阀6间的空隙；中间囊密封垫片9是用于密封中间可叠加橡胶囊2的穿管孔13与充气管5、出口单向阀6间的空隙；充气管压力表11 布置在充气管加长管7的管口处；出口单向阀压力表12布置在出口单向阀加长管7的管口处。 [0033] 其中，在上述方案中，管片14是TBM施工中主要装配构件，其外表面预制有内层橡胶囊安装槽，或在管片预制完成后进行开槽制作，且安装槽边缘设有橡胶囊固定配件；管片 14上有两个穿管孔，可在制作时预留或预制完成后开孔。外层橡胶囊心囊4置于所述外层橡胶囊3内部，两层囊重叠应在加工厂定制，且两层囊间的空隙充满润滑油，以保证在加压的过程中，无论外层橡胶囊是否出现卡阻、应力集中等现象，心囊表面始终可自由变形处于均匀加压状态。同时，外层橡胶囊如发生破损失效的情况，心囊能独立发挥作用，增强整套装置的可靠性。 [0034] 上述的一种可满足大间隙需求的叠式多层橡胶囊封闭结构的使用方法，包括以下使用步骤： [0035] 步骤1：管片14制作过程中预制橡胶囊安装槽和橡胶囊固定配件，或在制作好的管片上开槽制作橡胶囊安装槽和橡胶囊固定配件；管片14制作过程中预制两个穿管孔，或在制作好的管片上开两个穿管孔； [0036] 步骤2：将叠式多层橡胶囊按内层橡胶囊1、中间可叠加橡胶囊2、外层橡胶囊3组装好，一侧橡胶囊穿管孔13由出口单向阀6连接，另一侧橡胶囊穿管孔13由充气管5连接，置于管片14的安装槽内，内层橡胶囊1由安装槽内的固定配件固定。 [0037] 步骤3：内层橡胶囊1内表面的出口单向阀6和充气管5分别与加长管7 连接，并置于管片14穿管孔内，在出口端分别连接出口单向阀压力表12和充气管压力表11。 [0038] 步骤4：通过出口单向阀6对橡胶囊进行抽气，使其扁平后贴于橡胶囊安装槽内； [0039] 步骤5：逐片按上述步骤安装管片； [0040] 步骤6：通过充气管5对橡胶囊进行充气，达到预定气压后关闭气阀门，整圈管片充气完成后，即完成护盾式TBM管片与围岩大间隙封闭圈的施工。 [0041] 步骤7：可随时观测出口单向阀压力表12、充气管压力表11的读数，若两数值基本一致，则叠式多层橡胶囊状态良好；若出口单向阀压力表12读数远大于充气管压力表11读数，则表示外层橡胶囊及心囊均失效。 [0042] 显然，本发明不限于上述实施例的细节。上述实施例应被视为是示范性的，而非限制性的。本发明的范围由所附权利要求限定，且包括落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化。权利要求中的任何附图标记不应被视为对所涉及的权利要求具有限制性。 [0043] 此外，本说明书应被视为一个整体，上述实施方式并非本发明唯一的独立技术方案，实施例中的技术方案可经适当组合调整，形成本领域技术人员可理解的其他实施方式。