CN105401957B - 一种盾构隧道管片双向预应力加固装置及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种盾构隧道管片双向预应力加固装置及施工方法，包括若干组环向设置的中间含有至少一环特殊管片的组合管片，在相邻组合管片之间设有与组合管片同轴的若干组普通管片，在每环特殊管片内镶嵌有一个应力环，应力环包括至少两段应力半环，相邻组合管片上位置相同的两个应力环之间通过紧固结构连接。本发明的有益效果：在管片的环向设置应力环，利用应力环在环向将管片撑起，实现了管片环向的加固；在管片的纵向方向，通过钢绞线将管片挤紧，限制了隧道管片纵向不均匀变形；同时对管片进行纵向和环向加固，在一定的长度范围内的管片形成了简支梁的效果，提高了管片抗不均匀沉降或者不均匀荷载的能力，进而提高了盾构隧道管片的强度。
Description
一种盾构隧道管片双向预应力加固装置及施工方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种盾构管片施工时，涉及到轨道交通及隧道类技术，属于工程技术 领域，具体涉及一种盾构隧道管片双向预应力加固装置及施工方法。
背景技术
[0002] 盾构施工凭借其掘进速度快、受环境影响较小、自动化高以及对地面扰动小的特 点被越来越多的应用到城市地铁及过山或过江隧道建设中，但是盾构隧道管片宽度会有尺 寸限制，导致隧道一定进深深度范围内有数量较多的管片拼装组成，使得盾构隧道在后期 运营期间，因车辆运行产生的振动荷载，以及不良地层引发的不均匀荷载，导致隧道管片之 间沿纵向方向出现不均匀沉降甚至断裂，以及环向之间的管片出现错台，诱发隧道渗水漏 泥或地铁轨道扭曲变形，破坏盾构隧道的结构安全。
[0003] 目前为止，对于盾构隧道管片出现的破坏一般只是采取单独纵向加固或者单独环 向加固，再或者是对破坏区域进行简单处理或个别加固。例如，中国专利201410048582.0公 开了一种盾构隧道纵向预应力混凝土衬砌管片的制备方法，通过在每组循环区间衬砌环的 连接块、标准块以及拱底块上的预定位置分别埋置制孔器以制成孔道，在孔道中穿入预应 力钢绞线，并保证拱底块的两种锚固环在两个区间内交错进行，这种方法容易在B类锚固环 处产生张拉缝隙，使B类锚固环成为薄弱环节，并且此专利的效果不能在整个盾构环上形成 均匀的预应力。
[0004] 申请号为2011101251S1 •7的中国专利公开了盾构隧洞预应力复合衬砌输水隧洞， 它包括盾构施工形成的拼装式管片环为普通钢筋混凝土外衬，同环各块管片通过连接锁具 相连，在拼装式管片环手孔上安装插筋，在外衬上直接浇筑混凝土形成内衬和混凝土填入 外衬手孔形成的剪力键，内衬与外衬通过插筋和混凝土剪力键结合为复合衬砌结构。该方 法费时、费力，材料消耗大，且现浇内衬混凝土由内部钢筋、波纹管较多造成混凝土不密实， 整体效果较差。
[0005] 又如说，申请号为201210023547 • 4公开了一种预应力管片，管片上设有多个沿轴 线分布的钢绞线孔道，多个管片组成的圆周上，相应的钢绞线孔道之间互相联通，每条钢绞 线孔道上设有一锚具槽。还提供了一种采用上述的预应力管片进行盾构隧道预应力衬砌施 工方法，包括以下步骤:一、盾构掘进管片拼装的步骤;二、通过管片上的锚具槽沿钢绞线孔 道张拉钢绞线的步骤;三、混凝土回填的步骤;通过上述步骤实现盾构隧道预应力衬砌施 工。此方法在管片之间穿钢绞线比较困难，并且预留槽孔会削弱管片的强度。
[0006] 以上专利都是对管片单独进行环向或者纵向加固，并没有同时对管片进行纵向或 者环向同时加固，且纵向采用钢绞线固定，是一段一段的，没有实现整体的支撑;如果同时 对管片进行纵向和环向加固，那么能有效提高拼接管片的强度。专利201410311274.2公开 了一种盾构隧道内部设置支撑的加固方法，该申请中通过设置钢环，并通过工字钢支撑这 个钢环来实现环向和纵向的刚度和强度，但由于工字钢支撑是设置在管片内部的，造成内 部结构复杂，同时为了提高支撑强度，其需要这样的支撑装置数量较多。
[0007]因此，需要一种能提高盾构隧道管片强度的、能对管片环向和纵向同时加固的加 固装置。
发明内容
[0008]本发明的目的就是为了提供一种能同时对管片进行纵向和环向加固的，能提高管 片抗不均勾沉降或者不均匀载荷的盾构隧道管片双向预应力加固装置及施工方法。
[0009]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0010] —种盾构隧道管片双向预应力加固装置，盾构隧道管片包括若干组环向设置的中 间含有至少一环特殊管片的组合管片，在相邻组合管片之间设有与组合管片同轴的若干组 普通管片，在每环特殊管片内镶嵌有一个应力环，应力环包括至少两段应力半环，相邻组合 管片上位置相同的两个应力环之间通过紧固结构连接，起到环向加固的作用;紧固结构连 接应力环实现相邻组合管片连接为一个整体，将两组组合管片之间的普通管片轴向挤紧， 起到了轴向预应力加固的效果，将管片的轴向预应力转化为环向的支撑力，提高了盾构隧 道管片的整体强度。
[0011]进一步地，每组所述组合管片中相邻两个所述应力环中所述应力半环的拼接处错 开布置，应力半环包括外半圈、中半圈和内半圈，中半圈和外半圈之间含有呈三角状的多个 支撑钢板，中半圈和内半圈之间含有多个呈三角状的多个支撑钢板。
[0012] 进一步地，构成所述应力环的两段所述应力半环之间间隔设定距离，拼接处的中 部形成一个开口，每段应力半环的两端均有一个半圆形槽，相邻两段应力半环上的半圆形 槽构成一个圆孔，应力半环间距离的设置方便了将圆台卡在应力环中。
[0013] 进一步地，所述紧固结构包括锥形的圆台和钢绞线，两个圆台通过钢绞线连接相 邻两组组合管片上开口在同一高度的两个应力环。
[0014] 进一步地，所述圆台窄的一端朝向所述的圆孔，在圆台宽的一端设有与钢绞线连 接的锁具，通过锥形的圆台来固定钢绞线的两端，当拉紧钢绞线时，窄的一端插入到圆孔 内，而因为圆台另一端直径较大，成功将纵向的预应力转移到应力环上，同时实现钢绞线越 拉越紧。
[0015] 进一步地，所述特殊管片朝向特殊管片的轴线方向设有凹槽，所述应力环镶嵌在 凹槽内，通过将应力环卡在凹槽内，便于固定应力环。
[0016] 进一步地，所述组合管片的两端设置有普通管片，所述普通管片包括封顶块、至少 一块连接块和拱底块，拱底块设置在底部，连接块连接封顶块和拱底块。
[0017] 进一步地，所述特殊管片包括封顶块、至少一块连接块和拱底块，拱底块设置在底 部，连接块连接封顶块和拱底块，封顶块在上部。
[0018] 进一步地，在所述普通管片上开有用于所述钢绞线穿过的通孔，在普通管片上设 有与通孔相交的注浆孔，注浆孔根据具体情况设置在普通管片的连接块上或是封顶块上， 在组装完毕后，通过注浆孔向通孔内注浆以稳定钢绞线和管片。
[0019] 预应力加固装置的施工方法，具体步骤如下：
[0020] 1)在盾构隧道的起始端设置至少一环特殊管片；
[0021] 2)在每一环特殊管片的凹槽里安装应力半环；
[0022] 3)沿着盾构隧道的方向，在特殊管片的一侧设置若千组普通管片；
[0023] 4)在普通管片的另一侧设置至少一环特殊管片；
[0024] 5)重复步骤3)〜步骤4);
[0025] 6)将钢绞线通过锁具与圆台锁定，将圆台窄的一端放入应力环的圆孔中；
[0026] 7)将钢绞线依次穿过应力环的圆孔、普通管片中相对应的通孔、下一组特殊管片 凹槽侧壁上对应的通孔及特殊管片中的应力环的圆孔；
[0027] 8)在下一组组合管片中应力环的开口中，对钢绞线施加预应力，然后用圆台通过 锁具将钢绞线固定住，圆台窄的一面朝向应力环的圆孔，此时，由于钢绞线的拉力，将圆台 楔入应力环的圆孔中。
[0028] 9)在同一个方形口中再放置一个圆台，圆台窄的一面朝向应力环另一侧的圆孔 中，重复步骤6)〜步骤8)。
[0029] 10)所有管片穿过钢绞线并锁定完成后，通过注浆孔向开孔内注浆，完成预应力加 固。
[0030] 本发明的工作原理是:间隔普通管片设置特殊管片，在特殊管片内设置应力环，利 用紧固装置将应力环撑起，对管片起到环向加固，同时环向加固的管片等效于简支梁的支 座，再通过钢绞线将依次拼接的普通管片挤紧，构成了简支梁的梁板，让后配合下一组环向 加固的管片形成了一个简支梁模型，实现了同时对管片的纵向和环向施加预应力，通过紧 固装中的圆台将管片的轴向预应力转化为环向的支撑力，提高了盾构隧道管片的整体强 度。
[0031] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0032] 1)通过在应力环中设置两个圆台对圆环的两侧产生平衡拉力，避免了管片在施加 轴向预应力时，管片受拉的缺点。 t〇〇33] 2)在管片的环向设置应力环，利用应力环在环向将管片撑起，实现了管片环向的 加固。
[0034] 3)在管片的纵向方向，通过钢绞线将管片挤紧，限制了隧道管片纵向不均匀变形。
[0035] 4)同时对管片进行纵向和环向加固，在一定的长度范围内的管片形成了简支梁的 效果，提高了管片抗不均匀沉降或者不均匀荷载的能力，进而提高了盾构隧道管片的强度。 [0036] 5)实现了管片的轴向预应力与环向预应力转换，可达到调节隧道管片不均匀变形 的能力。如隧道纵向变形较大时，通过钢绞线的拉紧会紧固环向支撑，然后如果环向变形也 较大，应力环的圆孔会通过将圆台挤出的手段实现对管片总线预应力的重新加固；或者管 片的环向变形较大，圆台不能将应力环撑起，然后普通区间的管片出现了沉降，会通过拉紧 钢绞线而实现将圆台楔入应力环圆孔的效果，重新对管片进行了环向加固，从而实现了盾 构管片的“自我治愈功能”。
[0037] 6)因应力环设置在特殊管片凹槽里，不会对隧道的净空造成影响。
附图说明
[0038]图1为预应力管片示意图；
[0039]图2为特殊管片侧视图；
[0040] 图3为图2中A-A处的断面图；
[0041]图4为普通管片轴向视图；
[0042]图5为特殊管片环向视图；
[0043]图6为应力环的结构示意图；
[0044]图7为应力半环末端三维图；
[0045]图中，1是特殊管片封顶块，2是特殊管片连接块，3是普通管片封顶块，4普通管片 连接块，5是应力半环，6是圆台，7是锁具，8是钢绞线，9是开口，10是圆孔，11是通孔。
具体实施方式
[0046] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0047]如图1为预应力管片的示意图，一种盾构隧道管片双向预应力加固装置，包括若干 组环向设置的中间含有两环特殊管片的组合管片，所述特殊管片朝隧道内部方向设有凹 槽，凹槽的深度是特殊管片厚度的一半，凹槽的宽度是特殊管片宽度的2/3,在凹槽内上镶 嵌有由两个应力半环组成的应力环，在相邻组组合管片之间设有与组合管片同轴同直径的 若干组普通管片(5环〜25环，可根据工程需要确定管片的数量），每组组合管片中的应力半 环5是沿环向均匀布置的，在每个应力半环5的末端的两侧设置一个半圆形及在应力半环5 的末端中间位置设置一个长方形口，以便于两个应力半环5组合成一个应力环时，在末端闭 合处恰好形成一个圆孔10和用于容纳圆台6的开口9,圆孔10与开口9垂直。利用锁具7将钢 绞线固定在圆台6上，圆台6窄的一端放入圆孔10中，然后将钢绞线8依次穿过应力半环5组 成的圆孔10,特殊管片上的通孔11及普通管片3、4上的通孔11，然后再穿入下一组特殊管片 上通孔11、应力半环5的圆孔10,然后将钢绞线8穿过圆台6,对钢绞线8施加预应力，然后利 用锁具7将其固定，通过注浆孔对通孔11注浆，完成一个循环管片的预应力加固。
[0048] 所述应力半环5设置在凹槽内，具体地，为了减少应力环的重量，便于安装，应力半 环5为薄钢环焊接组成的，应力半环5包括外半圈、中半圈和内半圈，中半圈和外半圈之间利 用钢板焊接连接，中半圈和内半圈之间利用钢板焊接连接。
[0049] 作为优化的，应力半环5可以为实心合金材料。
[0050] 所述的圆台6窄的一端的直径小于圆孔10的直径。
[0051] 所述的通孔11的直径大于钢绞线8的直径，以保证钢绞线8能在通孔11中通畅滑 动。
[0052] 所述的锁具7是高强度紧固螺母。
[0053] 所述的圆台6设置在应力半环5末端组合成的开口 9里，开口 9可同时容纳两个方方 向设置的圆台6。
[0054] 通过锥形的圆台6来固定钢绞线8的两端，当拉筋钢绞线8时，圆台6窄的一端插入 到圆孔10内，而因为圆台6另一端直径较大，成功将纵向的预应力转移到应力环上，在钢绞 线8拉紧时，钢绞线8能带动圆台6楔入钢环的圆孔10中，实现钢绞线8越拉越紧。
[0055] 图4为普通管片封顶块3及普通管片连接块4的轴向视图，在所述普通管片上开有 用于所述钢绞线穿过的通孔11及注浆孔。
[0056] 所述普通管片包括普通管片封顶块3、普通管片连接块4和普通管片拱底块，普通 管片拱底块设置在底部，普通管片连接块4连接普通管片封顶块3和普通管片拱底块，在钢 绞线8穿过的普通管片的连接块上设有通孔11，
[0057] 所述特殊管片包括特殊管片封顶块1、特殊管片连接块2和特殊管片拱底块，特殊 管片拱底块设置在底部，特殊管片连接块2连接特殊管片封顶块1和特殊管片拱底块，特殊 管片封顶块1在上部。
[0058]预应力加固装置的施工方法，具体步骤如下：
[0059] 1)在盾构隧道的起始端设置至少一环特殊管片；
[0060] 2)在每一环特殊管片的凹槽里安装应力半环5;
[0061] 3)沿着盾构隧道的方向，在特殊管片的一侧设置若干组普通管片；
[0062] 4)在普通管片的另一侧设置至少一环特殊管片；
[0063] 5)重复步骤3)到步骤4);
[00M] 6)将圆台6放在应力半环5形成的方口9中，圆台6窄的一端放入圆孔10中；
[0065] 7)利用锁具7将钢绞线8锁定在圆台6上，将钢绞线8依次穿过圆孔10、普通管片3、4 上相对应的通孔11及到第二组组合管片中的相应的通孔11和圆孔10;
[0066] S)利用千斤顶对钢绞线8施加预应力，将圆台7窄的一端朝向圆孔10,利用锁具7将 钢绞线8固定。
[0067] 9)在方口9中放置第二个圆台6,重复步骤6)到8)。
[0068] 1〇)通过注浆孔对通孔11进行注浆，完成管片预应力加固。
[0069]上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范 围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不 需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (9)
1. 一种盾构隧道管片双向预应力加固装置，其特征在于，包括若干组环向设置的中间 含有至少一环特殊管片的组合管片，在相邻组合管片之间设有与组合管片同轴的若干组普 通管片，在每环特殊管片内镶嵌有一个应力环，应力环包括至少两段应力半环，相邻组合管 片上位置相同的两个应力环之间通过紧固结构连接;构成所述应力环的所述应力半环之间 间隔设定距离，拼接处的中部形成一个开口，每段应力半环的两端均有一个半圆形槽，相邻 两段应力半环上的半圆形槽构成一个圆孔。
2. 如权利要求1所述的预应力加固装置，其特征在于，每组所述组合管片中相邻两个所 述应力环中所述应力半环的拼接处错开布置，应力半环包括外半圈、中半圈和内半圈，中半 圈和外半圈之间含有呈三角状的多个支撑钢板，中半圈和内半圈之间含有多个呈三角状的 多个支撑钢板。
3. 如权利要求1所述的预应力加固装置，其特征在于，所述紧固结构包括锥形的圆台和 钢绞线，两个圆台通过钢绞线连接相邻两组组合管片上开口在同一高度的两个应力环。
4. 如权利要求3所述的预应力加固装置，其特征在于，所述圆台窄的一端朝向所述的圆 孔，在圆台宽的一端设有与钢绞线连接的锁具。
5. 如权利要求1所述的预应力加固装置，其特征在于，所述特殊管片朝向特殊管片的轴 线方向设有凹槽，所述应力环镶嵌在凹槽内。
6. 如权利要求1所述的预应力加固装置，其特征在于，所述组合管片的两端设置有普通 管片，所述普通管片包括封顶块、拱底块和至少一块连接块，拱底块设置在底部，连接块连 接封顶块和拱底块。
7. 如权利要求1所述的预应力加固装置，其特征在于，所述特殊管片包括封顶块、拱底 块和至少一块连接块，拱底块设在底部，连接块连接封顶块和拱底块，封顶块在上部。
8. 如权利要求3所述的预应力加固装置，其特征在于，在所述普通管片上开有用于所述 钢绞线穿过的通孔，在普通管片上设有与通孔相交的注浆孔。
9. 如权利要求1-8中任意一项所述的预应力加固装置的施工方法，其特征在于，具体步 骤如下： 1) 在盾构隧道的起始端设置至少一环特殊管片； 2) 在每一环特殊管片的凹槽里安装应力半环； 3) 沿着盾构隧道的方向，在特殊管片的一侧设置若干组普通管片； 4) 在普通管片的另一侧设置至少一环特殊管片； 5) 重复步骤3)〜步骤4); 6) 将钢绞线通过锁具与圆台锁定，将圆台窄的一端放入应力环的圆孔中； 7) 将钢绞线依次穿过应力环的圆孔、普通管片中相对应的通孔、下一组特殊管片凹槽 侧壁上对应的通孔及特殊管片中的应力环的圆孔； 8) 在下一组组合管片中应力环的开口中，对钢绞线施加预应力，然后用圆台通过锁具 将钢绞线固定住，圆台窄的一面朝向应力环的圆孔，此时，由于钢绞线的拉力，将圆台楔入 应力环的圆孔中； 9) 在同一个方形口中再放置一个圆台，圆台窄的一面朝向应力环另一侧的圆孔中，重 复步骤6)〜步骤8); 10) 所有管片穿过钢绞线并锁定完成后，通过注浆孔向开孔内注浆。
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