CN105464675A - 一种新型面接触管幕结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

一种新型面接触管幕结构及其施工方法，管幕结构作为隧道超前支护结构，由至少包含两个接触平面的矩形钢管或类似矩形钢管拼接而成，钢管与相邻钢管之间为面接触；钢管至少包含两个接触平面，分别与相邻钢管的接触平面无缝隙贴合；互相接触的两个接触平面的尺寸互相适应；在所述钢管的外壁面上、沿一个接触平面的两个长边沿分别焊接有一条滑道，相邻两根钢管通过滑道固定连接。本发明不同于传统的圆管幕结构，采用矩形或类似矩形钢管,具有拼接方便、结构受力强、超前支护效果好等优势，施工过程利用可伸缩扩挖钻头，解决了非圆形钢管钻头切削盲区问题，利用高压水或高压风有效解决管内残留渣土清理难题。

Description

一种新型面接触管幕结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及隧道施工领域，具体涉及一种新型面接触管幕结构及其施工方法。

背景技术

目前，地面可开发的空间越来越少,发展地下空间是国际化大都市的必然趋势，大型地下空间如地铁、车站等的建设一般采用暗挖方式。管幕施工法是一种新型的地下工程暗挖技术,是一种在小口径钢管密排支护的基础上构筑大跨度断面地下暗挖工程的施工方法，特别适用于城市建筑密集、地面交通繁忙路段、下穿既有重要构筑物建筑物、超浅埋及超大断面隧道工程中，有着明显的优越性。

然而目前管幕结构均采用普通的圆形钢管，在圆形钢管上安装能够相互咬合的公母锁扣，钢管与钢管之间通过锁扣相互扣接，在待开挖的隧道或其他地下空间周围形成连续的有一定刚度的保护结构，在此结构保护下进行隧道开挖。

一方面，由于圆形的形状限制，钢管与钢管之间为线连接，不能有效密贴拼接，拼接强度低；另一方面，连接锁扣的尺寸往往较钢管小很多，且圆形钢管的管幕结构受力薄弱点是连接钢管的锁扣，造成受力不均，严重影响整体强度，在钢管顶进施工时，在上一根钢管的锁扣滑动会产生较大角度的偏转，管幕施工精度也较难保证。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种新型面接触管幕结构及其施工方法，解决目前圆管类管幕结构受力不均、施工精度控制难的问题；同时配套介绍施工方法，有效解决非圆管内部的排土清土难题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种新型面接触管幕结构，用于隧道施工中，作为隧道的超前支护结构，由沿隧道轴线方向水平铺设在土体内的一排钢管组成，所述钢管之间互相连接，其特征在于：所述钢管与相邻钢管之间为面接触；所述钢管至少包含两个接触平面，分别与相邻钢管的接触平面无缝隙贴合；互相接触的两个接触平面的尺寸互相适应；在所述钢管的外壁面上、沿一个接触平面的两个长边沿分别焊接有一条滑道，相邻两根钢管通过滑道固定连接。

所述滑道为与钢管材质相同的金属条板，在宽度方向其一半焊接在钢管上，另一半作为自由端连接嵌入的相邻钢管。

所述管幕结构可以为门形管幕结构，组成门形管幕结构的钢管为矩形钢管。

所述管幕结构可以为半圆形或拱形管幕结构，组成半圆形或拱形管幕结构的钢管为左右两侧面为平面、上下底面为弧面的扇环形钢管，或左右两侧面为平面、上下底面也为平面的梯形钢管。

所述管幕结构还可以为底部为矩形、顶部为拱形的马蹄形管幕结构，组成马蹄形管幕结构的钢管包括组成底部矩形两立边的矩形钢管、组成顶部拱形的扇环形钢管或梯形钢管，以及连接底部矩形和顶部拱形、实现其平稳无缝过渡的异形钢管。

本发明还提供上述的新型面接触管幕结构的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、施工准备：依据设计管幕结构的形状，确定各类钢管的尺寸及需求数量，准备钢管、管幕钻机以及制作滑道的金属板条；

步骤二、在钢管上焊接滑道：在接触平面的两个长边沿分别焊接有一条滑道；

步骤三、测量放线：依据设计管幕结构的形状和尺寸进行测量放线；

步骤四、管幕钻机就位：将可伸缩扩挖钻头装在管幕钻机上，管幕钻机按施工点位定位好；

步骤五、将加工好滑道的钢管内装入螺旋钻杆；

步骤六、将带有螺旋钻杆的钢管与管幕钻机连接好；

步骤七、将管幕钻机缓慢顶进直至可伸缩扩挖钻头顶住土体，可伸缩扩挖钻头处于收缩状态；

步骤八、开启管幕钻机旋转功能，使螺旋钻杆开始旋转；

步骤九、管幕钻机缓慢顶进，使可伸缩扩挖钻头在顶力的作用下打开切削臂，形成扩挖状态；

步骤十、根据施工情况调整顶进速度，直至单管顶进结束；

步骤十一、将下一根加工好滑道且装入螺旋钻杆的钢管的后端与管幕钻机连接好，前端与上根钢管连接好；

步骤十二、重复四至步骤十，进行下一孔施工，并依次施工，直至整个管幕结构施工完成；

步骤十三、整体质检：对整个管幕结构进行整体质检，至此，新型面接触管幕结构施工完成。

所述步骤四中，可伸缩扩挖钻头由钻头主体、伸缩轴、切削臂和切削头组成，所述伸缩轴轴向安装在钻头主体和切削头之间，所述切削臂与伸缩轴平行设置，两端分别固定在伸缩轴两头的钻头主体和切削头上。

其中，所述切削臂至少包括两组，绕伸缩轴对称设置，两个分段之间通过轴销连接。

所述步骤六和步骤九中，通过调节可伸缩扩挖钻头的伸缩轴的长度，实现切削臂的切削直径调节，增大伸缩轴的长度，切削臂的切削直径变小，进入收缩状态；减小伸缩轴的长度，切削臂的切削直径变大，进入扩挖状态。

所述步骤十二之后，用高压水或高压风清洗钢管内部。

与现有技术相比，本发明的技术优势在于：

1、拼接方便：本发明管幕结构不同于传统的圆钢管幕结构，其采用方形或类似矩形钢管的管幕，管与管之间采用面接触，定位效果好，通过焊接滑道进行连接，拼接方便；

2、结构受力强、超前支护效果好：本发明与现有圆形管幕结构相比，相邻孔位的钢管接触面更大，受力均匀，结构受力强，超前支护效果好；结构面更接近于最终成型的结构面，节约后续施工材料；

3、施工过程科学合理，效率高：由于使用滑道焊接两个相邻矩形钢管，更有利于控制上层土体沉降，后续土体开挖工作更加安全；利用可伸缩掘进钻头，有效的解决了方管类的切削盲区难题，甚至可以成为最终结构或结构的一部分，节约后续施工成本。

综上，本发明采用不同的类矩形钢管组合，可以施工成门字形、矩形、半圆形、方形、马蹄形或拱形管幕结构等多种形态，满足高铁隧道、高速公路隧道、地铁隧道、地下联络线、地下车站等各种地下空间施工使用需求。

附图说明

图1是本发明涉及的实施例1门形管幕结构的整体结构示意图；

图2是图1中A的局部放大图；

图3是本发明涉及的实施例2半圆形或拱形管幕结构的整体结构示意图；

图4是图3中B的局部放大图；

图5是本发明涉及的实施例3马蹄形管幕结构的整体结构示意图；

图6是本发明涉及的矩形钢管上焊接滑道的结构示意图；

图7是本发明涉及的梯形钢管上焊接滑道的结构示意图；

图8是本发明施工过程中涉及的可伸缩扩挖钻头在扩挖状态的示意图；

图9是本发明施工过程中涉及的可伸缩扩挖钻头在收缩状态的示意图；

图10是本发明管幕结构在施工时清理土体示意图。

附图标记：1-钢管、11-矩形钢管、12-扇环形钢管、13-梯形钢管、14-异形钢管、2-接触平面、3-滑道、4-可伸缩扩挖钻头、41-钻头主体、42-伸缩轴、43-切削臂、44-切削头、5-土体、6-螺杆钻杆。

具体实施方式

下面，结合实例对本发明的实质性特点和优势作进一步的说明，但本发明并不局限于所列的实施例。

请参阅图1～10，本发明涉及一种新型面接触管幕结构，用于隧道施工中，作为隧道的超前支护结构，由沿隧道轴线方向水平铺设在土体内的一排钢管1组成，所述钢管1之间互相连接，其特征在于：所述钢管1与相邻钢管之间为面接触；所述钢管1至少包含两个接触平面2，分别与相邻钢管的接触平面2无缝隙贴合；互相接触的两个接触平面2的尺寸互相适应；在所述钢管1的外壁面上、沿一个接触平面2的两个长边沿分别焊接有一条滑道3，相邻两根钢管1通过滑道3固定连接。

如图6和图7，所述滑道3为与钢管1材质相同的金属条板，在宽度方向其一半焊接在钢管1上，另一半作为自由端连接嵌入的相邻钢管，进行钢管1的准备工作时，在前一侧钢管1的接触平面2上下边沿各焊接一条滑道3，当作下一根钢管施工的滑道3；在施工门形、矩形、方形管幕结构时，需要在开挖时把滑道3与下一根钢管1进行焊接，用以增加管幕结构的抗拉性能；在施工半圆形、圆形、马蹄形或拱形管幕结构时，作为下一根管幕施工的滑道3，也可在开挖施工时将滑道3同另一根钢管焊接。

如图1和图2，所述管幕结构可以为门形管幕结构，组成门形管幕结构的钢管1为矩形钢管11。

如图3和图4，所述管幕结构可以为半圆形或拱形管幕结构，组成半圆形或拱形管幕结构的钢管1为左右两侧面为平面、上下底面为弧面的扇环形钢管12，或左右两侧面为平面、上下底面也为平面的梯形钢管13。

如图5，所述管幕结构还可以为底部为矩形、顶部为拱形的马蹄形管幕结构，组成马蹄形管幕结构的钢管1包括组成底部矩形两立边的矩形钢管11、组成顶部拱形的扇环形钢管12或梯形钢管13，以及连接底部矩形和顶部拱形、实现其平稳无缝过渡的异形钢管14,异形钢管14的两个接触面为平面，其他面为不规则弧形。

施工时利用螺旋出土跟管顶进管幕机（申请号为：2014208061668的中国发明专利申请《一种螺旋出土跟管顶进管幕机》，以下简称管幕钻机）进行施工，螺旋出土跟管顶进管幕机包括机架、安装在所述机架上的管幕钻机、以及纠偏系统，其中纠偏系统为钻进即时导向纠偏系统，根据所述显示器输出显示的钻进方位与设计轨迹偏离的角度和距离以及所述楔形纠偏板的旋转位置进行纠偏。此外，使用方形、矩形、梯形钢管代替传统管幕结构的圆形钢管,使用可伸缩扩挖钻头替代传统钻头，在施工完成后用高压水或高压风清理钢管内残留渣土。

本实施例以马蹄形管幕结构为例，如图5所示，采用矩形、梯形和异形钢管，首先施工马蹄形管幕结构一侧的端头孔位，具体步骤如下：

1.管幕钻机按施工点位定位好；

2.在加工好滑道的矩形钢管内装入螺旋钻杆；

3.带有螺旋钻杆的矩形钢管与管幕钻机连接好；

4.缓慢顶进直至可伸缩扩挖钻头顶住土体；

5.开启管幕钻机旋转功能，使螺旋钻杆开始旋转；

6.缓慢顶进，使可伸缩扩挖钻头在顶力的作用下打开切削臂，形成扩挖状态；

7.根据施工情况调整顶进速度，直至单管顶进结束；

8.将加工好滑道且装入螺旋钻杆的矩形钢管后端与管幕钻机连接好，前端与上根钢管连接好；

9.重复7-8步，直至单孔施工结束；

10.调整管幕钻机位置，使矩形钢管紧贴上一孔位的滑道，重复4-9步，直至单侧方管孔位施工结束；

11.在加工好滑道的异形钢管内装入匹配的螺旋钻杆；

12.调整钻机位置，将带有滑道的异形钢管后端与螺旋出土跟管顶进管幕机连接好，前端紧贴矩形钢管的滑道；

13.缓慢顶进直至可伸缩扩挖钻头顶住土体；

14.开启管幕钻机旋转功能，使螺旋钻杆开始旋转；

15.缓慢顶进，使可伸缩扩挖钻头在顶力的作用下打开切削臂，形成扩挖状态；

16.根据施工情况调整顶进速度，直至单管顶进结束；

17.将加工好滑道且装入螺旋钻杆的异形钢管后端与管幕钻机连接好，前端与上根钢管连接好；

18.重复16-17步，直至异形钢管单孔施工结束；

19.在加工好滑道的梯形钢管内装入匹配的螺旋钻杆；

20.调整钻机位置，将带有滑道的梯形钢管后端与螺旋出土跟管顶进管幕机连接好，前端紧贴异形钢管的滑道；

21.缓慢顶进直至可伸缩扩挖钻头顶住土体；

22.开启管幕钻机旋转功能，使螺旋钻杆开始旋转；

23.缓慢顶进，使可伸缩扩挖钻头在顶力的作用下打开切削臂，形成扩挖状态；

24.根据施工情况调整顶进速度，直至单管顶进结束；

25.将加工好滑道且装入螺旋钻杆的梯形钢管后端与管幕钻机连接好，前端与上根钢管连接好；

26.重复24～25步，直至梯形钢管单孔施工结束；

27.调整管幕钻机位置，使梯形钢管紧贴上一孔位的滑道，重复21-26步，直至拱顶梯形钢管孔位施工结束；

28.在加工好滑道的异形钢管内装入匹配的螺旋钻杆；

29.调整钻机位置，将带有滑道的异形钢管后端与螺旋出土跟管顶进管幕机连接好，前端紧贴梯形钢管的滑道；

30.缓慢顶进直至可伸缩扩挖钻头顶住土体；

31.开启管幕钻机旋转功能，使螺旋钻杆开始旋转；

32.缓慢顶进，使可伸缩扩挖钻头在顶力的作用下打开切削臂，形成扩挖状态；

33.根据施工情况调整顶进速度，直至单管顶进结束；

34.将加工好滑道且装入螺旋钻杆的异形钢管后端与管幕钻机连接好，前端与上根钢管连接好；

35.重复33-34步，直至异形钢管单孔施工结束；

36.在加工好滑道的矩形钢管内装入匹配的螺旋钻杆；

37.调整钻机位置，将带有滑道的矩形钢管后端与螺旋出土跟管顶进管幕机连接好，前端紧贴异形钢管的滑道；

38.缓慢顶进直至可伸缩扩挖钻头顶住土体；

39.开启管幕钻机旋转功能，使螺旋钻杆开始旋转；

40.缓慢顶进，使可伸缩扩挖钻头在顶力的作用下打开切削臂，形成扩挖状态；

41.根据施工情况调整顶进速度，直至单管顶进结束；

42.将加工好滑道且装入螺旋钻杆的矩形钢管后端与管幕钻机连接好，前端与上根钢管连接好；

43.重复41-42步，直至矩形钢管单孔施工结束；

44.调整管幕钻机位置，使矩形钢管紧贴上一孔位的滑道，重复38-44步，直至侧面矩形钢管孔位施工结束；

45.用高压水或高压风清理施工完成的所有钢管内残留渣土，必要时封孔注浆或灌注混凝土；

46.在土体开挖时，边开挖边焊接滑道与下一孔位的钢管，加强管幕结构的抗拉性能并增加管幕结构的整体性；

47.整体质检：对整个管幕结构进行整体质检，全部完成后，对钢管端头进行连接形成一个整体，至此，新型面接触管幕结构施工完成。

如图8～10，本实施例中使用的可伸缩扩挖钻头4由钻头主体41、伸缩轴42、切削臂43和切削头44组成，所述伸缩轴42轴向安装在钻头主体41和切削头44之间，所述切削臂43与伸缩轴42平行设置，两端分别固定在伸缩轴42两头的钻头主体41和切削头44上；所述切削臂43至少包括两组，绕伸缩轴42对称设置，两个分段之间通过轴销连接。切削头用于切削钢管前端土体；切削臂在非扩挖状态不参于土体切割，在扩挖状态用于切削切削头之外钢管直径以内的土体；伸缩轴用于引导、固定切削臂伸缩，以达到扩挖与非扩挖模式切换；钻头主体用于扩挖钻头与钻杆连接。通过调节可伸缩扩挖钻头4的伸缩轴42的长度，实现切削臂43的切削直径调节，增大伸缩轴42的长度，切削臂43的切削直径变小，进入收缩状态；减小伸缩轴42的长度，切削臂43的切削直径变大，进入扩挖状态。

通过以上实例分析，可以看出本发明与现有管幕结构相比相邻孔位的钢管接触面更大，受力更好；结构面更接近于最终成型结构面，节约后续施工材料；由于使用滑道焊接两个相邻矩形钢管，更有利于控制上层土体沉降，后续土体开挖工作更加安全；如果进一步优化可能成为最终结构或结构的一部分节约后续施工成本。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种新型面接触管幕结构，用于隧道施工中，作为隧道的超前支护结构，由沿隧道轴线方向水平铺设在土体内的一排钢管（1）组成，所述钢管（1）之间互相连接，其特征在于：所述钢管（1）与相邻钢管之间为面接触；所述钢管（1）至少包含两个接触平面（2），分别与相邻钢管的接触平面（2）无缝隙贴合；互相接触的两个接触平面（2）的尺寸互相适应；在所述钢管（1）的外壁面上、沿一个接触平面（2）的两个长边沿分别焊接有一条滑道（3），相邻两根钢管（1）通过滑道（3）固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种新型面接触管幕结构，其特征在于：所述滑道（3）为与钢管（1）材质相同的金属条板，在宽度方向其一半焊接在钢管（1）上，另一半作为自由端连接嵌入的相邻钢管。

3.根据权利要求2所述的一种新型面接触管幕结构，其特征在于：所述管幕结构为门形管幕结构，组成门形管幕结构的钢管（1）为矩形钢管（11），所述滑道（3）的板面紧贴矩形钢管（11）的管壁，板面中心与两根矩形钢管（11）之间的接触面对齐。

4.根据权利要求2所述的一种新型面接触管幕结构，其特征在于：所述管幕结构为半圆形或拱形管幕结构，组成半圆形或拱形管幕结构的钢管（1）是左右两侧面为平面、上下底面为弧面的扇环形钢管（12），或左右两侧面为平面、上下底面也为平面的梯形钢管（13）。

5.根据权利要求2所述的一种新型面接触管幕结构，其特征在于：所述管幕结构是底部为矩形、顶部为拱形的马蹄形管幕结构，组成马蹄形管幕结构的钢管（1）包括组成底部矩形两立边的矩形钢管（11）、组成顶部拱形的扇环形钢管（12）或梯形钢管（13），以及连接底部矩形和顶部拱形、实现平稳无缝过渡的异形钢管（14）。

6.一种权利要求1～5任意一项所述的新型面接触管幕结构的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、施工准备：依据设计管幕结构的形状，确定各类钢管的尺寸及需求数量，准备钢管、管幕钻机以及制作滑道的金属板条；

步骤二、在钢管上焊接滑道（3）：在接触平面（2）的两个长边沿分别焊接滑道（3）；

步骤三、测量放线：依据设计管幕结构的形状和尺寸进行测量放线；

步骤四、管幕钻机就位：将可伸缩扩挖钻头（4）装在管幕钻机上，管幕钻机按施工点位定位好；

步骤五、在加工好滑道（3）的钢管（1）内装入螺旋钻杆（6）；

步骤六、连接带有螺旋钻杆（6）的钢管（1）与管幕钻机；

步骤七、将管幕钻机缓慢顶进直至可伸缩扩挖钻头（4）顶住土体（5），可伸缩扩挖钻头（4）处于收缩状态；

步骤八、开启管幕钻机的旋转功能，使螺旋钻杆（6）开始旋转；

步骤九、管幕钻机缓慢顶进，可伸缩扩挖钻头（4）在顶力的作用下打开切削臂（43），形成扩挖状态；

步骤十、根据施工情况调整顶进速度，直至单管顶进结束；

步骤十一、将下一根加工好滑道（3）且装入螺旋钻杆（6）的钢管（1）的后端与管幕钻机连接好，前端与已经安装好的钢管（1）连接；

步骤十二、重复步骤四至步骤十，进行下一孔施工，并依次施工，直至整个管幕结构施工完成；

步骤十三、整体质检：对整个管幕结构进行质检，至此，新型面接触管幕结构施工完成。

7.根据权利要求6所述的一种新型面接触管幕结构的施工方法，其特征在于：所述步骤四中，可伸缩扩挖钻头（4）由钻头主体（41）、伸缩轴（42）、切削臂（43）和切削头（44）组成，所述伸缩轴（42）轴向安装在钻头主体（41）和切削头（44）之间，所述切削臂（43）与伸缩轴（42）平行设置，两端分别固定在伸缩轴（42）两头的钻头主体（41）和切削头（44）上。

8.根据权利要求7所述的一种新型面接触管幕结构的施工方法，其特征在于：所述切削臂（43）至少包括两组，绕伸缩轴（42）对称设置，两个分段之间通过轴销连接。

9.根据权利要求7所述的一种新型面接触管幕结构的施工方法，其特征在于：所述步骤六和步骤九中，通过调节可伸缩扩挖钻头（4）的伸缩轴（42）的长度，实现切削臂（43）的切削直径调节，增大伸缩轴（42）的长度，切削臂（43）的切削直径变小，进入收缩状态；减小伸缩轴（42）的长度，切削臂（43）的切削直径变大，进入扩挖状态。

10.根据权利要求7～9任意一项所述的一种新型面接触管幕结构的施工方法，其特征在于：所述步骤十二之后，用高压水或高压风洗钢管内部。