CN107023306B - 一种螺旋型装配式隧道结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

一种螺旋型装配式隧道结构及其施工方法，所述的螺旋型装配式隧道结构，是由管片通过连接螺栓装配而成的，管片的纵向长度和环向宽度可根据岩土体的稳定性而确定。所述螺旋型装配式隧道结构的施工方法是：首先采用刀具破岩或人工挖掘方法，沿着隧道洞周环向螺旋形开挖一个管片空间，然后装配一块管片，并在管片注浆充填，重复上述步骤，使隧道结构沿螺旋线向前延伸。隧道内部的岩土体在隧道结构推进一定距离后再采用钻爆法、静态爆破法或挖掘机、铣挖机通用机械开挖，本发明缩小单次开挖断面、缩短掌子面暴露临空的时间、降低施工机械装备体量。

Description

一种螺旋型装配式隧道结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及隧道与地下工程领域，具体是一种螺旋型装配式隧道结构及其施工方法。

背景技术

在隧道与地下工程中，装配式隧道结构是一种常用的结构类型，一般与机械法施工相配合，这些机械主要包括掘进机、盾构机和顶管机。这些方法的共同特点是必须在垂直于隧道轴线的掌子面上全断面开挖后装配隧道结构，其不足之处有以下几方面：一是由于全断面开挖面积很大，掌子面围岩临空面大、持续时间长，当岩土体稳定性很差时，为了保持掌子面稳定往往需要采取预支护、土压或泥水平衡等措施，额外增加了工程造价，降低了工效；二是整个隧道轮廓范围内的岩土体全部采用刀具破岩，刀具磨损问题突出，需要频繁停机更换刀具，经济性差；三是为了保证全断面开挖和装配的顺利开展，配套的专用机械设备体量大、成本高，很难在中、短隧道中应用。缩小单次开挖断面、缩短掌子面暴露临空的时间、降低施工机械装备的体量，是提高装配式隧道结构适应性亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种缩小单次开挖断面、缩短掌子面暴露临空的时间、降低施工机械装备体量的螺旋型装配式隧道结构及其施工方法。

一种螺旋型装配式隧道结构，包括管片，所述管片在沿隧道环向具有与隧道内壁相匹配的弧度，所述管片的四个端面均为与相邻管片连接的连接面，并且所述管片垂直于隧道纵向的两个连接面为满足螺旋升角和螺距关系的螺旋面，所述管片的弧度和螺旋面使多块管片呈螺旋排列拼装形成隧道结构，并且拼装后的隧道结构能沿隧道纵向延伸。所述管片可以通过调整垂直隧道纵向的两个端面的螺旋升角和螺距改变管片纵向长度，以控制隧道每次开挖的纵向长度；所述管片的环向宽度则可以根据岩土体稳定性进行改变，以控制隧道每次开挖的环向宽度。

所述管片在环向和/或纵向上双侧或单侧设有企口。企口可以提高连接的稳定性。

所述管片在四个端面上设有用于连接的螺栓孔或所述管片在企口上设有螺栓孔，相邻管片通过设置在螺栓孔内的连接螺栓连接。

一种螺旋型装配式隧道结构的施工方法，将需要开挖的整个隧道断面分为设置在断面外圈的外圈环向螺旋开挖区和设置在外圈内侧的内圈正向开挖区。施工时首先开挖外圈环向螺旋开挖区，在外圈环向螺旋开挖区上每开挖一个管片的空间，就安装一块管片，并在管片背后注浆充填，直到管片形成的螺旋型装配式隧道结构向前推进至少一个整环以上，再对内圈正向开挖区进行开挖，依次循环。采用每开挖达到一块管片宽度装配一块管片的方式，实现隧道沿螺旋线向前延伸，有效减小每循环岩土体开挖量，缩短围岩暴露和临空的时间，提高隧道施工的安全性。

进一步，开挖所述外圈环向螺旋开挖区采用刀具破岩或人工破岩方式。开挖所述内圈正向开挖区采用钻爆法或静态爆破法或挖掘机或铣挖机。这样刀具切削破岩只在外圈环向螺旋形开挖区的小范围内使用，内圈正向开挖区的大部分岩土体可根据需要采用钻爆法、静态爆破法或挖掘机、铣挖机等通用机械开挖，大大减少刀具破岩的工程量。

所述外圈环向螺旋开挖区的厚度与管片的厚度相匹配。

综上所述，本发明可以在只开挖隧道结构附近的一圈岩土体的条件下进行装配，大大减小了岩土体暴露临空的时间，保护了隧道围岩的稳定性，提高了隧道施工的安全性；管片的纵向长度和环向宽度可以根据围岩稳定性调整，增强了装配式衬砌在不同地层条件中的适用性；隧道只有外圈层极小一部分岩土体采用刀具切削破碎，大大降低了刀具破岩的工程量，相应的机械设备体量也可大大减小。

附图说明

图1是本发明螺旋型装配式隧道的结构示意图；

图2是本发明拼装成型的螺旋型装配式隧道示意图；

图3是本发明管片设有纵向企口的示意图；

图4是本发明管片设有环向企口和纵向企口的示意图；

图5是本发明螺旋型装配式隧道的开挖分区示意图；

图6是本发明螺旋型装配式隧道的施工方法示意图。

图中：1—管片；2—连接螺栓；3—螺旋线；4—纵向企口；5—环向连接螺栓孔；6—纵向连接螺栓孔；7—环向企口；8—外圈环向螺旋开挖区；9—内圈正向开挖区；10—循环开挖进尺；11—背后注浆充填层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。下述周向均指的是沿隧道的周向，轴向指的是沿隧道轴向。

如图1至6所示，一种螺旋型装配式隧道结构，隧道结构由管片1通过连接螺栓2装配而成；所述管片在沿隧道周向方向设有与隧道内壁相匹配的弧度，所述管片的四个端面均为与相邻管片连接的连接面，所述管片1在垂直于隧道纵向的连接面是符合螺距和螺旋角关系的曲面，换句话来说，这个曲线指的是管片在隧道上拼装时，能沿着隧道纵向方向连接面设有一弧度，而管片周向的弧度、轴向的弧度和连接面的倾角，才能使得多片管片沿隧道周向拼装时朝隧道旋进方向呈螺旋排列，从而多片管片1能够围绕隧道内壁螺旋型装配成一个完整圆柱面，换句话来说，多片管片1安装的路径形成螺旋线3；参见图3和图4，相邻管片1一方面通过在环向连接螺栓孔5和纵向连接螺栓孔6中安装连接螺栓2进行连接之外，还设置有单向(纵向企口4)或双向企口(纵向企口4和环向企口7)来增加连接刚度。设有企口的管片1，可以根据制作条件，采用图3所示的整体结构，或采用图4所示由双层管片叠合形成的组合结构；所述管片1可以通过调整螺旋升角和螺距来改变管片纵向长度，以控制隧道每次开挖的纵向长度；所述管片宽度也可以根据岩土体稳定性进行改变，以控制隧道每次开挖的宽度。

螺旋型装配式隧道结构是由管片1和连接螺栓2拼装而成，由于管片1的前后端面是螺旋弯曲的，拼装成的螺旋型装配式隧道结构的环向施工缝是螺旋线3，因而随着管片1的数量不断增加，隧道结构沿环向和纵向不断延伸，最终形成完整的隧道。

参见图5和图6，螺旋型装配式隧道结构的施工方法如下：

将需要开挖的整个隧道断面分为外圈环向螺旋开挖区8和内圈正向开挖区9。外圈环向螺旋开挖区8采用刀具破岩或人工破岩方式先行开挖，内圈正向开挖区9在相应位置的管片1拼装好、具有安全保障之后，根据岩土体的强度选择采用钻爆法、静态爆破法或挖掘机、铣挖机通用机械开挖。外圈环向螺旋开挖区8的厚度以管片1的厚度为基础，考虑两侧一定的作业空间而确定，外侧超出管片1的空间，通过二次注浆，形成背后注浆充填层11来保证结构安全。

螺旋型装配式隧道结构的施工步骤为：①在外圈环向螺旋开挖区8沿螺旋线3方向开挖一个循环开挖进尺10；②在循环开挖进尺10的空间内拼装一块管片1；③在管片1外侧进行注浆形成背后注浆充填层11。重复上述步骤，使隧道结构沿螺旋线3方向不断向前推进。循环开挖进尺10的大小，根据岩土体的稳定性确定，稳定性越差，取值越小，反之取值越大。管片1的尺寸应与循环开挖进尺10相匹配。

Claims (6)

1.一种螺旋型装配式隧道结构的施工方法，其特征在于：将需要开挖的整个隧道断面分为设置在断面外圈的外圈环向螺旋开挖区(8)和设置在外圈内侧的内圈正向开挖区(9)，施工时首先开挖外圈环向螺旋开挖区(8)，在外圈环向螺旋开挖区(8)上每开挖一个管片(1)的空间，就安装一块管片(1)，并在管片(1)与隧道壁之间注浆充填，直到管片(1)形成的螺旋型装配式隧道结构向前推进至少一个整环，再对内圈正向开挖区(9)进行开挖，依次循环；

所述管片(1)在沿隧道环向具有与隧道内壁相匹配的弧度，所述管片(1)的四个端面均为与相邻管片(1)连接的连接面，并且所述管片(1)垂直于隧道纵向的两个连接面为满足螺旋升角和螺距关系的螺旋面，所述管片(1)的弧度和螺旋面使多块管片(1)呈螺旋排列拼装形成隧道结构，并且拼装后的隧道结构能沿隧道纵向延伸；

所述管片(1)通过调整螺旋升角和螺距来改变管片纵向长度，以控制隧道每次开挖的纵向长度；所述管片(1)宽度根据岩土体稳定性进行改变，以控制隧道每次开挖的宽度。

2.根据权利要求1所述的螺旋型装配式隧道结构的施工方法，其特征在于：开挖所述外圈环向螺旋开挖区(8)采用刀具破岩或人工破岩方式。

3.根据权利要求1或2所述的螺旋型装配式隧道结构的施工方法，其特征在于：开挖所述内圈正向开挖区(9)采用钻爆法或静态爆破法或挖掘机或铣挖机。

4.根据权利要求3所述的螺旋型装配式隧道结构的施工方法，其特征在于：所述外圈环向螺旋开挖区(8)的厚度与管片(1)的厚度相匹配。

5.根据权利要求1所述的螺旋型装配式隧道结构的施工方法，其特征在于：所述管片(1)在环向和/或纵向上双侧或单侧设有企口。

6.根据权利要求5所述的螺旋型装配式隧道结构的施工方法，其特征在于：所述管片(1)在连接面上设有用于连接的螺栓孔或所述管片(1)在企口上设有螺栓孔，相邻管片(1)通过设置在螺栓孔内的连接螺栓(2)连接。

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