CN107620598A - 一种盾构隧道衬砌管片及其加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种盾构隧道衬砌管片，现有结构包括：封顶块、位于封顶块两端的第一邻接块和第二邻接块、封底块和位于封底块两端的第一标准块和第二标准块，第一邻接块与第一标准块连接，第二邻接块与第二标准块连接；本发明在现有的第一邻接块和第一标准块内开设钢绞线孔道，钢绞线孔道内设置钢绞线，第一邻接块和第一标准块内侧开设钢绞线出口；第二邻接块和第二标准块也作上述处理。本发明还公开盾构隧道衬砌管片加固方法，包括步骤：1)根据隧道结构承受荷载大小预制衬砌管片；2)判断管片受力情况，确定管片加固方法；3)对管片实施加固。本发明提供的盾构隧道衬砌管片及加固方法，提高了隧道结构整体刚度与变形协调性，可保障隧道运营安全。

Description

一种盾构隧道衬砌管片及其加固方法

技术领域

本发明涉及盾构地铁隧道加固技术领域，特别是涉及一种盾构隧道衬砌管片及其加固方法。

背景技术

地铁隧道一般采用预制混凝土管片作为衬砌结构，隧道运营阶段，受到临近工程施工、地面超载、土体性质变异等影响，易导致隧道断面横向大变形，由圆形变为“鸭蛋形”，不仅会减小隧道净空，还会造成管片接头处张开量过大、螺栓破坏、管片混凝土破损；邻接块与标准块之间的接头向外张开，易导致密封垫失效，在拱腰处发生渗漏水，严重影响隧道运营安全。

目前对该问题主要有以下解决方案。工程中采用的方法包括侧向注浆；粘贴碳纤维、芳纶纤维加固；安装钢环加固；工字钢螺栓连接加固等。申请号为201510523909.X的中国专利提出在封顶块设内部有凹槽的凸肋，其余管片外部设凹槽，全环通过钢绞线施加环向预应力加固管片；申请号201410042925.2的中国专利中采用形状记忆合金进行接头加固；申请号为201510148385.0的中国专利设计了一种“植筋+钢筋网片+钢板+栓钉+混凝土”的组合结构进行管片加固；申请号为201520114806.3的中国专利公开了一种隧道管片整圆器，多个整圆器组件构成圆形结构，再施加压力抵抗并消除变形。

粘贴碳纤维、芳纶纤维的加固范围仅限于受拉区，形状记忆合金通常也只用于内部加固，而渗漏水最严重的位置是邻接块和标准块向外张开的接头，该方法无法进行处理；安装内撑钢环、“植筋+钢筋网片+钢板+栓钉+混凝土”组合结构、隧道管片整圆器需拆除原有管线，施工复杂、工期较长，施工期间影响隧道正常运营，且会进一步减少隧道净空；全环管片用预应力钢绞线加固时，钢绞线从管片外部穿绕施工难度大，且难以避免发生横向变形；内置分布式光纤传感器的智能纤维复合筋主要是用于监测，如何用于加固并不明确。

总体而言，现有衬砌管片加固方法，多为事后补救，即在衬砌管片变形发生后进行加固和处理，难以提前预防变形的发生；对渗漏水严重的向外张开的接头加固效果不理想，且操作复杂，对隧道运营影响较大，成本高。同时，现有方法总体在增强衬砌接头(或接缝)刚度、结构整体刚度、变形约束控制等等方面能力不足。

发明内容

本发明的目的是提供一种盾构隧道衬砌管片及其加固方法，以解决上述现有技术存在的问题，对原有管片结构进行改进，在隧道施工中每环管片拼装时增强接头刚度，控制变形，提高隧道结构整体刚度与变形协调性，保障隧道运营安全。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种盾构隧道衬砌管片，现有的衬砌管片整体为环状结构，包括：封顶块、位于所述封顶块两端的第一邻接块和第二邻接块、封底块和位于所述封底块两端的第一标准块和第二标准块，所述第一邻接块与所述第一标准块连接，所述第二邻接块与所述第二标准块连接；本发明在上述现有技术的基础上，在所述第一邻接块和第一标准块内开设有连通的钢绞线孔道，所述钢绞线孔道内设置有钢绞线，所述第一邻接块和第一标准块内侧分别开设有钢绞线出口；所述第二邻接块和所述第二标准块的结构与所述第一邻接块和第一标准块的结构相同。

可选的，所述第一邻接块、第二邻接块、第一标准块和第二标准块内侧壁分别开设有马蹄状的操作孔，所述钢绞线出口位于所述操作孔侧壁上。

可选的，所述操作孔包括斜平面的第一侧壁和圆弧状的第二侧壁，所述钢绞线出口位于所述第一侧壁上，所述第一侧壁上设置有钢绞线夹具或锚具，所述钢绞线夹具或锚具外覆盖有金属保护罩；所述操作孔侧壁上包覆有钢板。本发明还提供一种盾构隧道衬砌管片加固方法，包括接头刚度增强方法，所述接头刚度增强方法包括如下步骤：

1)预制衬砌管片；收集隧道信息并计算隧道载荷、内力和变形量参数，据此参数确定钢绞线类型；根据隧道直径、管片厚度、环向螺栓孔的位置确定钢绞线孔道的曲率半径；

2)判断隧道结构承受的地层荷载大小；计算、分析隧道结构承受的荷载及隧道结构远期变形量，并据此选用不同管片接头加固方案；

3)确定管片接头加固方案；若隧道结构承受的地层荷载小，则将钢绞线对穿、张拉结束后，向钢绞线孔道内灌浆，灌浆完毕后，在钢绞线的两个端头使用锚具进行固定，最后用同类浆液封填操作孔；若隧道结构承受的地层荷载大，将钢绞线对穿、张拉、用夹具固定结束后，用一定强度的砂浆封填操作孔，并作彩色标记，需进行二次张拉时，凿除作彩色标记处砂浆，重复张拉、固定及封填操作。

可选的，所述衬砌管片预制阶段，分别在需要增强接头刚度的对应衬砌管片上预留钢绞线孔道，衬砌管片内侧的钢绞线出口部位设置供固定及调整的操作孔，衬砌管片拼装后，钢绞线孔道对齐贯通，将钢绞线穿入，张拉后使用钢绞线夹具在两端进行固定。

可选的，所述钢绞线为一束低松弛预应力钢绞线；所述钢绞线孔道距衬砌管片外侧留有混凝土保护层。

可选的，还包括钢带环，所述钢带环包括扁钢带及预紧接头；所述钢带环绕制于所述衬砌管片外部。

可选的，所述钢带环固定于盾构机的盾壳内部，并与盾壳内壁贴合，所述盾壳内设置有钢带固定装置。

可选的，还包括隧道整体加固方法，所述隧道整体加固方法包括如下步骤：

1)根据施工需求加工钢带环，并进行防锈处理；

2)将钢带环以长条状运至盾壳内；

3)将扁钢带两端对穿于预紧接头，在盾壳内初步连接成环；

4)使用固定装置将钢带环固定于盾壳内壁，预紧接头置于该钢带环拼装衬砌管片最后一块位置处；

5)按顺序依次拼装衬砌管片；

6)剩余最后一块衬砌管片时，将钢带环从固定装置释放；

7)操作预紧接头对该钢带环施加一定预紧力，预留最后一块衬砌管片拼装空间；

8)对预紧接头做防锈处理，安装最后一块衬砌管片。

可选的，所述固定装置位于所述衬砌管片中部，为固定凹槽或固定卡扣结构。

本发明提供的盾构隧道衬砌管片及其加固方法与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明所提供的预制混凝土盾构隧道衬砌管片结构，在衬砌管片内部的外侧预留钢绞线孔道，采用柔性钢绞线进行接头紧固连接，增强衬砌管片之间的刚度，使衬砌管片受力更加均匀，一方面减小衬砌管片接头向外的张开量，一方面提高衬砌管片密封性，从而改善隧道衬砌管片的整体性。

本发明提供的与之配套的加固方法在实际使用中，通过简单的操作即可进行隧道加固并消除横向变形，减小接头向外张开量；施工时无需动迁隧道内各种管线，无需增加额外工序及材料，基本不影响隧道运营。该方法还具备同时满足在变形前进行隧道加固预防、变形后实现变形量消除的双重效果，防止横向变形过大产生的危害，保障隧道运营安全。设计钢绞线孔道内灌浆与不灌浆两种方案，可灵活适应不同实际情况，平衡安全性与经济性。

使用带有预紧接头的钢带环从外部进行隧道整体加固，合理利用了盾壳与衬砌管片之间的间隙，可提高衬砌管片整环的刚度，约束横向变形，改善局部不利荷载情况下结构的受力情况，提高结构整体的协调性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1为盾构隧道衬砌管片组装示意图；

图2为盾构隧道衬砌管片变形示意图；

图3为本发明盾构隧道衬砌管片操作孔结构示意图；

图4为本发明盾构隧道衬砌管片的邻接块管片接头部位正视图；

图5为本发明盾构隧道衬砌管片的标准块管片接头部位正视图；

图6为本发明盾构隧道衬砌管片的邻接块、标准块管片接头部位侧视图；

图7为本发明盾构隧道衬砌管片接头刚度增强操作流程图；

图8为本发明盾构隧道衬砌管片的钢带环结构示意图；

图9为本发明盾构隧道衬砌管片隧道整环刚度增强示意图；

图10为本发明盾构隧道衬砌管片隧道整环刚度增强方法流程图；

附图标记说明：1为封顶块、2为第一邻接块、3为第二邻接块、4为封底块、5为第一标准块、6为第二标准块、7为钢绞线孔道、8为钢绞线、9为钢绞线出口、10为操作孔、11为第一侧壁、12为第二侧壁、13为钢绞线夹具、14为金属保护罩、15为钢板、16为钢带环、17为扁钢带、18为预紧接头。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员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。

本发明的目的是提供一种盾构隧道衬砌管片及其加固方法，以解决上述现有技术存在的问题，对原有管片结构进行改进，在隧道施工中每环管片拼装时增强接头刚度，控制变形，提高隧道结构整体刚度与变形协调性，保障隧道运营安全。

本发明提供一种盾构隧道衬砌管片，现有的衬砌管片整体为环状结构，包括：封顶块、位于所述封顶块两端的第一邻接块和第二邻接块、封底块和位于所述封底块两端的第一标准块和第二标准块，所述第一邻接块与所述第一标准块连接，所述第二邻接块与所述第二标准块连接；本发明在上述现有技术的基础上，在所述第一邻接块和第一标准块内开设有连通的钢绞线孔道，所述钢绞线孔道内设置有钢绞线，所述第一邻接块和第一标准块内侧分别开设有钢绞线出口；所述第二邻接块和所述第二标准块的结构与所述第一邻接块和第一标准块的结构相同。

本发明还提供一种盾构隧道衬砌管片加固方法，该方法包括接头刚度增强方法和/或隧道整体加固方法，所述接头刚度增强方法包括如下步骤：

1)预制衬砌管片；收集隧道信息并计算隧道载荷、内力和变形量参数，据此参数确定钢绞线类型；根据隧道直径、管片厚度、环向螺栓孔的位置确定钢绞线孔道的曲率半径；

2)判断隧道结构承受的地层荷载大小；计算、分析隧道结构承受的荷载及隧道结构远期变形量，并据此选用不同管片接头加固方案；

3)确定管片接头加固方案；若隧道结构承受的地层荷载小，则将钢绞线对穿、张拉结束后，向钢绞线孔道内灌浆，灌浆完毕后，在钢绞线的两个端头使用锚具进行固定，最后用同类浆液封填操作孔；若隧道结构承受的地层荷载大，将钢绞线对穿、张拉、用夹具固定结束后，用一定强度的砂浆封填操作孔，并作彩色标记，需进行二次张拉时，凿除作彩色标记处砂浆，重复张拉、固定及封填操作。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

地铁隧道一般采用预制混凝土管片作为衬砌结构，如图1所示，以常见的盾构隧道为例，一环管片由6块管片拼装而成，包括：一个封顶块(TF)、与封顶块相邻的两个邻接块(TL1、TL2)、一个封底块(TD)、与封底块相邻的两个标准块(TB1、TB2)，各相邻管片间采用内螺栓通过预制管片时预留的螺栓孔和手孔进行连接。隧道运营阶段，受到临近工程施工、地面超载、土体性质变异等影响，易导致隧道断面横向大变形，由圆形变为“鸭蛋形”，如图2所示，不仅会减小隧道净空，还会造成管片接头处张开量过大、螺栓破坏、管片混凝土破损；邻接块与标准块之间的接头向外张开，易导致密封垫失效，在拱腰处发生渗漏水，严重影响隧道运营安全。

本发明在原有衬砌管片基础上，提供一种新的盾构隧道衬砌管片，如图3、图4、图5和图6所示，该衬砌管片整体为环状结构，包括：封顶块1、位于所述封顶块1两端的第一邻接块2和第二邻接块3、封底块4和位于所述封底块4两端的第一标准块5和第二标准块6，所述第一邻接块2与所述第一标准块5连接，所述第二邻接块3与所述第二标准块6连接；所述第一邻接块2和第一标准块5内开设有连通的钢绞线孔道7，所述钢绞线孔道7内设置有钢绞线8，所述第一邻接块2和第一标准块5内侧分别开设有钢绞线出口9；所述第二邻接块3和所述第二标准块6的结构与所述第一邻接块2和第一标准块5的结构相同。所述第一邻接块2、第二邻接块3、第一标准块5和第二标准块6内侧壁分别开设有马蹄状的操作孔10，所述钢绞线出口9位于所述操作孔10上。所述操作孔10包括斜平面的第一侧壁11和圆弧形的第二侧壁12，所述钢绞线出口9位于所述第一侧壁11上，所述第一侧壁11上设置有钢绞线夹具13或锚具，所述钢绞线夹具13或锚具外覆盖有金属保护罩14；所述操作孔10的侧壁上包覆有钢板15，钢板15的强度及厚度根据首次及后期钢绞线8可能承受的应力值进行确定。

钢绞线孔道7距管片外侧留有一定厚度混凝土保护层，内部避开螺栓孔道，管片内侧钢绞线出口9避开螺栓孔道及安装孔位置。钢绞线孔道7的曲率半径根据隧道直径、管片厚度、环向螺栓孔的位置等决定，不同隧道需根据实际情况进行调整；钢绞线孔道7的孔径根据计算确定的短期施加及长期施加的预应力值大小、钢绞线8的直径、管片厚度，以及穿钢绞线8、灌浆等施工要求综合确定。

钢绞线8为一束预应力低松弛钢绞线8，所采用的钢绞线8强度指标、直径等根据具体工程实际情况确定，保证能提供足够的拉应力以抵抗接头张开。钢绞线8两端采用单孔的钢绞线夹具13或锚具进行固定，钢绞线夹具13既可提供可靠的固定作用，又方便在隧道运营后期对钢绞线8进行二次张拉，调整预应力值。钢绞线8经钢绞线夹具13固定后，覆盖金属保护罩14并封填砂浆，防止钢绞线8及钢绞线夹具13受到砂浆、内部腐蚀性气液体的侵蚀。

本发明还提供一种针对上述盾构隧道衬砌管片的加固方法，该方法包括包括接头刚度增强方法和/或隧道整体加固方法。

实施例一

如图7所述，本发明盾构隧道衬砌管片接头刚度增强方法包括如下步骤：

收集隧道基本信息(尺寸、荷载)，计算近远期隧道荷载、内力、变形，确定钢绞线8近远期需提供的拉力值，确定钢绞线8类型、强度、直径，设计管片(直径、厚度、螺栓孔位置)，确定钢绞线孔道7位置、弧度、孔径，操作孔位置及尺寸，进行管片预制、隧道施工，拼装新型预制衬砌管片，对齐钢绞线孔道7，在相邻管片间对穿钢绞线8。

情况1：

若隧道结构承受的地层荷载较小，后期地层变异及发生地面超载的概率较低，则隧道整体的横向变形值也较小。此时将钢绞线8对穿、张拉结束后，向钢绞线孔道7内灌填浆液，包括但不限于水泥砂浆、高分子化学浆液等，优先考虑采用如聚氨酯类等高分子化学浆液，以填充空隙，将钢绞线8预应力均匀传递给管片，减小端头应力，同时提高管片整体性，增强结构刚度，也可保护钢绞线8免受腐蚀。浆液灌填完毕后，在钢绞线8的两个端头使用锚具进行固定。最后用同类浆液封填操作孔。

情况2：

若隧道结构承受的地层荷载较大，后期存在一定概率发生地层变异及地面超载等影响隧道结构受力的情况，隧道变形稳定进入后期运营阶段后，其横向变形量及接头张开量仍存在进一步扩大的可能。此时需要增大施工时在接头处施加的预应力值，将钢绞线8对穿、张拉、用钢绞线夹具13固定结束后，用一定强度的砂浆封填操作孔，并作彩色标记，以减小对管片整体刚度的削弱。需进行二次张拉时，凿除该处砂浆，重复张拉、固定及封填操作。

实施例二

如图8和图9所示，本发明盾构隧道衬砌管片外设置有钢带环16，所述钢带环16包括扁钢带17及预紧接头18；所述钢带环16绕制于所述衬砌管片外部。所述钢带环16固定于盾壳内部，并与盾壳内壁贴合，所述盾壳内设置有钢带固定装置。所述固定装置位于所述衬砌管片中部，为固定凹槽或固定卡扣结构。

如图10所述，本发明所述隧道整体加固方法包括如下步骤：

1)根据施工需求加工钢带环16，并进行防锈处理；

2)将钢带环16以长条状运至盾壳内；

3)将扁钢带17两端对穿于预紧接头18，在盾壳内初步连接成环；

4)使用固定装置将钢带环16固定于盾壳内壁，预紧接头18置于该钢带环16拼装衬砌管片最后一块位置处；

5)按顺序依次拼装衬砌管片；

6)剩余最后一块衬砌管片时，将钢带环16从固定装置释放；

7)操作预紧接头18对该钢带环16施加一定预紧力，预留最后一块衬砌管片拼装空间；

8)对预紧接头18做防锈处理，安装最后一块衬砌管片。

实施例三

本发明盾构隧道衬砌管片加固时，将上述实施例一及实施例二中各自的加固方法相结合，同时作用于同一盾构隧道衬砌管片加固。通过简单的操作即可进行隧道加固及横向变形消除，减小接头向外张开量；施工时无需动迁隧道内各种管线，无需增加额外工序及材料，基本不影响隧道运营。该方法还具备同时满足在变形前进行隧道加固预防、变形后实现变形量消除的双重效果，防止横向变形过大产生的危害，保障隧道运营安全。设计钢绞线孔道内灌浆与不灌浆两种方案，可灵活适应不同实际情况，平衡安全性与经济性。

使用带有预紧接头的钢带环从外部进行隧道整体加固，合理利用了盾壳与管片之间的间隙，可提高衬砌管片整环的刚度，约束横向变形，改善局部不利荷载情况下结构的受力情况，提高结构整体的协调性。本发明中提供的操作孔并不仅仅限于马蹄形，还可以是圆筒状、三角状或碗形等其他结构，相应的，操作孔的侧壁结构也会改变，并不是仅仅限于圆弧状。

本说明书应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种盾构隧道衬砌管片，衬砌管片整体为环状结构，包括：封顶块、位于所述封顶块两端的第一邻接块和第二邻接块、封底块和位于所述封底块两端的第一标准块和第二标准块，所述第一邻接块与所述第一标准块连接，所述第二邻接块与所述第二标准块连接；其特征在于：所述第一邻接块和第一标准块内开设有连通的钢绞线孔道，所述钢绞线孔道内设置有钢绞线，所述第一邻接块和第一标准块内侧分别开设有钢绞线出口；所述第二邻接块和所述第二标准块的结构与所述第一邻接块和第一标准块的结构相同。

2.根据权利要求1所述的盾构隧道衬砌管片，其特征在于：所述第一邻接块、第二邻接块、第一标准块和第二标准块内侧壁分别开设有操作孔，所述钢绞线出口位于所述操作孔侧壁上。

3.根据权利要求2所述的盾构隧道衬砌管片，其特征在于：所述操作孔包括斜平面的第一侧壁和圆弧状的第二侧壁，所述钢绞线出口位于所述第一侧壁上，所述第一侧壁上设置有钢绞线夹具或锚具，所述钢绞线夹具或锚具外覆盖有金属保护罩；所述操作孔侧壁上包覆有钢板。

4.一种盾构隧道衬砌管片加固方法，其特征在于：该方法包括接头刚度增强方法和/或隧道整体加固方法，所述接头刚度增强方法包括如下步骤：

1)预制衬砌管片；收集隧道信息并计算隧道载荷、内力和变形量参数，据此参数确定钢绞线类型；根据隧道直径、管片厚度、环向螺栓孔的位置确定钢绞线孔道的曲率半径；

2)判断隧道结构承受的地层荷载大小；计算、分析隧道结构承受的荷载及隧道结构远期变形量，并据此选用不同管片接头加固方案；

3)确定管片接头加固方案；若隧道结构承受的地层荷载小，则将钢绞线对穿、张拉结束后，向钢绞线孔道内灌浆，灌浆完毕后，在钢绞线的两个端头使用锚具进行固定，最后用同类浆液封填操作孔；若隧道结构承受的地层荷载大，将钢绞线对穿、张拉、用夹具固定结束后，用一定强度的砂浆封填操作孔，并作彩色标记，需进行二次张拉时，凿除作彩色标记处砂浆，重复张拉、固定及封填操作。

5.根据权利要求4所述的一种盾构隧道衬砌管片加固方法，其特征在于：所述衬砌管片预制阶段，分别在需要增强接头刚度的对应衬砌管片的预留钢绞线孔道，衬砌管片内侧的钢绞线出口部位设置供锚固及调整的操作孔，衬砌管片拼装后，钢绞线孔道对齐贯通，将钢绞线穿入，张拉后使用夹具或锚具在两端进行固定。

6.根据权利要求4所述的一种盾构隧道衬砌管片加固方法，其特征在于：所述钢绞线为一束低松弛预应力钢绞线；所述钢绞线孔道距衬砌管片外侧留有混凝土保护层。

7.根据权利要求4所述的一种盾构隧道衬砌管片加固方法，其特征在于：还包括钢带环，所述钢带环包括扁钢带及预紧接头；所述钢带环绕制于所述衬砌管片外部。

8.根据权利要求7所述的一种盾构隧道衬砌管片加固方法，其特征在于：所述钢带环固定于盾构机的盾壳内部，并与盾壳内壁贴合，所述盾壳内设置有钢带固定装置。

9.根据权利要求8所述的一种盾构隧道衬砌管片加固方法，其特征在于：还包括隧道整体加固方法，所述隧道整体加固方法包括如下步骤：

1)根据施工需求加工钢带环，并进行防锈处理；

2)将钢带环以长条状运至盾壳内；

3)将扁钢带两端对穿于预紧接头，在盾壳内初步连接成环；

4)使用固定装置将钢带环固定于盾壳内壁，预紧接头置于该钢带环拼装衬砌管片最后一块位置处；

5)按顺序依次拼装衬砌管片；

6)剩余最后一块衬砌管片时，将钢带环从固定装置释放；

7)操作预紧接头对该钢带环施加一定预紧力，预留最后一块衬砌管片拼装空间；

8)对预紧接头做防锈处理，安装最后一块衬砌管片。

10.根据权利要求9所述的一种盾构隧道衬砌管片加固方法，其特征在于：所述固定装置位于所述衬砌管片中部，为固定凹槽或固定卡扣结构。