CN107859522A - 一种叠合式盾构法隧道结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种叠合式盾构法隧道结构，其特征在于盾构法隧道结构由若干管片通过螺栓依次连接而成，盾构法隧道结构横截面为四边形，四边形结构高宽之比为1:0~1.3，盾构法隧道结构的侧板、顶板和底板为拱形结构，盾构法隧道结构壁厚为高度的4~6%，盾构法隧道结构两侧设置预制牛腿，车道板安装在预制牛腿上，将盾构法隧道结构分成上车道和下车道。本发明的优点为隧道的衬砌采用预制构件拼装而成，拱腰管片设置牛腿构造，一体化预制。车道板为预制构件，在盾尾中一次拼装形成完整隧道结构，实现结构全预制化。车道板在承受车道荷载同时承受轴向压力，降低侧墙的跨度，发挥横支撑的作用，增强结构整体刚度，降低隧道的变形，提高隧道防水能力。

Description

一种叠合式盾构法隧道结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及异形断面盾构法隧道，具体涉及一种叠合式盾构法隧道结构及其施工方法。

背景技术

伴随着中国城市化的进程，城市的车辆保有量以及人口随之不断增长，为此需要建设越来越多的地下通道和城市地下快速路以解决或缓解城市居民“过街难”和车辆交通拥挤等问题。同时随着地铁的大规模建设，城市地下空间利用效率的问题也逐渐凸显。如何在有限的地下空间中实现地下空间的最大化利用，成为目前的热点。

在软土地区，盾构法施工作为一种对周边环境影响较小的方法，被广泛应用于地铁工程建设。常用的盾构隧道掘进机多为圆形，圆形隧道具有结构受力合理的优点，但也同时具有空间利用率较低的缺点。于是异形盾构逐渐成为提高城市地下空间效率的研究方向，地下空间断面利用率更高的叠合式异形断面盾构法隧道结构形式应运而生。

与传统圆形断面盾构隧道相比，叠合式异形断面的盾构隧道具有以下显著的优势。与圆形断面相比，叠合式异形盾构法隧道断面所占用的地下空间可节省20%左右。以双向两车道（可跑大客车）为例，采用圆形截面时隧道的外直径达到14.5m左右，采用叠合式异形断面隧道时隧道的宽度为11.0m，在宽度方向上可节省3.5m，如图1所示。当隧道在桩基11及邻近建筑物之间穿越时，隧道与邻近建筑物之间的净距得以增大，工程得以实施，如图2所示。

预制结构在建筑、桥梁工程中得到了大量的应用，在地下结构中也得到了应用。预制结构采用机械化施工、流水线作业，在节约人力、减少隧道内现浇施工等方面有较大的优势，是加快施工速度的重要途径。“预制化、模块化”已经成为目前设计施工的技术前沿与发展方向。对于盾构隧道来说，传统盾构隧道内部结构设计通常采用现浇混凝土结构。由于空间狭小，施工组织困难，施工速度慢。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供一种上下两层的叠合式盾构法隧道结构，以实现双向通行的道路交通及轨道交通的需求。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种叠合式盾构法隧道结构，其特征在于所述盾构法隧道结构由若干管片通过螺栓依次连接而成，所述盾构法隧道结构的横截面为四边形，且所述四边形结构的高宽之比为1:0~1.3，所述盾构法隧道结构的侧板、顶板和底板均为拱形结构，所述盾构法隧道结构的壁厚为高度的4~6%，所述盾构法隧道结构的两侧设置预制牛腿，车道板安装在预制牛腿上，将该盾构法隧道结构分成了上车道和下车道。

优选地，盾构法隧道结构沿长度方向由若干衬砌环拼接而成，每一环均由封顶块、拱底块、左拱腰块、右拱腰块，以及连接封顶块和左拱腰块、右拱腰块的转角块，以及连接拱底块和左拱腰块、右拱腰块的转角块通过螺栓连接而成；所述左拱腰块、右拱腰块的对应位置设置有预制牛腿。

优选地，所述叠合式盾构法隧道结构中相邻两衬砌环的管片拼接缝相互错开，实现错缝拼装。

在施工和使用过程中，拱腰管片中部会有向内收敛变形的可能，因此，优选地，所述车道板和预制牛腿内设置铸铁预埋件，所述车道板通过铸铁预埋件与预制牛腿连接，使得所述车道板起到横支撑的作用，使得该车道板在支撑车辆受力的基础上，还能起到抵抗拱腰管片向内收敛变形的作用。

根据本发明的一个实施例，所述一种叠合式盾构法隧道结构的施工方法，包括以下步骤：

A、制作封顶块、拱底块、左拱腰块、右拱腰块、左上转角块、右上转角块、左下转角块和右下转角块，其中左拱腰块、右拱腰块的对应位置设置有预制牛腿；

B、将左拱腰块通过左下转角块与拱底块的左侧相拼接，将右拱腰块通过右下转角块与拱底块的右侧相拼接，左拱腰块的预制牛腿和右拱腰块的预制牛腿相对设置；

C、将封顶块的左侧通过左上转角块固定在左拱腰块上，将封顶块的右侧通过右上转角块固定在右拱腰块上，形成一衬砌环；

D、将车道板通过预埋螺栓固定在左拱腰块和右拱腰块的预制牛腿上；

E、将若干衬砌环依次拼接，形成叠合式盾构法隧道结构。

根据本发明的另一实施例，所述一种叠合式盾构法隧道结构的施工方法，包括以下步骤：

A、制作封顶块、拱底块、左拱腰块、右拱腰块、左上转角块、右上转角块、左下转角块和右下转角块，其中左拱腰块、右拱腰块的对应位置设置有预制牛腿；

B、将左拱腰块通过左下转角块与拱底块的左侧相拼接，将右拱腰块通过右下转角块与拱底块的右侧相拼接，左拱腰块的预制牛腿和右拱腰块的预制牛腿相对设置；

C、将车道板通过预埋螺栓固定在左拱腰块和右拱腰块的预制牛腿上；

D、将封顶块的左侧通过左上转角块固定在左拱腰块上，将封顶块的右侧通过右上转角块固定在右拱腰块上，形成一衬砌环；

E、将若干衬砌环依次拼接，形成叠合式盾构法隧道结构。

由于后一种施工方法在形成下半部分隧道衬砌结构之后，就将车道板固定在两侧拱腰管片的预制牛腿上，使其在后续的施工过程中，起到防止两侧拱腰管片向内收敛变形的支撑作用，因此，后一种施工方法与前者相比效果更佳。

优选地，所述叠合式盾构法隧道结构相邻两衬砌环的管片拼接缝相互错开，实现错缝拼装。

本发明的优点是，采用大断面异形断面盾构机开挖出上下两层通道，所占平面宽度达到最小化，从而实现了在城市狭窄区域地下空间的最大化利用。本施工方法为暗挖法，除工作井外，无需进行地面开挖，不影响地面交通。在隧道的顶面与侧墙采用拱形结构，可以降低衬砌的内力，达到结构的最优化。隧道的衬砌全部采用预制构件拼装而成，拱腰管片设置牛腿构造，一体化预制。车道板同为预制构件，在盾尾中一次拼装形成完整的隧道结构，实现结构的全预制化。车道板在承受车道荷载同时，还需承受轴向压力，可降低侧墙的跨度，发挥横支撑的作用，增强结构的整体刚度，有效降低隧道的变形，提高隧道的防水能力。管片采用不对称分块方式，实现管片的错缝拼装。该类型隧道可应用于道路交通或轨道交通。

附图说明

图1为圆形断面与叠合异形断面受力对比图。

图2为在狭小的空间中实现隧道穿越的示意图。

图3为预制管片分块图。

图4为车道板中途拼装顺序图。

图5为车道板最后拼装顺序图。

图6为A、B环的分块形式。

图7为双层地铁隧道的示意图。

图8为小封顶块衬砌结构形式。

图9为隧道变形示意图。

图10为本发明的应用场景。

图中包括：

1 封顶块、 2 拱底块、 3 左拱腰块、 4 右拱腰块、 5 左上转角块、6 右上转角块、 7左下转角块、8 右下转角块、9 车道板、10 牛腿，11桩基，12污水管，13地铁隧道。

图中包括：

1 封顶块、 2 拱底块、 3 左拱腰块、 4 右拱腰块、 5 左上转角块、6 右上转角块、 7左下转角块、8 右下转角块、9 车道板、10 牛腿，11桩基，12污水管，13地铁隧道。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解。

如图所示，一种叠合式盾构法隧道结构，其特征在于所述盾构法隧道结构的横截面为左右对称且上下对称的四边形（类矩形结构），且所述四边形结构的宽度与高度之比为1:1.0~1.3，所述盾构法隧道结构的侧板、顶板和底板均为拱形结构，（其中顶板和底板对称设置，两侧侧板也对称设置），所述衬砌结构的厚度不小于高度的5%，所述盾构法隧道结构的两侧设置预制牛腿10，车道板9安装在预制牛腿10上，将该盾构法隧道结构分成了上车道和下车道。

根据空间的用途、对应的建筑限界、工程周围的环境条件，调整衬砌结构的宽度与高度。

优选地，所述盾构法隧道结构由封顶块1、拱底块2、左拱腰块3、右拱腰块4 、左上转角块5 、右上转角块6、左下转角块 7 、右下转角块8拼接而成；所述左拱腰块3、右拱腰块4 的对应位置设置有预制牛腿10。

在施工和使用过程中，拱腰管片中部会有向内收敛变形的可能，因此，优选地，在车道板和牛腿上预埋铸铁件，如螺栓、螺母，将所述车道板通过铸铁件与牛腿连接，使得该车道板在支撑车辆受力的基础上，还能起到抵抗拱腰管片收敛变形的作用。

隧道衬砌结构的侧墙和顶板均采用拱形结构，拱形结构的起拱量根据现场条件调节，起拱量约为150-500mm，可以降低衬砌的内力，达到结构的最优化。

图4为根据本发明的优选实施例，车道板中途拼装顺序的施工步骤示意图。如图所示，该施工方法包括以下步骤：

A、制作封顶块、拱底块、左拱腰块、右拱腰块、左上转角块、右上转角块、左下转角块和右下转角块，其中左拱腰块、右拱腰块的对应位置设置有预制牛腿；

B、将左拱腰块通过左下转角块与拱底块的左侧相拼接，将右拱腰块通过右下转角块与拱底块的右侧相拼接，左拱腰块的预制牛腿和右拱腰块的预制牛腿相对设置；

C、将车道板通过预埋螺栓固定在左拱腰块和右拱腰块的预制牛腿上；

D、将封顶块的左侧通过左上转角块固定在左拱腰块上，将封顶块的右侧通过右上转角块固定在右拱腰块上，形成一衬砌环；

E、将若干衬砌环依次拼接，形成叠合式盾构法隧道结构。

图5为根据本发明另一实施例，车道板最后拼装顺序的施工步骤示意图。如图所示，该施工方法包括以下步骤：

A、制作封顶块、拱底块、左拱腰块、右拱腰块、左上转角块、右上转角块、左下转角块和右下转角块，其中左拱腰块、右拱腰块的对应位置设置有预制牛腿；

B、将左拱腰块通过左下转角块与拱底块的左侧相拼接，将右拱腰块通过右下转角块与拱底块的右侧相拼接，左拱腰块的预制牛腿和右拱腰块的预制牛腿相对设置；

C、将封顶块的左侧通过左上转角块固定在左拱腰块上，将封顶块的右侧通过右上转角块固定在右拱腰块上，形成一衬砌环；

D、将车道板通过预埋螺栓固定在左拱腰块和右拱腰块的预制牛腿上；

E、将若干衬砌环依次拼接，形成叠合式盾构法隧道结构。

可以看出该两个实施例的主要区别在于车道板的安装顺序，一般而言，车道板中途安装更好，因为车道板固定后会给两侧的拱腰管片一定的支撑，可以防止其在后续施工中发生收敛变形。

如图6所示，该衬砌环分块可分为A、B环两种，相邻两段衬砌环通过AB环的组合实现错缝拼装。

图7为某轨道交通的叠合式盾构法隧道结构，通过调整截面的宽度与高度实现了在6m左右的宽度范围内地铁的双向通行。

图8为小封顶块衬砌结构形式，为了管片的分块方便，也可采用小封顶块的形式，即上管片由至少两块分块组成。采用小封顶块时，拼装施工人员可以观察到管片两侧的间隙，管片重量小，容易调整。

经试验发现，如本发明的类矩形隧道结构，隧道拱腰会发生偏向隧道内部的收敛变形，如图9所示为其不加车道板的变形分析图，车道板同步安装可以减少隧道的变形。本发明采样在牛腿和车道板内预埋铸铁件的方式，将车道板和牛腿之间通过铸铁件连接，使得车道板在承受车道荷载同时，还可承受轴向压力，可降低侧墙的跨度，发挥横支撑的作用，增强结构的整体刚度，有效降低隧道的变形，提高隧道的防水能力。

图10为本发明的应用场景，可实现在受限的空间中，地下空间得到了最大化应用。如图所示，在上方有污水管12，下方有地铁隧道，两侧设置桩基的狭小空间内，设置本发明的类矩形结构隧道。

Claims (6)

1.一种叠合式盾构法隧道结构，其特征在于所述盾构法隧道结构由若干管片通过螺栓依次连接而成，所述盾构法隧道结构的横截面为四边形，且所述四边形结构的高宽之比为1:0~1.3，所述盾构法隧道结构的侧板、顶板和底板均为拱形结构，所述盾构法隧道结构的壁厚为高度的4~6%，所述盾构法隧道结构的两侧设置预制牛腿，车道板安装在预制牛腿上，将该盾构法隧道结构分成了上车道和下车道。

2.根据权利要求1所述的叠合式盾构法隧道结构，其特征在于盾构法隧道结构沿长度方向由若干衬砌环拼接而成，每一衬砌环均由封顶块、拱底块、左拱腰块、右拱腰块，以及连接封顶块和左拱腰块、右拱腰块的转角块，以及连接拱底块和左拱腰块、右拱腰块的转角块通过螺栓连接而成；所述左拱腰块、右拱腰块的对应位置设置有预制牛腿。

3.根据权利要求1所述的叠合式盾构法隧道结构，其特征在于所述叠合式盾构法隧道结构中相邻两衬砌环的管片拼接缝相互错开，实现错缝拼装。

4.根据权利要求1所述的叠合式盾构法隧道结构，其特征在于所述车道板通过铸铁预埋件与预制牛腿连接，使得所述车道板起到横支撑的作用。

5.根据权利要求1所述的所述一种叠合式盾构法隧道结构的施工方法，其特征在于所述施工方法包括以下步骤：

A、制作封顶块、拱底块、左拱腰块、右拱腰块 、左上转角块 、右上转角块 、左下转角块和右下转角块，其中左拱腰块、右拱腰块的对应位置设置有预制牛腿；

B、将左拱腰块通过左下转角块与拱底块的左侧相拼接，将右拱腰块通过右下转角块与拱底块的右侧相拼接，左拱腰块的预制牛腿和右拱腰块的预制牛腿相对设置；

C、将封顶块的左侧通过左上转角块固定在左拱腰块上，将封顶块的右侧通过右上转角块固定在右拱腰块上，形成一衬砌环；

D、将车道板通过预埋螺栓固定在左拱腰块和右拱腰块的预制牛腿上；

E、将若干衬砌环依次拼接，形成叠合式盾构法隧道结构。

6.根据权利要求1所述的所述一种叠合式盾构法隧道结构的施工方法，其特征在于所述施工方法包括以下步骤：

A、制作封顶块、拱底块、左拱腰块、右拱腰块 、左上转角块 、右上转角块 、左下转角块和右下转角块，其中左拱腰块、右拱腰块的对应位置设置有预制牛腿；

B、将左拱腰块通过左下转角块与拱底块的左侧相拼接，将右拱腰块通过右下转角块与拱底块的右侧相拼接，左拱腰块的预制牛腿和右拱腰块的预制牛腿相对设置；

C、将车道板通过预埋螺栓固定在左拱腰块和右拱腰块的预制牛腿上；

D、将封顶块的左侧通过左上转角块固定在左拱腰块上，将封顶块的右侧通过右上转角块固定在右拱腰块上，形成一衬砌环；

E、将若干衬砌环依次拼接，形成叠合式盾构法隧道结构。