CN109555540A - 隧道形式预应力管幕结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

一种隧道形式预应力管幕结构及施工方法，所述结构由若干预制混凝土梁、预制钢单元、一个混凝土现浇段、若干横向预应力筋以及纵向预应力筋组成，所述若干预制混凝土梁通过锁扣以及夹缝灌浆相连接，并通过张拉横向预应力筋及纵向预应力筋形成整体；所述预制钢单元作为横向预应力筋的施工平台，为若干预制混凝土梁施加环向或横向预应力；所述混凝土现浇段位于所述管幕结构的底部。该管幕结构中采用的预制混凝土梁、角部钢单元均可在工厂进行标准化生产，不仅能够保证结构具有良好的受力性能，而且具有构造简单、施工速度快、整体刚度大、节约造价及工期等优点，在地下结构施工，尤其是市政工程施工中具有广阔的应用前景。

Description

隧道形式预应力管幕结构及施工方法

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，更具体的涉及一种隧道形式预应力管幕结构和施工技术。

背景技术

管幕施工技术是一种构筑地下结构的非开挖技术，多用于穿越道路、铁路、结构物、机场等的地下建筑。管幕施工技术，通过在地下结构的两端开挖出发井及工作井，采用顶进预制构件的方式，在地下形成环形帷幕结构，达到承受周围荷载和止水的作用，进而挖掘并构筑地下结构。作为非开挖工艺的一种，管幕施工技术相对于顶管、盾构等施工技术而言，对施工空间的要求及周边环境的影响都更小，在世界各国都有成功案例。

经过四十余年的工程实践，发展出多种不同的管幕施工技术，包括ESA(EndlessSelf-advancing)工法、FJ(Front Jacking Method)工法、RBJ(Roof-Box Jacking Method)工法、R&C(Roof&Culvert)工法、新管幕法(New Tubular Roof Method,简称NTR工法)等。其中对于ESA工法、FJ工法、RBJ工法与R&C工法，顶进的管幕均只作为临时结构，为后期的箱涵顶进提供一定的支护及防水作用，其不同点在于顶进箱涵的方式不同。新管幕法，作为传统管幕法的改进，使用大直径钢管(直径一般在1800mm以上)顶进，并将其作为永久结构保留下来，施工后期在其顶管形成的水密性空间内施工做结构物外轮廓。可是上述的各种管幕施工工艺，工序繁琐，需要进行管幕及箱涵两部分顶进，延长施工周期，增加造价；另外由于上部管幕的存在，箱涵标高必须相应地降低，增加了工作井基坑深度，增大了施工难度及风险。

中国专利CN105464675A公布了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。其中，其管幕结构不能作为永久结构，仅仅通过焊接滑道连接钢管，与预应力张拉形成的结构相比，强度远远不能保证。

中国专利CN102518443A公布了一种超浅覆土异型通道特种组合施工的新方法，用于解决地下隧道施工面的顶部土层较薄时，因地下的掘进导致覆土层坍塌，就无法再作业施工的问题，通过在超浅覆土层中的地下隧道的施工面的顶部用小模块方形掘进机掘进，逐节推入方形钢管，形成一横向排列的管幕，然后采用大截面掘削机后面放置钢筋混凝土箱涵置换管幕进行施工。其仍然需要箱涵，无法解决相应带来的上述问题。

中国专利CN205172598U公开了一种管幕旋喷桩支护结构，包括若干管幕钢管，每两个管幕钢管之间均设置有至少一个水平旋喷桩，且管幕钢管和水平旋喷桩的边缘紧密接触，管幕钢管与水平旋喷桩一起组合形成大刚度的共同支护受力体系。设置水平旋喷桩，施工难度大，且会带来很多新的问题，作为永久结构，难以保证强度和精度要求。

发明内容

本发明的目的在于提出一种新型管幕施工技术——隧道形式预应力管幕法，以解决上述问题及风险。隧道形式预应力管幕法，是一种将四个角的钢单元作为预应力筋的施工地点，通过预应力，将管幕四周若干单独构件紧紧箍在一起，从而控制管幕的变形，提高管幕的整体性，进而达到更高的安全性和经济性的施工方法。该体系采用后张无粘结全预应力体系，通过夹缝灌浆及预应力形成各构件之间的可靠连接。各构件之间通过锁扣及灌浆实现防水要求。角部钢单元采用现浇混凝土，保证节点刚度。最后施工的现浇闭合段，解决了施工误差引起的无法合龙的问题。

根据上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种隧道形式预应力管幕结构，所述结构由若干预制混凝土梁1、预制钢单元2、一个混凝土现浇段3、若干横向预应力筋4以及纵向预应力筋5组成，所述若干预制混凝土梁1通过锁扣以及夹缝灌浆相连接，并通过张拉横向预应力筋4及纵向预应力筋5形成整体；所述预制钢单元2作为横向预应力筋4的施工平台，为若干预制混凝土梁1施加环向或横向预应力；所述混凝土现浇段3位于所述管幕结构的底部，为所述管幕结构的现浇合龙段。

进一步的，所述结构为圆形预应力管幕结构，横截面上的所有构件，均被环向预应力牢牢地拴在一起。

进一步的，所述结构为箱型预应力管幕结构，则通过纵向与横向的预应力筋将各个构件连接在一起，筋使得每两根构件之间的各个接触点均处于受压状态，形成全预应力构件结构。

进一步的，所述预制钢单元2，通过放置钢筋笼，现浇混凝土形成刚节点。

进一步的，所述预制钢单元2位于圆形预应力管幕结构的最上端点处。

进一步的，具有四个所述预制钢单元2，四个所述预制钢单元2放置于箱型预应力管幕结构的四个角点处。

进一步的，所述预制混凝土梁1和所述预制钢单元2上均设置有横向预应力筋预留孔6，所述预制混凝土梁1设置有纵向预应力筋预留孔7；所述横向预应力筋预留孔6用于放置横向预应力筋4，所述纵向预应力筋预留孔7用于放置纵向预应力筋5。

进一步的，所述横向预应力筋预留孔6在所述预制混凝土梁1的边缘的拉压区分两排布置；和/或所述纵向预应力筋预留孔7在所述预制混凝土梁1的四周布置。

进一步的，所述横向预应力筋4采用无粘结预应力筋。

还提供了一种隧道形式预应力管幕结构的施工方法，按照先上部，随后两边侧部，最后底部的顺序进行三个部分的隧道形式预应力管幕结构施工，其施工方法包括如下步骤：

步骤A：工具钢管顶进；

步骤B：预制混凝土梁1的置换推进：

待工具钢管顶推到位之后，在相同位置顶推预制混凝土梁1来置换之前顶推的工具钢管；

步骤C：预制钢单元2顶进：

待整排预制混凝土梁1全部顶推到位后，在两端预制混凝土梁1相邻位置平行地顶推入预制钢单元2；

步骤D：施加横向预应力和填缝灌浆：

在预制钢单元2中，垂直于预制混凝土梁1穿入横向预应力筋4，所述横向预应力筋4在预制混凝土梁1的边缘的拉压区分两排布置，待全部横向预应力筋4穿入后，在所述夹缝中充填入砂浆，最后在预制钢单元2中对横向预应力筋4进行张拉，对管幕施加横向预应力；

步骤E：现浇混凝土施工；

顶部和侧部均采用以上的施工流程，然后底部现浇一部分合龙段；底部在顶推工具钢管的过程中预留一个单元位置作现浇合龙用，该预留段采用临时钢板作为覆土支撑，随后引导推入绑扎好的钢筋笼，穿入横向预应力筋，用现浇高流动性能的混凝土填充；

步骤F：最终开挖及完工；

待上顶部、两侧部以及底部的管幕施工完毕后，对预制钢单元内部进行配筋，采用现浇高流动性能的混凝土填充，至此完成隧道形式预应力管幕结构的全部施工；完工后，待混凝土达到设计强度，在内部开挖土体，并对管幕内部进行施工，最终对管幕的端部进行封堵。

进一步的，所述步骤A具体为：在开挖好出发井和接收井，并安装完推进架台和推进器之后，将工具钢管，以安装在首部的掘进机为引导，分节顶推至预制混凝土梁的设计位置处；和/或，

所述步骤B中：在预制混凝土梁1顶推进土体之后，对每节预制混凝土梁1之间施加纵向预应力，通过节与节之间的预应力连接将整根预制混凝土梁1连成一体，成为全预应力梁；和/或，

所述步骤C中，所述预制钢单元2顶进到位之后，在其内部配筋并作为现浇混凝土的模板，同时也作为横向预应力的工作区，最终留在整体结构中；和/或，

所述步骤D中，在穿入预应力筋4之前，清洗构件之间的夹缝部分，用流水冲走预制混凝土梁锁口内外的残留土，

进一步的，在预制混凝土梁1顶推过程中，工具钢管于接收井中回收并用于相邻位置的预制混凝土梁1顶进；和/或，所述预制钢单元2为分节顶进，节与节之间采用现场焊接的方式作为连接。

本发明的有益效果在于：

1、不影响上部路面的正常交通

本发明在预制混凝土梁顶进之前，先顶进安装了刀口的工具钢管，进行土体的切削，从而在不扰动周围土体正常使用的情况下，有效控制了周围环境，随后再进行梁和钢管的顶进置换，控制了沉降，大幅度地减小对上部地面道路的影响。

本发明由于预应力的使用，有效控制了管幕整体的挠度，从而保证上部路面的正常使用。

本发明由于采用预制混凝土梁的置换推进法，即使遇到土体状况不良，包含砾石、卵石或者障碍物，也能保证较高推进的精度。

2、工程质量高

本发明由于预制混凝土梁及预制钢单元在工厂中预制而成，流水线作业使得构件质量得以严格控制，所以有充分的质量和可靠性保证。

本发明由于结构主要材料是高强度混凝土，所以具有优异的耐腐蚀性和耐久性。

3、更低的造价，更短的工期

本发明由于隧道形式预应力管幕直接充当永久结构的一部分，故减少了临时搭建所带来的附加工程工序及费用，比如传统管幕法所需箱涵的费用。

本发明由于结构尺寸减小，提高了整体工程的标高，使得土方开挖量减小，故整体的工期和工程费用都有所减少。

4、开挖安全性更高

本发明中隧道形式预应力管幕形成之后，整体结构已经形成，在开挖隧道内部的土体时基本没有风险。

5、机械化程度高

本发明从推进到隧道内部的挖掘，一连串机械化的工作，节省了大量劳动力，同时也使得工程管理更加高效和方便。

本发明提出的隧道形式预应力管幕法，大量采用在工厂中标准化生产的预制构件，够保证结构良好的受力性能，而且具有构造简单、施工速度快、整体刚度大、节约造价及工期等优点，在地下结构施工，尤其是市政工程施工中具有广阔的应用前景，符合我国绿色建筑和工业化建筑的发展战略。

附图说明

图1为隧道形式预应力管幕结构整体效果图；

图2为圆形预应力管幕结构横断面图；

图3为箱型预应力管幕结构横断面图；

图4为预制混凝土梁之间锁扣示意图；

图5为预制钢单元细部示意图；

图中附图标记：

1-预制混凝土梁，2-预制钢单元，3-混凝土现浇段，4-横向预应力筋，5-纵向预应力筋，6-横向预应力筋预留孔，7-纵向预应力筋预留孔。

具体实施方式

下面通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明隧道形式预应力管幕结构，由若干预制混凝土梁1、预制钢单元2、一个混凝土现浇段3、若干横向预应力筋4以及纵向预应力筋5组成，所述若干预制混凝土梁1通过锁扣以及夹缝灌浆相连接，并通过张拉横向预应力筋4及纵向预应力筋5形成整体；所述预制钢单元2作为横向预应力筋4的施工平台，为若干预制混凝土梁1施加环向或横向预应力；所述混凝土现浇段3位于所述管幕结构的底部，为所述管幕结构的现浇合龙段。所述预制钢单元2，通过放置钢筋笼，现浇混凝土形成刚节点。所述预制混凝土梁1和所述预制钢单元2上均设置有横向预应力筋预留孔6，所述预制混凝土梁1设置有纵向预应力筋预留孔7。所述横向预应力筋预留孔6在所述预制混凝土梁1的边缘的拉压区分两排布置；和/或所述纵向预应力筋预留孔7在所述预制混凝土梁1的四周布置。所述横向预应力筋4采用无粘结预应力筋。

如图2所示，当所述管幕结构为圆形预应力管幕结构时，横截面上的所有构件，均被环向预应力牢牢地拴在一起。所述预制钢单元2位于圆形预应力管幕结构的最上端点处。所述混凝土现浇段3位于所述圆形预应力管幕结的底部最下端点处。在该具体实施例中，所述预制刚单元2只有1个，位于最上端点处。

如图3所示，当所述管幕结构为箱型预应力管幕结构时，则通过纵向与横向的预应力筋将各个构件连接在一起，这些预应力筋使得每两根构件之间的各个接触点均处于受压状态，形成全预应力构件结构，一起协同工作。此时，该结构具有四个所述预制钢单元2，四个所述预制钢单元2放置于箱型预应力管幕结构的四个角点处。

如图4所示为预制混凝土梁之间锁扣示意图；图中给出了连接细节图，左右两块预制混凝土梁1之间通过锁扣相连，内部后期灌浆即可。所述预制混凝土梁1的相对两个面上设置有凹槽，所述锁扣位于所述凹槽内。

如图5所示为预制钢单元细部结构示意图；所述预制刚单元2为大致矩形结构，在所有与预制混凝土梁1相接触的相应部位，设置有横向预应力筋预留孔6，用于使横向预应力筋4穿过该预制刚单元2和预制混凝土梁1。

该隧道形式预应力管幕结构的施工方法如下：

首先，在需要管幕穿越的建筑物两侧分别开挖出发井和接收井，之后按照先上部，随后两边侧部，最后底部的顺序进行三个部分的隧道形式预应力管幕结构施工。

上述顶部、侧部、底部这三部分的施工流程大致相同，主要包括预制混凝土梁顶进和预应力张拉。其中底板施工过程中，还需要现浇一段闭合段来完成整个箱形管幕的合龙。以下就以底板施工为例，进行详细解释。

A、工具钢管顶进

在开挖好出发井和接收井，并安装完推进架台和推进器之后，将工具钢管，以安装在首部的掘进机为引导，分节顶推至预制混凝土梁的设计位置处。

工具钢管的一个重要作用，就是在顶推的过程中，将预制混凝土梁位置处的土通过钢管运出，即用工具钢管置换该部分的土体，并且承担其原来的传力作用，有效控制了施工对周围环境的影响。

B、预制混凝土梁的置换推进

待工具钢管顶推到位之后，在相同位置顶推预制混凝土梁来置换之前顶推的工具钢管。在预制混凝土梁顶推进土体之后，对每节预制混凝土梁之间施加纵向预应力，通过节与节之间的预应力连接将整根预制混凝土梁连成一体，成为全预应力梁。在预制混凝土梁顶推过程中，工具钢管于接收井中回收并用于相邻位置的预制混凝土梁顶进。

C、预制钢单元顶进

待整排预制混凝土梁全部顶推到位后，在两端预制混凝土梁相邻位置平行地顶推入预制钢单元。与之前的工具钢管所不同的是，预制钢单元顶进到位之后不会再被置换出来，而是在内部配筋并作为现浇混凝土的模板，同时也作为横向预应力的工作区，最终留在整体结构中不被取出。预制钢单元与预制混凝土梁均为分节顶进，节与节之间采用现场焊接的方式作为连接。

D、施加横向预应力和填缝灌浆

在穿入预应力筋之前，清洗构件之间的夹缝部分，用流水冲走预制混凝土梁锁口内外的残留土，这一点对于整个工程的质量非常重要，若内部存在残留土，造成夹缝填入砂浆不密实，则会严重影响预应力筋的使用寿命。

随后在预制钢单元中，垂直于预制混凝土梁横向穿入无粘结预应力筋，预应力筋在预制混凝土梁的边缘的拉压区分两排布置。待全部预应力筋穿入后，在夹缝中充填入砂浆，以起到防水以及结构受力的作用。

最后在预制钢单元中对横向预应力筋进行张拉，对管幕施加横向预应力。

E、现浇混凝土施工

顶部和侧部均采用以上的施工流程，而底板处还需要现浇一部分合龙段。底部在顶推工具钢管的过程中预留一个单元位置作现浇合龙用，该预留段采用临时钢板作为覆土支撑。随后引导推入绑扎好的钢筋笼，穿入横向预应力筋，用现浇高流动性能的混凝土填充该部位。

F、最终开挖及完工

待上顶部、两侧部以及底部的管幕施工完毕后，对预制钢单元内部进行配筋，现浇高流动性能的混凝土填充，至此完成隧道形式预应力管幕结构的全部施工。完工后，待混凝土达到设计强度，即可以在内部开挖土体，并对管幕内部进行施工，最终对管幕的端部进行封堵。

以上仅仅是就箱形结构施工为例进行了施工方法的说明，圆形结构施工方式仍为：钢单元顶进，预制混凝土梁顶进，纵横预应力张拉，最终现浇闭合段，与箱型结构施工方式相似，故不再赘述。

以上所述，仅为对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案，任何熟悉本技术领域的技术人员可轻易想到的各种改进、变化或替换，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种隧道形式预应力管幕结构，其特征在于，所述管幕结构由若干预制混凝土梁(1)、预制钢单元(2)、一个混凝土现浇段(3)、若干横向预应力筋(4)以及纵向预应力筋(5)组成，所述若干预制混凝土梁(1)通过锁扣以及夹缝灌浆相连接，并通过张拉横向预应力筋(4)及纵向预应力筋(5)形成整体；所述预制钢单元(2)作为横向预应力筋(4)的施工平台，为若干预制混凝土梁(1)施加环向或横向预应力；所述混凝土现浇段(3)位于所述管幕结构的底部，为所述管幕结构的现浇合龙段。

2.如权利要求1所述的隧道形式预应力管幕结构，其特征在于：所述管幕结构为圆形预应力管幕结构，横截面上的所有构件均被环向预应力牢牢地拴在一起。

3.如权利要求1所述的隧道形式预应力管幕结构，其特征在于：所述管幕结构为箱型预应力管幕结构，通过纵向与横向的预应力筋将各个构件连接在一起，形成全预应力构件结构。

4.如权利要求2或3所述的隧道形式预应力管幕结构，其特征在于：所述预制钢单元(2)，通过放置钢筋笼，现浇混凝土形成刚节点。

5.如权利要求2所述的隧道形式预应力管幕结构，其特征在于：所述预制钢单元(2)位于所述圆形预应力管幕结构的最上端点处。

6.如权利要求3所述的隧道形式预应力管幕结构，其特征在于：所述箱型预应力管幕结构，具有四个所述预制钢单元(2)，四个所述预制钢单元(2)放置于箱型预应力管幕结构的四个角点处。

7.如权利要求2或3所述的隧道形式预应力管幕结构，其特征在于：所述预制混凝土梁(1)和所述预制钢单元(2)上均设置有横向预应力筋预留孔(6)，所述预制混凝土梁(1)设置有纵向预应力筋预留孔(7)；所述横向预应力筋预留孔(6)用于放置横向预应力筋(4)，所述纵向预应力筋预留孔(7)用于放置纵向预应力筋(5)。

8.如权利要求2或3所述的隧道形式预应力管幕结构，其特征在于：所述横向预应力筋预留孔(6)在所述预制混凝土梁(1)的边缘的拉压区分两排布置；和/或所述纵向预应力筋预留孔(7)在所述预制混凝土梁(1)的四周布置。

9.如权利要求1所述的隧道形式预应力管幕结构，其特征在于：所述横向预应力筋(4)采用无粘结预应力筋。

10.一种采用权利要求1-9任一所述的隧道形式预应力管幕结构的施工方法，其特征在于，按照先顶部，随后两边侧部，最后底部的顺序进行三个部分的隧道形式预应力管幕结构施工，其施工方法包括如下步骤：

步骤A：工具钢管顶进；

步骤B：预制混凝土梁(1)的置换推进：

待工具钢管顶推到位之后，在相同位置顶推预制混凝土梁(1)来置换之前顶推的工具钢管；

步骤C：预制钢单元(2)顶进：

待整排预制混凝土梁(1)全部顶推到位后，在两端预制混凝土梁(1)相邻位置平行地顶推入预制钢单元(2)；

步骤D：施加横向预应力和填缝灌浆：

在预制钢单元(2)中，垂直于预制混凝土梁(1)穿入横向预应力筋(4)，所述横向预应力筋(4)在预制混凝土梁(1)的边缘的拉压区分两排布置，待全部横向预应力筋(4)穿入后，在所述夹缝中充填入砂浆，最后在预制钢单元(2)中对横向预应力筋(4)进行张拉，对该管幕结构施加横向预应力；

步骤E：现浇混凝土施工；

顶部和侧部均采用以上的施工流程，然后底部现浇一部分合龙段；底部在顶推工具钢管的过程中预留一个单元位置作现浇合龙用，该预留段采用临时钢板作为覆土支撑，随后引导推入绑扎好的钢筋笼，穿入横向预应力筋，现浇高流动性能的混凝土填充；

步骤F：最终开挖及完工；

待顶部、两侧部以及底部的管幕施工完毕后，对预制钢单元内部进行配筋，采用现浇高流动性能的混凝土填充，至此完成隧道形式预应力管幕结构的全部施工；完工后，待混凝土达到设计强度，在内部开挖土体，并对管幕内部进行施工，最终对管幕的端部进行封堵。

11.如权利要求10所述的施工方法，其特征在于：

所述步骤A具体为：在开挖好出发井和接收井，并安装完推进架台和推进器之后，将工具钢管，以安装在首部的掘进机为引导，分节顶推至预制混凝土梁的设计位置处；和/或，

所述步骤B中：在预制混凝土梁(1)顶推进土体之后，对每节预制混凝土梁(1)之间施加纵向预应力，通过节与节之间的预应力连接将整根预制混凝土梁(1)连成一体，成为全预应力梁；和/或，

所述步骤C中，所述预制钢单元(2)顶进到位之后，在其内部配筋并作为现浇混凝土的模板，同时也作为横向预应力的工作区，最终留在整体结构中；和/或，

所述步骤D中，在穿入预应力筋(4)之前，清洗构件之间的夹缝部分，用流水冲走预制混凝土梁锁口内外的残留土。

12.如权利要求10或11所述的施工方法，其特征在于：在预制混凝土梁(1)顶推过程中，工具钢管于接收井中回收并用于相邻位置的预制混凝土梁(1)顶进；和/或，所述预制钢单元(2)为分节顶进，节与节之间采用现场焊接的方式连接。