CN109653767A - 用于盾构隧道的抗浮型管片及其加工方法和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于盾构隧道的抗浮型管片及其加工方法和使用方法，涉及盾构隧道施工技术领域，其包括顶部管片，顶部管片的外侧设置有凹槽，凹槽内固定设置有浆囊，浆囊的材质为柔性材料，凹槽的底部还设置有贯穿顶部管片的注浆孔，注浆孔上固定有通入到浆囊中的注浆管。解决了现有技术中盾构隧道管片衬砌环容易上浮的问题。

Description

用于盾构隧道的抗浮型管片及其加工方法和使用方法

技术领域

本发明涉及盾构隧道施工技术领域，特别是涉及一种用于盾构隧道的抗浮型管片及其加工方法和使用方法。

背景技术

盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。

近年来，盾构法凭借其安全、可靠、快速、环保等优点，广泛用于各大城市的地铁、越江跨海隧道等施工中。以北京、上海、南京和广州为例，在其市区内地铁的修建上，采用盾构法的约占70％以上。绝大多数水下隧道的修建也都是采用的盾构法。

在盾构法施工隧道过程中，掘进机在前端挖掘隧道，管片拼装机拼装管片衬砌环来支撑刚挖出的隧道，掘进机前进一定距离放入一个管片衬砌环，同时向管片衬砌环与土层之间的间隙注浆，利用浆液凝固后将管片衬砌环与土层固定为一个整体。但是，管片衬砌环在脱出盾尾后，当失去盾构机的作用力后，会受到浆液的浮力作用出现不用程度的上浮现象，如果对该上浮现象不加处理，会导致隧道轴线向上偏移，管片环沿纵向出现错台，严重时会导致管片接缝附近出现裂缝甚至区域性破损。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种用于盾构隧道的抗浮型管片，解决了现有技术中盾构隧道管片衬砌环容易上浮的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

提供一种用于盾构隧道的抗浮型管片，其包括顶部管片，顶部管片的外侧设置有凹槽，凹槽内固定设置有浆囊，浆囊的材质为柔性材料，凹槽的底部还设置有贯穿顶部管片的注浆孔，注浆孔上固定有通入到浆囊中的注浆管。

进一步地，浆囊的一侧通过若干按扣平铺固定于凹槽的底面上。通过按扣使浆囊的底部完全铺开并固定在凹槽底面上，避免浆囊在管片脱出盾尾后向浆囊内注浆时发生位移，同时有利于浆囊注浆后的形态规则，从而为管片提供稳定对称的抗浮力

进一步地，浆囊的材质为聚氯乙烯或热塑性聚氨酯弹性体橡胶。

进一步地，浆囊的内壁设置有土工布层，用于增强浆囊的强度和延展性。

进一步地，浆囊的厚度不小于5毫米，其材料的拉伸屈服强度不低于100MPa，以保证浆囊在注浆过程中能够承受注浆压力，包裹住浆液，使浆液形成预想的形状来阻抗同步注浆过程中浆液对管片产生的浮力。

进一步地，浆囊上一体成型有螺纹连接头，注浆管连接于螺纹连接头上。浆囊在热合加工过程中，将带有螺纹的连接头与浆囊固定，以方便注浆管的连接，使得注浆管可以根据工程中实际情况进行选择，增加了适用性。

进一步地，注浆管上套接有防水套。在浇筑顶部管片时，硬性的注浆管与混凝土材质的顶部管片之间容易形成间隙导致漏水，通过增加防水套对该处间隙的填充，能够防止漏水现象发生。

进一步地，制作上述用于盾构隧道的抗浮型管片的方法，其包括：

焊接浇筑盾构隧道顶部管片的钢筋笼；

制作一个与凹槽对应的模板，在该模板内侧面分布的若干凹槽中放置有按扣帽，套接有防水套的注浆管靠近浆囊的一端固定于模板上设置的一个圆柱形凹孔上并预埋到钢筋笼上，可拆卸封住注浆管的端口，用混凝土浇筑管片；

待混凝土干凝后，取下模板，按扣帽和套接有防水套的注浆管内嵌于混凝土中，然后打开注浆孔的端口；

将在加工厂里加工好的浆囊上的螺纹连接头与注浆管连接，将浆囊上固定的按扣芯按压到内嵌在管片混凝土中的按扣帽上，使浆囊平铺于凹槽中，通过注浆管抽干浆囊内的空气后将注浆管密封。

进一步地，将上述抗浮型管片用于盾构隧道施工中的方法，其包括：

步骤1，选择管片，在管片拼装过程中将抗浮型管片置于管片衬砌环的拱顶部位，使浆囊中心线与拱顶线重合；

步骤2，在注浆管远离浆囊的一端安装止浆阀，并连接注浆泵，在管片脱出盾尾后，对浆囊进行注浆，注浆完成后关闭止浆阀；

步骤3，待浆囊内的浆液完全凝固后拆除止浆阀，并使用水泥封堵该处端口。

本发明的有益效果为：该抗浮型管片制作工艺简单，施工难度小，通过向浆囊中注浆，使管片衬砌环与土层之间形成一个支撑块来支撑管片衬砌环，防止其受到同步注浆浆液的浮力而上浮，影响隧道施工质量。

由于是向柔性的浆囊中注入浆液，所以浆囊能够被撑起的形状是由其顶部的空间决定，当无法继续向浆囊中注入浆液时，即可判断浆囊已经足够支撑管片衬砌环，防止其上浮，所以无需通过其他探测仪器预先去判断管片衬砌环顶部的空间，使得整个操作简单、高效。

由于浆囊仅是顶部管片上凸起的一小部分，在同步注浆完成后，其能够与同步注浆的浆液形成一个完整的注浆环，不影响管片衬砌环支撑土层的强度以及其防水能力。

附图说明

图1为用于盾构隧道的抗浮型管片的结构示意图。

图2为图1中的抗浮型管片应用于隧道中的示意图。

图3为浇筑顶部管片时所用模具的结构示意图。

图4为将浆囊固定于凹槽中的按扣的结构示意图。

其中，1、顶部管片；11、凹槽；12、注浆孔；2、浆囊；3、注浆管；4、防水套；5、管片衬砌环；6、同步注浆环；7、土层；8、按扣；81、按扣芯；82、按扣帽；9、模板。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

使用盾构法挖掘隧道过程中，由于管片衬砌环5刚脱离盾构机时会因为惯性受到盾构机的轴向作用力，使得管片衬砌环5不会发生上浮现象，但随着盾构机远离，管片衬砌环5在浆液中仅受到浆液对其的浮力和重力，浮力大于重力就会导致管片衬砌环5上浮。本方案中，采用在管片衬砌环5的顶部管片1上设置一个浆囊2，通过在管片衬砌环5脱离盾构机后立即对浆囊2进行注浆，在管片衬砌环5未出现明显上浮之前，通过注浆后的浆囊2的不可压缩性将管片衬砌环5支撑在土层7上，从而有效防止管片衬砌环5上浮。

待同步注浆完成后，同步注浆的浆液与浆囊2里的浆液共同构成固定管片衬砌环5与土层7的同步注浆环6。即使由于浆囊2的阻隔作用，浆囊2里的浆液无法与同步注浆的浆液凝固为一个整体，但由于浆囊2里的浆液仅仅存在于管片衬砌环5顶部的一个小空间里，且相互之间仍然存在作用力，所以不会影响同步注浆环6的强度。

如图1～图4所示，该种用于盾构隧道的抗浮型管片包括顶部管片1，顶部管片1为采用盾构法对隧道施工中用到的管片衬砌环的其中一部分，截面呈圆弧状，由钢筋混凝土制成。在顶部管片1的外圆柱面上设置有一个等深度的凹槽11，该凹槽11的底面上内嵌有若干按扣8的按扣帽82，按扣帽82均布在整个凹槽底面上，用于与浆囊2上对应固定的按扣芯配合将浆囊2平铺固定于凹槽11底面上。在使用本抗浮型管片之前，需将浆囊2内的空气全部排出后并密封，使得浆囊2能够容纳在凹槽11中，避免浆囊2在随着管片衬砌环前进过程中刮伤。

浆囊2优先采用涂层为聚氯乙烯(PVC)或热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)的网架复合材料，内部设置土工布一类加筋材料，通过热合等技术制作成各种容量和形状的浆液包容容器，类比与现有市场中的水囊。浆囊2具有不透水性、柔韧性以及一定的机械强度和延展性。为了满足工程要求，浆囊2各处的厚度不能够小于5mm，其材料拉伸屈服强度不低于100MPa，材料的弹性模量位于3.14～3.92GPa的区间里。

在制作浆囊2的热合加工过程中，将带有螺纹的连接头固定在浆囊上并与浆囊内部连通，以及将若干按扣芯81的圆盘部分固定到浆囊2的外表面上，按扣芯81与螺纹连接头位于同侧，且螺纹连接头位于所有按扣芯81的中心位置，固定按扣芯81时，各个按扣芯之间的距离需与凹槽11底面上内嵌的按扣帽82对应，并保证通过按扣8能够将浆囊2平铺固定于凹槽11的底面上。在使用时，可以根据工程中实际情况的需求采用不同类型和结构的注浆管3，将注浆管3连接到浆囊2上的螺纹连接头上，通过注浆管3对浆囊2内注浆。

在使用盾构法对隧道进行加工时，需根据工程水文地质条件、隧道埋深等进行管片的结构设计，管片结构设计为现有盾构法加工隧道的必要步骤，是比较成熟的技术，此处不赘述。然后需要计算出管片的抗浮力。管片的抗浮力等于管片受到的浮力乘以一个根据地层沉降变形特性所取的安全系数，该安全系数通常为1.2～1.4，而管片受到的浮力根据管片的体积、浆液的密度等数据即可计算，为工程领域中的公知常识，此处不赘述。

通过求得的管片的抗浮力值，可以确定提供抗浮力的浆囊的几何尺寸，需使浆囊2被注浆后形成的注浆柱与土层7的相互作用力大于该抗浮力值，才能有效阻止管片上浮。根据压力值等于压强与作用面积的乘积的原理，压强为同步注浆过程中的注浆压力，该注浆压力根据实际的工程泵送能力等条件确定；作用面积即是浆囊2被注浆后形成的注浆柱与土层7的接触面积，也就是浆囊2的截面面积，根据该截面面积可确定浆囊2的长、宽尺寸，为防止管片衬砌环在浆液浮力及浆囊提供的抗浮力作用下发生环向扭转，要求浆囊的长宽比例不宜过小，长尺寸至少是宽尺寸的两倍。

根据浆囊2的长、宽尺寸即可确定凹槽11的长、宽尺寸，凹槽11的深度为3～4厘米，浆囊2折叠后的厚度不超过3厘米，使凹槽能够有效保护浆囊2在施工过程中不被损坏。

在浇筑上述用于盾构隧道的抗浮型管片前，首先需要焊接浇筑顶部管片1的钢筋笼，制作一个与上述凹槽11尺寸相同的模具9，模具9的结构如图3所示，模具9中间加工有固定注浆管3的圆柱形凹孔以及若干放置按扣帽82的圆形凹槽，该圆形凹槽的深度小于按扣帽82的高度，使按扣帽82有足够的外露部分在浇筑顶部管片1时能够嵌入到混凝土中。注浆管3穿过模具9上设置的通孔后预埋到钢筋笼上。注浆管3的预埋位置与管片的吊装孔的距离应大于10厘米，防止相互干涉。

注浆管3的孔径根据实际工程中对应所采用的注浆设备进行选择，通常应大于5厘米；注浆管3的两端设置有螺纹接口，分别用于连接浆囊2和注浆设备，管片浇筑前需通过两端的螺纹接口连接封盖，来防止混凝土灌入到注浆管3内部，然后在注浆管3上套接一个防水套4，防水套4为橡胶材质的软性防水材质，起到防止注浆管3与混凝土的接触面发生漏水现象。待模具9、浆囊2和注浆管3固定好位置以后，使用调好的混凝土完成顶部管片1的浇筑以及养护。待混凝土干凝以后，取下模板，按扣帽和套接有防水套的注浆管内嵌于混凝土中，然后打开注浆孔的端口。

然后将在加工厂里加工好的浆囊2上的螺纹连接头与注浆管3连接，将浆囊2上固定的按扣芯81按压到内嵌在管片混凝土中的按扣帽82上，使浆囊2平铺于凹槽11中，通过注浆管3抽干浆囊2内的空气后将注浆管3密封，从而完成抗浮型管片的制作。

在拼装管片衬砌环5时，需将上述抗浮型管片置于管片衬砌环5的拱顶部位，使浆囊2的中心线与拱顶线重合。在抗浮型管片内侧端的注浆管3上安装止浆阀，并连接注浆泵；在管片衬砌环脱出盾尾后，打开注浆泵对浆囊3进行注浆，待无法继续注浆时关闭注浆泵，拆除注浆泵，并关闭止浆阀，防止浆液流出，待浆囊内的浆液完全凝固后拆除止浆阀，并使用水泥封堵该处端口。

Claims (9)

1.一种用于盾构隧道的抗浮型管片，其特征在于，包括顶部管片(1)，所述顶部管片(1)的外侧设置有凹槽(11)，所述凹槽(11)内固定设置有浆囊(2)，所述浆囊(2)的材质为柔性材料，所述凹槽(11)的底部还设置有贯穿所述顶部管片(1)的注浆孔(12)，所述注浆孔(12)上固定有通入到所述浆囊(2)中的注浆管(3)。

2.根据权利要求1所述的用于盾构隧道的抗浮型管片，其特征在于，所述浆囊(2)的一侧通过若干按扣(8)平铺固定于所述凹槽(11)的底面上。

3.根据权利要求1所述的用于盾构隧道的抗浮型管片，其特征在于，所述浆囊(2)的材质为聚氯乙烯或热塑性聚氨酯弹性体橡胶。

4.根据权利要求1所述的用于盾构隧道的抗浮型管片，其特征在于，所述浆囊(2)的内壁设置有土工布层。

5.根据权利要求1所述的用于盾构隧道的抗浮型管片，其特征在于，所述浆囊(2)的厚度不小于5毫米，其材料的拉伸屈服强度不低于100MPa。

6.根据权利要求1～5任一所述的用于盾构隧道的抗浮型管片，其特征在于，所述浆囊(2)上一体成型有螺纹连接头，所述注浆管(3)连接于所述螺纹连接头上。

7.根据权利要求6所述的用于盾构隧道的抗浮型管片，其特征在于，所述注浆管(3)上套接有防水套(4)。

8.权利要求1至7任一项所述的用于盾构隧道的抗浮型管片的制备方法，其包括：

焊接浇筑盾构隧道顶部管片的钢筋笼；

制作一个与凹槽(11)对应的模板(9)，在该模板(9)内侧面分布的若干圆形凹槽中放置有按扣帽(82)，套接有防水套(4)的注浆管(3)靠近浆囊(2)的一端固定于模板(9)上设置的一个圆柱形凹孔上并预埋到钢筋笼上，可拆卸封住注浆管(3)的端口，用混凝土浇筑管片；

待混凝土干凝后，取下模板(9)，按扣帽(82)和套接有防水套(4)的注浆管(3)内嵌于混凝土中，然后打开注浆孔(3)的端口；

将在加工厂里加工好的浆囊(2)上的螺纹连接头与注浆管(3)连接，将浆囊(2)上固定的按扣芯(81)按压到内嵌在管片混凝土中的按扣帽(82)上，使浆囊(2)平铺于凹槽(11)中，通过注浆管(3)抽干浆囊(2)内的空气后将注浆管(3)密封。

9.权利要求1至7任一项所述的用于盾构隧道的抗浮型管片的使用方法，其包括：

步骤1，选择管片，在管片衬砌环拼装过程中将抗浮型管片置于管片衬砌环的拱顶部位，使浆囊中心线与拱顶线重合；

步骤2，在注浆管(3)远离浆囊(2)的一端安装止浆阀，并连接注浆泵，在管片脱出盾尾后，对浆囊进行注浆，注浆完成后关闭止浆阀；

步骤3，待浆囊内的浆液完全凝固后拆除止浆阀，并使用水泥封堵该处端口。