CN111156026A - 用于盾构隧道的主动支护预制型二次衬砌及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于盾构隧道的主动支护预制型二次衬砌及其制作方法，涉及隧道施工技术领域，该衬砌采用分块预制、现场拼装的方式予以实施，拼装完成后能够通过施加预应力的方式从内部主动对既有管片衬砌结构施加荷载，改善管片衬砌结构的受力状态，形成由二次衬砌与管片衬砌结构组成的共同承载结构体系，从而起到及时控制管片衬砌结构变形的作用。本发明能够实现对盾构隧道管片衬砌结构的主动支护，及时与管片衬砌结构形成共同承载结构体系，可以有效控制管片衬砌结构的变形，从而最大程度地保护管片衬砌结构的承载性能，具有很高的工程实用性。

Description

用于盾构隧道的主动支护预制型二次衬砌及其制作方法

技术领域

本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种用于盾构隧道的主动支护预制型二次衬砌及其制作方法。

背景技术

随着我国城市化水平的不断提升，城市地面交通拥堵问题日益严重，大力利用和发展地下空间成为了解决这一难题最好的途径，此举必将对城市的快速发展起到至关重要的作用，隧道工程也因此在近几年来取得了飞速的发展。目前修建隧道的方法主要有明挖法、钻爆法、盾构法和沉管法等，其中盾构法是一种修建隧道结构的机械化施工方法，具有施工速度快、对地面建(构)筑物影响小、质量易于控制等优点，从而成为了目前修建城市地铁及水下隧道的主流工法。

盾构隧道是由若干块预制钢筋混凝土管片衬砌通过螺栓连接拼装而成，在管片之间设置防水密封垫来实现接缝防水，这种“刚中带柔”的衬砌结构各部分的刚度并不均匀，其复杂的横向结构力学特性一直以来都是众多学者探索的重点。随着我国大量盾构法隧道的投入使用，管片在隧道中过大的横向变形引发的病害问题日益凸显。受邻近施工扰动、地面堆载、过度抽取地下水等外部作业的影响，常常诱发盾构隧道管片衬砌结构过量的横向变形，进而导致隧道结构变形过大、纵缝张开过大、接缝渗漏水、管片角部混凝土压碎掉块、管片开裂、道床与管片结构脱空等严重病害，直接影响隧道的结构安全与正常运营，给隧道的维护和抢修工作带来巨大挑战。

由上，过大的横向变形不仅引发了运营和结构安全问题，引起社会负面反馈，严重时甚至给国家带来巨大的经济损失。截至目前为止，针对盾构隧道管片环横向变形过大的问题，国内外均尚未形成一种统一的、有效的控制方法。目前，作为管片衬砌变形控制的主流手段是粘贴钢板法，但该方法是一种被动控制方法，仅在一定程度上限制衬砌结构变形的进一步发展，难以实现对管片变形的及时有效控制。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述现有技术中存在的不足，提供一种用于盾构隧道的主动支护预制型二次衬砌及其制作方法，能够通过施加预应力的方式从内部主动对既有管片衬砌结构施加荷载，改善管片衬砌结构的受力状态，形成由二次衬砌与管片衬砌结构组成的共同承载结构体系，实现对盾构隧道管片衬砌结构的主动支护，起到及时控制管片衬砌结构变形的作用。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于盾构隧道的主动支护预制型二次衬砌，包括由左右对称的多块弧形衬砌块拼接而成的衬砌环，位于拱腰处的两衬砌块之间通过伸缩式接头装置活动连接，以使得两衬砌块之间能够活动撑开，其他衬砌块之间通过环向接头连接，衬砌环间通过钢索进行纵向连接且衬砌环之间为通缝结构。

进一步地，伸缩式接头装置包括固定设置在一个衬砌块内的螺帽以及可转动设置在另一个衬砌块内与螺帽匹配的接头螺栓。伸缩式接头装置也可采用其他具有活动伸缩及支撑功能的结构或装置来实现同样的效果，可采用液压装置。

进一步地，接头螺栓通过齿轮啮合手轮。

进一步地，环向接头为螺栓。也可采用其他连接方式进行固定连接从而将衬砌块连接成为衬砌环。

进一步地，钢索从设置在衬砌块中的钢索通道穿过，钢索通道的位置与环向接头的位置错开设置，避免连接处相互影响，使得结构更稳定。

进一步地，钢索通过设置在钢索通道末端的钢索卡环固定。

上述的用于盾构隧道的主动支护预制型二次衬砌的制作方法，包括以下步骤：

S1.衬砌制作：对衬砌块进行浇筑和养护，其中，伸缩式接头装置中的接头螺栓和螺帽分别固定在拱腰处两不同衬砌块的钢筋笼上；

S2.衬砌拼装：将衬砌块从下往上对称拼装，在拼装拱腰处装有伸缩式接头装置的两衬砌块时，同时转动两个手轮使接头螺栓完全拧入螺帽中，保证两衬砌块连接紧密，拔出手轮；

S3.主动支护：所有衬砌块拼装完成后，将手轮插入伸缩式接头装置，根据需求转动手轮，使衬砌块各块之间在环向产生均匀挤压，二次衬砌整体向外侧膨胀，达到预期的位置,拔出手轮；

S4.缝隙填充：采用钢索连接多个衬砌环，用注浆对二次衬砌与管片衬砌结构之间的缝隙以及伸缩式接头装置周边衬砌接合面缝隙进行填充，浆液固结后，即可。

进一步地，S1中衬砌浇筑养护完成后，插入手轮检查构件是否有效

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明的衬砌结构简单，制作工艺简单，可以在工厂提前预制，采用分块预制、现场拼装的方式予以实施，施工难度小；其中每环衬砌的拱腰位置设置有伸缩式接头装置，待二次衬砌拼装时，将伸缩式接头装置拧紧，使衬砌块连接紧密，拼装完成后根据工程需求使得伸缩式接头装置撑开，使衬砌产生向地层的位移，主动承担荷载；通过螺栓和螺帽调节拱腰处的伸缩式接头装置，调节方便，从内部对既有管片衬砌结构施加荷载，改善管片衬砌结构的受力状态，形成由二次衬砌与管片衬砌结构组成的共同承载结构体系，做到对管片衬砌结构变形的可调可控；

2、本发明衬砌环纵向连接采用钢索连接，衬砌自拱顶处起每隔一定角度设置纵向连接孔，纵向连接孔上设有卡环限制钢索移动，纵向钢索连接能够有效兼容管片衬砌环之间因施加不同预应力造成的环间错台；

3、本发明采用注浆的形式一方面将二次衬砌与初期支护之前的缝隙填充，另一方面将由于伸缩式接头装置顶推造成衬砌接合面缝隙进行填充，浆液固结后，初支与二衬形成整体受力，不影响支护结构的耐久性，工程质量良好；管片衬砌与二次衬砌形成的共同承载体系的横向刚度较原有的管片衬砌有很大提升，能够有效限制管片衬砌结构横向变形的发展。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明二次衬砌的结构图；

图2为衬砌环的结构图；

图3为衬砌环的正视图；

图4为伸缩式接头装置的拆分图；

图5为采用本发明的二次衬砌进行主动支护的示意图；

图中标记：1-衬砌环，2-手轮，3-接头螺栓，4-螺帽，5-环向接头，6-钢索通道，7-管片衬砌。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例

本发明较佳实施例提供的一种用于盾构隧道的主动支护预制型二次衬砌，包括由左右对称的多块弧形衬砌块拼接而成的衬砌环1，位于拱腰处的两衬砌块之间通过伸缩式接头装置活动连接，以使得两衬砌块之间能够活动撑开，其他衬砌块之间通过环向接头5连接，衬砌环1间通过钢索进行纵向连接且所述衬砌环1之间为通缝结构。

整个二次衬砌结构横向应采用轴对称结构形式，伸缩式接头装置设置在隧道拱腰两衬砌块的环向连接处，根据工程具体情况确定伸缩式接头装置具体尺寸，用于施加二次衬砌结构环内张力；衬砌环1纵向连接采用钢索连接，衬砌自拱顶处起每隔一定角度设置纵向连接孔，纵向连接孔上设有卡环限制钢索移动，纵向钢索连接能够有效兼容管片衬砌环之间因施加不同预应力造成的环间错台；二次衬砌的拼装方式应采用通缝拼装，并尽量使二次衬砌环1与管片衬砌7环缝与缝错开。

其中，伸缩式接头装置包括固定设置在一个衬砌块内的螺帽4以及可转动设置在另一个衬砌块内与所述螺帽4匹配的接头螺栓3；接头螺栓3通过内部的齿轮啮合手轮2，转动手轮2，从而能够带动齿轮转动，通过齿轮的啮合传动将手轮横向的转动转变成接头螺栓3纵向的转动，从而使接头螺栓3能够拧入或拧出螺帽4中；螺帽4和接头螺栓3的中轴线应在一条线上。

其中，环向接头5为螺栓；采用螺栓连接将衬砌块拼接成环。

其中，钢索从设置在衬砌块中的钢索通道6穿过，所述钢索通道6的位置与环向接头的位置错开设置；钢索通过设置在钢索通道6末端的钢索卡环固定；每个衬砌环自拱顶起每隔一定角度设有钢索通道，纵向钢索连接能够有效兼容管片衬砌环之间因施加不同预应力造成的环间错台。

上述的用于盾构隧道的主动支护预制型二次衬砌的制作方法，包括以下步骤：

S1.衬砌制作：对衬砌块进行浇筑和养护，其中，伸缩式接头装置中的接头螺栓和螺帽分别固定在拱腰处两不同衬砌块的钢筋笼上；

在浇筑前，将制作的手轮模板放置于伸缩式接头装置上，用塑胶袋裹住伸缩式接头装置螺纹部分，防止混凝土的灌入，然后将两个伸缩式接头装置和模板固定于对应衬砌块的钢筋上，其中两装置之间间距应在10cm以上，混凝土保护层厚度应在5cm以上。在完成衬砌块的浇筑和养护之后，取下所有模板，伸缩式接头装置就固定在混凝土上，检查是否有混凝土灌入伸缩式接头装置的螺纹中，然后将手轮插入伸缩式接头装置检查该装置是否可用，取出手轮；

S2.衬砌拼装：将衬砌块从下往上对称拼装，在拼装拱腰处装有伸缩式接头装置的两衬砌块时，同时转动两个手轮使接头螺栓完全拧入螺帽中，保证两衬砌块连接紧密，拔出手轮；

二次衬砌在拼装过程中应遵循自下往上对称拼装，待下部两衬砌块拼装完成后再继续拼装左右两块管片，同时转动两手轮使伸缩式接头装置中螺栓完全拧入螺帽中，即使拱腰部位两衬砌块截面完全贴合，保证伸缩式接头装置接口对应整齐；

S3.主动支护：所有衬砌块拼装完成后，将手轮插入伸缩式接头装置，根据需求转动手轮，使衬砌块各块之间在环向产生均匀挤压，二次衬砌整体向外侧膨胀，达到预期的位置,拔出手轮；

只需转动手轮使左右供腰处的伸缩式接头装置产生均匀上顶，从而使二次衬砌产生向土层方向的位移，主动接触管片衬砌，达到主动承担地层荷载的作用；

S4.缝隙填充：采用钢索连接多个衬砌环，用注浆对二次衬砌与管片衬砌结构之间的缝隙以及伸缩式接头装置周边衬砌接合面缝隙进行填充，浆液固结后，即可；

浆液固结后，伸缩式接头装置被浆液充满形成固结体无法再转动，管片衬砌与二次衬砌形成共同承载体系，该共同承载体系的横向刚度较原有的管片衬砌有很大提升，能够有效限制管片衬砌结构横向变形的发展。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于盾构隧道的主动支护预制型二次衬砌，其特征在于，包括由左右对称的多块弧形衬砌块拼接而成的衬砌环(1)，位于拱腰处的两衬砌块之间通过伸缩式接头装置活动连接，以使得两衬砌块之间能够活动撑开，其他衬砌块之间通过环向接头(5)连接，所述衬砌环(1)间通过钢索进行纵向连接且所述衬砌环(1)之间为通缝结构。

2.根据权利要求1所述的用于盾构隧道的主动支护预制型二次衬砌，其特征在于，所述伸缩式接头装置包括固定设置在一个衬砌块内的螺帽(4)以及可转动设置在另一个衬砌块内与所述螺帽(4)匹配的接头螺栓(3)。

3.根据权利要求2所述的用于盾构隧道的主动支护预制型二次衬砌，其特征在于，所述接头螺栓(3)通过齿轮啮合手轮(2)。

4.根据权利要求1所述的用于盾构隧道的主动支护预制型二次衬砌，其特征在于，所述环向接头(5)为螺栓。

5.根据权利要求1所述的用于盾构隧道的主动支护预制型二次衬砌，其特征在于，所述钢索从设置在衬砌块中的钢索通道(6)穿过，所述钢索通道(6)的位置与环向接头的位置错开设置。

6.根据权利要求5所述的用于盾构隧道的主动支护预制型二次衬砌，其特征在于，所述钢索通过设置在钢索通道(6)末端的钢索卡环固定。

7.权利要求1-6中任一项所述的用于盾构隧道的主动支护预制型二次衬砌的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.衬砌制作：对衬砌块进行浇筑和养护，其中，伸缩式接头装置中的接头螺栓和螺帽分别固定在拱腰处两不同衬砌块的钢筋笼上；

S2.衬砌拼装：将衬砌块从下往上对称拼装，在拼装拱腰处装有伸缩式接头装置的两衬砌块时，同时转动两个手轮使接头螺栓完全拧入螺帽中，保证两衬砌块连接紧密，拔出手轮；

S3.主动支护：所有衬砌块拼装完成后，将手轮插入伸缩式接头装置，根据需求转动手轮，使衬砌块各块之间在环向产生均匀挤压，二次衬砌整体向外侧膨胀，达到预期的位置,拔出手轮；

S4.缝隙填充：采用钢索连接多个衬砌环，用注浆对二次衬砌与管片衬砌结构之间的缝隙以及伸缩式接头装置周边衬砌接合面缝隙进行填充，浆液固结后，即可。

8.根据权利要求7所述的用于盾构隧道的主动支护预制型二次衬砌的制作方法，其特征在于，所述S1中衬砌浇筑养护完成后，插入手轮检查构件是否有效。

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