CN111936721B - 螺旋式节段衬砌 - Google Patents

Abstract

螺旋式节段衬砌是隧道领域的一项发明，管片被设计成螺旋形状，通过联锁系统连接。本发明提出的螺旋隧道衬砌方法，可使隧道掘进机(TBM)同时且不间断地完成管片安装和开挖，提高隧道掘进速度。管片在两个后缘(环向和径向)有凸槽凸起，在相对的两个前缘上有类似的凹槽凹口。在环向和径向衔接上形成舌槽接合。另外系统还提供另一种可能，将后张拉(PT)钢绞线插入管片的前端环向侧面。该钢绞线将被安装在管片前端环向面的连续槽中。系统可通过旋转螺旋式管片衬砌，密封系统及中断钢绞线并由于钢绞线长度的限制而开启另一段绞线等方式，解决对齐曲线问题。方法消除管片间的螺栓连接，提高隧道的掘进速度。系统可以使用传统的(统一的)管片。

Description

螺旋式节段衬砌

技术领域

本发明主要涉及隧道行业中的螺旋式管片衬砌及其变化以及其他相关应用。

背景技术

几十年以来，隧道行业一直期待着一套连续可靠的隧道掘进机开挖系统。在典型的软土地基盾构掘进中，为了安装管片衬砌，掘进机必须停止前进。这意味着推进周期是开挖和管片安装的总和，这两者通常需要相同的时间。在岩石掘进中，双盾构隧道掘进机的使用得益于其优点正逐渐流行，主要采用最后衬砌的单通道掘进。由于双盾构隧道掘进机的开挖和管片安装是同时进行的，因此推进周期由开挖时间和管片安装时间中的较长者决定。在中软岩条件下，管片架设往往需要更多的时间，也因此增加了每个推进周期的时间。另外，当双盾构隧道掘进机的夹持器不能工作时，机器通过锁住前后盾像单盾构隧道掘进机一样工作，所以此时的工作周期的计算如同单盾构隧道掘进机一样并且会出现同样的时长问题。

本发明提出的方法解决了上述所有问题，该方法包括了能够在隧道掘进机向前推进时连续安装螺旋式管片的系统。本螺旋式管片安装系统能够在机器持续挖掘的情况下实现不间断的管片安装。除了在某特定时间处在正在安装的管片上的推力汽缸，几乎所有的推力汽缸都用于对管片的推压。这将会显著提高隧道掘进速度，在某些特定情况下可能达到传统每日掘进速度的两倍。

发明内容

螺旋式节段衬砌是隧道领域的一项发明，其中管片被设计成螺旋形状，通过联锁系统连接。本发明提出的螺旋隧道衬砌方法，可使隧道掘进机(TBM)同时且不间断地完成管片安装和开挖，提高了隧道掘进速度。该管片在两个后缘(环向和径向)有凸槽凸起，在相对的两个前缘上有类似的凹槽凹口。这在环向和径向衔接上形成了舌槽接合。另外该系统还提供了另一种可能，可以将后张拉(PT)钢绞线插入管片的前端环向侧面。这根钢绞线将被安装在位于管片前端环向面的连续槽中。该系统可通过旋转螺旋式管片衬砌，密封系统以及中断钢绞线并由于钢绞线长度的限制而开启另一段绞线等方式，来解决对齐曲线的问题。该方法消除了管片之间的螺栓连接，提高了隧道的掘进速度。该系统可以使用传统的(统一的)管片。

附图说明

图1.螺旋式管片节段-等轴测图。

图1a.螺旋式管片节段的一个拼接图。

图2.典型的螺旋式管片等距视图。

图3.典型螺旋式管片的横截面。

图4.插孔部分概念图。

图5.带和不带锥形垫片的管片节段。

图5a.径向侧凹槽角处的密封垫圈延伸。

图5b.渐缩的凸槽和凹槽侧面。

图5c.榫槽上的垫片槽示例。

图6曲线段与直线段的组装。

图6a.螺旋段内的嵌入式钢绞线导管。

图6b.钢绞线的耦合器凹槽设置。

图7.前端环向面凹槽侧的连续锥形垫片。

图8.前端环向面凹槽侧的不连续锥形垫片。

图9.在凹槽中使用钢板的示例。

图10.将TBM推力汽缸推头推入凹槽前端面的示例。

图11.在没有凸槽和凹槽的螺旋节段径向上的螺栓连接示例。

图12.带有不同边宽的榫槽的变化示例。

图13.考虑一侧凸槽和凹槽之间间隙的示例。

图13a.TBM推力汽缸推头推入凸槽或凹槽。

图14.螺旋式管片衬砌的7m ID隧道样本。

图15.隧道起始段。

图16.垂直应用示例中的螺旋式衬砌。

图16a.次矩形截面螺旋式隧道示例。

细节描述

消除了用于管片结构连接的螺栓/支柱

图1显示出了单个螺旋式管片衬砌节段50，其每一个路线单元依次包括五个和半个的螺旋式管片100。100A，100B，100C，100D和100E五个螺旋式管片100几乎构成了整个单元。下一段管片100F，即第六段的一半属于第一节段，而其另一半属于下一节段。因此，每一个节段有5.5个螺旋式管片(100)。螺旋式管片衬砌节段50的这种交错图案可用于整个隧道长度或部分隧道。螺旋式管片衬砌节段50将呈现圆柱形。

类似地，每个螺旋式衬砌可以在一个路线上包括螺旋式管片100的数量为4.5、5.5、6.5、7.5、8.5这样典型的螺旋式管片100的数量，或5.25、5.75、6.25、6.75、5.10、5.20、5.30这样任意的螺旋式管片100的数量。

螺旋式管片100的尺寸与形状通常是一贯且相同的(如果需要，也可以利用不同尺寸的段)。典型的螺旋式管片100可以由几种材料制成或预制，包括但不限于任何类型的混凝土(纤维混凝土，钢筋混凝土，聚合物混凝土等)、混合料、金属(主要是钢)、木材、GFRP等。它由6个侧面(或面)组成，包括始终具有圆柱面的扇形外表面102、通常具有圆柱面的扇形内表面104和与节段162的后缘圆周侧平行的扇形160的前圆周侧。节段164的前径向侧可以是与节段166的后径向侧平行的直线或折线(直线和曲线的组合)。(见图1和2)

螺旋式管片100具有在节段162的后圆周侧上称为舌状物106的投影和在节段166的后径向侧上称为舌状物116的投影，以及在节段160的前圆周侧上的凹槽107和在节段164的主径向侧的凹槽117(见图2、3)。这在圆周和径向连接处形成一个舌槽接头。

这些接头自然互锁，不需要其他连接。如果需要的话，该系统可插入钢绞线110。钢绞线110可添加到位于节段160的前圆周侧的连续股线凹槽150中(如图5)。所提出的螺旋式隧道衬砌方法允许股线110的插入连续且自主地完成。钢绞线110可以选择性地被张紧并锁定以提供预应力结构。

另一种选择是将钢绞线110插入到节段主体内的嵌入管道(护套)250，而不是插入到节段160的前周侧中。该导管将平行于圆周侧160/162，并且将在径向侧164和166之间跨过螺旋段100的长度。(见图6a)在这种情况下，钢绞线110将通过插座段170插入到管道250已经在螺旋衬片节段50中的下一个安装的分段100中对齐以到达下一个插座分段170，从而被张紧(如果需要)并且被锁定(锚定)。必要时，应在隧道中的插座段170之间完成此过程。该替代方案实际上可能具有挑战性，因为在将钢绞线110插入导管250内部期间，由于钢绞线110表面和导管250表面之间的摩擦，可能无法使用长钢绞线110。因此，可能需要在隧道中添加许多套插座段170。使用润滑剂可以减少上述摩擦。

通常，螺旋式管片100的尾随周向侧162的凸槽106包括凸槽前侧190，凸槽外后侧191，凸槽内后侧192，凸槽外突出侧193和凸槽内突出侧194，而凹槽107螺旋段100的前导圆周侧160的一部分包括凹槽后侧195，凹槽外前侧196，凹槽内前侧197，凹槽外凹槽侧198，凹槽内凹槽侧199。(见图3)。

此外，螺旋式管片100的尾部径向侧166的凸槽116包括凸槽前侧200，凸槽外后侧201，凸槽内后侧202，凸槽外突出侧203和凸槽内突出侧204，而凹槽117螺旋段100的前径向侧164的“凹”包括凹槽后侧205，凹槽外前侧206，凹槽内前侧207，凹槽外凹侧208，凹槽内凹侧209。(见图3)。

螺旋节段角部转角角度108可以等于(90度减去螺旋角)，或者等于普通螺旋节段转角108的90度或典型螺旋式管片100处的其他选定角度。

螺旋式管片100上的升降式插孔152的数量可以是一个，两个或多个，这取决于管片100的尺寸和重量，以便安装器或进料器对这些螺旋式管片100进行提升和安装。使用强大的真空起吊器，可以不使用升降式插孔152。

作为选择，螺旋式管片100的凸槽(190-192和200-202)的前侧或后侧也可以是圆形的，并与凹槽(195-197和205-207)相配合，以帮助管片的平滑连接。

类似于典型的节段衬砌，TBM推力汽缸推头将临时支撑每个螺旋式管片100，直到下一个节段建造起来；或者如果需要的话，插入钢绞线110。TBM推力汽缸推头需要在不同的延伸长度下运行，以均匀地推向节段的螺旋前缘。必要时应减小位于与要安装的节段相邻的节段上的推力，以更好地平衡TBM转向的推力。当然还可以设计并实现提供保持刀头平衡的向前推力的其他方式，包括在不能通过其他方式实现由主动推力汽缸传递力的平衡时，通过按压正在安装节段的虚拟桥或在前挡板中使用转向履来完成。由于TBM及其组件随时可见，因此无需在此进行图示。

螺旋式管片100的凸槽和凹槽的几何尺寸可以根据需要在管片100的固定厚度内变化。例如，如果需要将TBM的推力汽缸推头推入凹槽195的后侧，则与凹槽的前部和凸槽的后部(191、192、196、197)相比，凹槽195的宽度和凸槽前侧190的宽度可以增大。

如果需要推力缸推动凹槽前侧(196、197)，则可以认为这些侧面的宽度和凸槽后侧(191、192)的宽度大于凹槽后侧和凸槽前侧(195，190)。

图10示出了在凹槽内、外侧前端面196和197上TBM推力汽缸推头210的示例。在该样本处，间隔件位于曲线的凸槽内、外侧后端面191和192上。同样类似于典型的节段衬砌，MDF垫片(包装器)220可以在典型螺旋式管片100的侧面上使用，以便更好地分配载荷。

在这些情况下，由TBM推力汽缸推头210在凹槽凹口端面195推动可能是一个更好的选择，因为TBM推力将传递到管片100的中部，减少了感应段100中的拉伸应力，从而导致更优的应力分布。

同时可以选择通过改型的TBM推力汽缸推头推入凹槽(195、196、197)的所有3个侧面，该滑块应安装在管片前端环向面处的凹槽107内。

通常在螺旋式管片100的零件中可以使用不同材料的组合，这些零件包括凸槽106/116，凹槽107/117和主体(除了凸槽和凹槽之外的整个主体)。例如，凹槽107的突出部分可以由钢、GFRP、塑料等作为替代品。图9显示出了使用钢板制槽230的示例。在该示例中，钢板230已经通过嵌入式钢筋240连接到混凝土。另一个示例种，仅凸槽可以由钢板/型材制成，并通过嵌入式钢筋连接到混凝土。

在大多数项目中，可以考虑在没有任何钢绞线110和相关的钢绞线绳槽150的情况下考虑螺旋节段衬砌50；但是，如果决定使用钢绞线110，则存在用钢绞线110的单个长度来构造的隧道长度限制。这些限制包括钢绞线提供与张紧的长度限制、项目进度安排以及其他可施工性问题。可以使用特殊的插孔部分170来终止一根钢绞线110并开始另一根钢绞线。这样的管片段将包括两个插孔部分的凹槽(开口)180，以及在穿过钢绞线绳槽150之前彼此交叉的导管260。前部凹腔用于终止前一束钢绞线110，而后面的凹腔用于开始下一束钢绞线110。该特殊的插孔部分170在图4中显示。

在诸如交叉通道和水平坑道之类的隧道开口处，应事先考虑钢绞线110的破坏，以便在插孔部分170的开口位置之前和之后锚定钢绞线110。当然，类似于典型的隧道，还可以使用其他局部支撑的方法，例如隧道内的额外框架，将节段锚固至地层土壤/岩石等。

另一种不需要插孔部分170的用于锚固钢绞线110的方法是使用临时框架锚固和张紧钢绞线110的前端(如果需要的话)，然后对钢绞线绳槽150进行灌浆。固化后，由于钢绞线110将经由灌浆被锁定(锚固)到分段衬里结构中，因此可以移除临时框架。如果将钢绞线110自主放置在由TBM连续张紧(如有必要)并以规则的间隔灌浆的地方，则可以完全去除临时框架。

位于管片前端环向面160的中心管片附近的钢绞线绳槽150，其所在线上的作为钢绞线耦合器凹槽151的附加凹槽将在需要时为前一股钢绞线和新的钢绞线之间的耦合器连接提供间隙。(参见图6b)

如果钢绞线110在螺旋式管片100中张拉以提供预应力，它将同时具有其他优点，例如，由张拉的钢绞线110引起的载荷沿环向和纵向方向施加，从而有效地一起拉动螺旋节段衬砌50。

一般项目中很少会决定在通过互锁和绞合线连接螺旋式管片100的同时，通过其他连接方式(例如螺栓，杆，支柱或焊接连接)将螺旋式管片100连接到其他相邻螺旋式管片100。

在螺旋式管片100中，凹槽(195-199、205-209)的任何前、后、凹入侧面，或凸槽(190-194、200-204)的前、后、凸出侧面，可能被处理成稍有圆锥形、圆形、倒角或圆角的形状。(请参见图5b作为示例)。

在螺旋式管片100的管片前、后端环向面160和162的榫槽特征对于该系统是至关重要的。然而，在径向侧164和166处，榫槽连接可以改变为其他连接方式(类似于常规/典型的隧道)，例如杆、螺栓、销、支柱、焊接等或它们的组合。图11是螺栓连接的示例以及在螺旋节段在径向侧160和162中没有凸槽116和凹槽117中的圆形的示例。

在凸槽106和凹槽107中，两个凸槽突出侧193或194的宽度中的一可以大于另一个，并且相应地，与之匹配的凹槽凹口侧198或199的宽度中的一个将大于另一个。

此外，凸槽后侧191和192不必具有相同的宽度，因为一个宽度可以比另一个宽。因此，与之匹配的凹槽前侧196和197也无需宽带相等。(以图12为例)

类似地，凸槽116和凹槽117的侧面也可以不同。

为了使凸槽和凹槽的匹配表面之间更好地接触，可以在其他侧面之间考虑一定的间隙。(以图13为例)

类似于典型的管片衬砌的联接元件选项，如果需要的话，可以考虑使用管片(100)的任何一侧以进一步确保衬砌的稳定性。由于凸槽106/116和凹槽107/117的长度，这种联接可以比通常更长。

可以通过考虑其他几何上不同的管状螺旋式管片来构造亚矩形，亚正方形或椭圆形截面衬砌。应在每个路线上重复这些螺旋式管片，以提供管状螺旋式管片衬砌。

例如，图16a示出了5种类型(A，B，C，D和E)的管状螺旋式管片265，它们具有不同的外表面262曲率半径263和不同的环向侧面264长度。管状螺旋式管片265按顺序使用，以提供第一和第二次矩形截面60的形状，可以用作整个或部分隧道的重复图案。管状节段的环向侧面264是螺旋形的并且平行的，但是管片265的径向侧面266可以是直的，折线的或任何曲线。本发明所提出的用于圆形截面的螺旋式管片衬砌50的节段互锁，产生预应力，防水和线路转向等类似系统，也可以应用于其他管状截面。在具有圆形横截面的螺旋式管片衬砌50处，所有螺旋式管片100的外表面102具有相同唯一半径的圆柱面，但是在亚矩形，亚正方形截面或椭圆形截面处，管状螺旋式管片265具有不同的曲率形状，包括圆柱形，椭圆形，笔直或其他形状，且具有不同的半径和不同的环向侧面264长度。

本发明所提出的用于使管片互锁，密封并向后张拉螺旋式管片衬砌50的系统可以被广义化并用于目前的典型隧道，以及提供环形衬砌。因此，互锁在一起的多个管片将在隧道的环形衬砌中建立一个环(而不是螺旋线)，其中，预制管片包括在径向和周向后侧的凸槽凸起以及在径向和周向前侧的凹槽凹口，为相邻的预制管片之间提供互锁连接，同时位于所述预制段的凸槽突出侧或凹槽凹口侧上有一排或多排密封垫圈。但是，这种情况下的对中曲线(转弯)将通过采用类似于常规/典型隧穿曲线方法的锥形管片来提供。环形衬砌中预制管片的圆周或尾端可以是直线或折线，类似于传统的隧道。由于有可用的常规系统，在此无需进行说明。

线路转向(曲线)

对于沿曲线线形转弯处的螺旋节段衬砌50，我们考虑了两种方案。第一种方案包括使用连续锥形垫片120(隔离棒)或放置在前端环向面160内的非连续锥形垫片130。垫片可以安装在上述前端环向面160上的不同位置。

应当根据隧道校准要求以及凸槽106和凹槽107的深度限制来选择垫片的最大厚度，以避免不能密封的问题。

图5和图6中标明了在凹槽凹口端面195上的垫片120/130。在这种情况下，侧向锥形部分132

(可选)也可以用于凹槽前端面196和197上。图10展示了安装在凹槽前端面196和197上的垫片120/130。在这种情况下，如果必要的话，可以在凹槽前端面195上使用中间锥形部分(未图示)。

视需要，连续锥形垫片120可以被认为在管片100的环向面160/162上是连续的，但在径向接头节点164/166处有短暂的中断。

为了使在隧道曲线开始处操纵TBM更容易，可在第一段曲线处使用较薄的垫片120/130(例如12mm)，然后从前进方向上的第二段曲线开始，使用厚度最大(例如24mm)的垫片120/130。

在螺旋式管片100的环向面160/162上施加锥体120/130会使管片100在曲线中的方向产生微小的改变，并且会在管片100的径向面164/166之间产生角度偏差和径向间隙。因此，在上述径向面164/166处也可以使用其他锥形垫片。由于所提到的径向间隙相对较小，因此可以认为，螺旋式管片100的径向面164和166处的凸槽116的深度和凹槽117的深度比管片100环向面160和162处的短。

讨论出的第二种方案要求使用宽度修正节段。在这种情况下，除了典型螺旋式管片100之外，还需要在衬砌中添加至少3种类型的管片。这些节段将被放置在校准曲线的外半径侧(见图14)：

一种较宽的类型为螺旋节段113，其中，两个管片径向面164和166比典型螺旋式管片100稍长(例如，比螺旋式管片100的径向面的宽度122宽24mm)。

在螺旋式管片100之后且在所述的较宽的螺旋段113之前需要使用一种起始过渡段112类型。该类管片后端径向面166的长度将等于螺旋式管片100的径向面的长度，但其管片前端径向面164的长度等于较宽的螺旋段113的径向面长度。在所述较宽的螺旋段113之后且在螺旋式管片100之前需要使用一种结束过渡段114类型，该段的管片后端径向面166长度等于较宽的螺旋段113的径向面长度，但其管片前端径向面长度164等于螺旋式管片100的径向面长度。

实际上，在某些项目中可以考虑使用更多过渡类型的节段，以使螺旋式管片100和较宽的螺旋段113之间的过渡更平滑。

此外，过渡段和螺旋式管片100之间，螺旋段径向面164/166间的径向间隙也可以从几何学上进行预测，并且可以通过确定起始过渡段112和结束过渡段114的适当尺寸来避免。

对于通过垫片提供弯曲的系统，垫片120/130可以由多种材料制造，包括但不限于硫化橡胶，GFRP，HDPE，木材，混凝土和钢。取决于各种隧道直径和转弯半径，锥形垫片120/130的厚度范围应从小于等于3mm到大于等于24mm。节段的凹槽107的凹口侧面宽度198/199将限制垫片120/130的最大容许厚度，而鉴于实施能力，最小厚度预计约为2-3mm。

如图7所示，连续垫片120将被应用到隧道的一侧，在前端环向面160内。通过在连续环向节点中配置专门选择的厚度，隧道可以沿任何曲线建造：垂直或水平，单一或混合，或其中的任意组合。

通过使用分段的不连续垫片130替代连续垫片120，也可以降低材料成本(见图8)。它们仅被放置在TBM推力汽缸推头210的位置。可以在单个项目中存放不同厚度的锥形垫片，以使TBM能够完成不同曲线半径的建造，同时在连续节点内维持垫片的布置。

有时在螺旋式管片100的径向面164/166之间也可以使用垫片，以调节螺旋走向。或者，具有不同周长的螺旋段也可以被预制并且在隧道中被用来调节螺旋走向。

密封

如图5所示，实现该系统防水问题的主要方法是通过在管片凸槽内外侧面193和194的侧面上使用两排(带)密封垫片140。密封垫片140在凸槽106/116与凹槽表面107/117之间在螺旋式管片节段衬砌50里被压缩，以此密封典型螺旋式管片100之间的接头。同时，在上述管片凸槽内外侧面193/194上的一排或多排密封垫片140也可以考虑用于密封目的。

作为替代，密封垫片140可以放置在凹槽凹口侧198、199、208和209的侧面上，如图5d所示。

密封垫片140需要与其他螺旋式管片100适当地相接，以提供有效的密封。由于在区段的环向头部160上放置了垫片120/130，会在螺旋式管片100的径向侧164/166之间形成相对较小的三角形间隙，这会稍微改变螺旋式管片100的方向，如图3所示。由于上述原因，有必要将密封垫片140放置在区段的径向尾部的凸槽116凸出侧203和204的端部(边缘)(即，在区段的径向尾部的管片凸槽内外侧面203和204与凸槽前断面200的相交处)。密封垫片140将需要在其垂直于区段的径向尾部的凸槽116的两侧都具有突起，并且在压缩之后将在其两侧方向上起作用。朝向螺旋式管片100的径向侧164/166的垫片突起将密封所述径向间隙。如图3和图5d所示，具有“L”形的密封垫片140可以很好地密封径向间隙。

此外，为了密封沿曲线的整个区段164/166的径向间隙，需要在螺旋式管片100的径向侧166处的区段的环向头部的凹槽107前角上延伸密封垫片140，如图5a所示。

凸槽106和116的凸出侧(193、194、203和204)和凹槽107和117的凹入侧(198、199、208和209)在理论上需要平行的表面，因为密封垫片140需要正确地压缩在凸槽106/116和凹槽107/117侧面，以提供密封的接头。但是，它们可以稍微变细以应对在铸造阶段的模板回缩，但应尽量减小锥形角度以避免损害密封。(以图5b为例)

在某些情况下可能需要提供较小的凹槽，例如在凸槽106和116上的垫片凹槽142以及用于为密封垫片140留出空间的凹槽107和117。图5c展示了在螺旋式管片100的区段环向160和162以及径向侧164和166上的垫片凹槽142的一些示例。在这些示例中，已经假设“L”形密封垫片140被放置在螺旋式管片100的径向侧164和166处。

密封垫片140的尺寸和几何形状的设计可以有许多变型，并且将根据需要提供垫片凹槽142。垫片可以设计成完全覆盖凸槽106/116和凹槽107/117的某些侧面。

作为选择，连续的锥形间隔件120可以由可压缩的硬质材料(例如，硬密封橡胶)构成，并且以既用作衬垫又用于完成对准曲线的间隔件的方式构造(未图示)。

此外，可以在螺旋式管片节段衬砌50中的螺旋式管片100的环向侧面160/162之间使用连续的间隔件，并且通过该间隔件沿着通道的螺旋线行进来为上述侧面提供密封。

实现防水还有另两种方法，其一是在区段后面进行注浆后灌浆(通过段上的专用端口或软管)，这是软土地基或岩石中许多常规隧道工程的普遍做法，其二是通过在内部表面放置连续的PVC或密封衬砌或薄膜来防止水渗出。

现有隧道掘进机的改造

可以采用对现有盾构隧道掘进机的改造(或完善)来使用螺旋形隧道衬砌节段50。主要的改变是修改推力气缸推头210，使其包括铰链/球和板以使其与前端环向面160完美衔接。

在几何学上，来自推力气缸推头210的力沿平行于隧道对准的方向施加到管片100，并作用在与螺旋角109相等的角度的平面上。因此，推力将为这两个分量载荷的总和：垂直于管片前端环向面160的载荷和平行于管片前端环向面160的载荷。垂直载荷将把每个管片100推向先前装置的路线，而切线载荷将推动每个管片100朝向先前安装的管片100。两个分量载荷将沿两个预期的方向推动管片100，从而有助于紧密地闭合每个径向和环向接头，并保持螺旋式管片节段衬砌50结构的稳定性。

可以在两个方向上考虑螺旋节段衬砌的隧穿方向，即朝向前端环向面160或朝向后端环向面162。也就是说，对于整个或部分通道，可以更改分段的前端面和后端面。因此，隧道掘进机推力汽缸推头210要么推向螺旋式管片100的凹槽107侧，要么推向管片后端环向面处的凸槽106侧。图13a显示了隧道方向的示例，即隧道掘进机推力汽缸推头210推向在环向凹槽107侧或环向凸槽106侧。

为了使隧道掘进机推力汽缸推头210在具有螺旋曲线的环向面160/162上更好地接触，可以对隧道掘进机推力汽缸推头210的表面进行机械加工(拟合)以具有与螺旋式管片100相同的螺旋曲线表面。

更简便的管片安装自动化操作

螺旋隧道衬砌隧道掘进机可以是自动化的，这样，除了通过节段进料器和竖立器单元在衬砌中自动处理和安装螺旋式管片100之外，随着隧道的前进，它会自动插入钢绞线110和任何垫片120/130。此外，隧道掘进机还能够在预定长度的隧道构造之后自动连续地张紧钢绞线110并且在钢绞线凹槽150中注浆。因此，乐观看来，该系统的实施可以使隧道施工中的地下人员下降至最少，在不久的将来，可以从远距离(即地面)-类似于微隧道-控制隧道掘进机和相关系统。这种智能的自动隧道系统可能适用于未来太空应用中的地下建筑，主要是在月球/火星上。

其他操作上的优点

在隧道作业中，分段的安装是地面支撑系统的一部分或主要组成部分，因为这种分段的安装是隧道工作周期中单元操作之一。这意味着，在传统/典型隧道中使用单层盾构的软土地基隧道中，操作必须在每个行程后停止，以安装分段作为下一个循环的一部分。对于中小型机器，节段安装可能需要15-20分钟，而对于大型隧道掘进机则需要30-40分钟。除了此活动的停机时间之外，还有其他活动受到影响。例如，在土压平衡机(EPBM)中，节段后的土壤调节和注浆是操作的组成部分。典型的土壤调节涉及使用表面活性剂或泡沫来降低渣土的粘度并减少头部的扭矩/磨损。泡沫的半衰期通常在20-50分钟范围内，具体取决于表面活性剂的类型及其化学性质(稳定的或常规的泡沫)，并且泡沫会在腔室和螺旋输送机中开始分解。这意味着当节段安装完成并开始新的循环时，机器必须使用更大的扭矩来开始冲程。而且，这中断了泡沫制造机中泡沫的生产，并且必须重新开始以进行新的冲程。这意味着包括泡沫发生器，刀盘和螺旋输送器在内的系统必须处理装载周期和停工，以达到与切割室/螺旋输送器中的渣浆相同的稠度。

因此，通过螺旋节段衬砌的连续操作将消除这些循环载荷，同时使泥土保持更好的一致性，并使土壤处理过程顺畅。这意味着更好的表面压力控制，更低的压力波动和更好的表面稳定性，更低的能量需求以及也许更低的土壤改良剂消耗。额外的好处还包括机器部件上的工作负载更平稳，变速箱和驱动单元的性能更好，并最终降低维护需求。灌浆系统也是如此，机器的连续运动意味着无需停止灌浆系统，这样可以更好地控制路段后面的地面，降低地面损失，并在适当的位置对路段进行更好的整体灌浆。

在考虑泥浆隧道掘进机时，节段安装提前循环的中断意味着机器应中断泥浆的流动循环，并使用辅助回路以满足系统中的顺畅运作并防止沿隧道的渣土沉淀，同时保证前环保持表面压力。螺旋式衬砌的连续推进将使制浆机中的流量和压力得到更平稳，更好的控制。这样可以在操作中产生更好的结果，并且可以减轻各种机器组件上的压力，从而降低维护需求。

当然，隧道作业包括需要停止机器的各种情况，例如公用工程开展，通风管的切换，导轨的安装，电力电缆的延长，测量等。在施工过程中使用螺旋式管片并不意味着这些停工的可能性将被消除；但是，将来这些工程也有可能自动化。

分析

为确保本发明所提出的螺旋式衬砌系统50是可行的、稳定的并且具有某些应用的细节功能，额外的工作已经开展起来。非线性分析被认为是更好的研究选择。作为螺旋式管片节段衬砌50的适用性研究的一部分，本发明进行了特定的计算和研究，以确保该系统符合各种相关规范。例如，纤维增强混凝土段的设计使用ACI 544.7R-16，这意味着设计工程师应使用荷载和阻力因子设计(LRFD)方法来设计预制混凝土隧道段，以达到本规范概述的极限状态(ULS)和使用寿命极限状态(SLS)。极限状态是指与隧道衬砌坍塌或结构破坏相关的状态。

对于纤维增强混凝土的使用，隧道行业当前的做法是针对以下载荷工况设计这些单元，在管片生产，运输，安装和使用条件中都会出现这些载荷工况(参考ACI 544.7R-16)：

——生产和过渡阶段

工况1：管片剥离，工况2：管片存储，工况3：管片运输工况4：管片处理

——施工阶段

工况5：隧道掘进机(TBM)推力千斤顶力，工况6：尾部背面灌浆压力，工况7：局部反灌浆(二次灌浆)压力

——最终服务阶段

荷载工况8：土压力，地下水和附加荷载，荷载工况9：纵向联合爆破荷载，荷载工况10：由于附加变形引起的荷载，荷载工况11：其他荷载(例如地震，火灾和爆炸)

另外，需要考虑由垫圈140引起的载荷并将其包括在管片设计中，以防止局部剥落，特别是在凸槽106/116和凹槽107/117的拐角处。

为了验证螺旋节段50的设计要求，已经进行了各种隧道直径和载荷条件的FEA建模。结果证实了螺旋隧道衬砌系统的令人满意的性能。为了对管片100的预制混凝土类型提供经济有效的加固，可以通过纤维提供一般的加固要求，针对高应力区域则可以考虑使用钢筋。为了更有效地利用钢筋，可以通道一定数量的弯曲钢筋进行焊接加固。

对于隧道中的螺旋式衬砌起始节70，如图15所示，可以使用不同宽度的沿管片段以便为起始节部分提供竖直面。类似地，通过在最近的节段部分利用管片的各种宽度，可以以相同的方式提供隧道的垂直端面。通过在管片模具中在所需宽度位置处使用隔板并浇铸模具的一侧，可以简单地提供混凝土管片的各种宽度。

此外，具有不同截面(圆形，椭圆形，亚正方形，亚矩形等)的螺旋系统可以应用于竖井结构的建造，例如沙井，水箱，桥墩和海床。考虑到路段中的开口(窗户)，它们还可用于停车场，低/中/高层建筑。图16示出了在人工孔中的垂直螺旋式衬砌80。

结论

对所提出的螺旋分段衬砌系统的分析表明，该系统是常规/典型管片衬砌的可行替代方案，并具有许多优势。所提出的系统可以提供操作优势，并促进更连续和无缝的隧道作业，这可以减少工作周期并提高隧道速度。使用此系统可以减少人工，提供更佳最终产品，减少机器维护并降低成本。总的来说，该系统的主要优点可以列举如下：

更快的速度：

——由于消除了段架设的采矿停止，前进速度可以大大提高，在某些情况下甚至可能翻倍。

——由于开挖时间增加，TBM利用率可能会增加，并且由于机器不需要在每个进程中停止并重新启动，因此与平稳运行相关的维护也更少。

更低的费用：

——由于节段通过互锁系统连接，因此节段之间的螺栓连接被取消。

——无需螺栓，无需填充螺栓槽。

——该系统允许使用一种类型和尺寸的管片，因此将需要一种模具来铸造所有管片，从而降低管片工厂的投资成本。

——由于结构模式的螺旋/螺旋性质将增加结构稳定性以及使用张紧股线可以增加结构强度能力，因此，由于提高了强度能力，可以减小节段的厚度，隧道外径和开挖体积。

——由于使用了后应力和增加了节段的强度，因此可以减少或消除所需的钢筋。在大多数情况下，钢纤维增强混凝土(SFRC)足以用于螺旋段的设计。但是，在前缘和/或后缘可能需要一些细钢筋加强。

——由于上面列出的改进的质量，耐用性和抵抗力，因此可以省去辅助混凝土衬砌。

——由于取消了螺栓连接，因此可以考虑使用自动衬砌操作来处理和安装管片，以及插入，张紧和紧固钢绞线，以加快流程并减少相关的人工成本。

更高的质量：

——由于消除了螺栓连接袋，衬板的内腔将更加平滑和连续。

——使用张紧的钢绞线获得的段后应力将减少裂缝，改善水密性和隧道衬砌的整体质量。

——一般来说，由于质量提高，衬砌的耐用性将得到改善。

经过增强的衬砌性能：

——螺旋结构的性质以及管片衬砌在纵向和环向上的后张拉应力提高了管片在地震荷载下的柔韧性和性能。

——由于前面说明的原因，衬砌在挤压地面时具有更好的性能。

——由于各节段之间完全互锁，因此节段之间的接合处可实现额外的抗断裂能力。

——由于螺旋结构的性质，预应力结构，衬砌对内部水/废水压力以及外部土壤或水压力的抵抗力将得到改善。

在其他结构中可能的应用：

——螺旋式管片衬砌不仅可用于圆形圆柱隧道，还可用于任何椭圆形，亚矩形或亚方形截面的结构。

——可用于人工孔，水箱，桥墩，海床，停车场，低/中/高层建筑等垂直结构中。

——螺旋式衬砌系统中建议的互锁系统，后张拉系统和防水系统可以在常规/典型管片衬砌中推广和实施。

本发明所陈述的性能范围不应该局限于上述的实施案例，而应该从整个说明的一致性来广义地解释。

构件列表：

50 螺旋节段衬砌

60 次矩形截面

70 螺旋式衬砌初始节

80 垂直螺旋式衬砌

100 典型螺旋节段

102100的外表面

104100的内表面

106162处的凸槽

107160处的凹槽

108 转角

109 螺旋角

110 钢绞线

112 过渡段的开始部分

113 宽螺旋段

114 过渡段的结束部分

116166处的凸槽

117164处的凹槽

120 连续锥形部分

130 不连续锥形部分

132 侧向锥形部分(可选)

140 密封垫

142 垫片槽

150 钢绞线绳槽(提供)

151 钢绞线耦合器凹槽

152 升降式插孔

160 管片前端环向面

162 管片后端环向面

164 管片前端径向面

166 管片后端径向面

170 插孔部分

180 插孔部分的凹槽

190 162的凸槽前端面

191 162的凸槽外侧后端面

192 162的凸槽内侧后端面

193 162的凸槽外侧面

194 162的凸槽内侧面

195 160的凹槽凹口端面

196 160的凹槽外侧前端面

197 160的凹槽内侧前端面

198 160的凹槽外侧凹口侧面

199 160的凹槽内侧凹口侧面

200 166的凸槽前端面

201 166的凸槽外侧后端面

202 166的凸槽内侧后端面

203 166的凸槽外侧面

204 166的凸槽内侧面

205 164的凹槽凹口端面

206 164的凹槽外侧前端面

207 164的凹槽内侧前端面

208 164的凹槽外侧凹口侧面

209 164的凹槽内侧凹口侧面

210 TBM 推力汽缸推头

220 MDF 垫片

230 钢板制槽

240 嵌入式钢筋

250 嵌入式导管

260 导管

262 265的外表面

263 265的曲率半径

264 265的环向侧面

265 管状螺旋节段

266 265的径向侧面

Claims (16)

1.一种螺旋式节段衬砌，其特征在于，包括多个互锁的螺旋式管片，每个螺旋式管片包括:

位于环向面一侧的凸槽和位于所述环向面的相对侧的凹槽，以提供相邻节段之间的联锁连接;

其中，所述环向面一侧是一组互相平行的螺旋曲线；

因此，可在多个所述螺旋式管片的环向面之间使用多个厚度经过逐渐完善的垫片，来为所述螺旋式节段衬砌的对准提供曲线，

以及可以在所述螺旋式管片的环向面上增加一排或多排垫片，来保证所述螺旋式节段衬砌的密封;

其中所述凸槽的凸出侧面是平行的，

并且凹槽的凹口侧面也是平行的；

螺旋式分段衬砌中每个所述的螺旋式管片还包括平行于所述环向面且在径向面之间的嵌入管道，以用于插入钢绞线；

螺旋式分段衬砌中的每个所述的螺旋式管片还包括一个在所述环向面上较小的槽作为钢绞线槽，用于插入钢绞线；其中一段管片作为插孔段被用于中断一股钢绞线而同时开始使用另一股钢绞线，其中插孔段包括两个具有在进入所述钢绞线槽之前彼此交叉的导管腔。

2.根据权利要求1所述的螺旋式节段衬砌，其特征在于，螺旋式节段衬砌中的每个螺旋式管片还包括:

位于径向面的凸槽和位于所述径向面的相对侧的凹槽，以提供相邻节段之间的联锁连接

其中所述径向面是平行的。

3.根据权利要求1所述的螺旋式节段衬砌，其特征在于，螺旋式分段衬砌中的每个所述的径向的螺旋式管片都通过导杆，螺栓，销钉，传力杆，或者焊接或所述方式的组合来连接到邻近管片的所述径向面。

4.根据权利要求2所述的螺旋式节段衬砌，其特征在于，螺旋式分段衬砌中每个所述的螺旋式管片还包括位于所述凸槽或者凹槽侧面上的一排或多排垫片，来保证在所述螺旋式分段衬砌的密封。

5.根据权利要求1所述的螺旋式节段衬砌，其特征在于，螺旋式分段衬砌进一步包括在所述螺旋式管片的环向面之间的多个厚度经过逐渐完善的垫片，以提供用于对所述螺旋式分段校准的曲线。

6.根据权利要求1所述的螺旋式节段衬砌，其特征在于，螺旋式分段衬砌中每个所述的螺旋式管片在所述的钢绞线槽上还包括一个额外的凹槽，作为耦合器凹槽，如果需要，为前一股和下一股钢绞线之间的耦合器连接提供间隙。

7.根据权利要求1所述的螺旋式节段衬砌，其特征在于，螺旋式分段衬砌中的钢绞线槽通过灌浆来固定所述的钢绞线而同时没有必要固定所述的插孔段。

8.根据权利要求1所述的螺旋式节段衬砌，其特征在于，螺旋式分段衬砌中的钢绞线被张拉，来为所述的螺旋式分段衬砌提供一个预应力结构。

9.根据权利要求1所述的螺旋式节段衬砌，其特征在于，螺旋式分段衬砌还包括在整个或者部分管片段中在所述螺旋式管片的环向面之间安装的连续密封垫片，以保证在所述的环向面的连续密封性。

10.根据权利要求1所述的螺旋式节段衬砌，其特征在于，螺旋式分段衬砌中任何一个所述凹槽的前面，后面和侧面或任何一个所述凸槽的前面，后面和侧面都是圆的，倒角的，圆角或偏锥形。

11.根据权利要求1所述的螺旋式节段衬砌，其特征在于，螺旋式分段衬砌中所述的每个螺旋式管片的不同部分包括凸槽、凹槽和主体，可由混凝土、金属、玻璃钢、塑料、木材或复合材料制成。

12.根据权利要求1所述的螺旋式节段衬砌，其特征在于，螺旋式分段衬砌还包括多个经宽度改良的螺旋式管片，包括加宽的螺旋式管片、起始过渡段和结束过渡段，它们安装在所述螺旋式分段衬砌曲线的外半径侧，以构成其中的曲线，

所述加宽的螺旋式管片的前缘和后缘径向边的长度相等，但比所述加宽的螺旋式管片径向边长，

所述起始过渡段管片后缘径向边的长度等于所述螺旋式管片径向边的长度，所述起始过渡段管片前缘径向边的长度等于所述加宽的螺旋式管片径向边的长度，所述结束过渡段管片后缘径向边的长度等于所述加宽的螺旋式管片的径向边的长度，所述结束过渡段管片前缘径向边的长度等于所述螺旋式管片径向边的长度。

13.一种截面形状为亚矩形或椭圆的管状螺旋式节段衬砌，其特征在于，由多个相同或不同的外表面曲率半径和相同或不同的环向面周长的罐装螺旋段组成,其中这些管片均按序组装来组成每一种曲线，每个罐装螺旋段由以下部分组成:

位于所述环向面的凸槽和位于所述环向面的相对侧的凹槽，以提供相邻管段之间的联锁连接;

其中，所述的环向面一侧是一组互相平行的螺旋曲线；

因此，可在所述管状螺旋式节段的环向面之间使用多个厚度经过逐渐完善的垫片，来为所述管状螺旋式节段衬砌的对准提供曲线；

其中所述凸槽的凸出侧面是平行的，

并且凹槽的凹口侧面也是平行的；

螺旋式分段衬砌中每个所述的螺旋式管片还包括平行于所述环向面且在径向面之间的嵌入管道，以用于插入钢绞线；

所述的管状螺旋式节段衬砌中每个所述管状螺旋式管段进一步包括在所述环向面上较小的槽作为钢绞线槽，用于插入钢绞线；其中一段管片作为插孔段被用于中断一股钢绞线而同时开始使用另一股钢绞线，其中插孔段包括两个具有在进入所述钢绞线槽之前彼此交叉的导管腔。

14.根据权利要求13所述的管状螺旋式节段衬砌，其特征在于，所述的管状螺旋节段衬砌中所述的每个螺旋式管段还包括位于径向面的凸槽和位于径向面的相对侧的凹槽，以提供相邻管段之间的联锁连接。

15.根据权利要求13所述的管状螺旋式节段衬砌，其特征在于，所述的管状螺旋式节段衬砌中每个所述的螺旋式管段进一步包括位于所述管状螺旋式管段上凸槽或者凹槽侧面上的一排或多排垫片，来保证在所述管状螺旋节段衬砌的密封。

16.一种环形预制拼装衬砌，由多个预制段组成，这些预制段相互联锁在一起以在环形衬砌中形成环，其中预制段包括:

位于所述环向面的凸槽和位于所述环向面的相对侧的凹槽，以提供相邻节段之间的联锁连接;

位于径向面的凸槽和位于所述径向面的相对侧的凹槽，以提供相邻节段之间的联锁连接

其中，环向面和径向面的路线为直线或折线

其中，一排或多排密封垫片位于所述预制段的凸槽或的凹槽一侧，以保证所述环形分段衬砌的密封；

其中所述凸槽的凸出侧面是平行的，

并且凹槽的凹口侧面也是平行的；

螺旋式分段衬砌中每个所述的螺旋式管片还包括平行于所述环向面且在径向面之间的嵌入管道，以用于插入钢绞线；

环形预制拼装衬砌中的每个所述的预制段还包括一个在所述环向面上较小的槽作为钢绞线槽，用于插入钢绞线；其中一段预制段作为插孔段被用于中断一股钢绞线而同时开始使用另一股钢绞线，其中插孔段包括两个具有在进入所述钢绞线槽之前彼此交叉的导管腔。

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