CN112796776B - 一种盾构隧道管片结构及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于地下隧道工程技术领域，涉及一种盾构隧道管片结构及其施工方法，包括沿周向依次拼接的管片块，各管片块形成封闭的环形管片结构且沿轴向相邻环形管片结构的外径逐渐增大，同一环形管片结构的至少两相邻的管片块形成环内凹槽且相邻环形管片结构的至少一管片块设有与所述环内凹槽相配的内凸块，同一环形管片结构的至少两相邻的管片块形成环外凹槽且相邻环形管片结构的至少一管片块设有与所述环外凹槽相配的外凸块，所述环外凹槽与环内凹槽沿周向上交错设置。本发明具有可实现不同直径隧道的管片安装，能实现隧道由一种直径向另一种直径的安全过渡的优点。
Description
技术领域
本发明属于地下隧道工程技术领域，涉及一种盾构隧道管片结构及其施工方法，尤其涉及可变直径的抗剪扩大型管片结构及其施工方法。
背景技术
城市地下空间的建设是当前城市建设的热门话题，其中，地下交通体系的发展多依赖于隧道的挖掘，TBM（Tunnel Boring Machine，隧道掘进机）或盾构法因具有安全性高、施工速度快、扰动小的特点而被广泛用于地下隧道的建设。
地下隧道在采用盾构机进行施工时，会在已经由盾构机掘进的作业面设置管片结构将其支撑成型。目前，对于管片结构的研究主要集中在其环向拼接，或者拼接管片形成的隧道整体性能上，如中国专利CN111963199A，公开了一种“凹凸”形盾构隧道管片结构及横向错缝管片拼接方法，包括依次纵向相连的盾首管片环、盾构中间管片环和盾尾管片环，且每个管片环均由封顶块和标准块环向相连形成，其中，在标准块设计有顶部凹陷底部凸出的凹凸形结构，利用凹凸形结构的契合拼接，能实现横向错缝。但是，该管片结构仍是同一直径，如果根据设计要求，盾构机需要在掘进过程中改变其挖掘直径，则变径挖掘后的管片该如何安装仍是难题。因此，如何针对地下隧道中变径挖掘产生的管片如何安装问题，对管片结构进行改进设计，以加快城市地下空间的建设成为亟需解决的问题。
发明内容
本发明提供的一种盾构隧道管片结构及其施工方法，可实现不同直径隧道的管片安装，能实现隧道由一种直径向另一种直径的安全过渡。
本发明的技术方案包括：一种盾构隧道管片结构，包括沿周向依次拼接的管片块，各管片块形成封闭的环形管片结构且沿轴向相邻环形管片结构的外径逐渐增大，同一环形管片结构的至少两相邻的管片块形成环内凹槽且相邻环形管片结构的至少一管片块设有与所述环内凹槽相配的内凸块，同一环形管片结构的至少两相邻的管片块形成环外凹槽且相邻环形管片结构的至少一管片块设有与所述环外凹槽相配的外凸块，所述环外凹槽与环内凹槽沿周向上交错设置。
本发明的技术方案还包括：所述环内凹槽包括环内前凹槽和环内后凹槽，至少两相邻的管片块形成所述环内前凹槽，至少两相邻的管片块形成所述环内后凹槽，周向上所述环内后凹槽和环内前凹槽交错设置；
和/或，所述环外凹槽包括环外前凹槽和环外后凹槽，至少两相邻的管片块形成所述环外前凹槽，至少两相邻的管片块形成所述环外后凹槽，周向上所述环外前凹槽和环外后凹槽交错设置。
本发明的技术方案还包括：所述管片块包括周向上依次拼接的下部管片、右侧管片、上部管片和左侧管片，所述下部管片包括至少两下分管片，至少两下分管片端部设有凹槽且拼接时两凹槽相接形成环内前凹槽；
所述右侧管片包括至少两右分管片，至少两右分管片端部设有凹槽且拼接时两凹槽形成环内后凹槽；
所述上部管片包括至少两上分管片，至少两上分管片端部设有凹槽且拼接时两凹槽形成环外前凹槽；
所述左侧管片包括至少两左分管片，至少两左分管片端部设有凹槽且拼接时两凹槽形成环外后凹槽。
本发明的技术方案还包括：所述管片块内设有抗剪层，所述抗剪层由纤维增强复合材料制成。
本发明的技术方案还包括：相邻所述管片块的拼接位置设有防水垫层，所述管片块设有注浆孔。
本发明的技术方案还包括：相邻所述管片块通过抗剪螺栓连接固定，所述管片块内设有螺栓孔。
本发明还提供了一种盾构隧道管片结构施工方法，包括以上所述的管片结构，包括以下步骤：
沿周向依次拼接管片块形成封闭的首段环形管片结构且所述首段环形管片结构形成有环内凹槽和环外凹槽；
沿周向以及首段环形管片结构的环内凹槽和环外凹槽依次拼接形成封闭的中间段环形管片结构，所述中间段环形管片结构形成有环内凹槽和环外凹槽且所述中间段环形管片结构前侧的直径尺寸小于后侧的直径尺寸；
沿周向以及中间段环形管片结构的环内凹槽和环外凹槽依次拼接形成封闭的末段环形管片结构，所述末段环形管片结构的前侧和后侧直径尺寸相同。
本发明的技术方案还包括：所述首段环形管片结构拼接形成后沿周向通过抗剪螺栓固定，所述中间段环形管片结构拼接形成后沿周向通过抗剪螺栓固定，所述末段环形管片结构拼接形成后沿周向通过抗剪螺栓固定。
本发明的技术方案还包括：通过抗剪螺栓沿轴向将首段环形管片结构、中间段环形管片结构和末段环形管片结构连接固定，之后通过管片块设置的注浆孔进行注浆。
本发明的技术方案还包括：所述中间段环形管片结构包括至少两段，进行中间段环形管片结构的周向拼接时，前一段环形管片结构的拼接方向与后一段环形管片结构的拼接方向相反。
本发明的有益效果有：对管片结构采用分块式设计，且利用分块式的管片块拼接形成环内凹槽和环外凹槽，以及在与其邻接的管片结构的管片块设计与环内凹槽和环外凹槽相配的内凸块和外凸块，如此，当相邻管片结构的管片块在拼接时，可形成逐渐外扩的结构，使得邻接的管片结构逐渐改变其直径，适应隧道施工中由一种直径向另一种直径的安全过渡，且将实现变径过渡的拼接凹槽与凸块错开设置，可提高变径处的隧道抗剪能力，实现安全快捷的变径隧道施工。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是实施例中管片结构的示意图。
图2是实施例中右侧管片的拼接示意图。
图3是实施例中下部管片的示意图。
图4是实施例中管片结构安装后俯视示意图。
图5是实施例中起始施工的剖面示意图。
图6是实施例中施工中间过程的剖面示意图。
图7是实施例中施工另一中间过程的剖面示意图。
图8是实施例中施工结束的剖面示意图。
其中，1、下部管片，11、下管片内凹槽，2、右侧管片，21、右管片内凹槽，22、凸块，3、上部管片，31、上管片外凹槽，4、左侧管片，41、左管片外凹槽，5、注浆孔，6、螺栓孔，7、抗剪层；
100、小直径段，200、变径段一，300、变径段二，400、变径段三，500、变径段四，600、变径段五，700、大直径段。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
在本文中，“上、下、左、右、内、外”等用语是基于附图所示的位置关系而确立的，根据附图的不同，相应的位置关系也有可能随之发生变化，因此，并不能将其理解为对保护范围的绝对限定；而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。此外，本发明实施例中，“以上”、“以下”等，包括本数。
本发明实施例公开了盾构隧道管片结构及其施工方法，可以实现不同直径隧道之间的管片安装，且能在变直径过渡中提高变截面处的隧道抗剪能力，以快捷安全的实现隧道变径施工。
如图1至图4所示，本实施例的盾构隧道管片结构包括沿周向依次拼接的管片块，各管片块沿周向依次拼接后可形成封闭的环形管片结构，且在轴向上相邻拼接形成的环形管片结构的外径逐渐增大，如此可实现隧道的变径管片安装。具体的，同一环形管片结构的至少两相邻的管片块可形成环内凹槽，且在与其相邻拼接的环形管片结构的至少一管片块设有与该环内凹槽相配的内凸块。以及，同一环形管片结构的至少两相邻的管片块可形成环外凹槽，且在与其相邻拼接的环形管片结构的至少一管片块设有与该环外凹槽相配的外凸块，利用设计在环形管片结构内侧以及外侧的环内凹槽和环外凹槽，可改变与其邻接的环形管片结构的直径，如此能实现变径隧道的管片安装。且在周向上将环外凹槽与环内凹槽交错设置，使得变径拼接位置相错，可提高变径处的隧道抗剪能力，确保施工过程安全快捷的进行。
具体的，环内凹槽包括环内前凹槽和环内后凹槽，其中的前后方向是以施工时朝向操作者的一方为前，远离操作者的一方为后。至少两相邻的管片块形成环内前凹槽，以及，至少两相邻的管片块形成所述环内后凹槽，具体可以是不同的两管片块分别形成环内前凹槽和环内后凹槽，也可以是形成环内前凹槽和环内后凹槽的部分管片块为同一管片块。此外，在周向上该环内后凹槽和环内前凹槽交错设置，以提高形成变径管片结构的抗剪能力。
类似的，环外凹槽包括环外前凹槽和环外后凹槽，且至少两相邻的管片块形成环外前凹槽，至少两相邻的管片块形成环外后凹槽，以及，周向上该环外前凹槽和环外后凹槽交错设置。
具体参考图1，给出了采用八块管片块周向依次拼接形成封闭的环形管片结构，当然应当知道的是，此处采用八块管片块仅为示例说明，根据具体施工的隧道尺寸以及各管片块的结构可以灵活选用不同数量的管片块，本实施例对此不作具体限制。
如图1所示，管片块包括周向上依次拼接的下部管片1、右侧管片2、上部管片3和左侧管片4且各位两块，其中，两个下部管片1的端部设有凹槽且拼接时两凹槽相接形成环内前凹槽，即图1中的下管片内凹槽11；两个右侧管片2的端部设有凹槽且拼接时两凹槽形成环内后凹槽，即右管片内凹槽21；两个上部管片3的端部设有凹槽且拼接时两凹槽形成环外前凹槽，即上管片外凹槽31；两个左侧管片4的端部设有凹槽且拼接时两凹槽形成环外后凹槽，即左管片外凹槽41。
相邻的八块管片块依次拼接完成后，通过抗剪螺栓连接固定，且为了便于抗剪螺栓的安装，在管片块内设有螺栓孔6。以及，为了提高整个管片结构的抗剪能力，在管片块内设有抗剪层7，具体的，抗剪层可由FRP纤维增强复合材料制成，如此，管片结构利用抗剪螺栓、错缝搭接的管片块以及抗剪层来共同抵抗变截面土层的压力，以此来强化提升变径隧道的管片结构抗剪能力。
此外，相邻管片块的拼接位置设有防水垫层，以提高形成的管片结构防水性能，避免隧道管片结构外的土层中孔隙水渗入隧道内，提高隧道施工作业的安全性。具体的，防水垫层可采用常见的防水材料制成，管片块可根据施工场地的断面形状和大小提前在工厂预制，以此来提高现场隧道的施工速度。
以图2示例的右侧管片2拼接为例，在一段环形管片结构拼接完成后，与其邻接的下一段管片块可设计有凸块22，利用其右侧管片2设置的凸块22搭接在其上一段管片结构的两个右侧管片2形成的右管片内凹槽21处，且在该段环形管片结构拼接后，可在其管片块的注浆孔5位置向其内注浆，以提高其连接强度及牢固性。
本实施例还提供了一种盾构隧道管片结构施工方法，包括前述的管片结构，以及以下步骤：
沿周向依次拼接管片块形成封闭的首段环形管片结构且该首段环形管片结构形成有环内凹槽和环外凹槽；
沿周向以及首段环形管片结构的环内凹槽和环外凹槽依次拼接形成封闭的中间段环形管片结构，该中间段环形管片结构形成有环内凹槽和环外凹槽且该中间段环形管片结构前侧的直径尺寸小于后侧的直径尺寸；
沿周向以及中间段环形管片结构的环内凹槽和环外凹槽依次拼接形成封闭的末段环形管片结构，该末段环形管片结构的前侧和后侧直径尺寸相同。
具体的，首先如图5所示，先在隧道掘进并安装管片块形成小直径段100，随后掘进的隧道直径逐渐变大，此时在小直径段100拼接前述提到的管片结构，形成图6所示的变径段一200，且该变径段一200可采用下部管片1、右侧管片2、上部管片3和左侧管片4按照下、左、上、右的方向依次沿周向拼接形成，此后再将下一段环形管片结构的上部管片3、左侧管片4、右侧管片2和下部管片1依次沿周向拼接形成如图7所示的变径段二300，之后再按照将下部管片1、右侧管片2、上部管片3和左侧管片4按照下、左、上、右的方向依次沿周向拼接形成变径段三400，如此不断按照相邻变径段的拼接方向相反的方式拼接形成变径段四500和变径段五600，之后，在达到隧道的变径要求后在变径段五600后侧拼接形成如图8所示的大直径段700，如此形成从前向后管径不断增大的管片结构，且整体的管片结构倾斜角度为α，如图4所示。
在每段管片结构拼接后，即，变径段一200、变径段二300、变径段三400、变径段四500和变径段五600拼接完成后，采用抗剪螺栓将同一变径段以及相邻变径段的各管片块连接固定。之后，可通过管片块的注浆孔5进行注浆。
本实施例的盾构隧道管片结构以及施工方法，可在不同直径的隧道之间进行管片块的相互拼接，且管片块通过搭接、螺栓连接和抗剪层的方式，可保证隧道由一种直径向另一种直径的安全过渡。此外，通过两管片块拼接形成环内凹槽和环外凹槽，在下一环拼接时，使用一块管片的内外凸出部分与该环内凹槽和环外凹槽进行搭接，不仅能实现管片块之间的错缝连接，同时可提升管片块之间的抗剪能力与整体性。且将环外凹槽设置在上部管片3，将环内凹槽设置在下部管片1，不仅安装方便且可增强下一环管片结构的稳定性。此外，在左侧管片4预留外凹槽，右侧管片2预留内凹槽，两侧的凹槽内外交替，不仅减少管片在变直径隧道过渡段的错台变形，且可提高整体结构的稳定性。最后，管片块内嵌FRP纤维层抗剪层7，可防止隧道在变直径过渡段因土体应力不均而发生剪切变形。
在各实施例不相矛盾的情形下，各实施例中的至少部分技术方案可重新组合形成本发明的实质技术方案，当然，各实施例间也可以相互引用或包含。并且，需要说明的是，本领域技术人员在重新组合各实施例记载的技术手段时所做出的适应性调整修改也将落入本发明的保护范围。
以上结合具体实施方式描述了本发明的技术原理，但需要说明的是，上述的这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的具体限制。基于此处的解释，本领域的技术人员在不付出创造性劳动即可联想到本发明的其他具体实施方式或等同替换，都将落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种盾构隧道管片结构，其特征在于：包括沿周向依次拼接的管片块，各管片块形成封闭的环形管片结构且沿轴向相邻环形管片结构的外径逐渐增大，同一环形管片结构的至少两相邻的管片块形成环内凹槽且相邻环形管片结构的至少一管片块设有与所述环内凹槽相配的内凸块，同一环形管片结构的至少两相邻的管片块形成环外凹槽且相邻环形管片结构的至少一管片块设有与所述环外凹槽相配的外凸块，所述环外凹槽与环内凹槽沿周向上交错设置。
2.如权利要求1所述的一种盾构隧道管片结构，其特征在于：所述环内凹槽包括环内前凹槽和环内后凹槽，至少两相邻的管片块形成所述环内前凹槽，至少两相邻的管片块形成所述环内后凹槽，周向上所述环内后凹槽和环内前凹槽交错设置；
和/或，所述环外凹槽包括环外前凹槽和环外后凹槽，至少两相邻的管片块形成所述环外前凹槽，至少两相邻的管片块形成所述环外后凹槽，周向上所述环外前凹槽和环外后凹槽交错设置。
3.如权利要求2所述的一种盾构隧道管片结构，其特征在于：所述管片块包括周向上依次拼接的下部管片、右侧管片、上部管片和左侧管片，所述下部管片包括至少两下分管片，至少两下分管片端部设有凹槽且拼接时两凹槽相接形成环内前凹槽；
所述右侧管片包括至少两右分管片，至少两右分管片端部设有凹槽且拼接时两凹槽形成环内后凹槽；
所述上部管片包括至少两上分管片，至少两上分管片端部设有凹槽且拼接时两凹槽形成环外前凹槽；
所述左侧管片包括至少两左分管片，至少两左分管片端部设有凹槽且拼接时两凹槽形成环外后凹槽。
4.如权利要求1所述的一种盾构隧道管片结构，其特征在于：所述管片块内设有抗剪层，所述抗剪层由纤维增强复合材料制成。
5.如权利要求1所述的一种盾构隧道管片结构，其特征在于：相邻所述管片块的拼接位置设有防水垫层，所述管片块设有注浆孔。
6.如权利要求1或4所述的一种盾构隧道管片结构，其特征在于：相邻所述管片块通过抗剪螺栓连接固定，所述管片块内设有螺栓孔。
7.一种盾构隧道管片结构施工方法，包括权利要求1至6任一所述的一种盾构隧道管片结构，其特征在于包括以下步骤：
沿周向依次拼接管片块形成封闭的首段环形管片结构且所述首段环形管片结构形成有环内凹槽和环外凹槽；
沿周向以及首段环形管片结构的环内凹槽和环外凹槽依次拼接形成封闭的中间段环形管片结构，所述中间段环形管片结构形成有环内凹槽和环外凹槽且所述中间段环形管片结构前侧的直径尺寸小于后侧的直径尺寸；
沿周向以及中间段环形管片结构的环内凹槽和环外凹槽依次拼接形成封闭的末段环形管片结构，所述末段环形管片结构的前侧和后侧直径尺寸相同。
8.如权利要求7所述的一种盾构隧道管片结构施工方法，其特征在于：所述首段环形管片结构拼接形成后沿周向通过抗剪螺栓固定，所述中间段环形管片结构拼接形成后沿周向通过抗剪螺栓固定，所述末段环形管片结构拼接形成后沿周向通过抗剪螺栓固定。
9.如权利要求7所述的一种盾构隧道管片结构施工方法，其特征在于：通过抗剪螺栓沿轴向将首段环形管片结构、中间段环形管片结构和末段环形管片结构连接固定，之后通过管片块设置的注浆孔进行注浆。
10.如权利要求7所述的一种盾构隧道管片结构施工方法，其特征在于：所述中间段环形管片结构包括至少两段，进行中间段环形管片结构的周向拼接时，前一段环形管片结构的拼接方向与后一段环形管片结构的拼接方向相反。
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