CN113338990B - 用于连续大跨度地下空间的预应力束合结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于连续大跨度地下空间的预应力束合结构及施工方法，包括端部张拉段；端部张拉段的顶部、底部、侧向和底部均设有A类标准管；端部张拉段的中隔部均设有B类标准管；A类标准管通过锚固边角管、A类锚固中角管、B类锚固中角管进行连接；中隔部的B类标准管均位于A类锚固中角管和B类锚固中角管之间；施工时，先在地下设置预应力束合结构，然后通过开挖内部土体，形成连续大跨度地下空间，之后对中隔部除立柱以外部分割除，剩余部分采用钢格构形式进行加固，形成地下空间立柱。本发明既能解决采用明挖法建设深大地下空间的种种问题，又能满足软土地区暗挖法实施连续大跨度的需求。

Description

用于连续大跨度地下空间的预应力束合结构及施工方法

技术领域

本发明涉及地下空间施工技术领域，特别涉及用于连续大跨度地下空间的预应力束合结构及施工方法。

背景技术

常规的明挖法逐渐显现出越来越多的问题。首先，安全与质量问题。随着城市地下空间开发越来越深、规模越来越大，一方面深层地下水控制安全问题越来越突出，特别是承压水层含水量大、渗透性强、水头压力高，很多采用明挖法的基坑开挖面已接近甚至进入承压水层，施工风险极大；另一方面明挖法的基坑开挖所引起的土体变形、地下水位变化等更加难以控制，从而对周边建(构)筑物、管线产生极为不利影响。其次，造价与工期问题。一是临时支护结构体量随着地下空间深大规模化急剧增加，而且为了控制其施工质量与误差，大规模基坑往往采用分坑开挖，增加大量临时分隔围护墙。二是为了深层地下水控制、变形控制等安全问题，普通施工设备已无法满足要求，需采用新工艺、新设备进行超深、超大体量的止水与土体加固。三是大面积降水、大量管线搬迁等基坑开挖准备工作需大量时间，而且分片、分层拆除内支撑回筑结构工序繁琐、工期较长。最后，节约与环保问题。一方面，明挖法的临时支护结构使用阶段无法使用，属于废弃工程，造成大量浪费，而且产生建筑垃圾。另一方面，深大基坑常用的离散桩、连续墙等水泥系围护结构施工过程中产生大量泥浆，对周围土体产生不利影响，而且敞开施工产生的大量粉尘对城市环境、卫生同样不利。因此，暗挖技术已成为地下空间建设的一种重要思路。

众所周知，软土地区土层具有地下水位高、强度低的特点。因此，软土地区现有的暗挖工法多为设备暗挖法，如盾构法、顶管法和管幕法。盾构法和顶管法等，由于断面尺寸限制多用于地下通道或越江隧道等工程，不能满足城市地下空间的大断面使用需求。管幕法，即在离散钢管的保护下挖掘土体实施地下空间，但该方法由于离散钢管间的连接仅靠止水锁扣，无法协同受力，仅靠单根钢管的纵向受力承载，因而存在较多临时型钢支撑，一方面开挖效率低，另一方面临时钢支撑割除同样造成较大的工程浪费，而且一般仅适用于埋深较浅的地下空间工程，多为地下一层。

对此，一些学者提出采用顶管阵列的方式建设地下空间，但一方面，由于顶管机无法实现超近距推进，各仓之间间距较大，因此无法通过简单的阵列实现多层地下空间。另一方面，如前所述，顶管受限于断面尺寸较小，后期连通施工较多，工序繁琐、工期较长、施工风险极大，而且较多的接缝往往造成渗漏点，使用功能差。另外一些学者，提出顶进方钢管后，横向穿预应力管道、浇筑方钢管内及之间混凝土、张拉预应力，从而使混凝土方钢管形成可以横向承载的整体结构，进而开挖内部土体，回筑内部结构。但一方面，当跨度较大时，揭示的做法并不能满足相应受力要求，更无法满足地下空间水平多跨、竖向多层的三维框架梁、柱、板的结构形式。另一方面，还存在以下问题：首先，张拉预应力筋的形式与布置，需根据简化模型计算后，结合正负弯矩分布，将一根预应力筋由负弯矩区弯折到正弯矩区，从而尽量确保预应力筋位于截面受拉区，属于混凝土结构设计原理中的受弯预应力构件。不可避免的，一是正负弯矩分布是由简化梁模型计算得到，模拟由离散混凝土型钢管张拉形成整体的实际情况的可靠度需进一步研究；二是正负弯矩由于结构跨度不同不完全相等，但一根预应力筋提供了相同的拉力，会影响各截面受力状态，从而使正负弯矩分布更难以确定；三是由于预应力筋弯折，造成了部分预应力靠近截面中部，而除了弯矩“零点”截面外，其余截面均存在受拉区，从而可能引起管节间的张开渗漏较为严重。其次，按照受弯预应力构件设计导致位于角部的方钢管需设置隔板并填充一部分混凝土，从而保证一部分角部负弯矩区受力性能，但隔板的设置减少了方钢管的内部人工施工空间，因此角部方钢管需扩大并采用异形截面。又次，采用的“C-T”插槽或“双L”插槽导致了各方钢管翼缘无法闭合形成连续受力，从而大幅度减小截面计算高度，造成不必要的浪费。最后，弯折的预应力筋需在各方钢管外壁不同位置留设开孔，从而造成各钢管均需在工程内进一步开孔加工，标准化低、工序繁琐。

因此，针对上述问题与地下空间的工程特点，如何既能解决采用明挖法建设深大地下空间的种种问题，又能满足软土地区暗挖法实施连续大跨度的需求成为本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供用于连续大跨度地下空间的预应力束合结构及施工方法，实现的目的是既能解决采用明挖法建设深大地下空间的种种问题，又能满足软土地区暗挖法实施连续大跨度地下空间的需求。

为实现上述目的，本发明公开了用于连续大跨度地下空间的预应力束合结构，包括多个并排的由排管围成的管状结构。

多个所述管状结构包括通过后张钢绞线束合，槽榫锁扣结构限位若干A类标准管，并填充高强度混凝土形成的顶部、底部和两个外侧墙，以及通过槽榫锁扣结构限位若干B类标准管，由浇捣孔连通，并填充高强度混凝土形成的中隔墙；

两个所述外侧墙与相应的所述顶部和所述底部之间均通过锚固边角管连接；每一所述锚固边角管内均锚固相应的所述顶部、相应所述底部或者相应的外侧墙内的所述后张钢绞线，与相应的所述A类标准管之间通过槽榫锁扣结构限位，并填充高强度混凝土；

所述顶部与每一所述中隔墙连接的所述A类标准管均为A类锚固中角管；

所述底部与每一所述中隔墙连接的所述A类标准管均为B类锚固中角管；

所述顶部和所述底部的所述后张钢绞线均为多段张拉，两端分别锚固于相应的所述锚固边角管，中间断点均锚固于相应的所述A类锚固中角管或者相应的所述B类锚固中角管；

每一所述A类锚固中角管和每一所述B类锚固中角管与相应所述B类标准管之间均通过槽榫锁扣结构限位，通过浇捣孔连通。

优选的，在永久使用阶段，每一所述中隔墙的若干所述B类标准管均作为立柱，超过所述立柱设计范围的部分均割除，剩余部分采用连接螺栓和螺母固定，并通过连接螺栓和螺母与相应的所述A类锚固中角管和所述B类锚固中角管固定，然后采用钢格构形式对中部节点和端部节点加固形成所述立柱；

每一所述中部节点在相应的所述B类标准管割除超过所述立柱的设计范围的部分并裸露混凝土表面和所述B类标准管剩余部分的外壁涂抹胶粘剂后，完成与加强角钢之间的紧密粘结；

每一所述中部节点在相应的所述B类标准管割除超过所述立柱的设计范围的部分后，通过角焊缝完成加强肋板与加强角钢的固定；

每一所述端部节点均通过加强角钢与加强肋板顶底部之间的角焊缝与相应的所述A类锚固中角管或者相应的B类锚固中角管固定。

更优选的，每一中隔墙的若干所述B类标准管在割除超过所述立柱的设计范围的部分后，剩余部分均涂抹结构加固用胶粘剂进行结构加固。

更优选的，每一中隔墙的若干所述B类标准管割除超过所述立柱的设计范围的部分后，剩余部分通过焊接方式设置多个沿竖直方向均布的加强框架；每一所述加强框架均通过角焊缝连接多个加强肋板和多个加强角钢形成。

更优选的，每一所述混凝土浇捣孔均不小于150mm。

更优选的，每一所述后张钢绞线均为双排钢绞线。

本发明还提供用于连续大跨度地下空间的预应力束合结构的施工方法，步骤如下：

步骤1、根据覆土及其他竖向荷载定义不同张拉段；其中，位于多个所述管状结构两侧的两个所述管状结构为端部张拉段，位于两个所述端部张拉段之间每一所述管状结构均为中间张拉段；

步骤2、以左上角的所述锚固边角管为起点，通过槽榫锁扣结构定位，完成顶部、底部、外侧墙和中隔部的各所述A类标准管、所述B类标准管、所述锚固边角管、所述A类锚固中角管和所述B类锚固中角管的分批顶进，初步连接成暂不可横向承载的整体；

在每一所述A类标准管的预设穿孔穿设波纹管，在每一所述A类锚固中角管、每一所述B类锚固中角管和每一所述锚固边角管安装锚固装置；

步骤3、穿设所述后张钢绞线；

然后在所有所述A类标准管内部及互相连接区域填充高清度混凝土，并且同步张拉所述后张钢绞线，达到设置的张拉值后通过后张锚固端固定；使顶部、底部和两个外侧墙受力连续；

在每一所述中隔墙的若干B类标准管处于所述立柱设计范围内的部分采用连接螺栓和螺母固定，并通过连接螺栓和螺母与相应的所述A类锚固中角管和所述B类锚固中角管固定；

步骤4、对所述后张锚固端喷涂防腐漆后，在所有所述锚固边角管、所有所述A类锚固中角管、所有所述B类锚固中角管和所含有所述B类标准管内及互相连接区域填充高清度混凝土；

步骤5、以所述中隔部为分界，采用各张拉段大断面同步开挖内部土体；

步骤6、割除每一所述B类标准管超过所述立柱设计范围的部分，在剩余部分均涂抹结构加固用胶粘剂进行结构加固；然后在剩余部分通过焊接方式设置多个沿竖直方向均布的加强框架；

步骤7、从内部仔细检查各方钢管间是否存在混凝土开裂或剥离，如有，则在缝隙处采用聚氨酯密封；

步骤8、形成可直接使用的连续大跨度地下空间，亦可根据功能需要采用后做的钢筋混凝土结构、钢结构甚至简单砌体隔墙，完成空间任意分隔。

本发明的有益效果：

本发明的应用使地下工程的是否不影响路面正常交通、管线。本发明借助端部带刀盘的工装，进行土体切削。实现分批顶进方钢管时，不扰动土体，有效地控制沉降，大幅减少对周边环境的影响。

而内部土地开挖时，预应力束合结构整体支护有效地控制了结构的挠度。

本发明的应用能够提高地下工程的工程质量。本发明中方钢管工厂预制，质量控制严格。本发明中高强混凝土填充，具有较好的耐腐蚀性和耐久性。本发明中方钢管翼缘顶紧、受力连续，双排钢绞线确保形成全截面受压的预应力型钢混凝土压弯构件，理论上“零”开裂，辅助以防水措施，基本实现“零”渗漏。

本发明的应用使地下工程的造价更低、工期更短。本发明全断面受力使各截面利用率达到100％，减小工程浪费。本发明避免了既有管幕法临时型钢搭设、割除的工期和造价。本发明全断面暗挖施工，避免了管线搬迁、基坑临时支撑拆除的工期和造价。本发明钢绞线为直线，且锚固角管无需扩大或异形截面，大幅度提升标准化，便于工厂加工。本发明构造简单，能够实现现场快速安装。

本发明的机械化程度更高，从顶进到内部挖掘，一连串机械化施工，节省了大量劳动力，同时也使工程管理更加高效方便。

本发明的空间布局灵活、使用功能好。本发明的预应力束合结构整体支护施工完毕即可形成满足永久使用工况的大跨度地下空间，使用者可根据功能需要采用钢筋混凝土、钢结构甚至简单砌体隔墙进行任意空间分隔。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1示出本发明一实施例中根据覆土及其他竖向荷载定义不同张拉段的示意图。

图2示出本发明一实施例中设置预应力束合结构状态示意图。

图3示出本发明一实施例中设置波纹管穿钢绞线的状态示意图。

图4示出本发明一实施例中开挖内部土体的状态示意图。

图5示出本发明一实施例中中隔部除立柱以外的部分进行割除后的状态示意图。

图6示出本发明一实施例中完成后做结构的状态示意图。

图7示出本发明一实施例中立柱中节点的平面结构示意图。

图8示出本发明一实施例中立柱中节点的立面结构示意图。

图9示出本发明一实施例中立柱端节点的平面结构示意图。

图10示出本发明一实施例中立柱端节点的立面结构示意图。

具体实施方式

实施例

如图5和图7至图10所示，用于连续大跨度地下空间的预应力束合结构，包括多个并排的由排管围成的管状结构。

多个管状结构包括通过后张钢绞线8束合，槽榫锁扣结构限位若干A类标准管2，并填充高强度混凝土形成的顶部、底部和两个外侧墙，以及通过槽榫锁扣结构限位若干B类标准管5，由浇捣孔14连通，并填充高强度混凝土形成的中隔墙；

两个外侧墙与相应的顶部和底部之间均通过锚固边角管1连接；每一锚固边角管1内均锚固相应的顶部、相应底部或者相应的外侧墙内的后张钢绞线8，与相应的A类标准管2之间通过槽榫锁扣结构限位，并填充高强度混凝土；

顶部与每一中隔墙连接的A类标准管2均为A类锚固中角管3；

底部与每一中隔墙连接的A类标准管2均为B类锚固中角管4；

顶部和底部的后张钢绞线8均为多段张拉，两端分别锚固于相应的锚固边角管1，中间断点均锚固于相应的A类锚固中角管3或者相应的B类锚固中角管4；

每一A类锚固中角管3和每一B类锚固中角管4与相应B类标准管5之间均通过槽榫锁扣结构限位，通过浇捣孔14连通。

在某些实施例中，在永久使用阶段，每一中隔墙的若干B类标准管5均作为立柱，超过立柱设计范围的部分均割除，剩余部分采用连接螺栓11和螺母12固定，并通过连接螺栓11和螺母12与相应的A类锚固中角管3和B类锚固中角管4固定，然后采用钢格构形式对中部节点15和端部节点16加固形成立柱；

每一中部节点15在相应的B类标准管5割除超过立柱的设计范围的部分并裸露混凝土表面和B类标准管5剩余部分的外壁涂抹胶粘剂后，完成与加强角钢18之间的紧密粘结；

每一中部节点15在相应的B类标准管5割除超过立柱的设计范围的部分后，通过角焊缝21完成加强肋板与加强角钢18的固定；

每一端部节点16均通过加强角钢18与加强肋板顶底部之间的角焊缝21与相应的A类锚固中角管3或者相应的B类锚固中角管4固定。

在某些实施例中，每一中隔墙的若干B类标准管5在割除超过立柱的设计范围的部分后，剩余部分均涂抹结构加固用胶粘剂19进行结构加固。

在某些实施例中，每一中隔墙的若干B类标准管5割除超过立柱的设计范围的部分后，剩余部分通过焊接方式设置多个沿竖直方向均布的加强框架；每一加强框架均通过角焊缝21连接多个加强肋板20和多个加强角钢18形成。

在某些实施例中，每一混凝土浇捣孔14均不小于150mm。

在某些实施例中，每一后张钢绞线8均为双排钢绞线。

如图1至图6所示，本发明还提供用于连续大跨度地下空间的预应力束合结构的施工方法，步骤如下：

步骤1、根据覆土及其他竖向荷载定义不同张拉段；其中，位于多个管状结构两侧的两个管状结构为端部张拉段，位于两个端部张拉段之间每一管状结构均为中间张拉段；

步骤2、以左上角的锚固边角管1为起点，通过槽榫锁扣结构定位，完成顶部、底部、外侧墙和中隔部的各A类标准管2、B类标准管5、锚固边角管1、A类锚固中角管3和B类锚固中角管4的分批顶进，初步连接成暂不可横向承载的整体；

在每一A类标准管2的预设穿孔穿设波纹管6，在每一A类锚固中角管3、每一B类锚固中角管4和每一锚固边角管1安装锚固装置；

步骤3、穿设后张钢绞线8；

然后在所有A类标准管2内部及互相连接区域填充高清度混凝土，并且同步张拉后张钢绞线8，达到设置的张拉值后通过后张锚固端固定；使顶部、底部和两个外侧墙受力连续；

在每一中隔墙的若干B类标准管5处于立柱设计范围内的部分采用连接螺栓11和螺母12固定，并通过连接螺栓11和螺母12与相应的A类锚固中角管3和B类锚固中角管4固定；

连接螺栓11和螺母12只在立柱范围设置，并且是在填充混凝土前就已完成连接，也就是割除前。

步骤4、对后张锚固端喷涂防腐漆后，在所有锚固边角管1、所有A类锚固中角管3、所有B类锚固中角管4和所含有B类标准管5内及互相连接区域填充高清度混凝土；

步骤5、以中隔部为分界，采用各张拉段大断面同步开挖内部土体13；

步骤6、割除每一B类标准管5超过立柱设计范围的部分，在剩余部分均涂抹结构加固用胶粘剂19进行结构加固；然后在剩余部分通过焊接方式设置多个沿竖直方向均布的加强框架；

步骤7、从内部仔细检查各方钢管间是否存在混凝土开裂或剥离，如有，则在缝隙处采用聚氨酯23密封；

步骤8、形成可直接使用的连续大跨度地下空间，亦可根据功能需要采用后做的钢筋混凝土结构、钢结构甚至简单砌体隔墙，完成空间任意分隔。

最终，如图6所示，形成单跨跨度可达20m、净空12m的连续大跨度地下空间。可直接使用大跨空间，或根据功能需要采用钢筋混凝土、钢结构甚至简单砌体隔墙堆积后做结构22，完成空间任意分隔。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.用于连续大跨度地下空间的预应力束合结构，包括多个并排的由排管围成的管状结构；其特征在于：

多个所述管状结构包括通过后张钢绞线(8)束合，槽榫锁扣结构限位若干A类标准管(2)，并填充高强度混凝土形成的顶部、底部和两个外侧墙，以及通过槽榫锁扣结构限位若干B类标准管(5)，由浇捣孔(14)连通，并填充高强度混凝土形成的中隔墙；

两个所述外侧墙与相应的所述顶部和所述底部之间均通过锚固边角管(1)连接；每一所述锚固边角管(1)内均锚固相应的所述顶部、相应所述底部或者相应的外侧墙内的所述后张钢绞线(8)，与相应的所述A类标准管(2)之间通过槽榫锁扣结构限位，并填充高强度混凝土；

所述顶部与每一所述中隔墙之间均通过A类锚固中角管(3)连接；

所述底部与每一所述中隔墙之间均通过B类锚固中角管(4)连接；

所述顶部和所述底部的所述后张钢绞线(8)均为多段张拉，两端分别锚固于相应的所述锚固边角管(1)，中间断点均锚固于相应的所述A类锚固中角管(3)或者相应的所述B类锚固中角管(4)；

每一所述A类锚固中角管(3)和每一所述B类锚固中角管(4)与相应所述B类标准管(5)之间均通过槽榫锁扣结构限位，通过浇捣孔(14)连通；

在永久使用阶段，每一所述中隔墙的若干所述B类标准管(5)均作为立柱，超过所述立柱设计范围的部分均割除，剩余部分采用连接螺栓(11)和螺母(12)固定，并通过连接螺栓(11)和螺母(12)与相应的所述A类锚固中角管(3)和所述B类锚固中角管(4)固定，然后采用钢格构形式对中部节点(15)和端部节点(16)加固形成所述立柱；

每一所述中部节点(15)在相应的所述B类标准管(5)割除超过所述立柱的设计范围的部分并裸露混凝土表面和所述B类标准管(5)剩余部分的外壁涂抹胶粘剂后，完成与加强角钢(18)之间的紧密粘结；

每一所述中部节点(15)在相应的所述B类标准管(5)割除超过所述立柱的设计范围的部分后，通过角焊缝(21)完成加强肋板与加强角钢(18)的固定；

每一所述端部节点(16)均通过加强角钢(18)与加强肋板顶底部之间的角焊缝(21)与相应的所述A类锚固中角管(3)或者相应的B类锚固中角管(4)固定。

2.根据权利要求1所述的用于连续大跨度地下空间的预应力束合结构，其特征在于，每一中隔墙的若干所述B类标准管(5)在割除超过所述立柱的设计范围的部分后，剩余部分均涂抹结构加固用胶粘剂(19)进行结构加固。

3.根据权利要求1所述的用于连续大跨度地下空间的预应力束合结构，其特征在于，每一中隔墙的若干所述B类标准管(5)割除超过所述立柱的设计范围的部分后，剩余部分通过焊接方式设置多个沿竖直方向均布的加强框架；每一所述加强框架均通过角焊缝(21)连接多个加强肋板(20)和多个加强角钢(18)形成。

4.根据权利要求1所述的用于连续大跨度地下空间的预应力束合结构，其特征在于，每一所述混凝土浇捣孔(14)均不小于150mm。

5.根据权利要求1所述的用于连续大跨度地下空间的预应力束合结构，其特征在于，每一所述后张钢绞线(8)均为双排钢绞线。

6.根据权利要求1所述的用于连续大跨度地下空间的预应力束合结构的施工方法，步骤如下：

步骤1、根据覆土及其他竖向荷载定义不同张拉段；其中，位于多个所述管状结构两侧的两个所述管状结构为端部张拉段，位于两个所述端部张拉段之间每一所述管状结构均为中间张拉段；

步骤2、以左上角的所述锚固边角管(1)为起点，通过槽榫锁扣结构定位，完成顶部、底部、外侧墙和中隔部的各所述A类标准管(2)、所述B类标准管(5)、所述锚固边角管(1)、所述A类锚固中角管(3)和所述B类锚固中角管(4)的分批顶进，初步连接成暂不可横向承载的整体；

在每一所述A类标准管(2)的预设穿孔穿设波纹管(6)，在每一所述A类锚固中角管(3)、每一所述B类锚固中角管(4)和每一所述锚固边角管(1)安装锚固装置；

步骤3、穿设所述后张钢绞线(8)；

然后在所有所述A类标准管(2)内部及互相连接区域填充高清度混凝土，并且同步张拉所述后张钢绞线(8)，达到设置的张拉值后通过后张锚固端固定；使顶部、底部和两个外侧墙受力连续；

在每一所述中隔墙的若干B类标准管(5)处于所述立柱设计范围内的部分采用连接螺栓(11)和螺母(12)固定，并通过连接螺栓(11)和螺母(12)与相应的所述A类锚固中角管(3)和所述B类锚固中角管(4)固定；

步骤4、对所述后张锚固端喷涂防腐漆后，在所有所述锚固边角管(1)、所有所述A类锚固中角管(3)、所有所述B类锚固中角管(4)和所含有所述B类标准管(5)内及互相连接区域填充高清度混凝土；

步骤5、以所述中隔部为分界，采用各张拉段大断面同步开挖内部土体(13)；

步骤6、割除每一所述B类标准管(5)超过所述立柱设计范围的部分，在剩余部分均涂抹结构加固用胶粘剂(19)进行结构加固；然后在剩余部分通过焊接方式设置多个沿竖直方向均布的加强框架；

步骤7、从内部仔细检查各方钢管间是否存在混凝土开裂或剥离，如有，则在缝隙处采用聚氨酯(23)密封；

步骤8、形成能够直接使用的连续大跨度地下空间，或者根据功能需要采用后做的钢筋混凝土结构、钢结构或者简单砌体隔墙，完成空间任意分隔。

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