CN113338991A - 大断面地下空间非开挖施工的预应力束合结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了大断面地下空间非开挖施工的预应力束合结构及施工方法，包括多个角管、多个方钢管和多根后张法预应力束；多个角管和多个方钢管围成管状结构；每一角管均设置于管状结构的横截面的转角位置；对应管状结构的横截面的每一条直边的多个方钢管，以及相应的两个角管均通过后张法预应力束锚固固定；方钢管与相邻的方钢管或者与角管之间填充混凝土密封。施工时，1、以标高最高的角管为起点，分批顶进，形成管状结构；2、设波纹管和中肋板；3、穿引钢绞线并进行混凝土填充；4、张拉所有的钢绞线；5、开挖管状结构内部的土体；在混凝土开裂或剥离处采用聚氨酯密封。本发明更适用大断面地下空间，能够更好的实施标准化，进而提高施工效率。

Description

大断面地下空间非开挖施工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，特别涉及大断面地下空间非开挖施工的预应力束合结构及施工方法。

通过双排钢绞线和标准管的中间肋板解决了管内填充混凝土，节约材料。还有快速安装。另外就是大跨度，可以灵活布置内部结构。

背景技术

随着城市进程的不断加快，地下空间逐步呈现出更深、更大的发展趋势，常规的明挖法逐渐显现出越来越多的安全与质量、造价与工期、节约与环保的问题。因此，暗挖技术已成为地下空间建设一种绕不开的思路。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，因而存在较密集的临时型钢支撑，一方面无法实现全断面开挖，施工效率低，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。但最制约其应用的是，当跨度较大时，揭示的做法并不能满足相应受力要求，从而无法满足大断面地下空间的结构形式。另外，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，而且每个钢管均需填充混凝土造成大量浪费。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，如何适用大断面地下空间，能够更好的实施标准化，进而提高施工效率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，本发明提供大断面地下空间非开挖施工的预应力束合结构及施工方法，实现的目的是适用于更大断面的地下空间，且能够更好实施标准化、提高施工效率。

为实现上述目的，本发明公开了大断面地下空间非开挖施工的预应力束合结构，包括多个角管、多个方钢管和多根后张法预应力束。

其中，多个所述角管和多个所述方钢管围成横截面成凸多边形的管状结构；

每一所述角管均设置于所述管状结构的横截面的转角位置；每一所述角管与相邻的所述方钢管之间均设有限位结构；

多个所述方钢管分别对应所述管状结构的横截面的各条直边设置；每两个相邻的所述方钢管之间均设有所述限位结构；

对应所述管状结构的横截面的每一条直边的多个所述方钢管，以及相应的两个所述角管均通过后张法预应力束锚固固定；

每一所述后张法预应力束锚固固定中的每一钢绞线的两端均分别锚固于相应的两个所述角管内；

每一所述方钢管与相邻的所述方钢管之间或者与相邻的所述角管之间均填充混凝土进行密封。

优选的，所述限位结构为设置于每一所述角管与相邻的所述方钢管之间的两个接触面上，或者每两个相邻的所述方钢管之间的两个接触面上的凹头和凸头。

更优选的，每一所述凹头均由相应的所述接触面所对应的所述角管或所述方钢管的外壁沿所述接触面的法向延伸形成；

所述外壁延伸出相应的所述接触面的部分为相应的所述凹头的侧壁。

更优选的，设有所述凹头的所述接触面所对应的另一接触面上设有所述凸头；

每一所述凸头均对应相应的所述凹头的侧壁设置，使另一所述接触面与设有所述凹头的所述接触面能够通过所述凹头和所述凸头形成卡接。

更优选的，设有所述凹头的所述接触面上对应所述凹头的侧壁内侧的位置均设有所述凸头；设有所述凹头的所述接触面上设置的所述凸头至所述凹头的侧壁间的距离与另一所述接触面上设置的所述凸头相匹配，能够卡接另一所述接触面上设置的所述凸头。

优选的，每一所述角管与相邻的所述方钢管之间的两个接触面上，或者每两个相邻的所述方钢管之间的两个接触面上对应相应的所述钢绞线均设有开孔；

每一所述角管内对应每一所述开孔的位置均为后张锚固端，均设有锚固装置；

每一所述方钢管内的两个所述接触面的每一对所述开孔之间均设有用于穿设相应的所述钢绞线的波纹管。

优选的，每一所述后张锚固端设置的所述锚固装置均包括夹片锚具和钢垫板。

优选的，每一所述方钢管内均设有中肋板；每一所述中肋板的两端均通过螺栓、螺母、焊缝和角钢与相应的所述方钢管的内壁固定连接。

优选的，所述管状结构内采用钢筋混凝土、钢结构或者简单砌体隔墙堆积后做结构。

本发明还提供大断面地下空间非开挖施工的预应力束合结构的施工方法，步骤如下：

步骤1、以标高最高的所述角管为起点，分批顶进所有的所述角管和所有的所述方钢管，形成横截面成凸多边形的所述管状结构；

步骤2、由工人进入每一所述方钢管，通过开孔穿设波纹管；同时，在每一所述方钢管内设置中肋板；

步骤3、在所述波纹管内穿引钢绞线，然后在所有所述方钢管间隙进行混凝土填充；

步骤4、待混凝土达到设计强度后，在所述角管内张拉所有的所述钢绞线，达到设置的张拉值后通过后通过后张锚固端固定；张拉过程需要确保不出现拉应力；

步骤5、开挖所述管状结构内部的土体；从所述管状结构内部仔细检查各个所述方钢管间是否存在混凝土开裂或剥离，如有则在所述混凝土开裂或剥离处采用聚氨酯密封。

本发明的有益效果：

本发明不影响路面正常交通、管线，工程质量更高，更低的造价、工期更短，机械化程度高，节省了大量劳动力，同时也使工程管理更加高效方便。

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角管的横截面结构示意图。

图2示出本发明一实施例中方钢管的横截面结构示意图。

图3示出本发明一实施例中中肋板与方钢管连接处的局部放大剖面结构示意图。

图4示出本发明一实施例中两个方钢管连接处的局部放大剖面结构示意图。

图5示出本发明一实施例中完成角管和方钢管顶进后的状态示意图。

图6示出本发明一实施例中完成钢绞线锚固的状态示意图。

图7示出本发明一实施例中开挖管状结构内土体的状态示意图。

图8示出本发明一实施例中在管状结构内设置后做结构的状态示意图。

具体实施方式

实施例

如图1至图5所示，大断面地下空间非开挖施工的预应力束合结构，包括多个角管1、多个方钢管2和多根后张法预应力束。

其中，多个角管1和多个方钢管2围成横截面成凸多边形的管状结构；

每一角管1均设置于管状结构的横截面的转角位置；每一角管1与相邻的方钢管2之间均设有限位结构；

多个方钢管2分别对应管状结构的横截面的各条直边设置；每两个相邻的方钢管2之间均设有限位结构；

对应管状结构的横截面的每一条直边的多个方钢管2，以及相应的两个角管1均通过后张法预应力束锚固固定；

每一后张法预应力束锚固固定中的每一钢绞线4的两端均分别锚固于相应的两个角管1内；

每一方钢管2与相邻的方钢管2之间或者与相邻的角管1之间均填充混凝土进行密封。

在实际应用中，本发明实现分批顶进，不扰动土体，有效地控制沉降，大幅减少对周边环境的影响；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。

角管1和方钢管2均为工厂预制，质量控制严格；而且方钢管2翼缘顶紧、受力连续，双排钢绞线4能够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。

全断面受力使各截面利用率达到100％，减小工程浪费；避免了既有管幕法临时型钢搭设、割除的工期和造价；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；钢绞线4为直线，且角管1无需扩大或异形截面，大幅度提升标准化，便于工厂加工；构造简单，能够实现更快的现场安装。

在某些实施例中，限位结构为设置于每一角管1与相邻的方钢管2之间的两个接触面上，或者每两个相邻的方钢管2之间的两个接触面上的凹头15和凸头17。

在某些实施例中，每一凹头15均由相应的接触面所对应的角管1或方钢管2的外壁沿接触面的法向延伸形成；

外壁延伸出相应的接触面的部分为相应的凹头15的侧壁16。

在某些实施例中，设有凹头15的接触面所对应的另一接触面上设有凸头17；

每一凸头17均对应相应的凹头15的侧壁16设置，使另一接触面与设有凹头15的接触面能够通过凹头15和凸头17形成卡接。

在某些实施例中，设有凹头15的接触面上对应凹头15的侧壁16内侧的位置均设有凸头17；设有凹头15的接触面上设置的凸头17至凹头15的侧壁16间的距离与另一接触面上设置的凸头17相匹配，能够卡接另一接触面上设置的凸头17。

在某些实施例中，每一角管1与相邻的方钢管2之间的两个接触面上，或者每两个相邻的方钢管2之间的两个接触面上对应相应的钢绞线4均设有开孔8；

每一角管1内对应每一开孔8的位置均为后张锚固端6，均设有锚固装置；

每一方钢管2内的两个接触面的每一对开孔8之间均设有用于穿设相应的钢绞线4的波纹管3。

在某些实施例中，每一后张锚固端6设置的锚固装置均包括夹片锚具和钢垫板。

在某些实施例中，每一方钢管2内均设有中肋板13；每一中肋板13的两端均通过螺栓11、螺母12、焊缝10和角钢9与相应的方钢管2的内壁固定连接。

在某些实施例中，管状结构内采用钢筋混凝土、钢结构或者简单砌体隔墙堆积后做结构7。

如图5至图8所示，本发明还提供大断面地下空间非开挖施工的预应力束合结构的施工方法，步骤如下：

步骤1、以标高最高的角管1为起点，分批顶进所有的角管1和所有的方钢管2，形成横截面成凸多边形的管状结构；

步骤2、由工人进入每一方钢管2，通过开孔8穿设波纹管3；同时，在每一方钢管2内设置中肋板13；

步骤3、在波纹管3内穿引钢绞线4，然后在所有方钢管2间隙进行混凝土填充5；

步骤4、待混凝土达到设计强度后，在角管1内张拉所有的钢绞线4，达到设置的张拉值后通过后通过后张锚固端6固定；张拉过程需要确保不出现拉应力；

步骤5、开挖管状结构内部的土体；从管状结构内部仔细检查各个方钢管2间是否存在混凝土开裂或剥离，如有则在混凝土开裂或剥离处采用聚氨酯14密封。

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 (10)

1.大断面地下空间非开挖施工的预应力束合结构，其特征在于，包括多个角管(1)、多个方钢管(2)和多根后张法预应力束；多个所述角管(1)和多个所述方钢管(2)围成横截面成凸多边形的管状结构；

每一所述角管(1)均设置于所述管状结构的横截面的转角位置；每一所述角管(1)与相邻的所述方钢管(2)之间均设有限位结构；

多个所述方钢管(2)分别对应所述管状结构的横截面的各条直边设置；每两个相邻的所述方钢管(2)之间均设有所述限位结构；

对应所述管状结构的横截面的每一条直边的多个所述方钢管(2)，以及相应的两个所述角管(1)均通过后张法预应力束锚固固定；

每一所述后张法预应力束锚固固定中的每一钢绞线(4)的两端均分别锚固于相应的两个所述角管(1)内；

每一所述方钢管(2)与相邻的所述方钢管(2)之间或者与相邻的所述角管(1)之间均填充混凝土进行密封。

2.根据权利要求1所述的大断面地下空间非开挖施工的预应力束合结构，其特征在于，所述限位结构为设置于每一所述角管(1)与相邻的所述方钢管(2)之间的两个接触面上，或者每两个相邻的所述方钢管(2)之间的两个接触面上的凹头(15)和凸头(17)。

3.根据权利要求2所述的大断面地下空间非开挖施工的预应力束合结构，其特征在于，每一所述凹头(15)均由相应的所述接触面所对应的所述角管(1)或所述方钢管(2)的外壁沿所述接触面的法向延伸形成；

所述外壁延伸出相应的所述接触面的部分为相应的所述凹头(15)的侧壁(16)。

4.根据权利要求3所述的大断面地下空间非开挖施工的预应力束合结构，其特征在于，设有所述凹头(15)的所述接触面所对应的另一接触面上设有所述凸头(17)；

每一所述凸头(17)均对应相应的所述凹头(15)的侧壁(16)设置，使另一所述接触面与设有所述凹头(15)的所述接触面能够通过所述凹头(15)和所述凸头(17)形成卡接。

5.根据权利要求4所述的大断面地下空间非开挖施工的预应力束合结构，其特征在于，设有所述凹头(15)的所述接触面上对应所述凹头(15)的侧壁(16)内侧的位置均设有所述凸头(17)；设有所述凹头(15)的所述接触面上设置的所述凸头(17)至所述凹头(15)的侧壁(16)间的距离与另一所述接触面上设置的所述凸头(17)相匹配，能够卡接另一所述接触面上设置的所述凸头(17)。

6.根据权利要求1所述的大断面地下空间非开挖施工的预应力束合结构，其特征在于，每一所述角管(1)与相邻的所述方钢管(2)之间的两个接触面上，或者每两个相邻的所述方钢管(2)之间的两个接触面上对应相应的所述钢绞线(4)均设有开孔(8)；

每一所述角管(1)内对应每一所述开孔(8)的位置均为后张锚固端(6)，均设有锚固装置；

每一所述方钢管(2)内的两个所述接触面的每一对所述开孔(8)之间均设有用于穿设相应的所述钢绞线(4)的波纹管(3)。

7.根据权利要求6所述的大断面地下空间非开挖施工的预应力束合结构，其特征在于，每一所述后张锚固端(6)设置的所述锚固装置均包括夹片锚具和钢垫板。

8.根据权利要求1所述的大断面地下空间非开挖施工的预应力束合结构，其特征在于，每一所述方钢管(2)内均设有中肋板(13)；每一所述中肋板(13)的两端均通过螺栓(11)、螺母(12)、焊缝(10)和角钢(9)与相应的所述方钢管(2)的内壁固定连接。

9.根据权利要求1所述的大断面地下空间非开挖施工的预应力束合结构，其特征在于，所述管状结构内采用钢筋混凝土、钢结构或者简单砌体隔墙堆积后做结构(7)。

10.根据权利要求1所述的大断面地下空间非开挖施工的预应力束合结构的施工方法，步骤如下：

步骤1、以标高最高的所述角管(1)为起点，分批顶进所有的所述角管(1)和所有的所述方钢管(2)，形成横截面成凸多边形的所述管状结构；

步骤2、由工人进入每一所述方钢管(2)，通过开孔(8)穿设波纹管(3)；同时，在每一所述方钢管(2)内设置中肋板(13)；

步骤3、在所述波纹管(3)内穿引钢绞线(4)，然后在所有所述方钢管(2)间隙进行混凝土填充(5)；

步骤4、待混凝土达到设计强度后，在所述角管(1)内张拉所有的所述钢绞线(4)，达到设置的张拉值后通过后通过后张锚固端(6)固定；张拉过程需要确保不出现拉应力；

步骤5、开挖所述管状结构内部的土体；从所述管状结构内部仔细检查各个所述方钢管(2)间是否存在混凝土开裂或剥离，如有则在所述混凝土开裂或剥离处采用聚氨酯(14)密封。

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