CN113339004A - 预应力钢结构超前支护及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了预应力钢结构超前支护及施工方法，包括由多个角管和多个方钢管围成的管状结构；每一角管与相邻的方钢管之间，以及每两个相邻的方钢管之间均通过连接锁扣进行连接；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内均设置预应力钢束；每一角管与相邻的方钢管之间，以及每两个相邻的方钢管之间均沿长度方向设有若干抗剪插板。施工时，先分批顶进所有角管和方钢管；然后设置波纹管和预应力钢束，并分两次张拉预应力钢束，并设置抗剪插板；完成后挖除土体施工内部结构，最后填充水泥砂浆。本发明弥补当前行业内软土地区暗挖法施工技术手段的不足，丰富地下工程的建设手段，推动行业技术进步。

Description

预应力钢结构超前支护及施工方法

技术领域

本发明涉及地下施工技术领域，特别涉及预应力钢结构超前支护及施工方法。

背景技术

随着社会经济发展和城市人口密度不断增加,地面资源及可开发的空间越来越少,其利用率已逐渐趋于饱和,并产生了大量的诸如交通拥挤、环境恶化等一系列城市化进程中的环境问题。因此,城市向地下空间发展是国际化大都市发展的必然趋势,也是城市向可持续、生态型方向发展的必然之路。其中，市政公用地下基础设施，诸如地铁车站或区间、城市地下道路隧道、地下综合管廊、地下社会停车库、地下勾连地道或商业街等，由于一般位于交通主干道下方，若采用基坑开挖方式建设，无疑对道路交通、地下管线、周边建筑、商业环境造成很大的负面影响，因此，在中心城区复杂环境下采用暗挖法修建地下结构成为发展趋势。

对于软土地区，由于地下水位高，土体强度低，开挖面自立性差，适用的暗挖施工方法主要有盾构法、顶管法、冻结暗挖法、管幕法等，然而，盾构法和顶管法施工的结构断面尺寸受施工装备的限制；冻结暗挖法安全风险高，仅适合小断面、短距离的地下结构，如双线盾构区间之间的旁通道、地下空间的局部连通口等，管幕法虽然可以根据工程实际情况选择断面，但所有管幕仅作为临时支护结构的组成部分，不能在使用阶段使用，废弃工程量大，工程投资高昂；在工程应用中均存在一定的局限性。

因此，如何研发一种挖掘断面自由选择、技术上安全可靠、施工期间挡土结构可永久使用的暗挖施工方法，是目前软土地区地下工程领域亟待解决的棘手问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供预应力钢结构超前支护及施工方法，实现的目的是弥补当前行业内软土地区暗挖法施工技术手段的不足，丰富地下工程的建设手段，推动行业技术进步，具有更良好经济和社会效益。

为实现上述目的，本发明公开了预应力钢结构超前支护，包括多个角管和多个方钢管。

其中，多个所述角管和多个所述方钢管通过侧面的腹板两两相连围成横截面成矩形的管状结构；

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通过所述腹板两侧边缘位置的连接锁扣进行连接；

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通过两侧所述腹板边缘位置的所述连接锁扣进行连接；

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内均设置预应力钢束；

每一所述预应力钢束的两端均分别锚固于相应的两个所述角管内；

每一所述角管与相邻的所述方钢管之间，以及每两个相邻的所述方钢管之间均沿长度方向设有若干抗剪插板。

优选的，每一所述连接锁扣包括互相匹配的锁扣雄头和锁扣雌头；

每一所述锁扣雌头均为横截面成“凹”字形的条状结构；每一所述锁扣雌头均设置于相应的所述角管或者相应所述方钢管与相邻的另一所述方钢管连接的所述腹板两侧的边缘位置，并沿所述管状结构的长度方向延伸；所述“凹”字形的开口方向朝向所述管状结构的外侧或者内侧；

每一所述锁扣雄头均为与相应的所述锁扣雌头的所述“凹”字形的内腔相匹配的条状结构；每一所述锁扣雄头均设置于相应的所述角管或者相应所述方钢管与相邻的另一所述方钢管连接的所述腹板两侧的边缘位置，并沿所述管状结构的长度方向延伸；每一所述锁扣雄头在横截面上的投影均指向相应的所述锁扣雌头的所述“凹”字形的内腔。

优选的，每一所述角管与相邻的所述方钢管之间的两个腹板上，或者每两个相邻的所述方钢管之间的两个腹板上对应相应的所述预应力钢束均设有开孔；

每一所述角管内对应每一所述开孔的位置均均设有预应力锚具；

每一所述方钢管内的两个所述腹板的每一对所述开孔之间均设有用于穿设相应的所述预应力钢束的波纹管。

优选的，每一所述角管内对应所述管状结构的横截面的转角位置，沿长度方向均设有若干外翼缘加强肋。

优选的，所述角管和每一所述方钢管对应所述管状结构外侧的外壁上均涂覆防腐涂层。

本发明还提供预应力钢结构超前支护的施工方法，步骤如下：

步骤1、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、每一所述方钢管，通过开孔穿设波纹管和预应力钢束；

步骤3、利用所述角管的空间，进行所述预应力钢束的端部固定和张拉；其中，每条所述预应力钢束的张拉均需分两次进行，初次张拉和二次张拉的张拉控制力均分别为设计要求拉力包括预应力损失后的60％和100％；

步骤4、在每一所述角管与相邻的所述方钢管之间，以及每两个相邻的所述方钢管之间沿长度方向设置若干所述抗剪插板，并嵌填塞紧；

步骤5、挖除所述管状结构内的全部土体；

步骤6、更具设计在所述管状结构内安装钢立柱、型钢梁和压型钢板中楼板；

步骤7、在所述管状结构内浇筑用于封闭所述管状结构内渗漏点及为后续内部结构提供平整基座的底部填筑层；

步骤8、在所述管状结构内对应上方和两侧的内壁施工内壁防水层；

步骤9、施工站台板结构；

步骤10、浇筑地铁列车运行区域的轨道结构层，为车站铺轨提供条件。

优选的，在所述步骤1中，每一所述角管与相邻的所述方钢管之间的所述连接锁扣，以及每两个相邻的所述方钢管之间的所述连接锁扣均涂抹具有止水作用的固化油脂。

优选的，在所述步骤3中，张拉顺序具体如下：

步骤3.1、初次张拉对应管状结构两侧的每一所述预应力钢束；

步骤3.2、初次张拉对应管状结构底部的每一所述预应力钢束；

步骤3.3、初次张拉对应管状结构顶部的每一所述预应力钢束；

步骤3.4、二次张拉对应管状结构底部的每一所述预应力钢束；

步骤3.5、二次张拉对应管状结构两侧的每一所述预应力钢束；

步骤3.6、二次张拉对应管状结构顶部的每一所述预应力钢束。

优选的，最后，以水泥砂浆填充所有每一所述角管与相邻的所述方钢管之间，以及每两个相邻的所述方钢管之间的空隙，避免腐蚀。

本发明的有益效果：

本发明相比大断面盾构机或顶管机，可更好地适应曲线推进，对原状土体扰动也更小，因此，对于超大断面地下结构或曲线型地下隧道，本施工方法具有显著优越的适用性。

本发明直接通过充分发挥预应力条件下钢结构自身的承载力承担外荷载，不需要在钢管节内部以及钢管节之间充填混凝土，既减轻了结构的自重，也节省了工程投资。

本发明受力方向与施工阶段完全一致，钢结构超前支护可兼作永久结构使用，而无需再额外施工使用阶段钢筋混凝土结构，无废弃工程，符合当前节能减排的建筑技术发展趋势，建设成本较常规的管幕法显著降低。

本发明中的构件均可采用工厂预制，各钢构件间的连接节点均可通过现场焊接或螺栓拼装即可完成，可实现快速化施工，且无扬尘、低噪音，文明施工效果好。

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的结构示意图。

图2示出本发明一实施例中两个方钢管连接位置的结构示意图。

图3示出本发明一实施例中角管与两个相邻方钢管之间连接位置的结构示意图。

图4示出本发明图2中A处的局部放大的结构示意图。

具体实施方式

实施例

如图1至图4所示，预应力钢结构超前支护，包括多个角管1和多个方钢管2。

其中，多个角管1和多个方钢管2通过侧面的腹板8两两相连围成横截面成矩形的管状结构；

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之间均通过腹板8两侧边缘位置的连接锁扣4进行连接；

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之间均通过两侧腹板8边缘位置的连接锁扣4进行连接；

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内均设置预应力钢束5；

每一预应力钢束5的两端均分别锚固于相应的两个角管1内；

每一角管1与相邻的方钢管2之间，以及每两个相邻的方钢管2之间均沿长度方向设有若干抗剪插板3。

本发明通过预应力钢束5形成了沿车站横向的整体受力的超前支护体系。在地下水土荷载条件下，分别由多个方钢管2组成的顶板、侧墙、底板构件，在受拉侧的拉应力由预应力钢束5承担，在受压侧的压应力由被相互顶紧的多个方钢管2承受。

本发明根据拟建地下工程横断面需要，在外轮廓外侧以微型顶管顶推完成密排纵向钢管节的封闭围合，再通过张拉预应力钢束5，将多个方钢管2压紧形成整体受力的支护挡土钢结构，将该支护结构所围合区域内土体挖除后，视建筑功能需要设置钢结构中楼板或钢立柱，整个地下工程便已建成，且该支护结构直接用作永久结构使用，而无需再额外施工常规暗挖法所需的使用阶段钢筋混凝土结构。

本发明通过微型顶管顶推完成封闭围合的密排纵向钢管节所形成的挡土支护结构，以化整为零拟合断面的方式实现拟建地下工程横断面的自由选择，而无需受暗挖掘进设备断面大小、形状的限制，而且，由于微型顶管设备小巧，转向灵活，一次挖土体量小，相比大断面盾构机或顶管机，可更好地适应曲线推进。对原状土体扰动也更小。

在某些实施例中，每一连接锁扣4包括互相匹配的锁扣雄头6和锁扣雌头7；

每一锁扣雌头7均为横截面成“凹”字形的条状结构；每一锁扣雌头7均设置于相应的角管1或者相应方钢管2与相邻的另一方钢管2连接的腹板8两侧的边缘位置，并沿管状结构的长度方向延伸；“凹”字形的开口方向朝向管状结构的外侧或者内侧；

每一锁扣雄头6均为与相应的锁扣雌头7的“凹”字形的内腔相匹配的条状结构；每一锁扣雄头6均设置于相应的角管1或者相应方钢管2与相邻的另一方钢管2连接的腹板8两侧的边缘位置，并沿管状结构的长度方向延伸；每一锁扣雄头6在横截面上的投影均指向相应的锁扣雌头7的“凹”字形的内腔。

在某些实施例中，每一角管1与相邻的方钢管2之间的两个腹板8上，或者每两个相邻的方钢管2之间的两个腹板8上对应相应的预应力钢束5均设有开孔9；

每一角管1内对应每一开孔9的位置均均设有预应力锚具12；

每一方钢管2内的两个腹板8的每一对开孔9之间均设有用于穿设相应的预应力钢束5的波纹管10。

在某些实施例中，每一角管1内对应管状结构的横截面的转角位置，沿长度方向均设有若干外翼缘加强肋11。

在某些实施例中，角管1和每一方钢管2对应管状结构外侧的外壁上均涂覆防腐涂层。

如图4所示，两个相邻的方钢管2的各参数要求如下：

1)e——钢管节翼缘间隙，取值范围4mm至6mm，视施工误差控制水平确定，控制水平高时取小值，反之则可取大值；

2)s——翼缘加强板焊接操作空间，取s＝min{2.5e，20mm}；

3)B——钢管节间隙，根据待掘进地下工程横断面形状和尺寸，拟合所需围合边界时确定，可在100mm至150mm之间自由取值，确定取值时应控制各个管节之间的间距一致，便于工厂模块化生产钢管节；

4)d——翼缘加强板宽度，d＝0.5*(B-2*s-e)；

5)t——腹板厚度，根据工程实际情况选用，但不得小于12mm；

6)y——翼缘厚度，根据工程实际情况选用，但不得小于20mm；

7)x——翼缘加强板厚度，x≧0.8y；

8)w——管节法向间隙，取w＝x；

9)b——接头挡板厚度，取10mm。

10)L——接头挡板长度，取L＝2*d+e+s。

本发明还提供预应力钢结构超前支护的施工方法，步骤如下：

步骤1、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、每一方钢管2，通过开孔9穿设波纹管10和预应力钢束5；

步骤3、利用角管1的空间，进行预应力钢束5的端部固定和张拉；其中，每条预应力钢束5的张拉均需分两次进行，初次张拉和二次张拉的张拉控制力均分别为设计要求拉力包括预应力损失后的60％和100％；

步骤4、在每一角管1与相邻的方钢管2之间，以及每两个相邻的方钢管2之间沿长度方向设置若干抗剪插板3，并嵌填塞紧；

步骤5、挖除管状结构内的全部土体；

步骤6、更具设计在管状结构内安装钢立柱13、型钢梁14和压型钢板中楼板15；

步骤7、在管状结构内浇筑用于封闭管状结构内渗漏点及为后续内部结构提供平整基座的底部填筑层16；

步骤8、在管状结构内对应上方和两侧的内壁施工内壁防水层17；

步骤9、施工站台板结构18；

步骤10、浇筑地铁列车运行区域的轨道结构层，为车站铺轨19提供条件。

本发明的施工方法是对钢结构直接施加预应力，形成预应力钢结构后作为超前支护同时兼作使用阶段的永久结构使用，解决了行业内软土地区现有暗挖施工方法的不足，是一种应用了预应力钢结构技术的全新地下工程建设手段。

在某些实施例中，在步骤1中，每一角管1与相邻的方钢管2之间的连接锁扣4，以及每两个相邻的方钢管2之间的连接锁扣4均涂抹具有止水作用的固化油脂。

在某些实施例中，在步骤3中，张拉顺序具体如下：

步骤3.1、初次张拉对应管状结构两侧的每一预应力钢束5；

步骤3.2、初次张拉对应管状结构底部的每一预应力钢束5；

步骤3.3、初次张拉对应管状结构顶部的每一预应力钢束5；

步骤3.4、二次张拉对应管状结构底部的每一预应力钢束5；

步骤3.5、二次张拉对应管状结构两侧的每一预应力钢束5；

步骤3.6、二次张拉对应管状结构顶部的每一预应力钢束5。

在某些实施例中，最后，以水泥砂浆填充所有每一角管1与相邻的方钢管2之间，以及每两个相邻的方钢管2之间的空隙，避免腐蚀。

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 (9)

1.预应力钢结构超前支护，其特征在于，包括多个角管(1)和多个方钢管(2)；多个所述角管(1)和多个所述方钢管(2)通过侧面的腹板(8)两两相连围成横截面成矩形的管状结构；

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)之间均通过所述腹板(8)两侧边缘位置的连接锁扣(4)进行连接；

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)之间均通过两侧所述腹板(8)边缘位置的所述连接锁扣(4)进行连接；

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)内均设置预应力钢束(5)；

每一所述预应力钢束(5)的两端均分别锚固于相应的两个所述角管(1)内；

每一所述角管(1)与相邻的所述方钢管(2)之间，以及每两个相邻的所述方钢管(2)之间均沿长度方向设有若干抗剪插板(3)。

2.根据权利要求1所述的预应力钢结构超前支护，其特征在于，每一所述连接锁扣(4)包括互相匹配的锁扣雄头(6)和锁扣雌头(7)；

每一所述锁扣雌头(7)均为横截面成“凹”字形的条状结构；每一所述锁扣雌头(7)均设置于相应的所述角管(1)或者相应所述方钢管(2)与相邻的另一所述方钢管(2)连接的所述腹板(8)两侧的边缘位置，并沿所述管状结构的长度方向延伸；所述“凹”字形的开口方向朝向所述管状结构的外侧或者内侧；

每一所述锁扣雄头(6)均为与相应的所述锁扣雌头(7)的所述“凹”字形的内腔相匹配的条状结构；每一所述锁扣雄头(6)均设置于相应的所述角管(1)或者相应所述方钢管(2)与相邻的另一所述方钢管(2)连接的所述腹板(8)两侧的边缘位置，并沿所述管状结构的长度方向延伸；每一所述锁扣雄头(6)在横截面上的投影均指向相应的所述锁扣雌头(7)的所述“凹”字形的内腔。

3.根据权利要求1所述的预应力钢结构超前支护，其特征在于，每一所述角管(1)与相邻的所述方钢管(2)之间的两个腹板(8)上，或者每两个相邻的所述方钢管(2)之间的两个腹板(8)上对应相应的所述预应力钢束(5)均设有开孔(9)；

每一所述角管(1)内对应每一所述开孔(9)的位置均均设有预应力锚具(12)；

每一所述方钢管(2)内的两个所述腹板(8)的每一对所述开孔(9)之间均设有用于穿设相应的所述预应力钢束(5)的波纹管(10)。

4.根据权利要求1所述的预应力钢结构超前支护，其特征在于，每一所述角管(1)内对应所述管状结构的横截面的转角位置，沿长度方向均设有若干外翼缘加强肋(11)。

5.根据权利要求1所述的预应力钢结构超前支护，其特征在于，所述角管(1)和每一所述方钢管(2)对应所述管状结构外侧的外壁上均涂覆防腐涂层。

6.根据权利要求1所述的预应力钢结构超前支护的施工方法，步骤如下：

步骤1、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、每一所述方钢管(2)，通过开孔(9)穿设波纹管(10)和预应力钢束(5)；

步骤3、利用所述角管(1)的空间，进行所述预应力钢束(5)的端部固定和张拉；其中，每条所述预应力钢束(5)的张拉均需分两次进行，初次张拉和二次张拉的张拉控制力均分别为设计要求拉力包括预应力损失后的60％和100％；

步骤4、在每一所述角管(1)与相邻的所述方钢管(2)之间，以及每两个相邻的所述方钢管(2)之间沿长度方向设置若干所述抗剪插板(3)，并嵌填塞紧；

步骤5、挖除所述管状结构内的全部土体；

步骤6、更具设计在所述管状结构内安装钢立柱(13)、型钢梁(14)和压型钢板中楼板(15)；

步骤7、在所述管状结构内浇筑用于封闭所述管状结构内渗漏点及为后续内部结构提供平整基座的底部填筑层(16)；

步骤8、在所述管状结构内对应上方和两侧的内壁施工内壁防水层(17)；

步骤9、施工站台板结构(18)；

步骤10、浇筑地铁列车运行区域的轨道结构层，为车站铺轨(19)提供条件。

7.根据权利要求6所述的预应力钢结构超前支护的施工方法，其特征在于，在所述步骤1中，每一所述角管(1)与相邻的所述方钢管(2)之间的所述连接锁扣(4)，以及每两个相邻的所述方钢管(2)之间的所述连接锁扣(4)均涂抹具有止水作用的固化油脂。

8.根据权利要求6所述的预应力钢结构超前支护的施工方法，其特征在于，在所述步骤3中，张拉顺序具体如下：

步骤3.1、初次张拉对应管状结构两侧的每一所述预应力钢束(5)；

步骤3.2、初次张拉对应管状结构底部的每一所述预应力钢束(5)；

步骤3.3、初次张拉对应管状结构顶部的每一所述预应力钢束(5)；

步骤3.4、二次张拉对应管状结构底部的每一所述预应力钢束(5)；

步骤3.5、二次张拉对应管状结构两侧的每一所述预应力钢束(5)；

步骤3.6、二次张拉对应管状结构顶部的每一所述预应力钢束(5)。

9.根据权利要求6所述的预应力钢结构超前支护的施工方法，其特征在于，最后，以水泥砂浆填充所有每一所述角管(1)与相邻的所述方钢管(2)之间，以及每两个相邻的所述方钢管(2)之间的空隙，避免腐蚀。

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