CN114673524A - 一种用于小半径平面线形的大直径盾构通用型管片结构及拼装方法 - Google Patents

一种用于小半径平面线形的大直径盾构通用型管片结构及拼装方法 Download PDF

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谭师好
蔡丽琴
马军秋
史晓琼
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Abstract

本发明提供了一种用于小半径平面线形的大直径盾构通用型管片结构及拼装方法,涉及盾构机领域,本申请提供一种1/2封顶块的分块方式,该分块方式可适用于任意直径隧道管片的分块,尤其适用于直径较大隧道管片的分块,为不同直径的隧道提供管片分块方案,以便适应更加多变的城区线形条件,解决了大直径盾构隧道应用于限制因素众多的城市核心区域时,管片环分块方式不灵活、拼装点位少、适应性不强等问题,有效控制路线的拟合难度,减小施工难度,提高拼装效率,同时不降低管片环的刚度和防水性能,具有显著的社会经济效益和应用价值。

Description

一种用于小半径平面线形的大直径盾构通用型管片结构及拼 装方法
技术领域
本发明涉及盾构机领域,特别涉及一种用于小半径平面线形的大直径盾构通用型管片结构及拼装方法。
背景技术
大直径盾构法隧道施工中,管片的分块方式以等分和封顶块+邻接块+标准块为主,其中封顶块+邻接块+标准块的分块方式因其拼装更加便捷而得到广泛的应用,考虑到管片拼装过程中的各种施工影响和施工误差集中出现在封顶处,用等分或者大封顶块的分块方式将导致管片单块重量大,拼装难度大,在封顶块插入时,易因各种因素引起拼装质量的不稳定,易产生管片破损和出现局部裂缝现象。为保证封顶块拼装质量,减小封顶块拼装难度和破损几率,国内大直径盾构隧道通常采用小封顶块+邻接块+标准块分块方式错缝拼装。
目前大直径盾构管片小封顶块的分块方式通常有1/3封顶块和2/3封顶块的分块模式。
对于1/3封顶块模式,其特点是封顶块中心角为邻接块或标准块圆心角的三分之一,邻接块或标准块上的纵向螺栓为三组,封顶块上的纵向螺栓为一组。这类分块方式的优点是封顶块小,便于施工操作,同时拼装过程中封顶块为小偏心受压,管片受力有利。缺点是拼装点位较少(9个),纵向螺栓少,结构整体刚度弱,并且由于小封顶块,环向整体刚度小,成环后变形大。
对于2/3封顶块模式,其特点是封顶块中心角为邻接块或标准块中心角的三分之二,邻接块或标准块上的纵向螺栓为三组,封顶块上的纵向螺栓为二组。这类分块方式的优点是环向整体刚度大,变形小,同时拼装过程中封顶块为小偏心受压,管片受力有利。缺点是拼装点位少(8个),封顶块较大,对管片拼装效率有影响,并且纵向螺栓少,结构整体刚度弱。
以上两种常规分块方式都仅有8~9个拼装点位,无法适应建设条件极端复杂多变的城市小半径平面线形条件。
发明内容
本发明提供了一种用于小半径平面线形的大直径盾构通用型管片拼装方法及结构,其目的是为了解决现有技术中存在的问题。
为了达到上述目的,本发明的实施例提供了一种用于小半径平面线形的大直径盾构通用型管片拼装方法,包括:
S1.根据盾构管片直径、管片厚度、环宽计算得到管片重量,再结合盾构机的拼装能力得到环管片中的标准块和邻接块的总数m;
S2.基于错缝拼装,封顶块的螺栓数量aF与标准块、邻接块的螺栓数量a应满足aF=a/2;
S3.采用1/2封顶块分块方案,每个环管片的螺栓数量M满足:M=(m+0.5)×a,并对环管片进行受力分析获得每个环管片需要设置的最小螺栓数量;
S4.为每个螺栓配置相应的定位孔构成拼装定位单元,拼装定位单元均匀分布,获得相邻螺栓之间的圆心角θ和每组拼装定位单元中螺栓和定位孔的圆心角δ,封顶块的圆心角θF与邻接块的圆心角θL、标准块的圆心角θB存在如下关系:θF=θB/2=θL/2=θ×a/2;
S5.根据螺栓孔数量获得每个环管片的总拼装点位数,并进一步的获得错缝拼装点位数n;
S6.根据错缝拼装点位数n获得错位拼装点位旋转角度Φ(i+1)/2,获得产品。
优选的,所述步骤S4中,相邻螺栓之间的圆心角θ=360°/M。
优选的,所述步骤S4中,每组拼装定位单元中螺栓和定位孔的圆心角δ=θ/4。
优选的,在所述步骤S5中,每个环管片的总拼装点位数与螺栓孔数量一致,均为M个,错缝拼装点位和通缝拼装点位数量相同,获得错缝拼装点位n=2m+1。
优选的,错缝拼装点位旋转角度Φ(i+1)/2=i×θ,其中,Φi不大于360°,i为正奇数。
本申请还提供了一种用于小半径平面线形的大直径盾构通用型管片结构,通过前述的用于小半径平面线形的大直径盾构通用型管片拼装方法拼装而成。
本发明的上述方案有如下的有益效果:
本申请提供一种1/2封顶块的分块方式,该分块方式可适用于任意直径隧道管片的分块,尤其适用于直径较大隧道管片的分块,为不同直径的隧道提供管片分块方案,以便适应更加多变的城区线形条件,解决了大直径盾构隧道应用于限制因素众多的城市核心区域时,管片环分块方式不灵活、拼装点位少、适应性不强等问题,有效控制路线的拟合难度,减小施工难度,提高拼装效率,同时不降低管片环的刚度和防水性能,具有显著的社会经济效益和应用价值。
附图说明
图1是大直径盾构通用型管片结构示意图;
图2是大直径盾构通用型管片拼装示意图。
【附图标记说明】
1-封顶块、2-标准块、3-邻接块、4-螺栓、5-定位孔。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明的实施例提供了一种用于小半径平面线形的大直径盾构通用型管片拼装方法,包括:
S1.根据盾构管片直径、管片厚度、环宽计算得到管片重量,再结合盾构机的拼装能力得到环管片中的标准块2和邻接块3的总数m。通常管片直径小于8m的管片环分为5~7块,管片直径8~14m的管片环分为7~10块,管片直径14m以上的分为10~12块。
S2.基于错缝拼装,封顶块1的螺栓4数量aF与标准块2、邻接块3的螺栓4数量a应满足aF=a/2;因此标准块2、邻接块3应设置偶数颗螺栓4,即a=2、4、6…。
S3.采用1/2封顶块1分块方案,每个环管片的螺栓4数量M满足:M=(m+0.5)×a,并对环管片进行受力分析获得每个环管片需要设置的最小螺栓4数量。
S4.为每个螺栓4配置相应的定位孔5构成拼装定位单元,拼装定位单元均匀分布,获得相邻螺栓4之间的圆心角θ和每组拼装定位单元中螺栓4和定位孔5的圆心角δ,封顶块1的圆心角θF与邻接块3的圆心角θL、标准块2的圆心角θB存在如下关系:θF=θB/2=θL/2=θ×a/2;相邻螺栓4之间的圆心角θ=360°/M、每组拼装定位单元中螺栓4和定位孔5的圆心角δ=θ/4、
S5.根据螺栓4孔数量获得每个环管片的总拼装点位数,并进一步的获得错缝拼装点位数n;每个环管片的总拼装点位数与螺栓4孔数量一致,均为M个,错缝拼装点位和通缝拼装点位数量相同,获得错缝拼装点位n=2m+1。
S6.根据错缝拼装点位数n获得错位拼装点位旋转角度Φ(i+1)/2,其中错缝拼装点位旋转角度Φ(i+1)/2=i×θ,其中,Φi不大于360°,i为正奇数,随后获得产品。当i取偶数时相邻管片环之间存在通缝。
其中,各个字母指代如下:
B——标准快;
L——邻接块3;
F——封顶块1;
aF——单块封顶块1的螺栓4数量;
a——单块标准快或邻接块3的螺栓4数量;
M——每环管片螺栓4数量之和;
m——每环管片标准块2与邻接块3数量之和;
θ——相邻螺栓4之间的圆心角;
δ——每组拼装定位单元中螺栓4和定位孔5的圆心角;
θF——封顶块1的圆心角;
θL——邻接块3的圆心角;
θB——标准块2的圆心角;
Φ(i+1)/2——错缝拼装点位旋转角度;
i——拼装点位序号,取奇数时表示错缝拼装,取偶数时表示通缝拼装。
实施例1
以某管片外径12m的大直径盾构隧道管片分块为例,其管片厚度0.5m,环宽2.0m,该大直径盾构管片环按照上述的方式分块:
1、根据盾构管片直径、管片厚度、环宽计算的每环管片总重量为90.32t,盾构机的机械臂最大负载能力为150kN,考虑一定的冗余量,单块管片最大重量不宜超过12t,当采用7+1分块方案时,单块管片最大重量为G=2×90.32/(7×2+1)=12.04t;如采用8+1分块方案时,单块管片最大重量为G=2×90.32/(8×2+1)=10.63t;如采用9+1分块方案时,单块管片最大重量为G=2×90.32/(9×2+1)=9.51t。考虑到管片的拼装能力同时兼顾施工效率,选择8+1的分块方案,即每环管片由6块标准块2(B块)、2块邻接块3(L块)和1块封顶块1(F块)构成。
2、基于管片的正常错缝拼装考虑,封顶块1的螺栓4数量aF与标准块2、邻接块3的螺栓4数量a应满足比例关系,即aF=a/2,因此标准块2、邻接块3应设置偶数颗螺栓4,即a=2、4、6…。
3、8+1分块方案的螺栓4设置应满足M=(8+0.5)×a,即M=17、34、51…,结合地质条件进行管片受力分析,每环管片需要设置不少于27颗M24螺栓4,因此选择M=34的螺栓4设置方案,标准块2(B块)及邻接块3(L块)设置4颗螺栓4,封顶块1设置2颗螺栓4。
4、每一颗螺栓4配置一个定位孔5构成一组拼装定位单元,拼装定位单元均匀分布,则相邻螺栓4之间的圆心角θ=360/34=10°35′17.65″,每组拼装定位单元中螺栓4和定位孔5的中心角取δ=θ/4=2°38′49.41″。
5、按照1/2封顶块1的分块方式,封顶块1的圆心角θF与邻接块3的圆心角θL、标准块2的圆心角θB存在如下关系:θF=θB/2=θL/2=θ×a/2,即θF=360°/(8×2+1)=21°10′35.29″,θB=2×360°/(8×2+1)=42°21′10.59″。
6、由于拼装定位单元均匀分布,则每环管片的总拼装点位数与螺栓4孔数量一致,均为34个,去掉拼装后存在通缝的点位17个,错缝拼装点位n=34-17=17个。
7、错缝拼装点位旋转角度Φ(i+1)/2=i×10°35′17.65″(Φi不大于360°,i为正奇数,当i取偶数时相邻管片环之间存在通缝),即采用8+1分块方案时,错缝拼装点位旋转角度共计17个,分别为Φ1=10°35′17.65″、Φ2=31°45′52.94″、Φ3=52°56′28.24″、Φ4=74°7′3.53″、Φ5=95°17′38.82″、Φ6=116°28′14.12″、Φ7=137°38′49.41″、Φ8=158°49′24.71″、Φ9=180°0′0.00″、Φ10=201°10′35.29″、Φ11=222°21′10.59″、Φ12=243°31′45.88″、Φ13=264°42′21.18″、Φ14=285°52′56.47″、Φ15=307°3′31.76″、Φ16=328°14′7.06″、Φ17=349°24′42.35″。
实施例2
以某管片外径8m的盾构隧道管片分块为例,其管片厚度0.4m,环宽1.5m,该大直径盾构管片环按照上述的方式分块:
1、根据盾构管片直径、管片厚度、环宽计算的每环管片总重量为35.81t,盾构机的机械臂最大负载能力为80kN,考虑一定的冗余量,单块管片最大重量不宜超过6t,当采用5+1分块方案时,单块管片最大重量为G=2×35.81/(5×2+1)=6.52t;如采用6+1分块方案时,单块管片最大重量为G=2×35.81/(6×2+1)=5.51t;如采用7+1分块方案时,单块管片最大重量为G=2×35.81/(7×2+1)=4.78t。考虑到管片的拼装能力同时兼顾施工效率,选择6+1的分块方案,即每环管片由4块标准块2(B块)、2块邻接块3(L块)和1块封顶块1(F块)构成。
2、基于管片的正常错缝拼装考虑,封顶块1的螺栓4数量aF与标准块2、邻接块3的螺栓4数量a应满足比例关系,即aF=a/2,因此标准块2、邻接块3应设置偶数颗螺栓4,即a=2、4、6…。
3、8+1分块方案的螺栓4设置应满足M=(6+0.5)×a,即M=13、26、39…,结合地质条件进行管片受力分析,每环管片需要设置不少于19颗M24螺栓4,选择M=26的螺栓4设置方案,标准块2(B块)及邻接块3(L块)设置4颗螺栓4,封顶块1设置2颗螺栓4。
4、每一颗螺栓4配置一个定位孔5构成一组拼装定位单元,拼装定位单元均匀分布,则相邻螺栓4之间的圆心角θ=360/26=13°50′46.15″,每组拼装定位单元中螺栓4和定位孔5的中心角取δ=θ/4=3°27′41.54″。
5、按照1/2封顶块1的分块方式,封顶块1的圆心角θF与邻接块3的圆心角θL、标准块2的圆心角θB存在如下关系:θF=θB/2=θL/2=θ×a/2,即θF=360°/(6×2+1)=27°41′32.31″,θB=2×360°/(6×2+1)=55°23′4.62″。
6、由于拼装定位单元均匀分布,则每环管片的总拼装点位数与螺栓4孔数量一致,均为26个,去掉拼装后存在通缝的点位13个,错缝拼装点位n=34-17=13个。
7、错缝拼装点位旋转角度Φ(i+1)/2=i×13°50′46.15″(Φi不大于360°,i为正奇数,当i取偶数时相邻管片环之间存在通缝),即采用6+1分块方案时,错缝拼装点位旋转角度共计17个,分别为Φ1=13°50′46.15″、Φ2=41°32′18.46″、Φ3=69°13′50.77″、Φ4=96°55′23.08″、Φ5=124°36′55.38″、Φ6=152°18′27.69″、Φ7=180°0′0.00″、Φ8=207°41′32.31″、Φ9=235°23′4.62″、Φ10=263°4′36.92″、Φ11=290°46′9.23″、Φ12=318°27′41.54″、Φ13=346°9′13.85″。
本申请还提供了一种用于小半径平面线形的大直径盾构通用型管片结构,通过前述的一种用于小半径平面线形的大直径盾构通用型管片拼装而成。
以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明所述原理的前提下,还可以作出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于小半径平面线形的大直径盾构通用型管片结构的拼装方法,其特征在于,包括:
S1.根据盾构管片直径、管片厚度、环宽计算得到管片重量,再结合盾构机的拼装能力得到环管片中的标准块(2)和邻接块(3)的总数m;
S2.基于错缝拼装,封顶块(1)的螺栓(4)数量aF与标准块(2)、邻接块(3)的螺栓(4)数量a应满足aF=a/2;
S3.采用1/2封顶块(1)分块方案,每个环管片的螺栓(4)数量M满足:M=(m+0.5)×a,并对环管片进行受力分析获得每个环管片需要设置的最小螺栓(4)数量;
S4.为每个螺栓(4)配置相应的定位孔(5)构成拼装定位单元,拼装定位单元均匀分布,获得相邻螺栓(4)之间的圆心角θ和每组拼装定位单元中螺栓(4)和定位孔(5)的圆心角δ,封顶块(1)的圆心角θF与邻接块(3)的圆心角θL、标准块(2)的圆心角θB存在如下关系:θF=θB/2=θL/2=θ×a/2;
S5.根据螺栓(4)孔数量获得每个环管片的总拼装点位数,并进一步的获得错缝拼装点位数n;
S6.根据错缝拼装点位数n获得错位拼装点位旋转角度Φ(i+1)/2,获得产品。
2.根据权利要求1所述的用于小半径平面线形的大直径盾构通用型管片结构的拼装方法,其特征在于:所述步骤S4中,相邻螺栓(4)之间的圆心角θ=360°/M。
3.根据权利要求2所述的用于小半径平面线形的大直径盾构通用型管片结构的拼装方法,其特征在于:所述步骤S4中,每组拼装定位单元中螺栓(4)和定位孔(5)的圆心角δ=θ/4。
4.根据权利要求3所述的用于小半径平面线形的大直径盾构通用型管片结构的拼装方法,其特征在于:在所述步骤S5中,每个环管片的总拼装点位数与螺栓(4)孔数量一致,均为M个,错缝拼装点位和通缝拼装点位数量相同,获得错缝拼装点位n=2m+1。
5.根据权利要求4所述的用于小半径平面线形的大直径盾构通用型管片结构的拼装方法,其特征在于:错缝拼装点位旋转角度Φ(i+1)/2=i×θ,其中,Φi不大于360°,i为正奇数。
6.一种用于小半径平面线形的大直径盾构通用型管片结构,其特征在于:通过权利要求1-5所述的用于小半径平面线形的大直径盾构通用型管片结构的拼装方法拼装而成。
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