CN117287223A - 空心组合结构管片及其施工方法 - Google Patents

空心组合结构管片及其施工方法 Download PDF

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张碧文
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Abstract

本发明涉及一种空心组合结构管片及其施工方法。现有预制钢筋混凝土管片存在自重大、预制复杂、混凝土浇筑不均等问题。本发明的空心组合结构管片为弧型结构,弧型结构的混凝土内部设置有环向并与弧型结构弯曲度一致的弧形的空心钢管,空心钢管沿纵向平行布置若干个;空心钢管的外壁均匀设置有与外壁垂直的栓钉。本发明采用空心钢管与缀板作为钢管骨架,钢管和混凝土共同受力,大幅提高了承载能力及刚度,自重轻,混凝土用量少,在加工厂通过预制而得,有效提高了施工效率,降低了施工成本。

Description

空心组合结构管片及其施工方法
技术领域
本发明涉及盾构施工技术领域,具体涉及一种空心组合结构管片及其施工方法。
背景技术
盾构管片是盾构施工的主要装配构件,是隧道的最内层屏障,承担着抵抗土层压力、地下水压力以及一些特殊荷载的作用。盾构管片是盾构法隧道的永久衬砌,盾构管片的质量好坏直接关系到隧道的整体安全质量,影响隧道的防水性能及使用性能。
传统预制钢筋混凝土管片由于使用大量混凝土,自重较大,在吊装、运输时极为不便,在交通运输上消耗了大量成本。另外,传统混凝土管片做工复杂繁琐,钢筋笼骨架制作工艺需要大量人力,不仅需要花费大量时间,而且成品质量也不易把控,容易产生不满足规范要求的情况。并且,传统混凝土管片中,钢筋与钢筋之间的孔隙较小容易造成混凝土浇筑不均,振捣困难,影响管片结构质量。随着盾构工法的大规模应用,盾构隧道已由浅埋工况向深埋工况、从小直径断面向大直径断面发展,传统的盾构管片混凝土用量大、承载能力低、易开裂、安装及运输过程中易破损,与目前提倡的绿色施工理念不符。在预制装配式组合结构的发展背景下,在地下采用预制装配式组合结构符合目前的前景需求。因此,有必要提出一种材料利用率高、承载力性能好的组合结构管片来替代传统钢筋混凝土管片结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种空心组合结构管片及其施工方法,以解决现有预制钢筋混凝土管片存在的自重大、预制复杂、混凝土浇筑不均等问题。
为了达到上述目的,本发明所采用的技术方案为:
空心组合结构管片,所述空心组合结构管片为弧型结构,所述弧型结构的混凝土内部设置有环向并与所述弧型结构弯曲度一致的弧形的空心钢管,所述空心钢管沿纵向平行布置若干个;
所述空心钢管的外壁均匀设置有与所述外壁垂直的栓钉。
进一步地,纵向相邻的所述空心钢管之间连接有缀板,所述缀板与所述空心钢管组成所述空心组合结构管片内部的钢管骨架。
进一步地,环向相邻的所述空心组合结构管片通过环向连接结构连接;
所述环向连接结构包括手孔、高强螺栓、限位安装凹槽和限位安装凸块,所述手孔位于所述空心组合结构管片的内侧,所述限位安装凹槽和所述限位安装凸块位于所述空心组合结构管片的环向端面并纵向设置,所述手孔和所述空心组合结构管片的环向端面之间设置有螺孔;
环向相邻的所述空心组合结构管片通过彼此对应的所述限位安装凹槽和所述限位安装凸块拼接,通过所述手孔在环向两侧的所述螺孔中旋入所述高强螺栓固定。
进一步地,纵向相邻的所述空心组合结构管片通过纵向连接结构连接;
所述纵向连接结构包括手孔、高强螺栓、限位安装凹槽和限位安装凸块,所述手孔位于所述空心组合结构管片的内侧,所述限位安装凹槽和所述限位安装凸块位于所述空心组合结构管片的纵向端面并环向设置,所述手孔和所述空心组合结构管片的纵向端面之间设置有螺孔;
纵向相邻的所述空心组合结构管片通过彼此对应的所述限位安装凹槽和所述限位安装凸块拼接,通过所述手孔在纵向两侧的所述螺孔中旋入所述高强螺栓固定。
进一步地,所述空心钢管为圆孔管或方孔管。
进一步地,所述空心组合结构管片环向或纵向拼接时,相邻的所述环向端面或所述纵向端面上均设置有防水垫片。
进一步地,所述缀板在相邻的所述空心组合结构管片之间环向设置有多组,每组至少两层。
另一方面,提供如所述的空心组合结构管片的施工方法,所述方法包括:
在工厂预制空心组合结构管片;
将空心组合结构管片运输至现场安装;
环向拼接时,在环向相邻的空心组合结构管片的环向端面加装防水垫片,彼此对应的限位安装凸块插入限位安装凹槽,从手孔向螺孔中旋入高强螺栓固定,实现环向拼接;
纵向拼接时,在纵向相邻的空心组合结构管片的纵向端面加装防水垫片,彼此对应的限位安装凸块插入限位安装凹槽,从手孔向螺孔中旋入高强螺栓固定,实现纵向拼接。
进一步地,在工厂预制空心组合结构管片,包括:
加工空心钢管,弯折形成弯曲钢管;
在空心钢管外周焊接栓钉;
将各个空心钢管与缀板进行焊接,组成钢管骨架;
将钢管骨架置于空心组合结构管片的模具中,在空心钢管外、模具内浇筑混凝土。
与现有技术相比,本发明的有益效果如下:
(1)结构性能良好:
相比于传统钢筋混凝土管片,本发明的空心组合结构管片采用空心钢管与缀板作为钢管骨架,可大幅提高管片的承载能力及刚度。钢管内部采用空心的形式,可以大大减轻管片的自重,减少混凝土用量,方便管片的运输及安装,以防管片在运输和安装过程中出现缺边、掉角的情况。钢管四周外壁均焊有栓钉连接件,以代替传统的钢筋网片,不仅能够提高工作效率,还能保证钢管和混凝土之间的共同受力性能,钢管侧面栓钉还能够提供竖向剪切力,提高管片的承载能力。各钢管之间采用缀板的连接形式,能够保证相邻钢管之间的协同工作。
(2)施工方便快捷:
本发明的空心组合结构管片主要由空心钢管、缀板、栓钉、栓钉及混凝土在加工厂通过预制而得。在工厂,栓钉和空心钢管仅需通过焊接连接即可,空心钢管与缀板之间也通过焊接连接,操作简便,省去了传统钢筋混凝土管片需要现场绑扎钢筋、立模浇筑的施工工序。
(3)经济效益显著:
本发明的空心组合结构管片,将栓钉焊接于空心钢管四周,无需绑扎钢筋网片,减少了人工需求量,标准化的焊接既保证了施工质量又提高了工作效率,简化了施工工序。内部钢管采用空心的形式,可大大减少混凝土用量,降低成本,减轻结构自重,使运输及吊装过程更加便捷高效,从而降低施工成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,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,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
图1是本发明空心组合结构管片的立体图。
图2是本发明两个空心组合结构管片的连接示意图。
图3是本发明钢管骨架的立体图。
图4是本发明空心组合结构管片的连接详图。
图中标识为:
1-空心组合结构管片,2-相邻空心组合结构管片,3-环向连接结构,4-纵向连接结构,5-空心钢管,6-第一栓钉,7-第二栓钉,8-缀板,9-混凝土,10-限位安装凹槽,11-限位安装凸块,12-固定安装槽孔;
31-第一手孔,32-第二手孔,33-高强螺栓,34-防水垫片。
具体实施方式
为了便于理解本发明,下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是,本发明可以以许多不同的形式来实现,并不限于本文所描述的实施方式。相反地,提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
在本专利的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖向”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“纵向”、“环向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本专利和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本专利的限制。同时,术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述,而不能理解为指示或暗示相对重要性。当然的,这样的对象在适当情况下可以互换,以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述以外的顺序实施。
在本专利的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”等应做广义理解,例如,可以是固定相连、设置,也可以是可拆卸连接、设置,或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。
具体实施方式中,将线路方向定义为纵向,与纵向垂直的方向定义为环向,将靠近岩土的一侧定义为外侧,将靠近隧道内部的方向定义为内侧。
本发明提供了一种空心组合结构管片,为工厂预制结构,运抵现场拼装施工,结构本身具有钢管骨架,自重轻,承载力和刚度更强,有效解决了传统钢筋混凝土管片施做和运营中存在的问题,实现了施工的装配化和标准化。
所述空心组合结构管片1为弧型结构,可环向拼接后纵向拼接组成隧道衬砌,内外表面为曲面。弧型结构的混凝土9内部不再绑扎钢筋,而是设置环向并与弧型结构弯曲度一致的弧形的空心钢管5,简化了施工工序,同时保证了混凝土和空心钢管5之间能够共同受力。空心钢管5为圆孔管或方孔管,并沿纵向平行布置若干个。空心钢管5的外壁均匀设置有与外壁垂直的栓钉,可起到剪力钉的作用,提供多个方向的剪切力,提高承载能力。纵向相邻的空心钢管5之间连接有缀板8,缀板8与空心钢管5组成空心组合结构管片1内部的钢管骨架。空心钢管5内部无需浇筑混凝土,混凝土仅浇筑于钢管骨架和模板之间。缀板8在相邻的空心组合结构管片1之间环向设置有多组,每组至少两层。当然地,为适应具体的工程实际,空心组合结构管片1也可采用内外表面为平面的平板结构,互相连接组成方管。
空心钢管5、缀板8均采用Q345钢材,空心钢管5截面尺寸及壁厚通过相关承载力需求而定,缀板8的厚度一般取5~8mm。
空心组合结构管片1预制后运抵现场,需要进行环向拼接和纵向拼接:
1、环向拼接:
环向相邻的空心组合结构管片1通过环向连接结构3连接。环向连接结构3包括手孔、高强螺栓33、限位安装凹槽10和限位安装凸块11,手孔位于空心组合结构管片1的内侧,限位安装凹槽10和限位安装凸块11位于空心组合结构管片1的环向端面并纵向设置,手孔和空心组合结构管片1的环向端面之间设置有螺孔。
环向相邻的空心组合结构管片1通过彼此对应的限位安装凹槽10和限位安装凸块11拼接,通过手孔在环向两侧的螺孔中旋入高强螺栓33固定。
2、纵向拼接:
纵向相邻的空心组合结构管片1通过纵向连接结构4连接。纵向连接结构4包括手孔、高强螺栓33、限位安装凹槽10和限位安装凸块11,手孔位于空心组合结构管片1的内侧,限位安装凹槽10和限位安装凸块11位于空心组合结构管片1的纵向端面并环向设置,手孔和空心组合结构管片1的纵向端面之间设置有螺孔。
纵向相邻的空心组合结构管片1通过彼此对应的限位安装凹槽10和限位安装凸块11拼接,通过手孔在纵向两侧的螺孔中旋入高强螺栓33固定。
空心组合结构管片1环向或纵向拼接时,相邻的环向端面或纵向端面上均设置有防水垫片34,起到防水作用。
上述空心组合结构管片1的施工方法包括以下步骤:
S1:在工厂预制空心组合结构管片1:
S101:按照设计曲率进行加工空心钢管5,弯折形成弯曲钢管;
S102:在空心钢管5外周焊接栓钉,代替传统的钢筋网片;
S103:缀板8通过设计尺寸进行下料,将各个空心钢管5与缀板8进行焊接,组成钢管骨架;
S104:将钢管骨架置于空心组合结构管片1的模具中,在空心钢管5外、模具内浇筑混凝土9。模具需考虑端部的凹凸块构造和手孔。
S2:将空心组合结构管片1运输至现场安装:
S201:环向拼接时,在环向相邻的空心组合结构管片1的环向端面加装防水垫片34,彼此对应的限位安装凸块11插入限位安装凹槽10,从手孔向螺孔中旋入高强螺栓33固定,实现环向拼接;
S202:纵向拼接时,在纵向相邻的空心组合结构管片1的纵向端面加装防水垫片34,彼此对应的限位安装凸块11插入限位安装凹槽10,从手孔向螺孔中旋入高强螺栓33固定,实现纵向拼接。
栓钉和高强螺栓33通过购买市面上标准生产的部件
实施例:
以下通过具体的施工实例对本发明的结构和施工方法进行进一步详细说明:
如图1,本实施例中的空心组合结构管片1中,钢管骨架包括纵向互相平行的三个空心钢管5,截面呈方形,等间距设置,其内外两侧焊接有第一栓钉6,其前后两侧焊接有第二栓钉7,均环向均匀布置。如图3,第一栓钉6可设置一列,第二栓钉7可上下设置两列。前后两个空心钢管5之间设置有8个缀板8,均为矩形板,设置有上下两层,环向分为四组。在其他实施例中,空心钢管5的截面形状、截面大小、数量、以及栓钉和缀板8的数量,均可根据实际需求进行调整,以满足实际承载力和刚度的需求。另外,缀板8也可沿环向通常设置,可环向设置,也可径向设置,在特殊需求下,还可组合设置形成格构的形式。空心钢管5除环向设置外,也可增加纵向部分,组成纵横交错的格构管网,进一步提高钢管骨架的刚度,还可进一步降低结构自重。
如图2,一个空心组合结构管片1设置有四个环向连接结构3,分别位于环向两端的前后两侧,设置有四个纵向连接结构4,分别位于纵向两端的左右两侧,互相位置错开,结构形式基本相同。如图4,端面上的限位安装凸块11和限位安装凹槽10呈锯齿状,空心组合结构管片1的限位安装凸块11位于两侧,中间形成限位安装凹槽10,相邻空心组合结构管片2的限位安装凹槽10位于两侧,中间形成限位安装凸块11,对接时,彼此的限位安装凸块11插入限位安装凹槽10,彼此的螺孔相对,通过手孔从螺孔中安装高强螺栓33实现连接,锯齿拼接和加装的防水垫片34,使得接缝处具有良好的防水性能,防水垫片34可通常设置或间隔设置。
本实施例中,高强螺栓33选用12.9级M30摩擦型高强螺栓,第一栓钉6选用M18高强栓钉,第二栓钉7选用M20高强栓钉。混凝土9可以采用纤维混凝土、高性能混凝土及UHPC等。
本发明的空心组合结构管片1中,空心钢管5内不浇筑混凝土,大幅降低了混凝土的用量,同时降低了自重,利于运输和安装,从成本投入和人力投入方面均具有明显优势。空心钢管5构造为弧形,在工厂通过冷弯机器一次性冷弯成型,通过标准化方式生产,质量易把控。栓钉和空心钢管5也可通过自动化焊接连接,通过标准化、自动化的方式进行量产
以上应用了具体个例对本发明进行阐述,只是用于帮助理解本发明,并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员,依据本发明的思想,还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (9)

1.空心组合结构管片,其特征在于:
所述空心组合结构管片(1)为弧型结构,所述弧型结构的混凝土(9)内部设置有环向并与所述弧型结构弯曲度一致的弧形的空心钢管(5),所述空心钢管(5)沿纵向平行布置若干个;
所述空心钢管(5)的外壁均匀设置有与所述外壁垂直的栓钉。
2.根据权利要求1所述的空心组合结构管片,其特征在于:
纵向相邻的所述空心钢管(5)之间连接有缀板(8),所述缀板(8)与所述空心钢管(5)组成所述空心组合结构管片(1)内部的钢管骨架。
3.根据权利要求2所述的空心组合结构管片,其特征在于:
环向相邻的所述空心组合结构管片(1)通过环向连接结构(3)连接;
所述环向连接结构(3)包括手孔、高强螺栓(33)、限位安装凹槽(10)和限位安装凸块(11),所述手孔位于所述空心组合结构管片(1)的内侧,所述限位安装凹槽(10)和所述限位安装凸块(11)位于所述空心组合结构管片(1)的环向端面并纵向设置,所述手孔和所述空心组合结构管片(1)的环向端面之间设置有螺孔;
环向相邻的所述空心组合结构管片(1)通过彼此对应的所述限位安装凹槽(10)和所述限位安装凸块(11)拼接,通过所述手孔在环向两侧的所述螺孔中旋入所述高强螺栓(33)固定。
4.根据权利要求3所述的空心组合结构管片,其特征在于:
纵向相邻的所述空心组合结构管片(1)通过纵向连接结构(4)连接;
所述纵向连接结构(4)包括手孔、高强螺栓(33)、限位安装凹槽(10)和限位安装凸块(11),所述手孔位于所述空心组合结构管片(1)的内侧,所述限位安装凹槽(10)和所述限位安装凸块(11)位于所述空心组合结构管片(1)的纵向端面并环向设置,所述手孔和所述空心组合结构管片(1)的纵向端面之间设置有螺孔;
纵向相邻的所述空心组合结构管片(1)通过彼此对应的所述限位安装凹槽(10)和所述限位安装凸块(11)拼接,通过所述手孔在纵向两侧的所述螺孔中旋入所述高强螺栓(33)固定。
5.根据权利要求4所述的空心组合结构管片,其特征在于:
所述空心钢管(5)为圆孔管或方孔管。
6.根据权利要求5所述的空心组合结构管片,其特征在于:
所述空心组合结构管片(1)环向或纵向拼接时,相邻的所述环向端面或所述纵向端面上均设置有防水垫片(34)。
7.根据权利要求6所述的空心组合结构管片,其特征在于:
所述缀板(8)在相邻的所述空心组合结构管片(1)之间环向设置有多组,每组至少两层。
8.如权利要求7所述的空心组合结构管片的施工方法,其特征在于:
所述方法包括:
在工厂预制空心组合结构管片(1);
将空心组合结构管片(1)运输至现场安装;
环向拼接时,在环向相邻的空心组合结构管片(1)的环向端面加装防水垫片(34),彼此对应的限位安装凸块(11)插入限位安装凹槽(10),从手孔向螺孔中旋入高强螺栓(33)固定,实现环向拼接;
纵向拼接时,在纵向相邻的空心组合结构管片(1)的纵向端面加装防水垫片(34),彼此对应的限位安装凸块(11)插入限位安装凹槽(10),从手孔向螺孔中旋入高强螺栓(33)固定,实现纵向拼接。
9.根据权利要求7所述的空心组合结构管片的施工方法,其特征在于:
在工厂预制空心组合结构管片(1),包括:
加工空心钢管(5),弯折形成弯曲钢管;
在空心钢管(5)外周焊接栓钉;
将各个空心钢管(5)与缀板(8)进行焊接,组成钢管骨架;
将钢管骨架置于空心组合结构管片(1)的模具中,在空心钢管(5)外、模具内浇筑混凝土(9)。
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