CN117685416A - 一种适用于矩形顶管膜袋堵水结构及堵水方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种适用于矩形顶管膜袋堵水结构及堵水方法，涉及隧道工程技术领域，包括复合堵水垫环，所述复合堵水垫环固定于管片的插接端，在顶进施工时，将前、后两段管片对应的插接端与承接端插接，以实现将所述复合堵水垫环安装于两段管片之间；本发明充分利用了矩形膨胀袋的可膨胀性，克服了传统接头堵水技术方案在应对管片接缝大变形、外部鹰嘴橡胶防水失效的风险工况时，中层止水带因错位而同步失效、注浆补救措施效果有限、难以在全断面快速止水密封的缺陷，可做到快速阻隔外部水体从接缝渗入管内空间的通道，保障管内设备人员的安全，提高了工程建设项目应对风险极端工况的能力。
Description
技术领域
本发明涉及地下隧道工程技术领域，具体涉及一种适用于矩形顶管膜袋堵水结构及堵水方法。
背景技术
矩形顶管相因其综合成本低、施工干扰小、环境友好、断面空间利用率高等显著优势，常被用于地下连接通道、综合管廊、地铁车站等，因上部具有重要道路、建筑物或构筑物而需要隐蔽施工的市区工程建设。
矩形顶管常采用工厂预制的混凝土管节，通过头部掘进设备、尾部顶推设备按设计埋深、路线逐节推入土体中。目前常用的矩形顶管管片接头常采用承插接头，以前一节管节尾部为承接，预埋外钢套环，后一节管片头部为插接，外径略小于承接，并在插接外侧设置有橡胶圈，通过承接外置的钢套环与插接处的橡胶圈挤压产生挤压力阻止外部水流进入内侧。但此类F型接头本身为柔性接口，刚度有限，会因管节不均匀沉降造成接口处橡胶圈受损或偏移，与钢套环之间产生空隙，造成渗漏事故。这种事故的风险系数在大断面、矩形顶管工程穿越富水地层的工况下更大，后果严重程度更高：一方面，开挖面大，更易遭遇不均匀土层或软弱土层，施工期管片姿态与运营期沉降差异控制难度更大，接头变形概率、渗漏风险更大；另一方面，富水地层一般水头大、水量多，一旦渗流发生，轻则需从内侧接缝回灌堵渗浆液、定期排水，污染水体，费时费工，重则水体大量涌入管内，造成设备损毁、人员伤亡、建设停滞。
目前在矩形顶管工程实践中，常采用F型承插接头主要是在后续管节的插接外侧部分粘贴安装1~2道鹰嘴氯丁橡胶，插入承接管节尾部的钢套环后，被外侧钢套环挤压组成外层防水体系，部分设计中还在管片与管片之间增设有木制垫板和挤压式止水带作为中层防水体系（如CN208845194），配合阻水引水装置与引水槽形成内层排水体系。此种防水结构发挥作用依赖管片的姿态控制，常规地层中，前后管节上的应力分布较为均匀，管片贴合紧密，外层防水体系足以隔绝大部分地下水，但在富水复杂地层中，管片与管片之间易发生相对扭转、变形，钢套环与氯丁橡胶之间受力不均，在部分区域形成脱空，防水效果即会大打折扣甚至失效。而此时简易木制垫板和挤压式止水带组成的中层防水体系会因为同样的原因产生孔隙、错位，实际上并不能发挥中层止水的作用。
又如文献2（CN216768563U）中提出的一种利用双层承插板对拉螺栓挤密型顶管管节防水结构，采用了对拉螺栓设计，虽然能保证了钢套环与氯丁橡胶之间的挤密作用，增强了防水接头的强度，但全刚性的连接方案在安装阶段即会对结构产生额外且不可控的安装应力，对接头抵抗错台变形不利；且此种方案采用多组对拉螺栓，对内外插板的开孔精度具有极高的要求，实际生产和施工中很难满足；此外，对拉螺栓孔内未采取有效的防水措施，甚至可能因为开孔而致使地下水更容易侵入管节结构内部，造成钢筋锈蚀，对管片结构安全产生次生危害。
此外，按现有的技术方案，一旦防水接头发生破坏，防水功能即永久丧失，只能人工在管片内侧通过分布的少量注浆孔向接缝中注入高粘度抗分散速凝浆液来进行封堵处理。这种处理措施在水流较大时又会因浆液被水流快速稀释而不能保证快速凝结，堵水时效无保障，十分被动。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于矩形顶管膜袋堵水结构及堵水方法，充分利用了矩形膨胀袋的可膨胀性，克服了传统接头堵水技术方案在接缝大变形、外部鹰嘴橡胶防水失效时，注浆补救措施效果有限、难以在全断面快速止水密封的缺陷，可做到快速阻隔外部水体从接缝渗入管内空间的通道，保障管内设备人员的安全，提高了工程建设项目应对风险极端工况的能力。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明：包括复合堵水垫环，所述复合堵水垫环固定于管片的插接端，在顶进施工时，将前、后两段管片对应的插接端与承接端插接，以实现将所述复合堵水垫环安装于两段管片之间；
所述复合堵水垫环包括两层隔离板以及设置于两层隔离板之间的膨胀管件，所述膨胀管件包括矩形膨胀袋、多个固定带以及注浆软管；两层所述隔离板沿横截面中线开有矩形槽，所述矩形膨胀袋设置于矩形槽内；多个所述固定带均与矩形膨胀袋固定，且其夹持固定于两层隔离板之间；两层所述隔离板上开设有与矩形槽连通的直槽，所述注浆软管设置于直槽内，所述注浆软管一端与矩形膨胀袋连通固定，且所述注浆软管的另一端延伸至管片的内部空间，通过所述注浆软管注入浆液至矩形膨胀袋内使其膨胀，以实现相邻两段管片之间的防水密封。
优选的，所述注浆软管的数量为多个，且多个所述注浆软管分布于管片的顶部与底部，通过管片底部的所述注浆软管注入浆液，位于管片顶部的所述注浆软管排出浆液，以实现矩形膨胀袋内的浆液填实与替换。
优选的，所述隔离板为木制复合板，所述矩形膨胀袋为框形结构的弹性橡胶膜袋，所述注浆软管、矩形膨胀袋与固定带采用热接工艺一次连接成型，所述隔离板通过耐候胶结剂粘接固定于管片的断面。
优选的，所述管片的承接端外侧与内侧分别设置有围绕其一周的外侧承接钢环与内侧承接钢环；所述管片的插接端外侧与内侧分别设置有围绕其一周的外侧插接钢环与内侧插接钢环，所述管片的插接端外侧还设置有多道围绕其一周的鹰嘴橡胶，所述外侧承接钢环沿顶进轴线向后延伸，且另一段管片的插接端被顶入承接端后，外侧承接钢环与插接端上的多道鹰嘴橡胶紧密贴合。
优选的，所述插接端开设有与管片的内部空间连通的多个减阻泥浆注浆孔，通过所述减阻泥浆注浆孔向管片外侧注入减阻泥浆以降低地层摩阻力。
优选的，所述插接端开设有与管片的内部空间连通的多个堵水压浆孔，多个所述堵水压浆孔用于注入聚氨酯浆液。
优选的，所述外侧承接钢环、内侧承接钢环外侧插接钢环以及内侧插接钢环连接固定有锚固钢筋，所述锚固钢筋延伸至管片的混凝土结构中。
优选的，所述复合堵水垫环中的隔离板为多层。
本发明还提出一种如以上所述的一种适用于矩形顶管膜袋堵水结构的堵水方法，包括以下步骤：
步骤一：将复合堵水垫环粘接固定于一段管片的插接端断面；
步骤二：利用压浆装置通过底部的注浆软管注入高压浆液A，检测矩形膨胀袋是否有破损漏洞，且确认正常无渗漏后，在矩形膨胀袋中保留预先设定的压力；
步骤三：将管片吊入指定位置，启动顶管机件进行顶进，与前一节管片压紧；
施工阶段的正常工况下，外侧承接钢环与鹰嘴橡胶可以紧密接触，形成第一道外部防水措施，可以阻挡外部减阻泥浆或地下水侵入管片内部；
施工阶段遭遇极端工况下，通过底部的注浆软管向注浆循环管路内注入高压浆液A，且该注入压力不小于当前地层勘测水头2倍，将矩形膨胀袋快速撑开，阻断因管片相对错动而在管片断面处产生的入渗通道，再通过油缸对管片姿态进行纠偏后，继续顶进施工，直至顶进完成；
步骤四：顶进施工结束后，通过底部与顶部的注浆软管配合，一边注入速凝浆液B一边排出高压浆液A，将矩形膨胀袋中的高压浆液A置换为速凝浆液B，待速凝浆液B凝固后，在两段管片断面之间形成一道内部防水措施；
步骤五：通过堵水压浆孔向外侧承接钢环与插接端之间残留的空隙注入聚氨酯浆液，在管节接缝处形成第二道外部防水措施。
优选的，所述高压浆液A为水玻璃溶液；所述速凝浆液B为速凝水泥浆液或聚氨酯-水玻璃复合浆液。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：充分利用了矩形膨胀袋的可膨胀性，克服了传统接头堵水技术方案在应对管片接缝大变形、外部鹰嘴橡胶防水失效的风险工况时，中层止水带因错位而同步失效、注浆补救措施效果有限、难以在全断面快速止水密封的缺陷，可做到快速阻隔外部水体从接缝渗入管内空间的通道，保障管内设备人员的安全，提高了工程建设项目应对风险极端工况的能力。
附图说明
图1为本发明整体的立体结构示意图；
图2为本发明中两节矩形顶管拼接前结构示意图；
图3为本发明中两节矩形顶管拼接后结构示意图；
图4为本发明中矩形顶管的截面结构示意图；
图5为本发明中复合堵水垫环的爆炸结构示意图。
图中数字表示：
1：承接端；2-1：外侧承接钢环；2-2：内侧承接钢环；3：插接端；3-1：外侧插接钢环；3-2：内侧插接钢环；4：锚固钢筋；5：减阻泥浆注浆孔；6：堵水压浆孔；7-1：隔离板；7-2：矩形膨胀袋；7-3：注浆软管；7-4：固定带；9：鹰嘴橡胶。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例一
本实施例提供一种技术方案：一种适用于矩形顶管膜袋堵水结构，如图1-4所示，管片（即为矩形顶管）的两端分别为承接端1与插接端3，插接端3插接于承接端1内，进而将相邻的管片对接；
相邻两个管片之间的承接端1与插接端3设有复合堵水垫环，复合堵水垫环的断面形状与插接端3断面相同，其尺寸略小于插接端3断面；复合堵水垫环固定于其中一个管片的插接端断面，具体的安装方式为：在其中一个管片的插接端3断面刷1~2遍耐候胶结剂后，沿插接端3全断面粘贴敷设复合堵水垫环，并在复合堵水垫环的另一面刷1~2遍耐候胶结剂；在后续的顶进施工时，随后将前、后两段管片对应的插接端3与承接端1对接，以实现将复合堵水垫环安装至两段管片之间，使用该方式，以此往复铺设管片。
复合堵水垫环为预制夹心式结构，在预制厂制造之后转运至现场安装，其包括两层隔离板7-1以及设置于两层隔离板7-1之间的膨胀管件，两层隔离板7-1对膨胀管件起到固定的作用，膨胀管件包括矩形膨胀袋7-2、多个固定带7-4以及注浆软管7-3；
在其他的实施例中，隔离板7-1也可为多层，隔离板7-1为木制复合板，隔离板7-1沿横截面中线开有矩形槽，矩形膨胀袋7-2整体为框形结构，且设置于矩形槽内，矩形膨胀袋7-2为弹性橡胶膜袋，矩形膨胀袋7-2在膨胀之后，矩形膨胀袋7-2的两侧均可与两段管片的断面接触，矩形膨胀袋7-2内部的中空，沿复合堵水垫环中线环向通长布置，隔离板7-1上开设有与矩形槽连通的多个直槽，直槽与管片的内部空间连通，注浆软管7-3设置于直槽内，多个直槽与注浆软管7-3根据尺寸分别预留在管片的顶部与底部，而多个注浆软管7-3均与矩形膨胀袋7-2的内侧连通，固定带7-4固定于矩形膨胀袋7-2，固定带7-4夹持固定于两层隔离板7-1之间，以对整个膨胀管件起到固定的作用；
固定带7-4、注浆软管7-3可选用与矩形膨胀袋7-2同样的弹性橡胶材质，并在连接处使用热接工艺一次连接成型，注浆软管7-3另一端深入管片内部空间；位于管片底部的注浆软管7-3为注浆入口，位于管片顶部的注浆软管7-3为注浆出口，利用压浆装置通过注浆入口向复合堵水垫环内注入水泥浆液，注浆出口会将多余的水泥浆液自动排出，以将注浆软管7-3与矩形膨胀袋7-2内填满水泥浆液，避免内部有空隙。
本实施例充分利用了矩形膨胀袋7-2的可膨胀性，克服了传统接头堵水技术方案在应对管片接缝大变形、外部鹰嘴橡胶防水失效的风险工况时，中层止水带因错位而同步失效、注浆补救措施效果有限、难以在全断面快速止水密封的缺陷，可以做到快速阻隔外部水体从接缝渗入管内空间的通道，保障管片内设备人员的安全，从设计上大大提高了工程建设项目应对风险极端工况的能力。
承接端1的外侧与内侧分别设置有围绕其一周的外侧承接钢环2-1与内侧承接钢环2-2；插接端3的外侧与内侧分别设置有围绕其一周的外侧插接钢环3-1与内侧插接钢环3-2；其中外侧承接钢环2-1延伸一定的长度，并且外侧承接钢环2-1与另一段管片的插接端3插接，在插接端3上，贴有1~2道鹰嘴橡胶9，鹰嘴橡胶9与外侧承接钢环2-1接触而起到密封的效果，为了鹰嘴橡胶9与外侧承接钢环2-1能顺利的插接，在外侧承接钢环2-1的端部内侧与鹰嘴橡胶9外侧均开设有斜面。
插接端1开设有与管片的内部空间连通的多个减阻泥浆注浆孔5，通过减阻泥浆注浆孔5向管片外侧注入减阻泥浆以降低管片与地层摩阻力，以便于管片的推进。
内外侧钢环均设有锚固钢筋4，且锚固钢筋4与管片的混凝土结构锚固在一起，以增加稳固性。在施工过程中，先对堵水压浆孔6进行封堵，通过减阻泥浆注浆孔5向管片外侧注入减阻泥浆以降低地层摩阻力，施工结束后再通过堵水压浆孔6向外侧承接钢环2-1与插接端3之间的填充空隙中充入聚氨酯浆液，增强运营阶段的接头防水效果。
实施例二
本实施例提供一种技术方案：一种运用于实施例一中的矩形顶管膜袋堵水接头的堵水方法，如图1-4所示，具体工作方法如下：
管片与复合堵水垫环分别按图纸在预制厂生产、养护至指定强度指标后，转运至顶管施工现场存放地；
优选地，复合堵水垫环中的矩形膨胀袋7-2采用薄壁丁基橡胶制作，按GB/T 528-2009《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》中规定的测试方法需满足如下性能指标：
在插接端3断面上刷1~2遍耐候胶结剂后，沿插接端3全断面粘贴敷设复合堵水垫环；
通过注浆软管7-3向矩形膨胀袋7-2内入高压浆液A，检查是否有破损漏洞，若发现破损漏洞应及时补漏或更换橡胶膜袋；
优选地，高压浆液A为水玻璃溶液，密度1.35-1.45g/ml，粘度小于150mPa·s；
确认矩形膨胀袋7-2正常无渗漏后，在矩形膨胀袋7-2中保留一部分浆液压力（压力大小约为顶进穿越的地层中最大勘测水头压力的10%-20%，且不小于0.01MPa），并将管片按步骤吊入指定位置，启动顶管机进行顶进，与前一节管片压紧；
施工阶段的正常工况下，外侧承接钢环2-1与鹰嘴橡胶9可以紧密接触，形成第一道外部防水措施，可以阻挡外部减阻泥浆或地下水侵入管片内部，此时从内侧观察管片接缝处应为干燥状态；
在施工阶段遭遇极端工况下，若外侧承接钢环2-1变形过大或断裂，而与鹰嘴橡胶9脱开，外侧防水结构失效，此时可以观察到管节接缝处有水渗入，应立即以不小于当前地层勘测水头的2倍注入压力，通过底部的注浆软管7-3向矩形膨胀袋7-2内注入高压浆液A，注入压力不小于当前地层勘测水头2倍，将矩形膨胀袋7-2快速撑开，阻断因管片相对错动而在管片断面处产生的入渗通道；
结合内部人工测量，通过油缸对管片姿态进行纠偏至一定范围后，即可继续顶进施工；此时根据接缝处的水入渗情况调节矩形膨胀袋7-2内的浆液压力，确保矩形膨胀袋7-2的张力足够；
至顶进施工结束后，通过预留的多个注浆软管7-3配合，一边注浆一边排液，将矩形膨胀袋7-2中的高压浆液A置换为速凝浆液B，待速凝浆液B初凝后，在两段管片断面之间形成一道内部防水措施；且再打开堵水压浆孔6向其中注入普通聚氨酯浆液，普通聚氨酯浆液进入到外侧承接钢环与插接端之间残留的空隙，即在管节接缝处形成第二道外部防水措施。
优选地，速凝浆液B为速凝水泥浆液或新拌制的聚氨酯-水玻璃复合浆液；
如采用聚氨酯-水玻璃复合浆液时，其组分比例如下表：
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种适用于矩形顶管膜袋堵水结构，其特征在于：包括复合堵水垫环，所述复合堵水垫环固定于管片的插接端，在顶进施工时，将前、后两段管片对应的插接端与承接端插接，以实现将所述复合堵水垫环安装于两段管片之间；
所述复合堵水垫环包括两层隔离板以及设置于两层隔离板之间的膨胀管件，所述膨胀管件包括矩形膨胀袋、多个固定带以及注浆软管；两层所述隔离板沿横截面中线开有矩形槽，所述矩形膨胀袋设置于矩形槽内；多个所述固定带均与矩形膨胀袋固定，且其夹持固定于两层隔离板之间；两层所述隔离板上开设有与矩形槽连通的直槽，所述注浆软管设置于直槽内，所述注浆软管一端与矩形膨胀袋连通固定，且所述注浆软管的另一端延伸至管片的内部空间，通过所述注浆软管注入浆液至矩形膨胀袋内使其膨胀，以实现相邻两段管片之间的防水密封。
2.根据权利要求1所述的一种适用于矩形顶管膜袋堵水结构，其特征在于，所述注浆软管的数量为多个，且多个所述注浆软管分布于管片的顶部与底部，通过管片底部的所述注浆软管注入浆液，位于管片顶部的所述注浆软管排出浆液，以实现矩形膨胀袋内的浆液填实与替换。
3.根据权利要求1所述的一种适用于矩形顶管膜袋堵水结构，其特征在于，所述隔离板为木制复合板，所述矩形膨胀袋为框形结构的弹性橡胶膜袋，所述注浆软管、矩形膨胀袋与固定带采用热接工艺一次连接成型，所述隔离板通过耐候胶结剂粘接固定于管片的断面。
4.根据权利要求1所述的一种适用于矩形顶管膜袋堵水结构，其特征在于，所述管片的承接端外侧与内侧分别设置有围绕其一周的外侧承接钢环与内侧承接钢环；所述管片的插接端外侧与内侧分别设置有围绕其一周的外侧插接钢环与内侧插接钢环，所述管片的插接端外侧还设置有多道围绕其一周的鹰嘴橡胶；所述外侧承接钢环沿顶进轴线向后延伸，且另一段管片的插接端被顶入承接端后，外侧承接钢环与插接端上的多道鹰嘴橡胶紧密贴合。
5.根据权利要求4所述的一种适用于矩形顶管膜袋堵水结构，其特征在于，所述插接端开设有与管片的内部空间连通的多个减阻泥浆注浆孔，通过所述减阻泥浆注浆孔向管片外侧注入减阻泥浆以降低地层摩阻力。
6.根据权利要求4所述的一种适用于矩形顶管膜袋堵水结构，其特征在于，所述插接端开设有与管片的内部空间连通的多个堵水压浆孔，多个所述堵水压浆孔用于注入聚氨酯浆液。
7.根据权利要求4所述的一种适用于矩形顶管膜袋堵水结构，其特征在于，所述外侧承接钢环、内侧承接钢环外侧插接钢环以及内侧插接钢环连接固定有锚固钢筋，所述锚固钢筋延伸至管片的混凝土结构中。
8.根据权利要求1所述的一种适用于矩形顶管膜袋堵水结构，其特征在于，所述复合堵水垫环中的隔离板为多层。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的适用于矩形顶管膜袋堵水结构的堵水方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将复合堵水垫环粘接固定于一段管片的插接端断面；
步骤二：利用压浆装置通过底部的注浆软管注入高压浆液A，检测矩形膨胀袋是否有破损漏洞，且确认正常无渗漏后，在矩形膨胀袋中保留预先设定的压力；
步骤三：将管片吊入指定位置，启动顶管机件进行顶进，与前一节管片压紧；
施工阶段的正常工况下，外侧承接钢环与鹰嘴橡胶可以紧密接触，形成第一道外部防水措施，可以阻挡外部减阻泥浆或地下水侵入管片内部；
施工阶段遭遇极端工况下，通过底部的注浆软管向注浆循环管路内注入高压浆液A，且该注入压力不小于当前地层勘测水头2倍，将矩形膨胀袋快速撑开，阻断因管片相对错动而在管片断面处产生的入渗通道，再通过油缸对管片姿态进行纠偏后，继续顶进施工，直至顶进完成；
步骤四：顶进施工结束后，通过底部与顶部的注浆软管配合，一边注入速凝浆液B一边排出高压浆液A，将矩形膨胀袋中的高压浆液A置换为速凝浆液B，待速凝浆液B凝固后，在两段管片断面之间形成一道内部防水措施；
步骤五：通过堵水压浆孔向外侧承接钢环与插接端之间残留的空隙注入聚氨酯浆液，在管节接缝处形成第二道外部防水措施。
10.根据权利要求9所述的堵水方法，其特征在于，所述高压浆液A为水玻璃溶液；所述速凝浆液B为速凝水泥浆液或聚氨酯-水玻璃复合浆液。
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