CN203702166U - 一种适用于矩形隧道的管片衬砌环结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及矩形隧道，具体涉及一种适用于矩形隧道的管片衬砌环结构，其特征在于所述管片衬砌环结构的断面呈矩形状，由位于拱底的拱底管片、位于两侧拱腰的拱腰管片以及位于拱顶的封顶管片拼装构成，各所述管片均为混凝土与钢板的复合结构，所述管片的内弧面、外弧面以及纵缝端面覆盖有钢板，且在所述管片的环面布置有环肋板。本实用新型的优点是，通过材料间的合理布置利用，取消了管片中受拉钢筋的配置，只需布置构造钢筋即可，以减小矩形盾构隧道的管片厚度，降低成本，采用此种复合结构管片可以满足大断面矩形盾构隧道的受力要求，有利于矩形断面盾构隧道的大规模推广应用。

Description

一种适用于矩形隧道的管片衬砌环结构

技术领域

本实用新型涉及矩形隧道，具体涉及一种适用于大断面矩形隧道的管片衬砌环结构。

背景技术

伴随着中国城市化的进程，城市的车辆保有量以及人口随之不断增长，为此需要建设越来越多的地下通道和城市地下快速路以解决或缓解城市居民“过街难”和车辆交通拥挤等问题。

1825年英国伦敦泰晤士河下首次采用盾构法掘进道路隧道，断面为11.6m×6.4m的矩形。但由于圆形断面具有结构受力好、易拼装、施工方便等优点，以后的盾构法隧道99%采用圆形，并使用钢筋混凝土管片。从空间利用效率出发，在同等截面积条件下,矩形隧道比圆形隧道更有利。上海是土地资源极为稀缺的城市，地下空间资源是一种有限的资源，也是上海实现城市建设可持续发展的战略性空间资源。拓展开发地下空间资源必须贯彻“资源节约，环境友好”的城市建设理念。如图1所示，相比传统圆形断面盾构隧道22，矩形盾构隧道23具有以下显著的优势：

1）空间利用优势：与圆形断面相比，矩形盾构隧道断面的有效使用面积节约了20％以上，甚至可达到45%；

2）施工深度优势：由于比起类矩形断面，为达到同样需要的建筑布置，圆形断面盾构直径很大，其施工深度H1大于矩形盾构隧道的施工深度H2，施工成本较高；

3）未来开发优势：圆形断面盾构对地下空间的占用率高，而用于较小空间占用率的矩形盾构能为将来的地下开发预留更多的空间；

4）断面切削量优势：与圆形断面隧道相比，矩形断面隧道切削量小，排出泥浆体积少，对环境影响小，施工更为环保，能充分体现“资源节约，环境友好”的施工理念；

5）浅覆土施工优势：圆形隧道为了满足隧道的抗浮要求，隧道的覆土厚度需要满足一定的深度，而矩形、异形隧道埋置深度可以较浅。这样矩形隧道对地下空间资源的占用率就越低，出入口的引道布置就越短，工程建造成本就越低。

6）在圆形隧道无法建设的区域，采用矩形盾构隧道可以实现地下通道的建设。

综上所述，矩形与异形盾构隧道在现代城市建设中具有极高的开发价值与推广前景。

由于矩形盾构隧道的受力特点不同于圆形隧道。在矩形盾构隧道中产生的轴力远小于圆形隧道。圆形隧道管片以偏压为主，而矩形、异形隧道管片以受弯剪为主。在采用混凝土管片的情况下，需要增加管片厚度或增加含钢量。管片厚度增大会导致盾构隧道内部使用空间的减小，采用过高的含钢量会使隧道的经济性能指标降低。此外，由于管片接头需要承受很大的荷载，需要采用钢结构接头箱。采用混凝土管片时钢结构接头箱与混凝土管片本体的可靠连接也存在技术难题。因此急需寻求一种特殊构造的管片衬砌环结构以降低管片厚度，从而使大断面的矩形、异形盾构隧道的建设成为可能。

发明内容

本实用新型的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种适用于矩形隧道的管片衬砌环结构，该管片衬砌环结构由若干管片拼接构成矩形状，各管片采用六面覆盖钢板的复合结构或四面覆盖钢板、内置环肋板的复合结构,以满足大断面矩形隧道的受力要求。

本实用新型目的实现由以下技术方案完成：

一种适用于矩形隧道的管片衬砌环结构，其特征在于所述管片衬砌环结构的断面呈矩形状，由位于拱底的拱底管片、位于两侧拱腰的拱腰管片以及位于拱顶的封顶管片拼装构成，各所述管片均为混凝土与钢板的复合结构，所述管片的内弧面、外弧面以及纵缝端面覆盖有钢板，且在所述管片的环面布置有环肋板。

所述环肋板位于所述管片环面的外部，所述环肋板为钢板。

所述钢板的表面布置有一定数量的指向所述管片内部的栓钉，以使所述钢板与所述混凝土构成一体。

所述环肋板位于所述管片环面的内部，所述环肋板为钢板。

所述环肋板之间布置有一定数量的拉结钢筋和栓钉，以使所述环肋板与所述混凝土构成一体。

所述管片衬砌环结构在拱顶、拱底以及两侧的拱腰部分具有一定的起拱量。

所述拱腰管片呈“[”型,由两块呈“┏”型的管片上、下对称拼装而成。

所述管片的一端纵缝接头上具有一排或两排螺栓安装孔，其另一端纵缝接头上具有预埋螺母，所述预埋螺母的位置与所述螺栓安装孔的位置一一对应，相邻的所述管片间的纵缝通过在所述螺栓安装孔和预埋螺母中设置螺栓进行连接。

所述管片的一端纵缝接头上具有凹槽，其另一端纵缝接头上具有与所述凹槽相对应的凸榫。

本实用新型的优点是，通过材料间的合理布置利用，取消了管片中受拉钢筋的配置，只需布置构造钢筋即可，以减小矩形隧道的管片厚度，降低成本，采用此种复合结构管片可以满足大断面矩形盾构隧道的受力要求，有利于矩形断面隧道的大规模推广应用；该结构可以满足大断面矩形盾构隧道的受力要求，与圆形隧道相比可以提高空间利用效率，可以进行浅覆土施工，在圆形断面无法通过的空间，使矩形通道的建设成为可能。

附图说明

图1为圆形盾构隧道与矩形盾构隧道空间利用率的对比示意图；

图2为本实用新型中管片衬砌环结构示意图；

图3为本实用新型图2中六面覆盖有钢板时复合管片结构A-A剖面图；

图4为本实用新型中矩形隧道转角处管片的平面示意图；

图5为本实用新型图4中的B-B剖面图；

图6为本实用新型中管片环向双排螺栓孔布置示意图；

图7为本实用新型中管片钢板上设置有栓钉的示意图；

图8为本实用新型图2中四面覆盖有钢板且环肋板内置时的复合管片结构A-A剖面图；

图9为本实用新型中管片内部设置有栓钉和拉结钢筋的示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本实用新型的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-9，图中标记1-23分别为：拱腰管片1、封顶管片2、拱腰管片3、拱底管片4、圆弧5、外弧面钢板6、内弧面钢板7、混凝土8、环肋板9、端板10、端板11、迎千斤顶面12、背千斤顶面13、纵缝接头14、螺栓安装手孔15、预埋螺母16、螺栓安装手孔17、吊装孔18、栓钉19、钢模20、拉结钢筋21、圆形断面盾构隧道22、矩形盾构隧道23、施工深度H1、施工深度H2。

实施例：如图2所示，本实施例具体涉及一种适用于大断面矩形隧道的管片衬砌环结构，该管片衬砌环结构呈圆角矩形状，主要由位于隧道拱底的拱底管片4、位于隧道两侧拱腰的拱腰管片1和拱腰管片3、位于隧道拱顶的封顶管片2构成，各管片之间的纵缝、管片环之间的环缝均通过螺栓拼装连接，在拱顶、拱底以及两侧拱腰部分具有一定的起拱量，在转角处由圆弧平滑过渡，共由8段圆弧5组成，以增加受力性能。上述的各管片在采用混凝土管片的情况下，需要增加管片厚度或增加含钢量，而管片厚度的增大会导致盾构隧道内部使用空间的减小，在其内配置过多的受拉钢筋会使隧道的经济性能指标降低。为此在本实施例中我们将取消在混凝土管片中配置受拉钢筋，只布置构造钢筋，在各管片的四个面或六个面上覆盖钢板以构成复合管片结构，从而发挥钢板受拉、混凝土受压的材料特性，在满足大断面矩形盾构隧道受力要求的同时，降低管片厚度，减少混凝土管片的含钢量。

首先对本实施例中所提及的管片六个面作如下约定，以免造成混淆：①管片的内弧面即为其内壁面，位于隧道空间的内部；②管片的外弧面即为其外壁面，位于隧道空间的外部；③管片的端面即为相邻管片之间的纵缝拼接面；④管片的环面即为相邻管节之间的环缝拼接面，即迎千斤顶面和背千斤顶面。

如图2所示，位于隧道底部的拱底管片4采用复合管片结构，其截面呈矩形状，具有一定的起拱量，用于防止拱底管片6的下垂量过大，以确保其水平状态。

如图2所示，拱腰管片1和拱腰管片3分别位于隧道的两侧拱腰处，两者结构相同，对称设置，以位于隧道左侧的拱腰管片1为例进行说明：拱腰管片1同样采用复合管片结构，具有一定的起拱量，其截面呈“[”型，具体由呈“┏”型的上管片1.1和呈“┗”型的下管片1.2拼接构成。

如图2所示，封顶管片2位于隧道的顶部，同样为复合管片结构，具有一定的起拱量。

如图3、7所示，上述的复合管片结构的主体为混凝土8，为提高管片的承载力，分别在其六个面上覆盖钢板，即在管片的内、外弧面覆盖内弧面钢板和外弧面钢板，在管片的纵缝端面分别覆盖端板10和端板11，在管片的两个环面上分别覆盖环肋板9；管片的主要受力构件为各钢板结构，通过调整钢板的厚度，可以满足不同覆土厚度下盾构隧道的受力要求而无需调整盾构机的尺寸。如图7所示，为了加强钢板与混凝土8之间的连接作用，分别在各钢板表面布置有若干指向管片内部的栓钉19，以确保钢板与混凝土8之间构成一体共同作用。

如图2-7所示，各管节之间的环缝通过斜螺栓进行连接，管片之间的纵缝通过直螺栓进行连接。

如图4-6所示为管片衬砌环结构的转角处管片，由三段不同半径的圆弧组成，在管片的一侧纵缝接头14上开设有螺栓安装孔15，另一侧纵缝接头14设置有预埋螺母16，预埋螺母16的设置位置和数量与螺栓安装孔15的设置位置和数量一一对应，当管片接头承受较大弯矩的情况下，可采用双排螺栓安装孔15和预埋螺母16进行连接，双排螺栓安装孔15的布置形式如图6所示；当管片接头需要承受较大剪力的情况下，在纵缝接头14处设置凹凸榫结构，通过凹槽与凸榫之间的嵌合作用提高纵缝接头14的承载能力；在该管片的法向上同样布置有若干吊装孔18，以方便吊装。

如图3-7所示，该复合管片结构的制作流程具体如下：首先对外弧面钢板6、内弧面钢板7、端板10和11、环肋板9各个组成构件进行机加工；然后通过钢板之间的焊接形成钢结构腔体，同时在各钢板的内表面上均匀间隔布置若干栓钉19；将钢结构腔体置于胎膜中，分别在环向和纵向预留螺栓安装手孔和预埋螺母，通过外弧面钢板6上的注浆孔向腔体内充入高流动性混凝土8；之后进行混凝土的养护，最后出厂运输到施工现场进行拼装。

如图8、9，当然该管片也可以采用四面覆盖钢板且环肋板内置的复合结构，管片的主体同样为混凝土8，为提高管片的承载力，分别在其四个面上覆盖钢板，即在管片的内、外弧面分别覆盖内弧面钢板和外弧面钢板，在管片的纵缝端面分别覆盖端板10和端板11；管片的环肋板9位于管片中间，而其环面则为混凝土面；管片的主要受力构件为各钢板结构，通过调整钢板的厚度，可以满足不同覆土厚度下盾构隧道的受力要求而无需调整盾构机的尺寸。由于环肋板9位于管片中间部位，因此采用拉结钢筋21与栓钉19相结合的形式，以确保钢板与混凝土8之间构成一体共同作用；为了能使拉结钢筋21能穿过环肋板9，在拉结钢筋21通过环肋板9的位置处进行开孔。该复合管片结构的制作流程具体如下：首先对外弧面钢板6、内弧面钢板7、端板10和11进行钢结构机加工，之后通过钢板之间的焊接形成半封闭的钢结构腔体，并在该腔体内部焊接环肋板9、栓钉19和拉结钢筋21；然后在其环面采用高精度钢模20，并对钢模20采取密封措施防止漏浆，之后通过注浆孔向腔体内部充入高流动混凝土8。为了纵向螺栓与环向螺栓的安装，在管片内表面预留螺栓手孔。

本实施例通过对各管片内力的分析，并通过材料的合理布置，即采用了上述的复合管片结构，在满足大断面矩形盾构隧道的受力要求的同时，有效减小了矩形盾构隧道的管片厚度，提高了矩形隧道的空间利用率，并且可以取消管片中受拉钢筋的配置，只需布置构造钢筋即可，减少了钢材消耗量，降低了施工成本，提高了经济效益，有利于矩形断面盾构隧道的大规模推广应用；该结构可以满足大断面矩形盾构隧道的受力要求，与圆形隧道相比可以提高空间利用效率，可以进行浅覆土施工，在圆形断面无法通过的空间，使矩形通道的建设成为可能。

Claims (9)

1.一种适用于矩形隧道的管片衬砌环结构，其特征在于所述管片衬砌环结构的断面呈矩形状，由位于拱底的拱底管片、位于两侧拱腰的拱腰管片以及位于拱顶的封顶管片拼装构成，各所述管片均为混凝土与钢板的复合结构，所述管片的内弧面、外弧面以及纵缝端面覆盖有钢板，且在所述管片的环面布置有环肋板。

2.根据权利要求1所述的一种适用于矩形隧道的管片衬砌环结构，其特征在于所述环肋板位于所述管片环面的外部，所述环肋板为钢板。

3.根据权利要求2所述的一种适用于矩形隧道的管片衬砌环结构，其特征在于所述钢板的表面布置有一定数量的指向所述管片内部的栓钉，以使所述钢板与所述混凝土构成一体。

4.根据权利要求1所述的一种适用于矩形隧道的管片衬砌环结构，其特征在于所述环肋板位于所述管片环面的内部，所述环肋板为钢板。

5.根据权利要求4所述的一种适用于矩形隧道的管片衬砌环结构，其特征在于所述环肋板之间布置有一定数量的拉结钢筋和栓钉，以使所述环肋板与所述混凝土构成一体。

6.根据权利要求1所述的一种适用于矩形隧道的管片衬砌环结构，其特征在于所述管片衬砌环结构在拱顶、拱底以及两侧的拱腰部分具有一定的起拱量。

7.根据权利要求1所述的一种适用于矩形隧道的管片衬砌环结构，其特征在于所述拱腰管片呈“[”型,由两块呈“┏”型的管片上、下对称拼装而成。

8.根据权利要求1所述的一种适用于矩形隧道的管片衬砌环结构，其特征在于所述管片的一端纵缝接头上具有一排或两排螺栓安装孔，其另一端纵缝接头上具有预埋螺母，所述预埋螺母的位置与所述螺栓安装孔的位置一一对应，相邻的所述管片间的纵缝通过在所述螺栓安装孔和预埋螺母中设置螺栓进行连接。

9.根据权利要求1所述的一种适用于矩形隧道的管片衬砌环结构，其特征在于所述管片的一端纵缝接头上具有凹槽，其另一端纵缝接头上具有与所述凹槽相对应的凸榫。