一种基于气囊钢环的盾构管片预加固结构及施工方法与流程

1.本发明属于盾构隧道结构加固技术领域，具体涉及一种基于气囊钢环的盾构管片预加固结构及施工方法。


背景技术：

2.近年来，伴随着我国城市轨道交通迅猛发展，地铁隧道结构的病害问题也越来越多。当隧道受到外部环境干扰时(例如：基坑开挖、临近施工等)，将会改变结构的受力状态，从而导致隧道结构横向变形，严重时将会出现管片开裂、渗漏、螺栓断裂等现象，最终给列车运营带来安全隐患。
3.目前工程中针对盾构管片结构采用的内钢环加固措施，主要是通过粘结材料将钢环粘合于混凝土管片内壁上，接头处采用焊接方式，二者形成一个整体结构，进而共同抵抗外部荷载。虽然该方法能够增强隧道结构的整体刚度，但是施工复杂、工期较长，并且对恢复管片结构已产生的变形影响甚微。
4.另外，工程中针对隧道结构变形的常用整治措施包括：侧向注浆；碳纤维、芳纶纤维布加固；工字钢连接加固。学者们也提出了一些新的加固措施，例如全环通过钢绞线施加预应力加固管片；异形合金加固管片接头；隧道管片整圆器；预应力钢绞线加固管片接头等。
5.从上述加固措施可以看出，目前针对隧道结构管片的加固大多属于变形发生后的补救处理，未能起到预防性的作用。因此，针对隧道结构横向变形的问题，提出一种既能够增强整体刚度，同时又能改善结构变形的管片加固措施将显得尤为重要。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术的上述缺点，本发明的目的在于提供一种基于气囊钢环的盾构管片预加固结构，旨在解决现有技术存在的问题。
7.本发明为达到其目的，所采用的技术方案如下：
8.一种基于气囊钢环的盾构管片预加固结构，包括：
9.衬砌管片，内钢圈层、道床板和固定机构；
10.所述衬砌管片沿所述隧道内部铺设拼接并呈一环形外圈部；
11.所述道床板设于所述环形外圈部的内壁面的底部；
12.所述内钢圈层与所述衬砌管片连接并沿所述环形外圈部的内壁面铺设，所述内钢圈层包括气囊层和钢环层，所述气囊层设于所述钢环层与所述衬砌管片之间；
13.所述内钢圈层与所述固定机构的一端连接，所述固定机构的另一端与所述道床板连接。
14.优选的，所述衬砌管片包括封顶块、邻接块、标准块和封底块，所述封顶块设于所述隧道内部的顶部，所述邻接块与所述封顶块的两侧连接，所述封底块设于所述隧道内部的底部，所述标准块设于所述封底块与所述邻接块之间。
15.优选的，所述钢环层包括上层部和下层部，所述上层部设有用于放置气囊层的凹槽部，在所述凹槽部的两侧设有侧板，所述下层部设有若干与所述凹槽部相通的填充孔。
16.优选的，所述钢环层的左右两端设有钢绞线孔道和螺栓孔。
17.优选的，所述钢环层的左右两端设有连接部，所述连接部包括连接凹槽和连接凸起，所述相邻的钢环层之间通过连接部进行连接，所述相邻的连接部的连接凹槽与连接凸起相配合，所述钢绞线孔道和螺栓孔设于所述连接部。
18.优选的，所述下层部设有若干肋条，所述若干肋条之间形成减重槽。
19.优选的，所述固定机构包括固定支架，在所述固定支架与所述内钢圈层、道床板的连接处分别设有橡胶垫片，在所述固定支架与所述内钢圈层、道床板的连接处还设有用于固定连接的膨胀螺栓件。
20.本发明还公开了一种基于气囊钢环的盾构管片预加固结构的施工方法，包括以下步骤：
21.s1、对内钢圈层进行加工，首先加工钢环层，然后将气囊层安装于钢环层；
22.s2、对内钢圈层进行防锈处理；
23.s3、在道床板上预装固定机构；
24.s4、将内钢圈层的沿所环形外圈部铺设拼接；
25.s5、对内钢圈层的拼接处进行防锈处理；
26.s6、对气囊层填充材料用以对衬砌管片进行加固及纠偏。
27.优选的，在步骤s4中，所述钢环层的左右两端设有连接部，所述连接部包括连接凹槽和连接凸起，所述相邻的钢环层之间通过连接部进行连接，所述相邻的连接部的连接凹槽与连接凸起相配合，所述钢绞线孔道和螺栓孔设于所述连接部，在螺栓孔上设置螺栓件对相拼接的钢环层处进行纵向锚固，在钢绞线孔道上布置横向钢绞线，通过张拉施加预应力。
28.优选的，在步骤s6中，具体操作如下：
29.若在外部环境干扰下隧道出现结构横向变形，此时可对气囊层进行流体材料充填，当隧道结构变形得到抑制则停止充填；
30.隧道结构横向变形若进一步恶化，此时可对气囊层进行固化材料填充，恢复部分已产生的结构变形量，并再次抑制隧道结构的变形发展。
31.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
32.本发明公开的基于气囊钢环的盾构管片预加固结构主要目的是为了预防隧道盾构管片受外荷载影响而产生的横向变形，并考虑到在隧道横向变形发生后，通过填充气囊层使变形量得到一定的改善，并抑制其进一步发展。内钢圈层属于一种预制结构，拼装工艺快捷，并且便于拆卸。适用于受外部环境干扰敏感区域或曲率半径较小的隧道区间。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例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的附图。
34.图1为本发明的结构图；
35.图2为图1中a
‑
a的截面图；
36.图3为图1中a
‑
a的钢环层的上层部的截面图；
37.图4为图1中b
‑
b的截面图；
38.图5为图1中b
‑
b的截面右视图；
39.图6为本发明的固定机构的结构图；
40.图7为本发明的施工方法的流程图；
41.附图标记说明：
[0042]1‑
道床板，2
‑
封顶块，3
‑
邻接块，4
‑
标准块，5
‑
封底块，6
‑
上层部，7
‑
下层部，8
‑
凹槽部，9
‑
气囊层，10
‑
侧板，11
‑
钢绞线孔道，12
‑
螺栓孔，13
‑
连接凹槽，14
‑
连接凸起，15
‑
肋条，16
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减重槽，17
‑
固定支架，18
‑
橡胶垫片，19
‑
膨胀螺栓件，20
‑
钢环层。
具体实施方式
[0043]
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0045]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0046]
参照图1至图7，本发明实施例提供一种基于气囊钢环的盾构管片预加固结构，包括：
[0047]
衬砌管片，内钢圈层、道床板1和固定机构；
[0048]
所述衬砌管片沿所述隧道内部铺设拼接并呈一环形外圈部；
[0049]
所述道床板1设于所述环形外圈部的内壁面的底部；
[0050]
所述内钢圈层与所述衬砌管片连接并沿所述环形外圈部的内壁面铺设，所述内钢圈层包括气囊层9和钢环层20，所述气囊层9设于所述钢环层20与所述衬砌管片之间；
[0051]
所述内钢圈层与所述固定机构的一端连接，所述固定机构的另一端与所述道床板1连接。
[0052]
具体的，所述衬砌管片包括封顶块2、邻接块3、标准块4和封底块5，所述封顶块2设于所述隧道内部的顶部，所述邻接块3与所述封顶块2的两侧连接，所述封底块5设于所述隧道内部的底部，所述标准块4设于所述封底块5与所述邻接块3之间。
[0053]
具体的，所述钢环层20包括上层部6和下层部7，所述上层部6设有用于放置气囊层9的凹槽部8，在所述凹槽部8的两侧设有侧板10，所述下层部7设有若干与所述凹槽部8相通的填充孔。气囊层9也可以采用气囊袋。
[0054]
具体的，所述钢环层20的左右两端设有钢绞线孔道11和螺栓孔12。
[0055]
具体的，所述钢环层20的左右两端设有连接部，所述连接部包括连接凹槽13和连接凸起14，所述相邻的钢环层20之间通过连接部进行连接，所述相邻的连接部的连接凹槽13与连接凸起14相配合，所述钢绞线孔道11和螺栓孔12设于所述连接部。
[0056]
具体的，所述下层部7设有若干肋条15，所述若干肋条15之间形成减重槽16。
[0057]
采用上述结构，钢绞线孔道11用于钢环横向绞合，螺栓孔12用于钢环纵向锚固。相邻的钢环层20之间的接头处采用凹凸槽接口的结构，目的是增大钢环层20之间的咬合力。钢环层20的下层部7设有减重槽16，可以减轻钢环层20的结构自重。
[0058]
具体的，所述固定机构包括固定支架17，在所述固定支架17与所述内钢圈层、道床板1的连接处分别设有橡胶垫片18，在所述固定支架17与所述内钢圈层、道床板1的连接处还设有用于固定连接的膨胀螺栓件19。
[0059]
采用上述结构，利用膨胀螺栓件19对内钢圈层的底端进行竖向锚固，并通过纵向方向的膨胀螺栓件19进一步锚固，钢所述固定支架17与所述内钢圈层、道床板1的连接处分别设有橡胶垫片18，防止锚固过程中造成构件局部损伤。
[0060]
本发明公开的基于气囊钢环的盾构管片预加固结构主要目的是为了预防隧道盾构管片受外荷载影响而产生的横向变形，并考虑到在隧道横向变形发生后，通过填充气囊层9使变形量得到一定的改善，并抑制其进一步发展。内钢圈层属于一种预制结构，拼装工艺快捷，并且便于拆卸。适用于受外部环境干扰敏感区域或曲率半径较小的隧道区间。
[0061]
本发明还公开了一种基于气囊钢环的盾构管片预加固结构的施工方法，包括以下步骤：
[0062]
s1、对内钢圈层进行加工，首先加工钢环层20，然后将气囊层9安装于钢环层20，具体的：首先，结合衬砌管片结构的尺寸大小和所承受的外部荷载，计算钢环层20结构受力及变形参数，以此初步确定钢环层20结构类型及尺寸大小等参数；其次，将气囊袋布置于钢环层20的上层部6的凹槽部8内且两端密封固定，并通过填充孔检查气囊袋的气密性；
[0063]
s2、对内钢圈层进行防锈处理；
[0064]
s3、在道床板1上预装固定机构；
[0065]
s4、将内钢圈层的沿所环形外圈部铺设拼接；
[0066]
s5、对内钢圈层的拼接处进行防锈处理；
[0067]
s6、对气囊层9填充材料用以对衬砌管片进行加固及纠偏。
[0068]
具体的，在步骤s4中，计算在荷载作用下钢环层20结构受力及长期变形状态，初步确定相邻的钢环层20之间的接头形式以及螺栓孔12和钢绞线孔道11的大小及位置：具体的，所述钢环层20的左右两端设有连接部，所述连接部包括连接凹槽13和连接凸起14，所述相邻的钢环层20之间通过连接部进行连接，所述相邻的连接部的连接凹槽13与连接凸起14相配合，所述钢绞线孔道11和螺栓孔12设于所述连接部，在螺栓孔12上设置螺栓件对相拼接的钢环层20处进行纵向锚固，在钢绞线孔道11上布置横向钢绞线，通过张拉施加预应力。
[0069]
具体的，在步骤s6中，具体操作如下：
[0070]
若在外部环境干扰下隧道出现结构横向变形，此时可对气囊层9进行流体材料充填，当隧道结构变形得到抑制则停止充填；
[0071]
隧道结构横向变形若进一步恶化，此时可对气囊层9进行固化材料填充，恢复部分已产生的结构变形量，并再次抑制隧道结构的变形发展。
[0072]
本发明所提供的基于气囊钢环的盾构管片预加固结构，是通过在钢环层20的上层部6的凹槽部8内布置气囊层9，当隧道结构因横向变形发展需要进一步加固时，通过向气囊层9内填充流体或固体材料，使衬砌管片受力更加均匀，一方面抑制结构横向变形的发展，一方面减小已经产生的变形量。预制钢环层20之间通过纵向螺栓和横向钢绞线连接，增强了钢环层20之间的刚度，钢环层20底部嵌于固定支架17，并通过螺栓锚固。整个结构采用预制拼装方式，操作简单，便于拆卸。该内钢圈层在拼装完成后，可对隧道结构起到预防加固的作用，并且在隧道结构发生横向变形时，通过简单的操作就可以对隧道结构进行二次加固并抑制横向变形的发展。另外，当隧道结构产生较大横向变形时，可通过向气囊层9内填充固化材料，以此减小隧道横向变形量，并进一步抑制变形的发展。填充加固过程工序简单，气囊层9填充材料的选取可适用不同情况，填充过程灵活机动，在改善结构横向变形的同时，提高结构的整体受力和协调性，并且加固时基本不会影响列车的正常运营。
[0073]
与现有隧道结构变形整治技术，本方法具有以下优点：
[0074]
1)该结构属于预制拼装结构，在进行隧道管片加固时，具有操作简单、周期较短、拆卸方便的特点。
[0075]
2)该内钢圈层结构在加固隧道管片的同时，可通过填充气囊层9为衬砌管片提供二次预加固处理。
[0076]
3)该加固结构可提供三种加固形式，包括钢环层20自身加固、气囊层9填充流体材料加固和气囊层9填充固体材料加固，在实际工程中可根据管片不同横向变形程度，采取不同的加固形式，以此更有效地对结构横向变形进行控制及恢复，从而保障隧道结构的整体稳定性和服役性。
[0077]
于本文的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、等方位或位置关系,仅是为了便于描述和简化操作，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
[0078]
在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。
[0079]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
[0080]
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。