一种大断面矩形顶管用分块管节的制作方法

1.本实用新型涉及地下隧道工程设计与施工技术领域，具体涉及对矩形顶管用分块管节结构的改进。


背景技术：

2.随着城市地下空间的开发和利用，矩形顶管法的应用需求和应用规模在逐渐扩大，随之而来的是顶管隧道的断面尺寸越来越大，如双车道、三车道的车行隧道，地铁区间隧道、折返线以及地铁车站等。断面尺寸越大，会给管节预制生产、运输、吊装及现场施工带来诸多困难。
3.管节生产一般有两种方式，即现场预制和工厂预制。现场预制要求有用于材料堆放、模具制作、管节制作及支模浇筑、养护、存放等的场地，作业占地面积较大，而地下空间开发项目多位于城市繁华地带，现场是不具备管节预制条件的，且施工效率受外界因素影响较大。工厂预制虽然施工效率高，限制因素较少，但大断面甚至超大断面管节存在异地运输困难，易受超高、超宽、超重等限制，同时，会增加现场吊装施工的难度和带来安全风险。因此，大断面管节分块研究不可避免，但管节分块不宜过度追求重量小而造成分块过多，其原因在于：管片拼装模块越多，接缝就会越多，导致结构稳定性变差，防水难度也变大。
4.对此国内众多研究生产机构提出了如下多种技术构思：
5.中国专利cn201910236242.3采用六块管片，管片间采用斜螺栓连接，管节纵向采用承插口加斜螺栓连接；
6.中国专利cn201910965652.1采用二分及多分管片，管片间采用便捷式接头或台阶式剪力键连接，并内设翼墙或层板进行补强；
7.中国专利201911385135.3采用二分或四分管片，采用锚固棒连接；
8.中国专利202010237773.7采用二分管片，接头处设置uhpc后浇带连接；
9.中国专利202120418500.2采用二分管片，管片间采用弯螺栓连接，管节纵向采用承插口加直螺栓连接；
10.专利202110885157提出采用多分管片建设地铁车站的方法。
11.管片分块后，以上现有技术出现了以下共性技术问题：分块对合（拼装）为一整体管节后，环向的防水密封问题得不到很好的解决。


技术实现要素：

12.本实用新型针对以上技术问题，提供了一种环向防水效果好，纵向连接可靠性高的大断面矩形顶管用分块管节。
13.本实用新型的技术方案是：包括对合的上管片和下管片，所述上管片由上管片长侧墙、顶梁和上管片短侧墙构成一c字形本体；所述下管片由下管片短侧墙、底梁和下管片长侧墙构成一与所述上管片对合构成矩形轮廓的c字形本体；
14.在所述上管片与下管片之间设有环向定位结构和环向连接结构；所述环形定位结
构包括分别设置在所述上/下管片长侧墙、短侧墙端头的环向榫头和环向卯眼，所述环形榫头与环向卯眼相匹配；所述环形连接结构包括分别设置在所述上/下管片长侧墙、短侧墙端头外表面及内表面的预埋件，所述上/下管片上的预埋件处于同一平面，再由钢板将所述上/下管片上的预埋件固定连接，构成管节；
15.所述上管片和下管片分别还设有纵向定位结构与纵向连接结构；所述纵向定位结构为设置在所述上/下管片前、后表面的纵向榫头和纵向卯眼，所述纵向榫头和纵向卯眼相匹配，构成前、后管节的承插纵向定位结构；所述纵向连接结构包括设置在所述上/下管片上的斜螺栓连接结构，所述斜螺栓连接结构包括开设在所述上/下管片内壁上的斜螺栓孔和设置在所述上/下管片前端面或后端面上的预留螺母，使得在本节管节的斜螺栓孔内插入螺栓后可连接至前节管节的所述预留螺母上。
16.所述纵向连接结构还包括预应力连接结构，所述预应力连接结构包括纵向贯穿预埋在所述上/下管片内的预埋钢管，再由钢绞线贯穿各管节的预埋钢管、紧固。
17.处于首节管节上的所述预埋钢管的头端，以及处于末节管节上的所述预埋钢管的尾端分别设有预留锚具。
18.在所述上/下管片的前后表面上分别开设有表面防水凹槽，在前、后管节贴合时，在所述表面防水凹槽内设防水密封材料。
19.在所述上/下管片长侧墙、短侧墙的端面分别开设有端头防水凹槽，所述端头防水凹槽连通所述表面防水凹槽，在所述上、下管片对合时，在所述表面防水凹槽内设防水密封材料。
20.在所述上/下管片的内壁上还开设有与所述表面防水凹槽连通的防水注浆孔。
21.所述上/下预埋件包括一对钢板、若干加筋件和若干锚筋，若干加筋件和若干锚筋均设在一对所述钢板之间焊接为一整体，再固定连接于上/下管片长侧墙、短侧墙的钢筋骨架的端部，对上/下管片进行混凝土浇注时，一对所述钢板的表面外露。相邻管节中的上/下管片的长侧墙和短侧墙交错设置。
22.本实用新型在上下管片构成一整体管节时，所采用的长短墙、端头预埋以及预应力结构，使得本实用新型的管节具备了以下特点：
23.（1）采用上下二分管片进行拼装，并采用错缝拼装形式，满足管片运输、吊装及施工要求，同时保证顶管隧道结构的整体稳定性。
24.（2）管片环向节点处采用刚性连接，即在管片接头处的内外两侧设预埋件，拼装时以刚性的连接件进行连接，既达到稳固连接的目的，内外设有的钢板延长了地下水渗流路径结合防水密封结构，起到良好的防水效果。
25.（3）管节纵向采用斜螺栓加预应力的刚性连接方式，替代传统承插式的柔性连接形式，管节安装和顶进时采用斜螺栓连接，管节顶进完成后通过预应力连接成整体，预应力张拉后将顶管隧道连成整体 ，确保隧道整体稳定性好，抵抗不均匀沉降，后期运营更安全。
26.（4）分块管片具有模块化、标准化、工厂化特点，预制施工效率高、工期快，节省成本。
附图说明
27.图1是本实用新型的结构示意图，
28.图2是本实用新型处于装配状态的立体示意图，
29.图3是本实用新型中上管片的立体示意图，
30.图4是本实用新型中上管片的结构示意图，
31.图5是图4中a-a剖视图，
32.图6是本实用新型中上管片末节的结构示意图，
33.图7是本实用新型中上管片首节的结构示意图，
34.图8是本实用新型中下管片的立体示意图，
35.图9是本实用新型中下管片的结构示意图，
36.图10是图9中b-b剖视图，
37.图11是本实用新型中下管片末节的结构示意图，
38.图12是本实用新型中下管片首节的结构示意图，
39.图13是本实用新型中预埋板件的立体示意图，
40.图14是本实用新型相邻管片纵向连接的示意图，
41.图15是本实用新型上、下管片环向连接的示意图，
42.图16是图15中c-c视图，
43.图17是本实用新型管节连接状态的结构示意图。
44.图中1是上管片，101是上管片长侧墙，102是上管片短侧墙；
45.2是下管片，201是下管片短侧墙，202是下管片长侧墙，
46.3是首节管，4是中间管，5是末节管，
47.11是预埋钢管，111是预留锚具，
48.12是斜螺栓孔，121是预留螺母，122是螺栓，
49.13是纵向榫头，131是纵向卯眼，
50.14是表面防水凹槽，141是端头防水凹槽，
51.15是预埋件，151是加筋件，152是锚筋，
52.16是环向榫头，161是环向卯眼，
53.17是防水注浆孔，18是格栅钢板。
具体实施方式
54.本实用新型如图1-17所示，一种大断面矩形顶管用分块管节，包括对合的上管片1和下管片2，上管片1由上管片长侧墙101、顶梁和上管片短侧墙102构成一c字形本体；下管片2由下管片短侧墙201、底梁和下管片长侧墙202构成一与上管片1对合构成矩形轮廓的c字形本体；
55.在上管片1与下管片2之间设有环向定位结构和环向连接结构；环形定位结构包括分别设置在上/下管片（在对本案技术方案详细描述中，所采用的“/”为和的含义）长侧墙、短侧墙端头的环向榫头16和环向卯眼161，环形榫头16与环向卯眼161相匹配；环形连接结构包括分别设置在上/下管片长侧墙、短侧墙端头外表面及内表面的上/下预埋件15，上/下预埋件15处于同一平面、再由格栅钢板18将上/下预埋件15固定连接，构成管节；本实例中格栅钢板18焊接于上/下预埋件15，这样上/下管片环向通过格栅钢板18连接形成刚性连接，不仅连接可靠，还具有极佳的防水性。
56.上管片1和下管片2分别还设有纵向定位结构与纵向连接结构；纵向定位结构为设置在上/下管片前、后表面的纵向榫头13和纵向卯眼131，纵向榫头13和纵向卯眼相匹配131，构成前、后管节的承插纵向定位结构；纵向连接结构包括设置在上/下管片上的斜螺栓连接结构，斜螺栓连接结构包括开设在上/下管片内壁上的斜螺栓孔12和设置在上/下管片前端面或后端面上的预留螺母121，使得在本节管节的斜螺栓孔12内插入螺栓122后可连接至前节管节的预留螺母121上。
57.参见图5至图7，以及图17，纵向连接结构还包括预应力连接结构，预应力连接结构包括纵向贯穿预埋在上/下管片内的预埋钢管11，再由钢绞线贯穿各管节的预埋钢管、紧固。通过钢绞线使得管节之间紧密贴合。
58.参见图11和图12，处于首节管节上的预埋钢管11的头端，以及处于末节管节上的预埋钢管11的尾端分别设有预留锚具111。预留锚具111用于保持穿插在预埋钢管11内钢绞线的拉力，使得管节之间始终紧密贴合。
59.参见图15，在上/下管片的前后表面上分别开设有表面防水凹槽14，在前、后管节贴合时，在表面防水凹槽14内设防水密封材料。
60.参见图16，在上/下管片长侧墙、短侧墙的端面分别开设有端头防水凹槽141，端头防水凹槽141连通表面防水凹槽14，在上、下管片对合时，在表面防水凹槽内设防水密封材料。
61.参见图10，在上/下管片的内壁上还开设有与表面防水凹槽14连通的防水注浆孔17。
62.参见图13，所述上/下预埋件15包括一对钢板、若干加筋件151和若干锚筋152，若干加筋件151和若干锚筋152均设在一对所述钢板之间焊接为一整体，再固定连接于上/下管片长侧墙、短侧墙的钢筋骨架的端部（管片内部的钢筋骨架在图中未显示），对上/下管片进行混凝土浇注时，一对钢板的表面外露。
63.参见图2，相邻管节中的上/下管片的长侧墙和短侧墙交错设置。采用交错设置，避免管片之间形成通缝，可以提高管节之间的连接稳定性，保证顶管隧道整体结构的稳定性。
64.本实用新型的施工方法如下：
65.s1、管模预制：按照设计要求制作上、下管片的管模。
66.s2、管片预制：在工厂准备预埋件、加筋件、预留螺母、预埋钢管、预留锚具等有关材料，在管片钢筋笼绑扎时预埋，随后浇筑混凝土，养护成型后形成如设计要求的上、下管片，并对管片的接头端面和前、后端面打磨平整。
67.s3、管片运输：通过运输车从工厂将管片运输至施工现场，按照管片类型分类堆放。
68.s4、管片拼装：在顶管施工现场顶管始发井内，将下管片2、上管片2依次吊装下井并有相应的拼装台车配合进行管片拼装，并在接头处安装防水材料（如遇水膨胀胶条），形成完整管节。
69.s5、管节安装：在顶管施工过程中，在拼装管节前端安装防水材料，并将管节推进并与前方管节对准和贴紧，拧入斜螺栓12并固定。
70.s6、管节顶进：在顶管施工过程中，启动主顶装置推动顶管机和管节向前顶进，期间按照步骤s4和步骤s5持续安装管节，直至顶管完成贯通，最后进行洞门封堵。
71.s7、防水注浆：顶管隧道贯通后，通过防水注浆孔17向管节间隙注入防水材料（如聚氨酯）。
72.s8、预应力连接：向管节内的预埋钢管11内穿入预应力钢束，分别在始发井和接收井内进行张拉并锚固，向预埋钢管11内灌注填充材料，并再次将所有斜螺栓12拧紧。
73.本实用新型技术方案的补充说明：
74.管节包括首节管、末节管和标准管，按照上下分块原则可将首节管、末节管和标准管均分成上管片和下管片，上管片包括顶板和侧墙，下管片包括底板和侧墙。
75.（1）为避免管节通缝，将标准管分成两种类型，即标准管ab和标准管cd，标准管ab中的上管片a的左侧墙较长、右侧墙较短，下管片b的左侧墙较短、右侧墙较长；标准管cd中的上管片c的左侧墙较短、右侧墙较长，下管片d的左侧墙较长、右侧墙较短。整体连接后，如图1、17所示。
76.（2）特殊地，上管片a和上管片c各有两个向下的竖向接头，每个竖向接头预设两道防水槽口、一道竖向凸榫、两道预埋件和四道加筋件，下管片b和下管片d各有两个向上的竖向接头，每个竖向接头预设两道防水槽口、一道竖向凹槽、两道预埋件和四道加筋件。
77.（3）标准管ab和标准管cd沿管节环向设有若干位置和数量均匹配的预埋钢管，前端设若干纵向凸榫、若干防水注浆孔和若干斜螺栓孔，后端设若干预留螺母和若干纵向凹槽，纵向凸榫、纵向凹槽和防水注浆孔的位置和和数量均匹配。
78.（4）首节管和末节管同样具有两种类型，即首节管ab和首节管cd、末节管ab和末节管cd，但实际生产时只预制其中一种类型，首节管和末节管不同类型的选择均是根据与首节管和末节管相邻的最近标准管的类型确定。
79.（5）首节管与标准管的不同之处在于，管节前端取消了纵向凸榫、防水注浆孔、斜螺栓孔的设置，而在预埋钢管的前端设有预埋锚具；末节管与标准管的不同之处在于，管节后端取消了纵向凹槽和预留螺母的设置，而在预埋钢管的后端设有预埋锚具。
80.（6）预埋件由锚筋锚固于管片的竖向接头内，每个竖向接头的内外各设一道预埋件，并通过若干加筋件连接，预埋件和加筋件之间由传统的钢筋骨架与混凝土结构填充，上、下管片通过连接件对预埋件的刚性连接形成完整管节。
81.（7）管节安装时，在后管节内的斜螺栓孔内插入斜螺栓至前管节的预留螺母内并固定；管节顶进完成后，在首节管和末节管的两端穿入预应力钢束，并进行预应力张拉、锚固、灌浆等后张工序，并再次将斜螺栓拧紧，便完成管节纵向连接。
82.（8）管节安装时，在竖向接头和纵向接头前端的防水槽口内安装防水材料（遇水膨胀胶条）作为结构防水；管节顶进完成后，通过防水注浆孔向管节缝隙注入防水材料（如聚氨酯）实现管节自身永久防水；通过置换注浆孔向管节与土体的间隙压注固化浆液使周边土体固化形成管节外防水。
83.最后，综合考虑管节结构受力、节点防水、管片预制、吊装及运输等因素，本实用新型进一步认为，隧道断面面积介于50~80m2之间时，推荐采用二分管片；隧道断面面积大于80m2时，采用四分或六分及其他分块形式的管片，其结构形式参考本案说明书内容。本实用新型所设定的大断面为断面面积大于50 m2，小于100 m2。