一种适用于矩形隧道的管片结构及其拼装方法
【专利摘要】本发明涉及矩形隧道，具体涉及一种适用于矩形隧道的管片结构及其拼装方法，所述管片的五面覆盖有钢板以构成半封闭结构，即分别在所述管片的两端面、两侧面以及顶面或底面覆盖钢板。本发明的优点是，通过合理布置，使钢板受拉、混凝土受压，不必配置管片中的受力钢筋，只需布置构造钢筋即可；与混凝土管片相比可以减小矩形隧道的管片厚度，采用此种复合结构管片可以满足大断面矩形隧道的受力要求，有利于矩形断面隧道的推广应用；在管片的两端布置钢结构接头箱，满足矩形盾构隧道的受力要求；在钢结构接头箱与混凝土之间布置过渡结构，从而提高管片结构的安全储备，避免不同计算模型与分析参数带来的管片受拉区与受压区区分的不确定性。
【专利说明】一种适用于矩形隧道的管片结构及其拼装方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及矩形隧道，具体涉及一种适用于矩形隧道的管片结构及其拼装方法。【背景技术】
[0002]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。
[0003]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11.6mX6.4m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，与传统圆形断面盾构隧道相比，矩形盾构隧道具有以下显著的优势:
O断面利用优势: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)施工深度浅: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，其施工深度也较深，施工成本较高；而矩形隧道施工深度浅；
3)节省地下空间: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)断面切削量小: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: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。
[0004]综上所述，矩形盾构隧道在现代城市建设中具有开发价值与推广前景。
[0005]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以降低管片厚度，从而使大断面的矩形盾构隧道的建设成为可能。
【发明内容】
[0006]本发明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结构及其拼装方法，该管片结构均为五面覆盖有钢板的半封闭结构，以满足大断面矩形盾构隧道的受力要求。
[0007]本发明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结构，涉及预制复合管片，其特征在于所述复合管片的五面覆盖有钢板以构成半封闭结构，即分别在所述复合管片的两端面、两侧面以及顶面或底面覆盖钢板。
[0008]所述复合管片两侧面设置钢结构接头箱，通过直螺栓实现所述复合管片之间的连接。
[0009]所述管片的两侧缘区域布置有过渡结构，实现钢结构接头箱与混凝土结构的有效连接，在所述过渡结构的顶面和底面上都覆盖有钢板。
[0010]所述钢板的表面布置有一定数量的栓钉，以使所述钢板与所述复合管片构成一体，实现所述复合管片内的混凝土与钢板的共同作用。
[0011]各所述复合管片均具有一定的弧度。
[0012]一种涉及上述适用于矩形隧道的管片结构的拼装方法，其特征在于至少包括如下步骤:分别将所述复合管片放置于所述矩形隧道的拱底、侧墙以及拱顶以构成拱底管片、侧墙管片以及封顶管片；放置时，使所述拱底管片和封顶管片不具有钢板的一面位于外弧面，使所述侧墙管片不具有钢板的一面位于内弧面。
[0013]所述复合管片的放置次序依次为拱底管片、两侧的侧墙管片以及封顶管片，在放置时将相邻所述复合管片之间的钢结构接头箱对齐，通过安装直螺栓以使相邻所述复合管片之间拼装成环。
[0014]所述复合管片的放置次序依次为拱底管片、两侧的侧墙管片以及封顶管片，在放置时将相邻所述复合管片之间的钢结构接头箱对齐，通过安装直螺栓以使相邻所述复合管片之间拼装成环。
[0015]本发明的优点是，通过材料的合理布置，使钢板受拉、混凝土受压，不必配置管片中的受力钢筋，只需布置构造钢筋即可；与混凝土管片相比，可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隧道的受力要求，有利于矩形断面隧道的推广应用；同时通过在管片结构上布置过渡结构可提高管片结构的安全储备，避免不同计算模型与分析参数带来的管片受拉区与受压区区分的不确定性。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明中矩形盾构隧道的内、外弧面上钢板布置图；
图2为本发明中管片衬砌布置图；
图3为本发明中钢结构接头箱、过渡结构以及管片之间的连接示意图；
图4为本发明中管片的钢结构接头箱的侧面螺栓孔布置图。
【具体实施方式】
[0017]以下结合附图通过实施例对本发明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1-4，图中标记1-17分别为:侧墙管片1、管片1.1、管片1.2、钢板2、封顶管片3、钢板4、侧墙管片5、管片5.1、管片5.2、拱底管片6、钢板7、钢板8、手孔9、纵向螺栓孔10、过渡结构11、钢结构接头箱12、钢结构接头箱13、过渡结构14、螺栓孔15、手孔16、栓钉17。
[0018]实施例:如图1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结构及其拼装方法，该矩形隧道呈圆角矩形状，主要由位于隧道底部的拱底管片6、位于隧道两侧的侧墙管片I和侧墙管片5、位于隧道顶部的封顶管片3构成，各管片之间的环向拼装面通过直螺栓连接。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力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力钢筋，只布置构造钢筋，在各管片的五个面上覆盖钢板构成半封闭结构，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。
[0019]首先对本实施例中所提及的管片的六个面作如下约定，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管片的侧面即为相邻管片之间的纵缝接触面；④管片的端面即为相邻管节之间的环缝接触面。
[0020]如图1、3所示，位于隧道底部的拱底管片6为复合管片结构，其截面呈矩形状，具有一定的弧度，以改善管片的受力状态；在拱底管片6的两端面、两侧面以及内弧面，总共五个面上覆盖有钢板以构成拱底管片6的半封闭复合管片结构，各钢板表面布设有一定数量的栓钉17，从而保证钢板与混凝土之间的共同作用，位于内弧面上的钢板7为受拉钢板，通过与混凝土材料的结合起抗拉作用。
[0021]如图1、3所示，侧墙管片I和侧墙管片5分别位于隧道的两侧，两者结构相同，对称设置，以位于隧道左侧的侧墙管片I为例进行说明:侧墙管片I同样为复合管片结构，具有一定的弧度，其截面呈“[”型，具体由呈“「”型的上管片1.1和呈“ L”型的下管片1.2拼接构成；在侧墙管片I的两端面、两侧面以及外弧面，总共五个面上覆盖有钢板以构成侧墙管片I的半封闭复合管片结构，各钢板表面布设有一定数量的栓钉17，从而保证钢板与混凝土之间的共同作用，位于外弧面上的钢板2为受拉钢板，通过与混凝土材料的结合起抗拉作用。
[0022]如图1、3所示，封顶管片3位于隧道的顶部，同样为钢筋混凝土结构，具有一定的起拱量；在封顶管片3的两端面、两侧面以及内弧面，总共五个面上覆盖有钢板以构成封顶管片3的半封闭复合管片结构，各钢板表面布设有一定数量的栓钉17，从而保证钢板与混凝土之间的共同作用，位于内弧面上的钢板8为受拉钢板，通过与混凝土材料的结合起抗拉作用。
[0023]如图2、3、4所示，各个管片之间的纵缝通过直螺栓进行连接，管片环之间的环缝同样通过直螺栓进行连接，以封顶管片3为例进行说明:在封顶管片3的两侧缘布置过渡结构11，该过渡结构11的内、外弧面(即受拉区、受压区)上均覆盖有钢板，并在过渡结构11的外侧设置钢结构接头箱12 ;其中封顶管片3 —侧的钢结构接头箱12上开设有若干手孔16，手孔16内具有螺栓孔15。通过手孔16，采用直螺栓与侧墙管片实现连接。
[0024]如图2所示，拱底管片6、侧墙管片I以及侧墙管片5的两侧缘的接头结构与封顶管片3的相同，如侧墙管片5.1的侧缘部位也依次为过渡结构14和钢结构接头箱13，侧墙管片5.1的钢结构接头箱13与封顶管片3的钢结构接头箱12之间通过直螺栓连接成一体；其余的各管片在此不一一赘述。
[0025]在制作上述的各管片时，首先通过焊接或机加工制作半封闭的管片覆盖钢板，并以此作为混凝土的浇注模板。
[0026]如图1-4所示，上述管片的拼装成环的方法为:分别将各个管片放置于矩形隧道的拱底、侧墙以及拱顶以构成拱底管片6、侧墙管片I和5以及封顶管片3 ;放置时，使拱底管片6和封顶管片3不具有钢板的一面位于外弧面，使侧墙管片1、5不具有钢板的一面位于内弧面；各个管片直径采用直螺栓连接。
[0027]本实施例通过对各管片内力的分析，得到管片的受拉与受压区域，从而确定受拉钢板的分布位置，之后通过材料的合理布置，从而实现了钢板受拉、混凝土受压的受力特点，在满足大断面矩形盾构隧道的受力要求的同时，有效减小了矩形隧道的管片厚度，提高了矩形隧道的空间利用率，并且可以在管片中不必配置受力钢筋，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推广应用；在钢结构接头箱与混凝土结构之间设置过渡结构以确保两者之间的有效连接，可提高管片结构的安全储备，避免不同计算模型与参数时带来的管片受拉区与受压区区分的不确定性。
【权利要求】
1.一种适用于矩形隧道的管片结构，涉及预制的复合管片，其特征在于所述复合管片的五面覆盖有钢板以构成半封闭结构，即分别在所述复合管片的两端面、两侧面以及顶面或底面覆盖钢板。
2.根据权利要求1所述的一种适用于矩形隧道的管片结构，其特征在于所述复合管片两侧面设置钢结构接头箱，通过直螺栓实现所述复合管片之间的连接。
3.根据权利要求2所述的一种适用于矩形隧道的管片结构，其特征在于所述管片的两侧缘区域布置有过渡结构，在所述过渡结构的顶面和底面上都覆盖有钢板。
4.根据权利要求1所述的一种适用于矩形隧道的管片结构，其特征在于所述钢板的表面布置有一定数量的栓钉，以使所述钢板与所述复合管片构成一体。
5.根据权利要求1所述的一种适用于矩形隧道的管片结构，其特征在于各所述复合管片均具有一定的弧度。
6.一种涉及权利要求1-5中所述适用于矩形隧道的管片结构的拼装方法，其特征在于至少包括如下步骤:分别将所述复合管片放置于所述矩形隧道的拱底、侧墙以及拱顶以构成拱底管片、侧墙管片以及封顶管片；放置时，使所述拱底管片和封顶管片不具有钢板的一面位于外弧面，使所述侧墙管片不具有钢板的一面位于内弧面。
7.根据权利要求6所述的一种适用于矩形隧道的管片结构的拼装方法，其特征在于所述复合管片的放置次序依次为拱底管片、两侧的侧墙管片以及封顶管片，在放置时将相邻所述复合管片之间的钢结构接头箱对齐，通过安装直螺栓以使相邻所述复合管片之间拼装成环。
【文档编号】E21D11/04GK103557014SQ201310492331
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年10月21日 优先权日:2013年10月21日
【发明者】孙魏, 吴欣之, 薛勇, 温竹茵, 官林星, 余皝, 罗鑫, 孙旻 申请人:上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司