一种适用于隧道管片纵缝的连接结构的制作方法

本发明属于隧道管片连接结构领域，更具体地，涉及一种适用于隧道管片纵缝的连接结构。

背景技术：

目前工程中盾构隧道管片环向以及纵向接缝一般均采用先拼装后安装螺栓的方式进行连接。根据螺栓类型不同可分为弯螺栓4，斜螺栓5，短直螺栓6等方式(如图1所示)，但不管何种螺栓连接方式，均需设置手孔3，且在螺栓使用过程中，在大偏心受压情况下，弯矩、轴力联合作用会使得管片接缝张开。以结构受负弯矩为例，管片接缝外侧张开螺栓受拉，接缝内侧混凝土面受压，接缝处于稳定状态。螺栓在一般情况下可满足工程的使用要求，但在软土地层或衬砌环变形较大时，则存在以下问题：1)当衬砌环变形较大时，在弯矩m的作用下管片接缝的张开量θ增加，螺栓的受力f会增加，会导致混凝土的压应力σ增大，当这一趋势继续增大时，受压区混凝土应力σ可能超过混凝土材料的抗压强度，导致管片1破损(如图2所示)；2)采用螺栓的连接方式，例如设置环向螺栓10和纵向螺栓11，其必然要设置手孔(即施工螺栓的孔洞)，手孔的存在会削弱管片结构，而手孔位于靠近接缝位置，尤其是环缝和纵缝连接螺栓接近的管片角部，手孔的削弱影响将会叠加，对接缝处混凝土受压产生显著的不利影响(如图3所示)，如果采用短直螺栓则其对结构的削弱更大。

为了提高接缝处的刚度，现有的一些改进技术提供了如下方法：例如，叶建忠等提出了“一种采用特殊纵向连接件的城市地铁重叠盾构隧道管片结构”(发明专利申请公告号cn104790974a)，该技术主要是在管片的环缝连接中分布若干钢连接件及钢卡槽，通过将钢连接件纵向推入钢卡槽后，再沿环向旋转管片使钢连接件扣入钢卡槽，并使用插销固定后充填空腔。该技术在实际工程应用中提高了管片环缝间的纵向连接刚度，在重叠隧道设计中可减少对地层加固，降低隧道之间的相互影响；再如，肖明清等提出了“一种圆形凹凸榫型盾构隧道管片环间抗剪结构”(发明专利授权公告号cn103924983b)，该技术主要是在管片环缝间沿分布若干个圆形凹凸榫，通过榫结构提高管片环缝间的抗剪能力，改善既有凹凸榫结构在实用中的集中荷载和局部应力，可有效降低局部混凝土受剪破坏的可能。

上述现有技术在实际工程应用中均有效解决了一定的工程问题，特别是对管片环与环之间环缝(即纵向连接)刚度提高起到了明显的作用，其实质均是对环缝(即纵向连接)结构刚度的一种补强措施，也未能替代螺栓的作用，仍然需要采用螺栓连接，并且在管片上预留螺栓手孔，不可避免地造成管片接缝处的结构削弱，并且上述类似的榫槽结构及其实施方式无法在纵缝(即环向连接)直接采用，现有技术中管片的纵缝(即环向连接)仍然采用螺栓连接，其依然存在削弱管片结构，局部应力偏大，进而导致管片破坏的问题。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种隧道管片纵缝的连接结构，其中结合隧道管片纵缝连接的特点，相应设计了适用于管片纵缝的连接结构，通过该管片纵缝连接结构替代现有的螺栓连接结构，在保证接缝刚度的情况下可同时减少接缝螺栓手孔，有效改善接缝处的混凝土受力，降低接缝处混凝土局部受压破坏的风险。

为实现上述目的，本发明提出了一种适用于隧道管片纵缝的连接结构，该连接结构包括预埋在待拼装的第一管片中的连接榫件以及预埋在待拼装的第二管片中的卯件，该待拼装的第一管片与该待拼装的第二管片之间形成一分布方向与隧道掘进方向相同的纵缝，通过所述待拼装的第一管片中的所述连接榫件与所述待拼装的第二管片中的卯件之间的咬合作用以锁紧所述待拼装的第一管片和第二管片，并且达到连接该第一管片和第二管片的目的。

作为进一步优选的，所述连接榫件包括两个端部及用于连接所述两个端部的连接板，其中所述一个端部预埋在管片中，另一个端部位于管片的外部，以用于与其他管片中的卯件相配合。

作为进一步优选的，两个所述端部的截面形状设计成能够有效提供足够端部接触面积的形式，以此通过将所述连接榫件的位于管片外部的端部嵌固入所述卯件中后，以提供接触面上的拉力及压力，从而使两块待拼装的管片形成一个整体结构。

作为进一步优选的，两个所述端部的截面形状优选为矩形、半圆形、圆形、梯形、异形、t型或l型。

作为进一步优选的，所述卯件的形状与所述连接榫件的形状相适应，并且所述卯件的尺寸大于所述连接榫件的尺寸，以此保证拼装时所述连接榫件顺利嵌固入所述卯件中并且最大程度的提供两者的接触面积，保证受力均匀，提高纵缝处的抗弯刚度。

作为进一步优选的，所述卯件的各项尺寸优选比所述连接榫件的各项尺寸大1mm～2mm。

作为进一步优选的，所述第一管片位于纵缝的一端同时设有连接榫件和卯件；同样的，所述第二管片位于纵缝的一端同时设有连接榫件和卯件。

作为进一步优选的，所述第一管片和第二管片采用先径向搭接再纵向推入的方式进行拼装。

按照本发明的另一方面，提供了一种管片环，该管片环中的各个管片之间由所述的连接结构连接。

按照本发明的另一方面，还提供了一种隧道衬砌，该隧道衬砌包括多个管片环，每个管片环中的各个管片之间由所述的连接结构连接。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明创造性的研究设计了适用于管片纵缝(环向连接)的连接结构，通过该连接结构可实现同一管片环上相邻两块待拼装管片的稳定可靠的连接，并且拼装后获得的管片环的整体刚度好，且通过该连接结构的使用，可将管片接缝的环向螺栓及其对应手孔取消，减少了对接缝处管片结构的削弱，提高了接缝处的管片抗压性能。

2.本发明利用预制管片中预埋的榫件与卯件的相互咬合，并通过榫件与卯件之间的接触压力给管片的连接提供拉力，可有效提高管片接缝的刚度。

3.本发明采用预埋构件连接的接头(即榫件+卯件)，免除了螺栓安装的工序，可有效加快管片的拼装速度；此外，本发明的管片结构内壁无外露构件，可减少运营期螺栓脱落的风险。

附图说明

图1(a)-(c)分别是现有管片接缝不同的螺栓连接形式示意图；

图2是管片接头处受力与变形示意图；

图3是螺栓手孔位置示意图；

图4是本发明管片纵缝连接结构示意图；

图5(a)-(c)分别是本发明不同形状榫件与卯件的嵌固示意图；

图6是本发明预制管片纵缝预埋榫卯接头示意图；

图7是本发明预制管片拼装示意图。

图中：1、1＇-管片；2-管片纵缝；3-手孔；4-弯螺栓；5-斜螺栓；6-短直螺栓；7-连接榫件；7-1-端部；7-2-连接板；8-卯件；9-卯件槽口；10-环向螺栓；11-纵向螺栓；12-已拼装管片环；a-管片拼装方向；c-盾构掘进方向。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图4所示，本发明实施例提供的一种适用于隧道管片纵缝的连接结构，该纵缝由两块待拼装的管片(第一管片1和第二管片1＇)形成，如图4和7所示，纵缝2位于待拼装的第一管片1和第二管片1＇之间，并且与隧道的掘进方向相同(即与盾构机的掘进方向相同，图7的c方向)，该连接结构包括连接榫件7和卯件8，其中连接榫件7预埋在纵缝一侧的待拼装的第一管片1中，具体的在第一管片预制过程中在其位于纵缝一侧的端面预埋外露的连接榫件，卯件8预埋在纵缝另一侧的待拼装的第二管片1＇中，具体的在第二管片预制过程中在其位于纵缝一侧的端面预埋嵌固卯件，以此通过纵缝两侧的连接榫件7与卯件8之间形成的咬合作用锁紧第一管片1和第二管片1＇，达到连接第一管片1和第二管片1＇的目的，有效提高管片纵缝刚度。

在一个实施例中，如图4所示，连接榫件7一部分预埋在管片中，一部分外露在管片外，具体的，连接榫件7包括两个端部7-1及用于连接两个端部的连接板部7-2，其中一个端部预埋在管片中，另一个端部位于管片的外部，以用于与其他管片中的卯件相配合。

在一个实施例中，两个端部部7-1的截面形状设计成能够有效提供足够端部接触面积的形式，以此通过将连接榫件7的位于管片外部的一端部部7-1嵌固入卯件8中后，以提供接触面上的拉力及压力，从而使两块待拼装的管片形成一个整体结构。

在一个实施例中，两个端部部7-1的截面形状优选为矩形、半圆形、圆形、梯形、异形、t型、l型等。

在一个实施例中，如图6所示，同一管片上同时预埋有榫件和卯件，进一步增强两块待拼装管片之间的咬合力，提高纵缝连接稳定性及整体刚度。

在一个实施例中，卯件8的形状与连接榫件7的形状相适应，同时考虑一定的制作误差及施工误差，预留一定富余量(b1、d1、h1)，即使卯件8的尺寸大于连接榫件7的尺寸，以确保拼装时连接榫件易于安装且能最大程度的提供接触面积，保证受力均匀，提高纵缝处整体刚度。本发明设计的连接榫件和卯件的形状满足锁紧传力及接头刚度要求，本发明所示的榫卯结构可以提供较大的接触传力面，初始卯件与榫件间拼装时存在空隙便于拼装，受力后结构产生位移卯件与榫件贴紧，榫件和卯件之间产生压力和剪力，起到传力的作用。此外，榫件相较于螺栓连接，可以提供更大的承力面积，而不必担心削弱管片接缝处结构，因而刚度更大。

在一个实施例中，卯件8的各项尺寸优选比连接榫件7的各项尺寸大1mm～2mm。如图5(a)所示，为平板型端板榫件与卯件，如图5(b)所示，为柱(球)型端板榫件与卯件，如图5(c)所示，为异型端板榫件与卯件，其中卯件8的各项尺寸均比连接榫件7的各项尺寸大1mm～2mm。

实际操作时，管片采用先径向(即管片环径向，与盾构掘进方向垂直)搭接再纵向(与盾构掘进方向相同)推入的形式进行拼装：如图7所示，将后序拼装块(第二管片1＇)沿管片环向送至指定位置以搭接在前序拼装块(第一管片1)上，然后将后序拼装块(第二管片1＇)的榫件对齐前序拼装块(第一管片1)上对应的预制卯件槽口9，以及使后序拼装块(第二管片1＇)的卯件对齐前序拼装块(第一管片1)上对应的预制榫件，最后沿纵向将后序拼装管片推入，使其榫件及卯件与前序拼装块上对应的卯件及榫件完全咬合。

本发明的管片纵缝连接结构可用于连接各个管片以形成管片环，而各个管片环相互拼接即可形成隧道的永久衬砌结构。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。