盾构隧道直线段管环结构刚度蜗轮蜗杆式加强装置的制作方法

本发明属于隧道工程技术领域，涉及一种在盾构隧道直线段管环结构刚度的蜗轮蜗杆式加强装置。

背景技术：

盾构隧道衬砌一般是在盾尾通过预制管片拼装而成的，管片接缝分为纵向接缝和环向接缝，拼缝处是衬砌结构受力的薄弱环节。盾构隧道相邻管环结构整体性主要依靠环间螺栓来维持，在施工工程中由于各种原因会出现纵向变形，其中包括台车振动荷载、渗漏、不同地质、不同埋深、不同施工因素、约束差异、不同地面荷载以及不同周边环境变化等各种因素。隧道的抗纵向变形能力很脆弱，引起隧道变形的因素通常是导致隧道变形向不利的方向发展。在隧道纵向变形或曲率半径达到一定的量值后，管环变形会侵占盾构隧道结构建筑界限，严重情况下，就可能出现管片环缝张开量过大而漏水或管片纵向受拉破坏，影响盾构隧道的安全性和使用性。

特别是在施工期，由于地层扰动初期盾构隧道不均匀沉降较为严重，隧道相邻管环间出现的张开变形及错位变形等工程问题可能会更加明显。目前盾构隧道相邻管环结构稳固性主要依靠环间螺栓来维持，缺少一种相邻管环结构刚度主动加强装置，所以亟待研制一种相邻管环结构刚度加强装置，主动加强仍处在施工期的盾构隧道管环结构。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种盾构隧道直线段管环结构刚度蜗轮蜗杆式加强装置，技术方案如下：

一种盾构隧道直线段管环结构刚度蜗轮蜗杆式加强装置，用于主动加强的盾构隧道相邻管环间的刚度，包括加固拉杆2，设置在加固拉杆2两端的固定端1和加载端3，其特征在于，

所述固定端包括以圆形剪力键相互连接的固定螺杆11和旋转端台12，旋转端台12能够绕固定螺杆11轴自由旋转，旋转端台12设置有用以穿插加固拉杆2的中间孔，在中间孔处设有防止加固拉杆旋转的榫槽13；

加固拉杆2包括丝杠21部分、光滑圆杆22部分和加固拉杆菱形头23，在靠近加固拉杆菱形头23的位置设置有与防止加固拉杆旋转的榫槽13相匹配的防转榫头24；

加载端包括固定螺杆31、可拆卸旋转扳手32、加载力矩转变箱33、力矩转变箱固定螺栓34和固定端台35五部分，固定端台35以剪力键的形式和固定螺杆31相连接，并可以绕固定螺杆31轴线自由旋转，加载力矩转变箱33通过固定螺栓34与固定端台35紧固在一起。

所述可拆卸旋转扳手32为四角套筒扳手，与加载力矩转变箱上的四角杆相配合，能够自由卸载；

所述加载力矩转变箱33包括变矩箱支架331、主动加载轴332、变矩轴333、从动蜗杆轴334和蜗轮335，其中，主动加载轴332、变矩轴333、从动蜗杆334和涡轮335通过固定轴的位置对部件固定，可拆卸旋转扳手32的底座与主动加载轴332顶部通过四角套筒相连；在变矩轴333上固定有大齿轮和小齿轮，通过大齿轮与固定在主动加载轴332上的齿轮相互咬合，通过小齿轮与固定在从动蜗杆轴334上的齿轮相互咬合；在从动蜗杆轴334上设置有蜗杆，并通过蜗杆与涡轮335相互咬合，蜗轮335设置有与丝杠21相匹配的内螺纹，并通过丝杠21使得蜗轮335靠剪力卡在加载力矩转变箱内，蜗轮335旋转，丝杠21被拉紧，在拉杆的拉力的作用下，相邻管环间相互贴紧，从而加强环间刚度；

蜗轮335设置于加载力矩转变箱33内部，在加载力矩转变箱33内，设置有直径大于丝杠21孔直径的空腔，蜗轮靠剪力卡在加载力矩转变箱内。

本发明在施工期主动提高直线段管环间的刚度，加强衬砌结构的整体性，并在衬砌周围注浆强度达到规范要求和土层扰动较为稳定后可拆卸；当工程进入运营期，在不良地质地段或地震等自然灾害发生时，主动提高直线段管环间的内力，加强衬砌结构的整体性，待衬砌结构加固完成后可拆卸。具有以下优点：

本装置可主动增加盾构隧道直线段管环间刚度加固，有效减少由于恶劣地质条件引起的管环间的错动，为盾构隧道在恶劣类型地区施工增强管环结构的整体性提供了方法措施；2.本装置中，加载装置通过变矩箱中蜗轮及蜗杆等机械装置，零件数目少，结构紧凑，能够较为容易地达到足够大的加载拉力，为盾构隧道施工过程以及后期使用增加了安全保障；3.本装置变矩箱蜗杆的螺旋线升角小于齿合面的当量摩擦角，加载过程中具有自锁性，可防止加固拉杆拉力回弹；4.在施工方面，安装便捷，操作简单，拆卸方便。

附图说明

附图说明

图1是本发明的整体示意图；

图2(a)和(b)分别是固定端主视图及剪力键部位放大图；

图3是加固拉杆图；

图4是加载端主视图；

图5是加载端侧视图；

图6是加载力矩转变箱主视图；

图7是变矩箱内部构造图。

附图说明如下：

1-固定端

11-固定螺杆、12-旋转端台、13-防止加固拉杆旋转的防转榫槽

2-加固拉杆

21-丝杠、22-光滑圆杆、23-加固拉杆菱形头、24-防转榫头

3-加载端

31-固定螺杆、32-可拆卸旋转扳手、33-加载力矩转变箱、34-力矩转变箱固定螺栓、35-固定端台、331-变矩箱支架、332-主动加载轴、333-变矩轴、334-从动蜗杆轴、335-蜗轮

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1-7所示所示，本发明盾构隧道管环结构刚度主动加强装置，包括加固拉杆2，设置在加固拉杆2两端的固定端1和加载端3，本发明可(1)在施工期主动提高直线段管环间的刚度，加强衬砌结构的整体性，并在衬砌周围注浆强度达到规范要求和土层扰动较为稳定后可拆卸；(2)当工程进入运营期，在不良地质地段或地震等自然灾害发生时，主动提高直线段管环间的内力，加强衬砌结构的整体性，待衬砌结构加固完成后可拆卸。

所述固定端包括以圆形剪力键相互连接的固定螺杆11和旋转端台12，为了更好的将加固拉杆2同时插入两端的固定端，旋转端台12可绕固定螺杆11轴自由旋转。

所述旋转端台12的下端深入到固定螺杆11的上部，旋转端台12设置有用以穿插穿插加固拉杆2的中间孔，并设有防止加固拉杆旋转的榫槽13；

加固拉杆包括丝杠21部分、光滑圆杆22部分和加固拉杆菱形头23，在靠近加固拉杆菱形头23的位置设置有与防止加固拉杆旋转的榫槽相匹配的防转榫头24；

加载端包括固定螺杆31、可拆卸旋转扳手32、加载力矩转变箱33、固定螺栓34和固定端台35五部分组成，固定螺杆31固定在管片吊装孔处，固定端台35以剪力键的形式和固定螺杆31相连接，为了更好的配合加固拉杆2，固定端台可以绕固定螺杆31轴线自由旋转，加载力矩转变箱33靠固定螺栓34与固定端台35紧固在一起。

所述可拆卸旋转扳手32为四角套筒扳手，与加载力矩转变箱上的四角杆相配合，可以自由卸载；

所述加载力矩转变箱33包括变矩箱支架331、主动加载轴332、变矩轴333、从动蜗杆轴334和蜗轮335，其中，主动加载轴332、变矩轴333、从动蜗杆334和涡轮335通过固定轴的位置对部件固定，可拆卸旋转扳手32的底座与主动加载轴332顶部通过四角套筒相连；在变矩轴333上固定有大齿轮和小齿轮，通过大齿轮与固定在主动加载轴332上的齿轮相互咬合，通过小齿轮与固定在从动蜗杆轴334上的齿轮相互咬合；在从动蜗杆轴334上设置有蜗杆，并通过蜗杆与涡轮335相互咬合，蜗轮335设置有与丝杠21相匹配的内螺纹，蜗轮335旋转，丝杠21被拉紧，从而产生了我们需要的拉力；

蜗轮335设置于加载力矩转变箱33内部，由于蜗轮直径大于加载力矩转变箱33中穿插丝杠21孔的直径，所以蜗轮靠剪力卡在加载力矩转变箱内。

下面进行详细说明

(1)所述固定端包括固定螺杆11、旋转端台12。

所述固定螺杆长度300mm；

所述旋转端台深入到固定螺杆部分的长度为50mm，上部穿插加固拉杆部分尺寸为80mm×80mm×80mm，中间孔直径为60mm，并设有防止加固拉杆旋转的榫槽。

(2)加固拉杆长度为1660mm，直径为55mm，包括丝杠21部分，其长度为200mm；光滑圆杆22部分，长度为1400mm和加固拉杆菱形头23长度为60mm，外接圆直径为80mm。

(3)加载端包括固定螺杆31、可拆卸旋转扳手32、加载力矩转变箱33、力矩转变箱固定螺栓34、固定端台35五部分组成。

所述固定螺杆31长度310mm；

所述可拆卸旋转扳手32为四角套筒扳手；

所述加载力矩转变箱33由变矩箱支架331、主动加载轴332、变矩轴333、从动蜗杆轴334、蜗轮335；

所述变矩箱支架331尺寸为50mm×100mm×80mm，通过齿轮和蜗杆涡轮等机械装置的传动，其中，主动加载轴332、变矩轴333、从动蜗杆334和涡轮335通过固定轴的位置对部件固定，可拆卸旋转扳手32的底座与主动加载轴332顶部通过四角套筒相连；变矩轴333中大齿轮与主动加载轴332中齿轮相互咬合，小齿轮与从动蜗杆轴334中齿轮相互咬合；从动蜗杆轴334中蜗杆与涡轮335相互咬合。加载过程中，首先由两组齿轮主动加载轴332和变矩轴333对人工施加的转动力矩进行放大，放大倍数可以达到4倍，通过从动蜗杆334对放大后的力矩进行传递和再放大，通过涡轮335作用在加固拉杆上，放大倍数达到64倍，整个变矩箱对力矩放大倍数为256倍，将人工很小的力矩转变为很大的机械力矩。

所述332主动加载轴，轴长35mm，直径为10mm，四角帽部位凸台高度为10mm，齿轮按长度比2:3的位置固定于圆柱轴处，齿轮参数：齿数为12、压力角为20、螺旋角为0、模数为1mm、齿宽为10mm、齿顶高系数为1、顶隙系数为0.25、齿根圆角为0.38。

所述变矩轴333，由轴、大齿轮和小齿轮组成。轴长为12mm，直径为6mm；大齿轮参数：齿数为24、压力角为20、螺旋角为0、模数为1mm、齿宽为10mm、齿顶高系数为1、顶隙系数为0.25、齿根圆角为0.38；小齿轮参数：齿数为12、压力角为20、螺旋角为0、模数为1mm、齿宽为10mm、齿顶高系数为1、顶隙系数为0.25、齿根圆角为0.38。

所述从动蜗杆轴334，由轴，齿轮，蜗杆组成。齿轮参数：齿数为24、压力角为20、螺旋角为0、模数为1mm、齿宽为10mm、齿顶高系数为1、顶隙系数为0.25、齿根圆角为0.38；蜗杆参数：蜗杆头数为1、蜗杆齿宽为46.75、模数为2.5、蜗杆分度圆直径为22.4、压力角为20、导程角为6.37、右旋为2、传动比为62、中心距为88.7。

所述蜗轮335，蜗轮参数：齿顶高系数为1、顶隙系数为0.25、齿根圆角为0.38、齿宽为19.18、齿宽角为117.8、断面重合度为1.88。

所述力矩转变箱固定螺栓34，螺母外切圆直径为14mm，厚度为5mm，螺杆直径为8mm。

所述固定端台35外轮廓尺寸为80mm×100mm×80mm。

本装置含有的固定端包括固定螺杆、旋转端台，固定螺杆主要作用是将本装置固定在管片上，旋转端台可以绕所述固定螺杆中心轴360度旋转，不仅可以使本装置更加安装方便，并且可以应对管片间的角度偏离误差。

本装置含有的旋转端台12处设置了防转榫槽，加固拉杆包括丝杠部分和光滑圆杆部分，丝杠部分设置了防转榫头，从而实现防止加卸载过程中加固拉杆旋转。

本装置含有加载力矩转变箱33，通过扳手可对管环间内力进行精确加载。通过本装置加载，加载过程简单，对可拆卸旋转扳手32转动一周，可以提高主动力0.54mpa，从而实现精确加强直线段管环结构刚度。

应用本实施例的盾构隧道管环结构刚度的涡轮蜗杆式加强装置时，首先，待盾尾管片拼装完成后，用扳手卡住固定螺杆六角螺帽11处，并将其旋入盾构管片的吊装孔中。同样的操作，将固定螺杆31旋入相邻管片吊装孔中。在两个固定螺杆顶部分别安装固定端台35和旋转端台12，再将加载力矩变矩箱33安装到力矩转变箱固定螺栓34后，将加固拉杆从旋转端台12处插入，丝杠部分插入固定端台35，安装可拆卸旋转扳手32，即可使用可拆卸旋转扳手32通过本装置对管环间结构刚度进行加强。加载完成后，可将可拆卸旋转扳手32进行拆除，用于其他管环位置装置的加载。

待盾土层扰动稳定后，可对本装置进行拆除。首先，使用可拆卸旋转扳手32对加载力矩变矩箱33进行卸载，先将加载力矩变矩箱33拆除；第二步拆除加固拉杆，可将加固拉杆从旋转端台12处抽离；最后，将固定端台35和旋转端台12拆除后，将两个固定螺杆旋出。