盾构隧道直线段衬砌结构刚度齿轮传动式加强方法与流程

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片结构刚度齿轮传动加强方法。

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，管片间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。盾构隧道相邻管片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，在隧道纵向变形或曲率半径达到一定的量值后，管片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，隧道相邻管片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。目前盾构隧道衬砌结构接缝处刚度主要依靠环间螺栓来维持。国内外对于衬砌管片接缝处刚度的研究主要集中在在不同荷载作用、不同的螺栓预紧力、不同的螺栓根数、不同垫层厚度、不同接头形式等方面，而对于管片拼装完成后再以主动增加相邻管片间内力的方式增强衬砌结构刚度、到施工后期可将内力卸载的研究较少，所以亟待研制一种衬砌结构刚度主动加强装置，得以强化衬砌结构的刚度及其整体性，保护隧道结构建筑界限不受侵占。

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片结构刚度齿轮传动式加强方法，以强化衬砌结构的刚度及其整体性。技术方案如下：

一种盾构隧道直线段衬砌结构刚度齿轮传动式加强方法，用于主动加强的盾构隧道相邻管片间的刚度，所采用的装置包括分别与相邻的管片固定连接的固定端1和加载端4、加固拉杆3和可拆卸加载扳手2，固定端1和加载端4通过加固拉杆3连接。其中，

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3的中间孔，在中间孔处设有防止加固拉杆旋转的榫槽的防转榫槽，固定螺杆11用于将固定端固定连接到一个管片上；

所述加固拉杆3包括固定端加固拉杆31、加载端加固拉杆33和拆卸套筒32，拆卸套筒32内设有分别与固定端加固拉杆31和加载端加固拉杆33的外螺纹相匹配的两段螺纹；

固定端加固拉杆31的端部设有加固拉杆菱形头311和与固定端的防转榫槽相匹配的防转榫头312；

加载端加固拉杆33的一端设置有与拆卸套筒32的内螺纹相匹配的外螺纹，另一端的底部为平面，上部设置有加载齿条334，两侧设置有倒刺齿条333；

所述加载端4包括以圆形剪力键相互连接的固定螺杆和加载力矩转变箱41，固定螺杆用于将加载端4固定连接到相邻的另一个管片上；

在加载力矩转变箱41内设置有加载轴411、变矩轴412、变向轴413、两个棘齿414和拉力弹簧416，加载轴411包括2个相同的同轴齿轮，变矩轴412包括三个同轴齿轮，两边的大齿轮参数相同并与加载轴411上两个齿轮咬合，中间小齿轮的设置用于放大力矩，变向轴413包括一个齿轮，它与变矩轴412的中间小齿轮咬合，变向轴413齿轮较厚，直接与加载齿条334咬合，加载力矩转变箱41内还设有两个棘齿414和两个拉力弹簧416；

传动部分为加载齿条-齿轮传动，可拆卸加载扳手2通过加载轴411施加加载力，齿轮转动带动加载齿条334移动从而形成拉力。

应用上述装置进行盾构隧道直线段衬砌结构刚度齿轮传动式加强时，首先，待盾尾管片拼装完成后，将固定端的固定螺杆旋入管片吊装孔；同样的操作，将加载端的固定螺杆旋入相邻管片吊装孔；安装固定端加固拉杆后，安装加载端加固拉杆，将固定端和加载端通过拆卸套筒固定连接；再使用可拆卸加载扳手施加加载力。

优选地，两个棘齿414布置在加载力矩转变箱41的两侧，棘齿414通过棘齿轴固定在加载力矩转变箱41上，当进行加载时，倒刺齿条333从矩转变箱41中穿过，此时棘齿414在倒刺齿条333齿背上滑动，当加载完成后，棘齿414受拉力弹簧416拉动，卡在倒刺齿条333的齿槽中阻止倒刺齿条333的回缩；

在加载力矩转变箱41内固定有滚轮415，滚轮415用于支撑加载端加固拉杆33。

本发明具有以下优点：

1.本装置可主动增加盾构隧道直线段管片间内力加固，有效减少由于恶劣地质条件引起的管片间的错动，为盾构隧道在恶劣类型地区施工增强管片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齿轮等机械装置，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.由图13的两图可以看出，(1)盾构隧道衬砌接头在相同弯矩的作用下，随着加载前螺栓的预紧力不同，接缝的相对转角数值也产生了较大变化，螺栓的预紧力越大接缝的相对转角就越小。也就是说预紧力越大，接头刚度越大，预紧力小，接头刚度小。(2)由于连接相邻预制管片的螺栓根数越少,相邻管片的约束就越小。所以，本装置既相当于增加了螺栓预紧力，又相当于增加了螺栓根数，所以能够明显增加接头刚度；

4.本装置变矩箱通过布置棘齿，使加载箱在加载过程中具有自锁性，可防止加固拉杆拉力回弹，在施工方面，安装便捷，操作简单，拆卸方便；

5.卸载初期可实现无级卸载，避免了因突然卸载而对衬砌结构造成的破坏；

6.由于国内外对于相邻管片间内力主动加载问题的研究较少，本发明可为以后该领域的研究提供参考。

附图说明

图1是本发明的整体示意图

图2是固定端主视图

图3是加固拉杆图

图4是固定端加固拉杆图

图5是拆卸套筒剖面图

图6是加载端加固拉杆剖面图

图7～8是加载-防缩条构造图

图9是加载端主视图

图10是加载端侧视图

图11是变矩箱齿轮配合图

图12是柱塞棘齿系统示意图

图13(a)转角随螺栓预紧力变化图，(b)转角随螺栓根数变化图

在图1～12中包括有：

1-固定端

11-固定螺杆、12-旋转端台

2-可拆卸加载扳手

3-加固拉杆

31-固定端加固拉杆、32-拆卸套筒、33-加载端加固拉杆、311-加固拉杆菱形头、312-防转榫头、313-光滑圆杆、314-固定端丝杠、331-加载端丝杠、332-光滑圆杆、333-倒刺齿条、334-加载齿条

4-加载端

41-加载力矩转变箱、411-加载轴、412-变矩轴、413-变向轴、414-棘齿、415-滚轮、416-拉力弹簧

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。

现结合上述各附图，提出盾构隧道直线段衬砌结构刚度齿轮传动式加强装置的实施案例。

如图1所示，本发明盾构隧道管片结构内力主动加载装置，包括固定端1、可拆卸加载扳手2、加固拉杆3、加载端4。

如图2所示，所述固定端1包括固定螺杆11、旋转端台12两部分。固定螺杆11长度为300mm；旋转端台12深入到固定螺杆11部分的长度为50mm，固定螺杆11主要作用是通过管片上了吊装孔将本装置固定在管片上。旋转端台12部分尺寸为80mm×80mm×80mm，中间孔直径为60mm。为了能让加固拉杆3顺利的穿过旋转端台12和加载力矩转变箱41，旋转端台12和固定螺杆11之间靠“剪力键”式接头连接，旋转端台12可以绕固定螺杆11中心轴自由旋转。为防止后面加固拉杆3穿入旋转端台12后加固拉杆3在旋转端台12内旋转，所以在旋转端台12穿孔两边设置了防转榫槽；可拆卸加载扳手2手柄长度为300mm，主要在加载时使用。

如图3所示，加固拉杆3长度为1660mm，圆杆直径为55mm，包括固定端加固拉杆31、加载端加固拉杆33和拆卸套筒32部分。如图4所示，固定端加固拉杆31，长度为800mm，设有加固拉杆菱形头311、防转榫头312、光滑圆杆313、固定端丝杠314四部分；如图5所示，拆卸套筒32，长度为350mm，设有两段螺纹，且两段螺纹旋转方向不同；如图6、7、8所示，加载端加固拉杆33包括加载端丝杠331、光滑圆杆332、倒刺齿条333和加载齿条334四部分，其总长度为860mm。

固定端加固拉杆31设有防转榫头，与固定端1一起组成了榫式结构。为了更便捷高效的卸载本装置，设置了拆卸套筒32，拆卸套筒32内设有两段螺纹，一段为顺时针螺纹，一段为逆时针螺纹，分别与固定端加固拉杆31和加载端加固拉杆33以螺栓形式相连接，用右手抓住拆卸套筒32，大拇指指向加载端右手准则，套筒朝其他四指方向旋转时，固定端加固拉杆31与加载端加固拉杆33相互分离，多次小角度旋转拆卸套筒32实现加载拉力的缓慢卸载，保护衬砌结构整体不因突然卸载而损坏。加载端加固拉杆33其传动部分主要是加载齿条-齿轮传动，齿轮转动带动加载齿条334移动从而形成了拉力，为防止加固拉杆3加载拉力后回缩，设置了倒刺齿条333，倒刺齿条333共设有两片，布置在加固拉杆3的两侧，倒刺齿条333齿牙与棘齿414咬合，形成了“柱塞棘齿系统”，防止了加固拉杆3的回缩。如图12所示，棘齿414靠棘齿轴固定在加载力矩转变箱41上，当进行加载时，倒刺齿条333从矩转变箱41中穿过，此时棘齿414在倒刺齿条333齿背上滑动，当加载完成后，棘齿414受拉力弹簧416拉动，卡在倒刺齿条333的齿槽中阻止倒刺齿条333的回缩。

如图9、10、11所示，加载端包括加载力矩转变箱41、加载轴411、变矩轴412、变向轴413、棘齿414、滚轮415、拉力弹簧416组成。

所述加载力矩转变箱41尺寸为50mm×100mm×80mm。所述加载轴411中两个齿轮相同，其参数为，齿数为18、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412，由轴、2个相同大齿轮和小齿轮组成。轴长为45mm，直径为6mm；大齿轮参数：齿数为32、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14、压力角为20、螺旋角为0、模数为1mm、齿宽为20mm、齿顶高系数为1、顶隙系数为0.25、齿根圆角为0.38。所述变向轴413上齿轮参数为，齿数为30、压力角为20、螺旋角为0、模数为1mm、齿宽为20mm、齿顶高系数为1、顶隙系数为0.25、齿根圆角为0.38。所述棘齿414尺寸宽度为10mm，滚轮415外径为8mm，内径为4mm。

固定螺杆11主要作用与上述固定螺杆相同，通过管片上的吊装孔将本装置固定在管片上。为了能让加固拉杆3顺利的穿过加载力矩转变箱41，加载力矩转变箱41和固定螺杆11之间也靠“剪力键”式接头连接，加载力矩转变箱41可以绕固定螺杆11中心轴自由旋转。加载力矩转变箱41内，传动轴有加载轴411、变矩轴412和变向轴413。加载轴411上有2个相同的同轴齿轮，设置两个齿轮是为了加强传动系统的可靠性和耐久性。变矩轴412上有三个同轴齿轮，两边大齿轮参数相同并与加载轴411上两个齿轮咬合，中间小齿轮的设置实现了力矩放大的作用。变向轴413上只有一个齿轮，它与变矩轴412中间齿轮咬合，变向轴413齿轮设置较厚，是因为它直接与加载齿条334咬合，受力较大。同时加载力矩转变箱41内还设有2个棘齿414和两个拉力弹簧416，两个棘齿415布置在加载力矩转变箱41的两侧，加载时靠拉力弹簧416将棘齿414拉回原位，卡住“倒刺齿”，防止加固拉杆3的回缩，同时在卸载后期，可以用手扳动棘齿414，将加固拉杆3从加载力矩变矩箱41内抽出。为了减小加固拉杆3和加载端4在加载时的摩擦力，特别设置了2个滚轮415，它们与加固拉杆上加载齿条334对面的平面相接处，以滚动摩擦的方式替代了滑动摩擦，大大减小了摩擦阻力，增大了力矩的传动效率。

应用本实施例的盾构隧道管片结构内力主动加固装置时，首先，待盾尾管片拼装完成后，用可拆卸加载扳手2卡住固定螺杆11六角螺帽处，并将其旋入管片吊装孔。同样的操作，将加载端4的固定螺杆11旋入相邻管片吊装孔。安装固定端加固拉杆31后，安装加载端加固拉杆33，将固定端丝杠314和加载端丝杠331同时对准套筒，旋转套筒，这时两段丝杠相互接近，旋转大概18圈后停止旋转。使用可拆卸加载扳手2对本装置加载。待盾土层扰动较为稳定后，先用扳手旋转拆卸套筒32对本装置进行卸载，然后扳动棘齿414将加载端加固拉杆33从加载力矩转变箱41内抽出，拆卸加载力矩转变箱41，最后将本装置完全拆除。