八边形和四边形管片环向交替拼装的隧道管片衬砌结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种八边形和四边形管片环向交替拼装的隧道管片衬砌结构，包括四边形管片和八边形管片，八边形管片的两侧为两个长边，八边形管片的两端边缘分别形成无底边的等腰梯形，每一个八边形管片两侧的两个侧面分别用于与相邻的四边形管片两侧的长端面连接，每一个八边形管片两端的四个斜端面分别用于与另外的八边形管片两端的斜端面连接，每一个八边形管片两端的正端面分别用于与相邻的四边形管片两端的短端面连接。本发明采用特定形状的八边形管片与四边形管片相结合的管片衬砌结构，能够实现盾构机掘进和管片快速拼装同步进行的目的，显著提高了施工效率，拼装的隧道管片衬砌的整体刚度明显增强，管片预制所需模板类型较少。
【专利说明】
八边形和四边形管片环向交替拼装的隧道管片衬砌结构
技术领域
[0001]本发明涉及一种隧道管片衬砌结构，尤其涉及一种八边形和四边形管片环向交替拼装的隧道管片衬砌结构。
【背景技术】
[0002]盾构法是靠盾尾千斤顶作用在拼装好的预制管片环上顶推、盾构前方刀盘旋转切削土体以实现推进，同时在盾构外壳的保护下实施新一环预制管片拼装并最终形成盾构隧道结构的一种机械化施工方法。由于盾构法具有机械化程度高、地层扰动小等优势，已经成为城市地铁隧道、跨江越海隧道等地下工程修建的主要方法。
[0003]目前，国内盾构施工主要采用四边形管片衬砌结构，每一个管片衬砌环都由幅宽相同的四边形管片用环向螺栓通过环向螺栓孔拼装而成，环与环之间用纵向螺栓连接最终形成连续的隧道结构。采用幅宽相同的四边形管片拼装而成的管片环与环之间的接缝面通常为平面，因为管片在拼装过程中无法为掘进施工的顶推千斤顶提供反力，所以这种四边形管片衬砌结构要求盾构掘进施工时不能拼装管片，而拼装管片时不能掘进施工，即掘进和拼装不能同时进行，严重制约了盾构施工的效率。与此同时，现有的四边形管片衬砌结构尽管可以在纵向实现错缝拼装以防止纵缝的贯通，但无法改变环与环之间的环间接缝的连通性，这不利于提高隧道的整体刚度，在软土地层中结构变形大，整体稳定性不高。由于现有四边形管片大多采用螺栓通过手孔实施连接，难以适应连续同步推进和拼装对高效率的要求。另外，现有四边形管片衬砌在直线段的一套模具主要包括封顶块、两个邻接块和一个标准块共四种模板，模板种类多，购置模具的成本较高，由于管片形状极其相似，管片拼装时需对各种管片类型进行编号以防止运输和拼装混淆。
[0004]因此，有必要设计一种可用于同步推进和拼装的、整体刚度明显增强的、可快速拼装且管片预制所需模板类型较少的一种新型盾构隧道管片衬砌结构，该盾构隧道结构可用于软土等地层变形敏感、结构断面积较大的大型隧道工程当中。
【发明内容】
[0005]本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种八边形和四边形管片环向交替拼装的隧道管片衬砌结构，这种隧道管片衬砌结构能够实现同步推进和拼装，整体刚度明显增强、可快速拼装且管片预制所需模板类型较少。
[0006]本发明通过以下技术方案来实现上述目的:
[0007]—种八边形和四边形管片环向交替拼装的隧道管片衬砌结构，包括四边形管片，还包括八边形管片，所述八边形管片的两侧为两个长边，所述八边形管片的两端边缘分别形成无底边的等腰梯形，所述八边形管片的两个长边、两个无底边的等腰梯形的六个边共同构成所述八边形管片的八个边，每一个所述八边形管片两侧的两个侧面分别用于与相邻的所述四边形管片两侧的长端面连接，每一个所述八边形管片两端的四个斜端面分别用于与另外的所述八边形管片两端的斜端面连接，每一个所述八边形管片两端的正端面分别用于与相邻的所述四边形管片两端的短端面连接。
[0008]上述结构中，一个八边形管片的四个斜端面分别与另外一个八边形管片两端的斜端面接触连接形成咬合的关系，相邻的四个八边形管片之间刚好形成容纳四边形管片的空隙，由多个八边形管片和多个四边形管片共同构成的环状的隧道管片衬砌具有足够的支撑刚度，且由于环形端面的八边形管片的侧面高于四边形管片的长端面，所以能够实现八边形管片和四边形管片环向交替拼装。
[0009]作为优选，所述八边形管片的其中一侧侧面和所述四边形管片的其中一侧长端面分别设有销孔，所述八边形管片的另一侧侧面和所述四边形管片的另一侧长端面分别设有与所述销孔配套的插销。这种结构可以方便地进行纵向拼装，并减少管片手孔数量。
[0010]作为优选，所述销孔内安装有销孔预制接头钢构件，所述销孔预制接头钢构件与置于管片本体内的钢筋连接，所述销孔预制接头钢构件的两侧分别设有盲孔，所述盲孔内安装有回弹式销钉，所述回弹式销钉与所述盲孔内底面之间连接有弹簧，两个所述回弹式销钉分别位于所述销孔的中心轴线的两侧;所述插销的内端与置于管片本体内的插销预制接头钢构件连接，所述插销预制接头钢构件与置于该管片本体内的钢筋连接，所述插销的前段靠近前端的位置设有环槽，所述插销的前端为锥形。这种销孔结构和插销结构能够实现插销和销孔之间的紧密配合和快速锁定。
[0011]为了实现最佳的支撑刚度，所述无底边的等腰梯形的底角为45°。
[0012]为了便于快速而稳定地安装，所述四边形管片由第一半管片和第二半管片构成，所述第一半管片的一端端面为第一斜面，所述第二半管片的一端端面为第二斜面，所述第一半管片的第一斜面与所述第二半管片的第二斜面相互契合，所述第一半管片的另一端端面与所述第二半管片的另一端端面分别为所述四边形管片两端的短端面，所述第一半管片的一侧端面与所述第二半管片的同侧端面一起构成所述四边形管片的一侧侧面，所述第一半管片的另一侧端面与所述第二半管片的同侧端面一起构成所述四边形管片的另一侧侧面。
[0013]说明:上述四边形管片、八边形管片所指的四边形和八边形其实是管片边缘投射于同一平面后形成四边形和八边形的意思，因为管片为弧形，管片本身的边缘并不能连接为四边形和八边形，但为了便于表述，本行业和本发明中均直接称为四边形管片和八边形管片；同理，上述无底边的等腰梯形也是八边形管片的其中一端的三个边缘投射于同一平面后形成无底边的等腰梯形的意思；另外，上述四边形管片是传统管片，所指的四边形是长方形，本发明中也是长方形，因与传统四边形管片形状相同，所以未作长方形的限定。
[0014]本发明的有益效果在于:
[0015]本发明采用特定形状的八边形管片与四边形管片相结合的管片衬砌结构，能够实现盾构机掘进和管片快速拼装同步进行的目的，显著提高了施工效率，而且拼装的隧道管片衬砌的整体刚度明显增强，管片预制所需模板类型较少，解决了现有特别是软土地层大断面隧道施工中盾构法在掘进和拼装时无法同步作业、结构整体刚度偏弱、管片无法快速拼装以及管片模板太多且管片不易识别等问题，尤其适用于软土等地层变形敏感、结构断面积较大的大型隧道工程当中；具体优点如下:
[0016]1、相比现有技术，本发明由幅宽(即两侧边缘之间的宽度)不同的八边形管片和四边形管片环向交替拼装组成，通过不同幅宽引起的衬砌环端面的台差连续提供千斤顶反力作用面，实现掘进和拼装同步作业，解决了现有等幅宽四边形管片引起的盾构无法连续推进的问题，施工效率更高；
[0017]2、由于八边形管片的四个斜端面沿隧道环向与相邻的另外四个八边形管片的斜端面相互咬合，不用通过错缝拼装就避免了盾构隧道纵缝的贯通，与此同时，由于八边形管片与四边形管片的幅宽不同，也避免了环间接缝的贯通，这种接缝形式可大大提高衬砌结构的整体刚度，增强结构在变形敏感性地层中的稳定性；
[0018]3、隧道纵向管片间采用纵向的插销和销孔的连接型式，无需设置纵向螺栓连接手孔，减少了手孔数量，且插销连接相对人工手孔螺栓连接装配速度更快，能实现快速拼装；
[0019]4、预制管片的模具一套仅需两副模板，分别是八边形管片和四边形管片中的第一半管片或第二半管片(第一半管片和第二半管片的形状和尺寸均相同)各一块，而四边形管片的第一半管片或第二半管片预制时可分别在长边和短边区别安装纵向的插销以适应拼装需要即可，可降低模具采购成本，由于模板只有两副，因此便于管片的组织生产和识别；
[0020]5、与现有四边形管片衬砌环的拼装相比，本发明中盾构千斤顶推进行程约为八边形管片幅宽的3/4，比同幅宽的四边形管片所需的千斤顶推进行程要小，对千斤顶行程参数的要求相对要低。
【附图说明】
[0021]图1是本发明所述八边形和四边形管片环向交替拼装的隧道管片衬砌结构被拼装为环状后的立体图；
[0022]图2是图1中本发明所述八边形和四边形管片环向交替拼装的隧道管片衬砌结构展开后的平面图；
[0023]图3是本发明所述八边形管片的立体图；
[0024]图4是本发明所述四边形管片的立体图；
[0025]图5-1是本发明所述插销和销孔的剖视结构示意图之一，图中的插销和销孔未连接；
[0026]图5-2是本发明所述插销和销孔的剖视结构示意图之二，图中的插销和销孔已连接；
[0027]图6-1是本发明所述八边形和四边形管片环向交替拼装的隧道管片衬砌结构在连续拼装过程中展开后的平面图之一；
[0028]图6-2是本发明所述八边形和四边形管片环向交替拼装的隧道管片衬砌结构在连续拼装过程中展开后的平面图之二；
[0029]图6-3是本发明所述八边形和四边形管片环向交替拼装的隧道管片衬砌结构在连续拼装过程中展开后的平面图之三；
[0030]图6-4是本发明所述八边形和四边形管片环向交替拼装的隧道管片衬砌结构在连续拼装过程中展开后的平面图之四；
[0031]图6-5是本发明所述八边形和四边形管片环向交替拼装的隧道管片衬砌结构在连续拼装过程中展开后的平面图之五；
[0032]图6-6是本发明所述八边形和四边形管片环向交替拼装的隧道管片衬砌结构在连续拼装过程中展开后的平面图之六。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图对本发明作进一步说明:
[0034]如图1-图4所示，本发明所述八边形和四边形管片环向交替拼装的隧道管片衬砌结构，包括四边形管片和八边形管片I，所述四边形管片由第一半管片2和第二半管片3构成，第一半管片2的一端端面为第一斜面，第二半管片3的一端端面为第二斜面，第一半管片2的第一斜面与第二半管片3的第二斜面相互契合，第一半管片2的另一端端面与第二半管片3的另一端端面分别为所述四边形管片两端的短端面，第一半管片2的一侧端面与第二半管片3的同侧端面一起构成所述四边形管片的一侧侧面，第一半管片2的另一侧端面与第二半管片3的同侧端面一起构成所述四边形管片的另一侧侧面;八边形管片I的两侧为两个长边，八边形管片I的两端边缘分别形成无底边的等腰梯形，所述无底边的等腰梯形的底角为45°，八边形管片I的两个长边、两个无底边的等腰梯形的六个边共同构成八边形管片I的八个边，每一个八边形管片I两侧的两个侧面分别用于与相邻的所述四边形管片两侧的长端面连接，每一个八边形管片I两端的四个斜端面分别用于与另外四个八边形管片I两端的斜端面连接，每一个八边形管片I两端的正端面分别用于与相邻的所述四边形管片两端的短端面连接;八边形管片I的其中一侧侧面和所述四边形管片的第一半管片2、第二半管片3的其中一侧长端面分别设有销孔5，所述八边形管片的另一侧侧面和所述四边形管片的第一半管片2、第二半管片3的另一侧长端面分别设有与销孔5配套的插销7，八边形管片I上的销孔5和插销7均为两个，与一个四边形管片的第一半管片2和第二半管片3的销孔5和插销7相对应。
[0035]图3和图4中还示出了设于八边形管片I和四边形管片上的第一半管片2(第二半管片3亦然)上的手孔4和环形螺栓孔6，此为常规结构，不作具体说明。
[0036]为了便于理解，图1还示出了隧道环向H，隧道纵向Z，台差D，其中台差D即为八边形管片的侧面高于四边形管片的长端面的距离；图2还示出了盾构机前进方向S;图3中还示出了八边形管片I的管片宽度即幅宽L，其值大于四边形管片的宽度。
[0037]如图5-1和图5-2所示，销孔5内安装有销孔预制接头钢构件8，销孔预制接头钢构件8与置于管片(包括八边形管片I和四边形管片)本体内的钢筋(图中未标记)连接，销孔预制接头钢构件8的两侧分别设有盲孔，所述盲孔内安装有回弹式销钉9，回弹式销钉9与所述盲孔内底面之间连接有弹簧10，两个回弹式销钉9分别位于销孔5的中心轴线的两侧;插销7的内端与置于管片(包括八边形管片I和四边形管片)本体内的插销预制接头钢构件22连接，插销预制接头钢构件22与置于该管片本体内的钢筋11连接，插销7的前段靠近前端的位置设有环槽，插销7的前端为锥形。为了实现更好的防漏效果，管片的侧边表面靠近管片外表面14的位置设有凹槽12，凹槽12内安装有止水胶条17。图中的管片外表面14和管片内表面13是以管片拼装成环后的内外关系来确定的；图5-1中还示出了未拼装预制管片15和已拼装预制管片16，这里的管片15、16可以是八边形管片I或四边形管片；图5-1还示出了盾构机前进方向S。
[0038]如图6-1至图6-6所示，利用本发明所述八边形和四边形管片环向交替拼装的隧道管片衬砌结构进行隧道施工的工作原理如下:
[0039]在已拼装好几环管片的衬砌结构的基础上进行盾构机同步掘进和拼装作业时，如图6-1所示，先将顶推千斤顶(即处于顶推状态的千斤顶)20的支撑件顶在衬砌结构的第一组反力作用面18上，第一组反力作用面18即为其中一组环向相间且侧面等高的多个八边形管片I的外侧面，其余的千斤顶回缩形成回缩千斤顶(即处于回缩状态的千斤顶)21，由于突出的八边形管片I相对四边形管片的第一半管片2和第二半管片3之间存在台差，所以待盾构机推进约八边形管片I的幅宽的3/4行程时，对与回缩千斤顶21对应的区域进行八边形管片I的拼装。拼装时，结合图5-1和图5-2，随着插销7推入，销孔5内的回弹式销钉9受挤压引起弹簧10压缩，回弹式销钉9缩回，继续推入当回弹式销钉9正对插销7的环槽位置时，其在弹簧10的作用下弹出卡入环槽内，完成接头紧固。拼装完成后，如图6-2所示，原处于回缩状态的千斤顶伸出成为顶推千斤顶20，已完成推进的千斤顶回缩成为回缩千斤顶21，即顶推千斤顶20与回缩千斤顶21相互对换，顶推千斤顶20的支撑件顶在衬砌结构的第二组反力作用面19上，第二组反力作用面19即为另一组环向相间且侧面等高的多个八边形管片I的外侧面，然后按类似方法进行四边形管片的第一半管片2和第二半管片3的拼装，拼装时沿盾构推进方向先拼入第一半管片2，第一半管片2的斜端面使管片的长度为内宽外窄结构，再拼入第二半管片3，第二半管片3的斜端面使管片的长度为内窄外宽结构，拼装后如图6-3所示;拼装该四边形管片后继续向前推进，当推进约八边形管片I的幅宽的3/4行程时，再次按与图6-1对应的方式进行八边形管片I的拼装，拼装后如图6-4所示。拼装完成后;顶推千斤顶20与回缩千斤顶21再次相互对换，重复上述拼装四边形管片和八边形管片的过程，其拼装四边形管片后如图6-5所示，拼装八边形管片后如图6-6所示;如此循环，以保证隧道能不间断施工。
[0040]上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。
【主权项】
1.一种八边形和四边形管片环向交替拼装的隧道管片衬砌结构，包括四边形管片，其特征在于:还包括八边形管片，所述八边形管片的两侧为两个长边，所述八边形管片的两端边缘分别形成无底边的等腰梯形，所述八边形管片的两个长边、两个无底边的等腰梯形的六个边共同构成所述八边形管片的八个边，每一个所述八边形管片两侧的两个侧面分别用于与相邻的所述四边形管片两侧的长端面连接，每一个所述八边形管片两端的四个斜端面分别用于与另外的所述八边形管片两端的斜端面连接，每一个所述八边形管片两端的正端面分别用于与相邻的所述四边形管片两端的短端面连接。2.根据权利要求1所述的八边形和四边形管片环向交替拼装的隧道管片衬砌结构，其特征在于:所述八边形管片的其中一侧侧面和所述四边形管片的其中一侧长端面分别设有销孔，所述八边形管片的另一侧侧面和所述四边形管片的另一侧长端面分别设有与所述销孔配套的插销。3.根据权利要求2所述的八边形和四边形管片环向交替拼装的隧道管片衬砌结构，其特征在于:所述销孔内安装有销孔预制接头钢构件，所述销孔预制接头钢构件与置于管片本体内的钢筋连接，所述销孔预制接头钢构件的两侧分别设有盲孔，所述盲孔内安装有回弹式销钉，所述回弹式销钉与所述盲孔内底面之间连接有弹簧，两个所述回弹式销钉分别位于所述销孔的中心轴线的两侧;所述插销的内端与置于管片本体内的插销预制接头钢构件连接，所述插销预制接头钢构件与置于该管片本体内的钢筋连接，所述插销的前段靠近前端的位置设有环槽，所述插销的前端为锥形。4.根据权利要求1、2或3所述的八边形和四边形管片环向交替拼装的隧道管片衬砌结构，其特征在于:所述无底边的等腰梯形的底角为45°。5.根据权利要求1、2或3所述的八边形和四边形管片环向交替拼装的隧道管片衬砌结构，其特征在于:所述四边形管片由第一半管片和第二半管片构成，所述第一半管片的一端端面为第一斜面，所述第二半管片的一端端面为第二斜面，所述第一半管片的第一斜面与所述第二半管片的第二斜面相互契合，所述第一半管片的另一端端面与所述第二半管片的另一端端面分别为所述四边形管片两端的短端面，所述第一半管片的一侧端面与所述第二半管片的同侧端面一起构成所述四边形管片的一侧侧面，所述第一半管片的另一侧端面与所述第二半管片的同侧端面一起构成所述四边形管片的另一侧侧面。
【文档编号】E21D11/08GK105822323SQ201610286396
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年5月3日
【发明人】晏启祥, 宋乐阳, 何川, 黄希
【申请人】西南交通大学