专利名称：大断面机动车隧道土压平衡矩形顶管管节及其施工方法
技术领域：
本发明涉及地下工程施工领域，尤其涉及矩形隧道土压平衡顶管管节及施工方 法，可应用于下穿市政道路、铁路或河道等其他构筑物的隧道工程土压平衡顶管施工中。
背景技术：
国内外对土压平衡矩形顶管研究的最新进展在于市政过街通道和地下商业街人 行通道的实施方面。目前，现有的土压平衡矩形顶管的截面为尺寸较小的矩形，其具有如下 的缺陷1.现有的土压平衡矩形顶管的顶部为平面设置，四角处为直角拐角，承载能力小。2.沿施工方向，前后顶管结合部的防水结构中的承插钢环等金属件在长年使用后容易因锈 蚀而发生损毁，导致前后顶管结合部的防水结构不能作为永久防水结构，利用现有的土压 平衡矩形顶管施工而成的隧道在长期使用后(20-30年)容易因此而产生管节节头漏水现 象，影响隧道的正常使用，增加后期运营维护成本。隧道的设计寿命一般不少于100年，因 此在隧道使用寿命的大部分周期内，利用现有土压平衡矩形顶管施工而成的隧道均遭受防 水维护的困扰。当然，由于土压平衡矩形顶管在近年来才得到广泛应用，因此漏水现象还 未大规模显现出来。3.现有土压平衡矩形顶管的力学结构决定了其截面较小，根据相关规 范(城市道路工程设计规范CJJ37-2012)、各地规划部门对隧道机动车车道宽度和限高的要 求，既有的矩形顶管断面尺寸也难以满足要求。4.因现有矩形顶管管节接头均为柔性的承 插式接头，对于不同管节承受竖向或侧向较大差异荷载时易产生管节错位，引起接头防水 失效，甚至丧失使用功能。5.现有土压平衡矩形顶管的应用在于市政过街通道和地下商业 街人行通道，此类隧道具有长度短、无机动车通过因而没有不均衡动载的影响。现有大断面 机动车隧道土压平衡矩形顶管管节如果长期承受不均衡动载，则长期使用中顶管管节容易 发生错位的现象。
总之，机动车隧道与地下人行通道相比具有断面较大、覆土和竖向荷载较大、隧道 更长的特点，目前的土压平衡矩形顶管承载能力较小，不能解决长期使用后的漏水问题，也 不能确保长期使用后顶管管节之间不发生错位现象，不能运用到机动车隧道中来。发明内容
本发明的目的在于提供一种大断面机动车隧道土压平衡矩形顶管管节。
为实现上述目的，本发明提供了一种大断面机动车隧道土压平衡矩形顶管管节， 以顶管顶进的方向为前向，所述顶管管节于外壁面中部沿周向间隔设有径向贯通管壁的注 浆孔，所述顶管管节的四个面的中部皆设有吊装孔，所述顶管管节于外壁面前部沿周向间 隔设有贯通管壁的径向触变泥浆压浆孔；所述顶管管节的顶部呈拱形，所述管节的截面四 角皆为圆弧倒角结构。
该顶管管节设有两层防水结构；第一层防水结构设置在顶管管节的两端部，顶管 管节圆周表面的后端设有预埋钢环槽，预埋钢环槽处连接有承插钢环，承插钢环根部处的 管壁上设有与承插钢环紧密配合的止水钢环，预埋钢环槽的端部径向凹陷设有密封胶预留槽；顶管管节圆周表面的前端相邻设有两个台阶槽，两台阶槽由前向后分别是防水设置槽 和承插槽，防水设置槽外径小于承插槽外径，防水设置槽内间隔设有防水保护钢圈，防水保 护钢圈以外的防水设置槽内设有第一止水条，第一止水条用于与相邻顶管管节的承插钢环 紧压配合；承插槽用于与相邻顶管管节上的承插钢环相插接；第二层防水结构包括连接在 顶管管节前端的环形软木垫板、顶管管节后端设置的后环形槽以及顶管管节前端设置的前 环形槽；环形软木垫板的中部设有垫板环形槽，后环形槽内设有后止水条，前环形槽内设有 前止水条，垫板环形槽与所述后止水条和所述前止水条对应设置。
沿隧道的长度方向，所述顶管管节内沿管节的周向设有一圈预应力孔道。
本发明还公开了使用上述大断面机动车隧道土压平衡矩形顶管管节的施工方法。
该方法依次包括如下步骤第一是运送顶管管节至施工现场；第二是在吊装前将 第一止水条粘贴在防水设置槽处，使用密封胶对密封胶预留槽进行密封处理；将软木垫板 粘贴在顶进管节的前端侧壁上，将前、后止水条分别粘贴在前环形槽和后环形槽内；第三是 吊装管节就位，管节放置方向为承插槽位于顶进后方，承插钢环位于顶进前方；第四是顶进 施工；第五是顶进施工完毕后，使用预应力钢绞线穿过预应力孔道张拉固定管节，最后用密 封胶对管节径向内侧接缝进行嵌缝处理。
本发明具有如下的优点本发明中顶管管节的顶部呈拱形，管节的截面四角皆为圆弧倒角结构，相比以往大大 增强了顶管管节的承载性能，从而使顶管管节的尺寸得以加大，进而适应机动车隧道的尺 寸要求，尤其适合应用于宽度尺寸大于8米、限高尺寸大于4. 5米的各类大断面隧道施工 (经过试制和测验的管节断面尺寸实际已达10. 1x7. 25m)。本发明的两层防水结构中，第一 层防水结构设在顶管的外缘处，其具体结构中具有金属部件，将第一层防水结构的使用寿 命限制在20 — 30年。当第一层防水结构损坏后，第二层防水结构将发挥其防水作用。由 于第二层防水结构中没有金属部件，依靠止水条实现防水功能，因而其使用寿命在100年 以上，能够保证隧道在其设计使用寿命之内都具有良好的防水性能。预应力孔道的设置，便 于顶进施工后使用预应力钢绞线穿过预应力孔道张拉固定管节，从而确保隧道在长期承受 机动车不均衡动载的情况下保证管节不发生错位现象。另外，本发明的顶管管节结构简单， 制造和使用均很方便。本发明提供的施工方法能够高效地利用本发明中的大断面机动车隧 道土压平衡矩形顶管管节进行隧道施工，确保利用顶管管节施工而成的机动车隧道具有足 够的承载性能、永久防水性能和防管节错位性能。本发明可广泛用于单洞两车道的土压平 衡矩形顶管隧道工程施工，对多于两车道工程的施工，可采用增加顶管道数方式实现。
总之，本发明的有益效果是多方面的，本发明为机动车下穿隧道施工采用土压平 衡矩形顶管施工新工法提供关键技术支持，开辟了土压平衡顶管法应用的新领域，即能够 使土压平衡顶管法运用在机动车隧道建设领域，这在土压平衡顶管施工方法几十年的发展 史中具有开拓性的意义，解决了长期以来存在的土压平衡顶管法不能用于机动车隧道施工 的技术难题。
本发明提出预应力加强管节连接措施，保证了隧道在长期承受机动车不均衡动荷 载条件下管节不发生错位的稳定要求。
图1是本发明的结构示意图；图2是去掉承插钢环后图1的俯视图；图3是图2中A处的放大图；图4是图1的A—A截面图；图5是顶管前后管节接缝处的结构示意图；图6是图5中B处的放大图。
具体实施方式
本发明中，沿隧道长度方向，以顶管顶进的方向为前向，反之为后向。
如图1至图5所示(图2、图4和图5中箭头所示方向为施工时顶管的前进方向)， 本发明公开了一种大断面机动车隧道土压平衡矩形顶管管节，所述顶管管节于外壁面中部 沿周向间隔设有径向贯通管壁的注浆孔2，所述顶管管节的四个面的中部皆设有两个吊装 孔1，所述顶管管节于外壁面前部沿周向间隔设有贯通管壁的径向触变泥浆压浆孔4。触变 泥浆压浆孔4用于减少顶进阻力，为现有技术，因此图中未作放大显示。所述顶管管节的顶 部呈拱形，所述管节的截面四角21皆为圆弧倒角结构。
本发明的大断面机动车隧道土压平衡矩形顶管管节设有两层防水结构。
如图1至图6所示，第一层防水结构设置在顶管管节的两端部，顶管管节圆周表面 的后端设有预埋钢环槽5，预埋钢环槽5处连接有承插钢环8，承插钢环8根部处的管壁上 设有与承插钢环8紧密配合的止水钢环9，预埋钢环槽5的端部径向凹陷设有密封胶预留槽 10。
如图1至图5所示，顶管管节圆周表面的前端相邻设有两个台阶槽，两台阶槽由前 向后分别是防水设置槽7和承插槽6，防水设置槽7的外径小于承插槽6的外径，防水设置 槽7内间隔设有防水保护钢圈11，防水保护钢圈11以外的防水设置槽7内设有第一止水条 12，第一止水条12用于与相邻顶管管节的承插钢环8紧压配合；承插槽6用于与相邻顶管 管节上的承插钢环8相插接。
如图6所示并参考图1至图5，第二层防水结构包括以粘贴的方式连接在顶管管节 前端的环形软木垫板15、顶管管节后端设置的后环形槽22以及顶管管节前端设置的前环 形槽23。
环形软木垫板15的中部设有垫板环形槽25，后环形槽22内以粘贴的方式设有后 止水条13，前环形槽23内以粘贴的方式设有前止水条24，垫板环形槽25与所述后止水条 13和所述前止水条24对应设置，使用时前、后止水条24、13相压接并皆位于垫板环形槽25 与前、后环形槽23、22所围成的空腔内。
如图1和图2所示，沿隧道的长度方向，所述顶管管节内沿管节的周向设有一圈轴 向预应力孔道3。
本发明中顶管管节的具体尺寸可以根据不同隧道的特点予以调整，优选的尺寸 是管节长度1. 5m (米)，断面外包尺寸为10.1OmX 7. 25m，管节特点为顶部起拱，内外侧角 部设置圆倒角，适用覆土深度有水地层介于4. O 8. 0m，无水地层介于4. O 10. Om。
本发明的顶管管节配合土压平衡矩形顶管掘进机使用，首先根据管节断面制作模 具，绑扎管节钢筋，并将吊装孔I (此处指预先准备好的吊装孔I孔管，以下的注浆孔、预应力孔道3和触变泥浆压浆孔4所指皆为预先准备好的相应管路)、注浆孔、预应力孔道3、触 变泥浆压浆孔4、承插钢环8、止水钢环9、防水保护钢圈11在模具上进行固定，其中承插钢 环8设置在预埋钢环槽5处；浇注混凝土并养护，达到设计强度后拆除模板。
本发明所公开的大断面机动车隧道土压平衡矩形顶管管节的施工方法依次包括 如下步骤第一是运送顶管管节至施工现场；第二是在吊装前将第一止水条12粘贴在防水设置槽7处，使用密封胶对密封胶预留槽10进行密封处理；将软木垫板15粘贴在顶进管节的前端侧壁上，将前、后止水条24、13分 别粘贴在前环形槽23和后环形槽22内；第三是吊装管节就位，管节放置方向为承插槽6位于顶进后方，承插钢环8位于顶进前方；第四是顶进施工；第五是顶进施工完毕后使用预应力钢绞线穿过预应力孔道3张拉固定管节，最后用密 封胶14对关节径向内侧接缝进行嵌缝处理。
权利要求
1.大断面机动车隧道土压平衡矩形顶管管节，其特征在于以顶管顶进的方向为前向，所述顶管管节于外壁面中部沿周向间隔设有径向贯通管壁的注浆孔，所述顶管管节的四个面的中部皆设有吊装孔，所述顶管管节于外壁面前部沿周向间隔设有贯通管壁的径向触变泥浆压浆孔；所述顶管管节的顶部呈拱形，所述管节的截面四角皆为圆弧倒角结构。
2.根据权利要求1所述的大断面机动车隧道土压平衡矩形顶管管节，其特征在于该顶管管节设有两层防水结构；第一层防水结构设置在顶管管节的两端部，顶管管节圆周表面的后端设有预埋钢环槽，预埋钢环槽处连接有承插钢环，承插钢环根部处的管壁上设有与承插钢环紧密配合的止水钢环，预埋钢环槽的端部径向凹陷设有密封胶预留槽；顶管管节圆周表面的前端相邻设有两个台阶槽，两台阶槽由前向后分别是防水设置槽和承插槽，防水设置槽外径小于承插槽外径，防水设置槽内间隔设有防水保护钢圈，防水保护钢圈以外的防水设置槽内设有第一止水条，第一止水条用于与相邻顶管管节的承插钢环紧压配合；承插槽用于与相邻顶管管节上的承插钢环相插接；第二层防水结构包括连接在顶管管节前端的环形软木垫板、顶管管节后端设置的后环形槽以及顶管管节前端设置的前环形槽；环形软木垫板的中部设有垫板环形槽，后环形槽内设有后止水条，前环形槽内设有前止水条，垫板环形槽与所述后止水条和所述前止水条对应设置。
3.根据权利要求2所述的大断面机动车隧道土压平衡矩形顶管管节，其特征在于沿隧道的长度方向，所述顶管管节内沿管节的周向设有一圈预应力孔道。
4.使用权利要求3中所述大断面机动车隧道土压平衡矩形顶管管节的施工方法，其特征在于依次包括如下步骤第一是运送顶管管节至施工现场；第二是在吊装前将第一止水条粘贴在防水设置槽处，使用密封胶对密封胶预留槽进行密封处理；将软木垫板粘贴在顶进管节的前端侧壁上，将前、后止水条分别粘贴在前环形槽和后环形槽内；第三是吊装管节就位，管节放置方向为承插槽位于顶进后方，承插钢环位于顶进前方；第四是顶进施工；第五是顶进施工完毕后，使用预应力钢绞线穿过预应力孔道张拉固定管节，最后用密封胶对管节径向内侧接缝进行嵌缝处理。
全文摘要
本发明公开了一种大断面机动车隧道土压平衡矩形顶管管节，以顶管顶进的方向为前向，所述顶管管节于外壁面中部沿周向间隔设有径向贯通管壁的注浆孔，所述顶管管节的四个面的中部皆设有吊装孔，所述顶管管节于外壁面前部沿周向间隔设有贯通管壁的径向触变泥浆压浆孔；所述顶管管节的顶部呈拱形，所述管节的截面四角皆为圆弧倒角结构。本发明还公开了所述顶管管节的施工方法。本发明使土压平衡顶管法能够运用在机动车隧道领域，解决了长期以来存在的土压平衡顶管法不能用于机动车隧道施工的技术难题，保证了隧道在长期承受机动车不均衡动荷载条件下管节不发生错位的稳定要求，并实现了永久防水功能，大大降低了后期运营维护成本。
文档编号E21D11/38GK103061782SQ20131003049
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月28日 优先权日2013年1月28日
发明者张先锋, 吕剑英, 宋仪, 张俊岱, 黄伟, 倪伟伟, 闫文博, 张彦岭, 朱勇士, 程鹏, 谭子源, 杨传勇, 付增, 赵修旺, 马宁, 彭林 申请人:中铁隧道勘测设计院有限公司