大断面马蹄形隧道的装配式管片衬砌结构的制作方法

本发明属于大断面隧道管片拼装技术领域，具体涉及一种大断面马蹄形隧道的装配式管片衬砌结构。

背景技术：

我国盾构技术通过近几十年的发展，特别是近几年的突飞猛进，盾构施工在城市隧道和长距离铁路、公路山岭隧道施工中得到普遍应用。从小型的市政管线隧道，到城市地铁隧道，再到直径越来越大的大型水利、越江隧道，都可以使用盾构施工。虽然盾构技术日益成熟，但受限于受力条件和机械设计方便的考虑，其几何形状仍以圆形为主，但它的空间利用率较低，并且在侧压系数较小的土层中，圆形隧道并没有结构方面优势。

近些年，矩形隧道逐渐被用于一些空间利用率高的工程中，例如城市道路的下穿隧道，但是其结构形式不如圆形隧道稳定，特别是在软弱地层中。马蹄形隧道就结合了圆形隧道和矩形隧道的优点，提高了空间利用率，并且比矩形隧道结构形式稳定，特别是大断面超大断面隧道中有很大优势，这就需要设计一种大断面马蹄形隧道管片。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述存在的问题和不足，提供一种结构设计合理、紧凑，拼装方便、连接强度高，并能够有效提高纵向刚度，减小结构变形的大断面马蹄形隧道的装配式管片衬砌结构。

为达到上述目的，所采取的技术方案是：

一种大断面马蹄形隧道的装配式管片衬砌结构，所述管片衬砌的隧道断面为多段圆弧平滑过渡的马蹄形结构，所述的管片衬砌结构包括沿隧道方向交替循环布设的奇数管片环单元和偶数管片环单元，奇数管片环单元和偶数管片环单元均包括多块依次首尾连接装配成马蹄形管片环的管片分块，所述奇数管片环单元中的管片分块的拼接缝和偶数管片环单元中的管片分块的拼接缝沿马蹄形管片环呈错位布设。

所述的管片衬砌的主体形状由一段顶部圆弧、两段中部圆弧和一段底部圆弧平滑过渡连接而成，所述的管片衬砌的隧道断面左右对称，所述的奇数管片环单元中管片分块的布设结构与偶数管片环单元中的管片分块的布设结构对应镜像布设。

所述的奇数管片环单元包括顶封块L、第一圆弧块L、第二圆弧块L、第一过渡块L、第二过渡块L、第三过渡块L、第四过渡块L和第五过渡块L；所述的偶数管片环单元包括顶封块R、第一圆弧块R、第二圆弧块R、第一过渡块R、第二过渡块R、第三过渡块R、第四过渡块R和第五圆弧块R。

所述的第一圆弧块L和第二圆弧块L分别设置在顶封块L的两侧，且顶封块L与第一圆弧块L和第二圆弧块L均呈楔形拼合对接；所述的第一圆弧块R和第二圆弧块R分别设置在顶封块R的两侧，且顶封块R与第一圆弧块R和第二圆弧块R均呈楔形拼合对接。

在同一管片环单元上的相邻两管片分块之间、以及分别位于相邻的两管片环单元上的相邻两管片分块之间均设置有对应匹配的凸榫和榫槽，在榫槽内粘贴有止水橡胶条。

所述的管片分块上均设置有纵向手孔、环向手孔、纵向螺栓孔和环向螺栓孔，所述的纵向螺栓孔和环向螺栓孔均呈倾斜设置，相邻的两管片分块之间均通过斜螺栓固定连接，在同一管片环单元上的相邻两管片分块之间、以及分别位于相邻的两管片环单元上的相邻两管片分块之间的斜螺栓连接结构均为对称交叉互穿式连接结构，管片分块上还设置有注浆孔和起吊孔。

所述的纵向螺栓孔、环向螺栓孔和起吊孔均为预埋设置在管片分块内的螺纹套管，螺纹套管的材质为工程塑料。

所述的管片分块上打有管片编号。

所述的管片分块的内外弧面边缘均设置有脱模倒角。

采用上述技术方案，所取得的有益效果是：

本发明整体结构设计合理，其采用管片衬砌采用马蹄形结构，能够大大提高空间利用率和结构的稳定性，降低回填混凝土方量；其管片衬砌结构采用奇数管片环单元和偶数管片环单元的循环交替布设，且拼接缝呈错位拼装，大大提高了马蹄形隧道管片衬砌的纵向刚度，减小结构变形；通过在相邻的管片分块之间设置匹配的凸榫和榫槽，能够使得管片分块和连接管片分块的斜螺栓共同承载剪切应力，提高管片连接强度；在榫槽内设置止水橡胶条、对拼接缝错位拼装能够有效提高管片衬砌的防水性能，便于对接缝防水进行处理。

本发明还通过设置纵向手孔、环向手孔、注浆孔和起吊孔，能够优化其装配性能，便于拼装作业，其奇数管片环单元中的管片分块和偶数管片环单元上的管片分块镜像对称，能够在达到错缝拼装的目的的同时，还能够减少管片模具的数量；本申请优化了大断面隧道的管片结构形式和隧道管片的拼装工艺，提高了其空间利用率和结构的稳定性。

附图说明

图1为本发明的奇数管片环单元的结构示意图。

图2为本发明的偶数管片环单元的结构示意图。

图3为顶封块R的主视结构示意图。

图4为顶封块R的平面结构示意图。

图5为第一圆弧块R的主视结构示意图。

图6为第一圆弧块R的平面结构示意图。

图7为第二圆弧块R的主视结构示意图。

图8为第二圆弧块R的平面结构示意图。

图9为第三圆弧块R的主视结构示意图。

图10为第三圆弧块R的平面结构示意图。

图11为第一过渡块R的主视结构示意图。

图12为第一过渡块R的平面结构示意图。

图13为第二过渡块R的主视结构示意图。

图14为第二过渡块R的平面结构示意图。

图15为第三过渡块R的主视结构示意图。

图16为第三过渡块R的平面结构示意图。

图17为第四过渡块R的主视结构示意图。

图18为第四过渡块R的平面结构示意图。

图中序号：1为奇数管片环单元、11为顶封块L、12为第一圆弧块L、13为第二圆弧块L、14为第一过渡块L、15为第二过渡块L、16为第三过渡块L、17为第四过渡块L、18为第五过渡块L；

2为偶数管片环单元、21为顶封块R、22为第一圆弧块R、23为第二圆弧块R、24为第一过渡块R、25为第二过渡块R、26为第三过渡块R、27为四过渡块R、28为第五过渡块R；

3为管片编号、4为起吊孔、5为纵向手孔、6为环向手孔、7为纵向螺栓孔、8为环向螺栓孔、9为注浆孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

参见图1-图18，本发明种大断面马蹄形隧道的装配式管片衬砌结构，其中，管片衬砌的隧道断面为多段圆弧平滑过渡的马蹄形结构，管片衬砌的主体形状由一段顶部圆弧、两段中部圆弧和一段底部圆弧平滑过渡连接而成，形成四心三径（三种不同半径尺寸、四个圆心的圆弧）的马蹄形结构，如图1和图2所示，O₁、O₂、O₃、O₄为四段圆弧的圆心，管片衬砌的隧道断面左右对称，且奇数管片环单元中管片分块的布设结构与偶数管片环单元中的管片分块的布设结构对应镜像布设，本申请中的整环管片形状为马蹄形结构，其不仅结合了圆形隧道管片和矩形隧道管片的优点，提高了隧道空间利用率，降低回填混凝土方量，同时使得隧道支撑的力学结构相对稳定。

马蹄形隧道的管片衬砌结构包括沿隧道方向交替循环布设的奇数管片环单元1和偶数管片环单元2，奇数管片环单元1和偶数管片环单元2均包括多块管片分块，多块管片分块依次首尾连接装配成马蹄形管片环，奇数管片环单元1中的管片分块的拼接缝和偶数管片环单元2中的管片分块的拼接缝沿马蹄形管片环呈错位布设，其不仅能够提高整个管片衬砌结构的纵向刚度，使得接缝处的刚度均衡分散，同时能够便于处理防水工程。

在本实施例中，奇数管片环单元1包括顶封块L11、第一圆弧块L12、第二圆弧块L13、第一过渡块L14、第二过渡块L15、第三过渡块L16、第四过渡块L17和第五过渡块L18；所述的偶数管片环单元2包括顶封块R21、第一圆弧块R22、第二圆弧块R23、第一过渡块R24、第二过渡块R25、第三过渡块R26、第四过渡块R27和第五过渡块R28，其中第二过渡块L15、第三过渡块L16、第四过渡块L17、第五过渡块L18、第二过渡块R25、第三过渡块R26、第四过渡块R27和第五过渡块R28均包括构成马蹄形结构的圆弧段和连接相邻的两段圆弧的过渡段。

所述的第一圆弧块L12和第二圆弧块L13分别设置在顶封块L11的两侧，且顶封块L11与第一圆弧块L12和第二圆弧块L13均呈楔形拼合对接；所述的第一圆弧块R22和第二圆弧块R23分别设置在顶封块R21的两侧，且顶封块R21与第一圆弧块R22和第二圆弧块R23均呈楔形拼合对接。

在同一管片环单元上的相邻两管片分块之间、以及分别位于相邻的两管片环单元上的相邻两管片分块之间均设置有对应匹配的凸榫和榫槽，在榫槽内粘贴有止水橡胶条，凸榫和榫槽不仅能够进一步的增加防水性能，同时能够使得管片与连接螺栓共同承担剪切应力，连接更加稳定牢靠；在管片分块上均设置有纵向手孔5、环向手孔6、纵向螺栓孔7和环向螺栓孔8，所述的纵向螺栓孔和环向螺栓孔均呈倾斜设置，相邻的两管片分块之间均通过斜螺栓固定连接，管片分块上还设置有注浆孔9和起吊孔4，其中，在某些截面相对较小的管片分块上，注浆孔和起吊孔可以共用，即仅需设置一个注浆孔即可。

所述的纵向螺栓孔7、环向螺栓孔8和起吊孔4均为预埋设置在管片分块内的螺纹套管，螺纹套管的材质为工程塑料，管片分块上打有管片编号3。

所述的管片分块的内外弧面边缘均设置有脱模倒角。

本发明的施工步骤为：以奇数管片环单元为例，待掘进开挖完成后，通过管片拼装机进行管片的起吊拼装，首先拼装位于底部的第四过渡块L17，完成初步的基准定位，再依次拼装第三过渡块L16、第五过渡块L18、第二过渡块L15、第一过渡块L14、第一圆弧块L12、第二圆弧块L13，最后拼装顶封块L11；以同样的方式进行偶数管片环单元的施工，在施工过程中，适时通过注浆孔进行管片注浆，填补管片与尾盾间隙。根据上述管片拼装顺序，管片运输小车在运输管片进入拼装区域时应注意管片编号，严格按照拼装顺序进入施工区域。

在本申请中，管片衬砌结构中的环与环之间，每环管片中块与块之间螺栓连接都是对称交叉互穿式设计，这样使得管片螺栓受的剪力更为均衡，管片的连接更为可靠。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。