本发明涉及隧道技术领域，更具体的说是涉及一种螺线形走向盾构隧道衬砌管片及其施工方法。
背景技术：
由于盾构隧道管片的外径比内径大，为了能够从盾构内部顺利安装管片，现有的隧道管片通常以一环为基本单位，每环均设计成标准环(a环)、邻接环(b环)和封顶环(k环)三种构型，并使用螺栓对管片进行轴向与环向的连结，最后再对管片后侧进行注浆，密实空隙，使管片与地层连为一体。
这种构型设计虽然较为简单，但以一环为基本单位使得隧道整体结构所受的径向外力主要由连结螺栓承担，导致结构的抗剪、抗弯折性能较差，受此影响的结构错位会对如地铁之类对沉降差异要求极小的工程产生重大损害。而除改进管片结构以外的其他传统的预防措施则又会极大地提升工程造价，经济型较差。
同时，三种不同构型的管片(a环、b环和k环)会使施工过程变得较为复杂，涉及到多处技术问题，具体包括：
1、管片的预制：需要用到三种不同类型的模板和钢筋笼进行浇筑，不同类型管片的需求进行较为繁琐的计算。
2、管片的运输存放：不同类型的管片运输堆放需要有特定的次序和布置方式，错误的堆放和运输方式易导致构件损坏。
3、管片的安装：管片安装有特定的顺序要求，封顶环(k环)需要最后安装。安装分为通缝和错缝，错缝随着轴向推进需要不断变更管片位置，同时还需要保证管节的螺栓孔对齐，安装的技术难度较高。
因此，传统的盾构隧道管片虽然原理简单，但施工工艺复杂，需要有较高的安装技术，以确保各节管片安装到位，其施工安装工艺有待进一步简化。
因此，如何提供一种结构和施工过程均比较简单的管片是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种螺线形走向盾构隧道衬砌管片及施工方法，所有管片结构均相同，避免出现传统多种不同构型的管片，预制调配更加方便，安装更加简便；螺线形管片可以使管片与螺栓共同承担隧道整体的径向力，较传统盾构隧道结构，其结构没有贯通接缝，整体的抗剪、抗弯折性能更好；本发明的管片可以替代盾构小直径隧道的传统管片，既能达到快速制作、快速安装的目的，又能提高隧道结构的整体受力性能，方便实用，安全可靠。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种螺线形走向盾构隧道衬砌管片，所述管片呈弧形，且所述管片包括：相互平行的轴向侧边，以及相互平行的环向侧边；其中，所述轴向侧边和所述环向侧边之间呈锐角α，且所述轴向侧边与隧道中轴线平行；
其中，
优选的，所述锐角α为83.5°～88.5°。
优选的，所述管片内侧且靠近所述轴向侧边处设置有环向手孔；所述轴向侧边上设置有环向螺栓孔；且所述环向手孔和所述环向螺栓孔位置相对应。
优选的，所述管片内侧且靠近所述环向侧边处设置有轴向手孔；所述环向侧边上设置有轴向螺栓孔；且所述轴向手孔和所述轴向螺栓孔位置相对应。
优选的，沿环向相邻的且分别位于不同所述管片上的两个所述环向手孔和沿轴向相邻的分别位于不同所述管片上的两个所述轴向手孔均通过螺栓连接。
优选的，所述管片所形成的环向接缝绕隧道中轴线呈螺线形走向，且轴向接缝不贯通。
优选的，在同一隧道内所使用的所述管片结构均相同。
优选的，沿环向相邻和沿轴向相邻的两个所述管片之间均布置有止水带。
优选的，所述管片内侧中央预制有注浆孔。
一种螺线形走向盾构隧道衬砌管片的施工方法，包括：
先将已制备养护好的管片运送至盾构机指定位置，由管片拼装机将管片沿环向安设在指定位置，对齐环向螺栓孔后用螺栓紧固，将环向千斤顶贴向管片的轴向侧边并开始顶进，待管片稳定且轴向螺栓孔对齐后用螺栓紧固，之后将轴向千斤顶贴向管片的环向侧边并开始顶进，推动盾构机向前继续开挖，待安装下一节管片时移开环向千斤顶和上一环管片对应位置的轴向千斤顶，并继续下一个管节的安装；
由于盾构千斤顶(包括轴向千斤顶和环向千斤顶)的顶推压力会对管片结构造成轻微形变，导致管片间的螺栓连接松动。为确保各管片间能够紧密连接，根据以往经验，当后续安装至少3环管节后，此时管片的形变已趋于稳定，需再次紧固先前安装管片的螺栓，并用砂浆混凝土封堵轴向手孔和环向手孔，以避免管片接缝及孔洞等薄弱处发生渗漏。若检测到衬砌管片背后有空洞，则打通该处的注浆孔，并从中补浆，后续的安装依次类推，直至完成整个隧道衬砌管片的施工。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种螺线形走向盾构隧道衬砌管片及其施工方法，与现有技术相比，本发明的优点包括：
(1)本发明将所有的管片均设计成统一的规格结构，简化了预制管片的制作、养护、存放和运输等过程，所有管片均采用统一标准进行预制，更好地保证了预制管片的制作效率和质量，经济有效、安全可靠；
(2)本发明结构没有封顶环(k环)，管片在安装过程中仅需沿同一方向进行环向安装，无需从径向或者轴向安装，同时也无需考虑每环中各个管片的安装位置和次序，简化了管片结构的安装过程，方便实用；
(3)本发明在一定程度上发挥了管片混凝土结构的抗压性能，分担了部分连接螺栓所受的剪力，使结构整体的抗弯、抗剪、抗扭性能得到一定提升。
(4)整个衬砌结构的环向和轴向接缝均没有通缝，结构的整体受力性能更好。
因此，综上所述，本发明提供的螺线形走向盾构隧道衬砌管片不仅结构简单，而且简化了施工过程，具有良好的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明的整体结构安装效果图；
图2附图为本发明的局部结构安装效果图；
图3附图为本发明单个衬砌管片结构示意图；
图4附图为本发明的局部结构侧视图；
图5附图为本发明的整体结构轴向剖面图；
图6附图为本发明管片结构投影尺寸示意图；
图7附图为本发明的管片安装阶段示意图；
图8附图为本发明的盾构推进阶段示意图；
图9附图为本发明整体结构的受力效果示意图；
图10附图为本发明局部结构的受力效果示意图；
图11附图为本发明手孔局部结构示意图；
其中：1-管片、101-注浆孔、102-环向侧边、103-轴向侧边、104-轴向手孔、105-轴向螺栓孔、106-环向手孔、107-环向螺栓孔、201-轴向接缝、202-环向接缝、3-螺栓、4-管片拼装机、501-轴向千斤顶、502-环向千斤顶
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
针对现有技术的缺陷和不足，本发明提供了一种螺线形走向盾构隧道衬砌管片及其施工方法，该管片在保持轴向侧边基本参数不变的基础上，通过将其环向侧边设计成一倾斜角度，使得隧道管片结构能够在不断沿环向安装的同时还能够向着掌子面方向推进，实现了简化衬砌结构和安装过程的双重效果。
具体的，参见附图1-11，本发明实施例公开了一种螺线形走向盾构隧道衬砌管片，管片1呈弧形，且管片1包括：相互平行的轴向侧边103，以及相互平行的环向侧边102；其中，轴向侧边103和环向侧边102之间呈锐角α，且轴向侧边103与隧道中轴线平行；
其中，
其中，d为设计隧道的直径，h为管片的宽度。
为了进一步优化上述技术方案，锐角α为83.5°～88.5°。
为了进一步优化上述技术方案，管片内侧且靠近轴向侧边103处设置有环向手孔106；轴向侧边103上设置有环向螺栓孔107；且环向手孔106和环向螺栓孔107位置相对应。
为了进一步优化上述技术方案，管片内侧且靠近环向侧边102处设置有轴向手孔104；环向侧边102上设置有轴向螺栓孔105；且轴向手孔104和轴向螺栓孔105位置相对应。具体的，各个管片的轴向螺栓孔105呈对称布置，且每半环内的轴向螺栓孔的布置位置应相同，即从环向侧边102一端点处至中点之间的轴向螺栓孔布置与从侧边中点至另一端点处之间的螺栓孔布置相同，以确保能够对准下一环错缝管片相应的轴向螺栓孔105。
为了进一步优化上述技术方案，沿环向相邻的且分别位于不同管片上的两个环向手孔106和沿轴向相邻的分别位于不同管片上的两个轴向手孔104均通过螺栓3连接。
为了进一步优化上述技术方案，管片所形成的环向接缝202绕隧道中轴线呈螺线形走向；且轴向接缝201不贯通。
为了进一步优化上述技术方案，在同一隧道内所使用的管片结构均相同。
为了进一步优化上述技术方案，沿环向相邻和沿轴向相邻的两个管片之间均布置有止水带。
为了进一步优化上述技术方案，管片内侧中央预制有注浆孔101。
具体的，为了实现本发明的发明目的，将管片的环向侧边和轴向侧边设计出一个夹角α，该角度能够保证管片在安装一环后正好前进到下一环，角度大小与隧道直径和管片的宽度有关，请参见公式(1)。
进一步的，管片的长度、宽度以及厚度均需要设定在一个合适范围内。
具体的，管片宽度决定了顶角α的大小，根据以往经验规范，管片宽度通常定为1～2m之间，盾构直径通常为6～12m之间，因此，顶角α的大小在83.5～88.5°范围之间。而管片过宽会导致顶角变小，易发生应力集中现象，受力性能变差；过窄会使管片的稳定性变差，管片节数增加，结构整体性变差。
具体的，管片长度的设计也应适中合理：尺寸过长会导致管片的抗弯折型和稳定性变差，且运输、安装的难度增加；尺寸过短则会导致管片节数增加，结构整体性变差。
进一步的，为使各环管片之间呈规律性的错缝连接，隧道周长应为管片环向投影长度的n+0.5倍(n为整数)。
具体的，管片投影长度l的计算公式为：
式(2)中，n+0.5为每环管片节数。
所述每节管片弧心角θ的大小为：
进一步的，确定上述管片的实际长度l’为：
进一步的，在已确定尺寸的管片上设置手孔(包括轴向手孔和环向手孔)、螺栓孔(包括轴向螺栓孔和环向螺栓孔)以及注浆孔。
具体的，注浆孔设置在管片内侧中央，且不贯通，安装完毕后再根据情况打通补浆。手孔和螺栓孔(包括轴向的和环向的)的设置与传统衬砌管片类似，在保证连接强度和稳定性的基础上，相邻管片安装到位时，其螺栓孔需能对齐。
进一步的，管片浇筑养护完毕后应在侧边设置止水带，布置方式类似于传统衬砌管片，确保接缝不漏水。
管片在安装完成后，其受力性能有部分改善。具体的，参见附图9，盾构隧道整体主要受到外界地层所施加的拉伸或压缩f、剪切q、弯折m以及扭曲t等作用力。其中，所述结构中连接螺栓所受到的拉伸、压缩以及反向剪力情况与传统盾构结构中的螺栓相类似；而弯折和扭曲反映在管片局部也主要为拉压和剪切作用力。
更具体的，参见附图10，作为隧道整体结构的薄弱面，管片环向接缝处所受到的正向剪力可分解为垂直和平行接缝方向。其中，垂直接缝方向的压力可增大接缝间的摩擦力，用于分担部分平行接缝方向的剪力分力；而接缝的倾斜角度增大了螺栓的剪切面积，从而减小了紧固螺栓剪切面所受到的剪应力。
具体的，螺栓所受剪应力的表达公式为：
式(5)中，τ为螺栓所受的剪应力，t’为螺栓实际所受的剪力，t为剪力沿接缝方向的分力，f为摩擦力，s为螺栓截面积，s’为螺栓剪切面面积，α为衬砌管片顶角，μ为摩擦系数，q为接缝处所受的正向剪力。
下面结合具体实例来进一步说明本发明的技术方案。
参见附图5和附图6，根据隧道尺寸计算并确定衬砌管片1的具体尺寸。例如：参照盾构隧道常见尺寸内径d为5.4m，外径d’为6m，则管片厚度d为0.3m，根据以往传统衬砌管片设计经验规范，该尺寸下每环的管片节数为6片，考虑到各环之间应做到错缝，本发明中每环管片数量宜为0.5的非整数倍，故每环管片宜设为5.5片；
则管片1弧心角
管片1内侧的投影长度
管片1宽度h宜设为1.5m，则管片顶角
管片1内侧的实际环向长度
管片1上设计有轴向手孔104和环向手孔106，轴向螺栓孔105和环向螺栓孔107以及注浆孔101。轴向手孔104和轴向螺栓孔105配套使用，环向手孔106和环向螺栓孔107配套使用，且在安装时，相邻管片需要保证轴向螺栓孔和环向螺栓孔均对齐，且数量需满足连接强度；注浆孔101布设在管片1内侧中央；止水带布设在管片环向侧边102和轴向侧边103处，保证相邻管片间的止水带在接缝处可密切贴合。管片1中其他各要素的布设方式与传统衬砌管片类似。
参见附图7-8，本发明实施例还公开了一种螺线形走向盾构隧道衬砌管片的施工方法，包括：
先将已制备养护好的管片1运送至盾构机指定位置，由管片拼装机4将管片沿环向安设在指定位置，对齐环向螺栓孔107后用螺栓紧固，将环向千斤顶502贴向管片的轴向侧边103并开始顶进，待管片1稳定且轴向螺栓孔105对齐后用螺栓3紧固，之后将轴向千斤顶501贴向管片1的环向侧边102并开始顶进，推动盾构机向前继续开挖，待安装下一节管片时移开环向千斤顶502和上一环管片对应位置的轴向千斤顶501，并继续下一个管节的安装；
当后续安装至少3环管节后，再次紧固先前安装管片的螺栓3，并用砂浆混凝土封堵轴向手孔104和环向手孔106，若检测到衬砌管片背后有空洞，则打通该处的注浆孔101，并从中补浆，后续的安装依次类推，直至完成整个隧道衬砌管片的施工。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。