一种可适应大变形的盾构隧道衬砌管片的制作方法

本发明属于隧道工程技术领域，更具体地，涉及一种盾构隧道衬砌管片。

背景技术：

盾构法隧道中，混凝土衬砌管片具有刚度大、耐久性好、费用低的显著优点，是目前世界范围内盾构隧道衬砌结构的主要材料。但是传统的通过纵向螺栓连接的混凝土管片适应变形能力较差，当盾构隧道穿越地震活动断层时，需采取能适应较大变形能力的管片结构,以防止衬砌结构破损。结构可允许的变形包括拉伸、压缩和剪切三个方面。

国内尚未见穿越活动断层的盾构隧道设置适应较大变形衬砌环的工程先例，国外的案例也很少，代表性案例为土耳其的亚欧海底隧道，其处理措施为设置大变形钢管片衬砌环。该结构是通过很多个可适应拉压和剪切变形的钢套筒将两个箱形钢结构连接起来，为了解决管片防水问题，在钢套筒外侧设置两道波形橡胶防水板，橡胶板通过螺栓和钢压板与钢箱固定。该大变形衬砌管片的优点是可以适应一定的拉伸、压缩以及剪切变形量，缺点是管片主体全部为钢结构，且结构及防水构造复杂，费用高昂、经济性差。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可适应大变形的盾构隧道衬砌管片，本发明从管片结构材质、适应大变形的结构构造、防水构造上等三个方面着手，提出一种混凝土和钢结构相结合、利用钢结构实现自防水且可利用混凝土衬砌管片模具生产的新型管片结构。该发明解决了现有大变形钢管片加工工艺复杂、成本高的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种可适应大变形的盾构隧道衬砌管片，其特征在于，包括钢箱体、第一钢筋混凝土部分和第二钢筋混凝土部分，其中，

所述钢箱体包括第一环向肋板、第二环向肋板、波纹钢板、l形抗剪止推键和一字形抗剪止推键，所述第一环向肋板整体呈弧形，该第一环向肋板与第二环向肋板的结构相同并且它们相互平行，所述波纹钢板位于第一环向肋板和第二环向肋板之间，并且波纹钢板的一端与第一环向肋板焊接而另一端与第二环向肋板焊接，所述l形抗剪止推键包括平行于第一环向肋板的第一段和垂直于第一环向肋板的第二段，该第一段焊接在第一环向肋板上而第二段与第二环向肋板之间存在间距，所述一字形抗剪止推键的一端焊接在第二环向肋板上，该一字形抗剪止推键的另一端与该第一段之间均存在间距δh并且它们在第一环向肋板与第二环向肋板具有第一相对位移时可接触，该一字形抗剪止推键与该第二段之间的间距为δv并且在第一环向肋板与第二环向肋板具有第二相对位移时可接触，其中，该第一相对位移为沿盾构隧道轴向的位移，该第二相对位移为沿盾构隧道径向的位移；

所述第一环向肋板远离第二环向肋板的一侧与第一钢筋混凝土部分固定在一起，所述第二环向肋板远离第一环向肋板的一侧与第二钢筋混凝土部分固定在一起。

优选地，所述第一环向肋板和第二环向肋板分别通过多根锚筋与第一钢筋混凝土部分和第二钢筋混凝土部分固定在一起，从而将中间的钢箱体与两侧的第一钢筋混凝土部分和第二钢筋混凝土部分连成整体。

优选地，所述钢箱体还包括外弧面钢板，该外弧面钢板的弧度与第一环向肋板的弧度一致，并且外弧面钢板连接该第一环向肋板的外弧边缘和该第二环向肋板的外弧边缘。

优选地，所述波纹钢板与外弧面钢板之间设置有密封油脂。

优选地，所述波纹钢板设置有多块。

优选地，所述波纹钢板与第一环向肋板和第二环向肋板分别采用密封焊形成水密焊缝，以实现防水。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明采用了钢筋混凝土管片和钢箱体组合的衬砌管片结构，钢箱体可提前加工，然后与钢筋混凝土管片的钢筋笼连接后置于模具中浇筑混凝土成为整块衬砌管片，制造方便快速，能有效降低制造周期和提高制造效率。

2)本发明的钢箱体采用了波纹钢板结构，可适应衬砌管片的拉伸、压缩和剪切变形，适应性好。

3)本发明通过通过波纹钢板与环向肋板进行焊接，可以有效实现防水。

4)本发明通过设置l形抗剪止推键和一字形抗剪止推键，分别焊接在两侧环向肋板上，l形抗剪止推键和一字形抗剪止推键之间的间距δv即为初砌管片允许的最大剪切变形量，间隙δh即为允许的最大压缩变形量，既允许衬砌管片产生适度拉伸、压缩和剪切变形，又能控制其变形量，控制简单方便，可以有效降低成本。

附图说明

图1是本发明的结构横剖面；

图2是本发明拉伸变形时结构横剖面；

图3是本发明压缩变形时结构横剖面；

图4是本发明剪切变形时结构横剖面。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1～图4所示，一种可适应大变形的盾构隧道衬砌管片，包括钢箱体1、第一钢筋混凝土部分2和第二钢筋混凝土部分3，其中，

所述钢箱体1包括第一环向肋板11、第二环向肋板12、波纹钢板13、l形抗剪止推键14和一字形抗剪止推15键，所述第一环向肋板11整体呈弧形，该第一环向肋板11与第二环向肋板12的结构相同并且它们相互平行，所述波纹钢板13位于第一环向肋板11和第二环向肋板12之间，并且波纹钢板13的一端与第一环向肋板11焊接而另一端与第二环向肋板12焊接，所述l形抗剪止推键14包括平行于第一环向肋板11的第一段141和垂直于第一环向肋板11的第二段142，该第一段141焊接在第一环向肋板11上而第二段142与第二环向肋板12之间存在间距，所述一字形抗剪止推15键的一端焊接在第二环向肋板12上，该一字形抗剪止推15键的另一端与该第一段141之间均存在间距δh并且它们在第一环向肋板11与第二环向肋板12具有第一相对位移时可接触，该一字形抗剪止推15键与该第二段142之间的间距为δv并且在第一环向肋板11与第二环向肋板12具有第二相对位移时可接触，其中，该第一相对位移为沿盾构隧道轴向的位移，该第二相对位移为沿盾构隧道径向的位移。

所述第一环向肋板11远离第二环向肋板12的一侧与第一钢筋混凝土部分2固定在一起，所述第二环向肋板12远离第一环向肋板11的一侧与第二钢筋混凝土部分3固定在一起。

沿盾构隧道纵向发生拉伸变形时，首先会将衬砌管片的波形钢板拉直，波形钢板拉直后的长度与拉直前长度差值即为允许的最大拉伸变形量，实际工程中可根据所需的变形量以及所需承受的拉力大小，对波纹钢板13的厚度及波纹大小进行设计。

当沿盾构隧道纵向发生压缩变形或沿盾构隧道径向发生剪切变形时，波形钢板沿着既有波形发生弯曲，在钢材不破坏的前提下可适应较大变形；

本发明为了控制剪切和压缩变形量的范围，在环向肋板上间隔一定距离焊接l形抗剪止推键14和一字形抗剪止推15键，l形抗剪止推键14为l形钢板，一字形抗剪止推15键为一块一字形平钢板，它们分别焊接在两侧环向肋板上，l形抗剪止推键14和一字形抗剪止推15键之间的间距δv即为允许的最大剪切变形量，间距δh即为允许的最大压缩变形量。

进一步，所述第一环向肋板11和第二环向肋板12分别通过多根锚筋与第一钢筋混凝土部分2和第二钢筋混凝土部分3固定在一起，从而将中间的钢箱体1与两侧的第一钢筋混凝土部分2和第二钢筋混凝土部分3连成整体，所述第一环向肋板11上连接的锚筋记为锚筋a21，这些锚筋a21与第一钢筋混凝土部分2的钢筋笼焊接在一起，所述第二环向肋板12上连接的锚筋记为锚筋b31，锚筋b31与第二钢筋混凝土部分3的钢筋笼焊接在一起，这样就保证了第一环向肋板11与第一钢筋混凝土部分2、第二环向肋板12与第二钢筋混凝土部分3牢固地连接在一起。两侧的第一钢筋混凝土部分2、第二钢筋混凝土部分3的组成与普通混凝土管片类似。

进一步，所述钢箱体1还包括外弧面钢板16，该外弧面钢板16的弧度与第一环向肋板11的弧度一致，并且外弧面钢板16连接该第一环向肋板11的外弧边缘和该第二环向肋板12的外弧边缘，这样相当于局部封闭了钢箱体1。为了满足盾构隧道掘进施工需要，在衬砌管片外弧面焊接薄钢板，使衬砌管片的外表面连续。该外弧面钢板16为施工期临时结构，当使用期间衬砌管片发生拉压或剪切变形时，允许该外弧面钢板16首先破坏。

进一步，所述波纹钢板13与外弧面钢板16之间具有密封油脂空间18，在该密封油脂空间18内设置有密封油脂，。为了提高防水可靠性，并防止外层波形钢板的锈蚀，通过设置在外弧面钢板16上的油脂注入孔，在外层波形钢板和外弧面钢板16之间封闭空间内注入密封油脂。

进一步，所述波纹钢板13设置有多块，此外所述波纹钢板13与第一环向肋板11和第二环向肋板12分别采用密封焊形成水密焊缝17，以实现防水。

本发明采用了第一钢筋混凝土部分2和钢箱体1组合的结构，衬砌管片制作时，可提前将中间的钢箱体1加工好，然后通过锚筋a21和锚筋b31与两侧的第一钢筋混凝土部分2、第二钢筋混凝土部分3的钢筋笼连接为整体，吊装安放于混凝土管片模具中，然后浇筑第一钢筋混凝土部分2、第二钢筋混凝土部分3的混凝土，最终形成整块衬砌管片；钢箱体1中采用了连续的波纹钢板13结构，可适应拉伸、压缩和剪切变形，同时通过与环向肋板焊接，实现防水功能。与既有的利用钢套筒连接钢箱体1的大变形钢管片环相比，在可实现同样的使用功能前提下，加工工艺简单、防水可靠、用钢量小、成本低廉。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。