一种盾构管片、管片环、隧道管片衬砌及隧道的制作方法

本发明属于盾构施工领域，具体涉及一种盾构管片、管片环、隧道管片衬砌及隧道。

背景技术：

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

盾构管片是盾构施工的主要装配构件，是隧道的最内层永久衬砌结构，承担着抵抗土层压力、地下水压力以及一些特殊荷载的作用。盾构法施工的隧道，一环管片衬砌一般由一块封顶块、两块邻接块和三块标准块构成，环与环之间采用通缝或错缝拼接形式。管片间接头的连接有沿隧道纵轴的纵向连接和与纵轴垂直的环向连接。目前国内外常见的管片接头连接方式主要有弯曲螺栓接头、直螺栓接头、多螺栓接头、插入式接头、插销式接头以及ta-sring接头等。尽管管片接头形式多样，但其设计思路仍然离不开金属连接件，这些金属连接件或预埋在混凝土管片之中，或后期管片拼装成环后插入管片间起到连接紧固的作用。国内管片主要以螺栓连接为主，管片上预留有螺栓孔(一般轴向连接螺栓孔预留6个，环向连接螺栓孔预留4个)。

发明人发现目前国内盾构施工所采用的管片及其连接方式主要存在以下问题：

(1)管片轴向和环向间的连接仅仅由螺栓承担，无法保证支护体系的整体性；

(2)没有从管片设计层面考虑如何防止管片间的错台现象；

(3)围岩压力仅由管片拼装形成的环形结构承担；

(4)一般采用弯曲螺栓实现管片间的连接，但弯曲螺栓不易插入管片间，也不易采用机械化的安装方式；

(5)管片上预留的螺栓连接孔呈弧形，不仅加工制作难度大，而且难以保证管片质量。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种盾构管片、管片环、隧道管片衬砌及隧道，该装置可以解决现有技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种盾构管片，包括管片本体，沿着隧道轴线方向，在所述的管片本体的第一侧面上设有用于轴向连接的轴向凸起和第一嵌缝，第二侧面上设有用于轴向连接的轴向凹槽和第二嵌缝；沿着管片本体的环向方向，在第一环向面上设有用于环向定位的定位凸起，在第二环向面上设有用于环向定位的定位凹槽。

第二方面，本发明的实施例还提供了一种管片环，所述的管片环包括多个依次连接在一起的盾构管片，多个盾构管片连接在一起形成一个环。

第三方面，本发明的实施例还提供了一种隧道管片衬砌，包括多个单环管片，相邻的单环管片之间插装有环状的工字钢支架，工字钢支架的内翼板位于两个相邻单环管片的内环内侧，工字钢支架的外翼板分别插装在相邻单环管片的嵌缝内，螺栓穿过内翼板、管片本体以及外翼板。

进一步的，所述的环状的工字钢支架包括多个弧形的工字钢支架，每个弧形的工字钢支架包括弧形的内翼板、弧形的外翼板和弧形的腹板，所述的腹板连接内翼板、外翼板；在内翼板、外翼板均设有连接孔。

第四方面，本发明的实施例还提供了一种隧道，包括前面所述的隧道管片衬砌。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

(1)支护体系中整合了工字钢支架，进一步提高了支护结构的承载能力；

(2)工字钢支架被限制在轴向两环管片之间，在外荷载作用下不易发生平面内的折弯和错断，或者平面外的翻转扭曲，能够完全发挥工字钢支架的承载能力。

(3)管片连接采用的螺栓由传统的弯曲螺栓变为直螺栓，改变难以插入螺栓的情况，无论是人工安装螺栓还是采用机械设备安装螺栓都更加容易实现；

(4)传统管片设计没有防止管片间出现错台现象的措施，本发明中管片四个侧面的定位凸起、定位凹槽、轴向连接凸起、轴向连接凹槽有效抑制了管片间的错台现象。

(5)工字钢支架外翼板嵌入到轴向两环管片内部，有效防止了轴向两环管片沿径向的错台现象；

(6)相比传统管片连接方式，管片轴向和环向之间的连接不再仅由螺栓承担，而是由工字钢支架和管片共同承担，强化管片间连接作用同时也提升了支护体系的整体性，有利于提高支护体系承载能力。

(7)本发明基本没有改变现有管片拼装流程，可以直接利用现有的管片拼装机进行拼装。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的管片结构；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的管片环向侧面示意图；

图3是本发明根据一个或多个实施方式的单环管片拼装示意图；

图4是本发明根据一个或多个实施方式的工字钢支架的结构示意图；

图5本发明根据一个或多个实施方式的单环工字钢支架拼接结构示意图；

图6本发明根据一个或多个实施方式的管片接头连接方式结构示意图；

图7本发明根据一个或多个实施方式的工字钢支架和管片组合结构示意图；

图8本发明根据一个或多个实施方式的工字钢支架和管片错缝拼装结构示意图；

图9是本发明根据一个或多个实施方式的支护体系效果图；

图10是本发明根据一个或多个实施方式的施工步骤示意图；

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。

1-定位凸起、2-螺栓孔、3-定位凹槽、4-轴向连接凸起、5-工字钢外翼板嵌缝、6-轴向连接凹槽、7-工字钢内翼板、8-螺栓孔、9-工字钢外翼板、10-长条形螺栓孔；1-1管片、1-2管片、1-3管片、1-4管片、1-5管片、1-6、管片。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种盾构管片及管片连接方法。

本发明的一种典型的实施方式中，如图1、图2所示，本实施例中提出一种新的盾构管片，其包括一个弧形管片本体，沿着隧道的轴向方向，在管片轴向的两个侧面设计了用于嵌入工字钢外翼板的嵌缝5；进一步优选的，两个嵌缝5的大小形状等完全相同，且相对于弧形管片本体的中心线对称。进一步的，在这两个侧面的其中一个侧面设计了轴向连接凸起4，另一个侧面设计了轴向连接凹槽6；连接凸起的尺寸要求是其正好可以放置在轴向连接凹槽6内，且轴向连接凸起4和轴向连接凹槽6在弧形管片本体上的位置完全对应。轴向两环管片拼接时，轴向连接凸起恰好嵌入到前一环管片的轴向连接凹槽中，这种设计便于管片拼接过程中的对正，能够使管片更好的咬合在一起，还可抑制管片间出现错台现象。

进一步的，在管片环向的两个侧面，其中一个侧面设计了定位凸起1，另一个侧面设计了定位凹槽3；定位凸起1的尺寸要求是其正好可以放置在定位凹槽3内，且定位凸起1和定位凹槽3在弧形管片本体上的位置完全对应。其主要是在管片环向拼接过程中主要起到定位的作用，同时也可以有效抑制管片间出现错台现象。

进一步的，沿着管片的径向方向，在管片的内侧面预留螺栓孔2，螺栓孔2的作用是与螺栓配合实现管片和工字钢支架之间的连接，实现管片轴向和环向间的连接。

如图3所示，本实施例还提出了一种单环管拼接装置，其通过上述的多个盾构管片拼接而成，在本实施例中，一个单环管拼接装置包括6个盾构管片，分别是管片1-1、管片1-2、管片1-3、管片1-4、管片1-5、管片1-6；6个盾构管片依次通过定位凸起1、定位凹槽3进行定位连接，形成一个环状结构；每个管片的弧度为60°。当然不难理理解的，在其他实施例中，还可以设置成5个管片、4个管片、3个管片或者8个管片、7个管片等。

如图4和图5所示，本实施例还公开一种与上述盾构管片配合使用的环状工字钢支架；所述的环状工字钢支架包括多个结构相同的弧形的工字钢支架；且优选的，工字钢支架的弧度与上述盾构管片完全契合，其个数与盾构管片的个数相等，当然不难理解的，在其他实施例中，盾构管片的个数还可以设置在其他数量。

进一步的，在工字钢支架的内翼板7上预留圆形螺栓孔2，圆形螺栓孔2与螺栓配合实现工字钢支架与盾构管片的连接。

进一步的，由于管片和工字钢支架加工制作过程中精度不易控制，而螺栓插入过程中需要依次穿过工字钢内翼板、管片上的预留螺栓孔以及工字钢外翼板，使得孔位不易对正，出现螺栓难以插入的现象，所以工字钢外翼板上预留长条形螺栓孔10，方便螺栓插入。

如图6所示，本实施例还公开了一种上述管片与上述的工字钢支架之间的接头方式，各环管片之间嵌入了工字钢支架，工字钢支架的内翼板位于两个相邻管片环的内环内侧，工字钢支架的外翼板分别插装在相邻管片环的嵌缝内，螺栓穿过工字钢内翼板、管片以及工字钢外翼板。从而实现管片间的连接。这种连接方式有效的限制了管片轴向和环向的分离，同时管片径向的剪切作用由工字钢的内、外翼板和管片的轴向连接凸起共同承担，有效防止了管片径向间的错动，增强了整个支护体系的整体性，提高了承载能力。

工字钢支架被限制在轴向两环管片之间，在外荷载作用下不易发生平面内的折弯和错断，或者平面外的翻转扭曲，能够完全发挥工字钢支架的承载能力。

工字钢支架在本发明中不仅实现了管片轴向和环向之间的连接，而且限制了管片沿径向的错动，能够与管片共同承载围岩压力。

如图7和图8所示，本实施例还公开了一种工字钢支架和管片组合而成的衬砌结构，工字钢支架与管片之间错缝拼装，这样才能实现环向管片间的连接作用，提高整个支护体系的整体性，提高承载能力。

如图9所示，本实施例还提供了一种隧道结构，包括前面工字钢支架和管片，具体施工方法如下：

step1：安装1号管片；

step2：安装2、3号管片；

step3：安装1、2和1、3号管片之间的工字钢支架；

step4：安装4、5号管片；

step5：安装2、4和3、5号管片之间的工字钢支架；

step6：安装6号管片；

step7：安装4、6和5、6号管片之间的工字钢支架；

step8：重复step1-step7。

本发明的支护体系中整合了工字钢支架，进一步提高了支护结构的承载能力；工字钢支架被限制在轴向两环管片之间，在外荷载作用下不易发生平面内的折弯和错断，或者平面外的翻转扭曲，能够完全发挥工字钢支架的承载能力。管片连接采用的螺栓由传统的弯曲螺栓变为直螺栓，改变难以插入螺栓的情况，无论是人工安装螺栓还是采用机械设备安装螺栓都更加容易实现；传统管片设计没有防止管片间出现错台现象的措施，本发明中管片四个侧面的定位凸起、定位凹槽、轴向连接凸起、轴向连接凹槽有效抑制了管片间的错台现象。工字钢支架外翼板嵌入到轴向两环管片内部，有效防止了轴向两环管片沿径向的错台现象；相比传统管片连接方式，管片轴向和环向之间的连接不再仅由螺栓承担，而是由工字钢支架和管片共同承担，强化管片间连接作用同时也提升了支护体系的整体性，有利于提高支护体系承载能力。本发明基本没有改变现有管片拼装流程，可以直接利用现有的管片拼装机进行拼装。

最后还需要说明的是，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。