一种带有接头加强的管幕箱涵一体化隧道结构

1.本发明涉及一种管幕箱涵，属于地下工程技术领域。


背景技术：

2.目前隧道常用施工方法包括：明挖法、钻爆法、盾构法、顶管法、管幕箱涵工法等。其中明挖法及钻爆法受场地、环境条件限制；盾构法及顶管法隧道断面小，不能满足大交通流量要求；管幕-箱涵工法因为钢管幕的上部挡土作用能够较好控制环境影响，且具有隧道断面尺寸大等优点，但是施工时间长，且管幕在结构正常使用阶控制环境作用较小，无法回收管幕导致建设成本高。
3.管幕箱涵施工方法作为城市下穿运营交通路线等敏感节点的主要施工方法之一，近年来，不断地得到发展，从最初的管幕支撑箱涵顶进施工方法或箱涵置换管幕施工方法改进到了管幕箱涵一体化施工方法。管幕接头设计作为管幕箱涵施工方法中十分重要的一个环节，在以往的管幕支撑箱涵顶进施工方法或箱涵置换管幕施工方法中主要考虑管幕接头的挡土和止水性能来进行设计。
4.在现有管幕接头设计技术中，一般采用角钢等外接式锁口单点焊接在相邻管幕钢管之间，不能保证管幕箱涵一体化施工新方法中既作为施工前期支撑结构，又作为下穿通道主体承载结构的矩形管幕形成一个整体受力结构体系。
5.因此，如何设计管幕箱涵一体化施工方法中矩形管幕间接头加强结构，实现管幕间紧密连接形成一个能够整体受力的地下主体结构是本领域相关人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

6.本发明通过小型矩形顶管机将钢管顶进土体中，相邻管节之间通过一体化锁口连接，并向管段内部灌注高流动混凝土，最终形成一种安全的管幕-箱涵一体化隧道结构形式；且施工速度快，经济性好；该种隧道结构可广泛运用于埋深浅、环境影响控制严格的隧道结构中。
7.鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提出了一种加强的管幕箱涵一体化隧道结构，其目的是实现矩形管幕间强度和刚度增强，保证矩形管幕的整体承载性能。
8.为实现上述目的，发明了一种带有接头加强的管幕箱涵一体化隧道结构，其特征在于，包括若干矩形钢管节单体拼接围合而成；
9.每个矩形钢管节单体四个角部边缘上分别焊接有c型母接头和t型子接头，采用由c型母接头和t型子接头构成的ct形接头与相邻矩形钢管节连接，管节内部灌注有混凝土，接头间隙内灌注有灌浆料，形成一体化管幕结构；
10.还包括接头加强结构，沿管幕接头纵向布置于管幕纵向隔板之间，管幕上下边缘对称布置，由开口区接头加强子结构和隔板间接头加强子结构组成；
11.ct形接头包含母接头为c形结构，子接头为t形结构：左侧为c形母接头，右侧为t形
子接头，二者中间间隙灌注灌浆料填充，形成管幕-箱涵一体化隧道结构的不同管段；
12.矩形钢管节根据设计强度采用不同强度指标的钢材，通常为q235钢材；
13.开口区接头加强子结构焊接于管幕纵向隔板之间的开口区，开口区接头加强子结构横向长度1～1.5倍管幕接头横向长度，开口区接头加强子结构纵向宽度等于管幕纵向隔板之间的开口区宽度；
14.开口区接头加强子结构由横向加劲肋、纵向加劲肋、横向钢板组成，纵向加劲肋下缘焊接于接头区管幕接头两侧管幕钢板上，纵向加劲肋上缘焊接横向钢板，横向加劲肋焊接于横向钢板之上；
15.纵向加劲肋间距120mm～180mm，高度60～100mm，横向加劲肋间距120mm～180mm，高度40～80mm，横向加劲肋、纵向加劲肋、横向钢板厚度一致，约为管幕钢板厚度的1～1.1倍；
16.隔板间接头加强子结构由螺纹钢筋穿过纵向隔板开孔，并在螺纹钢筋两侧以螺帽拧紧组成；
17.隔板开孔中心水平与横向钢板中心线水平一致，开孔间距100～150mm，开孔直径约20mm。
18.本发明相较于现有技术，具有以下优势：
19.本发明提出的结构可以运用于浅埋、超浅埋，且结构施工环境影响控制好，受力安全；形式多样，由于采用管节拼接的方式形成隧道结构，可根据修建工程要求调整管段数量来形成不同尺寸的隧道结构断面；经济性好，采用小型矩形顶管施工，机械化水平高；克服了现有技术中管幕接头仅作为挡土和止水作用，管幕间接头刚度不足，抗变形能力差的缺点，提高了管幕间的接头强度和刚度，发挥了接头的挡土、止水和承载作用，实现了管幕间的有效连接和传递受力，保证了管幕的整体受力能力，并且接头加强构造简单易于施工操作，是一种简单且安全、实用且高效的接头加强结构设计方法，有利于管幕箱涵一体化施工方法的发展。
附图说明
20.图1ct形接头构造图
21.图2基准管
22.图3承插管
23.图4用顶管机将承插管插入基准管中
24.图5角部管承插
25.图6管幕箱涵一体化隧道结构断面示意图
26.图7相邻管段间细部图
27.图8实施例管幕箱涵一体化隧道施工流程图
28.图9是管幕箱涵一体化接头加强结构立体示意图。
29.图10是管幕箱涵一体化接头加强结构正面示意图。
30.图11是管幕箱涵一体化接头加强结构剖面
ⅰ‑ⅰ
示意图。
31.图12是管幕箱涵一体化开口区接头加强子结构立体示意图。
32.图13是管幕箱涵一体化开口区接头加强子结构正面示意图。
33.图14是管幕箱涵一体化开口区接头加强子结构侧面示意图。
34.图15是管幕箱涵一体化隔板间接头加强子结构立体示意图。
35.图16是管幕箱涵一体化隔板间接头加强子结构正面示意图。
36.图17是管幕箱涵一体化隔板间接头加强子结构侧面示意图。
37.数字标记：
38.矩形钢管节1，ct形接头3，矩形钢管节4，
39.管节内部2-1，接头间隙2-2，接头内间隙5，
40.管幕接头11，管幕纵向隔板12，
41.开口区接头加强子结构13，隔板间接头加强子结构14，
42.横向加劲肋15，纵向加劲肋16，
43.横向钢板17，侧管幕钢板18，螺帽19，螺纹钢筋20。
具体实施方式
44.实施例1：
45.一种管幕箱涵一体化隧道结构，包括矩形钢管节单体，在每个矩形钢管节单体四个角部边缘上分别焊接有c型母接头和t型子接头，采用由c型母接头和t型子接头构成的ct形接头(简称：接头)与相邻矩形钢管节(简称：矩形钢管节)连接，管节内部灌注有混凝土，接头间隙内灌注有灌浆料，形成一体化管幕结构。
46.进一步的，ct形接头包含母接头为c形结构，子接头为t形结构，如图1：左侧为c形母接头，右侧为t形子接头，二者中间间隙灌注灌浆料填充。
47.可形成管幕-箱涵一体化隧道结构的不同管段。
48.管节可根据设计强度采用不同强度指标的钢材，通常为q235钢材。
49.一种管幕箱涵一体化隧道方法：
50.第一阶段：设计
51.采用ct形接头(简称：接头)与相邻矩形钢管节(简称：矩形钢管节)连接，形成管节内部空隙、接头间隙，设计形成一体化管幕结构。
52.步骤1.1，通过矩形顶管机将不同节段顶进土体，后通过ct形接头之间的承插形成整体结构。
53.步骤1.2，矩形钢管四周均焊接c型母接头，则形成基准管，起到定位作用，如图2；
54.步骤1.3，矩形钢管单侧角部上下焊接2个c形母接头，另一侧布置2个t形子接头，形成承插管，如图3；
55.步骤1.4，承插管通过t形子接头插入基准管的c形母接头中相连接，如图4；
56.步骤1.5，矩形钢管下方焊接两个c形母接头，左侧布置两个t形子接头，形成角部管，可通过沿角部管下方的c形母接头中顶入t形子接头而施工侧排管幕；如图5；
57.重复上述步骤，矩形顶管机将一根根节段顶进土体，后ct形接头承插可得到图6管幕箱涵一体化结构断面。
58.第二阶段
59.步骤2，最后，管节内部2-1及接头间隙2-2内部土体清理后，分别在管节内部2-1灌注混凝土，在接头间隙2-2灌注灌浆料，图6所示；在接头内间隙5处即ct型间隙灌注高强灌
浆料，图7所示。
60.第三阶段
61.步骤3，在隧道纵向上通过焊接的方式连接相邻管段，通过顶管方式沿纵向打入，隧道纵向延伸可至百米。
62.采用上述技术方案，与现有隧道结构形式相比，具有如下优点：
63.(1)该结构可以运用于浅埋、超浅埋，且结构施工环境影响控制好，受力安全。传统的盾构法、顶管法结构运用于浅埋时(3m以下)甚至超浅埋(2m左右)存在较大施工风险，因此鲜有运用，而明挖法无法在环境影响控制严格的场地进行。经过有限元计算及ct形接头的拉伸试验，及管幕-箱涵一体化ct形连接结构的承载力试验，ct形接头的管幕箱涵一体化结构在2m左右的埋深下完全能够满足结构的正常使用阶段受力性能要求，且具有一定的安全系数，因此，本结构在施工时既能较好地控制环境影响，又能满足浅埋或者超浅埋的隧道结构使用受力要求，结构形式传力方式简明，受力安全。
64.(2)本结构形式多样，由于采用管节拼接的方式形成隧道结构，因此即可以形成小断面结构，也可形成大断面结构，可根据修建工程要求调整管段数量来形成不同尺寸的隧道结构断面。
65.(3)经济性好，采用小型矩形顶管施工，机械化水平高；顶进土体的钢管段作为结构的一部分，控制环境影响的同时无需回收，经济性好。
66.在实际工程应用中，为了形成上述管-箱涵一体隧道结构，进一步给出实施例工法，包括以下步骤：
67.(1)首先需要在穿越区域的两侧施工“始发井”和“接收井”。
68.(2)工作井完成后，先搭设作业平台，在矩形钢管幕正式顶进之前，还需进行土体加固。土体加固采用水平注浆的方式将特殊的改良剂注入穿越土层内。
69.(3)钢管幕整体打入顺序为先施工上排管幕，接着施工侧墙管幕，最后施工下排管幕，从而形成整体结构。
70.(4)管幕顶进前，专职测量人员将按照管幕轴线现在洞门位置做好标记，并布置管幕顶进设备。并采用水平钻孔取芯的形式进行洞门凿除，保证始发洞口的精度和尺寸。
71.(5)采用矩形顶管机将管幕节段顶进土体。管幕顶进分为基准管、承插管及闭合管。首先，采用前方牵引的方式施工基准管(图2)，首先采用微型顶管工艺从工作井分别水平打孔，用以安装牵引管幕的钢绞线，在接收井布置液压同步牵引装置，通过4根钢绞线牵引顶管机，从而保证基准钢管的精度。
72.(6)承插管(图3)通过一体化锁口(图1)与已完成钢管连接，确保钢管顶进阶段不会偏离已完成的钢管，提高承插管的顶进精度，形成图4；
73.(7)管幕顶进过程中，通过焊接的方式对前后管幕节段进行连接。在到达接收井后将顶管机与管幕分离。
74.(8)同时人工通过事先开好的50cm间隔对管幕锁口间隙的土体进行清理。
75.(9)并从管幕内对锁口处进行压密灌注接头灌浆料。
76.(10)重复此过程，直至上排管幕全部顶进完成。管幕两侧焊接封板，在封板下部位置设置灌浆孔，顶部设置放气孔及溢浆孔。
77.(11)再向内部浇筑高流动性自密实混凝土，最终结构顶板施工完成。
78.(12)然后，对侧墙和底部角部管施工，接着是施工底部管幕，最后进行闭合管的施工。混凝土全部填充完毕后，浇筑管幕圈梁，最终口字型的管幕-箱涵一体化ct形连接结构就行成了(形成图6)。
79.(13)确认上排管幕可以支撑上部所有荷载后，便可进行管幕内部的挖掘作业。
80.(14)待整体结构可以承担上部荷载后，进行内部土体放坡挖掘，后进行内部防水、路面铺设及内部装饰隧道施工结束。
81.实施例2
82.本发明为实施例1一种管幕箱涵一体化隧道结构的加强结构。
83.一种带有接头加强的管幕箱涵一体化隧道结构，沿管幕接头11纵向布置于管幕纵向隔板12之间，管幕上下边缘对称布置，由开口区接头加强子结构13和隔板间接头加强子结构14组成，
84.开口区接头加强子结构13焊接于管幕纵向隔板12之间的开口区，开口区接头加强子结构13横向长度1～1.5倍管幕接头11横向长度，开口区接头加强子结构13纵向宽度等于管幕纵向隔板12之间的开口区宽度；
85.开口区接头加强子结构13由横向加劲肋15、纵向加劲肋16、横向钢板17组成，纵向加劲肋16下缘焊接于接头区管幕接头11两侧管幕钢板18上，纵向加劲肋16上缘焊接横向钢板17，横向加劲肋15焊接于横向钢板17之上；
86.纵向加劲肋16间距120mm～180mm，高度60～100mm，横向加劲肋15间距120mm～180mm，高度40～80mm，横向加劲肋15、纵向加劲肋16、横向钢板17厚度一致，约为管幕钢板18厚度的1～1.1倍；
87.隔板间接头加强子结构14由螺纹钢筋20穿过纵向隔板开孔，并在螺纹钢筋20两侧以螺帽19拧紧组成；
88.隔板开孔中心水平与横向钢板17中心线水平一致，开孔间距100～150mm，开孔直径约20mm。
89.该接头加强结构的施工过程如下：
90.(1)管幕施工成型后，在管幕纵向隔板12之间的开口区下边缘管幕接头11两侧管幕钢板18上焊接纵向加劲肋16；
91.(2)纵向加劲肋16焊接完后，在其上焊接横向钢板17；
92.(3)横向钢板17上焊接横向加劲肋15，单个开口区下边缘接头加强子结构13施工完成；
93.(4)单个开口区下边缘接头加强子结构13施工完成后，在开口区上边缘重复步骤(1)～(3)，施工完成单个开口区上边缘接头加强子结构；
94.(5)重复步骤(1)～(4)，直至管幕所有开口区接头加强子结构施工完成；
95.(6)管幕所有开口区接头加强子结构施工完成后，在相邻管幕纵向隔板12之间对应的开孔口穿过螺纹钢筋20；
96.(7)在纵向隔板12外侧，即螺纹钢筋20两端用螺帽19拧紧；
97.(8)重复步骤(6)～(7)，将单对隔板间上下边缘所有相对应的开孔口都安装好螺纹钢筋20，形成单对隔板间接头加强子结构14；
98.(9)重复步骤(6)～(8)，直至管幕所有隔板间接头加强子结构施工完成。