一种应用于电力隧道的矩形管片的制作方法

1.本发明属于电力隧道技术领域，具体涉及一种应用于电力隧道的矩形管片。


背景技术：

2.目前地下隧道和通道，通常设计为圆形，主要是圆形结构受力合理，施工时推进摩阻力小。但矩形或类矩形盾构法隧道作为一种新型的施工方法，以其浅覆土、节省地下空间、可长距离曲线掘进的特点，填补了国内地下空间建设方法的空白，在跨越路口、地下管线搬迁等特殊节点处理方面，有着广阔的应用前景。
3.但针对电力矩形盾构隧道施工面临的地质条件与环境，仍然存在全断面切削、结构受力、管片分块与拼装，小曲率半径施工等重难点问题。


技术实现要素：

4.本发明目的在于解决现有技术的缺陷，提供一种应用于电力隧道的矩形管片，解决了上述问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种应用于电力隧道的矩形管片，包括：多块环形管片；所述多块环形管片沿所述电力隧道延伸方向排列；其中，所述环形管片包括：第一管片、第二管片、第三管片、第四管片以及第五管片；所述第一管片、所述第二管片、所述第三管片、所述第四管片和所述第五管片沿所述电力隧道的环向内壁排列；所述第一管片、所述第二管片、所述第三管片和所述第四管片为l型结构，所述第五管片为一字型结构，所述第一管片、所述第二管片、所述第三管片、所述第四管片和所述第五管片中相邻的管片之间通过环向接头连接，多个所述环向接头沿竖直方向和水平方向错位设置。
6.在一实施例中，所述第五管片位于所述电力隧道的侧壁处且竖直设立。
7.在一实施例中，所述环向接头包括分别位于相邻管片上的第一接头和第二接头，其中，所述第一接头和所述第二接头均包括凹槽和凸起，所述第一接头上的凹槽与所述第二接头上的凸起配合，所述第一接头上的凸起与所述第二接头上的凹槽配合。
8.在一实施例中，所述环向接头还包括位于所述第一接头和所述第二接头之间的传力衬垫，所述传力衬垫与所述第一接头、所述第二接头粘接。
9.在一实施例中，相邻管片内预设螺帽，所述螺帽与螺栓配合以实现所述相邻管片的连接。
10.在一实施例中，所述螺栓远离所述螺帽一端设置橡胶垫圈，所述橡胶垫圈凸起于所述螺栓表面且呈三角形。
11.在一实施例中，所述橡胶垫圈的外角部覆贴具有粘性的橡胶薄板。
12.在一实施例中，所述位于所述环形管片顶部或底部的所述环向接头的两端包括楔形端面。
13.在一实施例中，所述第一管片、所述第二管片、所述第三管片、所述第四管片和所述第五管片内均预埋注浆管。
14.在一实施例中，所述注浆管包括：贯入管片内的注浆直管、位于所述注浆直管底部的注浆管底盖、位于所述注浆直管顶部的注浆管塞、位于所述注浆直管内且位于所述注浆管塞下方的注浆螺旋管、位于所述注浆管塞与所述注浆螺旋管之间的密封圈。
15.本技术提供的一种应用于电力隧道的矩形管片，通过多块沿电力隧道延伸方向排列的环形管片拼接而成；其中，环形管片包括沿电力隧道的环向内壁排列的第一管片、第二管片、第三管片、第四管片以及第五管片，第一管片、第二管片、第三管片和第四管片为l型结构，第五管片为一字型结构，第一管片、第二管片、第三管片、第四管片和第五管片中相邻的管片之间通过环向接头连接，多个环向接头沿竖直方向和水平方向错位设置；即将矩形管片结构沿两个方向拆分为多块管片，利用多块管片拼接以实现电力隧道的矩形管片结构，从而降低了矩形隧道的施工难度，并且将环向接头错位排列以避免同一方向上多个环向接头受力叠加，从而提高了环形管片的受力能力，继而提高了整个管片结构的强度。
附图说明
16.图1为本技术一实施例提供的一种应用于电力隧道的矩形管片的结构示意图。
17.图2为本技术一实施例提供的一种环向接头的结构示意图。
18.图3为本技术一实施例提供的一种相邻管片的结构示意图。
19.图4为本技术一实施例提供的一种紧固结构的结构示意图。
20.图5为本技术一实施例提供的一种注浆管的结构示意图。
具体实施方式
21.为了更具体的阐述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细的说明。
22.图1为本技术一实施例提供的一种应用于电力隧道的矩形管片的结构示意图。如图1所示，该应用于电力隧道的矩形管片包括：多块环形管片10；多块环形管片10沿电力隧道延伸方向排列；其中，环形管片10包括：第一管片11、第二管片12、第三管片13、第四管片14以及第五管片15；第一管片11、第二管片12、第三管片13、第四管片14和第五管片15沿电力隧道的环向内壁排列；第一管片11、第二管片12、第三管片13和第四管片14为l型结构，第五管片15为一字型结构，第一管片11、第二管片12、第三管片13、第四管片14和第五管片15中相邻的管片之间通过环向接头20连接，多个环向接头20沿竖直方向和水平方向错位设置。具体的，同一环形管片10上一块l型的管片的长边与另一块l型的管片短边连接，以实现对边上的两个环向接头20不对应，以分散受力点。应当理解，为了方便制备和安装，可以将所有的l型管片设置为同一尺寸，当然也可以根据需求设置不同的尺寸，并对不同尺寸的管片进行编号，以方便现场安装。
23.在一实施例中，如图1所示，第五管片15位于电力隧道的侧壁处且竖直设立。具体的，第五管片15可以设置于电力隧道的左侧，也可以设置于电力隧道的右侧，以适应实际安装过程中的需求，并且竖直设置的第五管片15可以有效传递压力，以提高矩形管片的整体强度。
24.矩形管片主要有钢结构和钢筋混凝土结构两种形式，钢结构管片的环向接头基于钢材材料特性和先进的焊接防腐技术，采用螺栓连接或焊接很容易实现，而对于混凝土管
片，环向接头选择在设计中则面临诸多困难。在矩形管片结构的设计中，环向接头的刚度如果设计得太大，矩形管片的应力也随之加大，这将对矩形管片结构的整体受力不利。而如果环向接头刚度设计得太小，则矩形管片的接缝变形又太大，止水问题又比较突出。因此，矩形管片需要选择适当大小的环向接头刚度。当土体地质条件较差、承载力低、灵敏度高，极有可能发生较大的不均匀沉降的时候，不宜采用刚度过大的环向接头；当土质条件好、土体稳定、承载力高时，所能采用的环向接头形式相对就比较自由。应当理解，沿电力隧道延伸方向的相邻管片(即纵向方向的相邻管片)之间也可以通过接头连接以加强各个矩形管片之间的连接强度。
25.本技术提供的一种应用于电力隧道的矩形管片，通过多块沿电力隧道延伸方向排列的环形管片拼接而成；其中，环形管片包括沿电力隧道的环向内壁排列的第一管片、第二管片、第三管片、第四管片以及第五管片，第一管片、第二管片、第三管片和第四管片为l型结构，第五管片为一字型结构，第一管片、第二管片、第三管片、第四管片和第五管片中相邻的管片之间通过环向接头连接，多个环向接头沿竖直方向和水平方向错位设置；即将矩形管片结构沿两个方向拆分为多块管片，利用多块管片拼接以实现电力隧道的矩形管片结构，从而降低了矩形隧道的施工难度，并且将环向接头错位排列以避免同一方向上多个环向接头受力叠加，从而提高了环形管片的受力能力，继而提高了整个管片结构的强度。
26.图2为本技术一实施例提供的一种环向接头的结构示意图。如图2所示，环向接头20可以包括分别位于相邻管片上的第一接头21和第二接头22，其中，第一接头21和第二接头22均包括凹槽和凸起，第一接头21上的凹槽与第二接头22上的凸起配合，第一接头21上的凸起与第二接头22上的凹槽配合。通过分别在第一接头21和第二接头22上设置凹槽和凸起接头，以利用凹槽与凸起的相互配合实现相邻管片之间的密封贴合，从而提高防水效果，并且利用凹槽和凸起也可以提高相邻管片的对位准确，优选的，如图2所示，凹槽和凸起的侧壁均设置为倒角结构，以实现对应的凹槽和凸起的导向定位。
27.在一实施例中，如图2所示，环向接头20还可以包括位于第一接头21和第二接头22之间的传力衬垫23，传力衬垫23与第一接头21、第二接头22粘接。通过设置传力衬垫23，以加强第一接头21与第二接头22之间的密封性，从而进一步提高防水效果。具体的，传力衬垫23采用丁氰软木橡胶构成，其性能指标为：硬度大于90度、永久压缩变形小于10％、抗拉强度大于3.2兆帕、伸长率大于25％、防霉等级为0-2级。传力衬垫23与第一接头21、第二接头22之间可以用单组份氯丁-酚醛胶粘剂粘接。
28.图3为本技术一实施例提供的一种相邻管片的结构示意图。如图3所示，相邻管片内预设螺帽31，螺帽31与螺栓配合以实现相邻管片的连接。通过设置螺帽31和对应的螺栓以实现相邻管片以及管片与隧道内壁之间的固定连接。具体的，螺栓的内径为26毫米、外径为38毫米。应当理解，相邻管片之间可以采用螺栓结构、铰接结构、销插入式结构、楔型结构和榫型结构等，本技术对于具体的紧固结构不做限定。
29.图4为本技术一实施例提供的一种紧固结构的结构示意图。如图4所示，螺栓32远离螺帽31一端设置橡胶垫圈33，橡胶垫圈33凸起于螺栓32表面且呈三角形。通过设置橡胶垫圈33，以实现螺栓32与螺帽31之间的密封性，从而提高防水效果。在进一步的实施例中，橡胶垫圈33的外角部覆贴具有粘性的橡胶薄板。通过设置橡胶薄板，进一步提高螺栓32与螺帽31之间的防水效果。具体的，橡胶薄板可以采用厚度为1.5毫米、宽80毫米、长75毫米的
未硫化丁基橡胶，并将该未硫化丁基橡胶压缩成1毫米后即成该橡胶薄板。橡胶薄板的剪切粘结强度大于0.15兆帕，伸长率大于500％。
30.管片的接头形式的选择在盾构隧道的设计中有着重要的作用，在进行接头形式的设计时，既要考虑到承受的荷载、周围的地质情况及防水等要求，又要综合考虑到施工便捷度、经济合理性、工期压力、耐久性及养护维修难度等诸多因素。
31.具体的，螺栓连接结构的接头可以包括：单弯螺栓接头、短直双头螺栓、双直螺栓连接、组合螺栓连接以及斜螺栓连接。其中，单弯螺栓接头在圆形顶管管节、盾构管片设计中普遍采用，其刚度较大，且手孔较小，对管节的削弱很小。短直双头螺栓接头广泛用于软土盾构隧道，它在达到一定螺栓预紧力的条件下，具有较好的抗弯刚度，用料省，经济合理。单弯螺栓接头与直螺栓相比用料多，且弯螺栓及管片钢模在制作时若弧度与精度要求高，施工时螺栓穿孔较困难，耗时耗力。直螺栓不足之处就是具有相当大的手孔，对管片截面有很大的削弱，同时还需要进行螺栓头和手孔的防腐蚀处理。双直螺栓连接的两根螺栓的相对距离决定了其实际的抗弯刚度。组合螺栓连接包括一弯一直两根螺栓，其抗弯刚度很大，但当隧道发生较大的不均匀沉降或者是遇到地震作用的时候，由于完全刚性的连接，使它无法通过适当变形吸收这些能量，容易发生破坏，并且这种连接方式成本较高。斜螺栓连接用钢少，手孔小，对截面削弱较小，受力合理，施工方便，只要对螺栓的一头进行防水和防腐蚀处理，由此加快了施工进度，降低了造价。在地质情况较好时，常有安装后拆除斜螺栓的情况。
32.在一实施例中，位于环形管片10顶部或底部的环向接头20的两端包括楔形端面。具体的，楔形端面的插入角为7.5度。通过将位于环形管片10顶部或底部的环向接头20所连接的两块管片的两端包括楔形端面，例如环形管片10顶部的管片的两端为两侧向中间倾斜的楔形断面，相邻的管片对应的为中间向两侧倾斜的楔形断面，从而可以提高顶部的管片与相邻管片的竖直方向的受力面，即更好的将顶部的管片所受的压力传递给相邻的管片，以提高受力传递效率，从而提高整个管片结构的支撑能力。
33.为减少分块数和降低管片模具加工制造成本，宜以断面中心为对称点进行分块(错缝拼装，可通过上下或左右调换对称分块位置实现错缝拼装)，在采用复合钢管片混凝土结构时也可以断面中心线对称分块(通缝拼装)。
34.在一实施例中，如图3所示，第一管片11、第二管片12、第三管片13、第四管片14和第五管片15内均预埋注浆管40。通过设置注浆管40，可以向第一管片11、第二管片12、第三管片13、第四管片14和第五管片15内注入浆液，以提高第一管片11、第二管片12、第三管片13、第四管片14和第五管片15的强度以及第一管片11、第二管片12、第三管片13、第四管片14和第五管片15与电力隧道内壁之间的支持强度。
35.图5为本技术一实施例提供的一种注浆管的结构示意图。如图5所示，注浆管40包括：贯入管片内的注浆直管41、位于注浆直管41底部的注浆管底盖42、位于注浆直管41顶部的注浆管塞43、位于注浆直管41内且位于注浆管塞43下方的注浆螺旋管44、位于注浆管塞43与注浆螺旋管44之间的密封圈45。利用注浆直管41实现深入注浆，以使得浆液到达管片内部及管片与隧道内壁之间，利用注浆管底盖42和注浆管塞43实现浆液的封堵，利用注浆螺旋管44将浆液注入注浆直管41内，利用密封圈45实现注浆管40的密封。本技术的注浆管40还可以包括止逆阀，通过设置止逆阀以避免浆液回流。
36.在一实施例中，环向接头20的位置与环形管片10的受力弯矩零点位置的距离小于预设值。
37.为减少各环向接头20处受剪破坏时产生较大形变，应根据地层条件、施工条件等选取不同断面进行理论计算或试验加载分析，根据计算或试验结果，以环形管片10的断面弯矩受力较小处作为环向接头20的划分点，环向接头20处位于断面受力弯矩零点或其附近为宜。
38.具体的，作用在矩形顶管管节上的荷载主要分恒载、活载和偶然荷载三大类。进行结构计算分析时，应根据相关规范规定，对各类荷载进行分项组合并最终确定荷载组合系数。其中，恒载包括水土压力、水浮力、结构自重等；活载包括地面超载、隧道内车辆及人行荷载、施工荷载等，其中隧道内车辆及人行荷载对结构受力有力，可忽略；偶然荷载包括地震荷载以及人防荷载等。
39.环形管片10在为电力隧道全周沿结构几何中心线的横梁单元，环形管片10的材料参数由混凝土类型决定。周边岩土体与管片间的相互作用简化为地层弹簧，弹簧沿管片法向布置，其弹性模量根据地勘报告确定。
40.本技术考虑到电力隧道在使用阶段过程中的受力情况，常规电力隧道的覆土厚度约为10米。使用阶段管片承受的荷载主要有：自重、顶板上的覆土荷载和地面荷载、侧向水土压力、水浮力和地基反力等。计算时按照底板支撑在弹性地基上的平面框架进行内力分析，并据此确定管片截面尺寸及配筋。
41.在一实施例中，第一管片11、第二管片12、第三管片13、第四管片14和第五管片15的厚度范围包括250毫米-300毫米；和/或，第一管片11、第二管片12、第三管片13、第四管片14和第五管片15的重量小于10.2吨。
42.为便于搬运和拼装操作，第一管片11、第二管片12、第三管片13、第四管片14和第五管片15的尺寸和最大重量需结合断面内部空间和所采用的管片拼装机类型进行模拟分析，例如管片的最大弧长不宜大于4.5米(当管片结构为类矩形结构时)，单块管片的最大重量不宜大于10.2吨。
43.由于类矩形断面底部呈平底状，渣土流动性差，局部易产生淤积；刀盘结构、切削方式，以及渣土流动形式特殊；土压力分布型式不明且不稳定。电力隧道一般下穿城市主干道，覆土浅，对沉降控制要求极高，渣土改良效果的好坏直接影响到沉降的控制。因此，必须对切削排土改良进行针对性研究，配合盾构刀盘切削方式形成新型改良添加剂和改良技术，提出适用于砂卵石地层的改良剂配比。
44.此外针对螺旋输送机系统，要能根据推进速度的变化，实时调整旋转速度，来达到渣土的输送平衡，同时出渣量也需根据土仓压力以及推进速度进行综合调节。
45.小转弯隧道施工中，因为盾构机是直线刚体，导致实际掘进线形不能曲线完全吻合，而且在盾构机身越长和转弯半径越小情况下越难实现拟合。为了更好的让掘进线型与曲线线型相吻合，盾构机还要进行纠偏控制。当盾构机身越长和转弯半径越小，需要的纠偏量也越大，纠偏灵敏度(纠偏效果)也会越差，隧道的轴线控制也越困难。通过提高盾构的纠偏灵敏度可以更好的控制隧道轴线，最直接的办法是减小盾构机头长度；另一种有效的方法是通过在盾构机的中部装上铰接装置来降低盾构机的刚体长度，可实现盾构机小转弯施工的目的。电力隧道在掘进过程中，既要适应城区线路曲折多变(转弯半径往往接近规范极
限的要求)，又要尽量减少小半径曲线推进时的地层损失，因此，建议设置壳体铰接结构。盾构机铰接形式主要有两种，分别为主动式铰接与被动式铰接。主动铰接主要特点是分布在盾体周围的铰接油缸可各自独立或分组控制，可在允许范围内任意伸缩调整或根据盾尾受力自适应弯折角度。该装置利用中折油缸的主动伸缩来实现盾构前筒和后筒的弯曲，且油缸顶推力先施加在盾构机后部后通过中折油缸才传到盾构机前部，装置在盾构施工时，能够实现水平和竖向的纠偏或转弯需求，且铰接角度一般较大(最大达9
°
)，且管片中心线与油缸顶推点的偏心距较小。
46.被动铰接装置是利用外力使中折油缸进行伸缩来实现盾构前筒和后筒的弯曲，且油缸顶推力直接施加在盾构机前部。装置在盾构施工时，能够实现水平与竖向的纠偏或转弯需求，但铰接角度一般比较小(小于3
°
)，且管片中心线与油缸顶推点的偏心距较大。
47.盾构机一般只采用一种铰接形式，但为适应电力隧道小曲线半径的盾构施工，本技术可采用主动铰接+被动铰接的形式，这种双铰接方式可以保护管片不受破坏，纠偏也更灵敏和可靠，但需对铰接形式进一步进行优化设计。另外布置空间受限，对驱动尺寸要求严格，也需针对主驱动结构形式，密封系统等进行优化设计。
48.小转弯半径下盾构配置铰接装置后，因盾构实际掘进的孔洞形状不再是圆形，盾构还需要配置仿形刀。一般仿形刀安装在刀盘辐条两端，能够根据隧道轴线来进行超挖实现盾构转向，理论上超挖量越大时，盾构越容易实现转弯，但是，过大的超挖量会造成土体松动，使隧道变形位移变大，而且注浆浆液也容易进入开挖面，因此，超挖量应该取理想状态下的最小超挖量。
49.一般直线隧道的受力模型是平面应变问题，千斤顶对管片的轴向应力是均匀分布，而小转弯隧道的千斤顶偏心量变大，引起的弯矩会造成管片轴向应力非均匀分布。偏心过大，可能会使曲线内侧管片受拉而外侧的管片受压，若内侧管片拉应力过大，可能会造成螺栓断裂，若外侧管片压应力过大，可能会造成混凝土管片破裂。
50.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。凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。