提高纵向刚度的顶管接口结构及其施工方法与流程

本发明涉及顶管工程技术领域，更具体地说它是提高纵向刚度的顶管接口结构。本发明还涉及所述提高纵向刚度的顶管接口结构的施工方法。

背景技术：

随着各类市政顶管工程的迅猛发展，各类市政顶管工程所处的地质环境越来越复杂，这对顶管结构接口的止水要求越来越高。尤其是在穿越软土、砂土这类软硬不均匀区段时，此类地层具有压缩性高、渗透性强等特点，顶管接头的止水效果直接影响到工程成败。

钢筋混凝土顶管结构的接口止水一般多采用钢承口或双插口接口，接口止水需满足施工、运营期间的防水要求。

根据《给水排水工程顶管技术规程》(cecs246:2008)、《顶管施工技术及验收规范》(试行)，双插口接口的钢筋混凝土顶管不太适用于砂性土地层。当遇到砂性土地层时，多采用钢承口接口，即将钢承口的前面一半埋入到混凝土管中，为防止钢承口与混凝土管结合面产生渗漏，在该处设了一个遇水膨胀橡胶止水圈。遇水膨胀橡胶止水圈遇水后，体积会膨胀1～3倍，前后顶管之间依靠该橡胶圈止水。

在富含地下水的软土或砂土地层中，顶管接口采用一道密封橡胶圈的“f”型钢承口接口是目前各类顶管工程的常用做法，如图1所示。

“f”型钢承口主要依靠挤压后的橡胶圈止水，前后两个管节之间是木垫板之类的传力衬垫，当顶管机出洞后，临近顶管机附近的顶管管节因顶管机掌子面水土压力骤降，导致原处于压密状态的管节松脱，从而导致接头的渗漏，如图1；另外，当处于软硬不均地层的顶管工程完工后，工程周边环境的降水、地面加载等外界因素将导致地层不均匀沉降，而“f”型钢承口纵向刚度较弱，后期将产生不均匀纵向沉降，将导致接口之间的变形和渗漏，变形严重时可能导致钢承口与原连接的管节脱落，如图2所示。

因此，现亟需开发一种增加顶管接口的纵向刚度的顶管接口。

技术实现要素：

本发明的第一目的是为了提供一种提高纵向刚度的顶管接口结构，通过缀板焊接上各个顶管管节之间增设的预埋钢构件，增加顶管接口的纵向刚度，从而提高施工和运营期间顶管结构接头的安全性；适用于复杂地质环境条件下的顶管工程。

本发明的第二目的是为了提供所述提高纵向刚度的顶管接口结构的施工方法，操作简便。

为了实现上述本发明的第一目的，本发明的技术方案为：提高纵向刚度的顶管接口结构，包括钢承口，插口，止退钢环，楔形密封橡胶圈，遇水膨胀橡胶，木衬垫，密封膏和承口锚筋；

其特征在于：还包括预埋钢构件和缀板；

所述缀板和预埋钢构件均布置在顶管管节内侧、且内表面均与顶管管节内表面一致；

所述预埋钢构件与顶管管节之间通过预埋筋连接；

所述预埋钢构件与所述缀板焊接连接。

在上述技术方案中，所述预埋钢构件与所述预埋筋之间采用t形焊接。

在上述技术方案中，所述预埋钢构件有多个；所述缀板有多个；

所述缀板厚度为10mm，沿管节轴向的长度为300mm，垂直于管节轴向的长度为200mm。

在上述技术方案中，有焊缝设于所述预埋钢构件与所述缀板的焊接处；所述焊缝的高度为8mm。

在上述技术方案中，所述预埋筋包括直埋筋和弯折埋筋；

所述直埋筋垂直于所述预埋钢构件；

所述弯折埋筋呈z型；所述弯折埋筋的中部与管节轴向夹角为°、两端与所述顶管管节的轴向平行；

所述弯折埋筋的一端平行位于所述预埋钢构件上方、且与所述直埋筋连接。

在上述技术方案中，所述顶管管节包括前管节和后管节；

所述木衬垫位于所述前管节与后管节的连接处；

所述密封膏位于所述木衬垫两端、且位于所述前管节与后管节的连接处。

在上述技术方案中，所述预埋钢构件包括前管节预埋钢构件和后管节预埋钢构件；

所述前管节预埋钢构件布置在所述前管节内侧；

所述后管节预埋钢构件布置在所述后管节内侧；

所述前管节预埋钢构件与所述后管节预埋钢构件之间通过所述缀板焊接连接。

在上述技术方案中，所述插口设于所述前管节与后管节的外壁上；

所述钢承口，止退钢环，楔形密封橡胶圈和遇水膨胀橡胶均位于所述插口内；

所述止退钢环位于所述木衬垫与楔形密封橡胶圈之间；

所述遇水膨胀橡胶位于所述承口锚筋上方；

所述钢承口位于所述遇水膨胀橡胶、密封膏、木衬垫、止退钢环和楔形密封橡胶圈上端。

为了实现上述本发明的第二目的，本发明的技术方案为：所述的提高纵向刚度的顶管接口结构的施工方法，其特征在于：分为管节预制阶段和管节拼装阶段；

步骤一：管节预制阶段

带有预埋钢构件的顶管管节在预制时，预埋钢构件与顶管管节之间通过预埋筋连接；

每块预埋钢构件布置四根预埋筋；预埋筋分别为直埋筋和弯折埋筋；

预埋筋与预埋钢构件之间采用t形焊接；

步骤二：管节拼装阶段：

顶管管节拼装后，其接口采用f型承插式，接缝防水装置采用遇水膨胀橡胶、楔形密封橡胶圈和双组分聚硫密封膏嵌缝；

待顶管管节拼装后、顶管机出洞前，先将顶管机附近20m范围的顶管管节采用缀板焊接牢固，以便保持顶管处于原来的压密状态；

待全部顶管管节拼装到位后，将剩余的顶管管节采用缀板焊接牢固，以便提高全部顶管管节整体刚度。

在上述技术方案中，在步骤一中，预埋筋与预埋钢构件之间采用压力埋弧焊；

预埋钢构件与缀板之间采用通长满焊连接。

本发明具有如下优点：

(1)本发明通过缀板焊接上各个顶管管节之间增设的预埋钢构件，增加顶管接口的纵向刚度，从而提高施工和运营期间顶管结构接头的安全性；适用于复杂地质环境条件下的顶管工程；

(2)本发明主要解决处于软硬不均地层的顶管工程完工后，工程周边地层不均匀沉降将导致接口之间的变形和渗漏，变形严重时可能导致钢承口与原连接的管节脱落的问题；为此，本发明通过缀板焊接上各个顶管管节之间增设的预埋钢构件，增加了顶管接口的纵向刚度，从而提高了施工和运营期间顶管结构接头的止水性能；另外，对于在顶管机出洞后，临近顶管机附近的顶管管节因顶管机掌子面水土压力骤降，导致原处于压密状态的管节松脱，从而导致接头的渗漏的情况；本发明在顶管机出洞前，将管节上缀板的焊接牢固，即可将管节和止水橡胶圈的受力状态保持稳定，防止止水橡胶圈的变形和渗漏；本发明构造简单，施工便利，对现有的钢模不需要做任何改动，增加的费用很小，而且增加的缀板对顶管内净空的影响可忽略不计。

附图说明

图1为现有技术顶管出洞前掌子面受力示意图。

图2为现有技术顶管管节前后不均匀沉降引起的接口位移图。

图3为现有技术顶管管节接口图。

图4为现有顶管管节接口图。图5为本发明提高纵向刚度的顶管管节接口图。

图6为本发明顶管管节接口焊接展开图。

图7为顶管管节预埋钢构件断面为圆形的布置图。

图8为顶管管节预埋钢构件断面为矩形的布置图。

图中1-前管节,2-后管节,3-钢承口,4-插口,5-止退钢环,6-楔形密封橡胶圈,7-遇水膨胀橡胶,8-木衬垫,9-密封膏,10-承口锚筋,11-前管节预埋钢构件,12-后管节预埋钢构件,13-缀板,14-焊缝,15-直埋筋,16-弯折埋筋,17-预埋钢构件,18-顶管管节,19-预埋筋。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。

参阅附图可知：提高纵向刚度的顶管接口结构，包括钢承口3，插口4，止退钢环5，楔形密封橡胶圈6，遇水膨胀橡胶7，木衬垫8，密封膏9和承口锚筋10；

所述承口锚筋10位于顶管管节18内；所述插口4位于顶管管节18外壁上；所述钢承口3，止退钢环5，楔形密封橡胶圈6和遇水膨胀橡胶7均位于所述插口4内；

所述木衬垫8位于前管节1与后管节2的顶端处，所述密封膏9位于所述木衬垫8两端；

还包括预埋钢构件17和缀板13；

所述缀板13布置在顶管管节18内侧、且内表面与顶管管节18内表面一致；保证缀板与顶管管节18之间密贴；

预埋钢构件17布置在顶管管节18内侧、且内表面与顶管管节18内表面一致；保证预埋钢构件17与顶管管节18之间密贴；预埋钢构件的材质为碳素钢q235b，厚度方向为10mm，沿管节轴向的长度为200mm，垂直于管节轴向的长度为200mm，预埋钢构件根据管节断面大小，可取4～12等若干个均匀布置于管节内侧，管节断面小时可取小值，管节断面大时可取大值；

顶管管节断面一般为圆形或矩形，预埋钢构件、缀板的平面形状需要根据顶管管节断面来调整，若为圆形管节时，预埋钢构件、缀板为弧形，若为矩形管节时，预埋钢构件、缀板为直线(如图7、图8所示)；

所述预埋钢构件17与顶管管节18之间通过预埋筋19连接；每块预埋钢构件布置四根预埋筋，预埋筋规格为hpb300或hrb400，直径为12mm，间距为150×200mm；

所述预埋钢构件17与所述缀板13焊接连接(如图5、图6所述)，加强管节间纵向刚度。

进一步地，所述预埋钢构件17与所述预埋筋19之间采用t形焊接，并采用压力埋弧焊，增强预埋钢构件17与顶管管节18的连接。

进一步地，所述预埋钢构件17有多个；增加顶管接口的纵向刚度；

所述缀板13有多个，多个所述缀板13均匀布置于所述顶管管节18内侧；对前后管节内侧的预埋钢构件采用缀板焊接连接，加强管节间纵向刚度；

所述缀板13厚度为10mm，沿管节轴向的长度为300mm，垂直于管节轴向的长度为200mm；缀板根据管节断面大小，可取4～12等若干个均匀布置于管节内侧，管节断面小时可取小值，管节断面大时可取大值。

进一步地，所述预埋钢构件17与所述缀板13的焊接处设有焊缝14；所述焊缝14的高度为8mm，满足钢构件17与缀板13之间的连接要求。

进一步地，所述预埋筋19包括直埋筋15和弯折埋筋16；

所述直埋筋15垂直于所述预埋钢构件17；

所述弯折埋筋16呈z型；所述弯折埋筋16的中部与管节轴向夹角为30°、两端与所述顶管管节18的轴向平行(如图5所示)；长度满足《混凝土结构设计规范》的构造要求；满足预埋筋19的构造要求。

进一步地，所述顶管管节18包括前管节1和后管节2；

所述木衬垫8位于所述前管节1与后管节2的连接处；

所述密封膏9位于所述木衬垫8两端、且位于所述前管节1与后管节2的连接处(如图5所示)；满足施工、运营期间的防水要求。

更进一步地，所述预埋钢构件17包括前管节预埋钢构件11和后管节预埋钢构件12；

所述前管节预埋钢构件11布置在所述前管节1内侧；

所述后管节预埋钢构件12布置在所述后管节2内侧；

所述前管节预埋钢构件11与所述后管节预埋钢构件12之间通过所述缀板13焊接连接(如图5、图6所示)；顶管结构施工完成后，对前后管节内侧的预埋钢构件采用10mm厚的缀板焊接连接，加强管节间纵向刚度。

更进一步地，所述插口4分别设于所述前管节1与后管节2的外壁上；

所述钢承口3，止退钢环5，楔形密封橡胶圈6和遇水膨胀橡胶7均位于所述插口4内；

所述止退钢环5位于所述木衬垫8与楔形密封橡胶圈6之间；

所述遇水膨胀橡胶7位于所述承口锚筋10上方；

所述钢承口3位于所述遇水膨胀橡胶7、密封膏9、木衬垫8、止退钢环5和楔形密封橡胶圈6上端(如图5所示)；满足施工、运营期间的防水要求。

参阅附图5、图6可知：所述的提高纵向刚度的顶管接口结构的施工方法，分为两个阶段：管节预制阶段和管节拼装阶段；

步骤一：管节预制阶段

预埋筋与钢构件为一个组合，浇筑混凝土后形成顶管管节；

带有预埋钢构件17的顶管管节18在预制时，预埋钢构件17与顶管管节18之间通过预埋筋19连接；增强预埋钢构件17与顶管管节18的连接强度。

每块预埋钢构件17布置四根预埋筋19；预埋筋19分别为直埋筋15和弯折埋筋16，其长度需满足《混凝土结构设计规范》的构造要求；

预埋筋19与预埋钢构件17之间采用t形焊接；

步骤二：管节拼装阶段：

顶管管节18拼装后，其接口采用f型承插式，接缝防水装置采用遇水膨胀橡胶7和楔形密封橡胶圈6和双组分聚硫密封膏9嵌缝；满足施工、运营期间的防水要求；

待顶管管节18拼装后、顶管机出洞前，先将顶管机附近20m左右范围的顶管管节18采用缀板13焊接牢固，以便保持顶管处于原来的压密状态；

待全部顶管管节18拼装到位后，将剩余的顶管管节18采用缀板13焊接牢固，以便提高全部顶管管节18整体刚度。

进一步地，工厂预制钢筋混凝土管节：强度等级为c50，抗渗等级p12，防水混凝土土胶凝材料的总用量不少于320kg/m³。混凝土原材料同时还必须满足《混凝土结构耐久性设计规范》的相关要求。管节生产前，应对钢模误差进行检测，若不合标准需进行校正。在管节生产过程中也应按相关规定对模具进行中检和维修保养；管节脱模后，应在管节易见位置印制代表生产日期、制造编号等不易被抹掉的标记；

在步骤一中，预埋筋19与预埋钢构件17之间采用压力埋弧焊，焊缝高度为8mm。hpb300级钢筋采用e43xx型焊条，hrb400级钢筋采用e55xx型焊条；

预埋钢构件17与缀板13之间采用通长满焊连接，焊接的焊缝高度为8mm。

为了能够更加清楚的说明本发明所述的提高纵向刚度的顶管接口结构及其施工方法与现有技术相比所具有的优点，工作人员将这两种技术方案进行了对比，其对比结果如下表：

由上表可知，本发明所述的提高纵向刚度的顶管接口结构及其施工方法与现有技术相比，通过缀板增加顶管接口的纵向刚度，止水性能较好，能防止接头渗漏，不需要对现有的钢模要做改动，对顶管内净空的影响影响可忽略不计。

实施例

现以本发明引用于武汉市某轨道交通线工程某站为实施例对本发明进行详细说明，对本发明引用于其他顶管工程同样具有指导作用。

本实施例项目周边地形平坦，位于长江左岸ⅰ级阶地，分布有第四系人工堆积层(q^ml)、第四系全新统冲积层(q4^al)、白垩-古近系东湖群((k-e)dn)。各个地层从上至下分别为(1-1)杂填土、(3-1)粘土、(3-2)粉质粘土、(3-5)粉质粘土、粉土、粉砂互层、(4-1)粉砂、(4-2)粉细砂、(15)砾岩。顶管工程埋深约10m，开挖范围内的地层主要为(3-1)粘土、(3-2)粉质粘土，最大承压水头为地面以下4m。

本实施例提高纵向刚度的顶管接口结构，主要包括预埋钢构件、缀板等内容。

预埋钢构件的材质为碳素钢q235b，厚度方向为10mm，沿管节轴向的长度为200mm，垂直于管节轴向的长度为200mm，预埋钢构件根据管节断面大小，取4～12干个均匀布置于管节内侧。

预埋钢构件与顶管管节之间通过预埋筋连接，每块预埋钢构件布置四根预埋筋，预埋筋规格为hpb300或hrb400，直径为12mm，间距为150×200mm。预埋筋分别为直埋筋、弯折埋筋，分别为两根，其中直埋筋垂直于预埋钢构件布置，弯折埋筋为弯折钢筋，第一段与管节轴向夹角为30°，第二段与管节轴向平行，长度满足《混凝土结构设计规范》的构造要求。

预埋筋与预埋钢构件之间采用t形焊接，采用压力埋弧焊，焊缝高度为8mm。预埋筋采用hpb300级钢筋，埋弧焊采用e43xx型焊条。

顶管结构施工完成后，对前后管节内侧的预埋钢构件采用10mm厚的缀板焊接连接，加强管节间纵向刚度，焊缝高度为8mm，采用通长满焊连接。

缀板厚度为10mm，沿管节轴向的长度为300mm，垂直于管节轴向的长度为200mm，即预埋钢构件的结构内表面与缀板的外表面保持一致，保证缀板与预埋钢构件之间密贴。

缀板根据管节断面大小，取4～12个均匀布置于管节内侧。

本实施例的具体实施方式分为两个阶段：管节预制阶段和管节拼装阶段。

管节预制阶段：带有预埋钢构件的管节在预制时，预埋钢构件与顶管管节之间通过预埋筋连接，每块预埋钢构件布置四根预埋筋，预埋筋分别为直埋筋、弯折埋筋，其长度需满足《混凝土结构设计规范》的构造要求。预埋筋与预埋钢构件之间采用t形焊接，采用压力埋弧焊，焊缝高度为8mm。

工厂预制钢筋混凝土管节：强度等级为c50，抗渗等级p12，防水混凝土土胶凝材料的总用量不少于320kg/m³。混凝土原材料同时满足《混凝土结构耐久性设计规范》的相关要求。管节生产前，对钢模误差进行检测。在管节生产过程中也应按相关规定对模具进行中检和维修保养。管节脱模后，在管节易见位置印制代表生产日期、制造编号等不易被抹掉的标记。

管节拼装阶段：管片拼装后，其接口采用"f"型承插式，接缝防水装置采用遇水膨胀橡胶、楔形密封橡胶圈和双组分聚硫密封膏嵌缝。待管节拼装后、顶管机出洞前，先将顶管机附近20m左右范围的顶管管节采用缀板焊接牢固，待全部管节拼装到位后，将剩余的顶管管节采用缀板焊接牢固。

结论：本实施例采用提高纵向刚度的顶管接口结构及其施工方法，通过缀板焊接上各个顶管管节之间增设的预埋钢构件，增加了顶管接口的纵向刚度，从而提高了施工和运营期间顶管结构接头的止水性能；本实施例在顶管机出洞前，将管节上缀板的焊接牢固，即可将管节和止水橡胶圈的受力状态保持稳定，防止止水橡胶圈的变形和渗漏；本实施例构造简单，施工便利，对现有的钢模不需要做任何改动，增加的费用很小，而且增加的缀板对顶管内净空基本无影响可。

其它未说明的部分均属于现有技术。