一种穿越黄土地裂缝的异形盾构管片结构及其施工方法

技术领域

本发明属于隧道工程技术领域，特别涉及一种穿越黄土地裂缝的异形盾构管片结构及其施工方法。

背景技术

随着城镇化进程的快速推进，城市中传统的地面交通模式已经满足不了供应的需求，为满足人们的出行需求和缓解城市交通压力，城市地铁的建设规模不断扩大；但在城市地铁的建设过程中，面临着各种特殊地质条件的挑战，其中以地裂缝特殊地质灾害较为严重。

地裂缝是浅部岩土体在自然或人为因素作用下产生开裂或错动，并在地表形成具有一定长度和宽度的裂缝或变形带的宏观地质现象。地裂缝活动时常发生水平张拉、水平引张或垂直位错，都将直接威胁工程建设安全。目前针对地裂缝多以避让为主，但是对于地铁这种线性工程，为满足交通功能的需求，常面临不可避免的需要穿越地裂缝。目前地铁穿越地裂缝多采用特殊的结构措施及施工方案，但常影响工程建设进度，大大增加建设成本，且施工期间危险性大。

盾构法具有对周围环境影响小、自动化程度高、施工快速、优质高效、安全环保等优点。特别是在地层条件差、地质情况复杂的情况下，盾构法具有更明显的优越性。因此采用盾构法穿越地裂缝，将提高施工的安全性、快速性以及经济性。盾构隧道的衬砌是由多块预制管片拼装而成，管片的结构设计将直接影响隧道的安全性；但现阶段未见我国采用盾构法穿越黄土地裂缝的管片结构设计研究，现有的盾构管片无法满足对穿越黄土地裂缝隧道的衬砌施工，施工难度高，安全隐患较大；因此，亟需设计一种适用于穿越黄土地裂缝的盾构管片结构，其将对地铁采用盾构法穿越黄土地裂缝具有重要的指导价值和现实意义。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种穿越黄土地裂缝的异形盾构管片结构及其施工方法，以解决现有的盾构管片无法满足对穿越黄土地裂缝隧道的衬砌施工，施工难度高，安全隐患较大的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提供了一种穿越黄土地裂缝的异形盾构管片结构，包括若干环管片，若干环管片沿隧道轴线依次拼接；每个环管片采用拼接管片依次拼接成环，拼接管片包括封顶块、若干邻接块及若干标准块；

若干标准块依次拼装形成下半环结构，封顶块位于环管片的顶部，封顶块的两侧通过邻接块与下半环结构拼接固定；其中，封顶块及标准块均为楔形弧形块，邻接块为平行四边形弧形块，相邻拼接管片之间的接缝与黄土地裂缝正交设置。

进一步的，拼接管片包括一个封顶块、两个邻接块及三个标准块；三个标准块依次拼装形成下半环结构，封顶块位于环管片的顶部，封顶块的两侧分别通过一个邻接块与下半环结构的两端拼接固定。

进一步的，每个拼接管片的内弧面两侧分别设置有第一螺栓手孔；相邻两个拼接管片上的第一螺栓手孔一一对应，并通过环向螺栓固定连接。

进一步的，环向螺栓采用复合材料螺栓或高强螺栓。

进一步的，每个拼接管片的内弧面两端均匀设置有第二螺栓手孔；相邻两个环管片拼接缝处的第二螺栓手孔一一对应设置，并通过纵向螺栓固定连接；其中，纵向螺栓采用复合材料螺栓或高强螺栓。

进一步的，拼接管片的其中一个拼缝端设置榫槽，另一拼缝端设置凸榫；其中一个拼接管片的榫槽与另一个拼接管片的凸榫配合连接。

进一步的，拼接管片的拼缝端分别设置有密封槽，密封槽位于榫槽或凸榫的两侧；密封槽中设置遇水膨胀橡胶条。

进一步的，相邻环管片的拼接缝之间设置防水层，防水层采用遇水膨胀橡胶条；遇水膨胀橡胶条的外侧附设有传力衬垫。

进一步的，每个拼接管片均设置有吊装孔；其中，吊装孔兼做注浆孔。

本发明还提供了一种穿越黄土地裂缝的异形盾构管片结构的施工方法，包括以下步骤：

按设计要求，加工制作封顶块、邻接块及标准块；

按照隧道穿越黄土地裂缝分布特征，将若干标准块依次拼接，形成下半环结构；并吊装邻接块与封顶块，拼接封闭成环，并使相邻拼接管片之间的接缝与黄土地裂缝保持正交，注浆后，完成当前环管片吊装；

重复上述吊装及注浆操作，依次完成隧道盾构管片安装施工。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种穿越黄土地裂缝的异形盾构管片结构及其施工方法，每个环管片采用拼接管片依次拼接成环，拼接管片为楔形弧形块及平行四边形弧形块组合形式，通过调整楔形弧形块与平行四边形弧形块结构尺寸，使相邻拼接管片之间的接缝与黄土地裂缝保持正交设置，有效减少了地裂缝发生垂直位错时对隧道结构造成损伤，确保了隧道结构的安全性，结构简单，施工方便，对穿越地裂缝区域具有较强的适应性。

进一步的，相邻环管片之间采用纵向螺栓固定连接，纵向螺栓采用复合材料螺栓或高强螺栓，确保了相邻环管片之间的稳定性，避免了在穿越地裂缝区域时，地裂缝活动导致纵向螺栓发生屈服变形甚至破坏，确保了隧道结构的整体安全性。

进一步的，通过在拼接管片的内弧面两侧设置第一螺栓手孔，便于相邻拼接管片之间的固定连接。

进一步的，拼接管片之间采用凸榫和榫槽拼接固定，有效提高了相邻管片之间的咬合力，提高了结构稳定性及可靠性。

进一步的，通过在拼接管片的拼缝端设置密封槽，并在密封槽中设置遇水膨胀橡胶条，提高了隧道结构的整体防水性能和耐久性；在遇水膨胀橡胶条的外侧附设传力衬垫，避免了遇水膨胀橡胶条在拼缝处混凝土受压破碎，导致防水效果失效。

进一步的，通过在拼接管片上设置吊装孔，方便管片吊装；吊装孔兼做注浆孔，拼接管片安装完成后，利用吊装孔作为注浆孔对盾构管片进行注浆，满足管片结构壁后注浆同步均匀的要求，确保管片结构能够在地裂缝区域尽快与土层密贴，提高了隧道结构的整体性及施工安全性。

本发明所述的一种穿越黄土地裂缝的异形盾构管片结构及其施工方法，不仅能够保证施工中盾构机千斤顶推进的荷载和地层开挖应力释放等施工荷载、运营期间内水土压力及地铁列车的振动荷载作用下的结构安全及变形；同时，还能满足管片结构壁后注浆同步均匀性要求、隧道结构在使用期间的防水性和耐久性要求及在地裂缝活动时发生的垂直位错、水平张拉和水平引张作用下的结构安全及变形要求；对于盾构法施工穿越黄土地裂缝区域的管片结构设计具有非常重要的指导价值和现实意义。

附图说明

图1为本发明所述的异形盾构管片结构的分块示意图；

图2为本发明所述的异形盾构管片结构的螺栓布置示意图；

图3为本发明所述的异形盾构管片结构的吊装孔及注浆孔布置示意图；

图4为本发明所述的异形盾构管片结构的接缝构造示意图。

其中，1封顶块，2邻接块，3标准块，4第一螺栓手孔，5吊装孔，6榫槽，7凸榫，8密封槽，9环向螺栓。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。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。

本发明提供了一种穿越黄土地裂缝的异形盾构管片结构，包括若干环管片，若干环管片沿隧道轴线依次拼接；相邻环管片之间采用纵向螺栓固定连接；优选的，纵向螺栓采用复合材料螺栓或高强螺栓；相邻环管片的拼接缝之间设置防水层；优选的，防水层采用遇水膨胀橡胶条，遇水膨胀橡胶条的外侧附设有传力衬垫；本发明中，相邻环管片之间采用纵向螺栓固定连接，纵向螺栓采用复合材料螺栓或高强螺栓，确保了相邻环管片之间的稳定性，避免了在穿越地裂缝区域时，螺栓发生屈服变形，确保了隧道结构的整体安全性；相邻环管片之间设置防水层，有效提高了隧道结构的整体防水性及耐久性；采用在环管片拼缝处的遇水膨胀橡胶条的的外侧附设传力衬垫，避免了遇水膨胀橡胶条在拼缝处混凝土受压破损，有效提高了结构的防水效果。

每个环管片采用拼接管片依次拼接成环，拼接管片包括封顶块1、若干邻接块2及若干标准块3；其中，若干标准块3依次拼装形成下半环结构，封顶块1位于环管片的顶部，封顶块1的两侧通过邻接块2与下半环结构拼接固定；其中，封顶块1及标准块3均为楔形弧形块，邻接块2为平行四边形弧形块，相邻拼接管片之间的拼缝与黄土地裂缝正交设置；本发明中，拼接管片为楔形弧形块及平行四边形弧形块组合形式，通过调整楔形弧形块与平行四边形弧形块的结构尺寸，例如调整楔形弧形块与平行四边形弧形块的尺寸大小及拼缝端倾斜角度，使相邻拼接管片之间的接缝与黄土地裂缝保持正交设置，有效减少了地裂缝发生垂直位错时对隧道结构造成损伤，确保了隧道结构的安全性，结构简单，施工方便，对穿越地裂缝区域具有较强的适应性。

每个拼接管片的内弧面两侧分别设置有第一螺栓手孔4，相邻两个拼接管片上的第一螺栓手孔4一一对应，并通过环向螺栓9固定连接；优选的，环向螺栓9采用复合材料螺栓或高强螺栓；每个拼接管片的内弧面两端分别设置有第二螺栓手孔，相邻相邻两个环管片的拼接缝处的第二螺栓手孔一一对应设置，并通过纵向螺栓固定连接；其中，纵向螺栓采用复合材料螺栓或高强螺栓；本发明中，通过在拼接管片的内弧面设置第一螺栓手孔及第二螺栓手孔，便于相邻拼接管片之间及相邻环管片之间的固定连接。

拼接管片的其中一个拼缝端设置榫槽6，另一拼缝端设置凸榫7；其中一个拼接管片的榫槽6与另一个拼接管片的凸榫7配合连接；拼接管片之间采用凸榫和榫槽拼接固定，有效提高了相邻管片之间的咬合力，提高了结构稳定性及可靠性；拼接管片的拼缝端分别设置有密封槽8，密封槽8位于榫槽6或凸榫7的两侧，密封槽8中设置防水层；优选的，密封槽8中的防水层采用遇水膨胀橡胶条，遇水膨胀橡胶条的外侧附设有传力衬垫；通过在拼接管片的拼缝端设置密封槽，并在密封槽中设置遇水膨胀橡胶条，提高了隧道结构的整体防水性能和耐久性；在遇水膨胀橡胶条的外侧附设传力衬垫，避免了遇水膨胀橡胶条在拼缝处混凝土受压破碎，导致防水效果失效。

本发明中，每个拼接管片上均设置有吊装孔5，吊装孔5中设置预埋件；吊装孔5中的预埋件增加嵌入端锚固长度，防止预埋件在施工过程中出现滑脱现象；吊装孔兼做注浆孔，拼接管片安装完成后，利用吊装孔作为注浆孔对盾构管片进行注浆，满足管片结构壁后注浆同步均匀的要求，确保管片结构能够在地裂缝区域尽快与土层密贴。

施工过程：

本发明所述的一种穿越黄土地裂缝的异形盾构管片结构的施工方法，包括以下步骤：

按设计要求，加工制作封顶块、邻接块及标准块；

按照隧道穿越黄土地裂缝分布特征，将若干标准块依次拼接，形成下半环结构；并吊装邻接块与封顶块，拼接封闭成环，并使相邻拼接管片之间的接缝与黄土地裂缝保持正交，注浆后，完成当前环管片吊装；

重复上述吊装操作，依次完成隧道盾构管片安装施工。

本发明所述的异形盾构管片结构及其施工方法，包括由多环管片沿纵向拼装而成的穿越黄土地裂缝的异形盾构管片结构；每一环管片结构采用封顶块、邻接块和标准块沿环向拼装而成，封顶块和标准块均为楔形块，邻接块为平行四边形块；标准块拼装组成下半环结构，下半环结构通过邻接块与封顶块拼装组成整环管片结构；拼接管片的内弧面设有局部加密钢筋的第一螺栓手孔、第二螺栓手孔、吊装孔和注浆孔；异形管片结构能够满足施工期间和运营期间在地裂缝区域以及其它各种荷载作用下的结构安全及变形要求、管片壁后注浆同步均匀性要求、隧道结构的防水要求和耐久性要求，对于采用盾构法施工穿越地裂缝区域的管片结构设计具有非常重要的指导价值和现实意义。

实施例

如附图1-4所示，本实施例提供了一种穿越黄土地裂缝的异形盾构管片结构，包括若干环管片，若干环管片隧道轴线纵向拼装而成；每个环管片采用拼接管片依次拼接成环，拼接管片为预制钢筋混凝土管片结构，采用C50标号的混凝土；每个拼接管片的幅宽为1000mm，厚度为400mm；每个环管片分为六个拼接管片，其中，包括一个封顶块1、两个邻接块2及三个标准块；三个标准块3依次拼装形成下半环结构，封顶块1位于环管片的顶部，封顶块1的两侧分别通过一个邻接块2拼接固定；封顶块1及标准块3为楔形弧形块，邻接块2为平行四边形弧形块；通过调节楔形弧形块与平行四边形弧形块的尺寸大小及拼缝端的倾斜角度，使相邻拼接管片之间的接缝与黄土地裂缝保持正交设置，能够适应地铁线路与地裂缝的不同相交角度，有效减少地裂缝发生垂直位错时对隧道结构造成损害，保证了隧道结构的安全性。

每个拼接管片的内弧面两侧分别设置有第一螺栓手孔4，相邻两个连接管片上的第一螺栓手孔一一对应，并通过环向螺栓9固定连接；环向螺栓9为弯螺栓，相邻两个连接管片的拼缝处设置两个环向螺栓，每个环管片中设置12个环向螺栓；每个拼接管片的内弧面两端分别设置有第二螺栓手孔；相邻两个环管片的拼接缝处的第二螺栓手孔一一对应设置，并通过纵向螺栓固定连接；纵向螺栓为弯螺栓；环管片的端部均匀设置有17个纵向螺栓；其中，封顶块1上设置有两个，邻接块2与标准块3上分别设置有三个。

本实施例中，为了保证隧道结构在施工及运营器件的安全性，尤其是放置地裂缝发生水平张拉、水平引张或垂直位错威胁隧道结构安全，采用对每个拼接管片进行加强配筋设计，并在第一螺栓手孔及第二螺栓手孔处采取局部加密钢筋，以避免螺栓手孔处的混凝土压碎；纵向螺栓及环向螺栓均采用高强螺栓或复合材料螺栓，纵向螺栓及环向螺栓最低标准采用6.8级M27以上的螺栓，以防止螺栓在地裂缝的垂直位错下发生屈服直至剪切破坏。

封顶块1、邻接块2及标准块3上分别设置有吊装孔，每个拼接管片的吊装孔的个数为两个，每个吊装孔中设置预埋件；吊装孔中的预埋件增加嵌入端锚固长度，防止预埋件在施工过程中出现滑脱现象；本实施例中，吊装孔兼做注浆孔，满足盾构管片结构壁后注浆同步均匀的要求，保证盾构管片能够在地裂缝区域能够尽快与图层密贴。

拼接管片的其中一个拼缝端设置榫槽6，另一拼缝端设置凸榫7；其中一个拼接管片的榫槽6与另一个拼接管片的凸榫7配合连接；拼接管片之间采用凸榫和榫槽拼接固定，有效提高了相邻管片之间的咬合力，提高了结构稳定性及可靠性；拼接管片的拼缝端分别设置有密封槽8，密封槽8位于榫槽6或凸榫7的两侧，密封槽8中设置防水层；优选的，密封槽8中的防水层采用遇水膨胀橡胶条，遇水膨胀橡胶条的外侧附设有传力衬垫；拼接管片接缝的密封槽中设置遇水膨胀橡胶条，提高隧道结构整体防水性能以及耐久性；遇水膨胀橡胶条外附一层传力衬垫，避免了遇水膨胀橡胶条在拼缝处混凝土受压破碎，导致防水效果失效。

本实施例所述的一种穿越黄土地裂缝的异形盾构管片结构的施工方法，包括以下步骤：

按设计要求，加工制作封顶块、邻接块及标准块；

按照隧道穿越黄土地裂缝分布特征，将若干标准块依次拼接，形成下半环结构；并吊装邻接块与封顶块，拼接封闭成环，并使相邻拼接管片之间的接缝与黄土地裂缝保持正交，注浆后，完成当前环管片吊装；

重复上述吊装操作，依次完成隧道盾构管片安装施工。

本发明所述的异形盾构管片结构及其施工方法，通过采用楔形弧形块和平行四边形弧形块进行组合拼装，相比现有的普通管片结构，对于穿越地裂缝区域具有更强的适应性；第一螺栓手孔及第二螺栓手孔处设置局部加密钢筋，有效减少螺栓手孔处混凝土在穿越地裂缝区域时收到损伤；环向螺栓及纵向螺栓均采用复合材料螺栓或高强螺栓，避免了穿越地裂缝区域时，螺栓发生屈服变形破坏，保证了结构的整体安全性。

本发明可以有效的提高盾构隧道衬砌结构在穿越地裂缝时的整体结构安全性，能够满足施工和运营期间在地裂缝区域以及各种荷载作用下的结构变形要求、管片壁后注浆同步均匀性要求、防水要求和耐久性要求。

上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。