一种防止水下盾构隧道管片上浮的预制装配式结构

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种防止水下盾构隧道管片上浮的预制装配式结构，用来控制管片脱出盾构机尾部时产生的上浮量。

背景技术

在采用盾构法施工隧道中，管片具备以下三个条件时会产生上浮现象：

(1)隧道周围具有产生浮力的液体或流塑体；

(2)外界产生的浮力大于管片自重；

(3)管片上部具有浮动的空间或可压缩空间。

盾构隧道是空心的圆筒，在混凝土自重作用下有下沉的趋势，但在全断面地下水或浆液的浮力作用下，管片所受浮力大于管片自重时，若不及时采取相应措施，脱出盾尾的管片周围处于地下水或未凝固浆液包围的无约束状态，防水性能优良的衬砌隧道有上浮的趋势。同时，在盾构隧道推进过程中由于其开挖断面大于盾构外径，使得管片脱出盾构机尾部后，将在围岩与管片之间不可避免的形成一物理间隙，这也为管片上浮创造了条件。另外，在上软下硬地层中，由于隧道内形成的上下左右岩性不一、软硬不均的开挖面，将造成盾构在掘进过程中过量的蛇形运动，进一步扩大管片与围岩间的建筑空间。总之，水下盾构隧道在施工过程中将不可避免的产生上浮现象。因此，研究如何防止水下盾构隧道管片上浮对工程实际具有重要指导意义。

为了防止盾构隧道管片上浮，在施工过程中主要采用同步注浆措施，通过控制好同步注浆量与注浆压力，及时填充掘进时留下的空隙。中国专利(申请号：CN202010742073.3，公开日：2020-10-16)公开了一种盾构施工中控制管片上浮的注浆方法，其通过同时进行的同步注浆和泵送浆液，达到快速控制管片上浮目的。但管片脱出盾尾时，管片壁后的同步浆液并未能及时凝固，低强度浆液不仅无法对管片提供约束，相反提供了上浮力。还有的通过抗拉杆件锚固住管片，以保证管片的稳定性。中国专利(申请号：CN202011559787.7，公开日：2021-04-09)公开了一种用于防止管片上浮的方法，其通过插入管片内的撑杆顶住管片防止发生上浮。但抗拉杆件成本较高，且其与管片的连接方式也容易造成管片在较大浮力作用下发生破损，影响隧道防水性能等。因此，设计一种结构简单、施工方便以及使用效果良好的结构，可以有效解决管片脱出盾尾后存在的上浮问题，确保隧道线形符合设计要求，满足隧道建筑限界。

发明内容

为此，本发明提供一种防止水下盾构隧道管片上浮的预制装配式结构，以解决现有技术中的上述问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

根据本发明的第一方面，一种防止水下盾构隧道管片上浮的预制装配式结构，包括底部预制找平构件、侧面缆线通道结构、钢结构框架以及压重构件，所述钢结构框架的下部设置有所述底部预制找平构件，所述钢结构框架的两侧分别设置有压重构件，所述压重构件的下端抵接在所述底部预制找平构件上，所述压重构件的外侧设置有所述侧面缆线通道结构。

进一步地，所述底部预制找平构件包括π形构件和填充件，所述π形构件设置在中部，所述π形构件的两侧分别设置有所述填充件。

进一步地，所述π形构件和所述填充件均为混凝土材质的构件。

进一步地，所述侧面缆线通道结构包括三角形构件和矩形构件，所述矩形构件的下端抵接在所述三角形构件上。

进一步地，所述三角形构件和所述矩形构件均为混凝土材质的构件。

进一步地，所述矩形构件内开设有中空的缆线通道。

进一步地，所述钢结构框架包括钢立柱、钢盖板、连接垫板以及锚固螺栓，所述钢盖板的下端固定有多个所述钢立柱，所述钢立柱的下端固定有所述连接垫板，所述连接垫板中穿设有多个所述锚固螺栓。

进一步地，相邻两排所述钢立柱之间设置有运输通道。

进一步地，所述压重构件包括桶装钢砂，所述钢立柱的两侧分别设置有所述桶装钢砂，所述桶装钢砂背离所述钢立柱的一侧设置有所述侧面缆线通道构件，所述桶装钢砂的下端抵接在所述填充件上。

进一步地，所述底部预制找平构件、所述侧面缆线通道结构、所述钢结构框架以及所述压重构件均可在盾构隧道管片外围注浆凝固完结后进行拆解。

本发明具有如下优点：

1、预制装配式结构首先搭建多层钢结构框架，然后通过调节不同的压重堆载对管片施加与浮力相等的压力，最大可提供三百吨左右的载荷重量，可以有效控制水下盾构隧道管片脱出盾构机尾部后产生的上浮量。

2、各预制装配式构件可以进行简便搭接或拆解，具有结构简单和施工方便的特点，可以有效缩减施工工期，并且能够循环使用各构件，减少对环境的影响。

3、预制装配式结构能够为隧道左右两边提供不同大小的抗浮力，平衡复杂地层中盾构隧道可能受到的不均匀浮力。

4、预制装配式结构通过在隧道两侧设置混凝土缆线通道结构，可以在其矩形构件内部空间布置缆线。

5、预制装配式结构通过在隧道内底部设置混凝土找平构件，能够提供平整的施工操作空间和较大承载面积，减少压重施工过程对管片性能的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明一些实施例提供的一种防止水下盾构隧道管片上浮的预制装配式结构的立体结构图。

图2为本发明一些实施例提供的一种防止水下盾构隧道管片上浮的预制装配式结构的平面结构图。

图3为本发明一些实施例提供的一种防止水下盾构隧道管片上浮的预制装配式结构的预制装配式结构正视图。

图4为本发明一些实施例提供的一种防止水下盾构隧道管片上浮的预制装配式结构的预制找平构件图。

图5为本发明一些实施例提供的一种防止水下盾构隧道管片上浮的预制装配式结构的预制框架结构图。

图中：1、管片，2、π形构件，3、填充件，4、三角形构件，5、矩形构件，6、缆线通道，7、钢盖板，8、钢立柱，9、运输通道，10、桶装钢砂，11、连接垫板，12、锚固螺栓。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图5所示，本发明第一方面实施例中的一种防止水下盾构隧道管片上浮的预制装配式结构，包括底部预制找平构件、侧面缆线通道结构、钢结构框架以及压重构件，钢结构框架的下部设置有底部预制找平构件，钢结构框架的两侧分别设置有压重构件，压重构件的下端抵接在底部预制找平构件上，压重构件的外侧设置有侧面缆线通道结构。

在上述实施例中，需要说明的是，现以隧道外径为15.0m的水下盾构隧道为例，对防止管片上浮的装配式结构进行详细描述。

上述实施例达到的技术效果为：预制装配式结构首先搭建多层钢结构框架，然后通过调节不同的压重堆载对管片施加与浮力相等的压力，最大可提供三百吨左右的载荷重量，可以有效控制水下盾构隧道管片脱出盾构机尾部后产生的上浮量；各预制装配式构件可以进行简便搭接或拆解，具有结构简单和施工方便的特点，可以有效缩减施工工期，并且能够循环使用各构件，减少对环境的影响；预制装配式结构能够为隧道左右两边提供不同大小的抗浮力，平衡复杂地层中盾构隧道可能受到的不均匀浮力；预制装配式结构通过在隧道两侧设置混凝土缆线通道结构，可以在其矩形构件内部空间布置缆线；预制装配式结构通过在隧道内底部设置混凝土找平构件，能够提供平整的施工操作空间和较大承载面积，减少压重施工过程对管片性能的影响。

可选的，如图1至图5所示，在一些实施例中，底部预制找平构件包括π形构件2和填充件3，π形构件2设置在中部，π形构件2的两侧分别设置有填充件3。

在上述可选的实施例中，需要说明的是，底部预制找平构件设置在隧道内底部。

上述可选的实施例的有益效果为：通过将其布置在隧道内底部以提供平整的施工空间和较大的承载面积，减少压重施工过程对管片性能的影响。

可选的，如图1至图5所示，在一些实施例中，π形构件2和填充件3均为混凝土材质的构件。

在上述可选的实施例中，需要说明的是，此外，π形构件2和填充件3还可设置为其他材质。

上述可选的实施例的有益效果为：通过将π形构件2和填充件3设置为混凝土材质，成型效果好，加工成本低。

可选的，如图1至图5所示，在一些实施例中，侧面缆线通道结构包括三角形构件4和矩形构件5，矩形构件5的下端抵接在三角形构件4上。

可选的，如图1至图5所示，在一些实施例中，三角形构件4和矩形构件5均为混凝土材质的构件。

在上述可选的实施例中，需要说明的是，侧面缆线通道结构由下部混凝土材质的三角形构件4和上部混凝土材质的矩形构件5组成，下部的三角形构件4主要用于承载上部的矩形构件5；此外，三角形构件4和矩形构件5还可为其他材质。

上述可选的实施例的有益效果为：通过三角形构件4和矩形构件5设置为混凝土材质，成型效果好，加工成本低。

可选的，如图1至图5所示，在一些实施例中，矩形构件5内开设有中空的缆线通道6。

在上述可选的实施例中，需要说明的是，缆线通道6用于线缆的通过和安装。

上述可选的实施例的有益效果为：上部矩形构件5内部空间较大，可以有效进行缆线布置。

可选的，如图1至图5所示，在一些实施例中，钢结构框架包括钢立柱8、钢盖板7、连接垫板11以及锚固螺栓12，钢盖板7的下端固定有多个钢立柱8，钢立柱8的下端固定有连接垫板11，连接垫板11中穿设有多个锚固螺栓12。

在上述可选的实施例中，需要说明的是，例如，钢立柱8由40mm钢板焊接而成，沿隧道轴向方向钢立柱8间距为2000mm，在同一圆周面上的间距为3300mm，钢立柱8高为2500mm，通过将其布置在隧道平面内中部左右两侧以支撑上部荷载；钢盖板7厚度为60mm，宽度为2000mm，长度为9300mm，主要用于承载负重以及提供施工平台。

上述可选的实施例的有益效果为：通过钢结构框架的具体结构的设置，显著的提高了整个装置的强度。

可选的，如图1至图5所示，在一些实施例中，相邻两排钢立柱8之间设置有运输通道9。

上述可选的实施例的有益效果为：通过设置运输通道9，实现了渣土的运送。

可选的，如图1至图5所示，在一些实施例中，压重构件包括桶装钢砂10，钢立柱8的两侧分别设置有桶装钢砂10，桶装钢砂10背离钢立柱8的一侧设置有侧面缆线通道6构件，桶装钢砂10的下端抵接在填充件3上。

在上述可选的实施例中，需要说明的是，桶装钢砂10直径500mm，高1000mm，根据理论计算或数值模拟确定的抗浮力大小堆载相应数量的桶装钢砂。

上述可选的实施例的有益效果为：钢砂具有重度大、成本低的优点，能够提供相当大的抗浮力。

可选的，如图1至图5所示，在一些实施例中，底部预制找平构件、侧面缆线通道结构、钢结构框架以及压重构件均可在盾构隧道管片1外围注浆凝固完结后进行拆解。

上述可选的实施例的有益效果为：具有结构简单、施工方便的特点。

现对防止管片上浮的预制装配式结构具体施工过程进行详细描述：

1、安装隧道内底部预制找平构件，包括：首先使用定位仪确定隧道内底部找平构件的π型构件2安装位置并进行安装，然后在π型构件2左右两侧安装预制填充件，以在隧道内底部获得平整的施工操作平台和较大的承载面积。

2、安装第一层钢结构框架，包括：首先在隧道左下方和右下方安装预制混凝土的三角形构件4，然后在隧道平面内中部左右两侧对称布置钢立柱8，钢立柱8通过锚固螺栓12固定在底部找平构件上，位于同一圆周面上的钢立柱8相互间隔为3300mm，立柱距离侧方缆线通道结构为3000mm，高度为2500mm。最后进行第一层框架钢盖板的安装。

3、安装第二层钢结构框架，包括：首先在隧道内左右两侧安装预制混凝土矩形构件，以提供缆线布置通道，待矩形构件安装完毕后，即可重复第一层钢结构框架安装步骤，依次进行钢立柱8、钢盖板7的安装。

4、堆载钢砂，包括：根据理论计算或数值模拟确定的抗浮力大小堆载相应数量的桶装钢砂10，本预制装配式结构对单环管片可以提供三百吨左右的载荷重量，能够有效控制盾构管片上浮量。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。