CN106050263A - 一种盾构隧道管片结构及其连接结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种盾构隧道管片结构及其连接结构，包括管片本体，其特征在于：所述管片本体主要由钢板层、包裹钢板层的混凝土层、分别位于钢板层两侧并埋设于混凝土层中的钢筋网构成；所述管片本体的侧缘处固设有金属接头件，所述金属接头件的外侧设有容纳止水带的凹槽，所述凹槽内安装有止水带；所述管片本体的外侧设有外保护层，所述外保护层为复合在管片本体外侧面的聚脲层。连接结构由相邻布置的两个盾构隧道管片结构以及连接所述两个盾构隧道管片结构的连接件构成，连接钢板由中间的弧形段和两侧的平直段构成。本发明具有厚度小、强度大、接头不易损伤的特点，控制接头变形效果好、接缝防水效果好、耐久性能高、方便修复。
Description
技术领域
本发明涉及一种盾构隧道结构，具体涉及一种盾构隧道管片结构及管片间连接结构的设计。
背景技术
近年来，随着对基础设施建设投入的加强，城市基础建设事业取得了迅猛发展。与此同时，早先修建的隧道，经过多年运营，盾构隧道结构出现了纵向不均匀沉降、横向变形、长期渗漏、接头损害、管片裂纹裂缝等病害问题，降低了隧道服役质量，给运营安全造成了一定的威胁。
目前，盾构隧道结构一般采用钢筋混凝土管片拼装方式、管片之间内螺栓连接、接缝采用弹性密封垫或膨胀橡胶条防水。例如，中国发明专利申请CN104612710A中，在背景技术部分公开了一种盾构隧道管片纵缝接头，是现有技术中的常用结构。从该文件的图1b可见，在盾构隧道管片上预留有螺栓安装手孔，相邻管片上的螺栓安装手孔间经穿透管片的螺栓孔连通，相邻管片由内置连接螺栓连接。
上述结构的盾构隧道管片存在以下缺陷：一、在管片上预留的连接螺栓安装手孔及螺栓孔，管片接缝采用内置连接螺栓联接管片，这种结构虽然能够加强隧道结构整体性能，但是，在管片上预留的连接螺栓安装手孔及螺栓孔不仅降低了管片力学性能，也容易形成渗漏水的通道，另外，连接螺栓在管片接头内置，其损坏后不易进行修复。二、现有设计中管片内部的钢筋笼外有5cm混凝土，既作为保护层，又作为受力部位。然而，在接缝部位处的保护层，在隧道变形时承受局部集中力作用容易破损，产生裂纹、裂缝、掉块等，形成渗漏水通道，造成大量的渗漏水病害；而在其它位置，长期埋藏于地下的隧道结构受腐蚀性离子影响较大，混凝土容易开裂，进而造成钢筋腐蚀，影响管片结构耐久性。三、接头防水，一般是在接缝处采用弹性橡胶密封垫加遇水膨胀橡胶条，但是其容易老化、耐久性较低、防水效果较差，特别是用胶水黏贴固定在管片表面，容易脱落。中国发明专利申请CN104612710A试图通过改变螺栓的位置和防水橡胶的布局来解决上述问题，但是其导致了螺栓的加长，螺栓孔在管片结构中的布局对整体受力强度产生不利影响。四、高负荷交通量需求下，新建隧道断面呈现越来越大的趋势，与之相适应的管片结构厚度越来越厚，断面空间相应减少。中国发明专利申请CN10476341A公开的一种盾构隧道管片纵缝接头中，通过对管片连接部的局部加厚来增加受力强度，但是其导致管片内部形状的不规则，对于增加断面空间作用有限，并且也不能解决前述管片力学性能和防水性能等问题。
随着大规模隧道建设的进展，今后必将面临大规模的维修养护问题。因此，研究开发一种强度高、厚度小、接头损伤低、耐久性高的盾构隧道结构具有重要的意义。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种盾构隧道管片结构，以及一种用于盾构隧道管片结构的连接结构，从而增强隧道管片的力学性能和耐久性，方便连接结构的维修养护。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种盾构隧道管片结构，包括管片本体，所述管片本体主要由钢板层、包裹钢板层的混凝土层、分别位于钢板层两侧并埋设于混凝土层中的钢筋网构成；所述管片本体的侧缘处固设有金属接头件，所述金属接头件的外侧设有容纳止水带的凹槽，所述凹槽内安装有止水带；所述管片本体的外侧设有外保护层，所述外保护层为复合在管片本体外侧面的聚脲层。
进一步的技术方案，在所述钢板层的两侧与钢板固定连接分布有钢钉，相邻钢钉的间距为15～30厘米，钢钉的直径为10～15毫米，长度为10～30毫米，所述钢板层的厚度为10～30毫米。
上述技术方案中，所述钢板层和钢钉可以为一体结构，也可以分别成型后通过焊接连接。
上述技术方案中，所述混凝土层由活性粉末混凝土构成，钢板两侧的混凝土厚度分别为8～15厘米；所述混凝土层外密贴钢筋网，钢筋网格为5cm~20cm，钢筋直径6毫米~8毫米；所述钢筋网外侧密贴防水聚脲层，厚度为10～20毫米。
上述技术方案中，所述止水带为Ω形GINA 止水带，止水带中间有圆孔。
进一步的技术方案，所述金属接头部件为具有凹槽的钢接头，所述凹槽具有与止水带形状配合的翻边，翻边边缘为圆角。
本发明同时公开了一种盾构隧道管片结构的连接结构，由相邻布置的两个上述结构的盾构隧道管片结构以及连接所述两个盾构隧道管片结构的连接件构成，所述连接件包括连接钢板和多个固定螺栓，所述连接钢板由中间的弧形段和两侧的平直段构成，所述固定螺栓将两侧的所述平直段分别固定连接在两个盾构隧道管片结构上。
优选的技术方案，所述连接钢板为倒置Ω形状。
上述技术方案中，所述连接钢板位于管片内侧，连接钢板与管片通过螺栓固定。
其中，所述连接钢板弧形段的半径为6～15米，弧形段的扇形角角度范围为90～180°，平直段的宽度为100～150毫米。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1、本发明采用聚脲材料代替原混凝土外保护层，高强度、强延伸率、抗腐蚀性强的聚脲材料，能阻挡水土环境中氯离子与管片材料直接接触，可避免混凝土材料出现腐蚀微裂纹，形成腐蚀通道。
2、本发明采用钢材料接头代替原混凝土接头，避免原混凝土材料由于接头变形时集中力作用造成的局部损伤；
3、本法在钢材料接头中间采用凹槽设计，可以将GINA止水带牢固嵌入其中；钢材料接头采用圆角设计，避免直角棱边对GINA止水带的集中力作用损伤。
4、本发明采用活性粉末混凝土(RPC)代替原高性能混凝土，采用该种超高强度、超高韧性和高耐久性的水泥基复合材料，能减小管片厚度同时提高抗拉压强度、抗折强度、断裂性能、抗腐蚀性能。
5、本发明的管片中间采用钢板+钢钉结构、管片两外侧采用钢筋网，加强RPC材料的抗拉压强度、韧性、抗折强度等性能。
6、本发明采用GINA止水带代替原弹性橡胶密封垫、遇水膨胀橡胶条。GINA止水带作为第一道防渗漏设计，其外观设计为Ω形状，可以牢固嵌入钢接头凹槽，可以随接缝变形而变形，同时最大限度充塞接缝空间阻止形成渗漏通道。
7、本发明采用外置Ω钢板代替原内置连接螺栓。Ω钢板作为第二道钢防水设计，有效阻止接头渗漏水效应，实现了柔性防水和钢性防水的有机结合；Ω钢板可以有效地限制接头错台变形和接头张开变形；Ω钢板与钢接头组成抗弯力矩，能够有效地限制接头张开角变形；外置钢板代替内置连接螺栓，取消了管片结构内的螺栓孔、手孔设计，降低管片局部损伤和形成渗漏水通道的概率，而且维修更方便。
附图说明
图1是本发明实施例的管片结构示意图；
图2是本发明实施例中管片接头位置示意图；
图3是本发明实施例中的连接钢板的结构示意图；
图4是本发明实施例中的管片接头正常拼装示意图；
图5是本发明实施例中，剪切力作用时隧道管片接头状态示意图；
图6是本发明实施例中，正弯矩作用时隧道管片接头状态示意图；
图7是本发明实施例中，负弯矩作用时隧道管片接头状态示意图；
其中：1、聚脲层；2、钢筋网；3、混凝土层；4、钢板层；5、钢钉；6、钢接头；7、GINA止水带；8、Ω形连接钢板。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例：参见图1至图3所示，一种新型盾构隧道管片，主要包括20mm厚的聚脲层1；@10cm×10cmφ8mm 的钢筋网2；3-10cm厚的活性粉末混凝土层3（RPC200）； 12mm 厚的钢板层4；位于钢板两侧的@20cm×20cmφ13mm 的钢钉5；位于管片侧缘的钢接头6；Ω形GINA 止水带7；Ω形的连接钢板8。
如图1所示，管片主要材料采用活性粉末混凝土（RPC200），尺寸厚为10cm。20mm厚的聚脲材料涂在管片混凝土外侧，能够隔绝混凝土与地下水环境的直接接触，避免腐蚀微裂纹的形成，降低了钢筋腐蚀概率。该聚脲防水防腐层与管片结构尺寸一致，但不参与接头受力作用，避免了接头损伤。
管片内部两侧设计间距10cm×10cm的钢筋网，钢筋直径8mm，进一步加强管片自身强度和抗裂性能。
管片中间设计钢板+钢钉结构，钢板厚度13mm，钢钉间距20cm×20cm，能够进一步加强管片自身抗拉压强度、抗剪切强度、抗裂等性能。
管片设计钢接头，接头整体设计为凹槽型，接头上下两侧能够承受较大的压力而不易损伤，凹槽部位可以牢固嵌入GINA止水带。接头凹槽过度部位采用圆角设计，避免直角对止水带的损伤。
如图2所示，接缝连接采用倒置的Ω形连接钢板结构，用钢钉或小螺栓将其固定在管片内表面。
如图3所示，Ω形连接钢板结构采用钢质材料，如Q235B。本实施例中，Ω形连接钢板圆弧角度为120°，厚度为60mm。连接钢板圆弧角度和厚度的具体取值需要根据隧道管片参数以及隧道健康状况选择。
如图4所示，相邻管片对接拼装，GINA止水带由于拼装挤压在凹槽内阻塞渗漏水通道，形成第一道柔性防水层。Ω形连接钢板用钢钉或小螺栓固定在管片内表面，形成第二道钢防水层。在该种情况下为管片受拉或受压状态，压力主要由钢接头承受，拉力主要由Ω形连接钢板承受。
如图5所示，管片承受剪切力作用，剪切力主要由Ω形连接钢板承受，管片间不产生错台效应。
如图6所示，管片接头承受正弯矩作用，使得接头内侧接缝张开。钢性凹槽接头外侧与Ω形钢性板形成抗弯力矩。GINA止水带随夹角张开变形充塞凹槽空间仍是第一道稳固的柔性防水层，Ω形连接钢板是第二道稳固的钢性防水层。
如图7所示，管片接头承受负弯矩作用， 使得接头外侧接缝张开。钢性凹槽接头内侧与Ω形连接钢板形成抗弯力矩。GINA止水带随夹角张开变形充塞凹槽空间仍是第一道稳固的柔性防水层，Ω形连接钢板是第二道稳固的钢性防水层。
Claims (10)
1.一种盾构隧道管片结构，包括管片本体，其特征在于：所述管片本体主要由钢板层、包裹钢板层的混凝土层、分别位于钢板层两侧并埋设于混凝土层中的钢筋网构成；所述管片本体的侧缘处固设有金属接头件，所述金属接头件的外侧设有容纳止水带的凹槽，所述凹槽内安装有止水带；所述管片本体的外侧设有外保护层，所述外保护层为复合在管片本体外侧面的聚脲层。
2.根据权利要求1所述的盾构隧道管片结构，其特征在于：在所述钢板层的两侧与钢板固定连接分布有钢钉，相邻钢钉的间距为15～30厘米，钢钉的直径为10～15毫米，长度为10～30毫米，所述钢板层的厚度为10～30毫米。
3.根据权利要求2所述的盾构隧道管片结构，其特征在于：所述钢板层和钢钉为一体结构，采用焊接方式连接。
4.根据权利要求1所述的盾构隧道管片结构，其特征在于：所述混凝土层由活性粉末混凝土构成，钢板两侧的混凝土厚度分别为8～15厘米；所述混凝土层外密贴钢筋网，钢筋网格为5cm~20cm，钢筋直径6毫米~8毫米；所述钢筋网外侧密贴防水聚脲层，厚度为10～20毫米。
5.根据权利要求1所述的盾构隧道管片结构，其特征在于：所述金属接头部件为具有凹槽的钢接头，所述凹槽具有与止水带形状配合的翻边，翻边边缘为圆角。
6. 根据权利要求1所述的盾构隧道管片结构，其特征在于：所述止水带为Ω形GINA 止水带，止水带中间有圆孔结构。
7.一种盾构隧道管片结构的连接结构，其特征在于：由相邻布置的两个权利要求1至6中任一盾构隧道管片结构以及连接所述两个盾构隧道管片结构的连接件构成，所述连接件包括连接钢板和多个固定螺栓，所述连接钢板由中间的弧形段和两侧的平直段构成，所述固定螺栓将两侧的所述平直段分别固定连接在两个盾构隧道管片结构上。
8.根据权利要求7所述的盾构隧道管片结构的连接结构，其特征在于：所述连接钢板为倒置Ω形状。
9.根据权利要求7所述的盾构隧道管片结构的连接结构，其特征在于：所述连接钢板位于管片内侧，连接钢板与管片通过螺栓固定。
10.根据权利要求7所述的盾构隧道管片结构的连接结构，其特征在于：所述连接钢板弧形段的半径为6～15米，弧形段的扇形角角度范围为90～180°，平直段的宽度为100～150毫米。
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