CN106089243B - 一种基于钢管混凝土连接的管幕支护结构 - Google Patents
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Abstract
一种基于钢管混凝土连接的管幕支护结构属于地下工程建设技术领域,所述基于钢管混凝土连接的管幕支护结构,包括位于地面以下设于两侧的侧向支撑部及连接于所述侧向支撑部之间的横向支撑部,所述横向支撑部用于支撑地面,所述侧向支撑部用于支撑侧向围岩,所述侧向支撑部与所述横向支撑部包括多个第一钢管,相邻所述第一钢管之间通过第二钢管连接,所述第二钢管的轴线与所述第一钢管的轴线相垂直,所述第二钢管位于所述第一钢管内的端部设有固定件,所述第一钢管和所述第二钢管内填充混凝土,所述混凝土包围所述固定件。本发明所述基于钢管混凝土连接的管幕支护结构,承载力高、刚度大,且在施工过程中,无需清除第一钢管之间的岩土,方便易行。
Description
技术领域
本发明属于地下工程建设技术领域,特别是涉及一种基于钢管混凝土连接的管幕支护结构。
背景技术
为了保证在地下施工过程中不影响交通、不对地表及其结构物的安全构成威胁,必须确保在地下施工中地表不会发生沉降,但随着城市建设的发展,不仅出现了开挖顶部覆盖层较薄现象,甚至出现了超浅埋回填土层,但覆盖层越薄越有可能带来地表沉降,由此带来的安全风险和给地下结构暗挖工程带来的难度也越来越大,而管幕法正是一种能有效解决上述问题的方法。
管幕法是一种地下结构暗挖技术,该方法是指在地下土层结构中,以单根钢管顶进为基础,利用顶管技术在地下结构施作部位密排顶进多个密排大直径钢管,采用管间切割支护,在钢管之间横向布置螺栓或钢筋,再在钢管内及钢管之间灌注混凝土,形成管幕结构后,在管幕结构下,开挖内部核心土方的施工方法。该方法非常适合于解决复杂条件下的地下结构建造及对环境要求较高的地下结构施工、超浅埋大跨度地下结构和近接地下结构施工。
现有的管幕结构在施工过程中必须将顶进的钢管内及钢管间的岩土清理干净,否则无法保证钢管之间横向连接的钢筋混凝土承载能力和刚度。但在实际施工过程中,由于钢管横向间距很小,并且钢管之间的岩土需要人工从钢管内部进行清除,这种岩土清理的作业方法十分困难,并有可能造成由于钢管之间的岩土清理不彻底而影响灌注混凝土的强度等级,从而降低了整个管幕结构承载能力和刚度,给工程造成安全隐患。因此,需要一种更好的管幕支护结构来解决上述问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明提供一种基于钢管混凝土连接的管幕支护结构,该管幕支护结构承载力高、刚度大,且在施工过程中,无需清除第一钢管之间的岩土,方便易行。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
基于钢管混凝土连接的管幕支护结构,包括:位于地面以下设于两侧的侧向支撑部及连接于所述侧向支撑部之间的横向支撑部,所述横向支撑部用于支撑地面,所述侧向支撑部用于支撑侧向围岩,所述侧向支撑部与所述横向支撑部包括多个第一钢管,相邻所述第一钢管之间通过第二钢管连接,所述第二钢管的轴线与所述第一钢管的轴线相垂直,所述第二钢管位于所述第一钢管内的端部设有固定件,所述第一钢管和所述第二钢管内填充混凝土,所述混凝土包围所述固定件。
所述第一钢管的外壁沿所述第一钢管轴线方向设有用于导向的锁扣,相邻所述第一钢管之间通过所述锁扣定位连接。
所述侧向支撑部竖直设置,所述横向支撑部水平设置或朝向地面方向拱起设置。
所述第二钢管设有排气孔,所述排气孔位于所述第一钢管的外部。
所述横向支撑部的第二钢管的排气孔靠近地面设置。
所述固定件包括螺栓和螺母,所述螺栓在所述第二钢管的端部沿同一截面圆周均匀分布,所述螺母固定于所述螺栓上,且位于所述第二钢管的外侧。
所述螺栓沿所述第二钢管轴线方向并列设有多个。
所述固定件包括插设于所述第二钢管内的第三钢管和设于所述第三钢管一端的挡板,所述第三钢管与所述第二钢管过盈配合,所述挡板垂直于所述第三钢管的轴线,所述挡板的外形尺寸大于所述第二钢管的外径,所述挡板设有通孔,混凝土由所述通孔进入所述第三钢管及所述第二钢管内。
所述第二钢管与所述第三钢管之间通过螺栓和螺母固定连接。
所述横向支撑部的相邻两个所述第一钢管之间通过加劲板连接,所述加劲板位于所述第二钢管远离地面的一侧。
本发明的有益效果:
本发明提出了一种利用第二钢管取代现有管幕结构中的钢筋或螺栓将相邻两个第一钢管横向连接起来,并在第一钢管与第二钢管内灌注混凝土,形成一个基于钢管混凝土连接的新型管幕支护结构,从而增强了管幕支护结构的刚度和承载能力,可作为永久支撑应用于工程结构中,并且该结构在施工过程中,无需清除第一钢管之间的岩土,方便易行,可广泛适用于地面建筑物密集、交通运输繁忙、地下管线密布、且对地面沉陷要求严格的城市地区,以及地下水难以处理等工程的施工作业。
附图说明
图1是本发明基于钢管混凝土连接的管幕支护结构的横向支撑部水平设置时的结构示意图;
图2是本发明基于钢管混凝土连接的管幕支护结构的横向支撑部朝向地面方向拱起设置时的结构示意图;
图3是图1的I部局部放大视图的第一种连接方式;
图4是图1的I部局部放大视图的第二种连接方式;
图5是图1的I部局部放大视图的第三种连接方式;
图6是图1的I部局部放大视图的第四种连接方式;
图7是钢管混凝土连接试件与钢筋混凝土连接试件对比试验的荷载-变形曲线图;
图中:1-侧向支撑部,2-横向支撑部,3-第一钢管,4-第二钢管,5-排气孔,6-锁扣,7-螺母,8-螺栓,9-加劲板,10-挡板,11-第三钢管,12-通孔,NSTS-S2-钢管混凝土连接试件,STS-S3-钢筋混凝土连接试件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1、图2所示,本发明基于钢管混凝土连接的管幕支护结构,属于地下工程建设技术领域,在地下结构暗挖工程施工过程中,先完成本发明所提供的设备安装,然后在本发明管幕结构的支护下进行挖掘结构物内部核心土方的施工作业。
如图1、图2、图3所示,本发明基于钢管混凝土连接的管幕支护结构,包括位于地面以下设于两侧的侧向支撑部1及连接于侧向支撑部1之间的横向支撑部2,侧向支撑部1竖直设置,用于支撑侧向围岩,横向支撑部2连接于两个侧向支撑部1的顶部,用于支撑地面,横向支撑部2可根据实际情况设置,能够支撑地面即可,优选如图1所示的水平设置或如图2所示的朝向地面方向拱起设置,以保证管幕结构下具有充足的空间。
侧向支撑部1与横向支撑部2包括多个第一钢管3,第一钢管3的外壁沿第一钢管3轴线方向设有锁扣6,相邻第一钢管3在安装过程中通过锁扣6进行导向和确定相对位置。相邻第一钢管3之间通过第二钢管4连接,第二钢管4的轴线与第一钢管3的轴线相垂直,第二钢管4设有排气孔5,排气孔5位于第一钢管3的外部,用于排净第一钢管3和第二钢管4内的空气,避免由于气体的存在而导致灌注混凝土不密实,从而使得整体管幕结构的刚度和承载能力降低。横向支撑部2的第二钢管4的排气孔5靠近地面设置,用以防止在灌注混凝土时漏浆现象的发生。
第二钢管4位于第一钢管3内的端部设有固定件,固定件优选以下四种方式。
方式一:如图3所示,固定件包括螺栓8和螺母7,螺栓8在第二钢管4的端部沿同一截面圆周均匀分布,螺母7固定于螺栓8上,且位于第二钢管4的外侧,在本实施例中,设有四个螺栓8,每个螺栓8上装有两个螺母7。
方式二:如图4所示,在方式一的基础上,沿第二钢管4轴线方向并列设有多个螺栓8,并于第二钢管外固定有与其相对应的螺母7,在本实施例中,同一截面圆周上设有两个螺栓8,每个螺栓8的旁侧并列还设有一个螺栓8。
方式三:如图5所示,固定件包括插设于第二钢管4内的第三钢管11和设于第三钢管11一端的挡板10,第三钢管11与第二钢管4过盈配合,以防止在灌注混凝土过程中从第二钢管4中脱出。挡板10垂直于第三钢管11的轴线,挡板10位于第一钢管3内,挡板10的外形尺寸大于第二钢管4的外径,以挡止于第二钢管4的端面,同时能够挡在第一钢管3内,挡板10的中心设有通孔12,混凝土由通孔12进入第三钢管11及第二钢管4内。
方式四:如图6所示,在方式三的基础上,增加用于固定连接第二钢管4与第三钢管11的螺栓8和螺母7,在本实施例中,第二钢管4端部的圆周上设有两个螺栓8,螺母7与螺栓8相对应。
第一钢管3和第二钢管4内填充混凝土,混凝土包围固定件,以增加管幕结构强度。横向支撑部2的相邻第一钢管3之间通过加劲板9连接,加劲板9位于第二钢管4远离地面的一侧,以增加第二钢管4的承载能力,同时兼具防止顶部岩土掉落的作用。
下面结合附图说明应用本发明的一次施工过程。
在需要进行管幕支护的施工场地一侧,挖掘并支护工作井,并根据施工现场的实际情况及第一钢管3的尺寸和数量,选择截取第二钢管4,并在第二钢管4的中间加工出排气孔5,若采用如图3所示的第一种连接方式时,则需要在第二钢管4的端部沿同一圆周方向加工出均布的四个螺栓8安装孔;若采用如图4所示的第二种连接方式时,则需要在第二钢管4的端部沿同一圆周方向加工出均布的两个螺栓8安装孔,每个安装孔的旁侧并列还设有一个螺栓8的安装孔;若采用如图5所示的第三种连接方式时,则不需要在第二钢管4的端部加工安装孔;若采用如图6所示的第四种连接方式时,则需要在第二钢管4的端部沿圆周方向加工出均布的两个螺栓8安装孔;当采用如图5所示的第三种连接方式和图6所示的第四种连接方式时,还需要根据第二钢管4的尺寸选择并截取第三钢管11和加工有通孔12的挡板10,并将挡板10焊接在第三钢管11的一端。
在工作井下的工作空间内,依据施工的具体情况,可以选择如图1或图2所示的管幕结构形式,由此计算得出需要的第一钢管3数量,并在需要施工的岩土层断面上标出每根第一钢管3的确定位置。利用千斤顶将第一根第一钢管3按照岩土层断面标记的位置顶入岩土层中,后续顶进的第一钢管3除了按照岩土层断面的标记顶进外,还需要将锁扣6对齐,保证每根第一钢管3沿锁扣6顶进。人工进入第一钢管3,清理第一钢管3内的渣土。
在本施工过程中,人工进入第一钢管3,在相邻第一钢管3计算好的位置加工用于安装第二钢管4的安装孔;在其他实施过程中,也可以选择先在第一钢管3上加工出安装第二钢管4的安装孔后,再将第一钢管3沿锁扣6顶进到岩土层中;在加工出的安装孔中,用千斤顶顶入第二钢管4,确保第二钢管4的排气孔5位于第一钢管3的外部,其中,横向支撑部2的第二钢管4在安装时,排气孔5靠近地面侧安装,并清理第二钢管4内的渣土。
根据现场实际情况,可以优选以下几种安装方式来安装固定件。
方式一:如图3所示,人工进入第一钢管3,在第二钢管4位于第一钢管3内部的端部安装螺栓8,螺栓8由第二钢管4内部向外安装,在螺栓8上安装有螺母7,螺母7位于第二钢管4的外侧,也可以根据现场实际情况,选择在沿第二钢管4轴线的方向安装有多个螺栓8和螺母7,如图4所示。
方式二:如图5所示,人工进入第一钢管3,将焊接有挡板10的第三钢管11安装在第二钢管4的端部,也可根据需要在第二钢管4的端部沿圆周方向安装固定第二钢管4和第三钢管11的螺栓8和螺母7,如图6所示。
固定件安装之后,通过导管向第一钢管3内灌注混凝土,在重力作用下,第二钢管4内也同时灌注了混凝土,待混凝土凝固后,整体形成纵横相连的钢管混凝土管幕结构,由于第二钢管4在第一钢管3的外部开有排气孔5,可以在在灌注混凝土过程中排出第一钢管3和第二钢管4内的空气,避免由于气体的存在而导致灌注混凝土不密实,与此同时,对管幕结构的脚部地层进行注浆加固处理,形成稳定的管幕支护结构,待注浆混凝土凝固以后,开始挖掘管幕结构支护下的内部土方,并进行建筑砌筑和装修,当第一钢管3横向连接需要更高的承载力和刚度时,可在挖掘施工过程中,逐步在横向支撑部2的第一钢管3远离地面侧焊接加劲板9。
在除连接方式以外的其他条件均相同的情况下,通过对钢管混凝土试件NSTS-S2和钢筋混凝土试件STS-S3分别进行试验,通过试验,得到荷载-变形曲线图,如图7所示。通过试验结果可以得出:试件NSTS-S2和试件STS-S3的屈服承载力分别为226.56kN和84.64kN,极限承载力分别为321.39kN和98.96kN,即采用本发明所提供结构的试件NSTS-S2的屈服承载力相对试件STS-S3提高了167.67%,极限承载力提高了224.77%。由试验数据可知,试件NSTS-S2的刚度明显大于试件STS-S3的刚度,且试件NSTS-S2发生延性破坏,试件STS-S3发生脆性破坏,即相对现有技术采用采用钢筋(螺栓)混凝土连接的管幕支护结构而言,本发明提供的基于钢管混凝土连接的管幕支护结构能够显著提高管幕结构的承载力和刚度。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
Claims (6)
1.一种基于钢管混凝土连接的管幕支护结构,其特征在于,包括:位于地面以下设于两侧的侧向支撑部及连接于所述侧向支撑部之间的横向支撑部,所述横向支撑部用于支撑地面,所述侧向支撑部用于支撑侧向围岩,所述侧向支撑部与所述横向支撑部包括多个第一钢管,相邻所述第一钢管之间通过第二钢管连接,所述第二钢管的轴线与所述第一钢管的轴线相垂直,所述第二钢管位于所述第一钢管内的端部设有固定件,所述第一钢管和所述第二钢管内填充混凝土,所述混凝土包围所述固定件;
所述固定件包括螺栓和螺母,所述螺栓在所述第二钢管的端部沿同一截面圆周均匀分布,所述螺母固定于所述螺栓上,且位于所述第二钢管的外侧;或者,所述固定件包括插设于所述第二钢管内的第三钢管和设于所述第三钢管一端的挡板,所述第三钢管与所述第二钢管过盈配合,所述挡板垂直于所述第三钢管的轴线,所述挡板的外形尺寸大于所述第二钢管的外径,所述挡板设有通孔,混凝土由所述通孔进入所述第三钢管及所述第二钢管内,所述第二钢管与所述第三钢管之间通过螺栓和螺母固定连接,所述横向支撑部的相邻两个所述第一钢管之间通过加劲板连接,所述加劲板位于所述第二钢管远离地面的一侧。
2.根据权利要求1所述的基于钢管混凝土连接的管幕支护结构,其特征在于:所述第一钢管的外壁沿所述第一钢管轴线方向设有用于导向的锁扣,相邻所述第一钢管之间通过所述锁扣定位连接。
3.根据权利要求1所述的基于钢管混凝土连接的管幕支护结构,其特征在于:所述侧向支撑部竖直设置,所述横向支撑部水平设置或朝向地面方向拱起设置。
4.根据权利要求1所述的基于钢管混凝土连接的管幕支护结构,其特征在于:所述第二钢管设有排气孔,所述排气孔位于所述第一钢管的外部。
5.根据权利要求4所述的基于钢管混凝土连接的管幕支护结构,其特征在于:所述横向支撑部的第二钢管的排气孔靠近地面设置。
6.根据权利要求1所述的基于钢管混凝土连接的管幕支护结构,其特征在于:所述螺栓沿所述第二钢管轴线方向并列设有多个。
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新管幕法在中间风井施工方案中的研究;周军海;《山西建筑》;20130331;第39卷(第3期);第81-83页 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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CN106089243A (zh) | 2016-11-09 |
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