CN111236952A - 一种全回收装配式矩形顶管工作井钢结构支护装置及其工作井的施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全回收装配式矩形顶管工作井钢结构支护装置及其工作井的施工方法，包括：预制环梁、预制支护结构、预制洞口、预制后背墙、封底；其中，预制支护结构是由H型钢、压型钢板、角柱、内支撑连接形成的支护结构。预制环梁带有与H型钢和角柱连接的预埋件。所述预制支护结构中各预制构件的结构形式及连接方式。预制洞口由内、外洞口结构构成，内外洞口结构间可以实现拆卸，从而满足顶管进出洞施工。外洞口上有可固定止水条的法兰盘，从而保证顶管机顶进时不漏浆；预制后背墙、预制洞口和预制支护结构一体化施工的设计思想，能满足矩形工作井的支护要求、实现支护结构的重复再利用、节约施工工期和造价，避免混凝土结构残留对后期施工的影响等问题。
Description
技术领域
本发明涉及市政等基础设施施工领域，具体为一种全回收装配式矩形顶管工作井钢结构支护装置及其工作井的施工方法。
背景技术
顶管施工作为一种典型的非开挖的隧道施工技术，顶管施工技术以其施工速度快捷，对地面交通影响小，施工质量高，无需开挖沿线地层，综合施工成本低等特点，在中小口径的隧道施工中得到了广泛的应用。其施工过程中需要修建大量的顶管井，顶管井的种类有工作井、接收井和中间井等。
顶管井的传统建造方法一般有钢板桩、现浇沉井、灌注桩和地连墙等，也有采用预制沉井支护(CN 202559384 U)、先打桩后挂板支护(CN 110485472 A)和预制钢结构支护(CN 206159648 U)。打桩施工中会产生噪声污染，且施工中的振动会引起地基的变形，影响周边建(构)筑物的安全，拔桩过程中会在地层中产生孔隙；沉井施工中易发生倾斜、偏移等事故，对施工工艺要求高；钻孔灌注桩和地连墙的混凝土凝固时间长、施工机械笨重、施工成本高且不可回收利用；上述预制钢结构支护技术未解决后靠背强度不足和洞口预制问题。
目前的市政管道和一些隧道施工中，多采用顶管技术施工。顶管施工过程中，需要修建始发井、中间井和接收井等顶管工作井。但目前的顶管工作井，多采用钢筋混凝土结构进行施工，存在污染严重，不可重复利用，资源利用率低等问题。也有采用钢板桩进行施工的，但该技术适用于浅基坑施工，且对于周边地层变形的控制效果差。对于圆形顶管工作井的装配式施工有一些前人研究(CN 110485472 A， CN203755315U)，但矩形工作井受力条件相比圆形工作井要复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种全回收装配式矩形顶管工作井钢结构支护装置及其工作井的施工方法，提出预制后背墙、预制洞口和预制支护结构一体化施工的设计思想，能满足矩形工作井的支护要求、实现支护结构的重复再利用、节约施工工期和造价，避免混凝土结构残留对后期施工的影响等问题。
一种全回收装配式矩形顶管工作井施工方法，
1)施工预制环梁
在施工场地测量放线，并开挖基槽以满足预制环梁安装；
铺设垫层，将预制环梁安放至基槽位置处，调平连接固定；
2)开挖支护第一节
开挖第一层土方；
土方开挖深度与拼装的第一环结构高度相匹配；
将四根角柱和第一环H型钢分别与预制环梁拼装连接，所述角柱位于矩形工作井四个角点位置处，所述第一环H型钢紧贴预制环梁底面；
将H型钢与角柱节点处通过螺栓固定连接；
将第一环压型钢板与第一环H型钢通过螺栓固定，第一环压型钢板位于第一环H型钢下面；
安装第一层内支撑，包括角撑、对撑和八字撑，将第一层内支撑与第一环H型钢通过螺栓固定；
在第一环支护结构背后进行注浆充填施工；
依次交替开挖土方、拼装角柱、H型钢、压型钢板、内支撑，并完成拼装连接和注浆施工，直至开挖支护至后背墙(或洞口)顶面；
3)开挖支护第二节
开挖土方；
在四角安装角柱，在洞口侧拼装预制洞口结构，在后背墙侧拼装预制后背墙结构，在另外两侧拼装H型钢和压型钢板，将所有结构与角柱相交的节点处通过螺栓固定连接，并将所有结构与上一环结构通过螺栓固定连接；
安装内支撑，包括角撑和对撑，将内支撑与对应环的H型钢通过螺栓固定；
在支护结构背后进行注浆充填施工；
依次交替开挖土方拼装洞口结构、后背墙结构、H型钢、压型钢板、角柱和内支撑，并完成拼装连接和注浆施工，直至开挖支护至竖井底面标高；
安装纵向通长立柱，并用高强螺栓将纵向通长立柱与每环H型钢紧固连接，通长立柱底端需深于竖井底面；
4)封底
现场浇筑封底混凝土，并保证将四角立柱和通长立柱埋置于封底混凝土内；
5)换撑施工
拆除对撑和八字撑，提供顶管施工工作面；
6)顶管施工
进行顶管顶进或接收施工；
7)回填回收
自井底往上逐层拆除支护结构，跟进回填，夯实，直至结构全部回收并回填完成。
所述用于全回收装配式矩形顶管工作井的钢结构支护装置，所述支护装置由预制环梁、预制支护结构、预制洞口、预制后背墙和封底通过拼装组成；
所述预制支护结构由H型钢、压型钢板、角柱、内支撑通过螺栓连接构成；
所述预制环梁采用钢筋混凝土结构，且预制环梁的顶面与地面齐平或略高于地面；
所述预制环梁上设置有用于与预制支护结构的H型钢连接的预埋件a；
所述预制环梁上设置有用于与预制支护结构的角柱连接的预埋件b；
所述H型钢的翼板呈竖直放置，用于充分利用H型钢的抗弯性能，提高结构承载能力；
在所述H型钢上下间隔焊接有连接件a，将H型钢与压型钢板通过连接件a拼装连接；
在所述H型钢的一端焊接连接件b，实现H型钢之间的横向连接；
在所述H型钢的另一端预留圆形连接孔，实现H型钢与角柱之间的连接；
在所述H型钢翼板上预留圆形连接孔，实现H型钢与角撑之间的连接；
所述压型钢板左右焊接有平面钢条作为连接法兰，通过螺栓实现压型钢板间的横向连接；
所述压型钢板的上下焊接有角钢作为连接法兰，通过螺栓实现压型钢板与H型钢的连接；
所述角柱采用方钢管，设置于矩形工作井的四角；在方钢管外壁上焊接有连接件c，实现方钢管与H型钢间的连接；在方钢管一端焊接有内套筒，另一端预留销栓孔，在内套筒上预留与方钢管上销栓孔相匹配的销栓孔，通过销栓实现上下两节方钢管之间的连接；
所述角撑采用工字钢，在工字钢两端焊接有连接板，用于与H型钢间通过螺栓进行连接；
所述预制洞口由内洞口结构和外洞口结构组成；其中外洞口结构左右两端与角柱连接，上端与预制支护结构的压型钢板连接，下端与工作井封底连接；
所述外洞口结构由H型钢、迎土侧挡板a、肋板a、外洞口法兰盘通过焊接而形成；
所述内洞口结构由H型钢、迎土侧挡板b、肋板b通过焊接而形成；
所述内洞口结构与外洞口结构通过螺栓连接，从而构成预制洞口；
所述外洞口法兰盘通过连接固定止水条，从而保证顶管机顶进时不漏浆；
在所述预制洞口结构内部的肋板a间、肋板b间，充填轻质抗压混凝土，即可作为预制后背墙使用；
所述封底采用现浇混凝土的方式进行工作井封底施工。
所述用于全回收装配式矩形顶管工作井的钢结构支护装置，其优选方案为所述压型钢板是采用平面钢板通过机械压制形成带有波纹状的钢板。
所述用于全回收装配式矩形顶管工作井的钢结构支护装置，其优选方案为所述内外洞口法兰盘有钢板卷制而成，所述迎土侧挡板a、迎土侧挡板b和肋板a、肋板b均采用平面钢板。
所述用于全回收装配式矩形顶管工作井的钢结构支护装置，其优选方案为当洞口较大，一体式的内洞口结构和外洞口结构较重不易安装时，可在纵向上对内外洞口结构进行分节，节与节之间通过螺栓连接固定。
所述的一种全回收装配式矩形顶管工作井钢结构支护装置，其优选方案为所述H型钢可以采用其他类型型钢代替，压型钢板也可采用其他类型钢结构代替。
所述用于全回收装配式矩形顶管工作井的钢结构支护装置，其优选方案为内洞口和外洞口之间填充橡胶垫。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)采用分层开挖并跟进支护的施工方法，无需提前机械打桩施工，且可有效保证工作井安全稳定。
2)支护结构全部工厂预制，并通过高强螺栓连接固定，支护结构可靠性相比传统现浇混凝土结构可靠性强，且无需养护，可大幅节约施工时间，并有效保障施工安全。
3)合理的内部支撑形式和换撑操作，可有效保障工作井施工期间和顶管施工期间的工程安全。
4)预制后背墙、预制洞口和预制支护结构一体化施工，避免后期开洞门和安装后背墙施工，在保障安全的同时节约了施工的经济成本和时间成本。
5)支护结构同步跟进充填注浆施工，减少对岩土体扰动，降低地表沉降。
附图说明
图1为本发明结构平面图；
图2为图1的A-A结构示意图；
图3为图1的B-B结构示意图；
图4为图1的C-C结构示意图；
图5为H型钢与连接件a、连接件b的连接结构示意图；
图6为H型钢之间的横向连接示意图；
图7为压型钢板结构示意图；
图8为压型钢板与H型钢板连接示意图；
图9为压型钢板之间横向连接示意图；
图10为角柱与连接件c结构示意图；
图11为角柱的上下连接示意图；
图12为角柱与H型钢连接示意图；
图13为H型钢与角撑连接平面图；
图14为预制洞口支护结构示意图；
图15为图14中的D1-D1示意图、D2-D2示意图；
图16为施工流程图；
图17为拆撑后顶管机机头吊装平面图。
图中：1、预制环梁，2、预制支护结构，3、预制洞口，4、预制后背墙，5封底，6、H型钢，7、压型钢板，8、角柱，9、角撑， 10、预埋件a，11、预埋件b，12、连接件a，13、连接件b，14、平面钢条，15、角钢，16、连接件c，17、连接板，18、内洞口结构， 19、外洞口结构，20、迎土侧挡板a，21、肋板a，22、外洞口法兰盘，23、迎土侧挡板b，24、肋板b，25、八字撑，26、通长立柱， 27、对撑，28、第一节，29、第二节，30、第一节第一环，31、第一节第二环，32、注浆。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
1、一种全回收装配式矩形顶管工作井施工方法，
1)施工预制环梁
在施工场地测量放线，并开挖基槽以满足预制环梁安装；
铺设垫层，将预制环梁1安放至基槽位置处，调平连接固定；
2)开挖支护第一节28
开挖第一层土方；
土方开挖深度与拼装的第一环30结构高度相匹配；
将四根角柱8和第一环H型钢6分别与预制环梁1拼装连接，所述角柱8位于矩形工作井四个角点位置处，所述第一环H型钢6紧贴预制环梁1底面；
将H型钢6与角柱8节点处通过螺栓固定连接；
将第一环压型钢板6与第二环31H型钢6通过螺栓固定，第一环压型钢板位于第一环H型钢下面；
安装第一层内支撑，包括角撑、对撑和八字撑，将第一层内支撑与第一环H型钢通过螺栓固定；
土方开挖深度与拼装的第一环30结构高度相匹配；
在第一环30支护结构背后进行注浆32充填施工；
依次交替开挖土方、拼装角柱8、H型钢6、压型钢板7、角撑9、对撑27和八字撑25，并完成拼装连接和注浆施工，直至开挖支护至后背墙(或洞口)顶面；
3)开挖支护第二节29
开挖土方；
在四角安装角柱8，在洞口侧拼装预制洞口3结构，在后背墙侧拼装预制后背墙4结构，在另外两侧拼装H型钢6和压型钢板7，将所有结构与角柱8相交的节点处通过螺栓固定连接，并将所有结构与上一环结构通过螺栓固定连接；
安装内支撑，包括角撑9和对撑27，将内支撑与对应环的H型钢6 通过螺栓固定；
在支护结构背后进行注浆32充填施工；
依次交替开挖土方拼装洞口结构、后背墙结构、H型钢6、压型钢板7、角柱8和内支撑，并完成拼装连接和注浆32施工，直至开挖支护至竖井底面标高；
安装纵向通长立柱，并用高强螺栓将纵向通长立柱与每环H型钢6 紧固连接，通长立柱26底端需深于竖井底面；
4)封底
现场浇筑封底混凝土，并保证将四角立柱和通长立柱26埋置于封底混凝土内；
5)换撑施工
拆除对撑27和八字撑25，提供顶管施工工作面；
6)顶管施工
进行顶管顶进或接收施工；
7)回填回收
自井底往上逐层拆除支护结构，跟进回填，夯实，直至结构全部回收并回填完成。
用于全回收装配式矩形顶管工作井钢结构支护装置，所述支护装置由预制环梁1、预制支护结构2、预制洞口3、预制后背墙4和封底5通过拼装组成；
所述预制支护结构2由H型钢6、压型钢板7、角撑9、对撑27、八字撑25和通长立柱26通过螺栓连接构成；
所述预制环梁1采用钢筋混凝土结构，且预制环梁1的顶面与地面齐平或略高于地面；
所述预制环梁1上设置有用于与预制支护结构2的H型钢6连接的预埋件a10；
所述预制环梁1上设置有用于与预制支护结构2的角柱8连接的预埋件b11；
所述H型钢6的翼板呈竖直放置，用于充分利用H型钢6的抗弯性能，提高结构承载能力；
在所述H型钢6上下间隔焊接有连接件a12，将H型钢6与压型钢板7通过连接件a12拼装连接；
在所述H型钢6的一端焊接连接件b13，实现H型钢6之间的横向连接；
在所述H型钢6的另一端预留圆形连接孔，实现H型钢6与角柱 8之间的连接；
在所述H型钢6翼板上预留圆形连接孔，实现H型钢6与角撑9 之间的连接；
所述压型钢板7左右焊接有平面钢条14作为连接法兰，通过螺栓实现压型钢板7间的横向连接；
所述压型钢板7的上下焊接有角钢15作为连接法兰，通过螺栓实现压型钢板7与H型钢6的连接；
所述角柱8采用方钢管，设置于矩形工作井的四角；在方钢管外壁上焊接有连接件c16，实现方钢管与H型钢6间的连接；在方钢管一端焊接有内套筒，另一端预留销栓孔，在内套筒上预留与方钢管上消栓孔相匹配的消栓孔，通过销栓实现上下两节方钢管之间的连接；
所述角撑9采用工字钢，在工字钢两端焊接有连接板17，用于与H型钢6间通过螺栓进行连接；
所述预制洞口3由内洞口结构18和外洞口结构19组成；其中外洞口结构19左右两端与角柱8连接，上端与预制支护结构2的压型钢板7连接，下端与工作井封底5连接；
所述外洞口结构19由H型钢、迎土侧挡板a20、肋板a21、外洞口法兰盘22通过焊接而形成；
所述内洞口结构18由H型钢、迎土侧挡板b23、肋板b24、通过焊接而形成；
所述内洞口结构18与外洞口结构19通过螺栓连接，从而构成预制洞口3；
所述外洞口法兰盘22通过连接固定止水条，从而保证顶管机顶进时不漏浆；
在所述预制洞口结构内部的肋板a21间、肋板b24间，充填轻质抗压混凝土，即可作为预制后背墙4使用；
所述封底5采用现浇混凝土的方式进行工作井封底施工。
所述压型钢板7是采用平面钢板通过机械压制形成带有波纹状的钢板。
所述内外洞口法兰盘有钢板卷制而成，所述迎土侧挡板a20、迎土侧挡板b23和肋板a21、肋板b24均采用平面钢板。
当洞口较大，一体式的内洞口结构和外洞口结构较重不易安装时，可在纵向上对内外洞口结构进行分节，节与节之间通过螺栓连接固定。
所述H型钢6可以采用其他类型型钢代替，压型钢板7也可采用其他类型钢结构代替。
内洞口和外洞口之间填充橡胶垫。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (7)
1.一种全回收装配式矩形顶管工作井施工方法，其特征在于：
1)施工预制环梁
在施工场地测量放线，并开挖基槽以满足预制环梁安装；
铺设垫层，将预制环梁安放至基槽位置处，调平连接固定；
2)开挖支护第一节
开挖第一层土方；
土方开挖深度与拼装的第一环结构高度相匹配；
将四根角柱和第一环H型钢分别与预制环梁拼装连接，所述角柱位于矩形工作井四个角点位置处，所述第一环H型钢紧贴预制环梁底面；
将H型钢与角柱节点处通过螺栓固定连接；
将第一环压型钢板与第一环H型钢通过螺栓固定，第一环压型钢板位于第一环H型钢下面；
安装第一层内支撑，包括角撑、对撑和八字撑，将第一层内支撑与第一环H型钢通过螺栓固定；
在第一环支护结构背后进行注浆充填施工；
依次交替开挖土方、拼装角柱、H型钢、压型钢板、内支撑，并完成拼装连接和注浆施工，直至开挖支护至后背墙(或洞口)顶面；
3)开挖支护第二节
开挖土方；
在四角安装角柱，在洞口侧拼装预制洞口结构，在后背墙侧拼装预制后背墙结构，在另外两侧拼装H型钢和压型钢板，将所有结构与角柱相交的节点处通过螺栓固定连接，并将所有结构与上一环结构通过螺栓固定连接；
安装内支撑，包括角撑和对撑，将内支撑与对应环的H型钢通过螺栓固定；
在支护结构背后进行注浆充填施工；
依次交替开挖土方拼装洞口结构、后背墙结构、H型钢、压型钢板、角柱和内支撑，并完成拼装连接和注浆施工，直至开挖支护至竖井底面标高；
安装纵向通长立柱，并用高强螺栓将纵向通长立柱与每环H型钢紧固连接，通长立柱底端需深于竖井底面；
4)封底
现场浇筑封底混凝土，并保证将四角立柱和通长立柱埋置于封底混凝土内；
5)换撑施工
拆除对撑和八字撑，提供顶管施工工作面；
6)顶管施工
进行顶管顶进或接收施工；
7)回填回收
自井底往上逐层拆除支护结构，跟进回填，夯实，直至结构全部回收并回填完成。
2.根据权利要求1所述的用于全回收装配式矩形顶管工作井的钢结构支护装置，其特征在于：所述支护装置由预制环梁、预制支护结构、预制洞口、预制后背墙和封底通过拼装组成；
所述预制支护结构由H型钢、压型钢板、角柱、内支撑通过螺栓连接构成；
所述预制环梁采用钢筋混凝土结构，且预制环梁的顶面与地面齐平或略高于地面；
所述预制环梁上设置有用于与预制支护结构的H型钢连接的预埋件a；
所述预制环梁上设置有用于与预制支护结构的角柱连接的预埋件b；
所述H型钢的翼板呈竖直放置，用于充分利用H型钢的抗弯性能，提高结构承载能力；
在所述H型钢上下间隔焊接有连接件a，将H型钢与压型钢板通过连接件a拼装连接；
在所述H型钢的一端焊接连接件b，实现H型钢之间的横向连接；
在所述H型钢的另一端预留圆形连接孔，实现H型钢与角柱之间的连接；
在所述H型钢翼板上预留圆形连接孔，实现H型钢与角撑之间的连接；
所述压型钢板左右焊接有平面钢条作为连接法兰，通过螺栓实现压型钢板间的横向连接；
所述压型钢板的上下焊接有角钢作为连接法兰，通过螺栓实现压型钢板与H型钢的连接；
所述角柱采用方钢管，设置于矩形工作井的四角；在方钢管外壁上焊接有连接件c，实现方钢管与H型钢间的连接；在方钢管一端焊接有内套筒，另一端预留销栓孔，在内套筒上预留与方钢管上销栓孔相匹配的销栓孔，通过销栓实现上下两节方钢管之间的连接；
所述角撑采用工字钢，在工字钢两端焊接有连接板，用于与H型钢间通过螺栓进行连接；
所述预制洞口由内洞口结构和外洞口结构组成；其中外洞口结构左右两端与角柱连接，上端与预制支护结构的压型钢板连接，下端与工作井封底连接；
所述外洞口结构由H型钢、迎土侧挡板a、肋板a、外洞口法兰盘通过焊接而形成；
所述内洞口结构由H型钢、迎土侧挡板b、肋板b通过焊接而形成；
所述内洞口结构与外洞口结构通过螺栓连接，从而构成预制洞口；
所述外洞口法兰盘通过连接固定止水条，从而保证顶管机顶进时不漏浆；
在所述预制洞口结构内部的肋板a间、肋板b间，充填轻质抗压混凝土，即可作为预制后背墙使用；
所述封底采用现浇混凝土的方式进行工作井封底施工。
3.根据权利要求2所述用于全回收装配式矩形顶管工作井的钢结构支护装置，其特征在于：所述压型钢板是采用平面钢板通过机械压制形成带有波纹状的钢板。
4.根据权利要求2所述用于全回收装配式矩形顶管工作井的钢结构支护装置，其特征在于：所述内外洞口法兰盘有钢板卷制而成，所述迎土侧挡板a、迎土侧挡板b和肋板a、肋板b均采用平面钢板。
5.根据权利要求2所述的用于全回收装配式矩形顶管工作井的钢结构支护装置，其特征在于：所述用于全回收装配式矩形顶管工作井的钢结构支护装置，其优选方案为当洞口较大，一体式的内洞口结构和外洞口结构较重不易安装时，可在纵向上对内外洞口结构进行分节，节与节之间通过螺栓连接固定。
6.根据权利要求2所述的一种全回收装配式矩形顶管工作井钢结构支护装置，其特征在于：所述H型钢可以采用其他类型型钢代替，压型钢板也可采用其他类型钢结构代替。
7.根据权利要求2所述用于全回收装配式矩形顶管工作井的钢结构支护装置，其特征在于：内洞口和外洞口之间填充橡胶垫。
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