一種基于鋼管混凝土連接的管幕支護結構的制作方法
【專利摘要】一種基于鋼管混凝土連接的管幕支護結構屬于地下工程建設技術領域，所述基于鋼管混凝土連接的管幕支護結構，包括位于地面以下設于兩側的側向支撐部及連接于所述側向支撐部之間的橫向支撐部，所述橫向支撐部用于支撐地面，所述側向支撐部用于支撐側向圍巖，所述側向支撐部與所述橫向支撐部包括多個第一鋼管，相鄰所述第一鋼管之間通過第二鋼管連接，所述第二鋼管的軸線與所述第一鋼管的軸線相垂直，所述第二鋼管位于所述第一鋼管內的端部設有固定件，所述第一鋼管和所述第二鋼管內填充混凝土，所述混凝土包圍所述固定件。本發(fā)明所述基于鋼管混凝土連接的管幕支護結構，承載力高、剛度大，且在施工過程中，無需清除第一鋼管之間的巖土，方便易行。
【專利說明】
一種基于鋼管混凝土連接的管幕支護結構
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于地下工程建設技術領域，特別是涉及一種基于鋼管混凝土連接的管幕支護結構?！颈尘凹夹g】
[0002]為了保證在地下施工過程中不影響交通、不對地表及其結構物的安全構成威脅， 必須確保在地下施工中地表不會發(fā)生沉降，但隨著城市建設的發(fā)展，不僅出現(xiàn)了開挖頂部覆蓋層較薄現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)了超淺埋回填土層，但覆蓋層越薄越有可能帶來地表沉降，由此帶來的安全風險和給地下結構暗挖工程帶來的難度也越來越大，而管幕法正是一種能有效解決上述問題的方法。
[0003]管幕法是一種地下結構暗挖技術，該方法是指在地下土層結構中，以單根鋼管頂進為基礎，利用頂管技術在地下結構施作部位密排頂進多個密排大直徑鋼管，采用管間切割支護，在鋼管之間橫向布置螺栓或鋼筋，再在鋼管內及鋼管之間灌注混凝土，形成管幕結構后，在管幕結構下，開挖內部核心土方的施工方法。該方法非常適合于解決復雜條件下的地下結構建造及對環(huán)境要求較高的地下結構施工、超淺埋大跨度地下結構和近接地下結構施工。
[0004]現(xiàn)有的管幕結構在施工過程中必須將頂進的鋼管內及鋼管間的巖土清理干凈，否則無法保證鋼管之間橫向連接的鋼筋混凝土承載能力和剛度。但在實際施工過程中，由于鋼管橫向間距很小，并且鋼管之間的巖土需要人工從鋼管內部進行清除，這種巖土清理的作業(yè)方法十分困難，并有可能造成由于鋼管之間的巖土清理不徹底而影響灌注混凝土的強度等級，從而降低了整個管幕結構承載能力和剛度，給工程造成安全隱患。因此，需要一種更好的管幕支護結構來解決上述問題。
【發(fā)明內容】

[0005]針對現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供一種基于鋼管混凝土連接的管幕支護結構，該管幕支護結構承載力高、剛度大，且在施工過程中，無需清除第一鋼管之間的巖土，方便易行。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
[0007]基于鋼管混凝土連接的管幕支護結構，包括:位于地面以下設于兩側的側向支撐部及連接于所述側向支撐部之間的橫向支撐部，所述橫向支撐部用于支撐地面，所述側向支撐部用于支撐側向圍巖，所述側向支撐部與所述橫向支撐部包括多個第一鋼管，相鄰所述第一鋼管之間通過第二鋼管連接，所述第二鋼管的軸線與所述第一鋼管的軸線相垂直， 所述第二鋼管位于所述第一鋼管內的端部設有固定件，所述第一鋼管和所述第二鋼管內填充混凝土，所述混凝土包圍所述固定件。
[0008]所述第一鋼管的外壁沿所述第一鋼管軸線方向設有用于導向的鎖扣，相鄰所述第一鋼管之間通過所述鎖扣定位連接。
[0009]所述側向支撐部豎直設置，所述橫向支撐部水平設置或朝向地面方向拱起設置。
[0010]所述第二鋼管設有排氣孔，所述排氣孔位于所述第一鋼管的外部。
[0011]所述橫向支撐部的第二鋼管的排氣孔靠近地面設置。
[0012]所述固定件包括螺栓和螺母，所述螺栓在所述第二鋼管的端部沿同一截面圓周均勻分布，所述螺母固定于所述螺栓上，且位于所述第二鋼管的外側。
[0013]所述螺栓沿所述第二鋼管軸線方向并列設有多個。
[0014]所述固定件包括插設于所述第二鋼管內的第三鋼管和設于所述第三鋼管一端的擋板，所述第三鋼管與所述第二鋼管過盈配合，所述擋板垂直于所述第三鋼管的軸線，所述擋板的外形尺寸大于所述第二鋼管的外徑，所述擋板設有通孔，混凝土由所述通孔進入所述第三鋼管及所述第二鋼管內。
[0015]所述第二鋼管與所述第三鋼管之間通過螺栓和螺母固定連接。
[0016]所述橫向支撐部的相鄰兩個所述第一鋼管之間通過加勁板連接，所述加勁板位于所述第二鋼管遠離地面的一側。
[0017]本發(fā)明的有益效果:
[0018]本發(fā)明提出了一種利用第二鋼管取代現(xiàn)有管幕結構中的鋼筋或螺栓將相鄰兩個第一鋼管橫向連接起來，并在第一鋼管與第二鋼管內灌注混凝土，形成一個基于鋼管混凝土連接的新型管幕支護結構，從而增強了管幕支護結構的剛度和承載能力，可作為永久支撐應用于工程結構中，并且該結構在施工過程中，無需清除第一鋼管之間的巖土，方便易行，可廣泛適用于地面建筑物密集、交通運輸繁忙、地下管線密布、且對地面沉陷要求嚴格的城市地區(qū)，以及地下水難以處理等工程的施工作業(yè)?！靖綀D說明】
[0019]圖1是本發(fā)明基于鋼管混凝土連接的管幕支護結構的橫向支撐部水平設置時的結構示意圖；
[0020]圖2是本發(fā)明基于鋼管混凝土連接的管幕支護結構的橫向支撐部朝向地面方向拱起設置時的結構示意圖；
[0021]圖3是圖1的I部局部放大視圖的第一種連接方式；
[0022]圖4是圖1的I部局部放大視圖的第二種連接方式；[〇〇23]圖5是圖1的I部局部放大視圖的第三種連接方式；
[0024]圖6是圖1的I部局部放大視圖的第四種連接方式；[〇〇25]圖7是鋼管混凝土連接試件與鋼筋混凝土連接試件對比試驗的荷載-變形曲線圖；
[0026]圖中:1_側向支撐部，2-橫向支撐部，3-第一鋼管，4-第二鋼管，5-排氣孔，6-鎖扣， 7-螺母，8-螺栓，9-加勁板，10-擋板，11-第三鋼管，12-通孔，NSTS-S2-鋼管混凝土連接試件，STS-S3-鋼筋混凝土連接試件?！揪唧w實施方式】[〇〇27]下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0028]如圖1、圖2所示，本發(fā)明基于鋼管混凝土連接的管幕支護結構，屬于地下工程建設技術領域，在地下結構暗挖工程施工過程中，先完成本發(fā)明所提供的設備安裝，然后在本發(fā)明管幕結構的支護下進行挖掘結構物內部核心土方的施工作業(yè)。
[0029]如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明基于鋼管混凝土連接的管幕支護結構，包括位于地面以下設于兩側的側向支撐部1及連接于側向支撐部1之間的橫向支撐部2,側向支撐部1豎直設置，用于支撐側向圍巖，橫向支撐部2連接于兩個側向支撐部1的頂部，用于支撐地面，橫向支撐部2可根據(jù)實際情況設置，能夠支撐地面即可，優(yōu)選如圖1所示的水平設置或如圖2所示的朝向地面方向拱起設置，以保證管幕結構下具有充足的空間。
[0030]側向支撐部1與橫向支撐部2包括多個第一鋼管3,第一鋼管3的外壁沿第一鋼管3 軸線方向設有鎖扣6,相鄰第一鋼管3在安裝過程中通過鎖扣6進行導向和確定相對位置。相鄰第一鋼管3之間通過第二鋼管4連接，第二鋼管4的軸線與第一鋼管3的軸線相垂直，第二鋼管4設有排氣孔5,排氣孔5位于第一鋼管3的外部，用于排凈第一鋼管3和第二鋼管4內的空氣，避免由于氣體的存在而導致灌注混凝土不密實，從而使得整體管幕結構的剛度和承載能力降低。橫向支撐部2的第二鋼管4的排氣孔5靠近地面設置，用以防止在灌注混凝土時漏漿現(xiàn)象的發(fā)生。[〇〇31]第二鋼管4位于第一鋼管3內的端部設有固定件，固定件優(yōu)選以下四種方式。
[0032]方式一:如圖3所示，固定件包括螺栓8和螺母7，螺栓8在第二鋼管4的端部沿同一截面圓周均勻分布，螺母7固定于螺栓8上，且位于第二鋼管4的外側，在本實施例中，設有四個螺栓8，每個螺栓8上裝有兩個螺母7。[〇〇33]方式二:如圖4所示，在方式一的基礎上，沿第二鋼管4軸線方向并列設有多個螺栓 8,并于第二鋼管外固定有與其相對應的螺母7,在本實施例中，同一截面圓周上設有兩個螺栓8，每個螺栓8的旁側并列還設有一個螺栓8。[〇〇34]方式三:如圖5所示，固定件包括插設于第二鋼管4內的第三鋼管11和設于第三鋼管11 一端的擋板10,第三鋼管11與第二鋼管4過盈配合，以防止在灌注混凝土過程中從第二鋼管4中脫出。擋板10垂直于第三鋼管11的軸線，擋板10位于第一鋼管3內，擋板10的外形尺寸大于第二鋼管4的外徑，以擋止于第二鋼管4的端面，同時能夠擋在第一鋼管3內，擋板10 的中心設有通孔12,混凝土由通孔12進入第三鋼管11及第二鋼管4內。[〇〇35]方式四:如圖6所示，在方式三的基礎上，增加用于固定連接第二鋼管4與第三鋼管 11的螺栓8和螺母7,在本實施例中，第二鋼管4端部的圓周上設有兩個螺栓8,螺母7與螺栓8 相對應。[〇〇36]第一鋼管3和第二鋼管4內填充混凝土，混凝土包圍固定件，以增加管幕結構強度。 橫向支撐部2的相鄰第一鋼管3之間通過加勁板9連接，加勁板9位于第二鋼管4遠離地面的一側，以增加第二鋼管4的承載能力，同時兼具防止頂部巖土掉落的作用。
[0037]下面結合【附圖說明】應用本發(fā)明的一次施工過程。
[0038]在需要進行管幕支護的施工場地一側，挖掘并支護工作井，并根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況及第一鋼管3的尺寸和數(shù)量，選擇截取第二鋼管4,并在第二鋼管4的中間加工出排氣孔5,若采用如圖3所示的第一種連接方式時，則需要在第二鋼管4的端部沿同一圓周方向加工出均布的四個螺栓8安裝孔;若采用如圖4所示的第二種連接方式時，則需要在第二鋼管4 的端部沿同一圓周方向加工出均布的兩個螺栓8安裝孔，每個安裝孔的旁側并列還設有一個螺栓8的安裝孔;若采用如圖5所示的第三種連接方式時，則不需要在第二鋼管4的端部加工安裝孔;若采用如圖6所示的第四種連接方式時，則需要在第二鋼管4的端部沿圓周方向加工出均布的兩個螺栓8安裝孔；當采用如圖5所示的第三種連接方式和圖6所示的第四種連接方式時，還需要根據(jù)第二鋼管4的尺寸選擇并截取第三鋼管11和加工有通孔12的擋板 10,并將擋板10焊接在第三鋼管11的一端。
[0039]在工作井下的工作空間內，依據(jù)施工的具體情況，可以選擇如圖1或圖2所示的管幕結構形式，由此計算得出需要的第一鋼管3數(shù)量，并在需要施工的巖土層斷面上標出每根第一鋼管3的確定位置。利用千斤頂將第一根第一鋼管3按照巖土層斷面標記的位置頂入巖土層中，后續(xù)頂進的第一鋼管3除了按照巖土層斷面的標記頂進外，還需要將鎖扣6對齊，保證每根第一鋼管3沿鎖扣6頂進。人工進入第一鋼管3,清理第一鋼管3內的渣土。
[0040]在本施工過程中，人工進入第一鋼管3,在相鄰第一鋼管3計算好的位置加工用于安裝第二鋼管4的安裝孔;在其他實施過程中，也可以選擇先在第一鋼管3上加工出安裝第二鋼管4的安裝孔后，再將第一鋼管3沿鎖扣6頂進到巖土層中；在加工出的安裝孔中，用千斤頂頂入第二鋼管4,確保第二鋼管4的排氣孔5位于第一鋼管3的外部，其中，橫向支撐部2 的第二鋼管4在安裝時，排氣孔5靠近地面?zhèn)劝惭b，并清理第二鋼管4內的渣土。
[0041]根據(jù)現(xiàn)場實際情況，可以優(yōu)選以下幾種安裝方式來安裝固定件。
[0042]方式一:如圖3所示，人工進入第一鋼管3，在第二鋼管4位于第一鋼管3內部的端部安裝螺栓8,螺栓8由第二鋼管4內部向外安裝，在螺栓8上安裝有螺母7,螺母7位于第二鋼管 4的外側，也可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況，選擇在沿第二鋼管4軸線的方向安裝有多個螺栓8和螺母7,如圖4所示。[〇〇43]方式二:如圖5所示，人工進入第一鋼管3，將焊接有擋板10的第三鋼管11安裝在第二鋼管4的端部，也可根據(jù)需要在第二鋼管4的端部沿圓周方向安裝固定第二鋼管4和第三鋼管11的螺栓8和螺母7，如圖6所示。
[0044]固定件安裝之后，通過導管向第一鋼管3內灌注混凝土，在重力作用下，第二鋼管4 內也同時灌注了混凝土，待混凝土凝固后，整體形成縱橫相連的鋼管混凝土管幕結構，由于第二鋼管4在第一鋼管3的外部開有排氣孔5,可以在在灌注混凝土過程中排出第一鋼管3和第二鋼管4內的空氣，避免由于氣體的存在而導致灌注混凝土不密實，與此同時，對管幕結構的腳部地層進行注漿加固處理，形成穩(wěn)定的管幕支護結構，待注漿混凝土凝固以后，開始挖掘管幕結構支護下的內部土方，并進行建筑砌筑和裝修，當?shù)谝讳摴?橫向連接需要更高的承載力和剛度時，可在挖掘施工過程中，逐步在橫向支撐部2的第一鋼管3遠離地面?zhèn)群附蛹觿虐?。[〇〇45]在除連接方式以外的其他條件均相同的情況下，通過對鋼管混凝土試件NSTS-S2 和鋼筋混凝土試件STS-S3分別進行試驗，通過試驗，得到荷載-變形曲線圖，如圖7所示。通過試驗結果可以得出:試件NSTS-S2和試件STS-S3的屈服承載力分別為226.56kN和 84.64kN，極限承載力分別為321.39kN和98.96kN，即采用本發(fā)明所提供結構的試件NSTS-S2 的屈服承載力相對試件STS-S3提高了 167 ? 67 %，極限承載力提高了224 ? 77%。由試驗數(shù)據(jù)可知，試件NSTS-S2的剛度明顯大于試件STS-S3的剛度，且試件NSTS-S2發(fā)生延性破壞，試件 STS-S3發(fā)生脆性破壞，即相對現(xiàn)有技術采用采用鋼筋(螺栓)混凝土連接的管幕支護結構而言，本發(fā)明提供的基于鋼管混凝土連接的管幕支護結構能夠顯著提高管幕結構的承載力和剛度。
[0046]以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍內。
【主權項】
1.一種基于鋼管混凝土連接的管幕支護結構，其特征在于，包括:位于地面以下設于兩 側的側向支撐部及連接于所述側向支撐部之間的橫向支撐部，所述橫向支撐部用于支撐地 面，所述側向支撐部用于支撐側向圍巖，所述側向支撐部與所述橫向支撐部包括多個第一 鋼管，相鄰所述第一鋼管之間通過第二鋼管連接，所述第二鋼管的軸線與所述第一鋼管的 軸線相垂直，所述第二鋼管位于所述第一鋼管內的端部設有固定件，所述第一鋼管和所述 第二鋼管內填充混凝土，所述混凝土包圍所述固定件。2.根據(jù)權利要求1所述的基于鋼管混凝土連接的管幕支護結構，其特征在于:所述第一 鋼管的外壁沿所述第一鋼管軸線方向設有用于導向的鎖扣，相鄰所述第一鋼管之間通過所 述鎖扣定位連接。3.根據(jù)權利要求1所述的基于鋼管混凝土連接的管幕支護結構，其特征在于:所述側向 支撐部豎直設置，所述橫向支撐部水平設置或朝向地面方向拱起設置。4.根據(jù)權利要求1所述的基于鋼管混凝土連接的管幕支護結構，其特征在于:所述第二 鋼管設有排氣孔，所述排氣孔位于所述第一鋼管的外部。5.根據(jù)權利要求4所述的基于鋼管混凝土連接的管幕支護結構，其特征在于:所述橫向 支撐部的第二鋼管的排氣孔靠近地面設置。6.根據(jù)權利要求1所述的基于鋼管混凝土連接的管幕支護結構，其特征在于:所述固定 件包括螺栓和螺母，所述螺栓在所述第二鋼管的端部沿同一截面圓周均勻分布，所述螺母 固定于所述螺栓上，且位于所述第二鋼管的外側。7.根據(jù)權利要求6所述的基于鋼管混凝土連接的管幕支護結構，其特征在于:所述螺栓 沿所述第二鋼管軸線方向并列設有多個。8.根據(jù)權利要求1所述的基于鋼管混凝土連接的管幕支護結構，其特征在于:所述固定 件包括插設于所述第二鋼管內的第三鋼管和設于所述第三鋼管一端的擋板，所述第三鋼管 與所述第二鋼管過盈配合，所述擋板垂直于所述第三鋼管的軸線，所述擋板的外形尺寸大 于所述第二鋼管的外徑，所述擋板設有通孔，混凝土由所述通孔進入所述第三鋼管及所述第二鋼管內。9.根據(jù)權利要求8所述的基于鋼管混凝土連接的管幕支護結構，其特征在于:所述第二 鋼管與所述第三鋼管之間通過螺栓和螺母固定連接。10.根據(jù)權利要求1所述的基于鋼管混凝土連接的管幕支護結構，其特征在于:所述橫 向支撐部的相鄰兩個所述第一鋼管之間通過加勁板連接，所述加勁板位于所述第二鋼管遠 離地面的一側。
【文檔編號】E21D11/10GK106089243SQ201610405066
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月12日
【發(fā)明人】王連廣, 趙文, 李雪, 侯雯峪, 張霓, 楊佳, 關永平, 賈鵬蛟
【申請人】東北大學