一种基于双层衬砌的盾构井端头大管棚结构及构建方法

摘要

本发明属于隧道工程盾构井技术领域，具体涉及一种基于双层衬砌的盾构井端头大管棚结构及构建方法。本发明通过大管棚、管棚导向管、盾构井底板、盾构井下端墙、盾构井中板、由盾构井上端外侧墙和盾构井上端内侧墙组成的盾构井上端墙、盾构隧道、盾构井洞门后浇环梁和盾构井侧墙有机组合，通过八个步骤构建而成。本发明双层结构形式的盾构井上端墙，盾构井上端外侧墙满足大管棚打设定位与精度控制要求，盾构井上端内侧墙满足结构防水与整体稳定性要求，将大管棚地层加固与结构防水及受力体系有效分离，既能满足周边环境保护对大管棚打设精度与扰动控制的要求，又能实现结构安全与稳定性控制目标，具有广泛的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于隧道工程盾构技术领域，具体涉及一种基于双层衬砌的盾构井端头大管棚结构及构建方法。

背景技术

对于目前国内各大城市的轨道交通工程，随着地铁线网的加密与周边环境保护要求的不断提高，对施工工艺的要求也越来越高，作为盾构法隧道工程的重难点之一，盾构进出洞施工历来是各方关注的焦点，尤其在富水地层与周边环境相对苛刻的情况下。常规条件下，大管棚在盾构井主体结构施做后进行打设，但由于大管棚位于盾构井洞门上方、盾构井端墙部位，管棚施工将会导致盾构井端墙被打穿、打烂，不但满足不了结构防水要求，也留下了巨大的安全隐患与潜在风险，更加无法满足盾构井周边环境保护要求。

发明内容

本发明提供了一种基于双层衬砌的盾构井端头大管棚结构及构建方法，目的在于提供一种结构能够确保大管棚打设精度可控，且满足盾构井端墙结构防水与整体稳定性要求的盾构井端头大管棚结构及构建方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于双层衬砌的盾构井端头大管棚结构，包括大管棚、管棚导向管、盾构井底板、盾构井下端墙、盾构井中板、盾构井上端墙、盾构隧道、盾构井洞门后浇环梁和盾构井侧墙；所述的盾构隧道端头的下部设置有盾构井底板，盾构隧道端头的上部设置有盾构井中板，在盾构井中板和盾构井底板的一侧设置有盾构井侧墙；在盾构隧道端头设置有盾构井端墙，盾构井端墙由盾构井下端墙和盾构井上端墙组成，盾构井上端墙位于盾构井下端墙上部，盾构井上端墙和盾构井下端墙中间部分形成圆形盾构始发洞门，盾构井上端墙与盾构井下端墙的分界面位于盾构隧道拱腰处；所述盾构井上端墙包括盾构井上端外侧墙和盾构井上端内侧墙，盾构井上端外侧墙和盾构井上端内侧墙之间设置有防水层；所述盾构井洞门后浇环梁设置在圆形盾构始发洞门内；所述管棚导向管设置在盾构隧道口的正上方拱部，所述大管棚的一端置于管棚导向管内。

所述管棚导向管的两侧设置有管棚导向管定位钢筋，管棚导向管定位钢筋与盾构井下端墙和盾构井上端外侧墙内的主筋连接。

所述管棚导向管呈弧形设置，且设置的排数不少于两排。

所述管棚导向管在盾构隧道正上方的拱部120°～150°范围内设置，环向间距0.3m～0.4m。

所述管棚导向管的设置角度与水平方向交角为2～3°。

所述管棚导向管和大管棚之间的空隙压注有水泥砂浆，端部封堵有水泥砂浆层。

所述管棚导向管采用φ133mm、壁厚4mm的无缝钢管，长度与盾构井上端外侧墙厚度一致。

所述大管棚与管棚导向管采用的是Q235或Q345钢材。

所述的防水层采用的是预铺自粘防水卷材。

一种基于双层衬砌的盾构井端头大管棚结构的构建方法，包括如下步骤

步骤一：进行基坑围护结构施工、基坑降水、基坑开挖，随后浇注盾构井底板、盾构井下端墙、盾构井上端外侧墙、盾构井侧墙与盾构井中板主体结构，并在盾构井下端墙和盾构井上端外侧墙上预留盾构始发洞门，盾构始发洞门内采用挂网、喷混的临时封堵措施；

步骤二：在盾构始发洞门上方盾构井上端外侧墙浇注过程中，预埋管棚导向管，管棚导向管与盾构井上端外侧墙主筋通过管棚导向管定位钢筋连接，管棚导向管预埋角度与水平方向交角为2～3°，预埋长度与盾构井上端外侧墙厚度一致，预埋区域为盾构隧道拱顶正上方的120°～150°范围内设置；

步骤三：在盾构井内搭设脚手架，在脚手架上铺设临时木板，形成大管棚打设的工作平台；

步骤四：将盾构井上端外侧墙为管棚打设时的导向墙，按照由中间向两侧、跳孔施做的顺序打设大管棚，按照先外层、后内层的顺序打设大管棚；

步骤五：待大管棚打设完毕后，在大管棚端部安装单向阀门，由阀门向大管棚内压注水泥浆液，通过大管棚上的梅花形预留孔，水泥浆液向周边地层渗透，最后向大管棚内压注水泥砂浆；

步骤六：将大管棚端部的单向阀门依次拆除，在管棚导向管与大管棚之间压注水泥砂浆，封堵渗漏水通道；

步骤七：待盾构机始发或接收完成后，施做盾构井洞门后浇环梁，将盾构隧道、后浇环梁与盾构井上端外侧墙及盾构井下端墙进行刚性连接；

步骤八：在盾构井上端外侧墙外侧敷设防水层，与上下部既有的结构防水材料进行搭接，随后浇筑盾构井上端内侧墙，将盾构井下端墙、盾构井上端外侧墙、盾构井上端内侧墙、后浇环梁与盾构隧道连接成一个整体。

有益效果：

(1)本发明通过盾构井上端外侧墙和盾构井上端内侧墙的内外两层结构之间施做防水层，对大管棚打穿上端墙外侧结构部分引起的渗漏水风险进行了有效防控，既能满足周边环境保护的苛刻要求，又能避免常规单层衬砌打设大管棚引起的不稳定因素，具有较高的经济效益和社会效益，在城市轨道交通、铁路、公路等工程中有广泛的应用前景。

(2)本发明在由盾构井上端外侧墙和盾构井上端内侧墙双层结构形式的盾构井上端墙、上端墙预埋的管棚导向管、在盾构井端墙预留洞门上方打设的大管棚与管棚内压注的水泥浆液与水泥砂浆等，涉及的钢材、水泥砂浆、防水混凝土以及大管棚打设所用的机械设备等均为常规的材料或设备，其相应尺寸为常规类型，便于加工制造，构建的成本较低。

(3)本发明盾构井上端外侧墙和盾构井上端内侧墙结构厚度、管棚导向管与大管棚的层数与每层数量，分节长度与纵向总长度等均可根据施工情况进行调整，满足不同条件的施工需要。通过盾构井上端外侧墙和盾构井上端内侧墙两部分结构厚度的调整，可满足大管棚打设期间、盾构施工完成后永久工况的结构受力与整体稳定性要求。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明结构正视图；

图2为本发明剖面图；

图3为图2中A的局部放大图；

图4为本发明管棚导向管定位钢筋与大管棚连接截面示意图。

图中：1、大管棚；2、管棚导向管；3、盾构井底板；4、盾构井下端墙；5、盾构井中板；6-1、盾构井上端外侧墙；6-2、盾构井上端内侧墙；7、盾构隧道；8、盾构井洞门后浇环梁；9、管棚导向管定位钢筋；10、盾构井侧墙；11、防水层。

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的一部分实施例，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。

实施例一：

参照图1-图4所示的一种基于双层衬砌的盾构井端头大管棚结构，包括大管棚1、管棚导向管2、盾构井底板3、盾构井下端墙4、盾构井中板5、盾构井上端墙、盾构隧道7、盾构井洞门后浇环梁8和盾构井侧墙10；所述的盾构隧道7端头的下部设置有盾构井底板3，盾构隧道7端头的上部设置有盾构井中板5，在盾构井中板5和盾构井底板3的一侧设置有盾构井侧墙10；在盾构隧道7端头设置有盾构井端墙，盾构井端墙由盾构井下端墙4和盾构井上端墙组成，盾构井上端墙位于盾构井下端墙4上部，盾构井上端墙和盾构井下端墙4中间部分形成圆形盾构始发洞门，盾构井上端墙与盾构井下端墙4的分界面位于盾构隧道7拱腰处；所述盾构井上端墙包括盾构井上端外侧墙6-1和盾构井上端内侧墙6-2，盾构井上端外侧墙6-1和盾构井上端内侧墙6-2之间设置有防水层11；所述盾构井洞门后浇环梁8设置在圆形盾构始发洞门内；所述管棚导向管2设置在盾构隧道7口的正上方拱部，所述大管棚1的一端置于管棚导向管2内。

在具体应用时，首先进行基坑围护结构施工、基坑降水、基坑开挖，随后浇注盾构井底板3、盾构井下端墙4、盾构井上端外侧墙6-1、盾构井侧墙10与盾构井中板5主体结构，并在盾构井下端墙4和盾构井上端外侧墙6-1上预留盾构始发洞门，盾构始发洞门内采用挂网、喷混的临时封堵措施。在盾构始发洞门上方盾构井上端外侧墙6-1浇注过程中，预埋管棚导向管2，预埋长度与盾构井上端外侧墙6-1厚度一致，预埋区域为盾构隧道7拱顶正上方的120°～150°范围内设置，然后在盾构井内搭设脚手架，在脚手架上铺设临时木板，形成大管棚1打设的工作平台；随后将盾构井上端外侧墙6-1当做管棚打设时的导向墙，按照由中间向两侧、跳孔施做的顺序打设大管棚1，按照先外层、后内层的顺序打设大管棚1。待大管棚1打设完毕后，在大管棚1端部安装单向阀门，由阀门向大管棚1内压注水泥浆液，通过大管棚1上的梅花形预留孔，水泥浆液向周边地层渗透，最后向大管棚1内压注水泥砂浆，将大管棚1端部的单向阀门依次拆除。待盾构机始发或接收完成后，施做盾构井洞门后浇环梁8，将盾构隧道7、盾构井洞门后浇环梁8与盾构井上端外侧墙6-1及盾构井下端墙4进行刚性连接。在盾构井上端外侧墙6-1外侧敷设防水层11，与上下部既有的结构防水材料进行搭接，随后浇筑盾构井上端内侧墙6-2，将盾构井下端墙4、盾构井上端外侧墙6-1、盾构井上端内侧墙6-2、盾构井洞门后浇环梁8与盾构隧道7连接成一个整体。

本发明通过盾构井上端外侧墙和盾构井上端内侧墙的内外两层结构之间施做防水层，对大管棚打穿上端墙外侧结构部分引起的渗漏水风险进行了有效防控，既能满足周边环境保护的苛刻要求，又能避免常规单层衬砌打设大管棚引起的不稳定因素，具有较高的经济效益和社会效益，在城市轨道交通、铁路、公路等工程中有广泛的应用前景。

本发明由盾构井上端外侧墙和盾构井上端内侧墙双层结构形式的盾构井上端墙、上端墙预埋的管棚导向管、在盾构井端墙预留洞门上方打设的大管棚与管棚内压注的水泥浆液与水泥砂浆等构成，涉及的钢材、水泥砂浆、防水混凝土以及大管棚打设所用的机械设备等均为常规的材料或设备，其相应尺寸为常规类型，便于加工制造，构建的成本较低。

本发明盾构井上端外侧墙和盾构井上端内侧墙结构厚度、管棚导向管与大管棚的层数与每层数量，分节长度与纵向总长度等均可根据施工情况进行调整，满足不同条件的施工需要。通过盾构井上端外侧墙和盾构井上端内侧墙两部分结构厚度的调整，可满足大管棚打设期间、盾构施工完成后永久工况的结构受力与整体稳定性要求。

实施例二：

参照图1和图4所示的一种基于双层衬砌的盾构井端头大管棚结构，与实施例一不同之处在于：所述管棚导向管2的两侧设置有管棚导向管定位钢筋9，管棚导向管定位钢筋9与盾构井下端墙4和盾构井上端外侧墙6-1内的主筋连接。

在实际使用时采用本技术方案，使得本发明的结构一体化的程度更高，稳定性更好，且确保了大管棚打设精度可控。

实施例三：

参照图1和图3所示的一种基于双层衬砌的盾构井端头大管棚结构，与实施例一不同之处在于：所述管棚导向管2呈弧形设置，且设置的排数不少于两排。

优选的是，所述管棚导向管2在盾构隧道7正上方的拱部120°～150°范围内设置，环向间距0.3m～0.4m。

在实际使用时，管棚导向管2采用本技术方案，不仅满足了本发明的稳定性要求，而且能够确保大管棚打设精度可控，

实施例四：

参照图1和图3所示的一种基于双层衬砌的盾构井端头大管棚结构，与实施例一不同之处在于：所述管棚导向管2的设置角度与水平方向交角为2～3°。

在实际使用时，采用本技术方案可有效避免管棚侵入开挖轮廓，同时保证管棚下方土体的稳定性，充分发挥管棚的加固和承载作用。

实施例五：

参照图1和图3所示的一种基于双层衬砌的盾构井端头大管棚结构，与实施例一不同之处在于：所述管棚导向管2和大管棚1之间的空隙压注有水泥砂浆，端部封堵有水泥砂浆层。

在实际使用时，采用本技术方案，起到封堵管口的作用。

实施例六：

参照图1和图3所示的一种基于双层衬砌的盾构井端头大管棚结构，与实施例一不同之处在于：所述管棚导向管2采用φ133mm、壁厚4mm的无缝钢管，长度与盾构井上端外侧墙6-1厚度一致。

进一步的，所述大管棚1与管棚导向管2采用的是Q235或Q345钢材。

本实施例中，大管棚1采用φ108mm、壁厚6mm的钢花管，长10～15m，钢花管上开孔间距为200mm，呈梅花形布置。

在实际使用时，管棚导向管2和大管棚1采用本技术方案，较好的满足了本发明结构的强度要求，且有效的节约了成本。

实施例七：

参照图1和图3所示的一种基于双层衬砌的盾构井端头大管棚结构，与实施例一不同之处在于：所述的防水层11采用的是预铺自粘防水卷材。

本实施例中的防水层11的防水材料，采用预铺自粘防水卷材，满足了主体结构一级防水的要求。在具体应用时，也可以根据实际情况采用其他的防水材料，只要满足主体结构的一级防水要求即可。

实施例八：

一种基于双层衬砌的盾构井端头大管棚结构的构建方法，包括如下步骤

步骤一：进行基坑围护结构施工、基坑降水、基坑开挖，随后浇注盾构井底板3、盾构井下端墙4、盾构井上端外侧墙6-1、盾构井侧墙10与盾构井中板5主体结构，并在盾构井下端墙4和盾构井上端外侧墙6-1上预留盾构始发洞门，盾构始发洞门内采用挂网、喷混的临时封堵措施；

步骤二：在盾构始发洞门上方盾构井上端外侧墙6-1浇注过程中，预埋管棚导向管2，管棚导向管2与盾构井上端外侧墙6-1主筋通过管棚导向管定位钢筋9连接，管棚导向管2预埋角度与水平方向交角为2～3°，预埋长度与盾构井上端外侧墙6-1厚度一致，预埋区域为盾构隧道7拱顶正上方的120°～150°范围内设置；

步骤三：在盾构井内搭设脚手架，在脚手架上铺设临时木板，形成大管棚1打设的工作平台；

步骤四：将盾构井上端外侧墙6-1做为管棚打设时的导向墙，按照由中间向两侧、跳孔施做的顺序打设大管棚1，按照先外层、后内层的顺序打设大管棚1；

步骤五：待大管棚1打设完毕后，在大管棚1端部安装单向阀门，由阀门向大管棚1内压注水泥浆液，通过大管棚1上的梅花形预留孔，水泥浆液向周边地层渗透，最后向大管棚1内压注水泥砂浆；

步骤六：将大管棚1端部的单向阀门依次拆除，在管棚导向管2与大管棚1之间压注水泥砂浆，封堵渗漏水通道；

步骤七：待盾构机始发或接收完成后，施做盾构井洞门后浇环梁8，将盾构隧道7、盾构井洞门后浇环梁8与盾构井上端外侧墙6-1及盾构井下端墙4进行刚性连接；

步骤八：在盾构井上端外侧墙6-1外侧敷设防水层11，与上下部既有的结构防水材料进行搭接，随后浇筑盾构井上端内侧墙6-2，将盾构井下端墙4、盾构井上端外侧墙6-1、盾构井上端内侧墙6-2、盾构井洞门后浇环梁8与盾构隧道7连接成一个整体。

在具体应用时，盾构井上端外侧墙6-1主要在管棚打设前浇筑，为管棚打设提供定位与导向作用，盾构井上端内侧墙6-2在管棚打设、盾构井洞门后浇环梁8浇筑后施做，确保满足主体结构稳定性与防水要求。

在盾构井上端外侧墙6-1外侧敷设防水层11，与上下部既有的结构防水材料进行搭接，实现了主体结构全包防水要求。

本发明通过八个步骤，不仅精度可控的构建了一个大管棚打设结构，且满足盾构井端墙结构防水与整体稳定性要求。

本发明通过盾构井上端外侧墙和盾构井上端内侧墙的内外两层结构之间施做防水层，对大管棚打穿上端墙外侧结构部分引起的渗漏水风险进行了有效防控，既能满足周边环境保护的苛刻要求，又能避免常规单层衬砌打设大管棚引起的不稳定因素，具有较高的经济效益和社会效益，在城市轨道交通、铁路、公路等工程中有广泛的应用前景。本发明在由盾构井上端外侧墙和盾构井上端内侧墙双层结构形式的盾构井上端墙、上端墙预埋的管棚导向管、在盾构井端墙预留洞门上方打设的大管棚与管棚内压注的水泥浆液与水泥砂浆等，涉及的钢材、水泥砂浆、防水混凝土以及大管棚打设所用的机械设备等均为常规的材料或设备，其相应尺寸为常规类型，便于加工制造，构建的成本较低。本发明盾构井上端外侧墙和盾构井上端内侧墙结构厚度、管棚导向管与大管棚的层数与每层数量，分节长度与纵向总长度等均可根据施工情况进行调整，满足不同条件的施工需要。通过盾构井上端外侧墙和盾构井上端内侧墙两部分结构厚度的调整，可满足大管棚打设期间、盾构施工完成后永久工况的结构受力与整体稳定性要求。

综上所述，本发明通过大管棚、管棚导向管、盾构井底板、盾构井下端墙、盾构井中板、由盾构井上端外侧墙和盾构井上端内侧墙组成的盾构井上端墙、盾构隧道、盾构井洞门后浇环梁和盾构井侧墙有机组合，通过八个步骤构建而成，使双层结构形式的盾构井上端墙，盾构井上端外侧墙满足大管棚打设定位与精度控制要求，盾构井上端内侧墙满足结构防水与整体稳定性要求，将大管棚地层加固与结构防水及受力体系有效分离，既能满足周边环境保护对大管棚打设精度与扰动控制的要求，又能实现结构安全与稳定性控制目标，具有广泛的应用前景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

在不冲突的情况下，本领域的技术人员可以根据实际情况将上述各示例中相关的技术特征相互组合，以达到相应的技术效果，具体对于各种组合情况在此不一一赘述。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。