《沉管隧道用半剛性管節》是中國交通建設股份有限公司、中交公路規劃設計院有限公司於2013年10月17日申請的專利，該專利的申請號為2013104884929，公布號為CN103526777A，授權公布日為2014年1月22日，發明人是林鳴、劉曉東、尹海卿、周山水、李毅、呂勇剛、梁桁、張志剛、黃清飛、林巍。
《沉管隧道用半剛性管節》涉及一種沉管隧道用管節技術領域，尤其涉及一種沉管隧道用半剛性管節；其包括一個管節主體，該管節主體由多個首尾相接的管節節段拼接而成，各所述管節節段之間均設有榫凸結構；在所述管節主體內沿其周向布設有多條預應力管道；所述預應力管道內對應貫穿有用於對各所述管節節段進行預應力度調節的預應力鋼束；在所述管節主體兩端上設有預應力錨具。該發明採用預應力鋼束的設計，可以將多個管節節段串聯起來，使各管節節段串聯拼接成一個整體，使管節主體在不失整體剛度的前提下具有一定的柔度；半剛性管節比節段式柔性管節具有更高的受力及防水安全度，比整體式剛性管節具有更好的適應地基變形能力。
2018年12月20日，《沉管隧道用半剛性管節》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《沉管隧道用半剛性管節》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名： 沉管隧道用半剛性管節
- 公告號：CN103526777A
- 授權日：2014年1月22日
- 申請號：2013104884929
- 申請日：2013年10月17日
- 申請人：中國交通建設股份有限公司、中交公路規劃設計院有限公司
- 地址：北京市西城區德勝門外大街85號
- 發明人：林鳴、劉曉東、尹海卿、周山水、李毅、呂勇剛、梁桁、張志剛、黃清飛、林巍
- Int.Cl.：E02D29/073(2006.01)I
- 代理機構：北京路浩智慧財產權代理有限公司
- 代理人：孟憲功
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
截至2013年10月17日，中國國內外已建成的沉管隧道用管節結構主要分為節段式柔性管節和整體式剛性管節兩種。
柔性管節由多個首尾相連管節節段連線而成，管節節段間通過匹配的榫凸結構及跨縫中埋式止水帶連線；遇外荷載沉管結構主要呈現柔性特性，管節節段接頭髮生張開和轉動，通過變形釋放管節彎矩，結構縱向受力較小，縱向配筋較少，但是管節節段之間為抗剪及防水的薄弱環節，管節節段間的止水存在風險，對於大荷載或軟基沉管隧道，風險更大；世界範圍內柔性管節節段之間多有漏水案例；
剛性管節由整體管節或多個首尾相連管節節段通過有粘結預應力連線而成，管節以整體剛性抵抗外荷載，管節結構縱向受力較大，需花費較大代價（配置大量的鋼筋或預應力）提高其承載能力；同時，剛性管節不能通過管節柔性變形實施結構內力重分配，結構內受力不均衡，受力較大區域長期高應力存在開裂及漏水風險，此外，剛性管節變形集中於長管節兩端，增加該處GINA止水產品要求。
因此，針對以上問題，《沉管隧道用半剛性管節》急需提供一種新的沉管隧道用半剛性管節。
發明內容
專利目的
《沉管隧道用半剛性管節》的目的是提供一種沉管隧道用半剛性管節，該沉管隧道用半剛性管節通過預應力鋼束和榫凸結構具有的半剛性特性，使管節實現更好的適應海底或河底地基的變形能力的目的。
技術方案
《沉管隧道用半剛性管節》的目的是通過以下技術方案實現的：一種沉管隧道用半剛性管節，包括一個管節主體，該管節主體由多個首尾相接的管節節段拼接而成，各所述管節節段之間均設有榫凸結構；在所述管節主體內沿其周向布設有多條預應力管道；所述預應力管道沿所述管節主體的縱向貫通；所述預應力管道內對應貫穿有用於對各所述管節節段進行預應力度調節的預應力鋼束；在所述管節主體兩端上設有用於錨固所述預應力鋼束的預應力錨具。
進一步地，所述榫凸結構包括多個鍵榫和分別與各所述鍵榫對應設定的多個鍵槽。
進一步地，所述預應力管道包括多段分設在各所述管節節段內的波紋管和連線各波紋管的節段連線管；所述節段連線管對應設定在相鄰兩所述管節節段的拼接處。
進一步地，所述節段連線管包括與兩端的所述波紋管對接的連線外管和設定在該連線外管內的連線內管。
進一步地，所述連線外管與所述連線內管之間通過止水密封件密封連線。
進一步地，所述連線外管表面光滑，且其與混凝土呈部分無粘結或弱粘結狀態。
進一步地，所述連線外管中部設有用於安裝所述連線內管的內安裝管腔，該內安裝管腔的內徑大於所述波紋管的內管徑。
有益效果
1、《沉管隧道用半剛性管節》採用預應力鋼束的設計，可以將多個管節節段串聯起來，使各管節節段串聯拼接成一個整體；這就使得各管節節段之間允許一定張開變形，使管節主體在不失整體剛度的前提下具有一定的柔度，降低了管節主體的內力，有效改善了各管節節段的受力及變形增大量；保證在最不利情況時，各管節節段之間具有合適的壓力；同時，利用管節節段之間的摩擦力及榫凸結構所提供的抗剪力，可有效提高管節節段的抗剪承載能力，用以確保管節的整體穩固度；使具有預應力鋼束和榫凸結構的管節真正具有半剛性的特性，從而使管節具有更好的適應海底或河底地基的變形能力。
2、《沉管隧道用半剛性管節》通過設定在各管節節段之間的所述榫凸結構配合各管節節段拼接面之間因縱向壓力而產生的摩擦力可有效提高管節節段的抗剪能力；用以防止管節節段徑向錯位，從而整體提高各管節節段的連線穩固度，使拼接後的管節主體整體更加穩定可靠。
3、《沉管隧道用半剛性管節》可通過部分無粘結或弱粘結的所述連線外管配合所述連線內管用以保證管節節段之間的拼接面具有有限張開的柔性特性，又同時通過波紋管有效約束管節節段間的張開量，防止過度張開；通過管節節段之間的張開或轉動變形，實現管節的結構內力合理重分布。
4、《沉管隧道用半剛性管節》採用止水密封件的設計，可有效防止因管節節段之間張開後，沿拼接面縫隙滲入的水進入管節主體內；充分保證了管節內部的乾燥度要求；從而進一步提高管節的止水保障能力。
附圖說明
圖1是《沉管隧道用半剛性管節》沉管隧道用半剛性管節的結構示意圖（主視圖）；
圖2是《沉管隧道用半剛性管節》中所述管節節段的結構示意圖（立體圖）；
圖3是《沉管隧道用半剛性管節》中位於相鄰兩所述管節節段之間的所述預應力管道的結構示意圖（局部剖視圖）；
圖4是《沉管隧道用半剛性管節》中位於所述管節主體兩端的所述預應力管道的結構示意圖（局部剖視圖）。
技術領域
《沉管隧道用半剛性管節》涉及一種沉管隧道用管節技術領域，尤其涉及一種沉管隧道用半剛性管節。
權利要求
1.一種沉管隧道用半剛性管節，其特徵在於：包括一個管節主體，該管節主體由多個首尾相接的管節節段拼接而成，各所述管節節段之間均設有榫凸結構；在所述管節主體內沿其周向布設有多條預應力管道；所述預應力管道沿所述管節主體的縱向貫通；所述預應力管道內對應貫穿有用於對各所述管節節段進行預應力度調節的預應力鋼束；在所述管節主體兩端上設有用於錨固所述預應力鋼束的預應力錨具；所述榫凸結構包括多個鍵榫和分別與各所述鍵榫對應設定的多個鍵槽；所述預應力管道包括多段分設在各所述管節節段內的波紋管和連線各波紋管的節段連線管；所述節段連線管對應設定在相鄰兩所述管節節段的拼接處。2.根據權利要求1所述沉管隧道用半剛性管節，其特徵在於：所述節段連線管包括與兩端的所述波紋管對接的連線外管和設定在該連線外管內的連線內管。3.根據權利要求2所述沉管隧道用半剛性管節，其特徵在於：所述連線外管與所述連線內管之間通過止水密封件密封連線。4.根據權利要求3所述沉管隧道用半剛性管節，其特徵在於：所述連線外管表面光滑，且其與混凝土呈部分無粘結或弱粘結狀態。5.根據權利要求4所述沉管隧道用半剛性管節，其特徵在於：所述連線外管中部設有用於安裝所述連線內管的內安裝管腔，該內安裝管腔的內徑大於所述波紋管的內管徑。
實施方式
參見圖1、圖2、圖3、圖4所示，《沉管隧道用半剛性管節》的一種沉管隧道用半剛性管節，其特徵在於：包括一個管節主體1，該管節主體由多個首尾相接的管節節段2拼接而成，各所述管節節段之間均設有榫凸結構3；在所述管節主體內沿其周向均勻布設有多條預應力管道4；所述預應力管道沿所述管節主體的縱向貫通；所述預應力管道內對應貫穿有用於對各所述管節節段進行預應力度調節的預應力鋼束（圖中未顯示）；在所述管節主體兩端設有用於與相鄰管節對接的管節接頭5；在所述管節主體兩端上還設有用於錨固所述預應力鋼束的預應力錨具6，其中，在每一個預應力鋼束兩端貫穿出所述管節主體外的部分，均通過一個預應力錨具將其與管節主體對應錨固。其中，各所述預應力管道沿管節主體的縱向均布於所述管節主體的混凝土牆內，特別是位於所述管節主體上端的頂牆內和位於所述管節主體底端的底牆內。該實施例中所述預應力錨具是該領域中用於錨固鋼束的常用手段，關於其具體的結構此處不再過多贅述。
在管節組裝時，通過管節主體兩端的預應力張拉裝置（屬截至2013年10月17日技術，圖中未顯示）對應拉伸各預應力鋼束，並向位於所述管節主體兩端的管節節段提供兩個相向的縱向推力，使各所述管節節段向中心併攏，並最終拼接成一個整體，在張拉過程中根據實際施工環境，通過預應力鋼束張拉力和節段連線管長度的調整，實現管節節段間的最大允許張開量的調節；在組裝拼接完成後；再用所述預應力錨具將兩端伸出預應力鋼束卡死固定，並向所述預應力管道內注漿固定，形成完整的沉管隧道用半剛性管節。《沉管隧道用半剛性管節》採用預應力鋼束的設計，可以將多個管節節段串聯起來，使各管節節段串聯拼接成一個整體；保證在最不利情況時，各所述管節節段之間具有合適的壓力；同時，利用所述管節節段之間的摩擦力及所述榫凸結構所提供的抗剪力，可有效提高管節節段的抗剪承載能力，用以確保管節的整體穩固度。《沉管隧道用半剛性管節》採用節段連線管實現預應力鋼束與管節節段部分無粘結或弱粘結效果，這就使得各管節節段之間允許一定張開變形，使管節主體在不失整體剛度的前提下具有一定的柔度，降低了管節主體的內力，有效改善了各管節節段的受力及變形增大量；使具有預應力鋼束和榫凸結構的管節真正具有半剛性的特性，從而使管節具有更好的適應海底或河底地基的變形能力。另外，採用半剛性連線的管節節段可有限張開釋放內力，其比世界範圍內現有（2013年10月17日）的節段式柔性管節具有更高的受力及防水安全度，比整體式剛性管節具有更好的經濟性及受力合理性。
參見圖1、圖2所示，該實施例中所述榫凸結構包括多個鍵榫7和分別與各所述鍵榫對應設定的多個鍵槽8。其中，若所述鍵榫設定在其中一個所述管節節段一側的拼接面上，則在與該管節節段相對應的另一個管節節段的拼接面上設定與所述鍵榫對應的所述鍵槽，所述鍵榫容置在該鍵槽內；《沉管隧道用半剛性管節》通過設定在各管節節段之間的所述榫凸結構配合各管節節段拼接面之間因縱向壓力而產生的摩擦力可有效提高管節節段之間的抗剪能力；用以防止管節節段徑向錯位，從而整體提高各管節節段的連線穩固度，使拼接後的管節主體整體更加穩定可靠。其中所述管節節段之間主要以摩擦力提供的抗剪能力為主，以鍵榫提供的抗剪能力為輔。
參見圖3所示，該實施例中所述預應力管道包括多段分設在各所述管節節段內的波紋管9和連線各波紋管的節段連線管；所述節段連線管對應設定在相鄰兩所述管節節段的拼接處。該實施例中所述節段連線管包括與兩端的所述波紋管對接的連線外管10和設定在該連線外管內的連線內管11。該實施例中所述節段連線管呈兩段式設定，具體地說，其中一段連線在相鄰兩管節節段中的一個管節節段中的所述波紋管一端，另一段連線在相鄰兩管節節段中的另一個所述管節節段中的所述波紋管一端；兩段節段連線管對應拼接成一個完整的節段連線管；也就是說，相鄰兩所述管節節段拼接面拼接後的拼縫位於所述節段連線管中間，並將節段連線管一分為二。
參見圖3所示，其中，所述預應力鋼束貫穿各波紋管和各連線內管；所述連線外管和所述連線內管的外壁均呈光滑設定；由於所述預應力管道整體澆築在所述管節主體的混凝土牆內，因此，澆築後所述波紋管通過其外壁的螺紋與所述管節節段的混凝土呈粘結設定；而表面光滑的所述連線外管與所述管節節段的混凝土呈部分無粘結或弱粘結狀態；以此實現半剛性管節只在管節節段接縫兩側有一定長度的與管節混凝土牆呈無粘結或弱粘結的連線外管；而在預應力管道的其他區域為有粘結的波紋管。採用這樣的設計，可通過部分無粘結或弱粘結的所述連線外管配合所述連線內管用以保證管節節段之間的拼接面具有有限張開的柔性特性，又同時通過波紋管有效約束管節節段間的張開量，防止過度張開；通過管節節段之間的張開或轉動變形，實現管節的結構內力合理重分布。
參見圖3所示，該實施例中所述連線外管與所述連線內管之間通過止水密封件12密封連線。由於沉管隧道用的管節，多被用於河底或海底隧道鋪設之用，因此，《沉管隧道用半剛性管節》的半剛性管節在通過預應力鋼束和榫凸結構滿足管節鋪設姿態微調整的需求同時，可能也會出現微調後水會沿各管節節段之間滲入節段連線管的問題；因此，採用止水密封件的設計，可有效防止因管節節段之間張開後，沿拼接面縫隙滲入的水進入預應力管道內；充分保證了預應力管道內部的乾燥度要求；從而進一步提高預應力鋼束的耐久性。
參見圖3所示，該實施例中所述連線外管中部設有用於安裝所述連線內管的內安裝管腔13，該內安裝管腔的內徑大於所述波紋管的內管徑。所述連線內管被所述內安裝管腔整體限制在其內；採用這樣的設計，主要是為了在裝配管節時，便於連線內管的裝配和便於連線內管在連線外管中的定位。
《沉管隧道用半剛性管節》沉管隧道用半剛性管節的設計施工步驟如下：
1、綜合工程建設條件，確定臨時施工階段（包括系泊、浮運、沉放等階段）和運營階段控制半剛性管節的各項驗算指標，比如各管節節段之間允許的最大張開量、管節接頭允許的最大張開量、管節節段裂縫寬度及承載能力允許值等；
2、設計階段：根據臨時施工階段和運營階段的最不利工況條件，計算半剛性管節所需的預應力鋼束的數量；其中臨時施工階段需保證管節主體始終具有一定的壓應力，運營階段需保證管節主體、管節節段、管節接頭等構件滿足半剛性管節的受力特徵。
3、預製階段：單個管節分成若干個管節節段，採用工廠法或乾塢法對單個管節節段進行逐個預製。其預製過程主要包含以下工序：綁紮鋼筋、定位安裝波紋管、節段連線管、預應力錨具等構件，澆注榫凸結構及結構混凝土牆。所有管節節段預製完成且強度達標後，通過預應力管道穿入預應力鋼束，實現預應力鋼束貫通整個管節主體。通過預應力張拉裝置張拉預應力鋼束，將多個管節節段串連在一起，並成為一個整體的管節。預應力鋼束張拉並被錨固在預應力錨具上後，將所有的預應力管道進行注漿。
4、臨時施工階段：系泊、浮運、沉放等臨時施工階段，各管節節段均不允許張開且具有一定的壓應力儲備。
5、運營階段：通過設定的預應力鋼束增加了管節的縱向力，保證最不利情況相鄰兩管節節段拼接處有合適的壓力，利用管節節段間的摩擦力及管節節段的榫凸結構提供抗剪力；同時，兩管節節段銜接處所呈現的局部無粘結狀態，可允許拼接處有限張開或轉動，實現管節整體的內力釋放自調節。
榮譽表彰
2018年12月20日，《沉管隧道用半剛性管節》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
