本發(fā)明屬于隧道工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種在盾構(gòu)隧道直線段管片結(jié)構(gòu)剛度齒輪傳動(dòng)加強(qiáng)方法。

背景技術(shù)：

盾構(gòu)隧道襯砌一般是在盾尾通過(guò)預(yù)制管片拼裝而成的，管片間接縫分為縱向接縫和環(huán)向接縫，拼縫處是襯砌結(jié)構(gòu)受力的薄弱環(huán)節(jié)。盾構(gòu)隧道相鄰管片結(jié)構(gòu)整體性主要依靠環(huán)間螺栓來(lái)維持，在施工工程中由于各種原因會(huì)出現(xiàn)縱向變形，其中包括臺(tái)車振動(dòng)荷載、滲漏、不同地質(zhì)、不同埋深、不同施工因素、約束差異、不同地面荷載以及不同周邊環(huán)境變化等各種因素。隧道的抗縱向變形能力很脆弱，在隧道縱向變形或曲率半徑達(dá)到一定的量值后，管片變形會(huì)侵占盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)建筑界限，嚴(yán)重情況下，就可能出現(xiàn)管片環(huán)縫張開(kāi)量過(guò)大而漏水或管片縱向受拉破壞，影響盾構(gòu)隧道的安全性和使用性。

特別是在施工期，由于地層擾動(dòng)初期盾構(gòu)隧道不均勻沉降較為嚴(yán)重，隧道相鄰管片間出現(xiàn)的張開(kāi)變形及錯(cuò)位變形等工程問(wèn)題可能會(huì)更加明顯。目前盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)接縫處剛度主要依靠環(huán)間螺栓來(lái)維持。國(guó)內(nèi)外對(duì)于襯砌管片接縫處剛度的研究主要集中在在不同荷載作用、不同的螺栓預(yù)緊力、不同的螺栓根數(shù)、不同墊層厚度、不同接頭形式等方面，而對(duì)于管片拼裝完成后再以主動(dòng)增加相鄰管片間內(nèi)力的方式增強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)剛度、到施工后期可將內(nèi)力卸載的研究較少，所以亟待研制一種襯砌結(jié)構(gòu)剛度主動(dòng)加強(qiáng)裝置，得以強(qiáng)化襯砌結(jié)構(gòu)的剛度及其整體性，保護(hù)隧道結(jié)構(gòu)建筑界限不受侵占。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種盾構(gòu)隧道直線段管片結(jié)構(gòu)剛度齒輪傳動(dòng)式加強(qiáng)方法，以強(qiáng)化襯砌結(jié)構(gòu)的剛度及其整體性。技術(shù)方案如下：

一種盾構(gòu)隧道直線段襯砌結(jié)構(gòu)剛度齒輪傳動(dòng)式加強(qiáng)方法，用于主動(dòng)加強(qiáng)的盾構(gòu)隧道相鄰管片間的剛度，所采用的裝置包括分別與相鄰的管片固定連接的固定端1和加載端4、加固拉桿3和可拆卸加載扳手2，固定端1和加載端4通過(guò)加固拉桿3連接。其中，

固定端包括以圓形剪力鍵相互連接的固定螺桿11和旋轉(zhuǎn)端臺(tái)12，旋轉(zhuǎn)端臺(tái)12能夠繞固定螺桿11軸自由旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)端臺(tái)12設(shè)置有用以穿插加固拉桿3的中間孔，在中間孔處設(shè)有防止加固拉桿旋轉(zhuǎn)的榫槽的防轉(zhuǎn)榫槽，固定螺桿11用于將固定端固定連接到一個(gè)管片上；

所述加固拉桿3包括固定端加固拉桿31、加載端加固拉桿33和拆卸套筒32，拆卸套筒32內(nèi)設(shè)有分別與固定端加固拉桿31和加載端加固拉桿33的外螺紋相匹配的兩段螺紋；

固定端加固拉桿31的端部設(shè)有加固拉桿菱形頭311和與固定端的防轉(zhuǎn)榫槽相匹配的防轉(zhuǎn)榫頭312；

加載端加固拉桿33的一端設(shè)置有與拆卸套筒32的內(nèi)螺紋相匹配的外螺紋，另一端的底部為平面，上部設(shè)置有加載齒條334，兩側(cè)設(shè)置有倒刺齒條333；

所述加載端4包括以圓形剪力鍵相互連接的固定螺桿和加載力矩轉(zhuǎn)變箱41，固定螺桿用于將加載端4固定連接到相鄰的另一個(gè)管片上；

在加載力矩轉(zhuǎn)變箱41內(nèi)設(shè)置有加載軸411、變矩軸412、變向軸413、兩個(gè)棘齒414和拉力彈簧416，加載軸411包括2個(gè)相同的同軸齒輪，變矩軸412包括三個(gè)同軸齒輪，兩邊的大齒輪參數(shù)相同并與加載軸411上兩個(gè)齒輪咬合，中間小齒輪的設(shè)置用于放大力矩，變向軸413包括一個(gè)齒輪，它與變矩軸412的中間小齒輪咬合，變向軸413齒輪較厚，直接與加載齒條334咬合，加載力矩轉(zhuǎn)變箱41內(nèi)還設(shè)有兩個(gè)棘齒414和兩個(gè)拉力彈簧416；

傳動(dòng)部分為加載齒條-齒輪傳動(dòng)，可拆卸加載扳手2通過(guò)加載軸411施加加載力，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)加載齒條334移動(dòng)從而形成拉力。

應(yīng)用上述裝置進(jìn)行盾構(gòu)隧道直線段襯砌結(jié)構(gòu)剛度齒輪傳動(dòng)式加強(qiáng)時(shí)，首先，待盾尾管片拼裝完成后，將固定端的固定螺桿旋入管片吊裝孔；同樣的操作，將加載端的固定螺桿旋入相鄰管片吊裝孔；安裝固定端加固拉桿后，安裝加載端加固拉桿，將固定端和加載端通過(guò)拆卸套筒固定連接；再使用可拆卸加載扳手施加加載力。

優(yōu)選地，兩個(gè)棘齒414布置在加載力矩轉(zhuǎn)變箱41的兩側(cè)，棘齒414通過(guò)棘齒軸固定在加載力矩轉(zhuǎn)變箱41上，當(dāng)進(jìn)行加載時(shí)，倒刺齒條333從矩轉(zhuǎn)變箱41中穿過(guò)，此時(shí)棘齒414在倒刺齒條333齒背上滑動(dòng)，當(dāng)加載完成后，棘齒414受拉力彈簧416拉動(dòng)，卡在倒刺齒條333的齒槽中阻止倒刺齒條333的回縮；

在加載力矩轉(zhuǎn)變箱41內(nèi)固定有滾輪415，滾輪415用于支撐加載端加固拉桿33。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.本裝置可主動(dòng)增加盾構(gòu)隧道直線段管片間內(nèi)力加固，有效減少由于惡劣地質(zhì)條件引起的管片間的錯(cuò)動(dòng)，為盾構(gòu)隧道在惡劣類型地區(qū)施工增強(qiáng)管片結(jié)構(gòu)的整體性提供了方法措施；

2.本裝置中，加載裝置通過(guò)變矩箱中齒輪等機(jī)械裝置，零件數(shù)目少，結(jié)構(gòu)緊湊，能夠較為容易地達(dá)到足夠大的加載拉力，為盾構(gòu)隧道施工過(guò)程以及后期使用增加了安全保障；

3.由圖13的兩圖可以看出，(1)盾構(gòu)隧道襯砌接頭在相同彎矩的作用下，隨著加載前螺栓的預(yù)緊力不同，接縫的相對(duì)轉(zhuǎn)角數(shù)值也產(chǎn)生了較大變化，螺栓的預(yù)緊力越大接縫的相對(duì)轉(zhuǎn)角就越小。也就是說(shuō)預(yù)緊力越大，接頭剛度越大，預(yù)緊力小，接頭剛度小。(2)由于連接相鄰預(yù)制管片的螺栓根數(shù)越少,相鄰管片的約束就越小。所以，本裝置既相當(dāng)于增加了螺栓預(yù)緊力，又相當(dāng)于增加了螺栓根數(shù)，所以能夠明顯增加接頭剛度；

4.本裝置變矩箱通過(guò)布置棘齒，使加載箱在加載過(guò)程中具有自鎖性，可防止加固拉桿拉力回彈，在施工方面，安裝便捷，操作簡(jiǎn)單，拆卸方便；

5.卸載初期可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)卸載，避免了因突然卸載而對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)造成的破壞；

6.由于國(guó)內(nèi)外對(duì)于相鄰管片間內(nèi)力主動(dòng)加載問(wèn)題的研究較少，本發(fā)明可為以后該領(lǐng)域的研究提供參考。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的整體示意圖

圖2是固定端主視圖

圖3是加固拉桿圖

圖4是固定端加固拉桿圖

圖5是拆卸套筒剖面圖

圖6是加載端加固拉桿剖面圖

圖7～8是加載-防縮條構(gòu)造圖

圖9是加載端主視圖

圖10是加載端側(cè)視圖

圖11是變矩箱齒輪配合圖

圖12是柱塞棘齒系統(tǒng)示意圖

圖13(a)轉(zhuǎn)角隨螺栓預(yù)緊力變化圖，(b)轉(zhuǎn)角隨螺栓根數(shù)變化圖

在圖1～12中包括有：

1-固定端

11-固定螺桿、12-旋轉(zhuǎn)端臺(tái)

2-可拆卸加載扳手

3-加固拉桿

31-固定端加固拉桿、32-拆卸套筒、33-加載端加固拉桿、311-加固拉桿菱形頭、312-防轉(zhuǎn)榫頭、313-光滑圓桿、314-固定端絲杠、331-加載端絲杠、332-光滑圓桿、333-倒刺齒條、334-加載齒條

4-加載端

41-加載力矩轉(zhuǎn)變箱、411-加載軸、412-變矩軸、413-變向軸、414-棘齒、415-滾輪、416-拉力彈簧

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

現(xiàn)結(jié)合上述各附圖，提出盾構(gòu)隧道直線段襯砌結(jié)構(gòu)剛度齒輪傳動(dòng)式加強(qiáng)裝置的實(shí)施案例。

如圖1所示，本發(fā)明盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力主動(dòng)加載裝置，包括固定端1、可拆卸加載扳手2、加固拉桿3、加載端4。

如圖2所示，所述固定端1包括固定螺桿11、旋轉(zhuǎn)端臺(tái)12兩部分。固定螺桿11長(zhǎng)度為300mm；旋轉(zhuǎn)端臺(tái)12深入到固定螺桿11部分的長(zhǎng)度為50mm，固定螺桿11主要作用是通過(guò)管片上了吊裝孔將本裝置固定在管片上。旋轉(zhuǎn)端臺(tái)12部分尺寸為80mm×80mm×80mm，中間孔直徑為60mm。為了能讓加固拉桿3順利的穿過(guò)旋轉(zhuǎn)端臺(tái)12和加載力矩轉(zhuǎn)變箱41，旋轉(zhuǎn)端臺(tái)12和固定螺桿11之間靠“剪力鍵”式接頭連接，旋轉(zhuǎn)端臺(tái)12可以繞固定螺桿11中心軸自由旋轉(zhuǎn)。為防止后面加固拉桿3穿入旋轉(zhuǎn)端臺(tái)12后加固拉桿3在旋轉(zhuǎn)端臺(tái)12內(nèi)旋轉(zhuǎn)，所以在旋轉(zhuǎn)端臺(tái)12穿孔兩邊設(shè)置了防轉(zhuǎn)榫槽；可拆卸加載扳手2手柄長(zhǎng)度為300mm，主要在加載時(shí)使用。

如圖3所示，加固拉桿3長(zhǎng)度為1660mm，圓桿直徑為55mm，包括固定端加固拉桿31、加載端加固拉桿33和拆卸套筒32部分。如圖4所示，固定端加固拉桿31，長(zhǎng)度為800mm，設(shè)有加固拉桿菱形頭311、防轉(zhuǎn)榫頭312、光滑圓桿313、固定端絲杠314四部分；如圖5所示，拆卸套筒32，長(zhǎng)度為350mm，設(shè)有兩段螺紋，且兩段螺紋旋轉(zhuǎn)方向不同；如圖6、7、8所示，加載端加固拉桿33包括加載端絲杠331、光滑圓桿332、倒刺齒條333和加載齒條334四部分，其總長(zhǎng)度為860mm。

固定端加固拉桿31設(shè)有防轉(zhuǎn)榫頭，與固定端1一起組成了榫式結(jié)構(gòu)。為了更便捷高效的卸載本裝置，設(shè)置了拆卸套筒32，拆卸套筒32內(nèi)設(shè)有兩段螺紋，一段為順時(shí)針螺紋，一段為逆時(shí)針螺紋，分別與固定端加固拉桿31和加載端加固拉桿33以螺栓形式相連接，用右手抓住拆卸套筒32，大拇指指向加載端右手準(zhǔn)則，套筒朝其他四指方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，固定端加固拉桿31與加載端加固拉桿33相互分離，多次小角度旋轉(zhuǎn)拆卸套筒32實(shí)現(xiàn)加載拉力的緩慢卸載，保護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)整體不因突然卸載而損壞。加載端加固拉桿33其傳動(dòng)部分主要是加載齒條-齒輪傳動(dòng)，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)加載齒條334移動(dòng)從而形成了拉力，為防止加固拉桿3加載拉力后回縮，設(shè)置了倒刺齒條333，倒刺齒條333共設(shè)有兩片，布置在加固拉桿3的兩側(cè)，倒刺齒條333齒牙與棘齒414咬合，形成了“柱塞棘齒系統(tǒng)”，防止了加固拉桿3的回縮。如圖12所示，棘齒414靠棘齒軸固定在加載力矩轉(zhuǎn)變箱41上，當(dāng)進(jìn)行加載時(shí)，倒刺齒條333從矩轉(zhuǎn)變箱41中穿過(guò)，此時(shí)棘齒414在倒刺齒條333齒背上滑動(dòng)，當(dāng)加載完成后，棘齒414受拉力彈簧416拉動(dòng)，卡在倒刺齒條333的齒槽中阻止倒刺齒條333的回縮。

如圖9、10、11所示，加載端包括加載力矩轉(zhuǎn)變箱41、加載軸411、變矩軸412、變向軸413、棘齒414、滾輪415、拉力彈簧416組成。

所述加載力矩轉(zhuǎn)變箱41尺寸為50mm×100mm×80mm。所述加載軸411中兩個(gè)齒輪相同，其參數(shù)為，齒數(shù)為18、壓力角為20、螺旋角為0、模數(shù)為1mm、齒寬為10mm、齒頂高系數(shù)為1、頂隙系數(shù)為0.25、齒根圓角為0.38。所述變矩軸412，由軸、2個(gè)相同大齒輪和小齒輪組成。軸長(zhǎng)為45mm，直徑為6mm；大齒輪參數(shù)：齒數(shù)為32、壓力角為20、螺旋角為0、模數(shù)為1mm、齒寬為10mm、齒頂高系數(shù)為1、頂隙系數(shù)為0.25、齒根圓角為0.38；小齒輪參數(shù)：齒數(shù)為14、壓力角為20、螺旋角為0、模數(shù)為1mm、齒寬為20mm、齒頂高系數(shù)為1、頂隙系數(shù)為0.25、齒根圓角為0.38。所述變向軸413上齒輪參數(shù)為，齒數(shù)為30、壓力角為20、螺旋角為0、模數(shù)為1mm、齒寬為20mm、齒頂高系數(shù)為1、頂隙系數(shù)為0.25、齒根圓角為0.38。所述棘齒414尺寸寬度為10mm，滾輪415外徑為8mm，內(nèi)徑為4mm。

固定螺桿11主要作用與上述固定螺桿相同，通過(guò)管片上的吊裝孔將本裝置固定在管片上。為了能讓加固拉桿3順利的穿過(guò)加載力矩轉(zhuǎn)變箱41，加載力矩轉(zhuǎn)變箱41和固定螺桿11之間也靠“剪力鍵”式接頭連接，加載力矩轉(zhuǎn)變箱41可以繞固定螺桿11中心軸自由旋轉(zhuǎn)。加載力矩轉(zhuǎn)變箱41內(nèi)，傳動(dòng)軸有加載軸411、變矩軸412和變向軸413。加載軸411上有2個(gè)相同的同軸齒輪，設(shè)置兩個(gè)齒輪是為了加強(qiáng)傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和耐久性。變矩軸412上有三個(gè)同軸齒輪，兩邊大齒輪參數(shù)相同并與加載軸411上兩個(gè)齒輪咬合，中間小齒輪的設(shè)置實(shí)現(xiàn)了力矩放大的作用。變向軸413上只有一個(gè)齒輪，它與變矩軸412中間齒輪咬合，變向軸413齒輪設(shè)置較厚，是因?yàn)樗苯优c加載齒條334咬合，受力較大。同時(shí)加載力矩轉(zhuǎn)變箱41內(nèi)還設(shè)有2個(gè)棘齒414和兩個(gè)拉力彈簧416，兩個(gè)棘齒415布置在加載力矩轉(zhuǎn)變箱41的兩側(cè)，加載時(shí)靠拉力彈簧416將棘齒414拉回原位，卡住“倒刺齒”，防止加固拉桿3的回縮，同時(shí)在卸載后期，可以用手扳動(dòng)棘齒414，將加固拉桿3從加載力矩變矩箱41內(nèi)抽出。為了減小加固拉桿3和加載端4在加載時(shí)的摩擦力，特別設(shè)置了2個(gè)滾輪415，它們與加固拉桿上加載齒條334對(duì)面的平面相接處，以滾動(dòng)摩擦的方式替代了滑動(dòng)摩擦，大大減小了摩擦阻力，增大了力矩的傳動(dòng)效率。

應(yīng)用本實(shí)施例的盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力主動(dòng)加固裝置時(shí)，首先，待盾尾管片拼裝完成后，用可拆卸加載扳手2卡住固定螺桿11六角螺帽處，并將其旋入管片吊裝孔。同樣的操作，將加載端4的固定螺桿11旋入相鄰管片吊裝孔。安裝固定端加固拉桿31后，安裝加載端加固拉桿33，將固定端絲杠314和加載端絲杠331同時(shí)對(duì)準(zhǔn)套筒，旋轉(zhuǎn)套筒，這時(shí)兩段絲杠相互接近，旋轉(zhuǎn)大概18圈后停止旋轉(zhuǎn)。使用可拆卸加載扳手2對(duì)本裝置加載。待盾土層擾動(dòng)較為穩(wěn)定后，先用扳手旋轉(zhuǎn)拆卸套筒32對(duì)本裝置進(jìn)行卸載，然后扳動(dòng)棘齒414將加載端加固拉桿33從加載力矩轉(zhuǎn)變箱41內(nèi)抽出，拆卸加載力矩轉(zhuǎn)變箱41，最后將本裝置完全拆除。