本发明属于盾构隧道衬砌结构相关技术领域，更具体地，涉及一种具有组合式榫卯与母头锁止接头连接组件的管片结构。
背景技术：
近年来，随着城市交通拥堵问题的日益严重，越来越多的城市开始进行地铁项目的建设。盾构机因其对环境影响较小，适用于大埋深、高土压、高水压施工，且具有成本低、适用范围广等优点，在城市地铁项目建设中占据了统治地位，且已成为一种不可缺少的隧道通用施工技术。
盾构法隧道施工是地铁隧道与综合管廊建设的主要施工技术之一，管片拼装是盾构法施工的一个重要工序。近年来，盾构隧道施工越来越追求高效、高质量、安全快速施工。传统盾构管片环内连接大多采用弧形螺栓连接，弧形螺栓容易变形，施工时弧形螺栓穿孔时常会比较困难，同时需要专人进行螺栓的锁紧和复紧作业，消耗大量的时间和人力，另外传统螺栓连接方式防渗水性能、耐久性能不高，在盾构隧道后期运维过程中往往容易发生管片渗水、管片裂缝、道床离缝等质量问题。相应地，本领域存在着发展一种性能较好的具有组合式榫卯与母头锁止接头连接组件的管片结构的技术需求。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有组合式榫卯与母头锁止接头连接组件的管片结构，其基于现有盾构管片的连接特点，研究及设计了一种具有组合式榫卯与母头锁止接头连接组件的管片结构。所述管片结构包括榫卯接头连接件及母头锁止推压接头连接件；所述榫卯接头连接件连接相对的两个矩形端，以实现相邻两个盾构管片的周向连接；所述母头锁止推压接头连接件连接相对的两个弧形端，以实现相邻两个盾构管片的轴向连接，简化了管片拼装工序，缩短了作业时间，提高了管片结构的性能。
为实现上述目的，本发明提供了一种具有组合式榫卯与母头锁止接头连接组件的管片结构，所述管片结构包括多个盾构管片及多个组合式榫卯与母头锁止接头连接组件，所述管片结构呈筒状，所述盾构管片呈弧形，其包括相连接的两个矩形端及两个弧形端，两个所述矩形端沿所述管片结构的周向相对设置，两个所述弧形端沿所述管片结构的轴向相对设置；相对的两个所述弧形端分别形成有凹槽及凸起，所述凸起收容于所述凹槽内；
所述组合式榫卯与母头锁止接头连接组件包括榫卯接头连接件及母头锁止推压接头连接件；所述榫卯接头连接件连接相对的两个矩形端，以实现相邻两个盾构管片的周向连接；所述母头锁止推压接头连接件连接相对的两个弧形端，以实现相邻两个盾构管片的轴向连接；
所述母头锁止推压接头连接件包括分别连接于相对的两个弧形端的公插接头及母插接头，所述公插接头包括连接于弧形端的销钉，所述销钉朝向所述母插接头的一端设置有锥形体，所述锥形体大端的直径大于所述销钉的直径，且其直径沿远离所述销钉的方向逐渐减小；所述母插接头包括连接于弧形端的钢管及止动阀，所述钢管形成有收容孔，所述止动阀设置在所述收容孔朝向所述公插接头的一端，其呈漏斗状；所述止动阀通过弹性变形或者恢复弹性变形以使所述锥形体穿过所述止动阀或者使所述锥形体与所述止动阀相抵靠而相互锁死。
进一步地，所述止动阀是采用弹性材料制成的，所述止动阀包括三个止动片，三个所述止动片倾斜设置。
进一步地，所述母插接头还包括喇叭状尾部、橡胶套及橡胶塞，所述钢管的一端连接于所述喇叭状尾部，另一端上设置有所述橡胶套；所述收容孔的孔壁上开设有应力孔；所述橡胶塞设置在所述收容孔内，其与所述应力孔相对。
进一步地，所述公插接头包括锚筋、插销螺栓及销钉，所述锚筋朝向所述母插接头的一端开设有螺栓孔，所述插销螺栓的一端螺纹连接于所述螺栓孔，另一端连接于所述销钉。
进一步地，所述锚筋设置在盾构管片中，其为y型长螺纹锚筋；所述插销螺栓及所述销钉均是由高强度不锈钢制成的。
进一步地，所述榫卯接头连接件包括公卡接头及母卡接头，所述公卡接头及所述母卡接头分别设置在相对的两个所述矩形端内；所述公卡接头通过滑动卡入所述母卡接头，使得所述公卡接头与所述母卡接头之间形成榫卯连接，实现了相邻的两个盾构管片的周向连接。
进一步地，所述公卡接头及所述母卡接头均倾斜设置；所述公卡接头包括第一标准块及第一锚杆，所述第一锚杆连接于所述第一标准块的一端，所述第一标准块的另一端卡入所述母卡接头；所述第一标准块呈i型。
进一步地，所述母卡接头包括第二标准块及第二锚杆，所述第二锚杆连接于所述第二标准块的一端；所述第二锚杆设置在盾构管片中，所述第二标准块呈i型，其数量为至少两个；至少两个所述第二标准块的一端相连接，另一端间隔设置以形成至少一个收容槽，所述收容槽由相连通的圆形槽及开口组成，所述开口贯穿所述圆形槽的槽壁；所述第一标准块的一端卡接在所述收容槽内。
进一步地，所述第一标准快、所述第二标准块、所述第一锚杆及所述第二锚杆均是采用钢制作而成的；所述第一标准块的结构与所述第二标准块的结构相同。
进一步地，所述母卡接头所在矩形端开设有卡槽，所述母卡接头的第二标准块部分地收容于所述卡槽内，且位于所述卡槽的一侧；所述卡槽沿所述管片结构轴向的长度大于等于所述第一标准块的长度与所述第二标准块的长度之和。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的具有组合式榫卯与母头锁止接头连接组件的管片结构主要具有以下有益效果：
1.所述止动阀通过弹性变形或者恢复弹性变形以使所述锥形体穿过所述止动阀或者使所述锥形体与所述止动阀相抵靠而相互锁死，且盾构管片的轴向连接和周向连接可以同时进行，减少了大部分高空作业及狭小空间作业，从而提高了拼装作业的安全性，实现了拼装作业的简洁化和高速化，拼装时间大幅缩短，提高了拼装质量，继而提高了管片结构的性能。
2.所述管片结构主要材料使用钢型制品，所以它的脆性断裂可能性非常低，高轴向剪切性能强，韧性也非常好，且相比传统的螺栓连接的快速接头，密封性更好，能减少盾构隧道因结构病害产生的渗水量。
3.通过调整公卡接头与母卡接头的标准块叠加数量，从而调控新型盾构管片连接结构的强度大小，即可方便地适应于不同直径大小的管片的强度需求，适用性较强。
4.所述销钉朝向所述母插接头的一端设置有锥形体，所述锥形体大端的直径大于所述销钉的直径，且其直径沿远离所述销钉的方向逐渐减小，如此能保证公插接头插入母型接头时稍微偏位也能被自动调准，提高了管片拼装的质量。
5.所述公卡接头及所述母卡接头均倾斜设置，确保盾构管片之间形成楔形效果，加强了盾构管片之间的连接强度。
6.相对的两个所述弧形端分别形成有凹槽及凸起，所述凸起收容于所述凹槽内，采用上述方式来承担盾构管片环间的剪切荷载，提高了连接强度。
附图说明
图1是本发明较佳实施方式提供的具有组合式榫卯与母头锁止接头连接组件的管片结构的连接示意图；
图2是图1中的具有组合式榫卯与母头锁止接头连接组件的榫卯接头连接件的装配的过程图；
图3是图2中的榫卯接头连接件的连接示意图；
图4是图2中的榫卯接头连接件的公卡接头的立体示意图；
图5是图2中的榫卯接头连接件的母卡接头的立体示意图；
图6是图2中的榫卯接头连接件的立体示意图；
图7是图2中的榫卯接头连接件的标准块的示意图；
图8是图1中的具有组合式榫卯与母头锁止接头连接组件的管片结构的母头锁止推压接头连接件的装配示意图；
图9是图8中的母头锁止推压接头连接件的母插接头的立体示意图；
图10是图9中的母插接头的剖视图；
图11是图8中的母头锁止推压接头连接件的公插接头的局部剖视图；
图12是图8中的母头锁止推压接头连接件的公插接头的局部示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-弧形端，2-矩形端，3-公卡接头，3-1-第一标准块，3-2-第一锚杆，4-母卡接头，4-1-第二标准块，4-2-第二锚杆，4-3-卡槽，5-公插接头，5-1-锚筋，5-2-螺栓孔，5-3-插销螺栓，5-4-销钉，6-母插接头，6-1-钢管，6-2-止动阀，6-3-应力孔，6-4-喇叭状尾部，6-5-橡胶套，6-6-橡胶塞。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1，本发明较佳实施方式提供的具有组合式榫卯与母头锁止接头连接组件的管片结构，所述管片结构的接头重量轻，成本低，不仅具有优秀的防渗水性能、耐久性能，而且具有强度可控性、拼装作业高速性。另外，可通过调整公卡接头与母卡接头的标准块数量及加厚层数以满足于不同直径大小的管片强度要求，同时公插接头插入母插接头时稍微偏位也能被自动插准，具有调芯的功能，提高了管片拼装的质量。
所述管片结构包括多个盾构管片及多个组合式榫卯与母头锁止接头连接组件，多个所述组合式榫卯与母头锁止接头连接组件分别连接多个所述盾构管片以将多个所述盾构管片连接在一起，由此形到管片结构；
所述盾构管片为弧形，其包括两个矩形端2及两个弧形端1，两个所述矩形端2及两个所述弧形端1交错形成首尾连接；所述管片结构呈筒状，两个所述矩形端2沿所述管片结构的周向设置，两个所述弧形端1沿所述管片结构的轴向设置。
相对的两个所述弧形端1的端面上分别设置有多个凹槽及多个凸块，所述凹槽的形状及位置分别与所述凸块的形状及位置相对应，所述凸块收容于所述凹槽内以加强相邻管片之间的连接强度，并承担管片间的剪切荷载。
所述组合式榫卯与母头锁止接头连接组件包括榫卯接头连接件及母头锁止推压接头连接件，所述榫卯接头连接件连接于相对的两个矩形端，以将相邻的两个盾构管片进行周向连接；所述母头锁止推压接头连接件连接相对的两个弧形端，以将相邻的两个盾构管片进行轴向连接；
请参阅图2、图3、图4、图5、图6及图7，所述榫卯接头连接件包括公卡接头3及母卡接头4，所述公卡接头3及所述母卡接头4分别设置在相对的两个所述矩形端2内。所述公卡接头3通过滑动卡入所述母卡接头4，使得所述公开接头3与所述母卡接头4之间形成榫卯连接，实现了相邻的两个盾构管片的周向连接。
所述公卡接头3包括第一标准块3-1及第一锚杆3-2，所述第一锚杆3-2连接于所述第一标准块3-1的一端，所述第一标准块3-1的另一端卡入所述母卡接头4。所述第一锚杆3-2设置在盾构管片中，其与所述第一标准块3-1均是采用钢制作而成的。
本实施方式中，所述第一标准块3-1呈i型，其上形成有焊点a，所述第一标准块3-1通过焊接与其他部件相连接；所述第一锚杆3-2的数量为两个，两个所述第一锚杆3-2间隔设置；所述第一锚杆3-2呈u型。
所述母卡接头4包括第二标准块4-1及第二锚杆4-2，所述第二锚杆4-2连接于所述第二标准块4-1的一端。所述第二锚杆4-2设置在盾构管片中，其数量为两个；当然在其他实施方式中，可以根据实际需要增加或者减少；所述第二标准块4-1的数量也为两个，两个所述第二标准块4-1的一端连接在一起，另一端间隔设置以形成收容槽，所述收容槽用于收容所述第一标准块3-1的一端。所述收容槽由相连通的圆形槽及开口组成，所述开口贯穿所述圆形槽的槽壁；所述开口的两侧壁之间的夹角为20°左右。
本实施方式中，所述第二标准块4-1呈i型，所述第一标准快3-1、所述第二标准块4-1、所述第一锚杆3-2及所述第二锚杆4-3均是采用钢制作而成的；所述第一标准块3-1的结构与所述第二标准块4-1的结构相同。
所述母卡接头4所在矩形端2开设有卡槽4-3，所述母卡接头4的第二标准块4-1部分地收容于所述卡槽4-3内，且位于所述卡槽4-3的一侧。所述卡槽4-3沿所述管片结构轴向的长度大于等于所述第一标准块3-1的长度与所述第二标准块4-1的长度之和。
使用时，根据隧道直径不同，可以通过调整所述公卡接头3的第一标准块3-1的数量及所述母卡接头4的第二标准块4-1的数量来满足需求，所述第一标准块3-1及所述第二标准块4-1均可以采用一体化夹具进行叠加，标准块之间的叠加组合采用焊接方式来实现。
本实施方式通过设置使标准块间发生拉近管片缔结力的倾斜来实现楔效果，倾斜是通过将钢制楔焊接到钢模中，把所述公卡接头3与所述母卡接头4与钢制楔合在一起，所述公卡接头3与所述母卡接头4在管片间端面倾斜插入而形成。所述公卡接头3与所述母卡接头4采用倾斜设置，从而确保楔形效果。
请参阅图8、图9、图10、图11及图12，所述母头锁止推压接头连接件包括公插接头5及母插接头6，所述公插接头5及所述母插接头6相互卡接，且两者分别设置在相对的两个弧形端1上，所述公插接头5的位置及所述母插接头6的位置分别与所述凸起的位置及所述凹槽的位置相对应。
所述公插接头5包括锚筋5-1、插销螺栓5-3及销钉5-4，所述锚筋5-1朝向所述母插接头6的一端开设有螺栓孔5-2，所述插销螺栓5-3的一端螺纹连接于所述螺栓孔5-2，另一端连接于所述销钉5-4。所述销钉5-4设置在盾构管片中，其远离所述插销螺栓5-3的一端设置有锥形端。
本实施方式中，所述锥形端的直径沿远离所述插销螺栓5-3的方向逐渐减小；所述锥形端的直径大于所述销钉5-4的直径，使得所述销钉5-4便于滑动；所述锚筋5-1设置在盾构管片中，其为y型长螺纹锚筋；所述插销螺栓5-3及所述销钉5-4均是由高强度不锈钢制成的。
所述母插接头6包括钢管6-1、止动阀6-2、喇叭状尾部6-4、橡胶套6-5及橡胶塞6-6，所述钢管6-1的一端连接于所述喇叭状尾部6-4，另一端套设有所述橡胶套6-5。所述钢管6-1形成有收容孔，所述收容孔的孔壁上开设有应力孔6-3。所述橡胶塞6-6设置在所述收容孔内，其与所述应力孔6-3相对。所述收容孔还用于收容所述销钉5-4。
所述止动阀6-2设置在所述收容孔远离所述喇叭状尾部6-4的一端，其与所述锥形端锁死。本实施方式中，所述止动阀6-2包括三个止动片，三个所述止动片倾斜设置，其一端分别连接于所述收容孔临近所述公卡接头3的一端，另一端朝向所述橡胶塞6-6；所述止动阀6-2呈漏斗状，其是采用弹性材料制成的；所述钢管6-1是采用高强度不锈钢制成的；所述止动阀6-2是由激光切割而成的。
安装时，所述公卡接头3对准所述母卡接头4，所述公卡接头3通过沿所述管片结构的轴向移动，以使所述第一标准块3-1卡入所述收容槽内，实现了相邻两个盾构管片的周向连接。
所述公插接头5对准所述收容孔，推动所述销钉5-4，以使所述锥形端穿过所述止动阀6-2后，所述止动阀6-2抵靠在所述锥形端上，两者之间锁死，由此实现了相邻两个盾构管片的轴向连接。本实施方式中，盾构管片的轴向连接及周向连接可以同时进行。其中，所述止动阀6-2通过弹性变形或者恢复弹性变形以使所述锥形端能自所述止动阀6-2穿过或者使所述止动阀6-2与所述锥形端相抵靠而形成锁死。
本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：
1.一种具有组合式榫卯与母头锁止接头连接组件的管片结构，其特征在于：
所述管片结构包括多个盾构管片及多个组合式榫卯与母头锁止接头连接组件，所述管片结构呈筒状，所述盾构管片呈弧形，其包括相连接的两个矩形端(2)及两个弧形端(1)，两个所述矩形端(2)沿所述管片结构的周向相对设置，两个所述弧形端(1)沿所述管片结构的轴向相对设置；相对的两个所述弧形端(1)分别形成有凹槽及凸起，所述凸起收容于所述凹槽内；
所述组合式榫卯与母头锁止接头连接组件包括榫卯接头连接件及母头锁止推压接头连接件；所述榫卯接头连接件连接相对的两个矩形端(2)，以实现相邻两个盾构管片的周向连接；所述母头锁止推压接头连接件连接相对的两个弧形端(1)，以实现相邻两个盾构管片的轴向连接；
所述母头锁止推压接头连接件包括分别连接于相对的两个弧形端(1)的公插接头(5)及母插接头(6)，所述公插接头(5)包括连接于弧形端(1)的销钉(5-4)，所述销钉(5-4)朝向所述母插接头(6)的一端设置有锥形体，所述锥形体大端的直径大于所述销钉(5-4)的直径，且其直径沿远离所述销钉(5-4)的方向逐渐减小；所述母插接头(6)包括连接于弧形端(1)的钢管(6-1)及止动阀(6-2)，所述钢管(6-1)形成有收容孔，所述止动阀(6-2)设置在所述收容孔朝向所述公插接头(5)的一端，其呈漏斗状；所述止动阀(6-2)通过弹性变形或者恢复弹性变形以使所述锥形体穿过所述止动阀(6-2)或者使所述锥形体与所述止动阀(6-2)相抵靠而相互锁死。
2.如权利要求1所述的具有组合式榫卯与母头锁止接头连接组件的管片结构，其特征在于：所述止动阀(6-2)是采用弹性材料制成的，所述止动阀(6-2)包括三个止动片，三个所述止动片倾斜设置。
3.如权利要求1所述的具有组合式榫卯与母头锁止接头连接组件的管片结构，其特征在于：所述母插接头(6)还包括喇叭状尾部(6-4)、橡胶套(6-5)及橡胶塞(6-6)，所述钢管(6-1)的一端连接于所述喇叭状尾部(6-4)，另一端上设置有所述橡胶套(6-5)；所述收容孔的孔壁上开设有应力孔(6-3)；所述橡胶塞(6-6)设置在所述收容孔内，其与所述应力孔(6-3)相对。
4.如权利要求1所述的具有组合式榫卯与母头锁止接头连接组件的管片结构，其特征在于：所述公插接头(5)包括锚筋(5-1)、插销螺栓(5-3)及销钉(5-4)，所述锚筋(5-1)朝向所述母插接头(6)的一端开设有螺栓孔(5-2)，所述插销螺栓(5-3)的一端螺纹连接于所述螺栓孔(5-2)，另一端连接于所述销钉(5-4)。
5.如权利要求4所述的具有组合式榫卯与母头锁止接头连接组件的管片结构，其特征在于：所述锚筋(5-1)设置在盾构管片中，其为y型长螺纹锚筋(5-1)；所述插销螺栓(5-3)及所述销钉(5-4)均是由高强度不锈钢制成的。
6.如权利要求1-5任一项所述的具有组合式榫卯与母头锁止接头连接组件的管片结构，其特征在于：所述榫卯接头连接件包括公卡接头(3)及母卡接头(4)，所述公卡接头(3)及所述母卡接头(4)分别设置在相对的两个所述矩形端(2)内；所述公卡接头(3)通过滑动卡入所述母卡接头(4)，使得所述公卡接头(3)与所述母卡接头(4)之间形成榫卯连接，实现了相邻的两个盾构管片的周向连接。
7.如权利要求6所述的具有组合式榫卯与母头锁止接头连接组件的管片结构，其特征在于：所述公卡接头(3)及所述母卡接头(4)均倾斜设置；所述公卡接头(3)包括第一标准块(3-1)及第一锚杆(3-2)，所述第一锚杆(3-2)连接于所述第一标准块(3-1)的一端，所述第一标准块(3-1)的另一端卡入所述母卡接头(4)；所述第一标准块(3-1)呈i型。
8.如权利要求7所述的具有组合式榫卯与母头锁止接头连接组件的管片结构，其特征在于：所述母卡接头(4)包括第二标准块(4-1)及第二锚杆(4-2)，所述第二锚杆(4-2)连接于所述第二标准块(4-1)的一端；所述第二锚杆(4-2)设置在盾构管片中，所述第二标准块(4-1)呈i型，其数量为至少两个；至少两个所述第二标准块(4-1)的一端相连接，另一端间隔设置以形成至少一个收容槽，所述收容槽由相连通的圆形槽及开口组成，所述开口贯穿所述圆形槽的槽壁；所述第一标准块(3-1)的一端卡接在所述收容槽内。
9.如权利要求8所述的具有组合式榫卯与母头锁止接头连接组件的管片结构，其特征在于：所述第一标准快、所述第二标准块(4-1)、所述第一锚杆(3-2)及所述第二锚杆(4-2)均是采用钢制作而成的；所述第一标准块(3-1)的结构与所述第二标准块(4-1)的结构相同。
10.如权利要求8所述的具有组合式榫卯与母头锁止接头连接组件的管片结构，其特征在于：所述母卡接头(4)所在矩形端(2)开设有卡槽(4-3)，所述母卡接头(4)的第二标准块(4-1)部分地收容于所述卡槽(4-3)内，且位于所述卡槽(4-3)的一侧；所述卡槽(4-3)沿所述管片结构轴向的长度大于等于所述第一标准块(3-1)的长度与所述第二标准块(4-1)的长度之和。
技术总结
本发明属于盾构隧道衬砌结构相关技术领域，其公开了一种具有组合式榫卯与母头锁止接头连接组件的管片结构，管片结构包括多个盾构管片及多个组合式榫卯与母头锁止接头连接组件，管片结构呈筒状，盾构管片呈弧形，其包括相连接的两个矩形端及两个弧形端，两个矩形端沿管片结构的周向设置，两个弧形端沿管片结构的轴向设置；相对的两个弧形端分别形成有凹槽及凸起，凸起收容于凹槽内；组合式榫卯与母头锁止接头连接组件包括榫卯接头连接件及母头锁止推压接头连接件；榫卯接头连接件连接相对的两个矩形端，母头锁止推压接头连接件连接相对的两个弧形端，由此实现相邻两个盾构管片的周向及轴向连接。本发明提高了防水性能、剪切性能及接头韧性。
技术研发人员：陈健;金井恭子;肖铭钊;丁烈云;骆汉宾;郭云鹏;魏威;吴浩;安琳;何鹏
受保护的技术使用者：华中科技大学;日本地下开发工程有限公司;武汉市市政建设集团有限公司;柳州华科智能建造与安全技术研究院
技术研发日：.10.29
技术公布日：.02.18
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