CN103527217B - 密集桩基环境下小曲率半径盾构隧道管片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种密集桩基环境下小曲率半径盾构隧道管片，该管片具有非几何规则的梯形或四边形端截面，所述端截面上包括上下各两个螺栓接驳位，其多个管片可以拼接成一个管片环。本发明还公开一种基于上述管片结构的管片制造方法，包括步骤：1、根据建筑物结构荷载获得管片最终配筋参数Z及最终混凝土强度数值；2、确定单个管片钢筋量并固定钢筋结构；步骤3、根据管片内径、楔形量及最终混凝土强度数值确定混凝土配比并浇筑混凝土。本发明通过在管片制造时考虑桩基对管片变形的影响，确定选择一种克服上述影响的管片制造时的材料及钢筋，同时结合上述管片结构制造出的管片不易发生管片破碎、地面沉降、隧道渗水、漏浆、轴线偏差超标问题。

Description

密集桩基环境下小曲率半径盾构隧道管片及其制造方法

技术领域

本发明涉及隧道工程，特别涉及密集桩基环境下小曲率半径盾构隧道管片的结构及其制造方法。

背景技术

在盾构隧道掘进过后的盾尾处，直接安装预制的钢筋混凝土管片，这些管片拼装成环后，就形成永久衬砌结构。在地铁隧道工程中，经常发生管片破碎、地面沉降、隧道渗水、漏浆、轴线偏差超标等一系列问题。管片破碎和地面沉降超标是施工中比较棘手和必须妥善处理的问题。

近年来随着我国社会经济的发展，城市隧道工程数量不断增加，但常因规划及建、构筑物制约、地质情况复杂、地下桩基管网密布等施工条件限制，对施工技术的要求不断提高。由于建筑物荷载的存在，隧道开挖时衬砌的内力也会受到建筑物桩基的影响。而如今大多数设计和施工只针对隧道开挖土体损失引起的地面沉降进行分析计算，对管片衬砌内力的研究甚少，而对建筑物的存在对管片衬砌内力变化影响的研究几乎没有，而管片的变形对地面、桩基及管线的沉降也有显著的影响。

盾构隧道开挖引起的土体和衬砌的受力与变形很大程度上取决于是否考虑邻近建筑物的存在，忽略建筑物荷载将低估隧道开挖引起的地面变形及衬砌内力值，从而使得安全性降低。

发明内容

本发明提供一种密集桩基环境下小曲率半径盾构隧道管片，该管片端截面具有非几何规则的梯形或者四边形结构，其多个管片可以拼接成一个管片环，该各管片的连接结构以及管片环之间的连接方式可以更好的克服密集桩基环境下建筑物桩基对小曲率半径盾构隧道管片周围土体挤压带来的管片形变。

为实现上述目的，本发明提供一种密集桩基环境下小曲率半径盾构隧道管片，所述管片为预制钢筋混凝土管片，该管片沿盾构隧道径向的截面具有非几何规则的梯形或四边形结构，所述管片梯形或四边形端截面上包括上下各两个螺栓接驳位。

多个所述管片可顺次连接成一个管片环，所述管片之间设有用于防水的密封垫，多个所述管片的楔形量不同，且管片中间留有注浆孔，孔周围钢筋加密布置，所述管片内径根据成型隧道内径确定。

所述管片环由截面为梯形或者四边形管片混合环绕而成，其截面具有梯形结构的管片不少于两个。所述管片的楔形量参数彼此不同，多个不同楔形量参数的管片拼接成一个管片环，从而减小构建筑物桩基在管片附近对管片变形的影响。

本发明同时还提供一种基于上述密集桩基环境下小曲率半径盾构隧道管片的制造方法，该方法其包括以下步骤：

步骤1：根据建筑物结构荷载获得管片最终配筋参数及最终混凝土强度数值；

步骤2：根据最终配筋参数确定单个管片钢筋量并固定钢筋结构；

步骤3：根据管片内径、楔形量及最终混凝土强度数值确定混凝土配比并浇筑混凝土；

所述步骤1包括以下分步骤：

步骤11：根据建筑结构计算桩基对周围土层压力数值及作用范围，以及对管片衬砌的作用力大小；

步骤12：基于对管片初始配筋参数及初始混凝土强度数值，根据桩基对周围土层压力数值及作用范围，以及对管片衬砌的作用力大小，计算获得管片在高低不同地下水位的水土压力及桩基周围施加土压力的最不利情况下的最大管片变形量；

步骤13：确定管片最大变形量是否满足工程要求，并确定管片的最终配筋参数及最终混凝土强度数值。

所述步骤13包括以下分步骤：

步骤131：如果管片的最大变形参数满足工程要求，则以初始配筋参数及初始混凝土强度数值作为最终配筋参数及最终混凝土强度数值，并执行步骤2；

步骤132：如果管片的最大变形参数不满足工程要求，则改变初始配筋参数及初始混凝土强度参数，并依次执行步骤12及步骤13。

本发明密集桩基环境下小曲率半径盾构隧道管片的制造方法，其主要考虑到密集桩基对管片压力，从而引起管片变形的影响，主要经过计算方法获得克服该影响的管片的最终配筋参数及最终混凝土强度参数，进而根据管片的形状包括内径、楔形量，确定管片所要用到的钢筋数量，固定钢筋结构并浇筑混凝土，制造出管片。在密集桩基环境下的小曲率半径盾构隧道中，各个管片的最终配筋参数以及最终混凝土参数可以根据具体施工中该管片附近的桩基确定，从而使整个工程段的隧道施工中管片抗变形的参数更加合理。

为了能更进一步了解本发明的特征以及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其有益效果显而易见。

附图中，

图1为本发明密集桩基环境下小曲率半径盾构隧道管片端截面结构示意图；

图2为本发明密集桩基环境下小曲率半径盾构隧道管片的管片环的一种拼接结构示意图；

图3为本发明密集桩基环境下小曲率半径盾构隧道管片的管片环拼接后的效果图；

图4为本发明基于图1盾构隧道管片结构的该管片制造方法的流程图；

图5为图4中本发明管片制造方法步骤1的分步骤流程图。

图标说明：

0、管片；1、钢筋；11、钢筋端点；21、梯形结构；22、四边形结构；31及32、螺栓接驳位；4、管片环。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合本发明的优选实施例及其附图进行详细描述。

参阅图1至图3，本发明提供一种密集桩基环境下小曲率半径盾构隧道管片0，所述管片0为预制钢筋混凝土管片，该管片中包括网状的钢筋结构。

从图1中可以看出其中每条钢筋1的端点11处的圆点表示在此处同样具有钢筋1区别之处在于该处的钢筋是垂直于纸面的。

所述建筑混凝土的管片0内径及楔形量实际上根据隧道的基本参数可以确定。

该管片0沿盾构隧道径向的截面具有梯形或四边形结构21或22，该梯形或四边形结构21或22并非几何规则的梯形或四边形。所述管片0梯形或四边形21或22端截面上包括上下各两个螺栓接驳位31，32，该螺栓接驳31，32连接管片环的环向与径向。多个所述管片0可顺次连接成一个管片环4，具有上述非几何规则的梯形或四边形的管片0构成的管片环4其外周及内周均为拟合成的圆，该两个螺栓接驳位用于对环向相邻管片的连接，从而形成管片环，及对径向相邻管片环之间的连接。

所述管片0之间设有用于防水的密封垫，多个所述管片0的楔形量不同。管片采用错缝拼接，增加了管片环的整体性，以致管片连接时彼此结合部受力更加均匀，对于确保管片承载力，减小变形有一定的作用。

所述管片中间留有注浆孔，孔周围钢筋加密布置。

所述管片0内径根据成型隧道内径确定。

所述管片环4由截面为梯形或者四边形管片混合环绕而成，其截面具有梯形结构的管片0不少于两个。

该非标准几何梯形或四边形的管片环4与邻近的管片环4共同克服桩基压力及周围水土压力。

对于小曲率半径隧道来说，采用具有一定楔形量的通用管片环4，该管片环4中的单个管片0也相应具有楔形量，即非几何规则的梯形或四边形结构，该单个管片0要适应管片环4的参数。

参阅图4至图5，基于上述结构的管片0及管片环4，本发明还提供上述管片0的制造方法，其包括以下步骤：

步骤1：根据建筑物结构获得管片最终配筋参数及最终混凝土强度数值。

所述步骤1包括以下分步骤：

步骤11：根据建筑结构计算桩基对周围土层压力数值及作用范围，以及对管片衬砌的作用力大小。此处计算过程及方法为所属领域专业技术人员公知的，不赘述。

步骤12：基于对管片初始配筋参数及初始混凝土强度数值，根据桩基对周围土层压力数值及作用范围，以及对管片衬砌的作用力大小，计算获得管片在高低不同地下水位的水土压力及桩基周围施加土压力的最不利情况下的最大管片变形量。

此处的计算方法包括：弹性理论计算及PLAXIS2D有限元软件模拟分析。此处的弹性理论主要利用工程实践中实用的经验公式是Peck公式和一系列修正的Peck公式，计算出位于管片附近的最大变形量。

地下结构与岩土介质结合成一个连续的或不连续的整体系统，相互作用，共同受力，土介质材料一般呈不均质各向异性的非线性性态，通常都处于二维或三维的复杂应力状态。因此，在实际中，隧道近邻桩基的影响是一个非常复杂的问题，应采用三维有限元分析，但从目前的研究结果看，二维模型也能较好地解决问题，此处采用PLAXIS软件的二维建模。

步骤13：确定管片最大变形量是否满足工程要求，并确定管片的最终配筋参数及最终混凝土强度数值。

所述步骤13包括以下分步骤：

步骤131：如果管片的最大变形参数满足工程要求，则以初始配筋参数及初始混凝土强度数值作为最终配筋参数及最终混凝土强度数值，并执行步骤2。

步骤132：如果管片的最大变形参数不满足工程要求，则改变初始配筋参数及初始混凝土强度参数，并依次执行步骤12及步骤13。

步骤2：根据最终配筋参数确定单个管片钢筋量并固定钢筋结构。

步骤3：根据管片内径、楔形量及最终混凝土强度数值确定混凝土配比并浇筑混凝土。

下面针对上述结构管片的制造方法具体说明，本实施例隧道周围建筑基础由16根外径500mm，厚度125mm的混凝土管桩组成，桩底标高-31.0m（地面标高+5.5m），其中，某一桩基距离隧道轴线仅4m，距离隧道近桩侧外边缘仅约2m。根据实际情况，弹性理论计算出每个桩基集中荷载1100KN，桩长36.5m。

本实施例对建（构）筑桩基周围土压力对于隧道管片衬砌的影响进行弹性理论计算及PLAXIS2D Model有限元软件模拟分析，均采用竖向集中荷载作用下的端承桩的沉降过程计算模式。将计算结果用于分析管片衬砌的综合受力及变形验算，综合分析管片在高低不同地下水位时的水土压力、桩基施加土压力等情况，得最不利情况下，管片水平方向最大变形和垂直方向最大变形，然后确定该最大变形量是否在工程范围内，如果满足工程要求则进行余下的步骤，如果不满足工程要求则复核管片的初始配筋参数及初始混凝土强度参数，并根据该复核的参数进一步进行弹性理论计算或者PLAXIS2D计算获得另外一个水平及垂直方向最大变形量，同样确定最大变形量是否满足工程需要，一旦不满足工程需要将继续修改该初始配筋参数及初始混凝土强度参数，重复获得最大变形量，判断是否在工程范围内。不断重复以上模拟计算步骤直至最后得到的水平及垂直最大变形量在工程范围之内，此时作为计算时的配筋参数及混凝土参数为最终配筋参数及最终混凝土参数。

通过有限元软件进行分析所得沉降量与按弹性理论分析的经验公式方法计算沉降量相近，有限元软件计算模型如图2，根据以上的数据及计算过程得最不利情况下，管片水平方向最大变形25.84mm，垂直方向最大变形27.50mm。可将结果与施工要求进行对比改进。

经过以上的分析计算，最终利用本发明方法的管片采用预制钢筋混凝土管片，管片环内径3900mm，外径4460mm，每环有6块管片构成，管片宽度1000mm，管片厚度280mm。

其中，管片环强度和刚度可根据配筋情况计算得出，其计算方法及过程是本领域的专业技术人员公知的技术，不在赘述。之后，该盾构隧道管片制造方法的步骤2至步骤4其比较简单，此处不再赘述。

然后根据最终配筋参数确定单个管片钢筋量并固定钢筋结构。固定的钢筋结构具有网状结构。

最后浇筑混凝土。

本发明的密集桩基环境下小曲率半径盾构隧道管片的制造方法，其通过计算桩基对管片周围土层压力数值及作用范围，以及对管片衬砌的作用力大小，以及基于初始配筋参数与初始混凝土强度参数的最不利情况下管片的最大变形量，根据该最大变形量确定管片的最终配筋参数以及最终混凝土强度参数，然后根据该最终配筋参数及最终混凝土强度确定钢筋用量，固定钢筋结构，根据管片内径、楔形量浇筑混凝土。

综上所述，本发明公开的密集桩基环境下管片制造模拟方法通过弹性理论计算及基于PLAXIS2D Model软件的有限元软件模拟计算及后续计算获得的管片水平及垂直变形量参数可以直接指引管片的材料参数及其管片成品抗压及形变参数。

以上所述，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案和技术构思作出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.密集桩基环境下小曲率半径盾构隧道管片，所述管片为预制钢筋混凝土管片，其特征在于，该管片沿盾构隧道径向的截面为梯形，所述管片梯端截面上包括上下各两个螺栓接驳位；多个所述管片可顺次连接成一个管片环，所述管片之间设有用于防水的密封垫，多个所述管片的楔形量不同，且管片中间留有注浆孔，孔周围钢筋加密布置，所述管片内径根据成型隧道内径确定；所述管片环由截面为梯形或者四边形管片混合环绕而成，其截面具有梯形结构的管片不少于两个。

2.权利要求1 所述密集桩基环境下小曲率半径盾构隧道管片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1 ：根据建筑物结构荷载获得管片最终配筋参数及最终混凝土强度数值；

步骤2 ：根据最终配筋参数确定单个管片钢筋量并固定钢筋结构；

步骤3 ：根据管片内径、楔形量及最终混凝土强度数值确定混凝土配比并浇筑混凝土；

所述步骤1 包括以下分步骤：

步骤11 ：根据建筑结构计算桩基对周围土层压力数值及作用范围，以及对管片衬砌的作用力大小；

步骤12 ：基于对管片初始配筋参数及初始混凝土强度数值，根据桩基对周围土层压力数值及作用范围，以及对管片衬砌的作用力大小，计算获得管片在高低不同地下水位的水土压力及桩基周围施加土压力的最不利情况下的最大管片变形量；

步骤13 ：确定管片最大变形量是否满足工程要求，并确定管片的最终配筋参数及最终混凝土强度数值。

3.权利要求2所述密集桩基环境下小曲率半径盾构隧道管片的制造方法，其特征在于，所述步骤13包括以下分步骤：

步骤131 ：如果管片的最大变形参数满足工程要求，则以初始配筋参数及初始混凝土强度数值作为最终配筋参数及最终混凝土强度数值，并执行步骤2 ；

步骤132 ：如果管片的最大变形参数不满足工程要求，则改变初始配筋参数及初始混凝土强度参数，并依次执行步骤12 及步骤13。