CN103924982A - 一种圆端形凹凸榫型盾构隧道管片环间抗剪结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于盾构隧道工程技术领域，具体涉及一种圆端形凹凸榫型盾构隧道管片环间抗剪结构。它包括沿隧道纵向相互配合布置的相邻第一管片环和第二管片环，所述第一管片环和第二管片环之间对应的配合面上分别设有多个相互配合的圆端形凸块和圆端形凹槽，所述多个圆端形凸块和圆端形凹槽按隧道圆心呈同心圆布置，所述圆端形凸块与圆端形凹槽之间的间隙为等间距。本发明在管片环间布置多个圆端形凹凸榫，当前后两管片环沿任意一个方向上发生允许的最大错动后，所有的圆端形凹凸榫均能提供抗剪能力，从而大幅度提高环间抗剪能力，抑制错台变形。

Description

一种圆端形凹凸榫型盾构隧道管片环间抗剪结构

技术领域

本发明属于盾构隧道工程技术领域，具体涉及一种圆端形凹凸榫型盾构隧道管片环间抗剪结构，尤其适用于地震作用大、运营期隧道内有大的移动荷载或穿越软弱地层、地质条件突变、顶部荷载突变的盾构隧道管片环间抗剪连接，同时还可提高管片拼装定位精度。

背景技术

近年来国内盾构隧道得到了迅猛发展，包括地铁、公路、市政、铁路、输水、输气等行业，这些盾构隧道不乏穿越软弱地层、地质条件突变或顶部荷载突变的区段。在这些条件下，盾构隧道存在着一个最常见也是最棘手的管片衬砌环环间错台控制难题。解决这个技术难题最有效手段就是增加盾构管片环间的抗剪切能力，目前常用的抗剪切手段就是在管片环间设置凹凸榫，通过榫结构来抵抗管片环间的剪切力。而现有的凹凸榫一般均设计为全周贯通分布的同心圆环块或同圆心布置的不连续矩形块。

现有技术存在着不足之处如下：

对于全周贯通分布的同心圆环块凹凸榫方式，如图1-4所示，由于凹凸榫为同心圆布置，圆环形凸块1和圆环形凹槽2的半径不同（相差几个毫米），因此当两环管片间发生任意一个方向错动变形时，两个不同半径的圆只有一个切点；又由于凹槽和凸块均有内圆弧面和外圆弧面，因此，理论上凹槽和凸块最多有两个接触点3，如图4所示。

同样，对于同圆心布置的不连续矩形块凹凸榫方式，如图5-8所示，其在全周贯通分布的同心圆环凹凸榫方式的基础上，在设置矩形块的部位，将小段圆弧改为线段，从而实现矩形凸块4和矩形凹槽5的面接触。但由于矩形块沿同一圆周布置，对于某一个特定的矩形块，只有当管片衬砌环间的错动方向指向该矩形块的线段时，才能形成局部面接触，因此，理论上凹槽和凸块最多只有两个接触面6，如图8所示。

也就是说，现有技术最多只能产生两个点接触或面接触，在管片衬砌环间产生剪切错动时，会形成很大的集中荷载和局部应力，造成局部混凝土破坏，进而失去抗剪能力。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种抗剪能力强的圆端形凹凸榫型盾构隧道管片环间抗剪结构。

本发明采用的技术方案是：一种圆端形凹凸榫型盾构隧道管片环间抗剪结构，包括沿隧道纵向相互配合布置的相邻第一管片环和第二管片环，所述第一管片环和第二管片环之间对应的配合面上分别设有多个相互配合的圆端形凸块和圆端形凹槽，所述多个圆端形凸块和圆端形凹槽按隧道圆心呈同心圆布置；所述圆端形凸块和圆端形凹槽的截面按形状均分为三个区，中间为矩形区，两端均为标准的半圆区，所述半圆区的直径为矩形区相对应的边长；圆端形凹槽矩形区的四边边长分别大于圆端形凸块矩形区相对应的四边边长，所述圆端形凸块与圆端形凹槽之间的间隙为等间距。

进一步地，所述多个圆端形凸块沿第一管片环端部圆周均匀布置，所述多个圆端形凹槽沿第二管片环端部圆周均匀布置。

进一步地，所述多个圆端形凸块平均分成多个凸块组，所述多个凸块组沿第一管片环端部圆周均匀布置；所述多个圆端形凹槽平均分成与凹槽组数量相同的多个凹槽组，所述多个凹槽组沿第二管片环端部圆周均匀布置。

进一步地，所述每个凸块组至少包含两个圆端形凸块，所述每个凹槽组至少包含两个圆端形凹槽。

更进一步地，所述圆端形凸块的高度小于圆端形凹槽的深度。

本发明在管片环间布置n个由圆端形凸块和圆端形凹槽组成的圆端形凹凸榫，当前后两管片环沿垂直于某个凹凸榫的矩形边发生允许的最大错动后，该圆端形凸块和圆端形凹槽的侧壁可以形成1～2个面接触（当凹凸榫为对称分布时的接触面个数为2个，否则为1个），其余凹凸榫处可以形成共n-（1～2）个点接触，即所有的圆端形凹凸榫均能提供抗剪能力；当前后两管片环的错动方向与任何凹凸榫的矩形边均不垂直时，凸块和凹槽壁理论上可以产生的接触点为n个（n为圆端形凹凸块的个数），同样，所有凹凸榫均能提供抗剪能力，从而大幅度提高环间抗剪能力，抑制错台变形。

附图说明

图1为现有技术管片环端面全周贯通的圆环形凸块布置示意图。

图2为现有技术管片环端面全周贯通的圆环形凹槽布置示意图。

图3为图1与图2的管片环拼装后凹凸块组合端面布置图。

图4为图3中的两个管片环发生错动后的示意图。

图5为现有技术管片环端面的矩形凸块布置示意图。

图6为现有技术管片环端面的矩形凹槽布置示意图。

图7为图5与图6的管片环拼装后凹凸块组合端面布置图。

图8为图7中的两个管片环发生错动后的示意图。

图9为本发明管片环端面的圆端形凸块均匀布置示意图。

图10为本发明管片环端面的圆端形凹槽均匀布置示意图。

图11为图9与图10的管片环拼装后凹凸块组合端面布置图。

图12为图11中的两个管片环发生错动后的示意图。

图13为本发明圆端形凸块的结构示意图。

图14为本发明圆端形凹槽的结构示意图。

图15为图11中A-A截面剖视图。

图16为图11中B-B截面剖视图。

图17为本发明管片环端面的圆端形凸块分组布置示意图。

图18为本发明管片环端面的圆端形凹槽分组布置示意图。

图19为本发明发生非垂直于圆端形凸块错动后，圆端形凸块与圆端形凹槽的接触点示意图。

图20为本发明发生垂直于圆端形凸块错动后，圆端形凸块与圆端形凹槽的接触点示意图。

其中：1-圆环形凸块；2-圆环形凹槽；3-接触点；4-矩形凸块；5-矩形凹槽；6-接触面；7-第一管片环；8-第二管片环；9-圆端形凸块；10-圆端形凹槽；11-隧道圆心；12-错动变形量；13-凸块组；14-凹槽组。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图9-11所示，本发明包括沿隧道纵向相互配合布置的相邻第一管片环7和第二管片环8，所述第一管片环7和第二管片环8之间对应的配合面上分别设有多个相互配合的圆端形凸块9和圆端形凹槽10，圆端形凸块9和圆端形凹槽10配合即形成圆端形凹凸榫抗剪结构，所述多个圆端形凸块9和圆端形凹槽10按隧道圆心11呈同心圆布置，本发明沿任意方向发生错动后的示意图如图12所示。

上述的圆端形凸块9的截面按形状分为三个区，如图13所示，中间9.2为矩形区，两端9.1均为标准的半圆区，半圆区的半径9.3即为矩形区相对应边长的一半，整个圆端形凸块类似于胶囊形状；圆端形凹槽10的截面按形状均也为三个区，如图14所示，中间10.2为矩形区，两端10.1均为标准的半圆区，该半圆区的半径10.3即为矩形区相对应边长的一半。一般来讲，为了安装的便利及适应一定量的错动变形，圆端形凹槽10矩形区的四边边长要分别大于圆端形凸块9矩形区相对应的四边边长，并且圆端形凸块9的边缘与圆端形凹槽10的侧壁之间的间隙为等间距，即圆端形凸块9半圆区的圆心与圆端形凹槽10半圆区的圆心重合，这样可保证每个凹凸榫都可以同时发挥抗剪作用，其中，圆端形凸块9边缘与圆端形凹槽10边缘之间的间隙差主要考虑安装的富裕空间和设计允许的错动变形量12。第一管片环7和第二管片环8上圆端形凸块9与圆端形凹槽10配合处的断面图如图15所示，第一管片环7和第二管片环8端面接触的断面图如图16所示。

本实施例的圆端形凸块9和圆端形凹槽10可以均匀布置，也可以分组均匀布置，具体个数或组数应该与管片分块及拼装工况相适应。均匀布置时，所述多个圆端形凸块9沿第一管片环7端部圆周均匀布置，所述多个圆端形凹槽10沿第二管片环8端部圆周均匀布置，与圆端形凸块9相对应。分组均匀布置时，所述多个圆端形凸块9平均分成多个凸块组13，如图17所示，本实施例中设有12个圆端形凸块9，分成6个凸块组13，即每个凸块组13包含两个圆端形凸块9，6个凸块组沿第一管片环7端部圆周均匀布置；同样多个圆端形凹槽10也平均分成与凸块组13数量相同的多个凹槽组14，如图18所示，本实施例中设有12个圆端形凹槽，分成6个凹槽组，即每个凹槽组14包含两个圆端形凹槽10，6个凹槽组沿第二管片环8端部圆周均匀布置。

上述由圆端形凸块9和圆端形凹槽10形成的凹凸榫可以按剪切力的大小设计其尺寸，包括半径和深（高）度（凹槽深度及凸块高度）等，本实施例中圆端形凸块9的高度略小于圆端形凹槽10的深度，以便安装后合缝；而圆端形凸块9和圆端形凹槽10具体的高（深）度及其直径要根据剪切力的大小进行计算后进行设计。

本发明在管片环间布置n个由圆端形凸块和圆端形凹槽组成的圆端形凹凸榫，当前后两管片环沿垂直于某个凹凸榫的矩形边发生允许的最大错动后，该圆端形凸块和圆端形凹槽的侧壁可以形成1～2个面接触（当凹凸榫为对称分布时的接触面个数为2个，否则为1个），其余凹凸榫处可以形成共n-（1～2）个点接触，即所有的圆端形凹凸榫均能提供抗剪能力；当前后两管片环的错动方向与任何凹凸榫的矩形边均不垂直时，凸块和凹槽壁理论上可以产生的接触点为n个（n为圆端形凹凸块的个数），同样，所有凹凸榫均能提供抗剪能力，从而大幅度提高环间抗剪能力，抑制错台变形。

为便于理解，对该种几何形状的凹凸榫能够同时发挥作用的原理证明如下：

如图19、图20所示，管片环间设置6个圆端形凹凸榫，每个凹凸榫中实线为圆端形凸块，虚线为圆端形凹槽，O为管片环的圆心，（O₁、O₁＇）、（O₂、O₂＇）、······（O₆、O₆＇）分别为第1、第2······第6个圆端形凹凸榫左右两个半圆的圆心。当管片环间发生任意方向（图中角度为α为非垂直于圆端形凸块错动，角度为β为垂直于圆端形凸块错动）错动L（L=圆端形凹槽半圆区与圆端形凸块半圆区的半径差）时，如圆心O向O＇方向错动，由于是管片环是整体平移，从（O₁、O₁＇）、（O₂、O₂＇）、······（O₆、O₆＇）做平行于OO＇的射线，每一个凹凸榫处的射线与该凹凸榫的实线和虚线均有交点或接触面，显然，各凹凸榫处的交点距离相等，即各凹凸榫可以同时发挥抗剪作用。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种圆端形凹凸榫型盾构隧道管片环间抗剪结构，包括沿隧道纵向相互配合布置的相邻第一管片环（7）和第二管片环（8），其特征在于：所述第一管片环（7）和第二管片环（8）之间对应的配合面上分别设有多个相互配合的圆端形凸块（9）和圆端形凹槽（10），所述多个圆端形凸块（9）和圆端形凹槽（10）按隧道圆心呈同心圆布置；所述圆端形凸块（9）和圆端形凹槽（10）的截面按形状均分为三个区，中间为矩形区，两端均为标准的半圆区，所述半圆区的直径为矩形区相对应的边长；圆端形凹槽（10）矩形区的四边边长分别大于圆端形凸块（9）矩形区相对应的四边边长，所述圆端形凸块（9）与圆端形凹槽（10）之间的间隙为等间距。

2.根据权利要求1所述的一种圆端形凹凸榫型盾构隧道管片环间抗剪结构，其特征在于：所述多个圆端形凸块（9）沿第一管片环（7）端部圆周均匀布置，所述多个圆端形凹槽（10）沿第二管片环（8）端部圆周均匀布置。

3.根据权利要求1所述的一种圆端形凹凸榫型盾构隧道管片环间抗剪结构，其特征在于：所述多个圆端形凸块（9）平均分成多个凸块组（13），所述多个凸块组（13）沿第一管片环（7）端部圆周均匀布置；所述多个圆端形凹槽（10）平均分成与凹槽组数量相同的多个凹槽组（14），所述多个凹槽组（14）沿第二管片环（8）端部圆周均匀布置。

4.根据权利要求3所述的一种圆端形凹凸榫型盾构隧道管片环间抗剪结构，其特征在于：所述每个凸块组（13）至少包含两个圆端形凸块（9），所述每个凹槽组（14）至少包含两个圆端形凹槽（10）。

5.根据权利要求1-4中的任意一种圆端形凹凸榫型盾构隧道管片环间抗剪结构，其特征在于：所述圆端形凸块（9）的高度小于圆端形凹槽（10）的深度。