CN106049540A - 膨胀土地层消除膨胀力的明挖隧道结构 - Google Patents

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肖明清
邓朝辉
龙凡
薛光桥
何应道
邓淳心
石湛
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    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D29/00—Independent underground or underwater structures; Retaining walls
    • E02D29/045—Underground structures, e.g. tunnels or galleries, built in the open air or by methods involving disturbance of the ground surface all along the location line; Methods of making them
    • E02D29/05—Underground structures, e.g. tunnels or galleries, built in the open air or by methods involving disturbance of the ground surface all along the location line; Methods of making them at least part of the cross-section being constructed in an open excavation or from the ground surface, e.g. assembled in a trench

Abstract

本发明公开了一种膨胀土地层消除膨胀力的明挖隧道结构，包括由顶板、底板和侧墙组成的明挖隧道，所述顶板的上方铺设有回填覆土，侧墙的外侧设有围护结构，其特征在于：所述底板与其下方的膨胀土地层之间设有可变形的缓冲垫层，所述缓冲垫层由聚苯乙烯材料制备而成。本发明具有可极大消除膨胀土地层产生的膨胀力对隧道结构的不利影响，同时结构简单、工程量小的有益效果。

Description

膨胀土地层消除膨胀力的明挖隧道结构
技术领域
本发明涉及明挖隧道领域，具体是一种膨胀土地层消除膨胀力的明挖隧道结构。
背景技术
膨胀土是一种特殊的土层，当其湿度变化时，地层的体积会发生较大变化，按膨胀性分类可分为：弱膨胀、中膨胀、强膨胀三类。在我国，膨胀土地层的分布区域主要集中在西南、西北、东北，黄河中下游地区，长江中下游地区和部分东南沿海地区，其分布面积在10万平方千米以上。
当在膨胀土地层施工明挖隧道时，隧道范围内及顶部的地层均挖除，置换为隧道结构和非膨胀土，仅隧道底部为原状土，存在膨胀性。当底部的膨胀土湿度发生变化，其体积膨胀，会造成隧道结构底部的受力异常或开裂、发生隆起等病害问题，危及隧道结构安全和行车安全。
在膨胀土地层施工的明挖隧道，现有的技术主要有两种：第一种是“抵抗”方法：设计时考虑地层膨胀力直接作用在隧道底板上，通过加强隧道结构的承载能力来抵抗膨胀力；第二种是“完全释放”方法：将隧道结构固定在明挖围护结构或支承在桩基础上并与地基土脱空，使基底的土层自由膨胀，从而消除膨胀性对结构的影响。现有技术处理膨胀土明挖隧道时存在以下问题：
1、第一种方法允许膨胀力直接作用在结构底板上，对于在强膨胀土地层的隧道，膨胀力非常大，需要的结构厚度很大甚至难以实现，往往由于对膨胀力的预计不足而造成结构破坏或产生影响运营安全的开裂与变形。
2、第二种方法虽然可以消除膨胀力的影响，但结构本身和顶部回填土的重量完全由围护结构、支承桩承担，其增加的工程量较大，造价高。同时，由于隧道底板与地层脱空，长期运营中地下水会集聚于此处，并沿桩与土之间的接触面下渗，影响桩的承载力。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述背景技术存在的不足，提出一种可极大消除膨胀土地层产生的膨胀力对隧道结构的不利影响，同时结构简单、工程量小的膨胀土地层消除膨胀力的明挖隧道结构。
为了实现以上目的，本发明提供的一种膨胀土地层消除膨胀力的明挖隧道结构，包括由顶板、底板和侧墙组成的明挖隧道，所述顶板的上方铺设有回填覆土，侧墙的外侧设有围护结构，其特征在于：所述底板与其下方的膨胀土地层之间设有可变形的缓冲垫层，所述缓冲垫层由聚苯乙烯材料制备而成。
作为本发明的优选方案，所述明挖隧道的底板与其下方的膨胀土地层之间设有多个沿水平向依次拼接的缓冲垫层。
进一步地，所述缓冲垫层的平面尺寸为1m*1m。
更进一步地，缓冲垫层的设计厚度不小于膨胀土地层吸水膨胀产生的变形量的两倍。
本发明采用由聚苯乙烯材料制备而成的缓冲垫层结构，使膨胀土地层在发生膨胀时，膨胀力通过缓冲垫层的变形而吸收，保护隧道结构不受影响。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为多块缓冲垫层相互拼接的结构示意图。
图3为聚苯乙烯的应力应变曲线图。
图中：缓冲垫层1、膨胀土地层2、底板3、侧墙4、顶板5、围护结构6、回填覆土7。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例：如图1至图3所示的一种膨胀土地层消除膨胀力的明挖隧道结构，包括由顶板5、底板3和侧墙4组成的明挖隧道，所述顶板5的上方铺设有回填覆土7，侧墙4的外侧设有围护结构6。所述明挖隧道的底板3与其下方的膨胀土地层2之间设有多个沿水平向依次拼接的缓冲垫层1，所述缓冲垫层1由聚苯乙烯材料制备而成。
所述缓冲垫层1的所述缓冲垫层1的平面尺寸为1m*1m，缓冲垫层1的设计厚度不小于膨胀土地层2变形量的两倍。缓冲垫层1的厚度根据膨胀土层厚度、膨胀率、缓冲材料力学特性、有效应力的敏感性分析等来确定。假设计算膨胀土地层2在地下水条件变化后，产生的膨胀变形量为h，而缓冲垫层的设计厚度为H。所采用的缓冲垫层材料压缩力学特性如图3所示，假设其最大压应变εm，一般聚苯乙烯材料的最大压应变可以超过50％。
εm＝h/H
若假设聚苯乙烯材料的最大压应变为50％，则缓冲垫层的设计厚度不小于2h，即膨胀土地层2吸水膨胀产生的变形量的2倍。
当膨胀土地层2由于吸水体积发生膨胀，会压缩缓冲垫层1，使缓冲垫层1发生压缩变形，甚至超过弹性极限应变εe，达到附图3中的塑性状态，塑性状态下，大量的膨胀土地层2膨胀产生的能量在近似恒应力状态下被缓冲垫层1吸收，传递到主体结构底板3的膨胀力，相比没采用本发明结构时小得多。
本发明的施工步骤为：
1、根据膨胀土地层2的特性，计算隧道运营期的底部膨胀土地层2的膨胀变形量及膨胀力；
2、根据隧道结构自重隧道底板3、侧墙4和顶板5自重之和、运营期荷载、隧道顶的水土荷载等，计算出隧道运营期底板3下方的压力；
3、结合缓冲垫层1的力学特性，计算缓冲垫层1的厚度；
4、施工围护结构6，开挖隧道基坑，并在隧道底部按计算结果需要的缓冲垫层1厚度进行超挖。
5、超挖部分铺设符合要求的缓冲垫层1。为方便铺设，缓冲垫层1按预定的尺寸进行小块切割，每小块的平面尺寸可采用1m×1m或根据实际工程调整。
6、在缓冲垫层1上施工隧道主体结构，并回填隧道顶覆土7。
本发明的工作原理为：
缓冲垫层1在运营初期无膨胀力时可以将上部隧道结构荷载传递至底部地层，随着运营时间的推移，当底部膨胀土地层2遇水膨胀，产生膨胀力时，该膨胀力会首先挤压缓冲垫层1，使缓冲垫层1产生压缩变形，甚至压碎，产生压缩变形的缓冲垫层1一方面可以消除部分膨胀力，另一方面可以继续起到结构与地基之间力的传递作用。因此隧道底膨胀土地层2遇水膨胀后，通过缓冲垫层1的压缩变形和传力，传递到主体结构底板3的膨胀力相比没采用本发明结构时小得多，确保隧道主体结构安全。
本发明的优势体现在：
1、缓冲垫层1通过压缩变形吸收膨胀力，保护隧道主体结构安全。
2、聚苯乙烯是一种作为替代填土的填筑材料，在道路工程使用广泛，是一种可控材料，力学稳定性较好，其性能和耐久性得到了工程实践的验证。
3、聚苯乙烯是一种良好的弹塑性材料，其应力应变特性如图3所示，达到弹性极限应力后，有一个较长的应力平台。该材料的最大应变可超过50％，弹性强度和最大屈服强度随材料密度而变化，常用密度20-50kg/m3，并根据计算需要进行室内试验确定。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构做任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种膨胀土地层消除膨胀力的明挖隧道结构，包括由顶板(5)、底板(3)和侧墙(4)组成的明挖隧道，所述顶板(5)的上方铺设有回填覆土(7)，侧墙(4)的外侧设有围护结构(6)，其特征在于：所述底板(3)与其下方的膨胀土地层(2)之间设有可变形的缓冲垫层(1)，所述缓冲垫层(1)由聚苯乙烯材料制备而成。
2.根据权利要求1所述的膨胀土地层消除膨胀力的明挖隧道结构，其特征在于：所述明挖隧道的底板(3)与其下方的膨胀土地层(2)之间设有多个沿水平向依次拼接的缓冲垫层(1)。
3.根据权利要求1所述的膨胀土地层消除膨胀力的明挖隧道结构，其特征在于：所述缓冲垫层(1)的平面尺寸为1m*1m。
4.根据权利要求1所述的膨胀土地层消除膨胀力的明挖隧道结构，其特征在于：缓冲垫层(1)的设计厚度不小于膨胀土地层(2)吸水膨胀产生的变形量的两倍。
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