CN106121677A - Tbm施工中控制隧道管片错台的结构型式 - Google Patents

Tbm施工中控制隧道管片错台的结构型式 Download PDF

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陈卫忠
田洪铭
谭贤君
杨建平
杨典森
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中国科学院武汉岩土力学研究所
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    • E21D11/00Lining tunnels, galleries or other underground cavities, e.g. large underground chambers; Linings therefor; Making such linings in situ, e.g. by assembling
    • E21D11/04Lining with building materials
    • E21D11/08Lining with building materials with preformed concrete slabs

Abstract

本发明涉及TBM施工中控制隧道管片错台的结构型式,具体为TBM施工中控制错台的复合管片、隧道结构及施工方法,TBM施工中控制错台的复合管片,包括预制的混凝土管片单元,所述混凝土管片单元靠近围岩侧设有用以吸收围岩变形的缓冲材料层。TBM施工中控制错台的隧道结构,其中隧道衬砌由若干控制错台的复合管片拼装而成。在围岩与衬砌之间增设一层缓冲层材料,用于吸收围岩的变形,并使得管片上的受力更为均匀,以减小管片错台的发生。

Description

TBM施工中彳£制随道官片错台的结构型式
技术领域
[0001]本发明属于双护盾TBM隧道(洞)施工技术领域,涉及TBM施工中控制隧道管片错台的结构型式,具体涉及一种TBM施工中控制错台的复合管片、隧道结构及施工方法。
背景技术
[0002]目前,TBM隧道(洞)的衬砌多为由预制钢筋混凝土管片通过连接螺栓拼装而成。当围岩较弱或存在软硬夹层时,若围岩变形较大或者分布不均,很容易导致相邻管片变形不一致而出现错台。所谓错台就是指相邻管片由于围岩变形较大或者变形不一致,而出现相互错开的现象。
[0003]针对这一问题,传统的解决方法主要有两类,一类是以加固围岩,减小围岩变形为主,如围岩注浆、加大管片厚度等。这类施工方法具有成本高,施工工期长的缺点。另一类是以加强管片接头强度为主,如中国专利CN 103924982A公开了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。这种方式的缺点是结构复杂,对操作人员的技术素质要求过高,需要专业培训,而且存放管片时需要占据较大的空间;此外,对于围岩变形较大的情况,仍然容易发生管片的开裂或破坏,不能从根本上很好的解决围岩变形所导致的衬砌破坏的问题。
发明内容
[0004]本发明的目的是为克服上述现有技术的不足,提供一种TBM施工中控制隧道管片错台的结构型式,具体提供一种TBM施工中控制错台的复合管片、隧道结构及施工方法。
[0005]为了达成上述目的,本发明采用如下技术方案:
[0006] 一种TBM施工中控制错台的复合管片,包括预制的混凝土管片单元,所述混凝土管片单元靠近围岩侧设有用以吸收围岩变形的缓冲材料层。
[0007]缓冲材料的作用包括一方面利用其高压缩性吸收围岩的变形,减小管片上所受的围岩形变压力,从而减小管片的整体变形,防止管片错台的发生。另一方面,减小围岩软硬不均导致的管片上的应力集中,使管片的上的围岩压力更为均匀,减小管片错台的发生。
[0008]此处的复合管片为管片单元,若干复合管片拼装形成隧道管片的一环,相邻管片环之间通过接头连接,进而形成隧道的衬砌结构。
[0009]所述缓冲材料层与所述混凝土管片单元的大小一致。此处的大小一致,是指沿隧道周向和纵向的尺寸大小一致。缓冲材料层完全覆盖在混凝土管片单元的外侧,可以保证衬砌管片受力均匀。
[0010]所述缓冲材料层的厚度为5-20cm。缓冲材料层的厚度过小,无法充分吸收围岩的变形能,起不到显著降低承压管片受力的作用;缓冲材料层的厚度过大,TBM掘进机扩挖难以实现。缓冲材料层的厚度为5-20cm,相当于为围岩提供5-20cm的卸荷变形空间,既能起到显著降低承压管片受力的作用,又能保证围岩整体的稳定性,控制管片错台的综合效果达到最优水平。
[0011]所述缓冲材料的抗压强度为l-5MPa,可以确保在缓冲材料层的变形达到极限变形之前,管片基本不受力,在达到极限变形之后,缓冲层传递给管片部分围岩压力。缓冲层的存在确保相邻管片在不均匀荷载作用时,产生相对均匀的变形,减小相邻管片接头的受力,可以有效避免管片错台的发生。
[0012]所述缓冲材料的极限应变为70%_90%,缓冲材料层采用很强的压缩材料,其极高的变形能力为围岩提供了足够的卸荷变形空间,可以有效减小混凝土管片的受力。
[0013]所述缓冲材料层的材料采用聚氨酯或泡沫混凝土。采用聚氨酯和泡沫混凝土,施工工艺成熟,成本较低,且符合缓冲材料层相应的力学性能要求。
[0014]所述缓冲材料层与所述混凝土管片单元通过螺栓或粘贴的方式连接。当使用泡沫混凝土时,可以采用螺栓进行连接;当使用聚氨酯时,可以采用粘贴的方式连接。
[0015] TBM施工中控制衬砌管片错台的型式,其中管片衬砌由若干复合管片拼装而成。在衬砌管片外侧铺设缓冲层,可以利用围岩卸荷效应减小施加到每个管片上的力;此外,由于地应力是在一个系统中发生的,相邻的围岩应力具有相互适应和协调的特点,因此缓冲材料层可以使得相邻管片的受力更加均匀,减小衬砌管片受力不均匀导致的错台发生。
[0016] TBM施工中控制错台的施工方法,包括以下步骤:
[0017]步骤1:按照设计尺寸制作满足强度和变形要求的缓冲材料层;
[0018]步骤2:将所述缓冲材料层安装到预制混凝土管片单元的外侧,形成复合管片;
[0019]步骤3:利用TBM掘进机拼装所述复合管片,形成控制管片错台的隧道结构。
[0020]步骤I中,所述缓冲材料层的设计尺寸根据相应的混凝土管片单元的尺寸确定。[0021 ] TBM施工中控制错台的施工方法,包括以下步骤:
[0022]步骤I:制作复合管片,所述复合管片靠近围岩一侧设有缓冲材料层;
[0023]步骤2:利用TBM掘进机拼装所述复合管片,形成控制管片错台的隧道结构。
[0024]本发明的有益效果是:
[0025]在TBM隧道施工中,针对管片错台的传统的应对措施,往往是增加管片厚度、加固围岩或改变管片接头形式,希望通过增强衬砌结构的受力性能,来改善管片错台的问题。但是,在实际的地下工程中,特别是对于埋深较深的情况,受地质构造运动的影响,地应力往往非常大,单纯依靠提高衬砌结构的受力性能来承担巨大的地应力,往往起不到很好的效果。因此以往的工程实践中,即使将衬砌结构的承载能力大幅提高,在巨大的地应力面前,衬砌结构开裂破坏的现象仍然非常严重,根本无法有效解决管片错台的问题,既造成了施工成本的大幅增加,又无法收到良好的效果。
[0026]可见,在以往的TBM隧道衬砌设计中,只注重通过提高衬砌结构的受力性能来承担现有荷载,而没有考虑到如何通过减小荷载的措施来保证结构的长期稳定性。
[0027]在混凝土管片外侧铺设的缓冲层材料具有轻质、低弹和高压缩性的特点,缓冲层可以大大减小了施加到每个承压管片上的力;缓冲材料层可以使得相邻管片的受力更加均匀,减小承压管片受力不均匀导致的错台发生。
[0028]此外,控制管片错台的管片单元结构简单,没有凹凸结构,便于存放运输,而且施工过程简单,质量容易得到保证,大大降低了施工的经济成本。
附图说明
[0029]图1是传统的管片衬砌结构示意图;
[0030]图2是控制错台的隧道结构示意图;
[0031 ]图3是复合管片的结构示意图;
[0032]图4是缓冲材料层典型的应力-应变关系不意图;
[0033]图中:1.缓冲材料层,2.混凝土管片,3.管片单元。
具体实施方式
[0034]下面将结合附图对本发明进行详细说明。
[0035] 实施例1:
[0036]传统的TBM施工软岩隧道,如图1所示,当发生大变形时,很容易因为相邻的管片单元3变形不一致而导致错台。
[0037]在围岩与衬砌之间增设一层缓冲层材料,用于吸收围岩的变形,并使得管片上的受力更为均匀,以减小管片错台的发生。该缓冲材料可以采用聚氨酯、泡沫混凝土等具有高弹、低强和高延性特点的材料。缓冲材料可以再管片按照前预先按照在预制管片之上,然后随管片一起拼装。
[0038] 一种TBM施工中控制错台的复合管片,包括预制的混凝土管片2,混凝土管片单元的外侧设有用以吸收围岩变形的缓冲材料层I。
[0039]在隧道开挖过程中,由于围岩具有卸荷松弛效应,当临空面处的围岩向开挖面方向发生较小的位移时,围岩的地应力水平就会急剧降低。利用围岩卸荷松弛的这一特点,在传统的衬砌预制管片的外侧,布设缓冲材料层I,围岩在尚未变形时,对缓冲材料层I施加非常大的压力,但是缓冲材料层I的变形吸收了围岩大量的能量,而且随着卸荷松弛效应的发生导致围岩应力急剧减小,从而使围岩实际施加在预制承载管片上的压力大幅降低,大大减小了衬砌管片的受力。
[0040] 此处的混凝土管片单元即为普通的由钢筋混凝土构成的TBM混凝土管片单元。
[0041]缓冲材料层I与混凝土管片单元的大小一致。此处的大小一致,是指沿隧道周向和纵向的尺寸大小一致。缓冲材料层I完全覆盖在混凝土管片单元的外侧,可以保证衬砌管片受力均匀。
[0042]缓冲材料层I的厚度为5-20cm。缓冲材料层I的厚度过小,无法充分吸收围岩的变形能,起不到显著降低承压管片受力的作用;缓冲材料层I的厚度过大,容易引起围岩深层的卸荷裂隙发展张开,进而弱化岩体的整体强度,不利于围岩整体的稳定性。缓冲材料层I的厚度为5-20cm,相当于为围岩提供5-20cm的卸荷变形空间,既能起到显著降低承压管片受力的作用,又能保证围岩整体的稳定性,控制管片错台的综合效果达到最优水平。
[0043]缓冲材料层I采用的典型应力-应变关系曲线如图4所示,图中,Os为抗压强度,elim为极限应变,从图中可以看出,当缓冲材料层I的应力水平达到其抗压强度08后,仍具有较强的变形能力。缓冲材料的强度可以为l_5MPa,其极限应变eiim可达40-70%,可以很好的吸收围岩的形变压力,减小管片上的受力,从而减小错台发生的可能。
[0044]具体的,缓冲材料层I的材料采用聚氨酯或泡沫混凝土。采用聚氨酯和泡沫混凝土,施工工艺成熟,成本较低,且符合缓冲材料层I相应的力学性能要求。
[0045]缓冲材料层I与混凝土管片单元通过螺栓或粘贴的方式连接。当使用泡沫混凝土时,可以采用螺栓进行连接;当使用聚氨酯时,可以采用粘贴的方式连接。
[0046] —种TBM施工中控制错台的隧道结构,隧道衬砌由若干控制管片错台的复合管片拼装而成。在承压管片外侧铺设缓冲层,可以利用围岩卸荷效应减小施加到每个承压管片上的受力;此外,由于地应力是在一个系统中发生的,相邻的围岩应力具有相互适应和协调的特点,因此缓冲材料层I可以使得相邻管片的受力更加均匀,减小承压管片受力不均匀导致的错台发生。
[0047] TBM施工中控制错台的施工方法,包括以下步骤:
[0048]步骤I:按照设计尺寸,预制切割缓冲材料层I,制作满足强度和变形要求的缓冲材料层I;
[0049]步骤2:将缓冲材料层I安装到预制衬砌管片的外侧,形成控制错台的复合管片,当缓冲材料层I采用泡沫混凝土时,采用螺栓进行连接,当缓冲材料层I采用聚氨酯时,采用粘贴方式连接;
[0050]步骤3:利用TBM掘进机拼装复合管片,形成控制管片错台的隧道结构。
[0051]对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现,未予以详细说明的部分,为现有技术,在此不进行赘述。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种TBM施工中控制错台的复合管片,其特征在于:包括预制的混凝土管片单元,所述混凝土管片单元靠近围岩侧设有用以吸收围岩变形的缓冲材料层。
2.根据权利要求1所述的TBM施工中控制错台的复合管片,其特征在于:所述缓冲材料层与所述混凝土管片单元的大小一致。
3.根据权利要求2所述的TBM施工中控制错台的复合管片,其特征在于:所述缓冲材料层的厚度为5_20cmo
4.根据权利要求1所述的TBM施工中控制错台的复合管片,其特征在于:所述缓冲材料的抗压强度为l_5MPa。
5.根据权利要求1所述的TBM施工中控制错台的复合管片,其特征在于:所述缓冲材料的极限应变为70%-90 %。
6.根据权利要求1所述的TBM施工中控制错台的复合管片,其特征在于:所述缓冲材料层的材料采用聚氨酯或泡沫混凝土,所述缓冲材料层与所述混凝土管片单元通过螺栓或粘贴的方式连接。
7.—种TBM施工中控制衬砌管片错台的隧道结构,其特征在于:隧道管片衬砌由若干根据权利要求1-6任一所述的复合管片拼装而成。
8.一种TBM施工中控制错台的施工方法,其特征在于,包括以下步骤: 步骤1:按照设计尺寸制作满足强度和变形要求的缓冲材料层; 步骤2:将所述缓冲材料层安装到预制混凝土管片单元的外侧,形成复合管片; 步骤3:利用TBM掘进机拼装所述复合管片,形成控制管片错台的隧道结构。
9.根据权利要求8所述的TBM施工中控制错台的施工方法,其特征在于:步骤I中,所述缓冲材料层的设计尺寸根据相应的混凝土管片单元的尺寸确定。
10.一种TBM施工中控制错台的施工方法,其特征在于,包括以下步骤: 步骤1:制作复合管片,所述复合管片靠近围岩一侧设有缓冲材料层; 步骤2:利用TBM掘进机拼装所述复合管片,形成控制管片错台的隧道结构。
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