CN107083971A - 一种零弯矩盾构隧道 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种零弯矩盾构隧道，该盾构隧道的横断面呈“上小、下大”的鸡蛋型；所述盾构隧道横断面轴线的中心水平直径位于其竖向直径的中心位置，所述盾构隧道横断面轴线的最大水平直径位于其中心水平直径的下方且两者的间距为偏心距△，竖向直径大于最大水平直径。本发明的优点是，相比传统的盾构隧道而言，在基本不增加工程造价的情况下，最大限度地减小盾构隧道的弯矩，从而减小盾构隧道的横断面变形，以及管片纵缝接头的张开变形，以此防止管片纵缝接头破损与渗漏水；此外，相对于现有的盾构隧道管片而言，可减少管片的钢筋使用量。
Description
技术领域
本发明属于地下空间工程技术领域，具体涉及一种零弯矩盾构隧道。
背景技术
如图1所示，现有的盾构隧道横断面普遍采用圆形结构，为了合理地利用截面空间，或提高施工效率，也有采用其它截面形式的盾构隧道，如横椭圆形、矩形、类矩形（宁波地铁三号线采用）、半圆形、马蹄形、双圆形、三圆形等。作为地下结构的盾构隧道承受的主要荷载为土压力，通常情况下，隧道承受的竖向土压力要大于水平土压力，从而导致盾构隧道发生横椭圆变形。如地铁设计规范规定，盾构隧道施工验收时最大的椭圆度变形为5D‰，D为隧道的直径，然而，对于某些地层条件，根本无法达到该规范要求。此外，软土地层的水平地层抗力系数小，隧道变形过程其水平土压力增量非常有限，因此，软土地区盾构隧道更容易发生横椭圆变形超限。如在上海、南京、杭州、宁波、天津、佛山等城市的地铁区间盾构隧道，均已大量出现了横椭圆变形过大。
从平面应变角度来看，盾构隧道可视为曲梁结构，且曲梁的长度远大于曲梁的高度，由结构力学可知，梁结构发生变形主要由弯矩所致。研究表明，盾构隧道发生横断面变形，绝大部分是由于管片纵缝接头转动所导致的（其它部分是由管片弯曲所致）。盾构隧道的横断面在弯矩作用下，管片纵缝接头位置易发生管片棱角破损，管片纵缝接头张开导致防水密封垫之间压应力减小，甚至防水密封垫之间完全张开，由此导致接头防水失效。此外，在弯矩作用下，管片纵缝接头连接螺栓受拉，当弯矩过大时将导致连接螺栓的螺纹发生塑性变形，从而导致管片纵缝接头破损。由此可见，管片纵缝接头的病害绝大部分是由盾构隧道横断面的弯矩所导致。为了减小管片纵缝接头所承受的弯矩，有本领域技术人员建议管片环分块时尽量将管片纵缝接头设计在弯矩较小的位置，最理想状态是纵缝接头位置的弯矩为0。但实际中不可能将所有的管片纵缝接头均设置在弯矩为0的位置，且为了施工的可操作性，隧道环向必须要有一定管片分块数量。
因此，若能设计出一种盾构隧道横断面形式，使盾构隧道在承受地层压力作用下，隧道横断面任一截面的弯矩均为0（即为“零弯矩盾构隧道”），上述问题可迎刃而解，也可以大大地减少管片配筋。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种零弯矩盾构隧道，该零弯矩盾构隧道通过将其横断面采用“上小、下大”的鸡蛋造型，最大限度地减小盾构隧道横断面的弯矩，从而减小盾构隧道的横断面变形。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种零弯矩盾构隧道，其特征在于所述盾构隧道的横断面呈“上小、下大”的鸡蛋型。
所述盾构隧道横断面轴线的中心水平直径位于其竖向直径的中心位置，所述盾构隧道横断面轴线的最大水平直径位于其中心水平直径的下方且两者的间距为偏心距△，竖向直径大于最大水平直径。
所述盾构隧道横断面轴线的中心水平直径、最大水平直径、偏心距△的计算公式分别为：
横断面轴线的中心水平直径
横断面轴线的最大水平直径
偏心距
式中，
a为所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径；
b为所述盾构隧道横断面轴线的中心水平直径；
c为所述盾构隧道横断面轴线的最大水平直径；
△为所述盾构隧道横断面轴线的最大水平直径的偏心距；
P 1为所述盾构隧道顶部位置的竖向土压力；
P 2为所述盾构隧道顶部位置的水平土压力；
P 3为所述盾构隧道底部位置大于所述盾构隧道顶部位置的水平土压力；
；
。
所述盾构隧道的横断面轴线在X-Y坐标系中X轴的正方向与负方向时分别满足以下计算公式：
其中，
X-Y坐标系中的坐标原点位于所述盾构隧道的竖向直径顶点位置，X轴与所述盾构隧道的中心水平直径相平行，Y轴与所述盾构隧道中的竖向直径相平行；
a为所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径；
P 1为所述盾构隧道顶部位置的竖向土压力；
P 2为所述盾构隧道顶部位置的水平土压力；
P 3为所述盾构隧道底部位置大于所述隧道顶部位置的水平土压力；
；
。
所述盾构隧道至少包括拱顶管片、拱底管片以及位于两侧的拱腰管片。
所述盾构隧道的管片厚度为其竖向直径的0.03～0.04倍。
当所述盾构隧道的竖向直径为其中心水平直径的1.5倍及以上时，所述盾构隧道内设置有中间隔板以将所述盾构隧道分隔为上、下两层。
所述拱腰管片的内壁上具有突出承台，所述中间隔板的两端分别支承于两侧的所述突出承台上。
所述突出承台上具有预留钢筋，所述预留钢筋与所述突出承台及所述拱腰管片内部主筋连接，并与所述中间隔板两端内部钢筋搭接并呈一体浇筑构成整体结构。
所述中间隔板为所述盾构隧道上层空间的轨道板。
本发明的优点是，在地层压力作用下，盾构隧道的弯矩大大地减小（理论是为零弯矩，但在设计时对于次要的荷载、可变荷载及偶然荷载均无法考虑，但是均为次要荷载），可大大减小盾构管片的配筋，且极大地减小了盾构隧道横向变形及管片纵缝接头的张开量，以此防止管片纵缝接头破损与渗漏水；通过合理的利用盾构隧道的内净空，如通过上下层通车模式，合理地利用的盾构隧道的横断面空间，且将上部轨道板进行现浇，加大了盾构隧道的纵向刚度；盾构隧道高度大于宽度，也加大了盾构隧道结构不均匀沉降过程中的纵向刚度。
附图说明
图1为现有盾构隧道的横断面示意图；
图2为本发明中零弯矩盾构隧道横断面受到的土压力模式示意图；
图3为本发明中零弯矩盾构隧道横断面形式及主要关键参数的示意图；
图4为本发明中零弯矩盾构隧道横断面示意图；
图5为本发明中设置有中间隔板的零弯矩双层盾构隧道横断面示意图；
图6为本发明中零弯矩双层盾构隧道拱腰管片内侧设置有突出承台的横断面示意图；
图7为本发明中拱腰管片的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
如图1-7，图中标记1-4分别为：盾构隧道1、拱顶管片1a、拱腰管片1b、拱底管片1c、中间隔板2、突出承台3、预留钢筋4。
实施例1：本实施例具体涉及一种零弯矩盾构隧道，根据区间盾构隧道的水平土压力系数及隧道的总体平均埋深进行分析，并根据地展特性分析盾构隧道的周围土压力模式，在此基础上采用设计出其合理轴线，得到盾构隧道断面的横断面轴线以及其余关键参数，该盾构隧道的横断面在设计的主要水土压力作用下理论弯矩为零（即无弯矩）。
如图2、3、4所示，本实施例中盾构隧道1的横断面并非呈圆形构造，而是呈“上小、下大”的鸡蛋型构造，在盾构隧道1横断面轴线的竖向中心线位置处为其竖向直径a，竖向直径a为在竖直方向上最大的直径；在竖向直径a的中心点位置处为盾构隧道1横断面轴线的中心水平直径b，该中心水平直径b并非盾构隧道1横断面轴线上最大的水平直径，最大水平直径c具体位于中心水平直径b的下方，两者之间的间隔距离为偏心距△，该偏心距△即表示最大水平直径c偏离竖向直径a中心点位置的距离；其中，在正常埋深情况下，竖向直径a大于最大水平直径c，加大了盾构隧道1结构在不均匀沉降过程中的纵向刚度，并可减少盾构隧道1所承受到的竖向土压力，使其与水平土压力能够达到一个平衡。
在盾构隧道1的横断面上定义有X-Y坐标系（参见附图3所示，X-Y坐标系中的坐标原点位于盾构隧道1横断面轴线的竖向直径a顶点位置，X轴与盾构隧道1的中心水平直径b相平行，Y轴与盾构隧道1中的竖向直径a相平行），盾构隧道1的横断面轴线在X轴的正方向与负方向时，分别满足以下两个计算公式：
此外，盾构隧道1横断面的中心水平直径b、最大水平直径c以及偏心距△的计算公式为：
上述计算式中，各参数的含义分别如下：
a为盾构隧道1横断面轴线的竖向直径，该参数为已知量；
b为盾构隧道1横断面轴线的中心水平直径；
c为盾构隧道1横断面轴线的最大水平直径；
△为盾构隧道1横断面轴线的最大水平直径的偏心距；
P 1为盾构隧道1顶部位置的竖向土压力；
P 2为盾构隧道1顶部位置的水平土压力；
P 3为盾构隧道1底部位置大于盾构隧道1顶部位置的水平土压力；
A为参变量，计算式为；
B为参变量，计算式为。
如图2所示，在水土的压力作用下，盾构隧道1的横断面理论弯矩为零，即无弯矩，但需要说明的是，在设计时对于次要的荷载、可变荷载及偶然荷载均无法考虑，但是均为次要荷载，所产生的弯矩影响不大。
如图4、6所示，本实施例中盾构隧道1由若干管片拼装而成，管片分块以满足施工的条件下尽量减少分块数量为宜，可以是四块、五块、六块，甚至更多；在本实施例中，盾构隧道1具体由拱顶管片1a、拱底管片1c以及两侧的拱腰管片1b组合而成，管片采用通缝拼装或错缝拼装，且相邻管片之间采用常规的连接方式；管片幅宽为1.2-2.0m之间，且各管片的厚度为盾构隧道1竖向直径a的0.03～0.04倍，从而满足强度要求。
本实施例中的零弯矩盾构隧道可用于各类地下隧道，例如过水隧道、地下管廊隧道、地铁隧道灯；当零弯矩盾构隧道作为地铁隧道进行使用时，在其横断面净空相对地铁列车使用限界多余较多的情况下，可考虑将多余横断面净空用做其它用功能，装修为其他地下管线使用，即所谓的地下管廊。
实施例2：在实施例1中零弯矩盾构隧道的基础上，本实施例具体涉及采用双层构造的零弯矩盾构隧道。
如图5-7所示，当零弯矩盾构隧道1横断面轴线的竖向直径a与中心水平直径b相差较大时（即当竖向直径a为中心水平直径b的1.5倍及以上时），盾构隧道1通过采用中间隔板2实现上、下双层构造的设计，具体结构如下：
本实施例中的盾构隧道1由拱顶管片1a、拱底管片1c以及两侧的拱腰管片1b拼装而成，除两侧的拱腰管片1b之外，其中的拱顶管片1a和拱底管片1c根据管片制作、运输、拼装的实际情况可考虑由数块管片拼装而成；在拱腰管片1b的内壁一侧设置有突出承台3，中间隔板2的两端部分别支承设置于盾构隧道1内壁的突出承台3上；需要说明的是，本实施例中的中间隔板2作为上部轨道板进行使用，其采用现浇方式进行施工，因此在突出承台3上具有竖向与水平的预留钢筋4，以便于同中间隔板2中的钢筋在浇筑之前进行搭接，从而在浇筑完成后，使中间隔板2与盾构隧道1中的拱腰管片1b形成整体结构，以加大盾构隧道1的纵向刚度。
本实施例中间隔板2所采用的现浇筑整体连接结构，相较于以往双层盾构隧道内中间隔层板所采用的拼装结构，具有整体性更好的特点，且本实施例中的中间隔板基本不受地层压力的影响，因此可以在完成盾构隧道1的拼装后再进行浇筑。
Claims (10)
1.一种零弯矩盾构隧道，其特征在于所述盾构隧道的横断面呈“上小、下大”的鸡蛋型。
2.根据权利要求1所述的一种零弯矩盾构隧道，其特征在于所述盾构隧道横断面轴线的中心水平直径位于其竖向直径的中心位置，所述盾构隧道横断面轴线的最大水平直径位于其中心水平直径的下方且两者的间距为偏心距△，竖向直径大于最大水平直径。
3. 根据权利要求2所述的一种零弯矩盾构隧道，其特征在于所述盾构隧道横断面轴线的中心水平直径、最大水平直径、偏心距△的计算公式分别为：
横断面轴线的中心水平直径
横断面轴线的最大水平直径
偏心距
式中，
a为所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径；
b为所述盾构隧道横断面轴线的中心水平直径；
c为所述盾构隧道横断面轴线的最大水平直径；
△为所述盾构隧道横断面轴线的最大水平直径的偏心距；
P 1为所述盾构隧道顶部位置的竖向土压力；
P 2为所述盾构隧道顶部位置的水平土压力；
P 3为所述盾构隧道底部位置大于所述盾构隧道顶部位置的水平土压力；
；
。
4.根据权利要求2所述的一种零弯矩盾构隧道，其特征在于所述盾构隧道的横断面轴线在X-Y坐标系中X轴的正方向与负方向时分别满足以下计算公式：
其中，
X-Y坐标系中的坐标原点位于所述盾构隧道的竖向直径顶点位置，X轴与所述盾构隧道的中心水平直径相平行，Y轴与所述盾构隧道中的竖向直径相平行；
a为所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径；
P 1为所述盾构隧道顶部位置的竖向土压力；
P 2为所述盾构隧道顶部位置的水平土压力；
P 3为所述盾构隧道底部位置大于所述隧道顶部位置的水平土压力；
；
。
5.根据权利要求2所述的一种零弯矩盾构隧道，其特征在于所述盾构隧道至少包括拱顶管片、拱底管片以及位于两侧的拱腰管片。
6.根据权利要求5所述的一种零弯矩盾构隧道，其特征在于所述盾构隧道的管片厚度为其竖向直径的0.03～0.04倍。
7.根据权利要求5所述的一种零弯矩盾构隧道，其特征在于当所述盾构隧道的竖向直径为其中心水平直径的1.5倍及以上时，所述盾构隧道内设置有中间隔板以将所述盾构隧道分隔为上、下两层。
8.根据权利要求7所述的一种零弯矩盾构隧道，其特征在于所述拱腰管片的内壁上具有突出承台，所述中间隔板的两端分别支承于两侧的所述突出承台上。
9.根据权利要求8所述的一种零弯矩盾构隧道，其特征在于所述突出承台上具有预留钢筋，所述预留钢筋与所述突出承台及所述拱腰管片内部主筋连接，并与所述中间隔板两端内部钢筋搭接并呈一体浇筑构成整体结构。
10.根据权利要求7所述的一种零弯矩盾构隧道，其特征在于所述中间隔板为所述盾构隧道上层空间的轨道板。
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