CN107762530B - 一种盾构隧道衬砌环的分块方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构隧道衬砌环及分块方法，该盾构隧道衬砌环包括七块依次连接的标准管片、两块分别与标准管片的两外侧连接的邻接管片和两邻接管片之间的一块封顶管片拼接构成；衬砌环沿纵向设置有纵向螺栓；该盾构隧道衬砌环的分块方法的步骤包括：根据盾构机起吊管片的最大起吊重量确定衬砌环中的标准管片的数量，根据标准管片的数量选择纵向螺栓数，计算纵向螺栓在衬砌环各管片上的分配方案、各管片对应的圆心角度值和重量，验证盾构机的起吊能力。本发明提供的盾构隧道衬砌环适用于直径为12m的盾构隧道，本发明提供的盾构隧道衬砌环的分块方法能够任意直径隧道管片的分块，以便进行管片优化设计。

Description

一种盾构隧道衬砌环的分块方法

技术领域

本发明涉及盾构隧道领域，具体涉及一种盾构隧道衬砌环及分块方法。

背景技术

随着我国机械化程度和盾构技术水平的不断发展和提高，盾构法施工因其具有对地层扰动小、对环境影响小、机械化施工速度快等优势，已经逐渐成为城市地下铁道、跨江越海隧道等地下工程修建的主要方法。到目前为止，管片的分块类型非常少，通常在同一地区，盾构隧道采用统一的分块方式，而不考虑地层的差异性，更没有考虑管片受力的合理性，管片分块几乎没有优化。其理由很简单，首先是统一的管片分块利于设计院设计；其次是没有太多的管片分块类型用于比较，进而优化管片。管片优化后可以是结构受力优化、材料的用量、分块的数量和管片的运输以及拼装。优化后的管片可以节约社会资源，运用统一的分块何尝不是对社会资源的浪费。

为满足需求，盾构隧道断面的大小依据需求而变。受盾构机起吊管片能力的限制，隧道直径增大，管片分块数量会增多，隧道直径减小，管片分块数量可减少。然而，到目前为止，不同直径的管片分块类型非常少，甚至有的隧道直径没有管片的分块类型，给设计带来诸多不变，更谈不上管片的优化。隧道管片设计缺少一套完整的管片分块方法。

另外，针对直径为12m的盾构隧道，国内现在并没有专门适用的分块方案，由于不同直径的管片分块和设计有不同具体要求，将适用于其他直径的管片分块的衬砌环直接用于直径为12m的盾构隧道，在适用性上和可靠性上都存在问题。

发明内容

本发明针对现有技术的上述不足，提供了适用于直径为12m盾构隧道的管片分块的衬砌环，并提供一种能够任意直径隧道管片的分块，为不同直径的隧道提供管片分块方案，以便进行管片优化设计的盾构隧道衬砌环的分块方法。

为解决上述技术问题，本发明采用了下列技术方案：

提供了一种盾构隧道衬砌环的分块结构，其包括七块依次连接的标准管片、两块分别与所述标准管片的两外侧连接的邻接管片和两邻接管片之间的一块封顶管片拼接构成；所述衬砌环沿纵向设置有纵向螺栓，标准管片上纵向螺栓量x₁、邻接管片螺栓量x₂和封顶管片螺栓量x₃满足关系7x₁+2x₂+x₃＝20；封顶管片对应的圆心角角度为θ_B＝18x₁，邻接管片对应的圆心角角度为θ_L＝18x₂-9+θ，标准管片对应的圆心角角度为θ_F＝18x₃+18-2θ，θ为0～18°。

上述技术方案中，优选的，纵向螺栓共有二十颗，沿衬砌环圆周均匀分布。

上述技术方案中，优选的，标准管片上纵向螺栓量x₁、邻接管片螺栓量x₂和封顶管片螺栓量x₃分别取值为2、3、0，角度调整值θ取1，则封顶管片、邻接管片和标准管片对应的圆心角角度分别为16°、46°和36°。

本发明还提供了一种盾构隧道衬砌环的分块方法，其步骤包括：

步骤一、根据衬砌环和盾构机起吊管片的最大起吊重量G_盾构机，计算衬砌环中的标准管片的数量a；

步骤二、根据标准管片的数量a，选择均布于衬砌环上的纵向螺栓数n；

步骤三、计算有限组衬砌环中的标准管片上纵向螺栓量x₁、邻接管片螺栓量 x₂和封顶管片螺栓量x₃的非负整数解：

ax₁+2x₂+x₃＝n；

步骤四、计算衬砌环中标准管片、邻接管片和封顶管片对应的圆心角度值：

其中，θ_F为封顶管片的圆心角度值，θ_L为邻接管片的角度值，θ_B为标准管片的角度值；

步骤五、计算衬砌环各管片的重量：

其中，r为管片外半径，t为管片厚度，B为管片幅宽，θ为角度调整值，i 为标准管片、邻接管片或者封顶管片；

步骤六、当标注标准块、邻接块和封顶块中最大重量小于盾构机的最大起吊管片重量时，将该标注标准块重量、邻接块重量和封顶块重量所对应的参数作为管片分块方案。

进一步地，根据盾构机起吊管片的最大起吊重量G_盾构机确定衬砌环中的标准管片的数量a的方法包括：

当盾构机的最大起吊重量G_盾构机可调整时，此时标准管片的数量a满足条件 a>1；

当盾构机的最大起吊重量G_盾构机固定时，可采用半逆解法和逆解法计算得到 a值。

进一步地，采用半逆解法计算a值的方法包括：

任意选取一个大于1的a值；

根据a值获取标准管片、邻接管片、封顶管片的重量G_标准块、G_邻接块、G_封顶块，当G_标准块、G_邻接块、G_封顶块中最大重量大于等于盾构机的最大起吊管片重量时，增大a值，直至G_标准块、G_邻接块、G_封顶块中最大重量小于盾构机的最大起吊管片重量时，输出a值。

进一步地，采用逆解法计算a值的方法包括：

计算衬砌环的总重量G：

其中，γ为混凝土重度；

根据所述衬砌环的总重量G，计算管片分块的总块数m的取值范围：

其中，k为衬砌环总重量G相对于盾构机的最大起吊重量G_盾构机的富余系数，满足条件k>0；q为封顶管片圆心角角度与标准管片圆心角角度大小的协调系数，满足条件q为非负整数；

计算标准管片的数量a：

a＝m-3

进一步地，根据标准管片的数量a，选择均布于衬砌环上的纵向螺栓数n的方法包括：

当标准管片和邻接管片上至少有一个纵向螺栓，封顶块上不设置纵向螺栓时，纵向螺栓数n为：

n≥a+2

进一步地，标准管片两端纵向螺栓距该管片侧边边缘的距离是两颗相邻纵向螺栓距离的一半。

进一步地，邻接管片上与标准管片相邻一端的纵向螺栓距侧边边缘的距离是两颗相邻纵向螺栓间距离的一半。

本发明 提供的上述盾构隧道衬砌环的分块结构的主要有益效果在于：

通过将封顶块的圆心角调整为比现有9+1分块结构更小的角度，使得封顶管片上可以取消设置纵向螺栓，相对于现有结构，更便于拼装；通过将邻接管片的圆心角角度设置为大于标准管片的圆心角角度值，同时在邻接管片上均布设置比标准管片上更多的纵向螺栓，保证了封顶块与邻接管片的接合的刚度，进而保证隧道衬砌环的刚度。

通过将纵向螺栓的个数设置为二十颗，且沿圆周均匀分布配置，并将各管片对应的圆心角角度设置为整数，符合管片设计的习惯，在每个标准管片上均布设置两个纵向螺栓，保证了标准管片的安装强度和刚度。

满足大直径盾构隧道管片分块的需要，适用于直径为12m的盾构隧道，对于直径为12m的盾构隧道，将管片的圆心角度数均取为整数，便于制造生产管片的模具。

本发明提供的上述盾构隧道衬砌环的分块方法的主要有益效果在于：

通过本方法，为盾构机上的隧道衬砌环管片提供一套完整的分块方法，避免现有分块优化设计中依靠经验进行粗选分块设计方案的缺陷；本方法能够对任意直径隧道管片的分块，无论盾构机的起吊能力是否确定，都能快速得到对应不同直径的隧道的管片分块方案，方便进行进一步的管片优化设计。

通过将对应不同直径的隧道提供相应的分块方案，最大限度地优化衬砌环管片的结构受力、材料用量和分块数量，便于管片的运输和拼装，节约社会资源。

附图说明

图1为本发明所述盾构隧道衬砌环的结构示意图。

图2为本发明所述盾构隧道衬砌环的分块方法示意图。

其中，1、封顶管片，2、邻接管片，3、标准管片，4、纵向螺栓。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，其为本发明所述盾构隧道衬砌环的结构示意图。

提供了一种盾构隧道衬砌环，其包括七块依次连接的标准管片、两块分别与所述标准管片的两外侧连接的邻接管片和两邻接管片之间的一块封顶管片拼接构成；所述衬砌环沿纵向设置有纵向螺栓，标准管片上纵向螺栓量x₁、邻接管片螺栓量x₂和封顶管片螺栓量x₃满足关系7x₁+2x₂+x₃＝20；封顶管片对应的圆心角角度为θ_B＝18x₁，邻接管片对应的圆心角角度为θ_L＝18x₂-9+θ，标准管片对应的圆心角角度为θ_F＝18x₃+18-2θ，θ为0～18°；其中，纵向螺栓共有20颗，沿衬砌环圆周均匀分布。

作为优选的取值，标准管片上纵向螺栓量x₁、邻接管片螺栓量x₂和封顶管片螺栓量x₃分别取值为2、3、0，角度调整值θ取1，则封顶管片、邻接管片和标准管片对应的圆心角角度分别为16°、46°和36°。

管片厚度为0.66m，管片幅宽为1.2m，管片重度为26kN/m³，对应盾构机起吊管片的能力为110kN。

通过将封顶块的圆心角调整为比更小的角度，取圆心角角度为16°，使得封顶管片上可以取消设置纵向螺栓，相对于现有结构，更便于封顶管片的拼装；通过将邻接管片的圆心角角度设置为46°，大于标准管片的圆心角角度值36°，同时在邻接管片上均布设置三个纵向螺栓，大于标准管片上的两个纵向螺栓，保证了封顶块与邻接管片的接合的刚度，进而保证隧道衬砌环的刚度。

通过将纵向螺栓的个数设置为二十颗，且沿圆周均匀分布配置，并将各管片对应的圆心角角度设置为整数，符合管片设计的习惯，在每个标准管片上均布设置两个纵向螺栓，保证了标准管片的安装强度和刚度。

具有这一分块结构的衬砌环，能够满足大直径盾构隧道管片分块的需要，适用于直径为12m的盾构隧道，对于直径为12m的盾构隧道，将管片的圆心角度数分别取为16°、46°、36°，即取为整数，便于制造生产管片的模具。

通过将衬砌环的管片厚度设置为0.66m，管片幅宽设置为1.2m，管片重度设置为26kN/m³，既参考并结合了现有生产施工中的惯例，便于生产，又能保证衬砌环各管片的重量小于盾构机起吊管片的能力，使得各管片能够有效起吊和安装。

下面是设计得到具有上述分块结构的盾构隧道衬砌环，所使用的盾构隧道衬砌环的分块方法，如图2所示，其包括如下步骤：

首先确定衬砌环分块应满足的条件。

根据定义，管片都是由一块封顶管片，两块非对称的邻接管片和若干块标准管片组成；衬砌环的各管片之间由若干纵向螺栓连接成隧道，为满足错缝拼装的要求，纵向螺栓在每块管片的分布满足如下条件：

纵向螺栓在衬砌环上对称均匀分布，以保证纵向螺栓在旋转安装中的对应。

标准管片两端纵向螺栓距该管片侧边边缘的距离是两颗相邻纵向螺栓距离的一半。

邻接管片上与标准管片相邻一端的纵向螺栓距侧边边缘的距离，是两颗相邻纵向螺栓间距离的一半；而邻接管片上与封顶管片相邻一端的纵向螺栓没有距离设置要求。

封顶管片上对是否设置纵向螺栓不作强制要求。

本方法隧道衬砌环的分块方法包括以下步骤：

步骤一、根据盾构机起吊管片的最大起吊重量G_盾构机，计算衬砌环中的标准管片的数量a。

盾构机施工安装管片时，其起吊能力是有限的，因此需要考虑盾构机起吊能力对管片分块的影响，标准管片的数量a的确定方法包括：

当盾构机的最大起吊重量G_盾构机可调整时，此时标准管片的数量a满足条件 a>1，a越大，每块管片的圆心角度数就越小；此时确定a的方法最简单，要求也最低，只需选择a值，并根据管片的大小、重量设计盾构机的起吊能力即可。

当盾构机的最大起吊重量G_盾构机固定时，可采用半逆解法和逆解法计算得到 a值。

采用半逆解法计算a值的方法包括：

任意选取一个大于1的a值；根据a值获取标准管片、邻接管片、封顶管片的重量G_标准块、G_邻接块、G_封顶块，当G_标准块、G_邻接块、G_封顶块中最大重量大于等于盾构机的最大起吊管片重量时，增大a值，直至G_标准块、G_邻接块、G_封顶块中最大重量小于盾构机的最大起吊管片重量时，输出a值；半逆解法的优点在于适应思维分析的习惯，缺点在于当a取值不合理，导致管片重量大于盾构机起吊管片的能力，需要调整a值，进行重复的运算操作，其计算量具有偶然性。

采用逆解法计算a值的方法包括：

计算衬砌环的总重量G：

其中，γ为混凝土重度。

根据所述衬砌环的总重量G，计算管片分块的总块数m的取值范围：

其中，k为衬砌环总重量G相对于盾构机的最大起吊重量G_盾构机的富余系数，满足条件k>0；q为封顶管片圆心角角度与标准管片圆心角角度大小的协调系数，满足条件q为非负整数。

当q＝0时，近似把圆环均分，此时封顶管片和标准管片的圆心角角度近似相等；当q增大时，封顶块的圆心角角度减小，分块数量m增加；一般地，封顶管片的圆心角角度一般小于比邻接管片和标准管片，因此，q值一般取正整数。

此时可以计算得到标准管片的数量a：

a＝m-3 (3)。

步骤二、根据标准管片的数量a选择均布于衬砌环上的纵向螺栓数n，其方法包括：

当标准管片和邻接管片上至少有一个纵向螺栓，封顶块上不设置纵向螺栓时，纵向螺栓数n为：

n≥a+2 (4)。

在此基础上，可以对n值进行优化，通过建立三维空间模型进行受力分析，以进一步对n值择优选取。

步骤三、计算有限组衬砌环中的标准管片上纵向螺栓量x₁、邻接管片螺栓量 x₂和封顶管片螺栓量x₃的非负整数解：

ax₁+2x₂+x₃＝n(5)。

步骤四、计算衬砌环中标准管片、邻接管片和封顶管片对应的圆心角度值：

其中，θ_F为封顶管片的对应圆心角度值，θ_L为邻接管片对应的角度值，θ_B为标准管片对应的角度值。

步骤五、计算衬砌环各管片对应的重量：

其中，r为管片外半径，t为管片厚度，B为管片幅宽，θ为角度调整值，i 为标准管片、邻接管片或者封顶管片。

步骤六、验证盾构机的起吊能力，当标注标准块、邻接块和封顶块中最大重量小于盾构机的最大起吊管片重量时，将该标注标准块重量、邻接块重量和封顶块重量所对应的参数作为管片分块方案。

下面利用上述盾构隧道衬砌环的分块方法设计的直径12m的盾构隧道衬砌环：

对于大直径盾构隧道，管片厚度一般为直径的5.5％，因此直径为12m的盾构隧道对应的管片厚度t为0.66m；国内管片通用幅宽B有1.2m、1.5m、2m；考虑到盾构直径较大，幅宽过大会导致管片重量增大，进而增大盾构机的起吊压力，因此管片幅宽B取1.2m。管片重度γ取常用重度26kN/m³。经调研，盾构机起吊管片的能力G_盾构机可取110kN，因此，取盾构机起吊管片能力的富余系数为1.3。

步骤一、确定标准块数量a。

下面利用逆解法确定标准块数量a：

首先计算衬砌环的总重量G：

则管片分块数量m满足条件：

考虑到封顶块一般比较小，因此协调系数q＝1。

则有：

m>8.7+q＝9.7

则根据式(3)可以得到：

a＝m-3>6.7

a为正整数，所以取a＝7。

步骤二、确定纵向螺栓数n。

对于该分块，纵向螺栓数需满足条件：

n>a+2＝9

螺栓数考虑到隧道纵向管片环间需要足够大的刚度，同时为便于设计，因此n取20颗。

步骤三、计算纵向螺栓在衬砌环各管片上的分配方案，螺栓与管片的关系上应满足式(5)：

7x₁+2x₂+x₃＝20

其中x₁、x₂、x₃为非负整数，所以可确定有限组解满足该等式。

步骤四、计算衬砌环各管片对应的圆心角度值，下面列举四组解，以方便说明。

取封顶管片、邻接管片、标准管片的数量分别为1、2、7，则有：

(1)封顶管片、邻接管片、标准管片分得的螺栓x₁、x₂、x₃分别为：0、3、2，进而得到：

封顶管片θ_F角度范围为：18-2θ；

邻接管片θ_L角度范围为：45+θ；

标准管片θ_B角度范围为：36；

其中：θ的取值范围为0到18。

(2)封顶管片、邻接管片、标准管片分得的螺栓x₁、x₂、x₃分别为：2、2、2，进而得到：

封顶管片θ_F角度范围为：54-2θ；

邻接管片θ_L角度范围为：27+θ；

标准管片θ_B角度范围为：36；

其中：θ的取值范围为0到18。

(3)封顶管片、邻接管片、标准管片分得的螺栓x₁、x₂、x₃分别为：3、5、1，进而得到：

封顶管片θ_F角度范围为：72-2θ；

邻接管片θ_L角度范围为：81+θ；

标准管片θ_B角度范围为：18；

其中：θ的取值范围为0到18。

(4)封顶管片、邻接管片、标准管片分得的螺栓x₁、x₂、x₃分别为：4、1、2，进而得到：

封顶管片θ_F角度范围为：90-2θ；

邻接管片θ_L角度范围为：9+θ；

标准管片θ_B角度范围为：36；

其中：θ的取值范围为0到18。

为符合设计习惯，取第(1)组解θ＝1，即封顶管片角度16°、邻接块46°、标准块36°。

步骤五、计算衬砌环各管片对应的重量；由于邻接管片圆心角度数最大，因此计算邻接块的重量G_邻接块：

步骤六、验证盾构机的起吊能力，将邻接块的重量G_邻接块作为起吊能力验算，与盾构机起吊管片的能力G_盾构机对比，得到：

G＝93.7kN<110kN

故满足要求。

因此，可得到一组直径12m的盾构隧道衬砌环管片分块结构，如图1所示，其具体参数如下：

标准块数量a为7个，纵向螺栓数n为20个，封顶管片、邻接管片、标准管片分得的螺栓x₁、x₂、x₃分别为：0、3、2，封顶管片的圆心角角度为16°、邻接块46°、标准块36°，管片厚度t为0.66m，管片幅宽B为1.2m，管片重度γ为 26kN/m³，对应盾构机起吊管片的能力G_盾构机为110kN。

上面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1.一种盾构隧道衬砌环的分块方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、根据盾构机起吊管片的最大起吊重量G_盾构机，计算衬砌环中的标准管片的数量a；

步骤二、根据标准管片的数量a，选择均布于衬砌环上的纵向螺栓数n；

步骤三、计算有限组衬砌环中的每块标准管片上纵向螺栓量x₁、每块邻接管片上纵向螺栓量x₂和封顶管片上纵向螺栓量x₃的非负整数解：

ax₁+2x₂+x₃＝n；

步骤四、计算衬砌环中标准管片、邻接管片和封顶管片对应的圆心角度值：

其中，θ_F为封顶管片的圆心角度值，θ_L为邻接管片的圆心角度值，θ_B为标准管片的圆心角度值，θ为角度调整值；

步骤五、计算衬砌环各管片的重量：

其中，r为管片外半径，t为管片厚度，B为管片幅宽，i为标准管片、邻接管片或者封顶管片，γ为混凝土重度 ；

步骤六、当标注标准管片 、邻接管片 和封顶管片 中最大重量小于盾构机起吊管片的最大起吊重量时，将该标注标准管片 重量、邻接管片 重量和封顶管片 重量所对应的参数作为管片分块方案。

2.根据权利要求1所述的盾构隧道衬砌环的分块方法，其特征在于，所述根据盾构机起吊管片的最大起吊重量G_盾构机计算衬砌环中的标准管片的数量a的方法包括：

当盾构机的最大起吊重量G_盾构机可调整时，此时标准管片的数量a满足条件a>1；

当盾构机的最大起吊重量G_盾构机固定时，可采用半逆解法和逆解法计算得到a值。

3.根据权利要求2所述的盾构隧道衬砌环的分块方法，其特征在于，采用半逆解法计算a值的方法包括：

任意选取一个大于1的a值；

根据a值获取标准管片、邻接管片、封顶管片的重量G_标准块、G_邻接块、G_封顶块，当G_标准块、G_邻接块、G_封顶块中最大重量大于等于盾构机起吊管片 的最大起吊重量时，增大a值，直至G_标准块、G_邻接块、G_封顶块中最大重量小于盾构机的最大起吊管片重量时，输出a值。

4.根据权利要求2所述的盾构隧道衬砌环的分块方法，其特征在于，采用逆解法计算a值的方法包括：

计算衬砌环的总重量G：

其中，γ为混凝土重度；

根据所述衬砌环的总重量G，计算管片分块的总块数m的取值范围：

其中，k为衬砌环总重量G相对于盾构机的最大起吊重量G_盾构机的富余系数；q为封顶管片圆心角角度与标准管片圆心角角度大小的协调系数；

计算标准管片的数量a：

a＝m-3。

5.根据权利要求1所述的盾构隧道衬砌环的分块方法，其特征在于，所述根据标准管片的数量a，选择均布于衬砌环上的纵向螺栓数n的方法包括：

当标准管片和邻接管片上至少有一个纵向螺栓，封顶管片 上不设置纵向螺栓时，纵向螺栓数n为：

n≥a+2。

6.根据权利要求1所述的盾构隧道衬砌环的分块方法，其特征在于，所述标准管片两端纵向螺栓距该管片侧边边缘的距离是两颗相邻纵向螺栓距离的一半。

7.根据权利要求6所述的盾构隧道衬砌环的分块方法，其特征在于，所述邻接管片上与标准管片相邻一端的纵向螺栓距侧边边缘的距离是两颗相邻纵向螺栓间距离的一半。