CN108076650A - 用于构建隧道的建造元件， 包括这种元件的隧道以及用于构建这种元件和这种隧道的方法 - Google Patents

Abstract

一种建造元件，用于构建隧道，包括由不可压缩的混凝土第一层(7)，和牢固地联合至第一层(6)的可压缩的第二层(7)，以形成单块预制建造元件，其构造为包含在隧道的部分中，第二层(7)包括材料(11)，该材料包括被粘合剂聚集的颗粒和浸没在材料(11)中的空腔(51至55)。

Description

用于构建隧道的建造元件，包括这种元件的隧道以及用于构 建这种元件和这种隧道的方法

技术领域

本发明涉及隧道的构建，特别是地下隧道，并涉及这样的隧道的建造元件。

背景技术

在隧道的领域中，通常在地下挖出空腔，然后隧道利用拱砌块形成在该空腔中。一旦彼此组装，拱砌块对应于构成隧道的环形部分的元件。当在地下挖出空腔时，地面的平衡改变，且或多或少施加强烈的推力，其倾向于关闭由此形成的空腔，该现象称为“地面会聚(ground convergence)”。

可引用法国专利申请FR1200989，其披露了一种包括覆盖隧道外壁的涂层的地面会聚衰减系统，且其包括装置，每个所述装置设置有通孔。这些具有通孔的装置在涂层内产生自由空间，称为残余容积，其特别是参与地面会聚的衰减。特别地，地面的推力倾向于占据残余容积，即未被装置占据的容积，这允许推力被衰减。但是为了获得涂层，装置必须注射在隧道的外壁和地面的内表面之间界定的空间中。但是，当执行隧道的建造时，地面元件可粘合在被界定空间中，且可阻碍装置的注射，这可防止装置以均匀的方式围绕隧道的外壁布置。

还可以引用英国专利申请GB2013757和美国专利US4363565，其也披露了一种由预制的混凝土拱砌块构建隧道的方法。在用于构建隧道之前，每个预制混凝土拱砌块包括可压缩材料(诸如聚乙烯泡沫)层，其粘到拱砌块外表面上。但是，当拱砌块被存储或被运输时，泡沫可被损坏，这可导致其机械压缩和变形属性的损失。此外，难以将泡沫粘住，以将其粘连至拱砌块。

因此有利的是，提供一种适于构建隧道的建造元件，和由这样的元件构建的隧道，以及特别地提供用于构建这样的元件和这样的隧道的方法。

发明内容

本发明的一个目的在于缓解如上所述的缺点，特别是提供容易获得和实施的器件，以衰减施加在隧道上的地面会聚。

本发明的另一目的是提供一种器件，用于在建造元件的储存或运输期间确保建造元件的机械地面会聚的衰减属性。

根据一个特征，提出一种建造元件，用于构建隧道，包括混凝土制成的不可压缩的第一层，和牢固地联合至第一层的可压缩的第二层，以形成单块预制建造元件，其构造为包含在隧道的部分中。

第二层包括材料，该材料包括被粘合剂聚集的颗粒和浸没在材料中的空腔。

由此提供了预制建造元件，其适于构建隧道的部分。这样的单块建造元件容易操作，且其制造可被监视，以便获得均一的隧道部分，以便掌控地面会聚方面的隧道性能。此外，形成在材料中的空腔确定第二层的可压缩性。换句话说，空腔允许地面会聚，且松弛施加在第一层上的应力。此外，因为空腔浸没在材料中，它们在建造元件的储存期间被保护，从而建造元件在用于隧道部分中时保留其可压缩属性。

粘合剂可包括水泥。

颗粒通过水泥的聚集允许获得作为第二层材料的砂浆。砂浆特别适于与混凝土第一层粘合，同时允许地面会聚，且松弛施加在第一层上的应力。实际上不是必须使用特定的粘合剂膜，以将两层单体预制元件5粘结到彼此。砂浆此外是抗震的，且允许第二层的空腔在建造元件的运输发生时被保护，同时保留建造元件的机械可压缩性和变形属性。

第二层可包括浸没在材料中的多个装置，每个装置具有硬实本体，所述硬实本体界定至少一个封闭的自由空间。

装置的硬实本体可由陶瓷或由塑料制成。

第二层可包括浸没在材料中的多个部件，每个部件具有多孔硬实本体，所述多孔硬实本体设置有多个通孔和多个封闭的自由空间。

第二层可还包括在材料中产生气体的化合物，所述气体形成空腔。

根据另一个特征，提出一种隧道，其位于在地面中挖空的空腔中，隧道的至少一个部分由至少一个如前所述的两层建造元件形成。

根据另一个特征，已经提出一种用于制造建造元件的方法，用于构建隧道，包括以下步骤：

-制造混凝土的不可压缩的第一层；和

-制造牢固地联合至第一层的可压缩的第二层，以形成单块预制建造元件，其构造为包含在隧道的部分中。

第二层由材料制成，该材料包括被粘合剂聚集的颗粒和浸没在材料中的空腔。

每个具有硬实本体的装置可浸没到材料中，该硬实本体界定至少一个封闭的空腔。

空腔可还通过气体注射到材料中被制造。

根据另一个特征，提出一种构建隧道的方法，其包括以下步骤：

-通过隧道钻机在地面中形成空腔；和

-随着隧道钻机逐渐行进，形成位于空腔内的隧道的部分，至少一个部分由至少一个如前所述的两层建造元件形成。

附图说明

其他优势和特征将从本发明的特定实施例和实施方式的以下描述更加清楚显示，其出于非限制性例子目的给出，且在附图中示出，其中：

图1示意性地示出根据本发明的隧道的实施例的横截面视图；

图2示意性地示出根据本发明的建造元件的实施例；

图3、5和7示意性地示出包含在隧道中的建造元件的实施例，且其处于在地面会聚之前的初始状态；

图4、6和8分别示意性示出在地面会聚之后的平衡状态的图3、5和7的实施例；

图9示意性地示出设置有封闭空腔的装置的实施例的透视图；

图10示意性地示出图9的装置的横截面视图；

图11示意性地示出图9的装置的左侧视图；

图12至16示意性地示出建造元件的构建方法的实施例的主要步骤；和

图17示意性地示出构建图1的隧道的隧道钻机的横截面视图。

具体实施方式

概括地说，尽管本发明在隧道领域获得特别的优势，其可还应用于在地下空腔中构建且构造为抵抗地面会聚的任何系统，例如局部或全部埋入的接收座或箱体。

在图1中，已经示出在空腔2中制造的隧道1，该空腔2在地面3中挖空，换句话说，其是地下隧道。隧道1可以是敞开的，且可以是倒U形的，且可还是封闭的，且可具有卵形或任何其他形状。优选地，隧道1具有大体管状的形状。隧道1包括位于空腔2内的部分4。至少一个部分4且优选地每个部分4由组装在一起的建造元件5构建。至少一个建造元件5包括混凝土制成的不可压缩的第一层6。例如，当隧道1的部分4具有环形形状时，第一层6具有弯曲六面体的形状。建造元件5还包括可压缩的第二层7，其牢固地联合至第一层6，以形成单块类型的预制建造元件5，如图2所示。由于第二层7牢固地联合至第一层6，其贴合地沿着第一层6的形状。构建元件5由此被构造为包含在隧道1的部分4中。当第一和第二层6、7具有弯曲六面体的形状，建造元件5则形成具有可压缩部件7的拱砌块。建造元件5被预制，即，其在隧道1被构建之前制造。换句话说，建造元件5被预先构建，且多个建造元件5然后组装到彼此，以便形成隧道1的部分4。由此避免了通过在拱砌块和地面3之间注射材料而形成衰减涂层的必要性。建造元件5实际上事先包含可压缩层7，且因此具有一体的机械衰减属性。此外，单块元件是指可移动元件，其在运输时保持物理完整性和其机械属性，例如当元件从其制造区域移动到其被放置的隧道1的部分4的位置时。换句话说，建造元件5被构造为包含在隧道1的部分4中，且特别地包含在被构建的部分4中。

建造元件5的不同实施例已经在图3至8中示出。一般地，第二层7包括材料11，该材料包括被粘合剂聚集的颗粒和浸没在材料中的空腔51至55。粘合剂使得颗粒聚集，以获得密实材料11。密实材料11特别地为第二层7提供机械强度属性。就空腔51至55而言，它们允许第二层被制成为可压缩，即，当发生地面会聚3时，第二层7的厚度E可减小。

在初始状态，地面3在隧道1上施加初始会聚压力。由于地面3的移动，地面将倾向于朝向空腔2的内部会聚。地面3的该会聚将增加施加在第二层7上的压力。在该压力增加的作用下，材料11将占据空腔51至55的位置，第二层7将变形。可压缩的第二层7的变形将由此允许地面3朝向隧道1的内侧逐渐地移动，直到地面3占据平衡状态。在平衡状态，会聚压力小于初始压力。可压缩的第二层7因此允许地面3的会聚被衰减，直到实现平衡状态，为此会聚压力由建造元件5支撑，即，不可压缩的第一层6在平衡时在会聚压力下不变形。

第二层7的厚度E根据期望获得的地面3的会聚的衰减被选择。特别地，厚度E根据地面3关于其初始位置的位移被选择，其可被建造元件5支撑。在初始位置中，地面3处于距第二层7的外表面的初始距离F处，如图1所示。初始距离F对应于自由空间F的厚度。此外，厚度E还取决于第二层7的可压缩性。

更特别地，颗粒通过粘合剂的聚集允许获得硬实材料11，其可提供与当地面3的会聚发生时地面3施加的应力相反的抵抗力。材料11还适于在建造元件5运输以将其包含在隧道1的部分4中期间发生的撞击的情况下，保护空腔51至55，并保留第二层7的可压缩属性。颗粒可以是沙或砾石，或二者的混合物。粘合剂允许颗粒的聚集，且可以是水泥、石膏、石灰、沥青、黏土或塑料材料(例如合成树脂)。以可选的方式，材料11可包括一个或多个辅助剂，以为材料11提供特定属性。

砂浆优选地用作第二层7的材料11，其由细颗粒(例如沙)、水泥和水的混合物制成。有利地，细颗粒具有小于4mm的直径，以改善第二层7的变形。与水混合的水泥形成糊状物，其在水泥和水之间的化学反应之后逐渐硬化。砂浆特别是适合的，因为其容易地附连至不可压缩混凝土制成的第一层6，这有助于建造元件5的制造。实际上不是必须使用特定的粘合剂，以将元件5的两层6、7粘结到彼此。以有利的方式，砂浆包括产生空气的辅助剂，以导致材料11中形成空气的微泡。木素磺化盐或松香酸树脂可例如用作产生空气的辅助剂。

与第二层7的材料11不同，不可压缩的第一层6由混凝土制成。混凝土是指通过厚颗粒、细颗粒、水泥和水的混合物获得的材料，所述厚颗粒即具有4至50mm直径的颗粒，诸如砾石，细颗粒即具有小于4mm直径的颗粒，诸如沙。第一层6的混凝土没有空腔，且因此是不可压缩的，即，其在地面3的会聚施加的应力下没有变形。混凝土优选地被增强。被增强的混凝土包括金属条，用于增强第一层6。

在图3和4中，已经展示优选实施例，其中，第二层7包括多个装置8，其每个具有界定至少一个封闭自由空间10的硬实本体9，如图9至11所示。更特别地，装置8浸没在第二层7的材料11中，换句话说，第二层7在装置8之间不具有任何间隙。在该情况下，每个被封闭的自由空间10形成空腔51至55，其浸没在材料11的心部中。由此获得均匀的第二层7，其具有可压缩性。这样的装置8也在图9至11中示出。在图3中示出初始状态，其中，在会聚之前，地面3与建造元件5的第二层7接触。在初始状态中，装置8的本体具有初始形状，第二层7具有初始厚度Gi。当地面3会聚时，如图4所示，可压缩的第二层7变形，且允许地面3朝向隧道1的中心移动。地面3可使装置8破坏或变形，直到达到平衡状态，其中，地面3处于距第一层6的外表面的平衡距离Ge处，如图4所示。平衡距离Ge小于初始距离Gi。装置8的破坏强度低于地面的会聚压力，以便允许装置的挤压。被破坏的装置已经通过附图标记8a展现。换句话说，全部或一些装置8可包括它们被破坏的状态。这允许地面3的移动被吸收而没有损坏隧道1。

通过破坏或弯曲，特别是由于它们的空的空间10，装置8的硬实本体9可变形，以允许第二层7的变形。由此设置具有残余容积的可压缩层7，该残余容积通过每个装置8的被封闭自由空间的总和形成，这提供了地面3的会聚的衰减属性。

例如，装置8可由陶瓷制成。陶瓷提供了良好的强度，同时是可破坏的，以高效地衰减地面3的会聚。当装置8的本体9破坏时，地面3可朝向隧道1的内部会聚。装置8可还由玻璃或由砂浆制成，其正如陶瓷一样是可由地面3的会聚作用破坏的材料。作为变体，装置8可由金属或由塑料制成。装置8全部基本上相同，以便获得均匀的第二层7。

在图5和6中，已经示出另一实施例，其中，第二层7包括具有多孔硬实本体的部件40，该多孔硬实本体设置有多个通孔和多个封闭的自由空间10。通孔是指在部件40的硬实本体的表面处的敞开的通道或孔。优选地，通孔的直径小于材料11的颗粒。并且，封闭的自由空间10是指包封在部件40内的空的空间。部件40可由此通过破坏或弯曲变形。部件40的本体可由玻璃、塑料或陶瓷制成。例如，部件40是聚苯乙烯球。优选地，部件40浸没在材料11中，即，第二层7在部件40之间不具有任何间隙。在图5中已经示出初始状态，其中，在会聚之前，地面3与建造元件5的第二层7接触。在初始状态中，部件40具有初始形状，第二层7具有初始厚度Gi。当地面3会聚时，如图6所示，可压缩的第二层7变形，且允许地面3朝向隧道1的中心移动。地面3可使部件40破坏或变形，直到达到平衡状态，其中，地面3处于距第一层6的外表面的平衡距离Ge处。平衡距离Ge小于初始距离Gi。部件40的破坏强度低于地面3的会聚压力，以便允许部件40的变形。被破坏的部件已经通过附图标记40a示出，且被变形的部件通过附图标记40b示出。换句话说，全部或一些部件40可包括它们被破坏或被变形的状态。这允许地面3的移动被吸收而没有损坏隧道1。

在图7和8中，已经示出另一实施例，其中，浸没到第二层7的材料11中的空腔51至55由注射气体到材料11中获得。例如，当砂浆正在硬化时，空气可注射到砂浆中。空腔51至55可还通过将产生气体的化合物注射到材料11中而产生。当材料11的粘合剂是水泥时，产生气体的化合物与水泥反应，以产生形成空腔51至55的气体释放。适用于水泥的产生气体的化合物例如可以是铝或锌粉末，或过氧化物或碳化钙。形成的气体导致材料11的膨胀，以产生空腔51至55当地面3的会聚发生时，每个空腔51至55允许材料11容纳在空腔51至55中。在图5中已经示出初始状态，其中，在会聚之前，地面3与建造元件7的第二层7接触。在初始状态中，空腔51至55占据材料11中的初始容积，第二层7具有初始厚度Gi。当地面3会聚时，如图8所示，可压缩的第二层7变形，且允许地面3朝向隧道1的中心移动。地面11填充空腔51至53，直到达到平衡状态，其中，地面3处于距第一层6的外表面的平衡距离Ge处。平衡距离Ge小于初始距离Gi。第二层7的压缩强度低于地面的会聚压力，以便允许材料填充空腔51至55。在平衡状态之后仍存在的空腔已经通过附图标记54和55示出。换句话说，第二层7吸收地面3的移动，而没有破坏隧道1。

第二层7可包括在浸没到材料11中的各上述元件之间的不同组合，即，由气体注射到材料中获得的空腔51至55、和/或具有封闭的自由空间10的装置8、和/或具有多孔本体的部件40。

图9至11示出装置8的实施例，其本体9界定至少一个封闭的自由空间10。优选地，装置8具有由陶瓷制成的硬实本体9。陶瓷适于制造这些装置8，因为其在烧制步骤之前是可延展的，以便能够在装置8内形成封闭的自由空间10，且因为其在烧制之后是变为硬实的。装置8的硬实本体9特别地不可被液体穿透，例如，不可被在硬化之前的膏状砂浆和被硬化的砂浆穿透。例如，装置8的本体9沿装置8的纵向轴线A延伸，且包括两个封闭的端部13、14。封闭的端部13、14可每个具有直的形状。在第一实施例中，如图9和10所示，端部13、14彼此平行。作为变体，端部13、14可彼此垂直。例如，装置8的本体9具有柱体形状。柱体是指，由直线(称为母线)通过封闭平曲线(称为准线)产生的柱体表面和切割母线的两个平行面限定的实体。特别地，本体9可具有管道的形式。装置8可还包括彼此连通或不连通的多个空腔。有利地，装置8的封闭空腔10防止它们彼此叠置，而不管它们的尺寸和形状。

在图12至16中，如前述限定的建造元件5的构建方法的实施例的主要步骤被示出。一般地，建造元件5通过执行以下步骤制造：

-不可压缩的第一层6由混凝土制成；和

-可压缩的第二层7由材料11制成，该材料包括被粘合剂聚集的颗粒和浸没在材料中的空腔51至55。

例如，为了制造混凝土的第一层6，敞开的且弯曲的平行六面体模架30用于获得拱砌块的形状，如图12所示。作为变体，模架30是敞开的，且没有弯曲，以制造具有各种形状的隧道部分，例如U形或卵形的。液态混凝土31则被浇入到模架30中，如图13所示。金属棒可还注射在液态混凝土31中，以获得被增强混凝土的不可压缩的第一层。然后，第一模板32被使用，其放置在混凝土31的表面上，且沿表面移动，以便形成弯曲的外表面。混凝土31被允许凝固，在混凝土已经完全硬化的情况下完全凝固，或者在混凝土没有完全硬化但表面已经充分硬化的情况下局部凝固，以保留第一模板32给出的曲率。第一模板32然后被移除，由此获得第一层6，其具有弯曲的基部和外表面，如图14所示。模架元件33进一步固定在模架30的边缘上，以增加模架30的高度，且能够形成第二层7，如图15所示。然后材料11浇入到模架30中，且更特别地浇到第一层6的外表面上。根据一个实施例，当材料11被浇入时，第一层6的混凝土没有完全硬化。在该实施例中，材料至尚未完全硬化的第一层6的外表面的附连被增强。作为变体，可以等待直到混凝土已经完全硬化，然后浇入材料11。特别地，材料11在其硬化之前以糊状物的状态浇入。优选地，材料11的粘合剂是水泥，以获得作为材料11的砂浆。每个具有硬实本体9的装置8可随后与处于膏的状态的材料11混合，该硬实本体界定至少一个封闭的空腔10。具有多孔硬实本体的部件40可还与处于膏的状态的材料11混合。产生气体的化合物可还与处于膏的状态的材料11混合。气体可还通过气体注射器注射到处于膏的状态的材料11中。由此获得其中浸没有空腔51至55的材料。

然后使材料11硬化，以将可压缩的第二层7紧固至第一层6。然后使用第二模板35，其布置在材料11的表面上且在其上移动，以便在第二层7上形成弯曲外表面，如图15所示。然后使材料11硬化，以将第二层7紧固至第一层6。第二模板35然后被移除，获得被模架30围绕的单块预制元件5，如图16所示。模架30和模架元件33然后被移除，以获得单块预制建造元件5，如图2所示。

在图1中如前所述的隧道1的构造的实施例已经在图17中示出。根据该实施例，隧道钻机15在地面3中沿方向F1挖空空腔2。隧道钻机的前部20装备有用于破碎地面3的石块的器件，且包括石块挖出器件，为了简便没有示出。隧道钻机15的一部分随着隧道钻机15逐渐沿方向F1前进而执行建造元件5的布置。隧道钻机15还包括注射器件22，用于注射填充产品23，例如砂浆或砾石，以填充限定在构造元件5和空腔2的内壁之间的自由空间F中，该空腔通过隧道钻机15的行进而形成。附图标记F2所示的箭头示出当注射填充产品23时被填充产品采取的路径。填充产品23的注射允许填充层被形成，以占据建造元件5和地面3之间的自由空间F。

一般地，用于构建隧道的方法包括以下步骤：

-通过隧道钻机15在地面3中形成空腔2；

-随着隧道钻机15逐渐行进，形成位于空腔2内的隧道1的部分4，至少一个部分4由至少一个建造元件5构建，如前所述。

更具体地，当构造隧道1的部分4时，界定在隧道1的外壁和空腔2的内壁之间的自由空间F被保留，以布置建造元件5，以便形成隧道1的部分4。自由空间F然后填充有填充产品23。

已经在之前描述的建造元件有助于隧道的构建，同时确保隧道所处的地面的会聚的衰减。此外，其提供隧道的构建方法的更好的把握。这样的建造元件允许传统拱砌块的厚度减小，这明显减小构造隧道必须的混凝土的量。这样的建造元件制造简单，可容易运输，且确保牢固地联合至不可压缩层的可压缩层的保存，以便建造元件的运输和并入在隧道中。

Claims (12)

1.一种建造元件，用于构建隧道，包括由混凝土制成的不可压缩的第一层(6)，和牢固地联合至第一层(6)以形成单块预制建造元件的可压缩的第二层(7)，所述单块预制的建造元件构造为包含在隧道的部分中，其特征在于，第二层(7)包括材料(11)，该材料包括被粘合剂聚集的颗粒和浸没在材料中的空腔(51至55)。

2.根据权利要求1所述的建造元件，其中，粘合剂包括水泥。

3.根据权利要求1或2所述的建造元件，其中，第二层(7)包括浸没在材料(11)中的多个装置(8)，每个装置(8)具有硬实本体(9)，所述硬实本体界定至少一个封闭的自由空间(10)。

4.根据权利要求3所述的建造元件，其中，装置(8)的硬实本体(9)由陶瓷制成。

5.根据权利要求3所述的建造元件，其中，装置(8)的硬实本体(9)由塑料制成。

6.根据权利要求1至5中的一项所述的建造元件，其中，第二层(11)包括浸没在材料(11)中的多个部件(40)，每个部件(40)具有多孔硬实本体，所述多孔硬实本体设置有多个通孔和多个封闭的自由空间(10)。

7.根据权利要求1至5中的一项所述的建造元件，其中，第二层(7)在材料(11)内包括气体产生化合物，所述气体产生化合物形成空腔(51至55)。

8.一种隧道，其位于在地面(3)中挖空的空腔(2)中，隧道的至少一个部分由至少一个如权利要求1至7中的一项所述的两层建造元件(6、7)构造。

9.一种用于制造建造元件的方法，用于构建隧道，包括以下步骤：

-制造混凝土的不可压缩的第一层(6)；和

-制造可压缩的第二层(7)，可压缩的第二层(7)牢固地联合至第一层(6)，以形成单块预制建造元件，所述单块预制的建造元件构造为包含在隧道的部分中；

其特征在于，第二层(7)由材料(11)制成，该材料包括被粘合剂聚集的颗粒和浸没在材料(11)中的空腔(51至55)。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，具有硬实本体(9)的每个装置(8)浸没到材料(11)中，该硬实本体界定至少一个封闭的自由空腔(10)。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，空腔(51至55)通过将气体注射到材料(11)中被制造。

12.一种构建隧道的方法，其包括以下步骤：

-通过隧道钻机在地面(3)中形成空腔(2)；和

-随着隧道钻机逐渐行进，形成位于空腔(2)内的隧道的部分，至少一个部分由至少一个如权利要求1至7中的一项所述的两层建造元件(6、7)制成。