CN108150192B - 一种双层衬砌盾构隧道变形缝结构及盾构隧道 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半柔半刚的双层衬砌盾构隧道变形缝结构，包括管片、内衬，在非变形缝地段，所述管片和所述内衬间形成叠合结构连接；在变形缝地段，所述管片每间隔一预定长度L连续设置N道管片变形缝，N≥1且为整数，对应管片变形缝处，所述内衬设置内衬小节段，所述内衬小节段与相邻非变形缝地段的所述内衬交界处设置内衬变形缝，所述内衬变形缝与所述管片变形缝在纵向上错开布置；还提供一种盾构隧道。本发明变形缝纵向刚度高于常规柔性变形缝，可有效减小管片接缝张开量，提高双层衬砌结构的防水效果；变形缝段连续设置N道管片变形缝，共同分担管片接缝张开量；管片与内衬变形缝在空间上错开，可有效抵抗横向剪力，防止错台。

Description

一种双层衬砌盾构隧道变形缝结构及盾构隧道
技术领域
本发明属于隧道领域，具体涉及一种双层衬砌盾构隧道变形缝结构及盾构隧道。
背景技术
盾构隧道通常采用单层管片衬砌结构，但以下情况有时需要设置内衬：
(1)为了提高铁路盾构隧道结构抗火、耐撞能力；
(2)通过加大隧道纵向刚度，提高隧道抵抗不均匀沉降的能力；
(3)隧道运营期荷载有大幅变化；
(4)结构破损加固等。
内衬厚度通常为15～30cm。为提高设置内衬盾构隧道适应变形和附加荷载的能力，提高其抗震性能，减少内衬结构开裂破损，盾构隧道需设置变形缝，如图1所示，现有的双层衬砌变形缝通常设置方法如下：变形缝处管片1的环缝面15设置加厚的垫片12和加厚的防水弹性密封垫9，在管片衬砌变形缝对应部位，内衬2亦设置为内衬变形缝7。该常规变形缝处内衬2完全断开，不再参与盾构结构纵向受力，一般按照等效纵向刚度进行计算，环缝面15受压区管片1相互接触，受拉区接缝张开，管片混凝土不接触，由螺栓14承担拉力，螺栓拉力F与接缝张开量δ成正比，受力模式如图2所示。
上述变形缝结构刚度远小于正常双层衬砌段(通常1％～10％左右)，为柔性变形缝结构，其抗震性能弱，防水密封垫能够适应的接缝张开量小，一般适应于岩层、黏土等硬质地层。但在软土地层，盾构隧道存在不均匀沉降量大、地震作用强等特点，该种变形缝易产生过大的接缝张开量及错台量，进而影响变形缝防水效果和运营安全。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种半柔半刚的双层衬砌盾构隧道变形缝结构，旨在加强管片变形缝结构在发生纵向大变形时的防水能力，提高变形缝处隧道纵向刚度，减少接缝张开量及错台量。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种双层衬砌盾构隧道变形缝结构，包括管片、内衬，在非变形缝地段，所述管片和所述内衬间形成叠合结构连接；在变形缝地段，所述管片每间隔一预定长度L连续设置N道管片变形缝，N≥1且为整数，对应管片变形缝处，所述内衬设置内衬小节段，所述内衬小节段与相邻非变形缝地段的所述内衬交界处设置内衬变形缝，所述内衬变形缝与所述管片变形缝在纵向上错开布置。
优选地，所述管片变形缝处设置加厚的防水弹性密封垫。
优选地，所述预定长度L及管片变形缝道数N由以下方式获得，即，通过包括数值计算、试验或实例统计的手段或其组合，获得预定长度L范围内隧道纵向最大沉降量Δ，进而通过包括数值建模、理论分析的手段或其组合得出结构处管片接缝最大张开角度2θ，每道管片变形缝接缝平均张开量为其中D为盾构隧道外径，在所述加厚的防水弹性密封垫样式特定的情况下，管片接缝最大允许张开量δ相对固定且/> 由此反算出所述预定长度L及管片变形缝道数N。
优选地，所述内衬小节段与所述管片间设置缓冲隔离层。
优选地，所述内衬小节段比非变形缝地段的所述内衬在纵向长度上较短。
优选地，内衬变形缝处设置有结构件和防水件。
优选地，所述叠合结构包括内衬钢筋和连接钢筋，若干内衬钢筋形成环形和径向的内衬钢筋网络且相互固定连接，若干连接钢筋伸出所述管片的一端与所述内衬钢筋固定连接。
优选地，所述内衬变形缝与所述管片变形缝在纵向上的错开量调整范围为大于零而小于或等于0.5B，B为所述管片环管。
优选地，所述管片和所述内衬间形成的所述叠合结构连接，替换为复合结构连接。
上述优选技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
按照本发明的另一方面，还提供了一种盾构隧道，包括前述的双层衬砌盾构隧道变形缝结构。
总体而言，针对于双层衬砌盾构隧道不均匀沉降、地震下的接缝张开量控制及变形缝错台问题，本发明提出的一种新型半柔半刚变形缝结构，通过多方面结构的重新设计，并非各自单独发挥作用，而是相互循环作用，相互交织影响下，与现有技术相比，其有益效果主要有：
(1)、由于内衬参与到盾构结构的纵向受力中增加了纵向刚度，且管片变形缝与内衬变形缝不再重叠避免了两个柔性变形缝刚度的迅速减少，从而变形缝结构纵向刚度明显高于常规柔性变形缝，但仍然保持了必要的柔度；
(2)、以连续多道管片变形缝共同分担纵向张开量，可有效减小每道管片接缝张开量，避免了超过最大张开量大量进水的情况，进而提高双层衬砌结构的防水效果；
(3)、管片与内衬变形缝结构在空间上错开以及内衬小节段对多道管片变形缝的遮挡覆盖，都既可有效抵抗横向剪力，防止错台，又因渗水路径的延长和弯折进一步加强了防水效果；
(4)、内衬小节段与所述管片之间设置了缓冲隔离层，结合前述的两类多道柔性变形缝，其纵向刚度明显低于本变形缝纵向刚度明显低于非变形缝的常规地段，可确保双层衬砌盾构隧道在不均匀沉降、地震等作用下适应大变形和附加荷载的能力，减少结构破坏。
附图说明
图1是现有的双层衬砌变形缝构造示意图；
图2是现有的双层衬砌变形缝处盾构隧道受力模式图；
图3是本发明技术方案的实施例非变形缝地段盾构隧道与内衬横断面图；
图4是本发明技术方案的实施例非变形缝地段管片与内衬叠合结构构造示意图；
图5是本发明技术方案的实施例变形缝地段构隧道与内衬小节段横断面图；
图6是本发明技术方案的实施例变形缝地段管片与内衬小节段构造示意图；
图7是本发明技术方案的实施例盾构隧道双层衬砌变形缝纵剖面图；
图8是本发明技术方案的实施例隧道纵向变形计算简化模型示意图；
图9是现有的双层衬砌变形缝的抗剪示意图；
图10是本发明技术方案的实施例变形缝的抗剪示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。
如图3-7所示，本发明实施例提供一种半柔半刚的双层衬砌盾构隧道变形缝结构，包括管片1、内衬2，在非变形缝地段，所述管片1和所述内衬2间形成叠合结构连接，加强了正常双层衬砌段的刚度。在变形缝地段，所述管片1每间隔一预定长度L连续设置N道管片变形缝8，N≥1且为整数，该N道变形缝结构共同分担变形缝处管片接缝张开量；所述管片变形缝8处设置加厚的防水弹性密封垫9，其压缩量应满足在管片接缝达到预计张开及错台量时仍能满足长期防水要求。
对应管片变形缝处，所述内衬2设置内衬小节段3，所述内衬小节段3与相邻非变形缝地段的所述内衬2交界处设置内衬变形缝7，由结构件和防水件13组成，所述内衬变形缝7与所述管片变形缝8在纵向上错开一定距离。
上述多方面并非各自单独发挥作用，而是相互循环作用，相互交织影响，第一方面，由于内衬2参与到盾构结构的纵向受力中增加了纵向刚度，且管片变形缝8与内衬变形缝7不再重叠避免了两个柔性变形缝刚度的迅速减少，从而变形缝结构纵向刚度明显高于常规柔性变形缝，但仍然保持了必要的柔度；第二方面，以连续多道管片变形缝8共同分担纵向张开量，可有效减小每道管片接缝张开量，避免了超过最大张开量大量进水的情况，进而提高双层衬砌结构的防水效果；第三方面，管片与内衬变形缝结构在空间上错开以及内衬小节段对多道管片变形缝的遮挡覆盖，都既可有效抵抗横向剪力，防止错台，又因渗水路径的延长和弯折进一步加强了防水效果。
本发明的所述内衬小节段3与所述管片1之间设置了缓冲隔离层4，结合前述的两类多道柔性变形缝7-8，其纵向刚度明显低于非变形缝的常规地段(约为常规地段的0.6～0.8倍，随衬砌厚度、纵向螺栓数量及刚度变化)，可确保双层衬砌盾构隧道在不均匀沉降、地震等作用下适应大变形和附加荷载的能力，减少结构破坏。所述内衬小节段3比非变形缝地段的所述内衬2在纵向长度上较短，作为一个局部结构其长度满足整体变形缝的设计要求即可。
如图3-4所示，所述叠合结构包括内衬钢筋5和连接钢筋6，若干内衬钢筋5形成环形和径向的内衬钢筋网络且相互固定连接，若干连接钢筋6伸出所述管片1的一端与所述内衬钢筋5固定连接，使其在两层结构之间提供足够的抗剪能力，增强了结构的刚度和抗沉降性能，提高了防水效果和抵抗地震等特殊荷载的冲击能力。
盾构隧道在纵向等效为等刚度梁结构，变形缝结构沿纵向每隔一预定长度L设置一处，其纵向变形简化模型如图8，其中S为变形钱的盾构隧道，S’为变形后的盾构隧道，2θ为常规变形缝设置方法在变形缝接缝张开变形，Z为本发明实施例在变形缝处的接缝张开变形。所述预定长度L及管片变形缝道数N由以下方式获得，即，通过包括数值计算、试验及实例统计等手段，获得预定长度L范围内隧道纵向最大沉降量Δ，进而通过包括数值建模、理论分析等手段得出结构处管片接缝最大张开角度2θ。如图8、10所示，管片变形缝处连续设置N道管片变形缝,共同分担管片接缝张开角度2θ，每道管片变形缝接缝平均张开量为其中D为盾构隧道外径，管片变形缝8处设置加厚的防水弹性密封垫9，确保在每道管片变形缝平均张开量为/>的情况下，管片变形缝仍能满足长期防水要求；在所述加厚的防水弹性密封垫9样式特定的情况下，管片接缝最大允许张开量δ相对固定，且满足长期防水要求情况下/>由此反算出所述预定长度L及管片变形缝道数N。
所述内衬变形缝7与所述管片变形缝8在纵向上的错开量优选为0.5B受力较佳，B为所述管片1环管，有特殊需要时错开量可以调整为大于零而小于0.5B。相较于图9所示的常规变形缝只由管片承担剪力Q，抗剪能力弱的情况，如图10所示，本发明在地震或不均匀沉降作用下，变形缝处的横向剪力Q主要由内衬承担，利用内衬提高抗剪和抗错台能力，抗剪能力较强。
在遵循本发明的前述主旨要义的情况下，其他设计应符合下述技术要求：
(1)适用内衬2及内衬小节段3可以全环封闭，也可以局部不封闭；
(2)内衬2与内衬小节段3在厚度、封闭程度及构造形式等方面可以有所不同；
(3)变形缝处纵向刚度明显低于非变形缝处即可；管片1与内衬2结构间并不必然采用叠合形式，也可采用复合结构等连接形式；管片1与内衬小节段3结构间可根据工程需要确定是否设置缓冲隔离层4。
(4)在满足防水要求的情况下，缓冲隔离层4样式、材质、厚度不限；
(5)正常内衬2与内衬小节段3间内衬变形缝7的具体构造形式不限；
(6)一般情况下管片变形缝8需连续设置多道，也可根据工程情况的具体变形量计算值设置一道管片变形缝8。
按照本发明的另一方面，还提供了一种盾构隧道，包括前述的双层衬砌盾构隧道变形缝结构。
总体而言，针对于双层衬砌盾构隧道不均匀沉降、地震下的接缝张开量控制及变形缝错台问题，本发明提出的一种新型半柔半刚变形缝结构，通过多方面结构的重新设计，并非各自单独发挥作用，而是相互循环作用，相互交织影响下，与现有技术相比，其实施效果主要有：第一方面，由于内衬2参与到盾构结构的纵向受力中增加了纵向刚度，且管片变形缝8与内衬变形缝7不再重叠避免了两个柔性变形缝刚度的迅速减少，从而变形缝结构纵向刚度明显高于常规柔性变形缝，但仍然保持了必要的柔度；第二方面，以连续多道管片变形缝8共同分担纵向张开量，可有效减小每道管片接缝张开量，避免了超过最大张开量大量进水的情况，进而提高双层衬砌结构的防水效果；第三方面，管片与内衬变形缝结构在空间上错开以及内衬小节段对多道管片变形缝的遮挡覆盖，都既可有效抵抗横向剪力，防止错台，又因渗水路径的延长和弯折进一步加强了防水效果；第四方面，内衬小节段3与管片1之间设置缓冲隔离层4，结合前述的两类多道柔性变形缝7-8，其纵向刚度明显低于非变形缝的常规地段，可确保双层衬砌盾构隧道在不均匀沉降、地震等作用下适应大变形和附加荷载的能力，减少结构破坏。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双层衬砌盾构隧道变形缝结构，包括管片(1)、内衬(2)，其特征在于：在非变形缝地段，所述管片(1)和所述内衬(2)间形成叠合结构连接；在变形缝地段，所述管片(1)每间隔一预定长度L连续设置N道管片变形缝(8)，N≥1且为整数，对应管片变形缝处，所述内衬(2)设置内衬小节段(3)，所述内衬小节段(3)与相邻非变形缝地段的所述内衬(2)交界处设置内衬变形缝(7)，所述内衬变形缝(7)与所述管片变形缝(8)在纵向上错开布置；
在所述管片变形缝(8)处设置加厚的防水弹性密封垫(9)；
所述预定长度L及管片变形缝道数N由以下方式获得，即，通过包括数值计算、试验或实例统计的手段或其组合，获得预定长度L范围内隧道纵向最大沉降量Δ，进而通过包括数值建模、理论分析的手段或其组合得出结构处管片接缝最大张开角度2θ，每道管片变形缝接缝平均张开量为其中D为盾构隧道外径，在所述加厚的防水弹性密封垫(9)样式特定的情况下，管片接缝最大允许张开量δ相对固定且/>由此反算出所述预定长度L及管片变形缝道数N。
2.如权利要求1所述的双层衬砌盾构隧道变形缝结构，其特征在于：所述内衬小节段(3)与所述管片(1)间设置缓冲隔离层(4)。
3.如权利要求1-2任一项所述的双层衬砌盾构隧道变形缝结构，其特征在于：所述内衬小节段(3)比非变形缝地段的所述内衬(2)在纵向长度上较短。
4.如权利要求1-2任一项所述的双层衬砌盾构隧道变形缝结构，其特征在于：内衬变形缝(7)处设置有结构件和防水件(13)。
5.如权利要求1-2任一项所述的双层衬砌盾构隧道变形缝结构，其特征在于：所述叠合结构包括内衬钢筋(5)和连接钢筋(6)，若干内衬钢筋(5)形成环形和径向的内衬钢筋网络且相互固定连接，若干连接钢筋(6)伸出所述管片(1)的一端与所述内衬钢筋(5)固定连接。
6.如权利要求1-2任一项所述的双层衬砌盾构隧道变形缝结构，其特征在于：所述内衬变形缝(7)与所述管片变形缝(8)在纵向上的错开量调整范围为大于零而小于或等于0.5B，B为所述管片(1)环管沿隧道纵向的宽度。
7.如权利要求1-2任一项所述的双层衬砌盾构隧道变形缝结构，其特征在于：所述管片(1)和所述内衬(2)间形成的所述叠合结构连接，替换为复合结构连接。
8.一种盾构隧道，其特征在于：包括如权利要求1-7任一项所述的双层衬砌盾构隧道变形缝结构。
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