CN113221233B - 一种复合土层盾构隧道横断面设计方法及盾构隧道 - Google Patents

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CN113221233B CN202110676471.4A CN202110676471A CN113221233B CN 113221233 B CN113221233 B CN 113221233B CN 202110676471 A CN202110676471 A CN 202110676471A CN 113221233 B CN113221233 B CN 113221233B
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Abstract

本发明提供一种复合土层盾构隧道横断面设计方法及盾构隧道，应用于该复合土层，复合土层包括硬土层及设于硬土层上的软土层，隧道横断面呈“上大下小”的梨型结构，盾构隧道横断面设计方法包括如下步骤：根据盾构隧道的使用要求，确定盾构隧道横断面轴线的竖向直径；根据盾构隧道横断面轴线的竖向直径及复合土层的荷载作用模式计算盾构隧道的横断面参数，以获得盾构隧道横断面的理论弯矩值为零。本发明的有益效果在于：结合采用更切合上软下硬复合土层荷载作用模式计算得到盾构隧道的横断面参数，以最大限度地减小盾构隧道横断面弯矩和减小其横向变形，理论上全断面为零弯矩，极大程度优化管片配筋，同时防止管片纵缝接头破损与渗漏水问题。

Description

一种复合土层盾构隧道横断面设计方法及盾构隧道
技术领域
本发明涉及地下空间工程技术领域，具体涉及一种复合土层盾构隧道横断面设计方法及盾构隧道。
背景技术
近年来，随着我国交通隧道大型化、深层化建设的需要，盾构隧道建设断面增大、埋深增加，遭遇复合地层的案例在我国各个地区大量出现，如我国近年来在长江、珠江流域、东南沿海一带建设的大量盾构法隧道，屡屡遭遇上软下硬复合地层。又如武汉长江隧道，主要穿越强透水砂层，局部区段穿越地层为软硬程度差异极大的砂层–泥质粉砂岩复合地层；广深港高铁狮子洋隧道，先后穿越软土、软硬不均复合地层、全断面风化岩层等；南京扬子江隧道和武汉三阳路公铁合建长江隧道，大量穿越土岩复合地层。目前我国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者提高施工效率，也有采用如横椭圆形、类矩形、马蹄形等其它截面形式的盾构隧道。复合地层不但对盾构的施工造成了困难，对盾构隧道结构的设计也提出了新的要求。复合地层不但对盾构的施工造成了困难，对盾构隧道结构的设计也提出了新的要求，其中最为重要且常被忽视的便是荷载问题，在荷载计算时常常等效为均一地层，难以精确计量荷载，并常常夸大了基底的荷载响应，造成结构配筋设计失当，因此复合地层中盾构隧道的荷载计算方法和隧道断面设计需有所创新。
目前使用均一地层计算上软下硬复合土层盾构隧道横断面设计方法，在软土层地区盾构隧道更容易发生横椭圆变形超限。盾构隧道的弯曲、变形等问题通常看做理想弹塑性材料平面应变问题，即把盾构隧道视为梁长远大于梁高的曲梁结构，根据结构力学可知梁结构发生变形主要由弯矩引起。调查研究表明，盾构隧道发生横向变形的主要原因是管片纵缝接头转动，而管片纵缝接头的病害主要是由盾构隧道横断面的弯矩所导致。为了克服这些问题，本领域有技术人员建议管片分块时尽量将管片纵缝接头设计在弯矩较小处，最理想状态是纵缝接头处弯矩为零。但实际工程中不可能每处接头都设置在弯矩为零处，而且为了满足施工条件，隧道环向必须对管片进行分块处理。
因此，若能设计出一种上软下硬复合土层的盾构隧道横断面形式，使盾构隧道在承受更切合实际工程的上软下硬复合土层荷载模式作用下，隧道横断面任一截面的弯矩均为零，即零弯矩盾构隧道，上述问题便迎刃而解，同时极大程度优化管片配筋。
发明内容
本发明的目的在于提出一种复合土层盾构隧道横断面设计方法，解决现有技术将上软下硬复合土层等效为单一土层设计盾构隧道，造成盾构隧道横向变形、管片配筋设计失当的问题。
本发明提出一种复合土层盾构隧道横断面设计方法，所述复合土层包括硬土层及设于所述硬土层上的软土层，所述盾构隧道横截面包括同轴设置的第一弧形部和第二弧形部，所述第一弧形部设于所述软土层，所述第二弧形部设于所述硬土层，所述第一弧形部和所述第二弧形部的凹面相对设置，且两端对应连接使所述盾构隧道横截面呈梨型结构；
所述盾构隧道横断面设计方法包括如下步骤：
根据所述盾构隧道的使用要求，确定所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径；
根据所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径及所述复合土层的荷载作用模式计算所述盾构隧道的横断面参数，以获得所述盾构隧道横断面的理论弯矩值为零。
根据本发明提出的上软下硬复合土层盾构隧道横断面设计方法，具有以下有益效果：本发明的盾构隧道横断面设计方法专门应用于上软下硬复合土层，应用性强，盾构隧道的横断面呈梨型结构，结合采用更切合上软下硬复合土层荷载作用模式计算得到盾构隧道的横断面参数，以最大限度地减小盾构隧道横断面弯矩和减小其横向变形，理论上全断面为零弯矩，极大程度优化管片配筋，同时防止管片纵缝接头破损与渗漏水问题。
另外，根据本发明提供的上软下硬复合土层盾构隧道横断面设计方法，还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，在围岩压力为水土合算或不考虑水压力的情况下，所述复合土层的荷载作用模式的土压力计算公式为：
P1＝γH
q1＝γHλ1
q2＝(γH+γsa)λ1
q3＝(γH+γsa)λ2
q4＝(γH+γsa+γhb)λ2
式中，P1为所述盾构隧道顶部位置的竖向土压力；
q1为所述盾构隧道软土层顶部位置的水平土压力；
q2为所述盾构隧道软土层底部位置的水平土压力；
q3为所述盾构隧道硬土层顶部位置的水平土压力；
q4为所述盾构隧道硬土层底部位置的水平土压力；
γ表示所述盾构隧道上覆土体的容重，对于土体分层时则表示平均容重；
γs表示所述盾构隧道软土层的容重；
γh表示所述盾构隧道硬土层的容重；
λ1为所述盾构隧道侧部软土层的侧土压力系数；
λ2为所述盾构隧道侧部硬土层的侧土压力系数；
H为所述盾构隧道的上覆土层厚度；
a为所述盾构隧道侧部所处的软土层的高度；
b为所述盾构隧道侧部所处的硬土层的高度；
L为所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径，L＝a+b且假定b﹥a。
进一步地，当所述盾构隧道位于地下水位以下且地层符合水土分算条件时，所述复合土层的荷载作用模式的土压力计算模式为：
P1＝γH+γω(hω+L)
q1＝γHλ1+γωhω
q2＝(γH+γsa)λ1+γωhω
q3＝(γH+γsa)λ2+γωhω
q4＝(γH+γsa+γhb)λ2+γωhω
式中，P1为所述盾构隧道顶部位置的竖向土压力；
q1为所述盾构隧道软土层顶部位置的水平土压力；
q2为所述盾构隧道软土层底部位置的水平土压力；
q3为所述盾构隧道硬土层顶部位置的水平土压力；
q4为所述盾构隧道硬土层底部位置的水平土压力；
γ表示所述盾构隧道上覆土层的容重，对于土体分层时则表示平均容重；
γω为水的容重；
γs表示所述盾构隧道软土层的容重；
γh表示所述盾构隧道硬土层的容重；
λ1为所述盾构隧道侧部软土层的侧土压力系数；
λ2为所述盾构隧道侧部硬土层的侧土压力系数；
H为所述盾构隧道的上覆土层厚度；
hω为地下水位距离所述盾构隧道顶部的垂直距离；
a为所述盾构隧道侧部所处的软土层的高度；
b为所述盾构隧道侧部所处的硬土层的高度；
L为所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径，L＝a+b且假定b﹥a。
进一步地，所述盾构隧道的横断面参数包括所述盾构隧道的横断面轴线表达式、横断面轴线的土层分界线处水平直径以及中心水平直径；
所述盾构隧道的横断面轴线表达式为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的表达式，所述表达式为：
Figure BDA0003121338300000041
Figure BDA0003121338300000042
所述盾构隧道的横断面轴线的土层分界线处水平直径采用下式计算：
Figure BDA0003121338300000043
所述盾构隧道的横断面轴线的中心水平直径采用下式计算：
Figure BDA0003121338300000051
其中，X-Y坐标系中的坐标原点位于所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径顶点位置，x轴与所述盾构隧道横断面轴线的中心水平直径相平行，y轴与所述盾构隧道横断面轴线中的竖向直径相平行；
式中，
a为所述盾构隧道侧部所处的软土层的高度；
b为所述盾构隧道侧部所处的硬土层的高度；
L为所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径，L＝a+b且假定b﹥a；
P1为所述盾构隧道顶部位置的竖向土压力；
q1为所述盾构隧道软土层顶部位置的水平土压力；
q2为所述盾构隧道软土层底部位置的水平土压力；
q3为所述盾构隧道硬土层顶部位置的水平土压力；
q4为所述盾构隧道硬土层底部位置的水平土压力；
A为参变量，
Figure BDA0003121338300000052
进一步地，根据所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径及所述复合土层的荷载作用模式计算所述盾构隧道的横断面参数的步骤之后，还包括以下步骤：
对土层分界线处的横断面轴线尖角突变设计一段圆曲线进行优化，所述圆曲线的起点为土层分界线上方的1/4所述盾构隧道侧部所处的软土层的高度处，所述圆曲线的终点为土层分界线下方的1/4所述盾构隧道侧部所处的软土层的高度处，两侧圆心O位置为(±Xo，L)，半径为Ra，采用下式进行计算：
Figure BDA0003121338300000053
Figure BDA0003121338300000054
Figure BDA0003121338300000055
Figure BDA0003121338300000061
式中，
ho为圆曲线圆心距离坐标原点的竖向距离；
c为土层分界线上a/4处盾构隧道横断面轴线的x值；
d为土层分界线下a/4处盾构隧道横断面轴线的x值；
Ra为圆曲线半径；
a为所述盾构隧道侧部所处的软土层的高度；
b为所述盾构隧道侧部所处的硬土层的高度；
L为所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径，L＝a+b且假定b﹥a。
进一步地，所述根据所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径及所述复合土层的荷载作用模式计算所述盾构隧道的横断面参数的步骤之后，还包括：
根据所述盾构隧道的使用功能，判断所述盾构隧道的横断面空间是否满足限界使用要求；
若是，则判断所述盾构隧道横截面在使用阶段受可变作用和偶然作用时，是否满足结构可靠度要求；
若是，则所述盾构隧道的横断面参数即为所述盾构隧道的横断面最终参数，以获得所述盾构隧道横断面的理论弯矩值为零。
进一步地，所述方法还包括：
当判断所述盾构隧道的横断面空间不满足限界使用要求时，则调整所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径，根据调整后的所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径及所述复合土层的荷载作用模式重新计算所述盾构隧道的横断面参数；
当判断所述盾构隧道横截面在使用阶段受可变作用和偶然作用时，不满足结构可靠度要求时，则调整所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径，根据调整后的所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径及所述复合土层的荷载作用模式再次计算所述盾构隧道的横断面参数。
本发明还提供一种盾构隧道，采用上述复合土层盾构隧道横断面设计方法设计而成，所述盾构隧道包括拱顶管片和拱底组件，所述拱顶管片和所述拱底组件围成的所述盾构隧道横断面呈梨型结构，所述拱底组件包括拱底管片及两个拱腰管片，所述两个拱腰管片分别连接于所述拱底管片的两端，所述拱顶管片设于所述软土层，所述拱底组件设于所述硬土层，所述拱顶管片、所述拱腰管片及所述拱底管片的厚度为竖向直径的0.03～0.04倍。
进一步地，在盾构隧道横断面空间满足双层车道盾构隧道的使用限界要求时，所述拱底组件内部设有中间横隔板将所述盾构隧道分为上层空间和下层空间，所述下层空间内设有两个预制立柱，两个所述预制立柱分别设于所述中间横隔板的两端且相互对称设置，每一所述预制立柱的两端分别与所述中间横隔板和所述拱底管片连接。
进一步地，所述下层空间还设有下层空间轨道板，所述下层空间轨道板包括横向板及两个相互对称设置的斜向板，每一所述斜向板的一端与所述横向板连接，另一端与所述拱顶管片连接。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一实施例的复合土层盾构隧道横断面的设计方法流程图；
图2是本发明一实施例的复合土层盾构隧道横断面荷载作用模式图；
图3是本发明一实施例的未优化的上软下硬复合土层盾构隧道横断面示意图；
图4是本发明一实施例的复合土层盾构隧道横断面施工优化圆曲线及其设计参数示意图；
图5是本发明一实施例的松弛土压力(太沙基土压力)计算示意图；
图6是本发明一实施例的全土柱法土压力土体计算示意图；
图7是本发明另一实施例的复合土层盾构隧道结构示意图；
图8是本发明另一实施例的复合土层盾构隧道双层车道内部结构示意图。
附图标号：
1 盾构隧道 10 第一弧形部
20 第二弧形部 30 土层分界线
40 拱顶管片 50 拱底组件
51 拱底管片 52 拱腰管片
60 中间横隔板 70 预制立柱
80 突出承台 90 现浇基座
100 下层空间轨道板 101 横向板
102 斜向板
具体实施方式
为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
请参照图1和图2所示，本发明的一实施例提供一种上软下硬复合土层盾构隧道横断面设计方法，应用在复合土层中，所述复合土层包括硬土层及设于所述硬土层上的软土层，所述盾构隧道1横截面包括同轴设置的第一弧形部10和第二弧形部20，所述第一弧形部10设于所述软土层，所述第二弧形部20设于所述硬土层，所述第一弧形部10和所述第二弧形部20的凹面相对设置，且两端对应连接使所述盾构隧道1横截面呈梨型结构；
所述盾构隧道横断面设计方法包括如下步骤：
S101、根据所述盾构隧道的使用要求，确定所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径；
S102、根据所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径及所述复合土层的荷载作用模式计算所述盾构隧道的横断面参数，以获得所述盾构隧道横断面的理论弯矩值为零。
可以理解的，在设计开始前，对全线盾构隧道1所处代表性上软下硬地层及其它相关资料进行调研与分析；首先根据盾构隧道1的使用功能以及要求，确定其横断面轴线的竖向直径L的大小；之后再根据整条盾构隧道1中具有代表性的典型上软下硬复合地层条件下的荷载作用模式，具体的，本设计方法根据盾构隧道1使用功能、所处代表性上软下硬复合土层条件、地下水位等情况进行综合分析，确定隧道复合土层荷载作用模式，在此基础上设计计算出其合理轴线及横断面参数并进行施工优化，使其横断面呈“上小、下大”的梨型构造，在提出的荷载模式作用下理论弯矩为零，以最大限度地减小盾构隧道1横断面弯矩和减小其横向变形，极大程度优化管片配筋，同时防止管片纵缝接头破损与渗漏水问题。
在本实施例中，在围岩压力为水土合算或不考虑水压力的情况下，所述复合土层的荷载作用模式的土压力计算公式为：
P1＝γH
q1＝γHλ1
q2＝(γH+γsa)λ1
q3＝(γH+γsa)λ2
q4＝(γH+γsa+γhb)λ2
式中，P1为所述盾构隧道顶部位置的竖向土压力；
q1为所述盾构隧道软土层顶部位置的水平土压力；
q2为所述盾构隧道软土层底部位置的水平土压力；
q3为所述盾构隧道硬土层顶部位置的水平土压力；
q4为所述盾构隧道硬土层底部位置的水平土压力；
γ表示所述盾构隧道上覆土体的容重，对于土体分层时则表示平均容重；
γs表示所述盾构隧道软土层的容重；
γh表示所述盾构隧道硬土层的容重；
λ1为所述盾构隧道侧部软土层的侧土压力系数；
λ2为所述盾构隧道侧部硬土层的侧土压力系数；
H为所述盾构隧道的上覆土层厚度；
a为所述盾构隧道侧部所处的软土层的高度；
b为所述盾构隧道侧部所处的硬土层的高度；
L为所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径，L＝a+b且假定b﹥a。
其中，复合土层中隧道顶部土层的竖向土压力计算依据常规方法开展。浅埋情况采用全土柱法；埋深较大时，对于砂性土和硬质黏土，当覆土厚度大于1D～2D(D为管片环外径)时采用太沙基公式，如图5所示；对于中等固结的软黏土或软黏土采用全土柱法，如图6所示。软土和硬土具有不同的侧压力系数和地层抗力系数，因此在侧向土压力计算时，水平荷载的分布形态是不同的，在软硬地层交界处侧向土压力有突变。同时因为忽略盾构隧道1自重对隧道结构内力的影响，盾构隧道1底部与顶部的竖向土压力相同。
在其他实施例中，当所述盾构隧道1位于地下水位以下且地层符合水土分算条件时，所述复合土层的荷载作用模式的土压力计算模式为：
P1＝γH+γω(hω+L)
q1＝γHλ1+γωhω
q2＝(γH+γsa)λ1+γωhω
q3＝(γH+γsa)λ2+γωhω
q4＝(γH+γsa+γhb)λ2+γωhω
式中，P1为所述盾构隧道顶部位置的竖向土压力；
q1为所述盾构隧道软土层顶部位置的水平土压力；
q2为所述盾构隧道软土层底部位置的水平土压力；
q3为所述盾构隧道硬土层顶部位置的水平土压力；
q4为所述盾构隧道硬土层底部位置的水平土压力；
γ表示所述盾构隧道上覆土层的容重，对于土体分层时则表示平均容重；
γω为水的容重；
γs表示所述盾构隧道软土层的容重；
γh表示所述盾构隧道硬土层的容重；
λ1为所述盾构隧道侧部软土层的侧土压力系数；
λ2为所述盾构隧道侧部硬土层的侧土压力系数；
H为所述盾构隧道的上覆土层厚度；
hω为地下水位距离所述盾构隧道顶部的垂直距离；
a为所述盾构隧道侧部所处的软土层的高度；
b为所述盾构隧道侧部所处的硬土层的高度；
L为所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径，L＝a+b且假定b﹥a。
具体的，所述盾构隧道1的横断面参数包括所述盾构隧道1的横断面轴线表达式、横断面轴线的土层分界线30处水平直径以及中心水平直径；
所述盾构隧道1的横断面轴线表达式为所述盾构隧道1的横断面轴线在X-Y坐标系中X轴的正方向与负方向时的表达式，所述表达式为：
Figure BDA0003121338300000111
Figure BDA0003121338300000112
所述盾构隧道的横断面轴线的土层分界线处水平直径采用下式计算：
Figure BDA0003121338300000113
所述盾构隧道的横断面轴线的中心水平直径采用下式计算：
Figure BDA0003121338300000114
其中，X-Y坐标系中的坐标原点位于所述盾构隧道1横断面轴线的竖向直径顶点位置，x轴与所述盾构隧道1横断面轴线的中心水平直径相平行，y轴与所述盾构隧道1横断面轴线中的竖向直径相平行；
a为所述盾构隧道侧部所处的软土层的高度；
b为所述盾构隧道侧部所处的硬土层的高度；
L为所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径，L＝a+b且假定b﹥a；
P1为所述盾构隧道顶部位置的竖向土压力；
q1为所述盾构隧道软土层顶部位置的水平土压力；
q2为所述盾构隧道软土层底部位置的水平土压力；
q3为所述盾构隧道硬土层顶部位置的水平土压力；
q4为所述盾构隧道硬土层底部位置的水平土压力；
A为参变量，
Figure BDA0003121338300000121
请参照图3，本发明未优化的盾构隧道1横断面在土层分界线30处横断面轴线有尖角突变。请参照图4，在本实施例中，根据所述盾构隧道1横断面轴线的竖向直径及所述复合土层的荷载作用模式计算所述盾构隧道1的横断面参数的步骤之后，还包括以下步骤：
S103、对土层分界线30处的横断面轴线尖角突变设计一段圆曲线进行优化，所述圆曲线的起点为土层分界线30上方的1/4所述盾构隧道1侧部所处的软土层的高度处，所述圆曲线的终点为土层分界线30下方的1/4所述盾构隧道1侧部所处的软土层的高度处，两侧圆心O位置为(±Xo，L)，半径为Ra，采用下式进行计算：
Figure BDA0003121338300000122
Figure BDA0003121338300000123
Figure BDA0003121338300000124
Figure BDA0003121338300000125
其中，
ho为圆曲线圆心距离坐标原点的竖向距离；
c为土层分界线上a/4处盾构隧道横断面轴线的x值；
d为土层分界线下a/4处盾构隧道横断面轴线的x值；
Ra为圆曲线半径；
a为所述盾构隧道侧部所处的软土层的高度；
b为所述盾构隧道侧部所处的硬土层的高度；
L为所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径，L＝a+b且假定b﹥a。
可以理解的，对土层分界线30处的横断面轴线尖角突变进行优化，由于原设计横断面轴线在尖角突变处曲线的曲率较大，因此在土层分界线30附近的x值变化量△非常小，而设计的过渡圆曲线对应的圆心角极小，由数学知识分析可知用圆曲线产生的误差值是会比△还小，所以可以忽略不计，因此优化后的轴线可以近似看为零弯矩断面轴线。
在本实施例中，所述根据所述盾构隧道1横断面轴线的竖向直径及所述复合土层的荷载作用模式计算所述盾构隧道1的横断面参数的步骤之后，还包括：
S104、根据所述盾构隧道1的使用功能，判断所述盾构隧道1的横断面空间是否满足限界使用要求；
S105、若是，则判断所述盾构隧道1横截面在使用阶段受可变作用和偶然作用时，是否满足结构可靠度要求；
若否，则调整所述盾构隧道1横断面轴线的竖向直径，根据调整后的所述盾构隧道1横断面轴线的竖向直径及所述复合土层的荷载作用模式重新计算所述盾构隧道1的横断面参数，并直至满足限界使用要求和结构可靠度要求；
可以理解的，步骤S105在原来的荷载作用模式上加入部分可变荷载和偶然荷载，例如可能的交通荷载和堆载，风荷载，雪荷载等，使获得的盾构隧道1的横截面参数满足结构可靠度要求。
S106、若所述盾构隧道1横截面满足可靠度要求，则所述盾构隧道1的横断面参数即为所述盾构隧道1的横断面最终参数，以获得所述盾构隧道1横断面的理论弯矩值为零。
其中，在确定获得盾构隧道1的横断面最终参数之后，还包括步骤S107：根据盾构隧道的使用要求，对其横断面空间进行规划，合理利用其横断面空间。
请参照图7所示，本发明的另一实施例提供一种盾构隧道，采用上述上软下硬复合土层盾构隧道1横断面设计方法设计而成，所述盾构隧道1包括拱顶管片40和拱底组件50，所述拱顶管片40和所述拱底组件50围成的所述盾构隧道1横断面呈梨型结构，管片采用通缝拼装或错缝拼装。
所述拱底组件50包括拱底管片51及两个拱腰管片52，所述两个拱腰管片52分别连接于所述拱底管片51的两端，管片采用通缝拼装或错缝拼装，所述拱顶管片40设于所述软土层，所述拱底组件50设于所述硬土层。所述拱顶管片40、拱底管片51及两个拱腰管片52厚度为盾构隧道1竖向直径的0.03～0.04倍。可以理解的，在其他实施例中，盾构隧道1可以由若干管片拼装而成，管片分块已经满足施工的条件下尽量减少分块数量为宜，可以是4-6六块。
上述管片幅宽为1.2m-1.8m之间，且各管片的厚度为盾构隧道1竖向直径的0.03～0.04倍，从而满足强度要求。
本实施例中的盾构隧道1为零弯矩，可用于各类上软下硬复合地层地下隧道，当零弯矩盾构隧道1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，如地下管廊。
请参照图8所示，当所述盾构隧道1横断面轴线的竖向直径为其中心水平直径的1.5倍及以上时，所述拱底组件50内部设有中间横隔板60将所述盾构隧道1分为上层空间和下层空间，用于实现上下双层通车模式。
在所述拱腰管片52的内侧设有突出承台80和预制立柱70，所述突出承台80用于承载所述中间横隔板60，在本实施例中，突出承台80设有两个且相互对称设置，在其他实施例中，突出承台80的个数可根据强度需要进行调整。在本实施例中，预制立柱70设有两个，管片的内侧设有现浇基座90，每一所述预制立柱70的一端与所述中间横隔板60连接，另一端通过现浇基座90和所述拱底管片51连接。两个所述预制立柱70分别设于所述中间横隔板60的两端且相互对称设置，突出承台80和设置预制立柱70用于支撑整体现浇的中间横隔板60。
所述下层空间还设有下层空间轨道板100，整体呈“π”型，设置在两根预制立柱70之间，所述下层空间轨道板100包括横向板101及两个相互对称设置的斜向板102，每一所述斜向板102的一端与所述横向板101连接，另一端与所述拱顶管片40连接，便于从下层空间通车。下层空间轨道板100用于增加盾构隧道1纵向刚度，设计时满足盾构隧道1高度大于宽度，从而提高发生不均匀沉降时盾构隧道1结构的纵向刚度。
综上所述，本发明提供一种复合土层盾构隧道横断面设计方法及盾构隧道，在所提出的更切合工程的上软下硬复合土层荷载模式作用下，以最大限度地减小盾构隧道横断面弯矩和减小其横向变形，理论是全断面为零弯矩，极大程度优化管片配筋，同时防止管片纵缝接头破损与渗漏水问题；通过合理规划设计盾构隧道横断面空间，实现上下层通车模式。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种复合土层盾构隧道横断面设计方法，其特征在于，所述复合土层包括硬土层及设于所述硬土层上的软土层，所述盾构隧道横截面包括同轴设置的第一弧形部和第二弧形部，所述第一弧形部设于所述软土层，所述第二弧形部设于所述硬土层，所述第一弧形部和所述第二弧形部的凹面相对设置，且两端对应连接使所述盾构隧道横截面呈梨型结构；
所述盾构隧道横断面设计方法包括如下步骤：
根据所述盾构隧道的使用要求，确定所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径；
根据所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径及所述复合土层的荷载作用模式计算所述盾构隧道的横断面参数，以获得所述盾构隧道横断面的理论弯矩值为零；
在围岩压力为水土合算或不考虑水压力的情况下，所述复合土层的荷载作用模式的土压力计算公式为：
P1＝γH
q1＝γHλ1
q2＝(γH+γsa)λ1
q3＝(γH+γsa)λ2
q4＝(γH+γsa+γhb)λ2
或者当所述盾构隧道位于地下水位以下且地层符合水土分算条件时，所述复合土层的荷载作用模式的土压力计算模式为：
P1＝γH+γω(hω+L)
q1＝γHλ1+γωhω
q2＝(γH+γsa)λ1+γωhω
q3＝(γH+γsa)λ2+γωhω
q4＝(γH+γsa+γhb)λ2+γωhω
所述盾构隧道的横断面参数包括所述盾构隧道的横断面轴线表达式、横断面轴线的土层分界线处水平直径以及中心水平直径；
所述盾构隧道的横断面轴线表达式为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的表达式，所述表达式为：
Figure FDA0004048274120000011
Figure FDA0004048274120000021
所述盾构隧道的横断面轴线的土层分界线处水平直径采用下式计算：
Figure FDA0004048274120000022
所述盾构隧道的横断面轴线的中心水平直径采用下式计算：
Figure FDA0004048274120000023
其中，X-Y坐标系中的坐标原点位于所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径顶点位置，x轴与所述盾构隧道横断面轴线的中心水平直径相平行，y轴与所述盾构隧道横断面轴线中的竖向直径相平行；
根据所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径及所述复合土层的荷载作用模式计算所述盾构隧道的横断面参数的步骤之后，还包括以下步骤：
对土层分界线处的横断面轴线尖角突变设计一段圆曲线进行优化，所述圆曲线的起点为土层分界线上方的1/4所述盾构隧道侧部所处的软土层的高度处，所述圆曲线的终点为土层分界线下方的1/4所述盾构隧道侧部所处的软土层的高度处，两侧圆心O位置为(±Xo，L)，半径为Ra，采用下式进行计算：
Figure FDA0004048274120000024
Figure FDA0004048274120000025
Figure FDA0004048274120000026
Figure FDA0004048274120000027
上式中，
P1为所述盾构隧道顶部位置的竖向土压力；
q1为所述盾构隧道软土层顶部位置的水平土压力；
q2为所述盾构隧道软土层底部位置的水平土压力；
q3为所述盾构隧道硬土层顶部位置的水平土压力；
q4为所述盾构隧道硬土层底部位置的水平土压力；
γ表示所述盾构隧道上覆土层的容重，对于土体分层时则表示平均容重；
γω为水的容重；
γs表示所述盾构隧道软土层的容重；
γh表示所述盾构隧道硬土层的容重；
λ1为所述盾构隧道侧部软土层的侧土压力系数；
λ2为所述盾构隧道侧部硬土层的侧土压力系数；
H为所述盾构隧道的上覆土层厚度；
hω为地下水位距离所述盾构隧道顶部的垂直距离；
a为所述盾构隧道侧部所处的软土层的高度；
b为所述盾构隧道侧部所处的硬土层的高度；
L为所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径，L＝a+b且假定b﹥a；
ho为圆曲线圆心距离坐标原点的竖向距离；
c为土层分界线上a/4处盾构隧道横断面轴线的x值；
d为土层分界线下a/4处盾构隧道横断面轴线的x值；
Ra为圆曲线半径；
A为参变量，
Figure FDA0004048274120000031
所述根据所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径及所述复合土层的荷载作用模式计算所述盾构隧道的横断面参数的步骤之后，还包括：
根据所述盾构隧道的使用功能，判断所述盾构隧道的横断面空间是否满足限界使用要求；
若是，则判断所述盾构隧道横截面在使用阶段受可变作用和偶然作用时，是否满足结构可靠度要求；
若是，则所述盾构隧道的横断面参数即为所述盾构隧道的横断面最终参数，以获得所述盾构隧道横断面的理论弯矩值为零。
2.根据权利要求1所述的复合土层盾构隧道横断面设计方法，其特征在于，所述方法还包括：
当判断所述盾构隧道的横断面空间不满足限界使用要求时，则调整所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径，根据调整后的所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径及所述复合土层的荷载作用模式重新计算所述盾构隧道的横断面参数；
当判断所述盾构隧道横截面在使用阶段受可变作用和偶然作用时，不满足结构可靠度要求时，则调整所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径，根据调整后的所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径及所述复合土层的荷载作用模式再次计算所述盾构隧道的横断面参数。
3.一种盾构隧道，其特征在于，采用权利要求1或2所述复合土层盾构隧道横断面设计方法设计而成，所述盾构隧道包括拱顶管片和拱底组件，所述拱顶管片和所述拱底组件围成的所述盾构隧道横断面呈梨型结构，所述拱底组件包括拱底管片及两个拱腰管片，所述两个拱腰管片分别连接于所述拱底管片的两端，所述拱顶管片设于所述软土层，所述拱底组件设于所述硬土层，所述拱顶管片、所述拱腰管片及所述拱底管片的厚度为竖向直径的0.03～0.04倍。
4.根据权利要求3所述的盾构隧道，其特征在于，在盾构隧道横断面空间满足双层车道盾构隧道的使用限界要求时，所述拱底组件内部设有中间横隔板将所述盾构隧道分为上层空间和下层空间，所述下层空间内设有两个预制立柱，两个所述预制立柱分别设于所述中间横隔板的两端且相互对称设置，每一所述预制立柱的两端分别与所述中间横隔板和所述拱底管片连接。
5.根据权利要求4所述的盾构隧道，其特征在于，所述下层空间还设有下层空间轨道板，所述下层空间轨道板包括横向板及两个相互对称设置的斜向板，每一所述斜向板的一端与所述横向板连接，另一端与所述拱顶管片连接。
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