CN116446899A - 一种盾构隧道抗震结构及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种盾构隧道抗震结构及施工方法，涉及隧道施工技术领域，其技术方案中：在盾构隧道可能会遭遇断层错动而受到影响的区域，相邻两节管环之间会设置抗错断连接件。这些连接件由波纹伸缩管环和钢环组成，当隧道遭遇较大错动量时，可以将断层产生的能量通过柔性接头吸收并集中在接头处，从而避免对整个隧道造成破坏。本方法采用刚度较小的柔性连接件，增加了隧道的柔性，使其能够更好地适应地质环境的变化；同时，采用形状记忆合金等柔性材料作为连接件材料，可以降低螺栓应力过于集中在连接处的风险，从而减少隧道衬砌破坏的概率；合理选择和应用柔性连接件不仅可以提高隧道的安全性和可靠性，还可以降低维护成本并延长隧道的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，特别地是一种盾构隧道抗震结构及施工方法。
背景技术
在隧道的设计和施工中，为了避免断层对隧道和建筑物的影响，通常采取避让措施。然而，在我国，不良地质条件如断层破碎带非常常见，因此不可避免地会遇到这种情况。当隧道穿越断层破碎带及其影响区域时，会产生无法修复的损坏，甚至可能导致结构的整体坍塌。因此，为提高盾构隧道穿越断层破碎带的安全性能，需要研究其变形破坏特征，这也是进一步提高抗震性能的关键。基于理论研究，可以提出具有实际意义的抗震措施，以提高整体安全性。这些研究不仅具有理论价值，而且对社会发展和盾构隧道抗震相关研究都具有实际意义。
目前，在活动断层区修建隧道一般有以下三种设计理念用于减小断层错动造成的隧道结构破坏：
1、“超挖设计”是一种应对活动断层影响的隧道设计理念。该方法通过确定错动方式和蠕滑错动量，来确定超挖量并扩大隧道断面尺寸，以保证净空面积足够大以减少破坏。当前，扩挖技术主要应用于公路隧道和铁路隧道。在公路隧道中，原位扩建可采用单侧扩建、双侧扩建和周围扩建三种方法，需要对原有结构进行破坏并进行围岩扩挖，以形成符合使用要求的新隧道。在铁路隧道中，扩挖主要应用于久远小断面铁路隧道和现有平导扩挖。由于铁路相对断面较小，扩挖范围也较小，难以用单双侧来描述。扩挖隧道可以增加开发隧道内的扩挖能力，但同时需要采取稳定的地基加固、扩挖支护等措施，以实现扩挖隧道大空间的可能性；
2、在“铰接设计”理念中，将隧道衬砌分隔成较小的独立实体，并使用柔性连接或直接留出缝隙连接，以吸收断层发生时产生的能量，提升整个隧道的柔度，将破坏集中在接头处，避免整体破坏。隧道管片有两种连接方式，一种是沿着隧道方向连接的纵向接头，另一种是环向接头，连接衬砌环向拼接管片。根据力学特性，纵向接头可以分为柔性接头和刚性接头。柔性接头可以让管片间微小的转动，而刚性接头则需要增加接头刚度或螺栓数量等方法，使衬砌成为一个整体。早期的设计认为管片接头刚度越大越安全，但经过长期实践和科学技术的发展，发现柔性接头的设计更为合理，于是管片接头的发展经历了从刚性联结到柔性联接方式的过渡。需要注意的是，本发明仅关注纵向接头；
3、在“隔离消能设计”理念中，隧道结构采用钢筋混凝土复合衬砌，并由初期支护、二次衬砌以及中间回填柔性材料组成。通过这种方式，原有的衬砌-围岩系统转变为衬砌-减震层-围岩系统，其目的在于在衬砌和围岩之间设置缓冲层，以吸收断层发生时产生的能量，从而保护内层衬砌，减少结构振动的幅度。减震层在隧道结构中的作用至关重要。它需要削弱周围地层对衬砌的约束力，并吸收衬砌与地层之间反复循环的动应变或相对动位移。如果没有减震层，地震波产生的剧烈振动会直接传递到衬砌上，导致结构的损坏。此外，减震层还应具有充分的弹性，以保证在地震发生后仍能发挥作用。在设计减震层时，需要选择合适的减震材料和设计方案，并根据地震条件和结构特点进行综合考虑，以确保结构的安全性和稳定性。
当采用超挖设计来提高隧道的抗震能力时，尽管可以降低隧道结构在地震作用下的变形，但同时也存在一些缺点和限制——首先，盾构隧道的建设需要在土层中进行推进，而采用超挖设计则需要提前预留一定的空间，因此对于盾构隧道来说不太现实；其次，采用超挖设计需要预先了解地震时可能发生的错动量，如果无法准确预测，就难以应对突发性地震事件的发生；此外，超挖设计通常只能考虑一定范围内的错动量，一般不超过0.5米，如果地震时的错动量超过了这个范围，超挖设计的设防方法就会失效，导致隧道受损。
作为防震减灾设计的一个方案，隔震消能设计可以有效降低地下结构在地震作用下的变形和破坏，但是它也有一些缺点和限制——首先，隔震消能设计成本相对较高，需要使用特殊设备和材料，增加了建筑成本；其次，设计具有一定的技术难度，需要对建筑结构进行精密的设计和施工计算和调整；此外，一旦发生地震，隔震消能设计并不能完全保证建筑不受损害，需要进行一定的维修和修复工作；最后，隔震消能设计在设计时需要充分考虑各种情况，如果设计不当，也可能出现设计上的失误，导致建筑结构的破坏。
因此，在活动断层错动形式及错动量不能完全确定的情况下，“铰接”无疑是最保险、最有效的抗断防护对策；基于上述问题，申请人基于“铰接设计”理念，设计了一种盾构隧道隔震的结构及施工方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种盾构隧道抗震结构及施工方法，采用刚度较小的柔性连接件，增加了隧道的柔性，使其能够更好地适应地质环境的变化；同时，采用形状记忆合金等柔性材料作为连接件材料，可以降低螺栓应力过于集中在连接处的风险，从而减少隧道衬砌破坏的概率；合理选择和应用柔性连接件不仅可以提高隧道的安全性和可靠性，还可以降低维护成本并延长隧道的使用寿命。
本发明通过以下技术方案实现的：
一种盾构隧道抗震结构，盾构隧道相邻两节管环之间具有固定的间隙，且设置了柔性接头，这些柔性接头以钢环-波纹管环-钢环的形式组合而成。
进一步的，钢环与相邻隧道管环之间采用盾构隧道螺栓连接。
进一步的，相邻两节隧道管环之间的间隙为90cm，钢环与波纹管环的宽度均为30cm，以钢环-波纹管环-钢环的形式组成连接件。
本发明还提供一种盾构隧道抗震结构的施工方法，具体包括以下步骤：
S1：组装和调整柔性接头，其具体步骤为：
S1-1：将钢环、波纹管环按照设计要求进行零部件制作加工，使其能够适配盾构隧道管片的大小和形状；
S1-2：将波纹管环和钢环零部件进行组合，对直径和厚度进行调整，使其符合预先设计的要求；
S1-3：经过质量检查后，将预制好的柔性接头零部件打包运送至现场。
S2：对盾构隧道施工，其具体步骤为：
S2-1：在工厂或现场先进行钢筋加工和混凝土浇筑，完成管环零部件的预制，以保证其尺寸精度和质量；
S2-2：对盾构隧道施工；
S2-3：在盾构隧道施工工程中，当隧道进入可能遭遇断层错动的范围时，盾构机停止推进，使用特殊机械进行管环的组装，完成柔性接头的安装和调整；S2-4：在完成柔性接头的安装和调整后，盾构机将继续推进，再施工后续的管环，重复以上步骤，直至完成整个隧道的施工。
进一步的，所述S1-1的具体方法是：
1)选择适合的形状记忆合金材料，通常是钛镍合金或铜锌铝合金等；
2)根据波纹管的形状和尺寸设计合适的模具，模具应能够塑形成为一个具有波纹结构的隧道管道；
3)将形状记忆合金材料放入模具中进行压制，压制时需要注意材料温度、压力和时间等参数的控制，以确保波纹管的形状和性能；
4)将压制好的波纹管进行热处理。在热处理过程中，需要将波纹管加热到材料的相变温度，使其记忆形状恢复到预设状态。
5)通过加工、冲孔、剪切等方式对波纹管进行成型处理，以使其适合于特定的管道连接和安装要求；
6)进行必要的表面处理，如去毛刺、打磨、喷涂等，以确保波纹管表面光滑、无锈蚀、防腐蚀等；
7)对成品波纹管进行质量检测，包括外观检查、尺寸测量、压力测试、形状记忆性能测试等。
进一步的，所述S2-2的具体方法是：将需要扩挖的盾构段设定为加固段，内层盾构隧道在穿越加固段时加大同步注浆和二次注浆量，盾构完成后对加固段进行深孔注浆加固并将加固段的管片拉紧固定。
进一步的，所述S2-3中安装柔性接头的具体步骤是：
1)将预制好的柔性接头钢板部件与波纹管环部件运送到接头处；
2)通过环向螺栓连接，将钢环部件拼装成一个完整的钢环；
3)通过纵向螺栓连接，将隧道管环、钢环以及波纹管环固定在一起；
4)重复步骤3，完成柔性接头的安装。继续进行盾构隧道的挖掘和推进工作，并在下一个接头处重复步骤1～4。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、在盾构隧道可能会遭遇断层错动而受到影响的区域，相邻两节管环之间会设置抗错断连接件。这些连接件由波纹伸缩管环和钢环组成，当隧道遭遇较大错动量时，可以将断层产生的能量通过柔性接头吸收并集中在接头处，从而避免对整个隧道造成破坏。本方法采用刚度较小的柔性连接件，增加了隧道的柔性，使其能够更好地适应地质环境的变化；同时，采用形状记忆合金等柔性材料作为连接件材料，可以降低螺栓应力过于集中在连接处的风险，从而减少隧道衬砌破坏的概率；合理选择和应用柔性连接件不仅可以提高隧道的安全性和可靠性，还可以降低维护成本并延长隧道的使用寿命；
2、在进行盾构隧道施工前，本方法需要对钢筋进行加工和混凝土进行浇筑，以完成管环零部件的预制，以保证其尺寸精度和质量。预制好的管环部件运到施工现场，在盾构隧道施工过程中，当隧道可能进入断层错动的范围时，盾构机需要停止推进，使用特殊机械进行管环的组装，完成柔性接头的安装和调整。安装和调整完成后，盾构机将继续推进，施工后续管环，并重复以上步骤，直至完成整个隧道的施工。这样采用预制管环和柔性接头的组装方式，能够有效地保证隧道结构的完整性；
3、为了避免隧道在断层破碎带错动时出现局部损坏的情况，可以在隧道管环之间留有空隙，并且在其中安装柔性接头，这样就形成了一种“钢环-波纹管环-钢环”的“三明治”结构。这种结构可以有效地减缓隧道接头处螺栓附近的应力过大现象，从而避免局部损坏的发生，保证隧道整体结构的完整性。
附图说明
图1是本发明实施例中管片连续时，外层管片连续时螺栓的受力(非常集中)仿真分析图；
图2是本发明实施例中管片不连续时，外层管片不连续并采用波纹管环后螺栓的受力(相对减小)仿真分析图；
图3是本发明实施例中采用本实例结构在遭遇断层错动时的效果图；
图4是本发明实施例中柔性接头的局部图。
附图标记说明：1、隧道管环；2、盾构隧道螺栓；3、波纹管环；4、钢环。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此以本发明的示意性实施例及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、上端、下端、顶部、底部……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征；另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
以下结合附图1-4对本发明作进一步详细说明。
实施例1：一种盾构隧道抗震结构，如图1至图4所示，盾构隧道相邻两节管环之间具有固定的间隙，且设置了柔性接头，这些柔性接头以钢环4-波纹管环3-钢环4的形式组合而成；相邻两节外层隧道管环1之间的间隙相同，间隙均为90cm，设置由钢环4与波纹管环3组成的连接件；钢环4与波纹管环3的宽度均为30cm，约为螺栓长度的一半，每节隧道管环1之间均固定安装以钢环4-波纹管环3-钢环4的形式组成连接件，并通过螺栓与相邻隧道管环1固定连接，除宽度外，钢环4与波纹管环3的尺寸需要与隧道管环1一致，形状需要与隧道管环1贴合。如图1所示，在受活断层错动影响的多节隧道管环1间隙放置柔性接头，可以有效避免变形过大时外层隧道的螺栓应力过于集中。
本实施例优选的，柔性接头包括两个钢环4与一个波纹管环3，并以钢环4-波纹管环3-钢环4的形式组成连接件；除宽度外，钢环4与波纹管环3的形状与尺寸需要与隧道管环1一致，贴合。
本实施例优选的，钢环4与相邻隧道管环1之间采用盾构隧道螺栓2连接。
本实施例优选的，相邻两节隧道管环1之间的间隙为90cm，中间以钢环4-波纹管环3-钢环4的形式设置连接件。
本实施例中，采用盾构隧道柔性接头，结合了“铰接设计”的抗震设计理念，本实施例的这种隔震结构在遭遇断层活动破坏时，可使断层错动产生的能量被柔性接头吸收，将破坏集中在接头处，避免隧道整体破坏，如图3所示。
实施例2：一种盾构隧道抗震结构的施工方法，该方法在施工前，需要预先加工钢环管环零部件、切割橡胶管环零部件；本方法具体包括以下步骤：
S1：组装和调整柔性接头，其具体步骤为：
S1-1：将钢环4、波纹管环3按照设计要求进行零部件制作加工，使其能够适配盾构隧道管片的大小和形状；
其中，波纹管制作加工的具体方式为：
1)选择适合的形状记忆合金材料，通常是钛镍合金或铜锌铝合金等；
2)根据波纹管的形状和尺寸设计合适的模具，模具应能够塑形成为一个具有波纹结构的隧道管道；
3)将形状记忆合金材料放入模具中进行压制，压制时需要注意材料温度、压力和时间等参数的控制，以确保波纹管的形状和性能；
4)将压制好的波纹管进行热处理。在热处理过程中，需要将波纹管加热到材料的相变温度，使其记忆形状恢复到预设状态。
5)通过加工、冲孔、剪切等方式对波纹管进行成型处理，以使其适合于特定的管道连接和安装要求；
6)进行必要的表面处理，如去毛刺、打磨、喷涂等，以确保波纹管表面光滑、无锈蚀、防腐蚀等；
7)对成品波纹管进行质量检测，包括外观检查、尺寸测量、压力测试、形状记忆性能测试等。
S1-2：将波纹管环3和钢环4零部件进行组合，对直径和厚度进行调整，使其符合预先设计的要求；
S1-3：经过质量检查后，将预制好的柔性接头零部件打包运送至现场。
S2：对盾构隧道施工，其具体步骤为：
S2-1：在工厂或现场先进行钢筋加工和混凝土浇筑，完成管环零部件的预制，以保证其尺寸精度和质量；
S2-2：对盾构隧道施工；
S2-3：在盾构隧道施工工程中，当隧道进入可能遭遇断层错动的范围时，盾构机停止推进，使用特殊机械进行管环的组装，完成柔性接头的安装和调整；
其中，盾构隧道施工的具体方式为：
1)将需要扩挖的盾构段设定为加固段，内层盾构隧道在穿越加固段时加大同步注浆和二次注浆量，盾构完成后对加固段进行深孔注浆加固并将加固段的管片拉紧固定。
安装柔性接头的具体方式为：
1)将预制好的柔性接头钢板部件与波纹管环3部件运送到接头处；
2)通过环向螺栓连接，将钢环部件拼装成一个完整的钢环4；
3)通过纵向螺栓连接，将隧道管环1、钢环4以及波纹管环3固定在一起；
4)重复步骤3，完成柔性接头的安装。继续进行盾构隧道的挖掘和推进工作，并在下一个接头处重复步骤1～4。
S2-4：在完成柔性接头的安装和调整后，盾构机将继续推进，再施工后续的管环，重复以上步骤，直至完成整个隧道的施工。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、在盾构隧道可能会遭遇断层错动而受到影响的区域，相邻两节管环之间会设置抗错断连接件。这些连接件由波纹伸缩管环和钢环4组成，当隧道遭遇较大错动量时，可以将断层产生的能量通过柔性接头吸收并集中在接头处，从而避免对整个隧道造成破坏。本方法采用刚度较小的柔性连接件，增加了隧道的柔性，使其能够更好地适应地质环境的变化；同时，采用形状记忆合金等柔性材料作为连接件材料，可以降低螺栓应力过于集中在连接处的风险，从而减少隧道衬砌破坏的概率；合理选择和应用柔性连接件不仅可以提高隧道的安全性和可靠性，还可以降低维护成本并延长隧道的使用寿命；
2、在进行盾构隧道施工前，本方法需要对钢筋进行加工和混凝土进行浇筑，以完成管环零部件的预制，以保证其尺寸精度和质量。预制好的管环部件运到施工现场，在盾构隧道施工过程中，当隧道可能进入断层错动的范围时，盾构机需要停止推进，使用特殊机械进行管环的组装，完成柔性接头的安装和调整。安装和调整完成后，盾构机将继续推进，施工后续管环，并重复以上步骤，直至完成整个隧道的施工。这样采用预制管环和柔性接头的组装方式，能够有效地保证隧道结构的完整性；
3、为了避免隧道在断层破碎带错动时出现局部损坏的情况，可以在隧道管环1之间留有空隙，并且在其中安装柔性接头，这样就形成了一种“钢环4-波纹管环3-钢环4”的“三明治”结构。这种结构可以有效地减缓隧道接头处螺栓附近的应力过大现象，从而避免局部损坏的发生，保证隧道整体结构的完整性。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种盾构隧道抗震结构，其特征在于：盾构隧道相邻两节管环之间具有固定的间隙，且设置有柔性接头，该柔性接头以钢环-波纹管环-钢环的形式组合而成。
2.根据权利要求1所述的一种盾构隧道抗震结构，其特征在于：钢环与相邻隧道管环之间采用盾构隧道螺栓连接。
3.根据权利要求1所述的一种盾构隧道抗震结构，其特征在于：相邻两节隧道管环之间的间隙为90cm，钢环与波纹管环的宽度均为30cm，以钢环-波纹管环-钢环的形式组成连接件。
4.一种盾构隧道抗震结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：组装和调整柔性接头，其具体步骤为：
S1-1：将钢环、波纹管环按照设计要求进行零部件制作加工，使其能够适配盾构隧道管片的大小和形状；
S1-2：将波纹管环和钢环零部件进行组合，对直径和厚度进行调整，使其符合预先设计的要求；
S1-3：经过质量检查后，将预制好的柔性接头零部件打包运送至现场；
S2：对盾构隧道施工，其具体步骤为：
S2-1：在工厂或现场先进行钢筋加工和混凝土浇筑，完成管环零部件的预制，以保证其尺寸精度和质量；
S2-2：对盾构隧道施工；
S2-3：在盾构隧道施工工程中，当隧道进入可能遭遇断层错动的范围时，盾构机停止推进，使用特殊机械进行管环的组装，完成柔性接头的安装和调整；S2-4：在完成柔性接头的安装和调整后，盾构机将继续推进，再施工后续的管环，重复以上步骤，直至完成整个隧道的施工。
5.根据权利要求4所述的一种盾构隧道抗震结构的施工方法，其特征在于：所述S1-1的具体方法是：
1)选择适合的形状记忆合金材料，通常是钛镍合金或铜锌铝合金；
2)根据波纹管的形状和尺寸设计合适的模具，模具应能够塑形成为一个具有波纹结构的隧道管道；
3)将形状记忆合金材料放入模具中进行压制，压制时需要注意材料温度、压力和时间的参数控制，以确保波纹管的形状和性能；
4)将压制好的波纹管进行热处理；在热处理过程中，需要将波纹管加热到材料的相变温度，使其记忆形状恢复到预设状态；
5)通过加工、冲孔、剪切的方式对波纹管进行成型处理，以使其适合于特定的管道连接和安装要求；
6)进行必要的表面处理，包括去毛刺、打磨、喷涂，以确保波纹管表面光滑、无锈蚀、防腐蚀；
7)对成品波纹管进行质量检测，包括外观检查、尺寸测量、压力测试、形状记忆性能测试。
6.根据权利要求4所述的一种基于柔性连接件的盾构隧道隔震结构的施工方法，其特征在于：所述S2-2的具体方法是：将需要扩挖的盾构段设定为加固段，内层盾构隧道在穿越加固段时加大同步注浆和二次注浆量，盾构完成后对加固段进行深孔注浆加固并将加固段的管片拉紧固定。
7.根据权利要求4所述的一种基于柔性连接件的盾构隧道隔震结构的施工方法，其特征在于：所述S2-3中安装柔性接头的具体步骤是：
1、将预制好的柔性接头钢板部件与波纹管环部件运送到接头处；
2、通过环向螺栓连接，将钢环部件拼装成一个完整的钢环；
3、通过纵向螺栓连接，将隧道管环、钢环以及波纹管环固定在一起；
4、重复步骤3，完成柔性接头的安装；继续进行盾构隧道的挖掘和推进工作，并在下一个接头处重复步骤1～4。
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