CN116950686A - 一种盾构隧道管片结构及密封槽参数设计方法 - Google Patents

一种盾构隧道管片结构及密封槽参数设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种盾构隧道管片结构及密封槽参数设计方法，涉及盾构隧道防水技术领域，该结构包括：管片主体，其与相邻管片主体连接的接触面设有两道沿厚度方向间隔设置的内侧密封垫槽和外侧密封垫槽，所述内侧密封垫槽和外侧密封垫槽均用于设置防水密封垫，其中，所述内侧密封垫槽位置位于根据内侧密封垫槽长度、内侧密封垫槽位置、管片接缝最大应力和应力零点位置抵抗矩之间的关系，选取应力零点位置抵抗矩最大时的内侧密封垫槽位置。解决了现有技术中采取在隧道管片接缝处连续设置两道防水密封垫防水，但是两道密封垫的设置位置相邻，存在隧道管片接缝的正弯抗弯性能弱的问题。

Description

一种盾构隧道管片结构及密封槽参数设计方法
技术领域
本发明涉及盾构隧道防水技术领域，具体涉及一种盾构隧道管片结构及密封槽参数设计方法。
背景技术
盾构隧道是指使用盾构机，一边控制开挖面及周围土体不发生坍塌失稳，一边进行隧道掘进、出渣，并在机内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆，从而不扰动周围土体而修筑的隧道。盾构机所谓的盾是指保持开挖面稳定性的刀盘、压力舱和支护周围土体的盾构钢壳，所谓的构是指构成隧道衬砌的管片和壁后注浆体。
在水下大直径盾构隧道防水设计中，由于水压高，需要着重控制地下水渗漏进入隧道。在现有技术中，通常采取在隧道管片接缝处连续设置两道防水密封垫防水，但是两道密封垫的设置位置相邻，存在削弱隧道管片接缝的正弯抗弯性能的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种盾构隧道管片结构及密封槽参数设计方法，能够解决现有技术中采取在隧道管片接缝处连续设置两道防水密封垫防水，但是两道密封垫的设置位置相邻，存在削弱隧道管片接缝的正弯抗弯性能的问题。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一方面，本方案提供一种盾构隧道管片结构，包括：
管片主体，其与相邻管片主体连接的接触面设有两道沿厚度方向间隔设置的内侧密封垫槽和外侧密封垫槽，所述内侧密封垫槽和外侧密封垫槽均用于设置防水密封垫，其中，所述内侧密封垫槽位置位于根据内侧密封垫槽(2)长度、内侧密封垫槽(2)位置、管片接缝最大应力和应力零点位置抵抗矩之间的关系，选取使管片接缝应力零点位置抵抗矩最大的内侧密封垫槽(2)位置作为优选内侧密封垫槽(2)位置。
在一些可选的方案中，所述管片主体与相邻管片主体连接的接触面设有用于与相邻管片主体连接的螺栓孔。
在一些可选的方案中，在选取所述内侧密封垫槽(2)位置时，所述内侧密封垫槽(2)需满足其设置在所述螺栓孔(4)远离隧道的一侧。
在一些可选的方案中，所述外侧密封垫槽位置位于距管片主体厚度方向远离隧道一端设定长度。
在一些可选的方案中，所述外侧密封垫槽的开槽深度大于所述内侧密封垫槽的开槽深度。
在一些可选的方案中，所述内侧密封垫槽内设置有内侧密封垫，所述内侧密封垫为遇水膨胀止水橡胶制件。
在一些可选的方案中，所述外侧密封垫槽内设置有外侧密封垫，所述外侧密封垫为三元乙丙橡胶制件。
另一方面，本方案提供一种盾构隧道管片密封槽参数设计方法，其用于上述任一项所述的盾构隧道管片结构的参数，包括以下步骤：
基于对管片接缝接触应力的应力分布，建立内侧密封垫槽长度、内侧密封垫槽位置、管片接缝最大应力和应力零点位置抵抗矩之间的关系；
根据内侧密封垫槽长度、内侧密封垫槽位置、管片接缝最大应力和应力零点位置抵抗矩之间的关系，选取使管片接缝应力零点位置抵抗矩最大的内侧密封垫槽位置作为优选内侧密封垫槽位置。
在一些可选的方案中，根据公式：
确定管片接缝接触应力零点位置的抵抗矩；
其中，M2为管片接缝接触应力零点位置的抵抗矩，h1为内侧密封垫槽位置到管片接缝接触应力零点位置的距离，h2为内侧密封垫槽位置到外侧密封垫槽位置的距离，L为内侧密封垫槽长度，f为管片接缝最大应力。
在一些可选的方案中，内侧密封垫槽位置与螺栓孔的间距大于等于设定间距。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本方案在管片主体与相邻管片主体连接的接触面设有两道沿厚度方向间隔设置的内侧密封垫槽和外侧密封垫槽。内侧密封垫槽位置位于根据内侧密封垫槽长度、内侧密封垫槽位置、管片接缝最大应力和应力零点位置抵抗矩之间的关系，选取使应力零点位置抵抗矩最大的内侧密封垫槽位置。这样与现有技术中将两道密封垫槽连续设置在外侧密封垫槽处相比，盾构隧道管片接缝处具有更大的正弯抗弯能力。解决了现有技术中采取在隧道管片接缝处连续设置两道防水密封垫防水，但是两道密封垫的设置位置相邻，存在削弱隧道管片接缝的正弯抗弯性能的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中盾构隧道管片与相邻盾构隧道管片连接后的结构示意图；
图2为本发明实施例中盾构隧道管片与相邻盾构隧道管片未连接的结构示意图；
图3为本发明实施例中管片接缝接触应力的分布示意图；
图4为本发明实施例中内侧密封垫槽与外侧密封垫槽相邻时管片接缝接触应力的分布示意图；
图5为本发明实施例中盾构隧道管片密封槽参数设计方法的流程示意图；
图中：1、管片主体；2、内侧密封垫槽；3、外侧密封垫槽；4、螺栓孔。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。
如图1和图2所示，一方面，本发明提供一种盾构隧道管片结构，包括：
管片主体1，其与相邻管片主体1连接的接触面设有两道沿厚度方向间隔设置的内侧密封垫槽2和外侧密封垫槽3，内侧密封垫槽2和外侧密封垫槽3均用于设置防水密封垫，其中，内侧密封垫槽2位置位于根据内侧密封垫槽(2)长度、内侧密封垫槽(2)位置、管片接缝最大应力和应力零点位置抵抗矩之间的关系，选取使管片接缝应力零点位置抵抗矩最大的内侧密封垫槽(2)位置作为优选内侧密封垫槽(2)位置。
在本实施例中，本发明在管片主体1与相邻管片主体1连接的接触面设有两道沿厚度方向间隔设置的内侧密封垫槽2和外侧密封垫槽3。内侧密封垫槽2位置位于根据内侧密封垫槽2长度、内侧密封垫槽2位置、管片接缝最大应力和应力零点位置抵抗矩之间的关系，选取使应力零点位置抵抗矩最大的内侧密封垫槽2位置。这样与现有技术中将两道密封垫槽连续设置在外侧密封垫槽处相比，盾构隧道管片接缝处具有更大的正弯抗弯能力。解决了现有技术中采取在隧道管片接缝处连续设置两道防水密封垫防水，但是两道密封垫的设置位置相邻，存在削弱隧道管片接缝的正弯抗弯性能的问题。
在本实施例中，内侧密封垫槽2和外侧密封垫槽3中的内侧与外侧是相对于隧道管片厚度方向的位置而言的。内侧密封垫槽2的位置相比外侧密封垫槽3的位置更接近隧道的一侧。
在一些可选的实施例中，管片主体1与相邻管片主体1连接的接触面设有用于与相邻管片主体1连接的螺栓孔4。
在本实施例中，管片主体1与相邻管片主体1通过螺栓孔4进行螺栓连接固定。
在一些可选的实施例中，在选取所述内侧密封垫槽(2)位置时，所述内侧密封垫槽(2)需满足其设置在所述螺栓孔(4)远离隧道的一侧。
在本实施例中，内侧密封垫槽(2)设置在螺栓孔(4)远离隧道的一侧，防止外侧密封垫槽失效漏水后，水会沿着螺栓孔4进入隧道中。
在一些可选的实施例中，外侧密封垫槽3位置位于距管片主体1厚度方向远离隧道一端设定长度。
在本实施例中，外侧密封垫槽3位置位于距管片主体1厚度方向远离隧道一端设定长度。根据管片主体1的尺寸，先确定外侧密封垫槽3的设置位置。
在一些可选的实施例中，外侧密封垫槽3的开槽深度大于内侧密封垫槽2的开槽深度。
在本实施例中，外侧密封垫槽3的开槽深度大于内侧密封垫槽2的开槽深度。减少在隧道管片接缝张开时，外侧缝隙对内侧缝隙的影响。内侧缝隙的张开量更小，使内侧密封垫仍具有良好的防水效果。
在一些可选的实施例中，内侧密封垫槽2内设置有内侧密封垫，内侧密封垫为遇水膨胀止水橡胶制件。
在一些可选的实施例中，外侧密封垫槽3内设置有外侧密封垫，外侧密封垫为三元乙丙橡胶制件。
在本实施例中，密封垫的厚度大于密封垫槽口的深度，以确保密封完全。
在本实施例中，管片主体1拼装时，螺栓从螺栓孔中插入，穿过相邻管片主体1的螺栓孔，将两片管片主体1拼装在一起。内侧密封垫和外侧密封垫在隧道拼装压力、千斤顶压力、螺栓预紧力和后期水土压力共同作用下，两密封垫处于高接触应力状态，达到防水效果。
如图3、图4和图5所示，另一方面，本发明提供一种盾构隧道管片密封槽参数设计方法，其用于设计上述任一项的盾构隧道管片结构的参数，包括以下步骤：
S1：基于对管片接缝接触应力的应力分布，建立内侧密封垫槽长度、内侧密封垫槽位置、管片接缝最大应力和应力零点位置抵抗矩之间的关系。
S2：根据内侧密封垫槽长度、内侧密封垫槽位置、管片接缝最大应力和应力零点位置抵抗矩之间的关系，选取使管片接缝接触面的应力零点位置抵抗矩最大的内侧密封垫槽位置作为优选内侧密封垫槽位置。
在本实施例中，管片接缝的应力零点位置会收到管片结构和隧道压力等因素的影响而发生变化。选取优选内侧密封垫槽位置时，在管片接缝可能的应力零点位置中，将最接近隧道位置的应力零点位置作为分析对象。以最接近隧道位置的应力零点位置作为分析对象选取的优选内侧密封垫槽位置在应力零点处于其他位置时，应力零点位置仍具有最大抵抗矩。
在一些可选的实施例中，根据公式：
确定管片接缝接触应力零点位置的抵抗矩；
其中，M2为管片接缝接触应力零点位置的抵抗矩，h1为内侧密封垫槽位置到管片接缝接触应力零点位置的距离，h2为内侧密封垫槽位置到外侧密封垫槽位置的距离，L为内侧密封垫槽长度，f为管片接缝最大应力。
在本实施例中，计算时，管片接缝的应力分布视为三角形分布，即从应力零点处到外侧密封垫位置应力线性增大。相对于混凝土结构的压应力，计算中忽略了内侧密封垫的接触应力。根据内侧密封垫槽的位置改变，h1和h2的长度发生变化，但h1+h2的值是固定的。当内侧密封垫槽与外侧密封垫槽相邻，即h2＝0时，管片接缝接触应力零点位置的抵抗矩为：其中M1为当内侧密封垫槽与外侧密封垫槽相邻时管片接缝接触应力零点位置的抵抗矩。由于h1+h2的值是固定的，所以M1的值固定。而可以得出，当h1越小时，越大，即管片接缝接触应力零点位置的抵抗矩M2越大。因此优选内侧密封垫槽位置为管片接缝接触应力零点位置的位置。此时的隧道管片接缝的正弯抗弯能力最强。另外可以看出，当内侧密封垫槽位置位于比管片接缝接触应力零点位置更接近隧道的位置时，应力零点位置的抵抗矩仍处于最大值。因此，优选内侧密封垫槽位置位于管片接缝接触应力零点位置与管片接缝隧道靠近隧道的一端之间。具体选取时，内侧密封垫槽位置需满足施工需求，如内侧密封垫槽位置与管片接缝隧道靠近隧道的一端之间的最小间距、内侧密封垫槽位置与螺栓孔的最小间距等。
在一些可选的实施例中，内侧密封垫槽位置与螺栓孔的间距大于等于设定间距。
在本实施例中，由于管片主体与相邻管片主体的接触面设置有螺栓孔，为保证螺栓孔与内侧密封垫槽均能有效发挥作用以及满足施工要求，内侧密封垫槽位置与螺栓孔的间距需大于等于设定间距。
综上所述，本发明提供的盾构隧道管片结构和盾构隧道管片密封槽参数设计方法。避免了当外侧接缝张开，错台量大，外侧密封垫防水失效后，水体容易沿螺栓孔渗入隧道内，影响隧道正常使用的问题。有效地提高了隧道管片接缝的正弯抗弯刚度及整体防水能力。在外侧密封垫失效漏水时，内侧密封垫仍有很好的防水性能，并且水体不会沿螺栓孔进入隧道内，提高螺栓的耐久性能。管片接缝外侧混凝土结构应力面积增加，接缝正弯抗弯性能明显提高。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。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申请中的具体含义。
需要说明的是，在本申请中，诸如“内侧”和“外侧”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种盾构隧道管片结构，其特征在于，包括：
管片主体(1)，其与相邻管片主体(1)连接的接触面设有两道沿厚度方向间隔设置的内侧密封垫槽(2)和外侧密封垫槽(3)，所述内侧密封垫槽(2)和外侧密封垫槽(3)均用于设置防水密封垫，其中，所述内侧密封垫槽(2)位置位于根据内侧密封垫槽(2)长度、内侧密封垫槽(2)位置、管片接缝最大应力和应力零点位置抵抗矩之间的关系，选取使管片接缝应力零点位置抵抗矩最大的内侧密封垫槽(2)位置作为优选内侧密封垫槽(2)位置。
2.如权利要求1所述的盾构隧道管片结构，其特征在于，所述管片主体(1)与相邻管片主体(1)连接的接触面设有用于与相邻管片主体(1)连接的螺栓孔(4)。
3.如权利要求2所述的盾构隧道管片结构，其特征在于，在选取所述内侧密封垫槽(2)位置时，所述内侧密封垫槽(2)需满足其设置在所述螺栓孔(4)远离隧道的一侧。
4.如权利要求1所述的盾构隧道管片结构，其特征在于，所述外侧密封垫槽(3)位置位于距管片主体(1)厚度方向远离隧道一端设定长度。
5.如权利要求1所述的盾构隧道管片结构，其特征在于，所述外侧密封垫槽(3)的开槽深度大于所述内侧密封垫槽(2)的开槽深度。
6.如权利要求5所述的盾构隧道管片结构，其特征在于，所述内侧密封垫槽(2)内设置有内侧密封垫，所述内侧密封垫为遇水膨胀止水橡胶制件。
7.如权利要求5所述的盾构隧道管片结构，其特征在于，所述外侧密封垫槽(3)内设置有外侧密封垫，所述外侧密封垫为三元乙丙橡胶制件。
8.一种盾构隧道管片密封槽参数设计方法，其特征在于，其用于设计如权利要求1-7任一项所述的盾构隧道管片结构的参数，包括以下步骤：
基于对管片接缝接触应力的应力分布，建立内侧密封垫槽长度、内侧密封垫槽位置、管片接缝最大应力和应力零点位置抵抗矩之间的关系；
根据内侧密封垫槽长度、内侧密封垫槽位置、管片接缝最大应力和应力零点位置抵抗矩之间的关系，选取使管片接缝应力零点位置抵抗矩最大的内侧密封垫槽位置作为优选内侧密封垫槽位置。
9.如权利要求8所述的盾构隧道管片接缝防水密封垫设置方法，其特征在于，根据公式：确定管片接缝接触应力零点位置的抵抗矩；
其中，M2为管片接缝接触应力零点位置的抵抗矩，h1为内侧密封垫槽位置到管片接缝接触应力零点位置的距离，h2为内侧密封垫槽位置到外侧密封垫槽位置的距离，L为内侧密封垫槽长度，f为管片接缝最大应力。
10.如权利要求9所述的盾构隧道管片接缝防水密封垫设置方法，其特征在于，内侧密封垫槽位置与螺栓孔的间距大于等于设定间距。
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