CN201818313U - 膨胀岩土地区盾构隧道管片衬砌的纵缝弹性装置 - Google Patents

Abstract

一种膨胀岩土地区盾构隧道管片衬砌的纵缝弹性装置，其管片的纵缝壁上设置有覆盖全纵缝壁的橡胶带，在密封槽处的橡胶带位于密封槽壁和密封垫之间，橡胶带的厚度P由公式

确定；式中，P′为在衬砌结构轴力的作用下橡胶带被压缩后的厚度，为3-8mm；E₂-橡胶带弹性模量；N-衬砌结构所受到的轴力；A-轴力作用面积，A＝bh，b为管片纵缝的长度，h为管片的厚度。该装置能大幅度降低衬砌的等效刚度，从而减小作用在衬砌上的膨胀力，以保证在膨胀岩土地区修建的盾构隧道结构的安全、可靠；同时它也降低衬砌结构的内应力，可有效减少衬砌的配筋量；并且其防水性能好。

Description

膨胀岩土地区盾构隧道管片衬砌的纵缝弹性装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于盾构隧道管片纵缝连接处的构造，尤其涉及一种膨胀岩土地区地盾构隧道管片的弹性纵缝装置。

背景技术

膨胀岩、土体随着环境变化特别是湿度状态的变化发生膨胀和收缩，并产生膨胀压力。膨胀土的重要性质是膨胀土的黏土矿物成分中含有较多的蒙脱石、伊利石和多水高岭石，这类矿物具有较强的与水结合的能力，吸水膨胀、失水收缩，并具膨胀-收缩-再膨胀的往复胀缩特性，特别是蒙脱石含量直接决定其膨胀性能的大小。膨胀岩、土体浸水后体积膨胀，在无侧限的条件下则发生吸水湿化，不同类型的膨胀岩、土其崩解性不一样，强膨胀岩、土浸水后，几分钟很快就完全崩解；弱膨胀岩、土浸水后，则需要经过较长的时间才能逐步崩解。如果膨胀岩、土体在吸水膨胀时受到外部约束的限制，阻止其膨胀，此时则在土体内产生一种内应力，即为膨胀力或称膨胀压力。与土体吸水膨胀相反，倘若土体失水，其体积随之减小而产生收缩，并伴随土中出现裂隙。隧道修建后阻止了膨胀岩、土体的膨胀，隧道的衬砌会承受较大的膨胀压力，在衬砌中也产生较大的内应力。

现有盾构隧道由多个弧形的管片拼装成管片环，管片环再拼装成纵向延伸的盾构隧道的衬砌。管片连接成管片环时，管片与管片之间的连接缝呈纵向方向，称为纵缝。现有的衬砌，管片间的连接纵缝壁设有密封槽和带水胀橡胶的密封垫，具有较好的防水、密封性能；但在密封槽之外的其余接缝部位只有1.5mm的间隙且在该间隙内设有1.5mm厚度的传力衬垫。这种纵缝装置扩张和收缩的余地极小，如果在膨胀岩、土地区仍然采用这样的衬砌，当膨胀岩、土体吸水膨胀受到衬砌约束则产生较大的膨胀力，将会引起衬砌产生较大的内力，从而对衬砌的力学性能要求大大提高，虽可通过增加钢筋量来降低内应力，但成本过高难以实现。而更改衬砌结构的方法，则需要更改衬砌的模板，同样费用很高，难以实施。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种膨胀岩土地区盾构隧道管片衬砌的纵缝弹性装置，该装置能大幅度降低衬砌的等效刚度，从而减小作用在衬砌上的膨胀力，以保证在膨胀岩土地区修建的盾构隧道结构的安全、可靠；同时它也降低衬砌结构的内应力，可有效减少衬砌的配筋量；并且其防水性能好。

本实用新型实现其发明目的，所采用的技术方案是：一种膨胀岩土地区盾构隧道管片衬砌的纵缝弹性装置，包括相接的管片纵缝壁上各自设置的密封槽和密封槽内的密封垫，其结构特点是：管片的纵缝壁上设置有覆盖全纵缝壁的橡胶带，在密封槽处的橡胶带位于密封槽壁和密封垫之间，橡胶带的厚度P由以下公式确定：

$P=P^{\′}/(1-\frac{N}{E_{2}A})$

其中，P′为在衬砌结构轴力的作用下橡胶带被压缩后的厚度，为3-8mm；E₂-橡胶带弹性模量；N-衬砌结构所受到的轴力(环向力)；A-轴力作用面积，A＝bh，b为管片纵缝的长度，h为管片的厚度。

理论分析表明，若隧道衬砌刚度越大、深部围岩越硬、膨胀岩圈越厚，则作用在隧道衬砌上的膨胀力越大，反之，则膨胀力越小。而膨胀岩圈外侧岩土的刚度、膨胀岩圈厚度、膨胀岩的自由膨胀率和膨胀岩弹性模量是无法改变的，只能通过降低衬砌刚度的方法来降低衬砌上的膨胀力。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

一、使用在轴力作用下压缩后厚度为3-8mm的橡胶带后，衬砌环向等效抗压刚度大幅度降低，计算表明，使用橡胶带后的等效抗压刚度仅为未使用时的5％。岩土体发生膨胀时，衬砌可以产生较大的收缩变形，作用在衬砌上的膨胀力也会随之减小。膨胀土失水收缩后，衬砌恢复原来状态。这样，在不改变现有衬砌的结构也即不改变衬砌模板的情况下，可以有效实现降低衬砌等效刚度，以减少作用在衬砌上的膨胀力，从而保证在膨胀岩土地区修建的盾构隧道结构的安全、可靠。

二、同时，采用橡胶带之后，也有效降低了衬砌结构的内应力，可在受力不变的情况下，减少配筋量，有较高的经济效益。

三、现有的管片连接纵缝中，纵缝的防水通过密封垫上附着的约20mm高的水胀橡胶条遇水膨胀产生挤压实现。当管片之间的错台量达到20mm时，水胀橡胶条便会失去作用。而本实用新型中纵缝的防水则通过覆盖全纵缝的橡胶带的挤压实现，由于橡胶带的接触宽度为整个纵缝的厚度达265mm，几十毫米的错台对于衬砌纵缝的防水没有影响。同时压缩后厚度为3-5mm的橡胶带完全能够填充通常在1mm内的纵缝张开，能够避免纵缝张开造成的渗漏。并且橡胶防水的耐久性要优于水胀橡胶，能长期保持其优良的防水性能。

下面结合附图和具体的实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

附图说明

图1是本实用新型实施例的结构示意图。

具体实施方式

实施例

图1示出，本实用新型的一种具体实施方式为：一种膨胀岩土地区盾构隧道管片衬砌的纵缝弹性装置，包括相接的管片1纵缝壁上各自设置的密封槽6和密封槽6内的密封垫2。管片1的纵缝壁上设置有覆盖全纵缝壁的橡胶带3，且在密封槽6处的橡胶带3位于密封槽6壁和密封垫2之间，橡胶带3的厚度P由以下公式确定：

$P=P^{\′}/(1-\frac{N}{E_{2}A})$

其中，P′为在衬砌结构轴力的作用下橡胶带被压缩后的厚度，为3-8mm；E₂-橡胶带弹性模量；N-衬砌结构所受到的轴力；A-轴力作用面积，A＝bh，b为管片纵缝的长度，h为管片的厚度。

本实用新型在实施时，在预制管片浇筑前，将厚度与压缩后的橡胶带3厚度P′相同，且与纵缝壁形状适配的钢板，密贴于现有的管片模板纵缝壁面；再浇注混凝土，等管片混凝土强度达到预期强度后，取下模板及钢板，这样就在混凝土管片上准确地预留了橡胶带3的缝宽，在拼接时直接将橡胶带密帖在纵缝壁上即可。可见增加本实用新型的橡胶带3后，不用改变现有的模板。

以下计算表明，使用橡胶带可以大大降低衬砌等效环向抗压刚度：如当压缩后的橡胶带厚度P′为3mm，弹性模量为10MPa时，等效环向抗压刚度E′为：

$E^{\′}=\frac{(L_1+P^{\′})E_1{E}_2}{E_2{L}_1+E_1{P}^{\′}}$

$=\frac{5.7\mathrm{\π}\×34.5\×{10}^9\×3\×{10}^6}{10\×{10}^6\×(5.7\mathrm{\π}-0.0006\×6)+34.5\×{10}^9\×0.0006\×6}$

$=1.3\left(\mathrm{GPa}\right)$

而不加橡胶带时的衬砌钢筋混凝土环向等效抗压刚度为34.5GPa，加上橡胶带后的减小率为：

$\frac{34.5-1.3}{34.5}\×100\%=96.23\%$

可见，使用橡胶带大幅度降低了衬砌环向等效抗压刚度，仅为原来的4％左右。岩土体发生膨胀时，衬砌可以产生更大的收缩变形，作用在衬砌上的膨胀力也会随之减小。膨胀土失水收缩后，衬砌恢复原来状态。并且使用该橡胶带之后，管片接头刚度降低，在受力不变的情况下衬砌结构内力随之减小。

Claims (1)

1.一种膨胀岩土地区盾构隧道管片衬砌的纵缝弹性装置，包括相接的管片(1)纵缝壁上各自设置的密封槽(6)和密封槽(6)内的密封垫(2)，其特征在于：所述的管片(1)的纵缝壁上设置有覆盖全纵缝壁的橡胶带(3)，在密封槽(6)处的橡胶带(3)位于密封槽(6)壁和密封垫(2)之间，橡胶带(3)的厚度P由以下公式确定：

$P=P^{\′}/(1-\frac{N}{E_{2}A})$

其中，P′为在衬砌结构轴力的作用下橡胶带被压缩后的厚度，为3-8mm；E₂-橡胶带弹性模量；N-衬砌结构所受到的轴力；A-轴力作用面积，A＝bh，b为管片纵缝的长度，h为管片的厚度。

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