Tbm 隧道輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種TBM隧道輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法，輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)，包括隧道襯砌管片，其特征在于：至少一段隧道區(qū)間的所述襯砌管片被設(shè)置成如下結(jié)構(gòu)：同一環(huán)襯砌管片中，沿隧道環(huán)向不同位置的管片，其配筋率不完全相同。將同一環(huán)的襯砌管片中，沿隧道環(huán)向不同位置的管片，設(shè)置為具有不同配筋率的結(jié)構(gòu)，打破了行業(yè)中同一環(huán)襯砌管片的配筋率必須一致的技術(shù)偏見(jiàn)，而且能夠根據(jù)地應(yīng)力的情況，合理的分配不同位置處相應(yīng)管片的配筋率，支護(hù)結(jié)構(gòu)的針對(duì)性更強(qiáng)，在能保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，在受力較小的部位減少配筋率。這一結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)大大減少了工程造價(jià)，避免了鋼筋用量的不必要的浪費(fèi)，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
TBM隧道輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于盾構(gòu)隧道或TBM隧道施工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種TBM隧道輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]管片襯砌在采用TBM或盾構(gòu)機(jī)施工的地下工程中廣泛采用:在TBM隧道或是盾構(gòu)隧道中，掘進(jìn)機(jī)將預(yù)制管片進(jìn)行拼裝，形成用以防止圍巖變形或坍塌的襯砌。在隧道建設(shè)中，隧道襯砌費(fèi)用往往占整個(gè)隧道工程造價(jià)的40%-50%左右。由于管片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響到隧道的結(jié)構(gòu)安全，因此管片的配筋量一定要滿足隧道的穩(wěn)定性。但是如果管片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)于保守，則會(huì)造成施工經(jīng)濟(jì)的巨大浪費(fèi)。
[0003]在TBM或盾構(gòu)隧道的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中，一般會(huì)根據(jù)圍巖級(jí)別的不同，在隧道的不同地段設(shè)計(jì)不同配筋量的管片。而在同一地段，同一環(huán)的各個(gè)管片的配筋量是相同的，這是由于傳統(tǒng)的管片襯砌是通過(guò)TBM或盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行機(jī)械化拼裝，往往將一環(huán)襯砌管片視為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，每一個(gè)管片被視為一環(huán)襯砌的組成部分，因此同一環(huán)處不同位置的管片配筋率都相同。
[0004]但是，由于地應(yīng)力具有方向性，即使同一環(huán)管片，其不同位置處所受到的壓力也是不同的。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中，都是按照最大受力點(diǎn)的受力情況來(lái)設(shè)計(jì)配筋，而在受力較小部位的管片，所配置的鋼筋不能得到充分發(fā)揮，也就是配筋量過(guò)高，造成了不必要的浪費(fèi)。
[0005]此外，在隧道進(jìn)行開(kāi)挖之前，各類(lèi)型號(hào)的管片就已經(jīng)預(yù)制完成，按照傳統(tǒng)的配筋模式，勢(shì)必導(dǎo)致重型預(yù)制管片相應(yīng)過(guò)多，輕型預(yù)制管片相應(yīng)過(guò)少，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種TBM隧道輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法。
[0007]為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0008]TBM隧道輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)，包括隧道襯砌管片，至少一段隧道區(qū)間的所述襯砌管片被設(shè)置成如下結(jié)構(gòu):同一環(huán)襯砌管片中，根據(jù)該環(huán)管片處地應(yīng)力沿隧道環(huán)向的分布情況的不同，沿隧道環(huán)向不同位置的單個(gè)管片之間的配筋率不完全相同。
[0009]由于傳統(tǒng)的管片襯砌是通過(guò)TBM或盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行機(jī)械化拼裝，往往將一環(huán)襯砌管片視為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，每一個(gè)管片被視為一環(huán)襯砌的組成部分，因此同一環(huán)處不同位置的管片配筋率都是相同的。將同一環(huán)的襯砌管片中，沿隧道環(huán)向不同位置的管片，設(shè)置為具有不同配筋率的結(jié)構(gòu)，打破了行業(yè)中同一環(huán)襯砌管片的配筋率必須一致的技術(shù)偏見(jiàn)，而且能夠根據(jù)地應(yīng)力的情況，合理的分配不同位置處相應(yīng)管片的配筋率，支護(hù)結(jié)構(gòu)的針對(duì)性更強(qiáng)，在能保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，在受力較小的部位減少配筋率。這一結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)大大減少了工程造價(jià)，避免了鋼筋用量的不必要的浪費(fèi)，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
[0010]進(jìn)一步的，一環(huán)的所述襯砌管片中，頂部管片的配筋采用第一配筋率，兩側(cè)管片的配筋采用第二配筋率，當(dāng)圍巖的側(cè)壓力系數(shù)為0.7-0.9時(shí)，所述第一配筋率與所述第二配筋率的比值為1.1-1.3；當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)為1.1-1.3時(shí)，所述第一配筋率與所述第二配筋率的比值為0.6-0.9;當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)為1.3-1.5時(shí)，所述第一配筋率與所述第二配筋率的比值為0.5—0.8 ο
[0011]對(duì)于側(cè)壓力系數(shù)處于0.9-1.1的情況，由于垂直方向和水平方向的受力差異并不顯著，可以不用考慮輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)形式。而當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)大于1.1時(shí)，兩側(cè)管片的受力要顯著大于頂?shù)坠芷氖芰?。傳統(tǒng)情況下，都是按照隧道兩側(cè)的受力情況來(lái)布置配筋，這就導(dǎo)致了頂?shù)坠芷呐浣盥屎蛢蓚?cè)管片的相同，但是頂?shù)坠芷匿摻畈荒艹浞职l(fā)揮作用，造成了一定程度的浪費(fèi)。將頂?shù)坠芷呐浣盥试O(shè)置的較小些，以滿足頂?shù)孜恢玫氖芰η闆r為準(zhǔn)，可以減少頂?shù)坠芷匿摻钣昧浚诒ＷC安全的同時(shí)達(dá)到經(jīng)濟(jì)最優(yōu)。側(cè)壓力系數(shù)為
0.7-0.9的情況時(shí)，原理相同。
[0012]進(jìn)一步的，對(duì)于上述TBM隧道輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)，當(dāng)隧道圍巖的巖體基本質(zhì)量等級(jí)為m級(jí)或IV級(jí)圍巖時(shí)，一環(huán)的所述襯砌管片中，所述頂部管片的配筋采用第一配筋率，所述兩側(cè)管片的配筋采用第二配筋率。
[0013]對(duì)于I級(jí)圍巖和π級(jí)圍巖，其自穩(wěn)能力較好，管片的配筋率普遍偏低，可以不用考慮組合配筋的形式。而m級(jí)或IV級(jí)圍巖，包括巖體完整程度處于完整或較完整狀態(tài)的軟質(zhì)巖、和完整程度處于較破碎或破碎的狀態(tài)的硬質(zhì)巖。對(duì)于這一部分巖體，構(gòu)造應(yīng)力的作用往往比自重應(yīng)力的作用更加顯著，導(dǎo)致隧道兩側(cè)管片的受力情況和頂部管片的受力情況差距較大。針對(duì)這種情況，對(duì)管片配筋情況進(jìn)行上述劃分，針對(duì)性更強(qiáng)，能做到安全性和經(jīng)濟(jì)性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。
[0014]進(jìn)一步的，對(duì)于當(dāng)所述隧道圍巖的巖體基本質(zhì)量等級(jí)為m級(jí)或IV級(jí)圍巖時(shí)，輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)，當(dāng)所述圍巖的側(cè)壓力系數(shù)大于1.1時(shí)，底部管片采用所述第一配筋率。當(dāng)兩側(cè)管片的受力大于頂?shù)坠芷氖芰r(shí)，可以將底部管片的配筋率設(shè)置得與頂部管片的配筋率相同。
[0015]進(jìn)一步的，對(duì)于上述TBM隧道輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)，當(dāng)所述隧道圍巖的巖體完整性系數(shù)小于0.35時(shí)，一環(huán)的所述襯砌管片中，頂部管片的配筋采用第一配筋率，兩側(cè)管片和底管片的配筋采用第二配筋率，所述第一配筋率高于所述第二配筋率。這種情況下，巖體的完整程度為破碎或極破碎，構(gòu)造應(yīng)力基本都已經(jīng)釋放，自重應(yīng)力場(chǎng)為主要的荷載考慮對(duì)象，襯砌管片主要承受來(lái)自頂部巖體的壓力，相應(yīng)的側(cè)壓力和基地反力相對(duì)較小，因此將頂部管片的配筋率設(shè)置的高于兩側(cè)及底部的配筋率，結(jié)構(gòu)受力更加合理。
[0016]進(jìn)一步的，上述輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)中，隧道內(nèi)一環(huán)的所述襯砌中，沿環(huán)向不同位置管片的配筋率根據(jù)該環(huán)所在位置的荷載情況確定。
[0017]此處的荷載主要是指地應(yīng)力。當(dāng)荷載還考慮了襯砌自重、內(nèi)水壓力、外水壓力、施工荷載、灌漿壓力、溫度荷載、地震荷載、巖土膨脹力等情況時(shí)，仍在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0018]TBM隧道輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟:
[0019]步驟1:根據(jù)實(shí)際的工程地質(zhì)條件，確定隧道所在區(qū)段的受力狀況；
[0020]步驟2:在適用組合管片的隧道區(qū)段內(nèi)，根據(jù)管片所處位置的荷載分布情況，給位于隧道不同環(huán)向位置的管片設(shè)置不同的配筋率。[0021 ]隧道在開(kāi)挖前，需要進(jìn)行地質(zhì)勘查，并根據(jù)所勘察的工程地質(zhì)條件情況，進(jìn)行隧道各個(gè)區(qū)段的管片設(shè)計(jì)。一般各種型號(hào)的預(yù)制管片在隧道開(kāi)挖之前需要全部制作完成，即輕型管片(配筋率較低)和重型管片(配筋率較高)的數(shù)量均已固定。但是由于地質(zhì)勘察技術(shù)的局限性，在實(shí)際的開(kāi)挖過(guò)程中，經(jīng)常遇到實(shí)際開(kāi)挖的工程地質(zhì)條件和勘察的地質(zhì)條件并不一致，勘察設(shè)計(jì)時(shí)認(rèn)為是m級(jí)圍巖的區(qū)段，實(shí)際上很可能是IV級(jí)甚至是V級(jí)圍巖。在這種情況下，重型管片的使用數(shù)量往往要大于預(yù)期情況。這就導(dǎo)致了在整條隧道的建設(shè)中，重型管片不夠用，而輕型管片用不完的情況。在傳統(tǒng)的盾構(gòu)施工中，由于每環(huán)管片的配筋率一致，都是按照受力最大點(diǎn)的荷載值進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，這一問(wèn)題無(wú)法克服。而采用輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，對(duì)于同一環(huán)管片而言，只需在該環(huán)實(shí)際受力較大的位置配置重型管片，而在實(shí)際受力較小的位置配置輕型管片，輕型管片、重型管片搭配使用，就可以解決上述問(wèn)題。對(duì)于整條隧道建設(shè)而言，采用這種輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)，往往能節(jié)省數(shù)億元的建設(shè)成本，具有重大的經(jīng)濟(jì)效益。
[0022]進(jìn)一步的，步驟2中，所述荷載情況包括考慮初始應(yīng)力場(chǎng)和開(kāi)挖后重新分布的應(yīng)力場(chǎng)。巖體中的初始應(yīng)力場(chǎng)是地下工程圍巖穩(wěn)定與支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需要的基本因素之一，在進(jìn)行地下工程設(shè)計(jì)和施工中，初始應(yīng)力場(chǎng)普遍都會(huì)受到關(guān)注。但是洞室開(kāi)挖以后，地應(yīng)力的大小和方向會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變，而開(kāi)挖后重新分布的應(yīng)力場(chǎng)才是最終施加到結(jié)構(gòu)上的永久性荷載，因此開(kāi)挖后重新分布的應(yīng)力場(chǎng)也應(yīng)當(dāng)予以重視，以便研究合理的支護(hù)方式和參數(shù)。
[0023]進(jìn)一步的，所述初始應(yīng)力場(chǎng)通過(guò)基于側(cè)壓力系數(shù)的反演模擬獲得。巖體的初始應(yīng)力場(chǎng)主要是由重力以及地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生，由重力產(chǎn)生的自重應(yīng)力場(chǎng)比較容易確定，而由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)很難確定。從多次的地應(yīng)力場(chǎng)反演效果來(lái)看，采用基于側(cè)壓力系數(shù)的反演模型能反映山體地形、地貌和地質(zhì)條件對(duì)初始應(yīng)力場(chǎng)的影響，能較好地與實(shí)測(cè)應(yīng)力值吻合，是一種有效的反演方法，為進(jìn)一步分析隧道圍巖穩(wěn)定性提供了參考。
[0024]TBM隧道輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟:
[0025]步驟1:根據(jù)工程地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)若干具有不同配筋率的不同型號(hào)的管片；
[0026]步驟2:在適用組合管片的隧道區(qū)段內(nèi)，根據(jù)管片所處位置的荷載分布情況，給同一環(huán)管片中位于隧道不同環(huán)向位置的管片配置不同的管片型號(hào)。
[0027]TBM或盾構(gòu)施工隧道時(shí)，采用的管片均為工廠大批量預(yù)制的管片，將管片預(yù)先設(shè)計(jì)為若干型號(hào)，不僅有利于管片的批量生產(chǎn)，還可以根據(jù)不同的地質(zhì)條件選擇不同型號(hào)的管片，減少混凝土管片的生產(chǎn)成本;此外，在進(jìn)行管片設(shè)計(jì)時(shí)，尤其是采用數(shù)值模擬的方式驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性時(shí)，僅對(duì)確定的幾種管片型號(hào)進(jìn)行材料屬性配置，可以使計(jì)算過(guò)程大大簡(jiǎn)便。
[0028]本發(fā)明的有益效果是:
[0029]此處的TBM隧道是廣義的，包括盾構(gòu)隧道和TBM隧道。由于傳統(tǒng)的管片襯砌是通過(guò)TBM或盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行機(jī)械化拼裝，往往將一環(huán)襯砌管片視為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，每一個(gè)管片被視為一環(huán)襯砌的組成部分，因此同一環(huán)處不同位置的管片配筋率都是相同的。管片一般都是預(yù)制的，圍巖分級(jí)要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)調(diào)整，這樣往往造成某一型號(hào)的管片極大浪費(fèi)，通過(guò)組合支護(hù)技術(shù)可以避免這種浪費(fèi)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)技術(shù)最優(yōu)。
[0030]由于傳統(tǒng)的管片襯砌是通過(guò)TBM或盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行機(jī)械化拼裝，往往將一環(huán)襯砌管片視為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，每一個(gè)管片被視為一環(huán)襯砌的組成部分，因此同一環(huán)處不同位置的管片配筋率都是相同的。將同一環(huán)的襯砌管片中，沿隧道環(huán)向不同位置的管片，設(shè)置為具有不同配筋率的結(jié)構(gòu)，打破了行業(yè)中同一環(huán)襯砌管片的配筋率必須一致的技術(shù)偏見(jiàn)，而且能夠根據(jù)地應(yīng)力的情況，合理的分配不同位置處相應(yīng)管片的配筋率，支護(hù)結(jié)構(gòu)的針對(duì)性更強(qiáng)，在能保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，在受力較小的部位減少配筋率。這一結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)大大減少了工程造價(jià)，避免了鋼筋用量的不必要的浪費(fèi)，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
【附圖說(shuō)明】
[0031 ]圖1是盾構(gòu)管片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖中:1.頂部管片，2.兩側(cè)管片，3.底部管片。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0034]實(shí)施例1:
[0035]—種隧道輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)，包括隧道襯砌管片，至少一段隧道區(qū)間的所述襯砌管片被設(shè)置成如下結(jié)構(gòu):同一環(huán)襯砌管片中，沿隧道環(huán)向不同位置的管片，其配筋率不完全相同。如圖1所示，盾構(gòu)管片包括頂部管片1、兩側(cè)管片2和底部管片3，當(dāng)圍巖的側(cè)壓力系數(shù)為0.7-0.9時(shí)，頂部管片I的配筋率與兩側(cè)管片2的配筋率的比值為1.1-1.3；當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)為1.1-1.3時(shí)，頂部管片I的配筋率與兩側(cè)管片2的配筋率的比值為0.6-0.9；當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)為I.3-1.5時(shí)，頂部管片I的配筋率與兩側(cè)管片2的配筋率的比值為0.5-0.8。
[0036]此處的隧道是廣義的，也包括隧洞，如輸水隧洞。
[0037]相鄰的兩環(huán)管片，沿隧道環(huán)向大致位于同一位置的管片，其配筋率可以一樣(非交錯(cuò)拼接)，也可以不同(交錯(cuò)拼接)，即無(wú)論是非交錯(cuò)拼接還是交錯(cuò)拼接，均在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。此外，無(wú)論采用通縫拼裝或錯(cuò)縫拼裝，也都在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0038]理論上講，由于地應(yīng)力的方向性，沿隧道環(huán)向同一位置處的受力應(yīng)該大致相同。比如相鄰的兩環(huán)管片，如果其所處的地應(yīng)力場(chǎng)屬于側(cè)壓力系數(shù)大于I的情況，雖然頂部受力小于兩側(cè)受力，但相鄰的頂部管片的受力大致相同，相鄰的側(cè)管片的受力也大致相同。對(duì)于這種情況，理應(yīng)兩側(cè)采用重型管片，頂部采用輕型管片，這樣與實(shí)際受力情況更加匹配。但是數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果顯示，在這一區(qū)段中，無(wú)論采用非交錯(cuò)拼接，還是采用交錯(cuò)拼接，其支護(hù)情況均優(yōu)于全部采用輕型管片的支護(hù)情況，且滿足各方面的受力及穩(wěn)定性要求。因此，非交錯(cuò)拼接和交錯(cuò)拼接均可采用，且都在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0039]此外，底部管片可以根據(jù)情況，從重型、中間型和輕型管片中適當(dāng)選擇。因此，同一環(huán)管片中，各管片無(wú)論采用兩種、三種、四種或更多的配筋率，都在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0040]由于傳統(tǒng)的管片襯砌是通過(guò)TBM或盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行機(jī)械化拼裝，往往將一環(huán)襯砌管片視為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，每一個(gè)管片被視為一環(huán)襯砌的組成部分，因此同一環(huán)處不同位置的管片配筋率都是相同的。將同一環(huán)的襯砌管片中，沿隧道環(huán)向不同位置的管片，設(shè)置為具有不同配筋率的結(jié)構(gòu)，打破了行業(yè)中同一環(huán)襯砌管片的配筋率必須一致的技術(shù)偏見(jiàn)，而且能夠根據(jù)地應(yīng)力的情況，合理的分配不同位置處相應(yīng)管片的配筋率，支護(hù)結(jié)構(gòu)的針對(duì)性更強(qiáng)，在能保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，在受力較小的部位減少配筋率。這一結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)大大減少了工程造價(jià)，避免了鋼筋用量的不必要的浪費(fèi)，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
[0041]進(jìn)一步的，上述輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)中，隧道內(nèi)一環(huán)的襯砌的不同管片的配筋量根據(jù)該環(huán)所在位置的地應(yīng)力情況確定。
[0042]此處的一環(huán)，可以是指該隧道區(qū)段內(nèi)任意的某一環(huán)，也可以是指一個(gè)區(qū)段內(nèi)最具代表性的一環(huán)。
[0043]對(duì)于代表區(qū)段內(nèi)任意的某一環(huán)的情況，可以是通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)該區(qū)段進(jìn)行數(shù)值計(jì)算得到各個(gè)位置的受力值，并根據(jù)相應(yīng)的受力值計(jì)算各位置處管片的配筋率，以此確定各位置處的管片型號(hào)。這種情況下，既能保證結(jié)構(gòu)安全，又能使管片材料達(dá)到最充分的利用。
[0044]對(duì)于第二種情況，即此處的一環(huán)是指一個(gè)區(qū)段內(nèi)最具代表性的一環(huán)，是考慮到如下因素:在一個(gè)隧道區(qū)段內(nèi)，地質(zhì)條件比較均一，變化不大，這種情況下，可以選擇該區(qū)段內(nèi)最不利的一環(huán)進(jìn)行計(jì)算，并設(shè)計(jì)該環(huán)各個(gè)位置的管片配筋率。如果這一環(huán)的穩(wěn)定性能得到保證，那么整個(gè)這一區(qū)段按照這一環(huán)的設(shè)計(jì)結(jié)果，都能得到保證。在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行數(shù)值模擬的驗(yàn)算，驗(yàn)證交錯(cuò)拼接和非交錯(cuò)拼接的可行性，從中選擇較優(yōu)的方式確定方案。由于管片的型號(hào)一般都已經(jīng)固定，而且各個(gè)型號(hào)之間的差異性較大，此外綜合考慮上管片施工的方便，因此采用這種方式，是目前設(shè)計(jì)中最科學(xué)合理，也是最經(jīng)濟(jì)的一種方式。
[0045]對(duì)于上述一種隧道輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)，當(dāng)隧道圍巖的巖體基本質(zhì)量等級(jí)為ΙΠ級(jí)或IV級(jí)圍巖時(shí)，一環(huán)的襯砌管片中，頂?shù)坠芷呐浣畈捎玫谝慌浣盥?，兩?cè)管片的配筋采用第二配筋率。
[0046]對(duì)于I級(jí)圍巖和Π級(jí)圍巖，其自穩(wěn)能力較好，管片的配筋率普遍偏低，可以不用考慮組合配筋的形式。而m級(jí)或IV級(jí)圍巖，包括巖體完整程度處于完整或較完整狀態(tài)的軟質(zhì)巖、和完整程度處于較破碎或破碎的狀態(tài)的硬質(zhì)巖。對(duì)于這一部分巖體，構(gòu)造應(yīng)力的作用往往比自重應(yīng)力的作用更加顯著，導(dǎo)致隧道兩側(cè)管片的受力情況和頂?shù)坠芷氖芰η闆r差距較大。針對(duì)這種情況，對(duì)管片配筋情況進(jìn)行上述劃分，針對(duì)性更強(qiáng)，能做到安全性和經(jīng)濟(jì)性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。
[0047]進(jìn)一步的，對(duì)于當(dāng)隧道圍巖的巖體基本質(zhì)量等級(jí)為m級(jí)或IV級(jí)圍巖時(shí)，輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)，當(dāng)圍巖的側(cè)壓力系數(shù)大于1.0時(shí)，第一配筋率小于第二配筋率。當(dāng)兩側(cè)管片的受力大于頂?shù)坠芷氖芰r(shí)，就可以將不同位置處的管片設(shè)置不同的配筋率，以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料最大限度的充分利用。
[0048]進(jìn)一步的，當(dāng)圍巖的側(cè)壓力系數(shù)大于1.2時(shí)，第一配筋率小于第二配筋率。
[0049]對(duì)于側(cè)壓力系數(shù)處于1.0-1.2的情況，由于垂直方向和水平方向的受力差異并不顯著，可以不用考慮輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)形式。而當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)大于1.2時(shí)，兩側(cè)管片的受力要顯著大于頂?shù)坠芷氖芰Α鹘y(tǒng)情況下，都是按照隧道兩側(cè)的受力情況來(lái)布置配筋，這就導(dǎo)致了頂?shù)坠芷呐浣盥屎蛢蓚?cè)管片的相同，但是頂?shù)坠芷匿摻畈荒艹浞职l(fā)揮作用，造成了一定程度的浪費(fèi)。將頂?shù)坠芷呐浣盥试O(shè)置的較小些，以滿足頂?shù)孜恢玫氖芰η闆r為準(zhǔn)，可以減少頂?shù)坠芷匿摻钣昧?，在保證安全的同時(shí)達(dá)到經(jīng)濟(jì)最優(yōu)。
[0050]進(jìn)一步的，對(duì)于上述一種隧道輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)，當(dāng)隧道圍巖的巖體完整性系數(shù)小于0.35時(shí)，一環(huán)的襯砌管片中，頂管片的配筋采用第一配筋率，兩側(cè)管片和底管片的配筋采用第二配筋率，第一配筋率高于第二配筋率。這種情況下，巖體的完整程度為破碎或極破碎，構(gòu)造應(yīng)力基本都已經(jīng)釋放，自重應(yīng)力場(chǎng)為主要的荷載考慮對(duì)象，襯砌管片主要承受來(lái)自頂部巖體的壓力，相應(yīng)的側(cè)壓力和基底反力相對(duì)較小，因此將頂部管片的配筋率設(shè)置的高于兩側(cè)及底部的配筋率，結(jié)構(gòu)受力更加合理。
[0051]—環(huán)中盾構(gòu)管片的管片組成數(shù)量有多種情況，對(duì)于這些情況，本領(lǐng)域的技術(shù)人員清楚此處的頂部管片、兩側(cè)管片和底部管片的具體指代，無(wú)論一環(huán)的管片數(shù)量為多少，當(dāng)采用輕、重管片襯砌組合時(shí)，均在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0052]值得一提的是，上述相應(yīng)的地質(zhì)條件下所提及的輕、重管片襯砌組合設(shè)計(jì)方案，對(duì)何種情況下適用何種管片組合形式給出了相應(yīng)的指導(dǎo)，是較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。對(duì)于其他地質(zhì)條件下的情況，依然可以采用輕、重管片襯砌組合設(shè)計(jì)方案，只要存在一環(huán)管片，其沿隧道環(huán)向不同位置處的管片配筋率不完全相同，也就是同一環(huán)中不同管片的配筋率有所不同，那么都在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0053]而且此處的輕、重管片襯砌組合是泛指，同一環(huán)管片中，如果采用了類(lèi)似輕、次輕、次重、重等的設(shè)計(jì)方式，也就是說(shuō)可以是兩種管片型號(hào)，也可以是三種或是更多的管片型號(hào)，均在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0054]一種隧道輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟:
[0055]步驟1:根據(jù)實(shí)際的工程地質(zhì)條件，確定隧道所在區(qū)段的受力狀況；
[0056]步驟2:在適用組合管片的隧道區(qū)段內(nèi)，根據(jù)管片所處位置的荷載情況，給位于隧道不同環(huán)向位置的管片設(shè)置不同的配筋率。
[0057]進(jìn)一步的，步驟I中，首先根據(jù)工程地質(zhì)條件的相關(guān)資料，獲得該處的地應(yīng)力，然后得到該處的側(cè)壓力系數(shù)，進(jìn)而得到該區(qū)段隧道的受力狀況。
[0058]傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中，在得到了隧道的受力狀況之后，僅根據(jù)最不利的受力位置，按照最大受力值，進(jìn)行配筋計(jì)算，得到管片的配筋率，并將這一配筋率用在整個(gè)區(qū)段的所有管片上。這就造成了設(shè)計(jì)的過(guò)于保守，使造價(jià)成本偏高。
[0059]本申請(qǐng)?jiān)诘玫剿淼赖氖芰顩r之后，不是單單考慮最不利的受力位置處荷載最大的那一點(diǎn)的受力值，而是綜合考慮整個(gè)管片的各個(gè)位置，根據(jù)不同位置的不同荷載情況，確定不同的配筋率，實(shí)現(xiàn)了管片的精確配筋，在同一環(huán)處可以采用不同配筋率的管片型號(hào)，使得管片設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理。
[0060]此處的盾構(gòu)管片，無(wú)論是采用相同的水泥型號(hào)，還是不同的水泥型號(hào)，只要其配筋率不同，都在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0061 ]進(jìn)一步的，步驟2中，荷載情況包括考慮初始應(yīng)力場(chǎng)和開(kāi)挖后重新分布的應(yīng)力場(chǎng)。
[0062]進(jìn)一步的，初始應(yīng)力場(chǎng)通過(guò)基于側(cè)壓力系數(shù)的反演模擬獲得。
[0063]當(dāng)荷載還考慮了襯砌自重、內(nèi)水壓力、外水壓力、施工荷載、灌漿壓力、溫度荷載、地震荷載、巖土膨脹力等情況時(shí)，仍在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0064]—種隧道輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟:
[0065]步驟1:根據(jù)工程地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)若干具有不同配筋率的不同型號(hào)的管片；
[0066]步驟2:在適用組合管片的隧道區(qū)段內(nèi)，根據(jù)管片所處位置的荷載情況，給位于隧道不同環(huán)向位置的管片配置不同的管片型號(hào)。
[0067]此處的管片型號(hào)，主要是根據(jù)配筋率進(jìn)行區(qū)分，但是制作管片的水泥型號(hào)也可以有相應(yīng)的改變，均在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0068]實(shí)施例2:
[0069]達(dá)坂隧洞運(yùn)用了本設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)之初，為適應(yīng)不同的地質(zhì)條件，盡量減少混凝土預(yù)制管片的成本，設(shè)計(jì)根據(jù)不同圍巖類(lèi)別和外水情況，設(shè)計(jì)了 A-1、A、B、C、C-1、C-2、D和E型8種預(yù)制鋼筋混凝土管片，并按照每種管片不同的使用條件配置不同的鋼筋用量。鋼筋中使用的I級(jí)鋼筋直徑為6.5、8、10mm，Π級(jí)鋼筋直徑為10、12、14、16、18、20、22111111。8種不同管片類(lèi)型的使用條件和含筋率為:
[0070]A-1型管片一一適用于鉆爆法開(kāi)挖土洞TBM滑行的洞段及Π類(lèi)無(wú)外水圍巖洞段管片襯砌，設(shè)計(jì)含筋率83.34kg/m3 (85.28kg/m3)。
[0071]A型管片一一適用于堅(jiān)硬巖石的Π類(lèi)有外水和m類(lèi)無(wú)外水圍巖洞段，設(shè)計(jì)含筋率86.87kg/m3(88.42kg/m3)o
[0072]B型管片一一適用于中軟巖石或破碎巖石的m類(lèi)有外水和IV類(lèi)無(wú)外水圍巖洞段，設(shè)計(jì)含筋率 100.17kg/m3( 101.92kg/m3)。
[0073]C型管片一一適用于V及Vl類(lèi)無(wú)外水土洞段和IV類(lèi)有外水的圍巖等洞段，設(shè)計(jì)含筋率II8.36kg/m3(120.13kg/m3)。
[0074]C-2型管片一一適用于無(wú)外水非常不穩(wěn)定的斷層帶和Vl類(lèi)無(wú)外水巖土洞段，設(shè)計(jì)含筋率139.14kg/m3(124.26kg/m3)。
[0075]C-1型管片——適用于V、Vl類(lèi)有外水巖土洞段，設(shè)計(jì)含筋率135.68kg/m3(135.67kg/m3)。
[0076]D型管片一一適用于IV類(lèi)高地應(yīng)力有外水的煤層、有外水非常不穩(wěn)定斷層帶、有外水非常不穩(wěn)定破碎圍巖洞段和微膨脹巖、有害氣體、有害地下水及土洞有外水水頭小于20m洞段、V、V1類(lèi)圍巖等軟巖大變形洞段，設(shè)計(jì)含筋率180.38kg/m3(含筋率184kg/m3)。
[0077]對(duì)于上游主洞管片組合方案，詳細(xì)介紹如下:
[0078]B、D組合1:B、D交錯(cuò)拼接組合，即第一環(huán)頂?shù)坠芷肂型、側(cè)管片用D型，第二環(huán)頂?shù)坠芷肈型、側(cè)管片用B型，以此類(lèi)推;B、D組合I1:B、D非交錯(cuò)拼接組合:即頂?shù)坠芷坑肂型，側(cè)管片全部用D型;A、D組合1:A、D交錯(cuò)拼接組合，即第一環(huán)頂?shù)坠芷肁型、側(cè)管片用D型，第二環(huán)頂?shù)坠芷肈型、側(cè)管片用A型，以此類(lèi)推;A、D組合I1:A、D非交錯(cuò)拼接組合:即頂?shù)坠芷坑肁型，側(cè)管片全部用D型。
[0079]工況說(shuō)明:
[0080]①考慮自重荷載作用時(shí)，不考慮地應(yīng)力的影響;反之依然。
[0081 ]②膨脹力:IV類(lèi)圍巖0.3Mpa，膨脹力對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大
[0082 ]工況一:地應(yīng)力下B、D組合方案I (B、D交錯(cuò)拼接)計(jì)算成果
[0083]在進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算時(shí)，對(duì)于確定了配筋的管片來(lái)說(shuō)，除縱向受拉鋼筋應(yīng)力osl夕卜其它參數(shù)已確定，故首先要求出管片鋼筋可能受到的最大拉應(yīng)力Osl。通過(guò)計(jì)算可知:此種工況下，對(duì)于B型管片，其可承擔(dān)40%的由地應(yīng)力等因素引起的管片壓力，此時(shí)求得鋼筋的最大拉應(yīng)力OsI= 193.75Mpa，進(jìn)而求得最大裂縫寬度ω max=0.185mm<0.2mm。經(jīng)過(guò)驗(yàn)算，此種工況下，管片雖然可能會(huì)開(kāi)裂，但裂縫寬度能滿足本工程的限裂要求，管片可以正常工作。
[0084]工況二:地應(yīng)力下B、D組合方案II(B、D非交錯(cuò)拼接)計(jì)算成果
[0085]在進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算時(shí)，對(duì)于確定了配筋的管片來(lái)說(shuō)，除縱向受拉鋼筋應(yīng)力osl夕卜其它參數(shù)已確定，故首先要求出管片鋼筋可能受到的最大拉應(yīng)力Osl。通過(guò)計(jì)算可知:在此種工況下，對(duì)于B型管片，其可承擔(dān)56%的由地應(yīng)力等因素引起的管片壓力，按承擔(dān)50%壓力計(jì)算鋼筋的最大拉應(yīng)力031 = 180.231^?，進(jìn)而求得最大裂縫寬度0歷=0.172mm〈0.2mm。經(jīng)過(guò)驗(yàn)算，此種工況下，管片雖然可能會(huì)開(kāi)裂，但裂縫寬度能滿足本工程的限裂要求，管片可以正常工作。
[0086]結(jié)合工況一和工況二的計(jì)算結(jié)果，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)確定相應(yīng)的管片組合方案。
[0087]對(duì)于其余的工況驗(yàn)算成果，此處不再贅述。
[0088]實(shí)際工程中，達(dá)坂隧洞通過(guò)采用本項(xiàng)技術(shù)，節(jié)省盾構(gòu)管片造價(jià)數(shù)億元，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
[0089]對(duì)所公開(kāi)的實(shí)施例的上述說(shuō)明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見(jiàn)的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)，未予以詳細(xì)說(shuō)明的部分，為現(xiàn)有技術(shù)，在此不進(jìn)行贅述。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開(kāi)的原理和特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.TBM隧道輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括隧道襯砌管片，至少一段隧道區(qū)間的所述襯砌管片被設(shè)置成如下結(jié)構(gòu):同一環(huán)襯砌管片中，根據(jù)該環(huán)管片處地應(yīng)力沿隧道環(huán)向的分布情況的不同，沿隧道環(huán)向不同位置的單個(gè)管片之間的配筋率不完全相同。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TBM隧道輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)，其特征在于:一環(huán)的所述襯砌管片中，頂部管片的配筋采用第一配筋率，兩側(cè)管片的配筋采用第二配筋率，當(dāng)圍巖的側(cè)壓力系數(shù)為0.7-0.9時(shí)，所述第一配筋率與所述第二配筋率的比值為1.1-1.3；當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)為1.1-1.3時(shí)，所述第一配筋率與所述第二配筋率的比值為0.6-0.9；當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)為1.3-1.5時(shí)，所述第一配筋率與所述第二配筋率的比值為0.5-0.8。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的TBM隧道輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)，其特征在于:當(dāng)隧道圍巖的巖體基本質(zhì)量等級(jí)為ΙΠ級(jí)或IV級(jí)圍巖時(shí)，一環(huán)的所述襯砌管片中，頂部管片的配筋采用第一配筋率，兩側(cè)管片的配筋采用第二配筋率。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的TBM隧道輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)，其特征在于:當(dāng)所述圍巖的側(cè)壓力系數(shù)大于1.1時(shí)，底部管片采用所述第一配筋率。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的TBM隧道輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)，其特征在于:當(dāng)所述隧道圍巖的巖體完整性系數(shù)小于0.35時(shí)，一環(huán)的所述襯砌管片中，頂管片的配筋采用第一配筋率，兩側(cè)管片和底管片的配筋采用第二配筋率，所述第五配筋率高于所述第二配筋率。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TBM隧道輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)，其特征在于:隧道內(nèi)一環(huán)的所述襯砌中，沿環(huán)向不同位置管片的配筋率根據(jù)該環(huán)所在位置的荷載情況確定。7.TBM隧道輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:根據(jù)實(shí)際的工程地質(zhì)條件，確定隧道所在區(qū)段的受力狀況； 步驟2:在適用組合管片的隧道區(qū)段內(nèi)，根據(jù)管片所處位置的荷載分布情況，給位于隧道不同環(huán)向位置的管片設(shè)置不同的配筋率。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的TBM隧道輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于:步驟2中，所述荷載情況包括考慮初始應(yīng)力場(chǎng)和開(kāi)挖后重新分布的應(yīng)力場(chǎng)。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的TBM隧道輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所述初始應(yīng)力場(chǎng)通過(guò)基于側(cè)壓力系數(shù)的反演模擬獲得。10.TBM隧道輕、重管片襯砌組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:根據(jù)工程地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)若干具有不同配筋率的不同型號(hào)的管片； 步驟2:在適用組合管片的隧道區(qū)段內(nèi)，根據(jù)管片所處位置的荷載分布情況，給同一環(huán)管片中位于隧道不同環(huán)向位置的管片配置不同的管片型號(hào)。
【文檔編號(hào)】E21D11/08GK105909271SQ201610375547
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年5月31日
【發(fā)明人】陳衛(wèi)忠, 譚賢君, 田洪銘, 趙武勝
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所