密集樁基環(huán)境下小曲率半徑盾構(gòu)隧道管片及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種密集樁基環(huán)境下小曲率半徑盾構(gòu)隧道管片，該管片具有非幾何規(guī)則的梯形或四邊形端截面，所述端截面上包括上下各兩個(gè)螺栓接駁位，其多個(gè)管片可以拼接成一個(gè)管片環(huán)。本發(fā)明還公開(kāi)一種基于上述管片結(jié)構(gòu)的管片制造方法，包括步驟：1、根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)荷載獲得管片最終配筋參數(shù)Z及最終混凝土強(qiáng)度數(shù)值；2、確定單個(gè)管片鋼筋量并固定鋼筋結(jié)構(gòu)；步驟3、根據(jù)管片內(nèi)徑、楔形量及最終混凝土強(qiáng)度數(shù)值確定混凝土配比并澆筑混凝土。本發(fā)明通過(guò)在管片制造時(shí)考慮樁基對(duì)管片變形的影響，確定選擇一種克服上述影響的管片制造時(shí)的材料及鋼筋，同時(shí)結(jié)合上述管片結(jié)構(gòu)制造出的管片不易發(fā)生管片破碎、地面沉降、隧道滲水、漏漿、軸線偏差超標(biāo)問(wèn)題。
【專利說(shuō)明】密集粧基環(huán)境下小曲率半徑盾構(gòu)隧道管片及其制造方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及隧道工程，特別涉及密集樁基環(huán)境下小曲率半徑盾構(gòu)隧道管片的結(jié)構(gòu)及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過(guò)后的盾尾處，直接安裝預(yù)制的鋼筋混凝土管片，這些管片拼裝成環(huán)后，就形成永久襯砌結(jié)構(gòu)。在地鐵隧道工程中，經(jīng)常發(fā)生管片破碎、地面沉降、隧道滲水、漏漿、軸線偏差超標(biāo)等一系列問(wèn)題。管片破碎和地面沉降超標(biāo)是施工中比較棘手和必須妥善處理的問(wèn)題。
[0003]近年來(lái)隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市隧道工程數(shù)量不斷增加，但常因規(guī)劃及建、構(gòu)筑物制約、地質(zhì)情況復(fù)雜、地下樁基管網(wǎng)密布等施工條件限制，對(duì)施工技術(shù)的要求不斷提高。由于建筑物荷載的存在，隧道開(kāi)挖時(shí)襯砌的內(nèi)力也會(huì)受到建筑物樁基的影響。而如今大多數(shù)設(shè)計(jì)和施工只針對(duì)隧道開(kāi)挖土體損失引起的地面沉降進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)管片襯砌內(nèi)力的研究甚少，而對(duì)建筑物的存在對(duì)管片襯砌內(nèi)力變化影響的研究幾乎沒(méi)有，而管片的變形對(duì)地面、樁基及管線的沉降也有顯著的影響。
[0004]盾構(gòu)隧道開(kāi)挖引起的土體和襯砌的受力與變形很大程度上取決于是否考慮鄰近建筑物的存在，忽略建筑物荷載將低估隧道開(kāi)挖引起的地面變形及襯砌內(nèi)力值，從而使得安全性降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種密集樁基環(huán)境下小曲率半徑盾構(gòu)隧道管片，該管片端截面具有非幾何規(guī)則的梯形或者四邊形結(jié)構(gòu)，其多個(gè)管片可以拼接成一個(gè)管片環(huán)，該各管片的連接結(jié)構(gòu)以及管片環(huán)之間的連接方式可以更好的克服密集樁基環(huán)境下建筑物樁基對(duì)小曲率半徑盾構(gòu)隧道管片周圍土體擠壓帶來(lái)的管片形變。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種密集樁基環(huán)境下小曲率半徑盾構(gòu)隧道管片，所述管片為預(yù)制鋼筋混凝土管片，該管片沿盾構(gòu)隧道徑向的截面具有非幾何規(guī)則的梯形或四邊形結(jié)構(gòu)，所述管片梯形或四邊形端截面上包括上下各兩個(gè)螺栓接駁位。
[0007]多個(gè)所述管片可順次連接成一個(gè)管片環(huán)，所述管片之間設(shè)有用于防水的密封墊，多個(gè)所述管片的楔形量不同，且管片中間留有注漿孔，孔周圍鋼筋加密布置，所述管片內(nèi)徑根據(jù)成型隧道內(nèi)徑確定。
[0008]所述管片環(huán)由截面為梯形或者四邊形管片混合環(huán)繞而成，其截面具有梯形結(jié)構(gòu)的管片不少于兩個(gè)。所述管片的楔形量參數(shù)彼此不同，多個(gè)不同楔形量參數(shù)的管片拼接成一個(gè)管片環(huán)，從而減小構(gòu)建筑物樁基在管片附近對(duì)管片變形的影響。
[0009]本發(fā)明同時(shí)還提供一種基于上述密集樁基環(huán)境下小曲率半徑盾構(gòu)隧道管片的制造方法，該方法其包括以下步驟:
[0010]步驟1:根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)荷載獲得管片最終配筋參數(shù)及最終混凝土強(qiáng)度數(shù)值；[0011]步驟2:根據(jù)最終配筋參數(shù)確定單個(gè)管片鋼筋量并固定鋼筋結(jié)構(gòu)；
[0012]步驟3:根據(jù)管片內(nèi)徑、楔形量及最終混凝土強(qiáng)度數(shù)值確定混凝土配比并澆筑混凝土 ;
[0013]所述步驟I包括以下分步驟:
[0014]步驟11:根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算樁基對(duì)周圍土層壓力數(shù)值及作用范圍，以及對(duì)管片襯砌的作用力大??；
[0015]步驟12:基于對(duì)管片初始配筋參數(shù)及初始混凝土強(qiáng)度數(shù)值，根據(jù)樁基對(duì)周圍土層壓力數(shù)值及作用范圍，以及對(duì)管片襯砌的作用力大小，計(jì)算獲得管片在高低不同地下水位的水土壓力及樁基周圍施加土壓力的最不利情況下的最大管片變形量；
[0016]步驟13:確定管片最大變形量是否滿足工程要求，并確定管片的最終配筋參數(shù)及最終混凝土強(qiáng)度數(shù)值。
[0017]所述步驟13包括以下分步驟:
[0018]步驟131:如果管片的最大變形參數(shù)滿足工程要求，則以初始配筋參數(shù)及初始混凝土強(qiáng)度數(shù)值作為最終配筋參數(shù)及最終混凝土強(qiáng)度數(shù)值，并執(zhí)行步驟2 ；
[0019]步驟132:如果管片的最大變形參數(shù)不滿足工程要求，則改變初始配筋參數(shù)及初始混凝土強(qiáng)度參數(shù)，并依次執(zhí)行步驟12及步驟13。
[0020]本發(fā)明密集樁基環(huán)境下小曲率半徑盾構(gòu)隧道管片的制造方法，其主要考慮到密集樁基對(duì)管片壓力，從而引起管片變形的影響，主要經(jīng)過(guò)計(jì)算方法獲得克服該影響的管片的最終配筋參數(shù)及最終混凝土強(qiáng)度參數(shù)，進(jìn)而根據(jù)管片的形狀包括內(nèi)徑、楔形量，確定管片所要用到的鋼筋數(shù)量，固定鋼筋結(jié)構(gòu)并澆筑混凝土，制造出管片。在密集樁基環(huán)境下的小曲率半徑盾構(gòu)隧道中，各個(gè)管片的最終配筋參數(shù)以及最終混凝土參數(shù)可以根據(jù)具體施工中該管片附近的樁基確定，從而使整個(gè)工程段的隧道施工中管片抗變形的參數(shù)更加合理。
[0021]為了能更進(jìn)一步了解本發(fā)明的特征以及技術(shù)內(nèi)容，請(qǐng)參閱以下有關(guān)本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明與附圖，然而附圖僅提供參考與說(shuō)明用，并非用來(lái)對(duì)本發(fā)明加以限制。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]下面結(jié)合附圖，通過(guò)對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】詳細(xì)描述，將使本發(fā)明的技術(shù)方案及其有益效果顯而易見(jiàn)。
[0023]附圖中，
[0024]圖1為本發(fā)明密集樁基環(huán)境下小曲率半徑盾構(gòu)隧道管片端截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2為本發(fā)明密集樁基環(huán)境下小曲率半徑盾構(gòu)隧道管片的管片環(huán)的一種拼接結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖3為本發(fā)明密集樁基環(huán)境下小曲率半徑盾構(gòu)隧道管片的管片環(huán)拼接后的效果圖；
[0027]圖4為本發(fā)明基于圖1盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的該管片制造方法的流程圖；
[0028]圖5為圖4中本發(fā)明管片制造方法步驟I的分步驟流程圖。
[0029]圖標(biāo)說(shuō)明:
[0030]O、管片；1、鋼筋；11、鋼筋端點(diǎn)；21、梯形結(jié)構(gòu)；22、四邊形結(jié)構(gòu)；31及32、螺栓接駁
位；4、管片環(huán)?！揪唧w實(shí)施方式】
[0031]為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明所采取的技術(shù)手段及其效果，以下結(jié)合本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例及其附圖進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0032]參閱圖1至圖3，本發(fā)明提供一種密集樁基環(huán)境下小曲率半徑盾構(gòu)隧道管片0，所述管片O為預(yù)制鋼筋混凝土管片，該管片中包括網(wǎng)狀的鋼筋結(jié)構(gòu)。
[0033]從圖1中可以看出其中每條鋼筋I(lǐng)的端點(diǎn)11處的圓點(diǎn)表示在此處同樣具有鋼筋I(lǐng)區(qū)別之處在于該處的鋼筋是垂直于紙面的。
[0034]所述建筑混凝土的管片O內(nèi)徑及楔形量實(shí)際上根據(jù)隧道的基本參數(shù)可以確定。
[0035]該管片O沿盾構(gòu)隧道徑向的截面具有梯形或四邊形結(jié)構(gòu)21或22，該梯形或四邊形結(jié)構(gòu)21或22并非幾何規(guī)則的梯形或四邊形。所述管片O梯形或四邊形21或22端截面上包括上下各兩個(gè)螺栓接駁位31，32，該螺栓接駁31，32連接管片環(huán)的環(huán)向與徑向。多個(gè)所述管片O可順次連接成一個(gè)管片環(huán)4，具有上述非幾何規(guī)則的梯形或四邊形的管片O構(gòu)成的管片環(huán)4其外周及內(nèi)周均為擬合成的圓，該兩個(gè)螺栓接駁位用于對(duì)環(huán)向相鄰管片的連接，從而形成管片環(huán)，及對(duì)徑向相鄰管片環(huán)之間的連接。
[0036]所述管片O之間設(shè)有用于防水的密封墊，多個(gè)所述管片O的楔形量不同。管片采用錯(cuò)縫拼接，增加了管片環(huán)的整體性，以致管片連接時(shí)彼此結(jié)合部受力更加均勻，對(duì)于確保管片承載力，減小變形有一定的作用。
[0037]所述管片中間留有注漿孔，孔周圍鋼筋加密布置。
[0038]所述管片O內(nèi)徑根據(jù)成型隧道內(nèi)徑確定。
[0039]所述管片環(huán)4由截面為梯形或者四邊形管片混合環(huán)繞而成，其截面具有梯形結(jié)構(gòu)的管片O不少于兩個(gè)。
[0040]該非標(biāo)準(zhǔn)幾何梯形或四邊形的管片環(huán)4與鄰近的管片環(huán)4共同克服樁基壓力及周圍水土壓力。
[0041]對(duì)于小曲率半徑隧道來(lái)說(shuō)，采用具有一定楔形量的通用管片環(huán)4，該管片環(huán)4中的單個(gè)管片O也相應(yīng)具有楔形量，即非幾何規(guī)則的梯形或四邊形結(jié)構(gòu)，該單個(gè)管片O要適應(yīng)管片環(huán)4的參數(shù)。
[0042]參閱圖4至圖5，基于上述結(jié)構(gòu)的管片O及管片環(huán)4，本發(fā)明還提供上述管片O的制造方法，其包括以下步驟:
[0043]步驟1:根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)獲得管片最終配筋參數(shù)及最終混凝土強(qiáng)度數(shù)值。
[0044]所述步驟I包括以下分步驟:
[0045]步驟11:根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算樁基對(duì)周圍土層壓力數(shù)值及作用范圍，以及對(duì)管片襯砌的作用力大小。此處計(jì)算過(guò)程及方法為所屬領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的，不贅述。
[0046]步驟12:基于對(duì)管片初始配筋參數(shù)及初始混凝土強(qiáng)度數(shù)值，根據(jù)樁基對(duì)周圍土層壓力數(shù)值及作用范圍，以及對(duì)管片襯砌的作用力大小，計(jì)算獲得管片在高低不同地下水位的水土壓力及樁基周圍施加土壓力的最不利情況下的最大管片變形量。
[0047]此處的計(jì)算方法包括:彈性理論計(jì)算及PLAXIS2D有限元軟件模擬分析。此處的彈性理論主要利用工程實(shí)踐中實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)公式是Peck公式和一系列修正的Peck公式，計(jì)算出位于管片附近的最大變形量。[0048]地下結(jié)構(gòu)與巖土介質(zhì)結(jié)合成一個(gè)連續(xù)的或不連續(xù)的整體系統(tǒng)，相互作用，共同受力，土介質(zhì)材料一般呈不均質(zhì)各向異性的非線性性態(tài)，通常都處于二維或三維的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。因此，在實(shí)際中，隧道近鄰樁基的影響是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，應(yīng)采用三維有限元分析，但從目前的研究結(jié)果看，二維模型也能較好地解決問(wèn)題，此處采用PLAXIS軟件的二維建模。
[0049]步驟13:確定管片最大變形量是否滿足工程要求，并確定管片的最終配筋參數(shù)及最終混凝土強(qiáng)度數(shù)值。
[0050]所述步驟13包括以下分步驟:
[0051]步驟131:如果管片的最大變形參數(shù)滿足工程要求，則以初始配筋參數(shù)及初始混凝土強(qiáng)度數(shù)值作為最終配筋參數(shù)及最終混凝土強(qiáng)度數(shù)值，并執(zhí)行步驟2。
[0052]步驟132:如果管片的最大變形參數(shù)不滿足工程要求，則改變初始配筋參數(shù)及初始混凝土強(qiáng)度參數(shù)，并依次執(zhí)行步驟12及步驟13。
[0053]步驟2:根據(jù)最終配筋參數(shù)確定單個(gè)管片鋼筋量并固定鋼筋結(jié)構(gòu)。
[0054]步驟3:根據(jù)管片內(nèi)徑、楔形量及最終混凝土強(qiáng)度數(shù)值確定混凝土配比并澆筑混凝土。
[0055]下面針對(duì)上述結(jié)構(gòu)管片的制造方法具體說(shuō)明，本實(shí)施例隧道周圍建筑基礎(chǔ)由16根外徑500mm，厚度125mm的混凝土管樁組成，樁底標(biāo)高-31.0m(地面標(biāo)高+5.5m)，其中，某一樁基距離隧道軸線僅4m，距離隧道近樁側(cè)外邊緣僅約2m。根據(jù)實(shí)際情況，彈性理論計(jì)算出每個(gè)樁基集中荷載1100KN，樁長(zhǎng)36.5m。
[0056]本實(shí)施例對(duì)建(構(gòu))筑樁基周圍土壓力對(duì)于隧道管片襯砌的影響進(jìn)行彈性理論計(jì)算及PLAXIS2D Model有限元軟件模擬分析，均采用豎向集中荷載作用下的端承樁的沉降過(guò)程計(jì)算模式。將計(jì)算結(jié)果用于分析管片襯砌的綜合受力及變形驗(yàn)算，綜合分析管片在高低不同地下水位時(shí)的水土壓力、樁基施加土壓力等情況，得最不利情況下，管片水平方向最大變形和垂直方向最大變形，然后確定該最大變形量是否在工程范圍內(nèi)，如果滿足工程要求則進(jìn)行余下的步驟，如果不滿足工程要求則復(fù)核管片的初始配筋參數(shù)及初始混凝土強(qiáng)度參數(shù)，并根據(jù)該復(fù)核的參數(shù)進(jìn)一步進(jìn)行彈性理論計(jì)算或者PLAXIS2D計(jì)算獲得另外一個(gè)水平及垂直方向最大變形量，同樣確定最大變形量是否滿足工程需要，一旦不滿足工程需要將繼續(xù)修改該初始配筋參數(shù)及初始混凝土強(qiáng)度參數(shù)，重復(fù)獲得最大變形量，判斷是否在工程范圍內(nèi)。不斷重復(fù)以上模擬計(jì)算步驟直至最后得到的水平及垂直最大變形量在工程范圍之內(nèi)，此時(shí)作為計(jì)算時(shí)的配筋參數(shù)及混凝土參數(shù)為最終配筋參數(shù)及最終混凝土參數(shù)。
[0057]通過(guò)有限元軟件進(jìn)行分析所得沉降量與按彈性理論分析的經(jīng)驗(yàn)公式方法計(jì)算沉降量相近，有限元軟件計(jì)算模型如圖2，根據(jù)以上的數(shù)據(jù)及計(jì)算過(guò)程得最不利情況下，管片水平方向最大變形25.84mm,垂直方向最大變形27.50mm。可將結(jié)果與施工要求進(jìn)行對(duì)比改進(jìn)。
[0058]經(jīng)過(guò)以上的分析計(jì)算，最終利用本發(fā)明方法的管片采用預(yù)制鋼筋混凝土管片，管片環(huán)內(nèi)徑3900mm，外徑4460mm，每環(huán)有6塊管片構(gòu)成，管片寬度1000mm，管片厚度280mm。
[0059]其中，管片環(huán)強(qiáng)度和剛度可根據(jù)配筋情況計(jì)算得出，其計(jì)算方法及過(guò)程是本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員公知的技術(shù)，不在贅述。之后，該盾構(gòu)隧道管片制造方法的步驟2至步驟4其比較簡(jiǎn)單，此處不再贅述。[0060]然后根據(jù)最終配筋參數(shù)確定單個(gè)管片鋼筋量并固定鋼筋結(jié)構(gòu)。固定的鋼筋結(jié)構(gòu)具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
[0061]最后燒筑混凝土。
[0062]本發(fā)明的密集樁基環(huán)境下小曲率半徑盾構(gòu)隧道管片的制造方法，其通過(guò)計(jì)算樁基對(duì)管片周圍土層壓力數(shù)值及作用范圍，以及對(duì)管片襯砌的作用力大小，以及基于初始配筋參數(shù)與初始混凝土強(qiáng)度參數(shù)的最不利情況下管片的最大變形量，根據(jù)該最大變形量確定管片的最終配筋參數(shù)以及最終混凝土強(qiáng)度參數(shù)，然后根據(jù)該最終配筋參數(shù)及最終混凝土強(qiáng)度確定鋼筋用量，固定鋼筋結(jié)構(gòu)，根據(jù)管片內(nèi)徑、楔形量澆筑混凝土。
[0063]綜上所述，本發(fā)明公開(kāi)的密集樁基環(huán)境下管片制造模擬方法通過(guò)彈性理論計(jì)算及基于PLAXIS2D Model軟件的有限元軟件模擬計(jì)算及后續(xù)計(jì)算獲得的管片水平及垂直變形量參數(shù)可以直接指引管片的材料參數(shù)及其管片成品抗壓及形變參數(shù)。
[0064]以上所述，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案和技術(shù)構(gòu)思作出其他各種相應(yīng)的改變和變形，而所有這些改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.密集樁基環(huán)境下小曲率半徑盾構(gòu)隧道管片，所述管片為預(yù)制鋼筋混凝土管片，其特征在于，該管片沿盾構(gòu)隧道徑向的截面具有非幾何規(guī)則的梯形或四邊形結(jié)構(gòu)，所述管片梯形或四邊形端截面上包括上下各兩個(gè)螺栓接駁位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的密集樁基環(huán)境下小曲率半徑盾構(gòu)隧道管片，其特征在于，多個(gè)所述管片可順次連接成一個(gè)管片環(huán)，所述管片之間設(shè)有用于防水的密封墊，多個(gè)所述管片的楔形量不同，且管片中間留有注漿孔，孔周圍鋼筋加密布置，所述管片內(nèi)徑根據(jù)成型隧道內(nèi)徑確定。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的密集樁基環(huán)境下小曲率半徑盾構(gòu)隧道管片，其特征在于，所述管片環(huán)由截面為梯形或者四邊形管片混合環(huán)繞而成，其截面具有梯形結(jié)構(gòu)的管片不少于兩個(gè)。
4.權(quán)利要求1所述密集樁基環(huán)境下小曲率半徑盾構(gòu)隧道管片的制造方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)荷載獲得管片最終配筋參數(shù)及最終混凝土強(qiáng)度數(shù)值； 步驟2:根據(jù)最終配筋參數(shù)確定單個(gè)管片鋼筋量并固定鋼筋結(jié)構(gòu)； 步驟3:根據(jù)管片內(nèi)徑、楔形量及最終混凝土強(qiáng)度數(shù)值確定混凝土配比并澆筑混凝土 ； 所述步驟I包括以下分步驟: 步驟11:根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算樁基對(duì)周圍土層壓力數(shù)值及作用范圍，以及對(duì)管片襯砌的作用力大?。? 步驟12:基于對(duì)管片初始配筋參數(shù)及初始混凝土強(qiáng)度數(shù)值，根據(jù)樁基對(duì)周圍土層壓力數(shù)值及作用范圍，以及對(duì)管片襯砌的作用力大小，計(jì)算獲得管片在高低不同地下水位的水土壓力及樁基周圍施加土壓力的最不利情況下的最大管片變形量； 步驟13:確定管片最大變形量是否滿足工程要求，并確定管片的最終配筋參數(shù)及最終混凝土強(qiáng)度數(shù)值。
5.權(quán)利要求4所述密集樁基環(huán)境下小曲率半徑盾構(gòu)隧道管片的制造方法，其特征在于，所述步驟13包括以下分步驟: 步驟131:如果管片的最大變形參數(shù)滿足工程要求，則以初始配筋參數(shù)及初始混凝土強(qiáng)度數(shù)值作為最終配筋參數(shù)及最終混凝土強(qiáng)度數(shù)值，并執(zhí)行步驟2 ； 步驟132:如果管片的最大變形參數(shù)不滿足工程要求，則改變初始配筋參數(shù)及初始混凝土強(qiáng)度參數(shù)，并依次執(zhí)行步驟12及步驟13。
【文檔編號(hào)】E21D11/08GK103527217SQ201310454891
【公開(kāi)日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月29日
【發(fā)明者】姜紹杰, 何軍 申請(qǐng)人:深圳中海建筑有限公司