本發(fā)明屬于地下空間工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種零彎矩盾構(gòu)隧道。

背景技術(shù)：

如圖1所示，現(xiàn)有的盾構(gòu)隧道橫斷面普遍采用圓形結(jié)構(gòu)，為了合理地利用截面空間，或提高施工效率，也有采用其它截面形式的盾構(gòu)隧道，如橫橢圓形、矩形、類矩形（寧波地鐵三號(hào)線采用）、半圓形、馬蹄形、雙圓形、三圓形等。作為地下結(jié)構(gòu)的盾構(gòu)隧道承受的主要荷載為土壓力，通常情況下，隧道承受的豎向土壓力要大于水平土壓力，從而導(dǎo)致盾構(gòu)隧道發(fā)生橫橢圓變形。如地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，盾構(gòu)隧道施工驗(yàn)收時(shí)最大的橢圓度變形為5d‰，d為隧道的直徑，然而，對(duì)于某些地層條件，根本無(wú)法達(dá)到該規(guī)范要求。此外，軟土地層的水平地層抗力系數(shù)小，隧道變形過(guò)程其水平土壓力增量非常有限，因此，軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道更容易發(fā)生橫橢圓變形超限。如在上海、南京、杭州、寧波、天津、佛山等城市的地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道，均已大量出現(xiàn)了橫橢圓變形過(guò)大。

從平面應(yīng)變角度來(lái)看，盾構(gòu)隧道可視為曲梁結(jié)構(gòu)，且曲梁的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于曲梁的高度，由結(jié)構(gòu)力學(xué)可知，梁結(jié)構(gòu)發(fā)生變形主要由彎矩所致。研究表明，盾構(gòu)隧道發(fā)生橫斷面變形，絕大部分是由于管片縱縫接頭轉(zhuǎn)動(dòng)所導(dǎo)致的（其它部分是由管片彎曲所致）。盾構(gòu)隧道的橫斷面在彎矩作用下，管片縱縫接頭位置易發(fā)生管片棱角破損，管片縱縫接頭張開(kāi)導(dǎo)致防水密封墊之間壓應(yīng)力減小，甚至防水密封墊之間完全張開(kāi)，由此導(dǎo)致接頭防水失效。此外，在彎矩作用下，管片縱縫接頭連接螺栓受拉，當(dāng)彎矩過(guò)大時(shí)將導(dǎo)致連接螺栓的螺紋發(fā)生塑性變形，從而導(dǎo)致管片縱縫接頭破損。由此可見(jiàn)，管片縱縫接頭的病害絕大部分是由盾構(gòu)隧道橫斷面的彎矩所導(dǎo)致。為了減小管片縱縫接頭所承受的彎矩，有本領(lǐng)域技術(shù)人員建議管片環(huán)分塊時(shí)盡量將管片縱縫接頭設(shè)計(jì)在彎矩較小的位置，最理想狀態(tài)是縱縫接頭位置的彎矩為0。但實(shí)際中不可能將所有的管片縱縫接頭均設(shè)置在彎矩為0的位置，且為了施工的可操作性，隧道環(huán)向必須要有一定管片分塊數(shù)量。

因此，若能設(shè)計(jì)出一種盾構(gòu)隧道橫斷面形式，使盾構(gòu)隧道在承受地層壓力作用下，隧道橫斷面任一截面的彎矩均為0（即為“零彎矩盾構(gòu)隧道”），上述問(wèn)題可迎刃而解，也可以大大地減少管片配筋。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種零彎矩盾構(gòu)隧道，該零彎矩盾構(gòu)隧道通過(guò)將其橫斷面采用“上小、下大”的雞蛋造型，最大限度地減小盾構(gòu)隧道橫斷面的彎矩，從而減小盾構(gòu)隧道的橫斷面變形。

本發(fā)明目的實(shí)現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成：

一種零彎矩盾構(gòu)隧道，其特征在于所述盾構(gòu)隧道的橫斷面呈“上小、下大”的雞蛋型。

所述盾構(gòu)隧道橫斷面軸線的中心水平直徑位于其豎向直徑的中心位置，所述盾構(gòu)隧道橫斷面軸線的最大水平直徑位于其中心水平直徑的下方且兩者的間距為偏心距△，豎向直徑大于最大水平直徑。

所述盾構(gòu)隧道橫斷面軸線的中心水平直徑、最大水平直徑、偏心距△的計(jì)算公式分別為：

橫斷面軸線的中心水平直徑

橫斷面軸線的最大水平直徑

偏心距

式中，

a為所述盾構(gòu)隧道橫斷面軸線的豎向直徑；

b為所述盾構(gòu)隧道橫斷面軸線的中心水平直徑；

c為所述盾構(gòu)隧道橫斷面軸線的最大水平直徑；

△為所述盾構(gòu)隧道橫斷面軸線的最大水平直徑的偏心距；

p1為所述盾構(gòu)隧道頂部位置的豎向土壓力；

p2為所述盾構(gòu)隧道頂部位置的水平土壓力；

p3為所述盾構(gòu)隧道底部位置大于所述盾構(gòu)隧道頂部位置的水平土壓力；

；

。

所述盾構(gòu)隧道的橫斷面軸線在x-y坐標(biāo)系中x軸的正方向與負(fù)方向時(shí)分別滿足以下計(jì)算公式：

其中，

x-y坐標(biāo)系中的坐標(biāo)原點(diǎn)位于所述盾構(gòu)隧道的豎向直徑頂點(diǎn)位置，x軸與所述盾構(gòu)隧道的中心水平直徑相平行，y軸與所述盾構(gòu)隧道中的豎向直徑相平行；

a為所述盾構(gòu)隧道橫斷面軸線的豎向直徑；

p1為所述盾構(gòu)隧道頂部位置的豎向土壓力；

p2為所述盾構(gòu)隧道頂部位置的水平土壓力；

p3為所述盾構(gòu)隧道底部位置大于所述隧道頂部位置的水平土壓力；

；

。

所述盾構(gòu)隧道至少包括拱頂管片、拱底管片以及位于兩側(cè)的拱腰管片。

所述盾構(gòu)隧道的管片厚度為其豎向直徑的0.03～0.04倍。

當(dāng)所述盾構(gòu)隧道的豎向直徑為其中心水平直徑的1.5倍及以上時(shí)，所述盾構(gòu)隧道內(nèi)設(shè)置有中間隔板以將所述盾構(gòu)隧道分隔為上、下兩層。

所述拱腰管片的內(nèi)壁上具有突出承臺(tái)，所述中間隔板的兩端分別支承于兩側(cè)的所述突出承臺(tái)上。

所述突出承臺(tái)上具有預(yù)留鋼筋，所述預(yù)留鋼筋與所述突出承臺(tái)及所述拱腰管片內(nèi)部主筋連接，并與所述中間隔板兩端內(nèi)部鋼筋搭接并呈一體澆筑構(gòu)成整體結(jié)構(gòu)。

所述中間隔板為所述盾構(gòu)隧道上層空間的軌道板。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，在地層壓力作用下，盾構(gòu)隧道的彎矩大大地減小（理論是為零彎矩，但在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于次要的荷載、可變荷載及偶然荷載均無(wú)法考慮，但是均為次要荷載），可大大減小盾構(gòu)管片的配筋，且極大地減小了盾構(gòu)隧道橫向變形及管片縱縫接頭的張開(kāi)量，以此防止管片縱縫接頭破損與滲漏水；通過(guò)合理的利用盾構(gòu)隧道的內(nèi)凈空，如通過(guò)上下層通車(chē)模式，合理地利用的盾構(gòu)隧道的橫斷面空間，且將上部軌道板進(jìn)行現(xiàn)澆，加大了盾構(gòu)隧道的縱向剛度；盾構(gòu)隧道高度大于寬度，也加大了盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)不均勻沉降過(guò)程中的縱向剛度。

附圖說(shuō)明

圖1為現(xiàn)有盾構(gòu)隧道的橫斷面示意圖；

圖2為本發(fā)明中零彎矩盾構(gòu)隧道橫斷面受到的土壓力模式示意圖；

圖3為本發(fā)明中零彎矩盾構(gòu)隧道橫斷面形式及主要關(guān)鍵參數(shù)的示意圖；

圖4為本發(fā)明中零彎矩盾構(gòu)隧道橫斷面示意圖；

圖5為本發(fā)明中設(shè)置有中間隔板的零彎矩雙層盾構(gòu)隧道橫斷面示意圖；

圖6為本發(fā)明中零彎矩雙層盾構(gòu)隧道拱腰管片內(nèi)側(cè)設(shè)置有突出承臺(tái)的橫斷面示意圖；

圖7為本發(fā)明中拱腰管片的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的特征及其它相關(guān)特征作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，以便于同行業(yè)技術(shù)人員的理解：

如圖1-7，圖中標(biāo)記1-4分別為：盾構(gòu)隧道1、拱頂管片1a、拱腰管片1b、拱底管片1c、中間隔板2、突出承臺(tái)3、預(yù)留鋼筋4。

實(shí)施例1：本實(shí)施例具體涉及一種零彎矩盾構(gòu)隧道，根據(jù)區(qū)間盾構(gòu)隧道的水平土壓力系數(shù)及隧道的總體平均埋深進(jìn)行分析，并根據(jù)地展特性分析盾構(gòu)隧道的周?chē)翂毫δＪ?，在此基礎(chǔ)上采用設(shè)計(jì)出其合理軸線，得到盾構(gòu)隧道斷面的橫斷面軸線以及其余關(guān)鍵參數(shù)，該盾構(gòu)隧道的橫斷面在設(shè)計(jì)的主要水土壓力作用下理論彎矩為零（即無(wú)彎矩）。

如圖2、3、4所示，本實(shí)施例中盾構(gòu)隧道1的橫斷面并非呈圓形構(gòu)造，而是呈“上小、下大”的雞蛋型構(gòu)造，在盾構(gòu)隧道1橫斷面軸線的豎向中心線位置處為其豎向直徑a，豎向直徑a為在豎直方向上最大的直徑；在豎向直徑a的中心點(diǎn)位置處為盾構(gòu)隧道1橫斷面軸線的中心水平直徑b，該中心水平直徑b并非盾構(gòu)隧道1橫斷面軸線上最大的水平直徑，最大水平直徑c具體位于中心水平直徑b的下方，兩者之間的間隔距離為偏心距△，該偏心距△即表示最大水平直徑c偏離豎向直徑a中心點(diǎn)位置的距離；其中，在正常埋深情況下，豎向直徑a大于最大水平直徑c，加大了盾構(gòu)隧道1結(jié)構(gòu)在不均勻沉降過(guò)程中的縱向剛度，并可減少盾構(gòu)隧道1所承受到的豎向土壓力，使其與水平土壓力能夠達(dá)到一個(gè)平衡。

在盾構(gòu)隧道1的橫斷面上定義有x-y坐標(biāo)系（參見(jiàn)附圖3所示，x-y坐標(biāo)系中的坐標(biāo)原點(diǎn)位于盾構(gòu)隧道1橫斷面軸線的豎向直徑a頂點(diǎn)位置，x軸與盾構(gòu)隧道1的中心水平直徑b相平行，y軸與盾構(gòu)隧道1中的豎向直徑a相平行），盾構(gòu)隧道1的橫斷面軸線在x軸的正方向與負(fù)方向時(shí)，分別滿足以下兩個(gè)計(jì)算公式：

此外，盾構(gòu)隧道1橫斷面的中心水平直徑b、最大水平直徑c以及偏心距△的計(jì)算公式為：

上述計(jì)算式中，各參數(shù)的含義分別如下：

a為盾構(gòu)隧道1橫斷面軸線的豎向直徑，該參數(shù)為已知量；

b為盾構(gòu)隧道1橫斷面軸線的中心水平直徑；

c為盾構(gòu)隧道1橫斷面軸線的最大水平直徑；

△為盾構(gòu)隧道1橫斷面軸線的最大水平直徑的偏心距；

p1為盾構(gòu)隧道1頂部位置的豎向土壓力；

p2為盾構(gòu)隧道1頂部位置的水平土壓力；

p3為盾構(gòu)隧道1底部位置大于盾構(gòu)隧道1頂部位置的水平土壓力；

a為參變量，計(jì)算式為；

b為參變量，計(jì)算式為。

如圖2所示，在水土的壓力作用下，盾構(gòu)隧道1的橫斷面理論彎矩為零，即無(wú)彎矩，但需要說(shuō)明的是，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于次要的荷載、可變荷載及偶然荷載均無(wú)法考慮，但是均為次要荷載，所產(chǎn)生的彎矩影響不大。

如圖4、6所示，本實(shí)施例中盾構(gòu)隧道1由若干管片拼裝而成，管片分塊以滿足施工的條件下盡量減少分塊數(shù)量為宜，可以是四塊、五塊、六塊，甚至更多；在本實(shí)施例中，盾構(gòu)隧道1具體由拱頂管片1a、拱底管片1c以及兩側(cè)的拱腰管片1b組合而成，管片采用通縫拼裝或錯(cuò)縫拼裝，且相鄰管片之間采用常規(guī)的連接方式；管片幅寬為1.2-2.0m之間，且各管片的厚度為盾構(gòu)隧道1豎向直徑a的0.03～0.04倍，從而滿足強(qiáng)度要求。

本實(shí)施例中的零彎矩盾構(gòu)隧道可用于各類地下隧道，例如過(guò)水隧道、地下管廊隧道、地鐵隧道燈；當(dāng)零彎矩盾構(gòu)隧道作為地鐵隧道進(jìn)行使用時(shí)，在其橫斷面凈空相對(duì)地鐵列車(chē)使用限界多余較多的情況下，可考慮將多余橫斷面凈空用做其它用功能，裝修為其他地下管線使用，即所謂的地下管廊。

實(shí)施例2：在實(shí)施例1中零彎矩盾構(gòu)隧道的基礎(chǔ)上，本實(shí)施例具體涉及采用雙層構(gòu)造的零彎矩盾構(gòu)隧道。

如圖5-7所示，當(dāng)零彎矩盾構(gòu)隧道1橫斷面軸線的豎向直徑a與中心水平直徑b相差較大時(shí)（即當(dāng)豎向直徑a為中心水平直徑b的1.5倍及以上時(shí)），盾構(gòu)隧道1通過(guò)采用中間隔板2實(shí)現(xiàn)上、下雙層構(gòu)造的設(shè)計(jì)，具體結(jié)構(gòu)如下：

本實(shí)施例中的盾構(gòu)隧道1由拱頂管片1a、拱底管片1c以及兩側(cè)的拱腰管片1b拼裝而成，除兩側(cè)的拱腰管片1b之外，其中的拱頂管片1a和拱底管片1c根據(jù)管片制作、運(yùn)輸、拼裝的實(shí)際情況可考慮由數(shù)塊管片拼裝而成；在拱腰管片1b的內(nèi)壁一側(cè)設(shè)置有突出承臺(tái)3，中間隔板2的兩端部分別支承設(shè)置于盾構(gòu)隧道1內(nèi)壁的突出承臺(tái)3上；需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中的中間隔板2作為上部軌道板進(jìn)行使用，其采用現(xiàn)澆方式進(jìn)行施工，因此在突出承臺(tái)3上具有豎向與水平的預(yù)留鋼筋4，以便于同中間隔板2中的鋼筋在澆筑之前進(jìn)行搭接，從而在澆筑完成后，使中間隔板2與盾構(gòu)隧道1中的拱腰管片1b形成整體結(jié)構(gòu)，以加大盾構(gòu)隧道1的縱向剛度。

本實(shí)施例中間隔板2所采用的現(xiàn)澆筑整體連接結(jié)構(gòu)，相較于以往雙層盾構(gòu)隧道內(nèi)中間隔層板所采用的拼裝結(jié)構(gòu)，具有整體性更好的特點(diǎn)，且本實(shí)施例中的中間隔板基本不受地層壓力的影響，因此可以在完成盾構(gòu)隧道1的拼裝后再進(jìn)行澆筑。