[發(fā)明專利]一種土-巖復合地層類馬蹄形盾構(gòu)隧道設(shè)計方法

有效

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• 申請日: 2021-08-04
• 公開（公告）號: CN113378284B
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 石鈺鋒;張濤;周宇航;唐檢軍;紀松巖;張慧鵬;黃大維;蔣亞龍
• 申請（專利權(quán)）人: 華東交通大學;南昌軌道交通集團有限公司;中鐵建大橋工程局集團第一工程有限公司
• 主分類號: G06F30/13
• 分類號: G06F30/13
• 代理公司: 北京清亦華知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 何世磊

本發(fā)明公開了一種土?巖復合地層類馬蹄形盾構(gòu)隧道設(shè)計方法，該方法應用于軟土硬巖復合地層，根據(jù)盾構(gòu)隧道使用要求確定隧道橫斷面軸線豎向直徑，再根據(jù)軟土硬巖復合地層荷載模式設(shè)計出一種“上拋物線、下橢圓弧”的類馬蹄形橫斷面盾構(gòu)隧道，使其在確定的荷載模式作用下理論彎矩值為零。該設(shè)計方法切合工程、針對性強，所采用的荷載模式更能反映復合巖土體的實際特性，從理論上最大限度減小盾構(gòu)隧道彎矩，極大程度優(yōu)化管片配筋，同時減小管片縱縫接頭張開量和橫向變形，以克服管片縱縫接頭破損與滲漏水問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于地下空間工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種土-巖復合地層類馬蹄形盾構(gòu)隧道設(shè)計方法。

背景技術(shù)

隨著我國地鐵建設(shè)規(guī)模和范圍的擴大，巖質(zhì)地層中的地鐵建設(shè)項目逐漸增多，如重慶、廣州、青島、大連等城市中出現(xiàn)了一大批位于巖質(zhì)地層中的大跨地鐵車站隧道。此類隧道跨度大、埋深淺，上部通常為風化程度高、軟弱破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育的強風化層，巖層往下逐漸轉(zhuǎn)好，呈現(xiàn)出上軟下硬的結(jié)構(gòu)特征。類似地，在珠三角的地鐵隧道建設(shè)過程中，常會遇到隧道洞身上部為軟土，下部為硬巖的“上軟下硬”復合地層。又如廣深港高鐵獅子洋隧道，先后穿越軟土、軟硬不均復合地層、全斷面風化巖層等；南京揚子江隧道和武漢三陽路公鐵合建長江隧道，大量穿越土巖復合地層。根據(jù)調(diào)研，此類盾構(gòu)隧道在施工及運營過程中更容易出現(xiàn)如管片錯臺、破損、接縫滲漏水、隧道變形超限等問題。

土-巖復合地層不但對盾構(gòu)的施工造成了困難，對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計也提出了新的要求，盾構(gòu)隧道通過此類地層中時，管片在同一斷面中同時遇到了兩個極端地層，使得管片的受力情況與在單一土層中設(shè)計得到的內(nèi)力及變形有較大區(qū)別。目前隧道設(shè)計往往采用可靠度設(shè)計計算方法，而對于復合地層中盾構(gòu)隧道圍巖壓力的計算尚存爭議。其中焦點問題之一便是荷載模型的確定，為求簡便通常把復合地層等效為均一地層，導致難以精確計量荷載值，計算出的隧道圍巖壓力理論值往往是偏安全和保守，尤其是隧道基底的荷載響應常常被夸大，從而造成結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計失當，并未很好地體現(xiàn)設(shè)計的經(jīng)濟性。因此土-巖復合地層盾構(gòu)隧道的荷載計算和橫斷面設(shè)計亟待探索與創(chuàng)新。同時盾構(gòu)隧道通常被視為梁長遠大于梁高的曲梁結(jié)構(gòu)，因而其彎曲、變形等問題通常看做理想彈塑性材料平面應變問題，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學知識可知梁結(jié)構(gòu)發(fā)生變形主要由彎矩所致。調(diào)查研究表明，盾構(gòu)隧道發(fā)生橫向變形主要由管片縱縫接頭張開量過大以及破損所引起的，進一步發(fā)展后會出現(xiàn)管片滲漏水不良情況，而導致這些問題的決定性因素即是盾構(gòu)隧道橫斷面的所受的彎矩。本領(lǐng)域有技術(shù)人員建議管片分塊時，將接縫位置設(shè)置在管片所受彎矩最小處，當然理論最佳位置為零彎矩處，但偏于理想化且施工非常困難。

因此，若能設(shè)計出一種新型盾構(gòu)隧道橫斷面形式，使盾構(gòu)隧道在承受更切合工程實際的軟土硬巖復合地層荷載作用下，所設(shè)計的盾構(gòu)隧道在任一橫截面處的彎矩值為零，不僅能極大程度優(yōu)化管片配筋，而且上述管片縱縫接頭破損與滲漏水等問題便迎刃而解。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，基于更切合實際工程的軟土硬巖復合地層荷載模式，提供一種土-巖復合地層類馬蹄形盾構(gòu)隧道設(shè)計方法，該設(shè)計計算方法設(shè)計出的盾構(gòu)隧道橫斷面呈“上拋物線、下橢圓弧”的類馬蹄形構(gòu)造，以獲得的盾構(gòu)隧道管片彎矩和橫向變形近似為零，極大程度優(yōu)化管片配筋和減小管片縱縫接頭的張開量，從而防止管片縱縫接頭破損與滲漏水問題。

本發(fā)明目的實現(xiàn)由以下步驟完成：

（1）根據(jù)所述盾構(gòu)隧道的使用要求，確定所述盾構(gòu)隧道橫斷面軸線的豎向直徑；再根據(jù)所述盾構(gòu)隧道所處軟土、硬巖層厚度以及地下水位情況計算所述軟土-巖復合地層荷載作用模式；

（2）根據(jù)所述盾構(gòu)隧道確定的荷載作用模式計算所述盾構(gòu)隧道的橫斷面參數(shù)，包括所述盾構(gòu)隧道橫斷面軸線表達式、橫斷面軸線的土-巖層交界線處水平直徑Rb與中心水平直徑Rc，再進行橫斷面施工優(yōu)化設(shè)計；

（3）根據(jù)所述盾構(gòu)隧道的使用功能，判斷所述隧道的橫斷面空間是否滿足限界使用要求；