一种盾构隧道与竖井连接处的柔性连接机构及其设计方法与流程

本发明涉及铁路工程，尤其涉及一种盾构隧道与竖井连接处的柔性连接机构及其设计方法。

背景技术：

1、随着地下空间开发的深入，大直径盾构隧道的建设日益增多。盾构隧道与竖井（或工作井）的连接节点作为地下结构体系的关键部位，其结构安全与防水性能直接关系到整个隧道的运营安全。

2、由于竖井结构通常刚度极大，而盾构隧道管片刚度相对较小，二者在连接处形成了显著的刚度突变。在地震作用下，这种刚度差异会导致连接部位出现显著的差异位移和应力集中，形成复杂的空间“端部效应”。理论和灾害调查均表明，该节点是盾构法隧道抗震最为薄弱的部位之一，极易因过大的相对位移导致盾构隧道与竖井的连接节点张开、混凝土开裂甚至结构断裂，进而引发渗漏水等严重病害。

3、为应对上述挑战，目前工程中常采用柔性接头的处理方式，但均存在明显的缺陷：通过在管片与竖井之间设置软木橡胶板、泡沫混凝土等柔性填充层来缓冲变形。虽然这种方式能一定程度上缓解应力集中，但普通柔性材料刚度极低，对差异变形的约束能力过弱，容易导致管片与竖井连接节点处产生过大的错台，且难以满足长期稳定的防水要求；部分节点采用由止水橡胶和钢绞线等组成的柔性减震抗拉装置。然而，这类传统装置构造复杂，止水与抗拉功能分离，且不具备耗散地震能量的能力。在强震过后，盾构隧道与竖井的连接节点往往会产生较大的永久性残余变形。

技术实现思路

1、为了解决竖井结构通常刚度极大，而盾构隧道管片刚度相对较小，二者在连接处形成了显著的刚度突变和应力集中的问题，本发明提供了一种盾构隧道与竖井连接处的柔性连接机构及其设计方法。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种盾构隧道与竖井连接处的柔性连接机构及其设计方法，包括隧道管片，还包括设置在隧道管片与竖井之间的止水承压组件、柔性填充层、sma减震组件和限位约束组件，所述止水承压组件包括止水钢板，所述止水钢板套设于所述隧道管片的端部外侧，多个所述柔性填充层设置于止水钢板与隧道管片及竖井之间的环形间隙内，所述sma减震组件沿隧道管片的圆周方向预埋于所述柔性填充层中，所述sma减震组件的两端分别锚固于隧道管片和竖井内，所述限位约束组件用于连接sma减震组件和止水钢板。

3、作为优选，所述止水钢板的内侧还垂直固定有端面环形板，所述端面环形板的一侧与所述隧道管片的端面抵接，所述端面环形板的另一侧与柔性填充层抵接。

4、作为优选，所述sma减震组件包括形状记忆合金棒，多个形状记忆合金棒沿圆周方向预埋于端面环形板与竖井之间的柔性填充层内，所述形状记忆合金棒的两端分别锚固于隧道管片和竖井内。

5、作为优选，所述限位约束组件包括多个弧形限位缓冲杆和多个限位块，每个所述弧形限位缓冲杆的两端分别套设于两个形状记忆合金棒上并且与所述形状记忆合金棒转动连接，多个所述形状记忆合金棒通过多个弧形限位缓冲杆连接形成环形整体结构，多个所述限位块端部一一间隔套设在多个形状记忆合金棒上并且与所述弧形限位缓冲杆的侧面抵接，每个所述限位块的底部均与所述止水钢板的内圈固定连接。

6、作为优选，所述限位块的底部设置有弧形支架，所述弧形支架的凹口方向与弧形限位缓冲杆的凹口方向一致，并且弧形支架的凹口方向朝向所述止水钢板的圆周外设置，所述弧形支架与所述止水钢板固定连接。

7、作为优选，所述形状记忆合金棒、弧形限位缓冲杆和弧形支架均采用记忆合金制成，所述弧形支架与限位块焊接形成一体式结构。

8、作为优选，所述端面环形板上还固定有止水槽，所述止水槽内卡接有遇水膨胀橡胶环，所述遇水膨胀橡胶环的两侧分别与端面环形板和柔性填充层抵接。

9、作为优选，所述止水槽为封闭的波浪环形结构，并且止水槽的宽度大于遇水膨胀橡胶环的直径。

10、一种盾构隧道与竖井连接处的柔性连接机构的设计方法，适用于如上述的一种盾构隧道与竖井连接处的柔性连接机构，还包括：

11、柔性接头设计方法，采用动力时程分析法，建立“地层—竖井—盾构隧道”三维非线性动力数值模型，输入工程场地的设计地震动参数，该地震动参数包括但不限于人工地震反应谱时程，计算获得隧道与竖井连接部位在设计地震作用下的响应：一、接头纵向相对位移响应δu；二、接头转角响应θ；三、接头环向张开量分布响应δd(φ)，其中φ为环向角度；四、接头错台量δs；

12、柔性接头参数设计，根据上述数值模拟步骤确定的接头设计位移响应，按以下方法确定记忆合金棒的截面面积和数量：

13、一、轴向承载力控制：记忆合金棒在设计位移δu下的轴向回复力f应满足：

14、f=n×a×σ(ε)；

15、其中，n为柔性接头组件数量，a为记忆合金棒的截面面积，σ(ε)为对应应变ε=δu/l下的记忆合金棒应力（l为记忆合金棒有效长度）。要求f不小于接头处纵向地震力设计值的1.2倍，且不大于竖井端锚固环和隧道端加强管片的承载力设计值；

16、二、应变控制：记忆合金棒在设计地震位移下的最大应变ε应满足：εl≤ε_max≤0.7εmax_recoverable其中，εl为奥氏体向马氏体相变开始应变（约0.8%），εmax_recoverable为最大可恢复应变（约6%～8%）；

17、三、自复位能力验算：震后记忆合金棒的残余应变应不大于0.5%，对应的接头残余纵向位移不大于1mm，以满足高速铁路无砟轨道震后快速恢复运营的要求；

18、四、耗能能力验算：记忆合金棒接头在一个完整加卸载循环中的耗散能wd应不小于传统刚性接头在同等位移下的弹性应变能的3倍，等效阻尼比不小于0.08。

19、本发明的有益效果是，其一，形状记忆合金棒在变形后有一定的恢复原样的能力，发生地震后柔性填充层保证一定的设计允许变形量，保护隧道管片与竖井结构不发生破坏，在地震后，记忆合金棒恢复一定的变形，实现结构的可恢复性，增强隧道的韧性，结合柔性填充层的压缩止水和遇水膨胀橡胶环的主动止水，解决了大变形工况下的渗漏难题。

20、其二，当弧形限位缓冲杆受力时，其弧形结构能够对记忆合金棒进行支撑，并将记忆合金棒受到的部分作用力均匀分散至限位块，再通过限位块将作用力分散至更为坚固的止水钢板，以避免记忆合金棒承受的应力过大，以便在地震结束后，记忆合金棒能够恢复原本形状，也能够限制记忆合金棒在极端载荷下的最大拉张位移，以避免sma减震组件整体过载失效，上述部件因地震导致变形后，能够恢复至原本形状，以提升隧道管片与井口之间的连接稳定性，确保了接头在强震下的整体性，防止管片脱落，提高了结构的鲁棒性。

21、其三、通过在隧道与竖井刚度突变部位设置sma柔性接头，利用sma超弹性的低刚度特性，将地震变形集中并限制于接头处，减小了接头两侧隧道管片的弯曲变形和内力，从而降低了传递至轨道结构的变形量。经数值分析，在同等地震作用下，采用本发明记忆合金棒接头的隧道结构纵向变形可降低30%～50%，轨面高低不平顺值可控制在高速铁路限值范围内。

1.一种盾构隧道与竖井连接处的柔性连接机构，包括隧道管片（1），其特征在于：还包括设置在隧道管片（1）与竖井（2）之间的止水承压组件、柔性填充层（4）、sma减震组件和限位约束组件，所述止水承压组件包括止水钢板（3），所述止水钢板（3）套设于所述隧道管片（1）的端部外侧，多个所述柔性填充层（4）设置于止水钢板（3）与隧道管片（1）及竖井（2）之间的环形间隙内，所述sma减震组件沿隧道管片（1）的圆周方向预埋于所述柔性填充层（4）中，所述sma减震组件的两端分别锚固于隧道管片（1）和竖井（2）内，所述限位约束组件用于连接sma减震组件和止水钢板（3）；所述sma减震组件包括形状记忆合金棒（6）；所述限位约束组件包括多个弧形限位缓冲杆（7）和多个限位块（8），每个所述弧形限位缓冲杆（7）的两端分别套设于两个形状记忆合金棒（6）上并且与所述形状记忆合金棒（6）转动连接，多个所述形状记忆合金棒（6）通过多个弧形限位缓冲杆（7）连接形成环形整体结构。

2.如权利要求1所述的一种盾构隧道与竖井连接处的柔性连接机构，其特征在于：所述止水钢板（3）的内侧还垂直固定有端面环形板（5），所述端面环形板（5）的一侧与所述隧道管片（1）的端面抵接，所述端面环形板（5）的另一侧与柔性填充层（4）抵接。

3.如权利要求2所述的一种盾构隧道与竖井连接处的柔性连接机构，其特征在于：多个形状记忆合金棒（6）沿圆周方向预埋于端面环形板（5）与竖井（2）之间的柔性填充层（4）内，所述形状记忆合金棒（6）的两端分别锚固于隧道管片（1）和竖井（2）内。

4.如权利要求3所述的一种盾构隧道与竖井连接处的柔性连接机构，其特征在于：多个所述限位块（8）端部一一间隔套设在多个形状记忆合金棒（6）上并且与所述弧形限位缓冲杆（7）的侧面抵接，每个所述限位块（8）的底部均与所述止水钢板（3）的内圈固定连接。

5.如权利要求4所述的一种盾构隧道与竖井连接处的柔性连接机构，其特征在于：所述限位块（8）的底部设置有弧形支架（9），所述弧形支架（9）的凹口方向与弧形限位缓冲杆（7）的凹口方向一致，并且弧形支架（9）的凹口方向朝向所述止水钢板（3）的圆周外设置，所述弧形支架（9）与所述止水钢板（3）固定连接。

6.如权利要求5所述的一种盾构隧道与竖井连接处的柔性连接机构，其特征在于：所述形状记忆合金棒（6）、弧形限位缓冲杆（7）和弧形支架（9）均采用记忆合金制成，所述弧形支架（9）与限位块（8）焊接形成一体式结构。

7.如权利要求6所述的一种盾构隧道与竖井连接处的柔性连接机构，其特征在于：所述端面环形板（5）上还固定有止水槽（10），所述止水槽（10）内卡接有遇水膨胀橡胶环，所述遇水膨胀橡胶环的两侧分别与端面环形板（5）和柔性填充层（4）抵接。

8.如权利要求7所述的一种盾构隧道与竖井连接处的柔性连接机构，其特征在于：所述止水槽（10）为封闭的波浪环形结构，并且止水槽（10）的宽度大于遇水膨胀橡胶环的直径。

9.一种盾构隧道与竖井连接处的柔性连接机构的设计方法，其特征在于，适用于如权利要求1~8中任一项所述的一种盾构隧道与竖井连接处的柔性连接机构，还包括：