一种抗震管片、隧道抗震管片支护结构及抗震方法与流程

1.本发明涉及隧道抗震支护技术领域，特别是指一种抗震管片、隧道抗震管片支护结构及抗震方法。


背景技术：

2.盾构隧道衬砌一般采用钢筋混凝土盾构管片衬砌结构，即通过将数块弧形的预制混凝土管片利用环向螺栓连接成衬砌环，再利用纵向螺栓将若干衬砌环纵向连接延伸形成管片衬砌结构。但是钢筋混凝土盾构管片存在刚度差、缓冲能力有限的问题，当隧道遭遇强烈地震时，钢筋混凝土管片易受地震冲击力挤压遭到破坏，导致管片开裂、隧道受灾。
3.现有技术中，如公开号为cn 106351676 b的一种盾构隧道柔性管片，是在两环钢筋混凝土管片之间添加缓冲橡胶，通过缓冲橡胶实现缓冲隔震功能。但该形式一方面在盾构机拼装管片时不易安装缓冲橡胶及其密封件，另一方面缓冲橡胶也将受到盾构机推进油缸的压力，对橡胶性能将提出较高要求。而公开号为cn 206737927 u的一种具有缓冲抗震功能的盾构管片，沿径向将管片分为上、中、下三层管片，层层之间用缓冲弹簧和螺柱连接。该形式的管片在受到隧道径向力时具备缓冲作用，但受到隧道轴向力时不具备缓冲作用。而公开号为cn 112302691 a的适用差异沉降和高烈度地震区的地铁盾构隧道阻尼管片环，将阻尼器弹簧机构内置到槽型圈梁管片环内，形成阻尼管片。相当于用多组弹簧将刚性管片相连，弹簧轴线与隧道轴线平行。弹簧将受到盾构机推进油缸的压力，油缸收回时，弹簧将恢复。阻尼管片将不断的被压缩、恢复，当多环阻尼管片被拼装后，盾构机推进油缸需克服多组弹簧的轴向累加弹性行程才能获得可靠的反推力，这将可能造成推进油缸的行程不足，不利于盾构机的高效掘进。此外，阻尼管片还需用内胆钢桶作为隧道二衬，将减小隧道有效内径。整个阻尼管片结构较复杂，弹性过大，成本较高。


技术实现要素：

4.针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种抗震管片、隧道抗震管片支护结构及抗震方法，解决了现有技术中管片轴向抗震效果不佳的问题。
5.本发明的技术方案是这样实现的：一种抗震管片，包括减震背板，减震背板为弧面板，弧面板两侧设有侧法兰，弧面板的两端设有减震端法兰，减震背板、侧法兰及减震端法兰组成弧形箱体，弧形箱体内设有多个沿轴向设置的组合筋板结构。
6.进一步，所述组合筋板结构包括两个柔性纵筋和至少一个刚性纵筋，柔性纵筋的两端分别与侧法兰固定连接，刚性纵筋位于两个柔性纵筋之间，刚性纵筋的一端与一侧的侧法兰连接、另一端与对应的另一侧的侧法兰之间留有间隙。优选地，所述柔性纵筋的两端通过角块与侧法兰固定连接；位于减震背板中部的组合筋板结构对应的刚性纵筋上设有吊孔。
7.进一步，所述减震背板包括刚性背板和柔性背板，刚性背板和柔性背板交替设置形成外弧面平整的弧面板。所述减震端法兰包括刚性端法兰和柔性端法兰，刚性端法兰和
柔性端法兰交替设置；刚性端法兰与刚性背板对应，柔性端法兰与柔性背板对应。
8.进一步，所述减震背板包括两个刚性背板和一个柔性背板，柔性背板位于两个刚性背板之间；减震端法兰包括两个刚性端法兰和一个柔性端法兰，柔性端法兰位于两个刚性端法兰之间；刚性端法兰焊接在刚性背板端部，柔性端法兰焊接在柔性背板端部。所述侧法兰和/或减震端法兰上设有密封条。
9.一种隧道抗震管片支护结构，包括混凝土管片环和由所述的抗震管片组成的抗震管片环，混凝土管片环和抗震管片环交替设置。混凝土管片环与抗震管片环弧度和厚度均相同。
10.一种隧道抗震管片支护结构的抗震方法，采用所述的隧道抗震管片支护结构，具体步骤如下：s1：掘进机正常掘进时，将混凝土管片环与抗震管片环以abab的形式交替铺设在隧道内，形成隧道抗震管片支护结构；s2：抗震管片环上的组合筋板结构沿隧道轴线方向布置，组合筋板结构的柔性纵筋和刚性纵筋存在一定的刚性差；s3：掘进机正常掘进时，隧道抗震管片支护结构提供掘进机向前运动的推动力，柔性纵筋受到掘进机的反向推力，而刚性纵筋不受力；当发生强烈震动时，柔性纵筋受到沿隧道轴线方向的力大于受到掘进机的反向推力后，发生轴向隆起变形，而刚性纵筋与对应的另一侧的侧法兰之间的间隙变小，缓冲沿隧道轴线方向的力；当刚性纵筋与对应的另一侧的侧法兰之间的间隙为零时，整环的刚性纵筋形成圆柱状主要受力结构，使整个抗震管片的刚性迅速增大；s4：当发生强烈震动时，减震背板及减震端法兰同时发生形变，抗震管片环整体刚性增大，使混凝土管片环所受瞬时冲击力大大减小，从而避免其刚性过大被压溃损坏。
11.本发明通过混凝土管片环和由若干个抗震管片组成的抗震管片环，使盾构机正常拼装，同时确保盾构机推进油缸正常获得反推力；又能在管片支护结构受到强震冲击力时，抗震管片迅速变形缓冲，且到达预设变形量后刚性迅速增大，不再继续变形，变形缓冲可控，抗震性更好；且与其他具备抗震功能的管片相比，结构更简易，成本低。本发明抗震管片巧妙的结构设计，组合筋板结构的柔性纵筋和刚性纵筋具有刚度差的设计，使抗震管片对轴向冲击反应更加灵敏，抗震效果更加明显，有效避免钢筋混凝土管片被压溃损坏，提高整体安全性，具有较高的推广价值。
附图说明
12.为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
13.图1为本发明抗震管片示意图。
14.图2为本发明抗震管片在受震后变形示意图。
15.图3为本发明抗震管片支护结构示意图。
具体实施方式
16.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.如图1所示，实施例1，一种抗震管片，包括减震背板8，减震背板8为弧面板，多块弧面板可拼接成完整的环。弧面板两侧设有侧法兰7，侧法兰7为与弧面板同弧度的刚性弧板。侧法兰上设有法兰孔2。弧面板的两端设有减震端法兰3，减震背板8、侧法兰7及减震端法兰3组成弧形箱体，弧形箱体内设有多个沿轴向设置的组合筋板结构9。减震背板8、减震端法兰3及组合筋板结构9均为抗震管片的减震结构，能抵抗较大轴向震动冲击。
18.其中，所述组合筋板结构9包括两个柔性纵筋1和一个刚性纵筋4，柔性纵筋1和刚性纵筋4存在一定的刚度差。柔性纵筋与刚性纵筋之间无直接固定连接。纵筋仅与端法兰固定连接，与背板无直接固定连接。具体的，柔性纵筋1的两端分别与侧法兰7固定连接。具体为柔性纵筋1的两端通过角块10与侧法兰7固定连接，优选为焊接。刚性纵筋4位于两个柔性纵筋1之间，两个柔性纵筋中间夹着一个4刚性纵筋，两者之间相互配合，相互约束。刚性纵筋4的一端与一侧的侧法兰7连接、另一端与对应的另一侧的侧法兰7之间留有间隙l，通过改变间隙l的宽度，可在一定范围内调节最大抗震形变量。正常掘进状态下，柔性纵筋的刚性足够提供掘进机向前运动的力；当发生强烈地震时，管片受到沿轴线方向（x方向）的强大地震波冲击力的作用，该冲击力远大于盾构机推进油缸的顶推力，且作用时间极短时，刚性纵筋4与侧法兰7之间的间隙变小或为零，多组刚性纵筋承受x方向地震冲击力，使抗震管片的整体刚性增大。组合筋板结构9沿减震背板周向均匀布置，位于减震背板8中部的组合筋板结构9对应的刚性纵筋4上设有吊孔6，便于盾构机将钢管片抓取，并拼装到正确位置。
19.实施例2，一种抗震管片，在实施例1的基础上，所述减震背板8包括刚性背板81和柔性背板82，刚性背板81和柔性背板82成abab形式交替设置形成外弧面平整的弧面板。具体为刚性背板81和柔性背板82弧度相同，焊接在一起之后形成复合式减震背板，背板外弧面平整，提高密封性和整体刚度。所述减震端法兰3包括刚性端法兰31和柔性端法兰32，刚性端法兰31和柔性端法兰32成abab形式交替设置；刚性端法兰31与刚性背板81对应，柔性端法兰32与柔性背板82对应，同环部抗震设置；柔性背板82、柔性端法兰32及柔性纵筋1可采用刚度较小的钢材，如低碳钢、低合金钢等。其他结构件均采用刚度较大的钢材，两种材料之间存在明显的刚度差。
20.具体地，本实施例采用如下优选方案：所述减震背板8包括两个刚性背板81和一个柔性背板82，柔性背板82位于两个刚性背板81之间。减震端法兰3包括两个刚性端法兰31和一个柔性端法兰32，柔性端法兰32位于两个刚性端法兰31之间；刚性端法兰31焊接在刚性背板81端部，柔性端法兰32焊接在柔性背板82端部，形成中间轴向受力变形抗震结构。所述侧法兰7和/或减震端法兰3上设有密封条5，使整个隧道管片具备密封性。
21.如图3所示，实施例3：一种隧道抗震管片支护结构，包括混凝土管片环10和由若干个实施例2所述的抗震管片组成的抗震管片环11，混凝土管片环10和抗震管片环11交替设置。混凝土管片环10与抗震管片环11弧度和厚度均相同，确保能拼接成相配合的圆环。正常掘进状态，混凝土管片环10和抗震管片环11提供掘进机向前掘进的动力，抗震管片环11不
发生形变。当遇到较大冲击力，而冲击力大于掘进机向前掘进的动力时，抗震管片环11发生形变，使钢筋混凝土管片所受瞬时地震冲击力大大减小，从而避免其刚性过大被压溃损坏。也就是说本发明抗震管片既便于盾构机正常拼装，便于盾构机推进油缸正常获得反推力，又能在受到强震冲击力时迅速变形缓冲，且到达预设变形量后刚性迅速增大，不再继续变形，变形缓冲可控。
22.实施例4：一种隧道抗震管片支护结构的抗震方法，采用实施例3所述的隧道抗震管片支护结构，具体步骤如下：s1：掘进机正常掘进时，将混凝土管片环10与抗震管片环11以abab的形式交替铺设在隧道内，形成隧道抗震管片支护结构；s2：抗震管片环11上的组合筋板结构9沿隧道轴线方向布置，组合筋板结构9的柔性纵筋1和刚性纵筋4存在一定的刚性差；柔性纵筋1为变形缓冲件，刚性纵筋4作为备用支撑件；当受到较大轴向冲击时，柔性纵筋1和刚性纵筋4配合，提高抗震管片环整体刚性。
23.s3：掘进机正常掘进时，隧道抗震管片支护结构提供掘进机向前运动的推动力，柔性纵筋1受到掘进机的反向推力，而刚性纵筋4不受力；当发生强烈震动时，柔性纵筋1受到沿隧道轴线方向的力大于受到掘进机的反向推力后，发生轴向隆起变形，而刚性纵筋4与对应的另一侧的侧法兰7之间的间隙变小，缓冲沿隧道轴线方向的力；当刚性纵筋4与对应的另一侧的侧法兰7之间的间隙为零时，整环的刚性纵筋4形成圆柱状主要受力结构，使整个抗震管片的刚性迅速增大，变形合理可控。也就是说抗震管片既能承受盾构机正常拼装，使盾构机推进油缸正常获得反推力，又能在受到强震冲击力时迅速变形缓冲，且到达预设变形量后刚性迅速增大，不再继续变形，变形缓冲可控。如图2所示。
24.s4：在步骤s3中，当发生强烈震动时，减震背板8及减震端法兰3同时发生形变，抗震管片环11整体刚性增大，使混凝土管片环10所受瞬时冲击力大大减小，从而避免其刚性过大被压溃损坏。
25.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。