一种适应多灾害的盾构隧道韧性结构及其施工方法与流程

1.本发明属于盾构隧道工程技术领域，具体涉及一种适应多灾害的盾构隧道韧性结构及其施工方法。


背景技术：

2.盾构法交通隧道设计使用年限较长，运营期可能会遭受地震、周边施工扰动或环境条件变化、火灾、撞击等灾害。现有技术针对每一种灾害分别采取相应的措施，如：为加强抗震性能，通常在地震响应较大的接头部位设置高防水能力的密封垫22，同时设置低刚度螺栓或直接取消螺栓(图1所示)；为应对施工扰动或环境条件变化，通常在盾构隧道管片11周边采取地层加固措施，或设置局部内衬33(如图2所示)和全断面内衬44等(图3所示)；为应对火灾，通常在隧道内设置防火板保护层甚至混凝土内衬；为应对撞击，通常在隧道侧墙部位设置防撞侧石或在边墙部位设置现浇混凝土内衬。
3.然而，运营期的灾害往往链式发生，如：隧道某部位经受施工扰动产生局部变形后，后续运营期可能会继续遭遇地震作用，即“施工扰动 地震”；也可能是在遭遇地震作用后，后续运营期可能会继续遭遇施工扰动作用，即“地震 施工扰动”；汽车撞击与火灾往往同时发生，即“撞击 火灾”等。对于链式灾害，现有的措施往往难以适应，如设置局部二次衬砌或全断面二次衬砌，对适应施工扰动、撞击、火灾有利，但对抗震不利，因为结构刚度加大后，地震作用下的内力也会增加，使内衬结构产生大范围开裂；但若为提高抗震性能而加大结构柔性，则不利于结构适应施工扰动，也不利于抵抗撞击与火灾作用。为此，现有技术中，当需要设置内衬时，为降低地震响应，一般将内衬按适当长度设置变形缝，但变形缝设置于管片环宽中心部位时，会导致管片和内衬均开裂，而设置于管片环缝部位时，管片环缝的变形会大幅增加，给防水带来极大的难度。
4.综上，现有盾构隧道局部内衬或全断面内衬结构对适应施工扰动、撞击、火灾有利，但对抗震不利，无法适应多种灾害，主要原因是地震情况下内衬结构的变形与管片结构的变形不协调，管片结构的变形主要集中在接缝部位，由于内衬与管片结构之间的粘结力较大，当管片结构变形时，将首先导致接缝处的内衬被拉裂破坏。
5.因此，需要提出一种盾构隧道结构体系，以提升运营期内盾构隧道适应多种灾害的韧性。


技术实现要素：

6.针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的一种或者多种，本发明提供了一种适应多灾害的盾构隧道韧性结构及其施工方法，可使内衬结构和盾构隧道管片分开受力，既可以适应施工扰动、撞击、火灾，又可以适应地震，有效增强了盾构隧道适应多种灾害的韧性。
7.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种适应多灾害的盾构隧道韧性结构，其特征在于，包括盾构隧道管片和盾构隧道内衬；
8.其中所述盾构隧道内衬包括有粘结内衬结构段和无粘结内衬结构段，两者间隔设
置；所述有粘结内衬结构段直接与盾构隧道管片接触，所述无粘结内衬结构段与盾构隧道管片之间设有隔离层；所述无粘结内衬结构段设于对应的管片接缝处；
9.对应所述无粘结内衬结构段的管片接缝处设有大变形能力密封垫和大变形能力螺栓；对应所述有粘结内衬结构段的管片接缝处设置普通密封垫和普通螺栓。
10.作为本发明的进一步改进，所述盾构隧道内衬分为若干分段，每个分段包括有粘结内衬结构段，以及有粘结内衬结构段两端的无粘结内衬结构段，并且两端无粘结内衬结构段的长度分别为其长度的一半。
11.作为本发明的进一步改进，所述盾构隧道内衬分段长度为l，所述盾构隧道管片的管片环宽为b，且所述无粘结内衬结构段的长度与盾构隧道管片的管片环宽相同，每一个分段两端的无粘结内衬结构段的长度为b/2；即所述有粘结内衬结构段的长度l1＝l-b。
12.作为本发明的进一步改进，地震作用下，内衬分段处的管片接缝张开量为
△
，所述无粘结内衬结构段的应变ε1＝
△
/b，要求所述无粘结内衬结构段中混凝土材料极限拉应变εu≥ε1。
13.作为本发明的进一步改进，每一个分段的端部与管片接缝对齐。
14.作为本发明的进一步改进，每个分段长度相同或不同；所述盾构隧道内衬为局部内衬或全断面内衬。
15.作为本发明的进一步改进，所述隔离层为防水板或防水涂层。
16.按照本发明的另一个方面，提供一种所述的适应多灾害的盾构隧道韧性结构的施工方法，包括如下步骤：
17.s1：盾构隧道管片施工完成后，浇筑有粘结内衬结构段；
18.s2：在无粘结内衬结构段的对应的盾构隧道管片表面，设置隔离层；
19.s3：按设计要求进行相邻两个有粘结内衬结构段之间的纵向钢筋连接；
20.s4：按设计要求设置无粘结内衬结构段的环向钢筋；
21.s5：采用高延性混凝土浇筑无粘结内衬结构段。
22.作为本发明的进一步改进，地震作用下，内衬分段处的管片接缝张开量为
△
，所述无粘结内衬结构段的应变ε1＝
△
/b，b为管片环宽；要求所述无粘结内衬结构段中混凝土材料极限拉应变εu≥ε1。
23.作为本发明的进一步改进，钢筋的设置需满足如下要求：
24.根据无粘结内衬结构段混凝土材料，开展力学试验，得出其拉应力-拉应变曲线；
25.地震作用下，内衬分段处无粘结内衬结构段拉力为t2；根据应力-拉应变曲线以及对应的应变ε1，得出无粘结内衬结构段混凝土所承担的拉力为t
2-1
，求出无粘结内衬结构段需要混凝土内钢筋承担的地震拉力t
2-2
＝t
2-t
2-1
；
26.根据钢筋的力学性能进行无粘结内衬结构段的配筋计算与钢筋布置。
27.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
28.(1)本发明的适应多灾害的盾构隧道韧性结构，通过间隔一定距离在管片环缝处设置无粘结内衬区段，在盾构隧道管片因外力作用而变形时，可使内衬结构和盾构隧道管片分开受力，避免内衬结构被拉裂破坏，使内衬结构与盾构管片结构协调变形，有效提升了盾构隧道内衬结构的变形能力。本发明的盾构隧道结构，既可以适应施工扰动、撞击、火灾，
又可以适应地震，有效增强了盾构隧道适应多种灾害的韧性。
29.(2)本发明的适应多灾害的盾构隧道韧性结构的施工方法，与常规盾构隧道内衬结构相比，内衬结构尺寸不变，并且有粘结内衬结构段采用常规的施工方法即可，仅需局部增加隔离层并采用钢筋钢纤维以及高延性的混凝土对局部内衬进行浇筑即可，并且隔离层可以采用防水板，也可以喷涂防水涂料，成本低且施工方便。
附图说明
30.图1为现有技术中在地震响应较大的接头部位设置密封垫结构示意图；
31.图2为现有技术中盾构隧道局部内衬结构示意图；
32.图3为现有技术中盾构隧道全断面内衬结构示意图；
33.图4为本发明实施例的适应多灾害的盾构隧道韧性结构平剖面示意图；
34.图5为本发明实施例的适应多灾害的盾构隧道韧性在无粘结内衬结构段横断面示意图；
35.图6为本发明实施例的适应多灾害的盾构隧道韧性在有粘结内衬结构段横断面示意图。
36.在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-盾构隧道管片、2-有粘结内衬结构段、3-无粘结内衬结构段、4-大变形能力密封垫、5-大变形能力管片接缝螺栓、6-隔离层、7-普通密封垫、8-普通螺栓。
具体实施方式
37.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
38.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
39.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
40.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
41.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以
是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
42.请参阅图4至图6，图4为本发明实施例的适应多灾害的盾构隧道韧性结构平剖面示意图；图5和图6分别为无粘结内衬结构段和有粘结内衬结构段横断面示意图。本发明的适应多灾害的盾构隧道韧性结构，包括盾构隧道管片1和盾构隧道内衬，其中盾构隧道内衬分成多段，包括有粘结内衬结构段2和无粘结内衬结构段3。有粘结内衬结构段2和无粘结内衬结构段3间隔设置，有粘结内衬结构段2直接与盾构隧道管片1接触，无粘结内衬结构段3与盾构隧道管片1之间设有隔离层6。优选地，隔离层6为防水板或防水涂层。
43.无粘结内衬结构段3设于管片接缝处，对应无粘结内衬结构段3的管片接缝处设有大变形能力密封垫4和大变形能力螺栓5，对应有粘结内衬结构段2的管片接缝处设置普通密封垫7和普通螺栓8。
44.优选地，无粘结内衬结构段3的钢筋混凝土结构中，采用高延性的钢筋钢纤维及混凝土；有粘结内衬结构段2为现有技术中的衬砌结构，其钢筋混凝土结构中采用现有技术的普通钢筋和混凝土即可。
45.如图4所示，盾构隧道内衬分为若干分段，每个分段包括有粘结内衬结构段2，以及有粘结内衬结构段2两端的无粘结内衬结构段3，并且两端无粘结内衬结构段3的长度分别为其长度的一半。相邻两个分段之间处对应设有无粘结内衬结构段3，且每分段之间的无粘结内衬结构段3不设缝，采用整体浇筑成型。
46.盾构隧道管片的管片环宽为b，盾构隧道内衬分段长度为l。优选地，无粘结内衬结构段3的长度为b，即无粘结内衬结构段3的长度与盾构隧道管片的管片环宽相同。每一个分段两端的无粘结内衬结构段3的长度为b/2，因此有粘结内衬结构段2的长度l1＝l-b。
47.优选地，每一个分段长度的端部与管片环缝对齐，根据需要，在地震响应最大和较大部位的环缝处应设置一处分段分界，并在分界处设置无粘结内衬结构段3。
48.另外需要说明的是，每个分段长度可以是相同的，也可以是不同的，并且本发明的盾构隧道内衬，可以是局部内衬，也可以是全断面内衬，具体根据地质条件确定。
49.进一步地优选地，本发明对于无粘结内衬结构段3中混凝土和钢筋的设计采用需要满足一下要求：
50.根据抗震计算结果，得出盾构隧道内衬分段处，管片接缝在地震作用下的张开量
△
和内衬拉力t2；该内衬拉力t2指无粘结内衬结构段3(包括钢筋和混凝土)的拉力；并且根据所设计的无粘结内衬结构段3混凝土材料，开展力学试验，得出其拉应力-拉应变曲线；
51.根据地震作用下内衬分段处的管片接缝张开量
△
，除以管片环宽b，得出无粘结内衬结构段3的应变ε1＝
△
/b；
52.根据无粘结内衬结构段3的应变ε1，进行无粘结内衬结构段3高延性混凝土的材料设计，要求该混凝土材料的极限拉应变εu≥ε1。
53.根据内衬混凝土的拉应力-拉应变曲线以及对应的应变ε1，得出无粘结内衬结构段3混凝土所承担的拉力t
2-1
；
54.求出无粘结内衬结构段3需要内衬混凝土内钢筋承担的地震拉力t
2-2
＝t
2-t
2-1
，根
据钢筋的力学性能进行无粘结内衬结构段3的纵向配筋计算与钢筋布置，且要求钢筋的极限拉应变不低于高延性混凝土的极限应变。
55.需要说明的是，上述拉应力-拉应变曲线的推算过程为现有技术，本领域技术人员应用现有技术的拉应力-拉应变曲线即可实现。
56.本发明的适应多灾害的盾构隧道韧性结构，其施工方法包括如下步骤：
57.s1：盾构隧道管片1施工完成后，浇筑有粘结内衬结构段2；
58.盾构隧道管片1和有粘结内衬结构段2的施工方法均采用现有技术即可，其中有粘结内衬结构段2的钢筋混凝土结构中，采用普通钢筋即可。
59.s2：在无粘结内衬结构段3对应的盾构隧道管片1表面，设置隔离层6；
60.隔离层6采用防水板或防水涂层，采用防水板时，将其粘贴于盾构隧道管片1上；采用防水涂层时，在盾构隧道管片1上喷涂防水涂料，只要能够起到内衬与管片的隔离作用即可。
61.s3：按设计要求进行相邻两个有粘结内衬结构段2之间的纵向钢筋连接；
62.s4：按设计要求设置无粘结内衬结构段3的环向钢筋；
63.s5：采用高延性混凝土浇筑无粘结内衬结构段3。
64.本发明的适应多灾害的盾构隧道韧性结构，通过间隔一定距离在管片环缝处设置无粘结内衬区段，在盾构隧道管片因外力作用而变形时，可使内衬结构和盾构隧道管片分开受力，避免内衬结构被拉裂破坏，使内衬结构与盾构管片结构协调变形，有效提升了盾构隧道内衬结构的变形能力。本发明的盾构隧道结构，既可以适应施工扰动、撞击、火灾，又可以适应地震，有效增强了盾构隧道适应多种灾害的韧性。
65.本发明的适应多灾害的盾构隧道韧性结构的施工方法，与常规盾构隧道内衬结构相比，内衬结构尺寸不变，并且有粘结内衬结构段采用常规的施工方法即可，仅需局部增加隔离层并采用钢筋钢纤维以及高延性的混凝土对局部内衬进行浇筑即可，并且隔离层可以采用防水板，也可以喷涂防水涂料，成本低且施工方便。
66.本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。