[发明专利]一种复合土层盾构隧道横断面设计方法及盾构隧道

说明书

本发明提供一种复合土层盾构隧道横断面设计方法及盾构隧道，应用于该复合土层，复合土层包括硬土层及设于硬土层上的软土层，隧道横断面呈“上大下小”的梨型结构，盾构隧道横断面设计方法包括如下步骤：根据盾构隧道的使用要求，确定盾构隧道横断面轴线的竖向直径；根据盾构隧道横断面轴线的竖向直径及复合土层的荷载作用模式计算盾构隧道的横断面参数，以获得盾构隧道横断面的理论弯矩值为零。本发明的有益效果在于：结合采用更切合上软下硬复合土层荷载作用模式计算得到盾构隧道的横断面参数，以最大限度地减小盾构隧道横断面弯矩和减小其横向变形，理论上全断面为零弯矩，极大程度优化管片配筋，同时防止管片纵缝接头破损与渗漏水问题。

技术领域

本发明涉及地下空间工程技术领域，具体涉及一种复合土层盾构隧道横断面设计方法及盾构隧道。

背景技术

近年来，随着我国交通隧道大型化、深层化建设的需要，盾构隧道建设断面增大、埋深增加，遭遇复合地层的案例在我国各个地区大量出现，如我国近年来在长江、珠江流域、东南沿海一带建设的大量盾构法隧道，屡屡遭遇上软下硬复合地层。又如武汉长江隧道，主要穿越强透水砂层，局部区段穿越地层为软硬程度差异极大的砂层–泥质粉砂岩复合地层；广深港高铁狮子洋隧道，先后穿越软土、软硬不均复合地层、全断面风化岩层等；南京扬子江隧道和武汉三阳路公铁合建长江隧道，大量穿越土岩复合地层。目前我国盾构隧道横断面普遍采用圆形结构，为了合理地利用截面空间或者提高施工效率，也有采用如横椭圆形、类矩形、马蹄形等其它截面形式的盾构隧道。复合地层不但对盾构的施工造成了困难，对盾构隧道结构的设计也提出了新的要求。复合地层不但对盾构的施工造成了困难，对盾构隧道结构的设计也提出了新的要求，其中最为重要且常被忽视的便是荷载问题，在荷载计算时常常等效为均一地层，难以精确计量荷载，并常常夸大了基底的荷载响应，造成结构配筋设计失当，因此复合地层中盾构隧道的荷载计算方法和隧道断面设计需有所创新。

目前使用均一地层计算上软下硬复合土层盾构隧道横断面设计方法，在软土层地区盾构隧道更容易发生横椭圆变形超限。盾构隧道的弯曲、变形等问题通常看做理想弹塑性材料平面应变问题，即把盾构隧道视为梁长远大于梁高的曲梁结构，根据结构力学可知梁结构发生变形主要由弯矩引起。调查研究表明，盾构隧道发生横向变形的主要原因是管片纵缝接头转动，而管片纵缝接头的病害主要是由盾构隧道横断面的弯矩所导致。为了克服这些问题，本领域有技术人员建议管片分块时尽量将管片纵缝接头设计在弯矩较小处，最理想状态是纵缝接头处弯矩为零。但实际工程中不可能每处接头都设置在弯矩为零处，而且为了满足施工条件，隧道环向必须对管片进行分块处理。

因此，若能设计出一种上软下硬复合土层的盾构隧道横断面形式，使盾构隧道在承受更切合实际工程的上软下硬复合土层荷载模式作用下，隧道横断面任一截面的弯矩均为零，即零弯矩盾构隧道，上述问题便迎刃而解，同时极大程度优化管片配筋。

发明内容

本发明的目的在于提出一种复合土层盾构隧道横断面设计方法，解决现有技术将上软下硬复合土层等效为单一土层设计盾构隧道，造成盾构隧道横向变形、管片配筋设计失当的问题。

本发明提出一种复合土层盾构隧道横断面设计方法，所述复合土层包括硬土层及设于所述硬土层上的软土层，所述盾构隧道横截面包括同轴设置的第一弧形部和第二弧形部，所述第一弧形部设于所述软土层，所述第二弧形部设于所述硬土层，所述第一弧形部和所述第二弧形部的凹面相对设置，且两端对应连接使所述盾构隧道横截面呈梨型结构；

所述盾构隧道横断面设计方法包括如下步骤：

根据所述盾构隧道的使用要求，确定所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径；

根据所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径及所述复合土层的荷载作用模式计算所述盾构隧道的横断面参数，以获得所述盾构隧道横断面的理论弯矩值为零。