[发明专利]一种土-岩复合地层类马蹄形盾构隧道设计方法

说明书

本发明公开了一种土‑岩复合地层类马蹄形盾构隧道设计方法，该方法应用于软土硬岩复合地层，根据盾构隧道使用要求确定隧道横断面轴线竖向直径，再根据软土硬岩复合地层荷载模式设计出一种“上抛物线、下椭圆弧”的类马蹄形横断面盾构隧道，使其在确定的荷载模式作用下理论弯矩值为零。该设计方法切合工程、针对性强，所采用的荷载模式更能反映复合岩土体的实际特性，从理论上最大限度减小盾构隧道弯矩，极大程度优化管片配筋，同时减小管片纵缝接头张开量和横向变形，以克服管片纵缝接头破损与渗漏水问题。

技术领域

本发明属于地下空间工程技术领域，具体涉及一种土-岩复合地层类马蹄形盾构隧道设计方法。

背景技术

随着我国地铁建设规模和范围的扩大，岩质地层中的地铁建设项目逐渐增多，如重庆、广州、青岛、大连等城市中出现了一大批位于岩质地层中的大跨地铁车站隧道。此类隧道跨度大、埋深浅，上部通常为风化程度高、软弱破碎、节理裂隙发育的强风化层，岩层往下逐渐转好，呈现出上软下硬的结构特征。类似地，在珠三角的地铁隧道建设过程中，常会遇到隧道洞身上部为软土，下部为硬岩的“上软下硬”复合地层。又如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。根据调研，此类盾构隧道在施工及运营过程中更容易出现如管片错台、破损、接缝渗漏水、隧道变形超限等问题。

土-岩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，盾构隧道通过此类地层中时，管片在同一断面中同时遇到了两个极端地层，使得管片的受力情况与在单一土层中设计得到的内力及变形有较大区别。目前隧道设计往往采用可靠度设计计算方法，而对于复合地层中盾构隧道围岩压力的计算尚存争议。其中焦点问题之一便是荷载模型的确定，为求简便通常把复合地层等效为均一地层，导致难以精确计量荷载值，计算出的隧道围岩压力理论值往往是偏安全和保守，尤其是隧道基底的荷载响应常常被夸大，从而造成结构配筋设计失当，并未很好地体现设计的经济性。因此土-岩复合地层盾构隧道的荷载计算和横断面设计亟待探索与创新。同时盾构隧道通常被视为梁长远大于梁高的曲梁结构，因而其弯曲、变形等问题通常看做理想弹塑性材料平面应变问题，根据结构力学知识可知梁结构发生变形主要由弯矩所致。调查研究表明，盾构隧道发生横向变形主要由管片纵缝接头张开量过大以及破损所引起的，进一步发展后会出现管片渗漏水不良情况，而导致这些问题的决定性因素即是盾构隧道横断面的所受的弯矩。本领域有技术人员建议管片分块时，将接缝位置设置在管片所受弯矩最小处，当然理论最佳位置为零弯矩处，但偏于理想化且施工非常困难。

因此，若能设计出一种新型盾构隧道横断面形式，使盾构隧道在承受更切合工程实际的软土硬岩复合地层荷载作用下，所设计的盾构隧道在任一横截面处的弯矩值为零，不仅能极大程度优化管片配筋，而且上述管片纵缝接头破损与渗漏水等问题便迎刃而解。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，基于更切合实际工程的软土硬岩复合地层荷载模式，提供一种土-岩复合地层类马蹄形盾构隧道设计方法，该设计计算方法设计出的盾构隧道横断面呈“上抛物线、下椭圆弧”的类马蹄形构造，以获得的盾构隧道管片弯矩和横向变形近似为零，极大程度优化管片配筋和减小管片纵缝接头的张开量，从而防止管片纵缝接头破损与渗漏水问题。

本发明目的实现由以下步骤完成：

（1）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；再根据所述盾构隧道所处软土、硬岩层厚度以及地下水位情况计算所述软土-岩复合地层荷载作用模式；

（2）根据所述盾构隧道确定的荷载作用模式计算所述盾构隧道的横断面参数，包括所述盾构隧道横断面轴线表达式、横断面轴线的土-岩层交界线处水平直径Rb与中心水平直径Rc，再进行横断面施工优化设计；

（3）根据所述盾构隧道的使用功能，判断所述隧道的横断面空间是否满足限界使用要求；