CN101892848A

CN101892848A - 一种盾构隧道管片衬砌抗震型纵向接头

Info

Publication number: CN101892848A
Application number: CN 201010232584
Authority: CN
Inventors: 何川; 方勇; 王士民; 汪波; 周济民; 高云龙; 郭瑞
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2010-07-21
Filing date: 2010-07-21
Publication date: 2010-11-24

Abstract

一种盾构隧道管片衬砌抗震型纵向接头，包括螺杆(1)、螺杆(1)两端的螺母(2)、螺母(2)的内侧依次有垫圈(3)、水胀橡胶(6)，螺母(2)与垫圈(3)之间的螺杆(1)上还套合有弹性装置(4)。该纵向接头能降低衬砌结构纵向等效抗拉刚度，增大环缝的变形能力，减小地震时产生的纵向拉力，提高盾构法隧道的抗震能力，尤其适用于高烈度地震区地铁区间盾构隧道使用，并且无需改变现有隧道的结构，实施方便，易于推广。

Description

一种盾构隧道管片衬砌抗震型纵向接头

技术领域

本发明涉及盾构隧道管片衬砌的接头。

背景技术

目前盾构隧道主要采用多个弧形的单层钢筋混凝土管片通过接头拼接成管片环，再将管片环通过接头拼接成长管道。由于隧道采用了这种拼装的方式，隧道的安全稳固性和防震性，在很大程度上取决于管片间及管片环间的接头的连接稳固性和抗震性。

现有管片与管片间及管片环与管片环间的接头均为螺栓接头。管片外表面开有凹槽形成手孔，两相邻管片的手孔之间周向穿孔，螺杆穿入周向孔，在两管片的手孔处的螺杆端部拧紧螺母即完成管片之间的连接，从而拼接成管片环；这种形成管形成管片环的接头为横向接头。同样在管片环的外表面开凹槽形成手孔，两相邻管片环的手孔之间纵向(轴向)穿孔，螺杆穿入纵向孔内，在两管片环的手孔处的螺杆端部拧紧螺母即将管片环拼接成纵向无限延伸的隧道砌衬，这种将管片环纵向连接在一起的接头为纵向接头。为起到更好的紧固和防水的作用，螺杆两端从外到内还依次设有垫圈和胀水橡胶，其中胀水橡胶遇水膨胀。

盾构隧道衬砌的荷载主要来自横断面上，而纵向接头主要起到传递管片环间不平衡力的作用，故在针对纵向接头进行检算时，主要进行抗剪检算。相对于其他方法修建的隧道，盾构法隧道由于接头的存在，其刚度大大降低，有利于抗震，因此在通常情况下，盾构隧道的纵向接头的抗震性能是足够的，不需要对管片纵向接头进行专门的抗震设计。但是，在高烈度地震区，地震荷载产生的复杂作用力，从而使纵向接头承受很大的包括拉力在内的复杂作用力。现有的盾构隧道管片衬砌的纵向接头抗拉变形能力有限，在地震时会造成接头螺栓及衬砌结构的破坏。如1995年日本阪神地震中，大量的盾构隧道纵向接头遭到显著破坏，影响了隧道的正常使用。2008年汶川大地震导致成都市多个区间盾构隧道纵向接头附近发生管片开裂、较大错台等。由此看出，在高烈度地震区的城市地铁区间盾构法隧道中，纵向接头及由纵向接头连接处的环缝是盾构隧道管片衬砌最薄弱的环节，其抗震能力有待于提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种盾构隧道管片衬砌的抗震型纵向接头，该纵向接头能降低衬砌结构纵向等效抗拉刚度，增大环缝的变形能力，减小地震时产生的纵向拉力，提高盾构法隧道的抗震能力，尤其适用于高烈度地震区地铁区间盾构隧道使用，并且无需改变现有隧道的结构，实施方便，易于推广。

本发明实现其发明目的，所采用的技术方案是：一种盾构隧道管片衬砌抗震型纵向接头，包括螺杆、螺杆两端的螺母、螺母的内侧依次有垫圈、水胀橡胶，其结构特点是：所述的垫圈与螺母之间的螺杆上还套合有弹性装置。

本发明的使用方法是：将螺杆穿入两相邻管片环的手孔之间的纵向(轴向)穿孔内，在两管片环的手孔处的螺杆端从内到外依次套入水胀橡胶、垫圈、弹性装置后，再拧紧螺母，即实现管片环间的拼接。

本发明的纵向接头的力学原理分析：

发生地震时管片环随周围地层一起运动，环缝处会受到附加拉力和弯矩的共同作用，当力和弯矩超过接头的抗变形能力时，便会引起衬砌结构及接头的破坏。地震时产生的纵向附加拉力与盾构隧道衬砌结构纵向等效抗拉刚度成正比，故降低衬砌等效抗拉刚度可以降低地震时产生的纵向附加拉力。

等效抗拉刚度的计算公式为：

\frac{N}{E_{c} A_{c}} \cdot L_{c} + Δ = \frac{N}{{(EA)}_{eq}} \cdot L_{c} - - - (1)

其中，E_c-钢筋混凝土管片弹性模量，取34.5GPa；A_c-轴力在管片衬砌上的作用面积；(EA)_eq-等效抗拉刚度；L_c-管片环弧长；N-轴力，Δ为纵向螺栓的伸长量。

根据公式(1)，现有的未使用弹性装置的纵向接头，衬砌在接头处的纵向等效抗拉刚度满足：

\frac{N}{E_{c} A_{c}} \cdot L_{c} + \frac{N}{n E_{s} A_{s}} \cdot L_{s} = \frac{N}{{(EA)}_{eq}} \cdot L_{c} - - - (2)

整理得等效抗拉刚度(EA)_eq为：

{(EA)}_{eq} = \frac{1}{\frac{1}{E_{c} A_{c}} + \frac{L_{s}}{L_{c}} \cdot \frac{1}{n E_{s} A_{s}}} - - - (3)

其中，E_s-纵向接头螺栓弹性模量，取210GPa；A_s-纵向接头螺栓截面面积；L_s-纵向接头螺栓长度；n-纵向接头螺栓个数。

根据公式(1)，使用本发明的弹性装置后，纵向接头的等效抗拉刚度(EA)_eq满足下式：

\frac{N}{E_{c} A_{c}} \cdot L_{c} + \frac{N}{n E_{s} A_{s}} \cdot L_{s}^{'} + \frac{N}{nk} = \frac{N}{{(EA)}_{eq}^{'}} \cdot L_{c} - - - (4)

整理得等效抗拉刚度(EA)_eq为：

{(EA)}_{eq}^{'} = \frac{1}{\frac{1}{E_{c} A_{c}} + \frac{L_{s}^{'}}{L_{c}} \cdot \frac{1}{n E_{s} A_{s}} + \frac{1}{nk L_{c}}} - - - (5)

其中，k为弹性装置劲度系数；L′_s-使用弹性接头时，纵向接头螺栓长度；(EA)′_eq-使用纵向弹性接头后，管片衬砌结构纵向等效抗拉刚度。

比较式(3)式和(5)式可以发现，较之现有的纵向接头，本发明的纵向接头的纵向等效抗拉刚度明显降低。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

加设弹性装置，增大了管片环间纵缝的宽度，也即增大了其纵向拉伸变形能力，降低了衬砌等效抗拉刚度，减少了地震时作用在衬砌上的纵向附加拉力的作用，大大提高盾构隧道的抗震能力，尤其适用于高烈度地震区地铁区间盾构隧道。

由于加设弹性装置，本发明的螺杆的长度比现有的连接螺杆的长度须相应增加，但在每个手孔处增加的长度可以保证螺栓两端不会凸出手孔。因此可以在不改变现有的管片的构造的条件下，使用本发明的接头。从而实施本发明时不需要改变现有的管片衬砌模具，在使用时也不会给管片衬砌拼装及防水性能造成影响，易于实施，便于推广。

上述的弹性装置与螺母之间套合有外垫圈。

内垫圈可使接头的连接更坚固，同时，水胀橡胶的受力均匀、压强小，增加水胀橡胶的防水性能和可靠性。

上述的弹性装置为弹簧。

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明实施例的放大结构示意图。

图2为本发明实施例进行管片环拼接时的管片环的一端部的局部剖视结构示意图，图中左侧的手孔内没有安装纵向接头。

具体实施方式

实施例

图1、2示出，本发明的一种具体实施方式为：一种盾构隧道管片衬砌抗震型纵向接头，包括螺杆1、螺杆1两端的螺母2、螺母2的内侧依次有垫圈3、水胀橡胶6。垫圈3与螺母2之间的螺杆1上还套合有弹性装置4。水胀橡胶6与弹性装置4之间套合有外垫圈3’。弹性装置4为弹簧。

图2示出，将本例的螺杆1穿入两相邻管片环8的手孔9之间的纵向(轴向)穿孔10内，在两管片环8的手孔9处的螺杆1的端部从内到外依次套入水胀橡胶6、垫圈3、弹性装置4和外垫圈3’，再拧紧螺母2，即实现管片环8间的拼接。

等效抗拉刚度的具体计算如下：

基本参数取值为，钢筋混凝土管片弹性模量E_c＝34.5GPa，纵向接头螺栓弹性模量E_s＝210GPa，轴力在管片衬砌上的作用面积A_c＝0.36m²，单块管片弧长L_c＝3.581m。

现有的纵向接头，设螺栓长度L_s＝0.62m，纵向接头螺栓横截面面积A_s＝0.001018m²(对应盾构隧道的直径是6米)，一个管片环上使用的纵向接头数n＝10个。管片衬砌纵向等效抗拉刚度为：

{(EA)}_{eq} = \frac{1}{\frac{1}{E_{c} A_{c}} + \frac{L_{s}}{L_{c}} \cdot \frac{1}{n E_{s} A_{s}}}

= \frac{1}{\frac{1}{34.5 \times 10^{9} \times 0.36} + \frac{0.62}{3.581} \times \frac{1}{10 \times 210 \times 10^{9} \times 0.001018}}

= 6.2 GPa

使用本例的纵向接头，假设弹簧长度为5cm，螺栓长度L_s＝0.62+2×0.05＝0.72(m)，当弹簧的劲度系数分别为5*10⁷N/m、6*10⁷N/m、7*10⁷N/m、8*10⁷N/m、9*10⁷N/m、10*10⁷N/m时，根据公式(5)分别计算出，隧道衬砌结构纵向抗拉刚度为：1.36GPa，1.56GPa、1.74GPa、1.91GPa、2.06GPa、2.20GPa。可见使用本发明的纵向接头后，隧道衬砌结构的纵向抗拉刚度明显降低，为现有的1/4-1/3，提高了盾构隧道的抗震能力。

假设地震产生的纵向拉力为1000kN，每个弹簧分担100kN，当弹簧的劲度系数从5*10⁷N/m变到10*10⁷N/m时，弹性的形变量仅为1～2mm。表明由于弹性装置形变所导致的环缝宽度的增大，在比较小的范围内。因此，本发明可根据隧道的抗震等级，计算纵向拉力的大小，从而确定弹簧的劲度系数，使采用本发明的抗震型纵向接头后，在地震时，盾构隧道管片衬砌结构的纵向受拉变形及承受纵向附加拉力方面达到最优化。

Claims

1.一种盾构隧道管片衬砌抗震型纵向接头，包括螺杆(1)、螺杆(1)两端的螺母(2)、螺母(2)的内侧依次有垫圈(3)、水胀橡胶(6)，其特征在于：所述的螺母(2)与垫圈(3)之间的螺杆(1)上还套合有弹性装置(4)。

2.根据权利1所述的一种盾构隧道管片衬砌抗震型纵向接头，其特征在于：所述的螺母(2)与弹性装置(4)之间套合有外垫圈(3，)。

3.根据权利1所述的一种盾构隧道管片衬砌抗震型纵向接头，其特征在于：所述的弹性装置(4)为弹簧。