CN109611116A - 一种适应围岩大变形的管片衬砌结构及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适应围岩大变形的管片衬砌结构，包括：基础管片(1)和可缩式接头(6)，所述可缩式接头(6)包括内侧端面板(2)和外侧端面板(5)，所述内侧端面板(2)与所述基础管片(1)的一侧面进行固定连接，可缩式接头(6)具有多个可压缩层，该可压缩层设有可变形的压缩构件(3)。本发明还公开了该结构的施工方法。本发明的适应围岩大变形的管片衬砌结构，包括基础管片和可缩式接头两个部分，可缩式接头具有多个可压缩层，可压缩层设置有可变形的压缩构件，在围岩产生大变形时，可缩式接头受到两侧相邻管片的挤压作用，压缩构件发生压缩变形，为围岩变形提供了空间，释放了围岩应力，避免了隧道管片结构发生破坏。
Description
技术领域
本发明属于隧道拼装式衬砌结构技术领域，更具体地，涉及一种适应围岩大变形的管片衬砌结构及其施工方法。
背景技术
护盾式掘进机法施工的隧道主要采用预制的管片衬砌，施工时，一定数量的管片衬砌块通过在掘进机内拼装成环，并采用环向螺栓连接，管片环与环之间采用纵向螺栓连接，最终形成封闭的衬砌结构。管片环一般由数块A型管片(或称标准块)、两块B型管片(或称邻接块)和一块可在最后封顶的K型管片(或称封顶块)组成，一般情况下，盾构隧道的直径越大，其管片环采用的管片块数越多。
由于受到外部围岩的约束作用，管片衬砌环的各块体之间处于紧压状态，在管片拼装成环后，其早期刚度较大，适应围岩变形的范围较小。当隧道穿越围岩大变形区域时，例如高地应力软岩大变形、膨胀性围岩大变形等，尤其在深埋软弱围岩中采用单护盾掘进机开挖拼装管片衬砌时，为减小作用在管片上的围岩压力，必须允许围岩有相对较大的变形，现有技术通过两种方式实现：一是采用掘进机(TBM)刀盘进行扩挖的方式，可扩挖量为5-10cm；二是通过管片背面与围岩之间填充的豆粒石层的压缩量来适应围岩变形，可适应的变形量为5cm左右。但是，上述技术中管片衬砌背后的允许变形量都较小，无法实现通过围岩变形释放其高地应力的目的，因而，在埋深较大的软弱围岩中，管片结构往往因压力过大而开裂变形。
专利文献CN102733852B公开了一种能适应围岩变形的混凝土管片衬砌结构的方法，通过在管片衬砌内壁向衬砌外部围岩沿径向打设锚杆，拆除部分管片，待围岩充分变形后浇筑钢筋混凝土进行封闭，该方法将封闭的管片衬砌转变为开口的管片衬砌与锚杆组合的结构，利用锚杆约束围岩变形，使组合结构与围岩达到力学平衡，进而释放地层挤压应力，使管片衬砌结构很好的适应地层挤压变形。但该混凝土管片衬砌结构的方法存在以下问题：1)打设锚杆与拆除管片工作量较大，且打设锚杆破坏管片结构的完整性；2)管片衬砌沿环向拆除长度难以确定，只能超量拆除。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种适应围岩大变形的管片衬砌结构及其施工方法，对于围岩大变形条件下的隧道管片衬砌，其管片衬砌由两部分组成，一部分为钢筋混凝土管片，另一部分为可缩式接头，衬砌环拼装一定数量该组合式衬砌块后，衬砌结构受到围岩变形挤压时，组合式衬砌块的可缩式接头内钢管被压变形，从而可缩式接头被压缩，隧道直径逐渐减小，实现管片结构对围岩大变形的适应性。
为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种适应围岩大变形的管片衬砌结构，包括：
基础管片，其采用实际工程中使用的标准块或邻接块进行尺寸改进制得；
可缩式接头，包括内侧端面板和外侧端面板，所述内侧端面板和外侧端面板构成可缩式接头的两侧端面，所述内侧端面板与所述基础管片的一侧面进行固定连接；且，
可缩式接头具有多个可压缩层，该可压缩层设有可变形的压缩构件，在围岩产生大变形时，该可缩式接头受到两侧相邻基础管片的挤压作用，迫使所述压缩构件发生压缩变形，为围岩变形提供空间，同时释放围岩应力。
进一步地，所述可压缩层包括连接板，多个所述压缩构件与连接板交替连接设置，共同形成可压缩层。
进一步地，所述压缩构件为圆形钢管压缩构件或螺旋形钢管压缩构件，其设于所述内侧端面板和外侧端面板之间；且，
所述圆形钢管压缩构件或螺旋形钢管压缩构件和所述连接板交替连接构成层叠结构，最后一层所述圆形钢管压缩构件或螺旋形钢管压缩构件直接与所述外侧端面板固定连接。
进一步地，所述压缩构件的长度方向沿盾构隧道径向布置，同一压缩层设置的若干所述压缩构件沿着所述基础管片宽度方向排列，保证所述可缩式接头沿着隧道环向被压缩，且避免可缩式接头的径向错动导致的管片结构失稳。
进一步地，所述可缩式接头的弧长不超过所代替正常管片弧长的20％，其设置的压缩层数量由该可缩式接头的弧长、所述压缩构件的直径和连接板的厚度确定。
进一步地，所述压缩构件的外径不超过20cm。
进一步地，所述基础管片采用的管片类型包括钢筋混凝土管片、钢纤维混凝土管片、钢管片、铸铁管片或复合管片。
进一步地，所述内侧端面板采用钢板，其与所述基础管片直接浇筑连接，形成管片整体；或者，
所述内侧端面板设有螺栓孔通过环向螺栓与所述基础管片连接。
进一步地，所述外侧端面板设有螺栓孔，便于通过螺栓与管片环内的相邻衬砌块连接。
按照本发明的另一个方面，提供一种所述的适应围岩大变形的管片衬砌结构的施工方法，包括如下步骤：
S1：根据“围岩-支护特征曲线”及相关参数计算隧道衬砌结构所需要的支护力与围岩变形量；
S2：计算管片背后与围岩之间填充层的可变形量及需要管片衬砌环提供的变形量；
S3：计算每个组合式衬砌块所能提供的压缩变形量以及所需要的适应围岩大变形的管片衬砌结构的数量；
S4：在围岩大变形区段，利用掘进机进行扩挖，按预定位置拼装正常管片及适应围岩大变形的管片衬砌结构，并宜使适应围岩大变形的管片衬砌结构在隧道纵向保持直线；
S5：监测管片衬砌环的变形量及稳定性；
S6：待管片环变形稳定后，采用砂浆、混凝土或钢筋混凝土填充适应围岩大变形的管片衬砌结构中可缩式接头内部的空隙，并做好防水，完成整个衬砌结构。
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，能够取得下列有益效果：
1.本发明的适应围岩大变形的管片衬砌结构，包括基础管片和可缩式接头两个部分，可缩式接头具有多个可压缩层，可压缩层设置有可变形的压缩构件，在围岩产生大变形时，可缩式接头受到两侧相邻管片的挤压作用，压缩构件发生压缩变形，为围岩变形提供了空间，释放了围岩应力，避免了隧道管片结构发生破坏。
2.本发明的适应围岩大变形的管片衬砌结构，使管片结构自身具备了变形能力，与传统应对围岩大变形的施工方法相比，避免了打设锚杆以及切割管片等破坏管片结构完整性的问题，减少了围岩大变形控制施工的工程量。
3.本发明的适应围岩大变形的管片衬砌结构，其中的基础管片可选用实际工程中使用的管片类型，基础管片尺寸可根据实际情况确定，广泛适用于不同围岩条件，可缩式接头可直接与基础管片浇筑为整体或者通过螺栓连接，降低了围岩变形控制施工的成本和复杂性。
4.本发明的适应围岩大变形的管片衬砌结构，其中压缩构件沿着管片宽度方向排列，保证可缩式接头沿着隧道环向被压缩，避免可缩式接头的径向错动可能导致的管片结构失稳，并且，优选的压缩构件截面形式具有稳定的等效抗压刚度，保证了管片环压缩变形过程中的结构安全性。
5.本发明的适应围岩大变形的管片衬砌结构的施工方法，其通过确定管片衬砌环需提供的变形量，并计算每个压缩构件所提供的压缩量，为确定组合式衬砌块的数量提供理论依据，提升了围岩变形控制施工的准确性和安全性。
6.本发明的一种适应围岩大变形的管片衬砌结构的施工方法，其在安装时采用通缝拼装，即组合式衬砌块在隧道纵向保持直线，确保相邻管片环同步压缩，可避免管片环间安装的纵向螺栓被剪断。
附图说明
附图1为本发明实施例一种适应围岩大变形的管片衬砌结构及其使用方法采用圆形截面钢管作为压缩构件的示意图；
附图2为本发明实施例一种适应围岩大变形的管片衬砌结构及其使用方法采用螺旋形截面钢管作为压缩构件的示意图；
附图3为本发明实施例圆形截面钢管压缩构件的横截面示意图；
附图4为本发明实施例螺旋形截面钢管压缩构件的横截面示意图；
附图5为本发明实施例一种适应围岩大变形的管片衬砌结构及其使用方法在盾构隧道安装示意图；
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-基础管片、2-内侧端面板、3-压缩构件、301-圆形钢管压缩构件、302-螺旋形钢管压缩构件、4-连接板、5-外侧端面版、6-可缩式接头、7-封顶块、8-邻接块、9-标准块。
具体实施方式
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。
附图1为本发明实施例一种适应围岩大变形的管片衬砌结构，采用圆形截面钢管作为压缩构件的示意图。其主要由基础管片1和可缩式接头6组成，所述基础管片1采用的管片类型包括钢筋混凝土管片、钢纤维混凝土管片、钢管片、铸铁管片、复合管片等，可选用实际工程中使用的管片类型，所述基础管片的宽度、厚度与其他隧道区间的管片一致，其弧长可根据实际情况确定。本发明提供的管片结构实现适应围岩大变形的工作机理是：围岩发生大变形时，盾构隧道管片衬砌受到围岩的挤压作用，组合式衬砌块的可缩式接头被压缩，且可缩式接头设置有多层由压缩构件排列构成的压缩层，其中的压缩构件发生压缩变形，隧道直径缩小，为围岩变形提供空间，释放了围岩应力，避免了隧道管片结构发生破坏，从而实现管片结构对围岩大变形的适应性。
可缩式接头6包括内侧端面板2、压缩构件、连接板4、外侧端面板5，所述内侧端面板2和外侧端面板5为可缩式接头6的两侧端面，所述内侧端面板2与所述基础管片1的一侧面进行固结。本发明的适应围岩大变形的管片衬砌结构，包括基础管片和可缩式接头两个部分，可缩式接头具有多个可压缩层，可压缩层设置有可变形的压缩构件，在围岩产生大变形时，可缩式接头受到两侧相邻管片的挤压作用，压缩构件发生压缩变形，为围岩变形提供了空间，释放了围岩应力，避免了隧道管片结构发生破坏。
在本发明优选的实施例中，压缩构件的长度方向沿盾构隧道径向布置，同一压缩层设置的若干所述压缩构件沿着管片宽度方向排列，保证可缩式接头6沿着隧道环向被压缩，避免可缩式接头6的径向错动可能导致的管片结构失稳，优选地，可缩式接头6的弧长不超过所代替正常管片弧长的20％，其设置的压缩层数量由可缩式接头6的弧长、所述压缩构件直径和连接板厚度确定，优选地，所述压缩构件外径不超过0.2m。并且，优选的压缩构件截面形式具有稳定的等效抗压刚度，保证了管片环压缩变形过程中的结构安全性。
所述内侧端面板2的外露面安装有沿管片宽度方向排列的若干圆形钢管压缩构件301，所述圆形钢管压缩构件301的横截面如图3所示，形成可压缩层，相邻两层压缩构件之间采用连接板4隔开，可缩式接头6的两侧端面之间为所述圆形钢管压缩构件301和连接板4交替连接的层叠结构，最后一层所述圆形钢管压缩构件301直接与所述外侧端面板5固结。本发明的适应围岩大变形的管片衬砌结构，使管片结构自身具备了变形能力，与传统应对围岩大变形的施工方法相比，避免了打设锚杆以及切割管片等破坏管片结构完整性的问题，减少了围岩大变形控制施工的工程量。
所述外侧端面板5设置有螺栓孔，便于通过螺栓与管片环内的相邻衬砌块连接。
在另一实施例中，所述压缩构件采用螺旋形钢管302如图2所示，螺旋形钢管302的横截面如图4所示。
在本发明优选的实施例中，如图5所示，基础管片1宜采用实际工程中使用的正常管片环中的标准块9或邻接块8的尺寸改进后制作，不宜采用封顶块7。
在本发明优选的实施例中，内侧端面板2采用钢板，内侧端面板2与基础管片1可直接浇筑固结，形成管片整体，优选的另一种方式，内侧端面板2设置螺栓孔通过环向螺栓与基础管片1连接。
所述内侧端面板2的外露面焊接可压缩构件，压缩构件在受到两侧管片衬砌挤压时发生压缩变形，所述压缩构件的等效抗压刚度即管片挤压力和压缩构件的压缩变形量的比值需满足衰减不宜过大。
进一步地，本发明提供的管片结构适用于围岩大变形条件下的盾构隧道，管片环安装组合式衬砌块的数量由围岩变形量、管片与围岩之间填充层的可变形量、单个组合式衬砌块的可压缩量等综合确定，且必须满足管片环发生压缩后结构受力的安全性。
在本发明优选的实施例中，在围岩大变形区域，本发明提供的管片结构在安装时采用通缝拼装，即组合式衬砌块在隧道纵向保持直线，确保相邻管片环同步压缩，可避免管片环间安装的纵向螺栓被剪断。
在围岩大变形条件下进行盾构隧道管片拼装时，可根据实际情况选择一定数量的组合式衬砌块进行拼装，管片衬砌环完成效果如图5所示。具体实施步骤如下：
1)根据“围岩-支护特征曲线”及相关参数计算所隧道衬砌结构需要的支护力与围岩变形量；
2)计算管片背后与围岩之间填充层的可变形量及需要管片衬砌环提供的变形量；
3)计算每个组合式衬砌块所能提供的压缩变形量以及所需要的组合式衬砌块的数量；
4)在围岩大变形区段，利用掘进机进行扩挖，按预定位置拼装正常管片及组合式衬砌块，并宜使组合式衬砌块在隧道纵向保持直线；
5)监测管片衬砌环的变形量及稳定性；
6)待管片环变形稳定后，采用砂浆、混凝土或钢筋混凝土填充组合式衬砌块中可缩式接头内部的空隙，并做好防水，完成整个衬砌结构。
其中，单个可缩式接头变形量计算方法如下：实施例中可缩式接头设置3层钢管作为压缩构件，假设所有钢管的直径、壁厚、材料均相同，钢管的内径为d，则可适应围岩径向变形量的最大值为：3d/2π，管片衬砌环提供的变形量为多个可缩式接头变形量的总和。
本发明的适应围岩大变形的管片衬砌结构施工方法，其通过确定管片衬砌环需提供的变形量，并计算每个压缩构件所提供的压缩量，为确定组合式衬砌块的数量提供理论依据，提升了围岩变形控制施工的准确性和安全性。
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，并不用于限制本发明，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。
Claims (10)
1.一种适应围岩大变形的管片衬砌结构，其特征在于，包括：
基础管片(1)；
可缩式接头(6)，包括内侧端面板(2)和外侧端面板(5)，所述内侧端面板(2)和外侧端面板(5)构成可缩式接头(6)的两侧端面，所述内侧端面板(2)与所述基础管片(1)的一侧面进行固定连接；且，
可缩式接头(6)具有多个可压缩层，该可压缩层设有可变形的压缩构件(3)，在围岩产生大变形时，该可缩式接头(6)受到两侧相邻基础管片(1)的挤压作用，迫使所述压缩构件(3)发生压缩变形，为围岩变形提供空间，同时释放围岩应力。
2.根据权利要求1所述的一种适应围岩大变形的管片衬砌结构，其特征在于，所述可压缩层包括连接板(4)，多个所述压缩构件(3)与连接板(4)交替连接设置，共同形成可压缩层。
3.根据权利要求1或2所述的一种适应围岩大变形的管片衬砌结构，其特征在于，所述压缩构件(3)为圆形钢管压缩构件(301)或螺旋形钢管压缩构件(302)，其设于所述内侧端面板(2)和外侧端面板(5)之间；且，
所述圆形钢管压缩构件(301)或螺旋形钢管压缩构件(302)和所述连接板(4)交替连接构成层叠结构，最后一层所述圆形钢管压缩构件(301)或螺旋形钢管压缩构件(302)直接与所述外侧端面板(5)固定连接。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种适应围岩大变形的管片衬砌结构，其特征在于，所述压缩构件(3)的长度方向沿盾构隧道径向布置，同一压缩层设置的若干所述压缩构件(3)沿着所述基础管片(1)宽度方向排列，保证所述可缩式接头(6)沿着隧道环向被压缩，且避免可缩式接头(6)的径向错动导致的管片结构失稳。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种适应围岩大变形的管片衬砌结构，其特征在于，所述可缩式接头(6)的弧长不超过所代替正常管片弧长的20％，其设置的压缩层数量由该可缩式接头(6)的弧长、所述压缩构件(3)的直径和连接板(4)的厚度确定。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种适应围岩大变形的管片衬砌结构，其特征在于，所述压缩构件(3)的外径不超过20cm。
7.根据权利要求1所述的一种适应围岩大变形的管片衬砌结构，其特征在于，所述基础管片(1)采用的管片类型包括钢筋混凝土管片、钢纤维混凝土管片、钢管片、铸铁管片或复合管片。
8.根据权利要求1所述的一种适应围岩大变形的管片衬砌结构，其特征在于，所述内侧端面板(2)采用钢板，其与所述基础管片(1)直接浇筑连接，形成管片整体；或者，
所述内侧端面板(2)设有螺栓孔通过环向螺栓与所述基础管片(1)连接。
9.根据权利要求1所述的一种适应围岩大变形的管片衬砌结构，其特征在于，所述外侧端面板(5)设有螺栓孔，便于通过螺栓与管片环内的相邻衬砌块连接。
10.一种如权利要求1-9中任一项所述的适应围岩大变形的管片衬砌结构的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：根据“围岩-支护特征曲线”及相关参数计算隧道衬砌结构所需要的支护力与围岩变形量；
S2：计算管片背后与围岩之间填充层的可变形量及需要管片衬砌环提供的变形量；
S3：计算每个组合式衬砌块所能提供的压缩变形量以及所需要的适应围岩大变形的管片衬砌结构的数量；
S4：在围岩大变形区段，利用掘进机进行扩挖，按预定位置拼装正常管片及适应围岩大变形的管片衬砌结构，并宜使适应围岩大变形的管片衬砌结构在隧道纵向保持直线；
S5：监测管片衬砌环的变形量及稳定性；
S6：待管片环变形稳定后，采用砂浆、混凝土或钢筋混凝土填充适应围岩大变形的管片衬砌结构中可缩式接头(6)内部的空隙，并做好防水，完成整个衬砌结构。
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