[发明专利]一种零弯矩盾构隧道横断面的设计计算方法

说明书

本发明公开了一种零弯矩盾构隧道横断面的设计计算方法，该方法根据盾构隧道所处的地层条件，分析盾构隧道顶部的总体埋深情况、周围的水土力学特性、地下水位情况等，综合分析后确定盾构隧道的设计水土压力模式，在此基础上设计出盾构隧道横断面的合理轴线及其关键参数，其横断面呈“上小、下大”的鸡蛋型构造，在设计水土压力作用下，其横断面理论弯矩为零。本发明的优点是，该设计计算方法简便易操作，所设计出的零弯矩盾构隧道相较于传统盾构隧道而言，可在基本不增加工程造价的情况下，最大限度地减小盾构隧道的弯矩，从而减小盾构隧道的横断面变形以及管片纵缝接头的张开变形，防止管片纵缝接头破损与渗漏水，并减少管片内钢筋使用量。

技术领域

本发明属于地下空间工程技术领域，具体涉及一种零弯矩盾构隧道横断面的设计计算方法。

背景技术

如图1所示，现有的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，或提高施工效率，也有采用其它截面形式的盾构隧道，如横椭圆形、矩形、类矩形（宁波地铁三号线采用）、半圆形、马蹄形、双圆形、三圆形等。作为地下结构的盾构隧道承受的主要荷载为土压力，通常情况下，隧道承受的竖向土压力要大于水平土压力，从而导致盾构隧道发生横椭圆变形。如地铁设计规范规定，盾构隧道施工验收时最大的椭圆度变形为5D‰，D为隧道的直径，然而，对于某些地层条件，根本无法达到该规范要求。此外，软土地层的水平地层抗力系数小，隧道变形过程其水平土压力增量非常有限，因此，软土地区盾构隧道更容易发生横椭圆变形超限。如在上海、南京、杭州、宁波、天津、佛山等城市的地铁区间盾构隧道，均已大量出现了横椭圆变形过大。

从平面应变角度来看，盾构隧道可视为曲梁结构，且曲梁的长度远大于曲梁的高度，由结构力学可知，梁结构发生变形主要由弯矩所致。研究表明，盾构隧道发生横断面变形，绝大部分是由于管片纵缝接头转动所导致的（其它部分是由管片弯曲所致）。盾构隧道的横断面在弯矩作用下，管片纵缝接头位置易发生管片棱角破损，管片纵缝接头张开导致防水密封垫之间压应力减小，甚至防水密封垫之间完全张开，由此导致接头防水失效。此外，在弯矩作用下，管片纵缝接头连接螺栓受拉，当弯矩过大时将导致连接螺栓的螺纹发生塑性变形，从而导致管片纵缝接头破损。由此可见，管片纵缝接头的病害绝大部分是由盾构隧道横断面的弯矩所导致。为了减小管片纵缝接头所承受的弯矩，有本领域技术人员建议管片环分块时尽量将管片纵缝接头设计在弯矩较小的位置，最理想状态是纵缝接头位置的弯矩为0。但实际中不可能将所有的管片纵缝接头均设置在弯矩为0的位置，且为了施工的可操作性，隧道环向必须要有一定管片分块数量。

因此，若能设计出一种盾构隧道横断面形式，使盾构隧道在承受地层压力作用下，隧道横断面任一截面的弯矩均为0（即为“零弯矩盾构隧道”），上述问题可迎刃而解，也可以大大地减少管片配筋。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种零弯矩盾构隧道横断面的设计计算方法，该设计计算方法通过使盾构隧道的横断面呈“上小、下大”的鸡蛋型构造，以最大限度地减小盾构隧道横断面的弯矩，从而减小盾构隧道的横断面变形。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种零弯矩盾构隧道横断面的设计计算方法，其特征在于所述设计计算方法使所述盾构隧道的横断面呈“上小、下大”的鸡蛋型构造，以在设计水土压力的作用下，所述盾构隧道的横断面理论弯矩为零。

所述设计计算方法包括如下步骤：

（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a的值；根据整条所述盾构隧道中具有代表性隧道地层条件下的水土压力模式，计算所述盾构隧道的横断面参数，所述横断面参数包括所述盾构隧道横断面轴线表达式、横断面轴线的中心水平直径b以及横断面轴线的最大水平直径c；