[发明专利]一种功能梯度盾构隧道衬砌结构及制备方法

说明书

一种功能梯度盾构隧道衬砌结构及其制备方法，该衬砌结构中心对称，沿径向分为内外两层同轴等厚度圆环，沿环向等角度分为8块大扇形区域，整个盾构隧道衬砌结构被划分为中心对称的16块小扇形区域；根据衬砌结构内部弹性模量分布情况，在16块小扇形区域内按编号Ⅰ‑Ⅳ沿环形对应方式填充不同强度的普通混凝土，整个衬砌结构的混凝土弹性模量沿径向内侧圆环小于外侧圆环，使沿环向自衬砌结构顶部和底部两侧区域向中间区域的弹性模量逐渐增大。通过不同区域混凝土弹性模量改变，使衬砌结构内部应力重分布，减少应力集中现象，充分利用混凝土的强度，提高了衬砌结构的承载能力，降低部分区域使用的混凝土强度等级，从而降低了衬砌结构的成本。

技术领域

本发明涉及一种功能梯度隧道衬砌结构及制备方法，尤其是一种适用于深部地铁隧道建设中承载高地压、高水压的功能梯度盾构隧道衬砌结构及制备方法。

背景技术

随着地铁隧道的埋深变深，深部地下的岩土压力以及复杂的水文地质环境对地铁隧道的抗压能力和防水性能提出了更高的要求，尤其是衬砌结构承受的水土压力加大，增加了传统的盾构隧道管片衬砌结构壁厚和防水困难。

传统的隧道均质衬砌结构在各处无差别的使用同种材料，并没有考虑到实际情况下隧道衬砌结构不同部位所受围岩应力大小方式各异，加之隧道衬砌成本一般在地铁隧道施工成本中占比超过30％，若在深部地下仅仅通过增加衬砌结构厚度和材料强度，以目前的施工情况来看将会造成不必要的浪费，施工成本将会大大增加。

功能梯度材料是指材料的组成、结构、孔隙率等要素沿厚度方向由一侧向另一侧连续变化，使材料的物理、化学等性能沿着厚度方向发生连续变化，可以适应不同环境，具有特殊功能的新型复合材料。它是由日本学者新野正之等人为实现航天设备在巨大温差作用下取得热应力缓和效果而提出的。近些年来，在土木工程领域也较为热门，尤其是在立井井壁中研究较多，在地铁盾构隧道衬砌中研究较少。

目前，功能梯度盾构管片和立井井壁研究中，主要是沿某一方向混凝土管片材料特性的梯度改变，而对于两个方向的功能特性的梯度改变的研究几乎没有先例，并且已有的单一方向的材料特性的梯度变化大多都是沿着圆环径向方向进行的。如专利号：CN202010815417.9公开的“一种多层功能梯度立井井壁结构及施工工艺”、专利号：CN202010181862.4公开的“一种功能梯度混凝土复合井壁及制作方法”、专利号：CN200610019656.3公开的“一种功能梯度盾构管片及其制备方法”以及专利号：202011161493.9公开的“弹性模量环向梯度变化的功能梯度井壁结构及施工方法”。此类功能梯度结构和制备工艺仅仅解决了径向方向混凝土材料特性的梯度变化的问题，但是没有实现管片环向方向上混凝土材料特性的梯度改变以及多方向材料特性的梯度改变。

发明内容

技术问题：本发明的目的是要克服现有技术中的不足之处，提供一种弹性模量在环向和径向上梯度改变的功能梯度盾构隧道衬砌结构及制备方法，在非均匀围压条件下结构合理、承载能力高、能有效减少应力集中。

技术方案：本发明的一种功能梯度盾构隧道衬砌结构，该衬砌结构中心对称，沿径向分为内外两层同轴等厚度圆环，利用模具按设计尺寸要求将衬砌结构沿径向分为内外两层同轴等厚度圆环，沿环向等角度分为8块大扇形区域，整个盾构隧道衬砌结构总共被划分为中心对称的16块小扇形区域；依据衬砌外围所受不均匀围压特征，确定出衬砌结构内部弹性模量分布，根据衬砌结构内部弹性模量分布情况在16块小扇形区域内按编号Ⅰ-Ⅳ沿环形对应方式填充不同强度的普通混凝土，编号越大区域所对应的混凝土强度越高，弹性模量越大，各区域混凝土强度大小为Ⅰ＜Ⅱ＜Ⅲ＜Ⅳ，以此形成弹性模量梯度变化的隧道盾构衬砌结构，整个衬砌结构的混凝土弹性模量沿径向内侧圆环小于外侧圆环，从而使沿环向自衬砌结构顶部和底部两侧区域向中间区域的弹性模量逐渐增大。

所述的模具包括外侧圆形钢模板、中间圆形钢模板、内侧圆形钢模板和径向钢模板，中间圆形钢模板位于外侧圆形钢模板和内侧圆形钢模板之间，径向钢模板为16块。