[发明专利]确定盾构隧道衬砌环间接缝抵抗错台与张开变形能力方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种建筑工程技术领域的方法，具体是一种确定盾构隧道衬砌环间接缝抵抗剪切与张开变形能力方法。

背景技术

随着我国经济的飞速发展、城市化进程的不断加快，许多城市人口急剧膨胀、地面交通拥挤等问题日益凸显。城市轨道交通由于具有运输能力大、方便快捷、对周围环境影响小等优点成为大中城市非常重要的交通设施之一。软土地层中地铁隧道常采用盾构法施工，其衬砌是由混凝土管片拼装并通过螺栓连接而成。盾构隧道的结构形式使得管片之间存在大量的接缝，为了防止地下水流入隧道，管片之间常采用弹性密封垫止水。密封垫一般是由多孔型三元乙丙(EPDM)橡胶和遇水膨胀橡胶复合而成并嵌入混凝土管片，其止水能力是通过管片间的连接螺栓的紧固力达到。在地铁隧道长期运营过程中，由于邻近施工扰动、列车振动荷载、区域地面沉降、下卧土软硬不均等原因，隧道极易产生不均匀沉降及纵向变形。王如路于2009在《地下工程与隧道》发表的《上海软土地铁隧道变形影响因素及变形特征分析》中指出，隧道的变形是以环间错台和环缝张开为表现形式，这种错台和张开的变形形式会使环间弹性密封垫压力和接触面积减小，造成防水能力的削弱。因此，在盾构隧道防水设计之初，有必要考虑隧道长期使用中纵向变形的影响，而如何确定隧道变形中环缝张开量和环间错台量、评价隧道环间接缝抵抗错台与张开变形性能则是防水设计首先要解决的问题。

经对现有技术文献检索发现，以往对盾构隧道沉降和环间变形的研究主要以志波由紀夫的纵向等效化连续模型为基础。该模型是由日本的志波由紀夫等于1988年在《土木學會論文集》(日本土木工程学会学报)发表的《シールドトンネルの耐震解析にる長手方向覆工剛性の評價法》中提出。它将隧道视为均质圆环，将接头和管片视为具有相同刚度和结构特性的均匀连续梁，其变形是以欧拉-伯努利梁为基础，即认为隧道变形是纯弯作用下的挠曲变形，管片环进行刚体旋转并始终与中性轴垂直。该模型并未考虑剪切作用下引起的错台变形，也无法计算环间错台量，同时过分夸大了环缝张开量。郑永来等于2005在《岩石力学与工程学报》发表的《软土地铁隧道纵向不均匀沉降导致的管片接头环缝开裂研究》、周宁等于2009在《同济大学学报》发表的《越江盾构隧道纵向变形曲率与管环渗漏的关系》，以及叶耀东于2007发表的博士学位论文《软土地区运营地铁盾构隧道结构变形及健康诊断方法研究》均采用了志波由紀夫的纵向等效化连续模型对隧道环缝张开量和密封垫止水控制标准进行了分析。由于模型自身的局限性，现有的技术文献尚不能准确确定隧道的环间变形量。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种确定盾构隧道衬砌环间接缝抵抗错台与张开变形能力方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：本发明在获取盾构隧道设计信息基础上，采用考虑剪切错台变形的铁木辛柯梁模型确定隧道纵向等效弯曲刚度、等效剪切刚度。利用水准仪监测隧道结构沉降量并用高斯曲线对其进行拟合确定隧道沉降曲线方程。通过铁木辛柯梁模型及拟合沉降曲线方程确定隧道衬砌环的旋转角方程，并在此基础上确定环缝张开量和环间错台量，从而确定隧道衬砌环间接缝抵抗错台与张开变形的能力。

所述方法具体包括以下步骤：

第一步，获取盾构隧道设计信息，至少包括隧道衬砌、混凝土管片及环间螺栓等的设计信息。

所述的隧道衬砌信息是指：隧道衬砌内、外径、衬砌厚度、衬砌环宽。

所述的混凝土管片信息是指：混凝土管片弹性模量及剪切模量。

所述的环间螺栓信息是指：螺栓型号、螺栓长度及横截面积、螺栓弹性模量及剪切模量。

第二步，结合隧道设计信息确定铁木辛柯梁隧道模型的纵向等效弯曲刚度和纵向等效剪切刚度。

所述的纵向等效弯曲刚度满足以下公式：