专利名称：一种隧道仿生加固桥的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种隧道工程的结构件，特别是涉及对盾构隧道纵向增加刚性的一种 加固件结构。
背景技术：
目前，控制软土隧道长期运营产生过大变形问题是世界级的难题。为防止隧道大 变形及附带次生灾害的威胁以保障安全运营，各国都采取了积极措施，日本采取的是现场 浇注钢筋混凝土的双层衬砌环，荷兰采用的是短桩基础单层衬砌环，德国则采用了盾构法 和单层拼装式，上海作为国内第一家软土地铁隧道施工单位采用的是德国模式并且通缝拼 接。以上海隧道为例，工程开工前预计最大振陷量小于5mm，实际运营5年后最大累计沉降 量早已超过200mm，去除同期地表沉降量IOOmm左右实际振陷也超过预计量几十倍，年度最 大差异沉降量可达30mm。更危险的是这纵向不均勻沉降至今尚无平缓趋势，而由此引发的 环片开裂和接缝渗流又再度加剧了沉降。情况十分严峻，维护和加固任务紧迫。针对运营 隧道的加固和新隧道的设计有院士发文章呼吁各行专家和全社会关注该问题。研究表明提高软土盾构隧道的纵向刚度可以有效地抵抗变形和沉降，这是目前广 大学者的共识。控制软土隧道大变形问题衍生了隧道纵向设计的理念和方法，颇具代表性 的有日本的村上智博等提出的，串联的梁-弹簧模型运用到隧道的纵向结构设计；还有志 波由纪夫和川岛一彦等提出的弹性地基上等效轴向刚度模型。这两种线弹性纵向设计模型 是目前国内外应用研究的理论依据。如何提高软土单层新老隧道的纵向刚度呢，国内的学者有倡导高性能材料、隧道 外围加固和采用错缝拼装等，近几年刚刚投入运营的广州和南京地铁就较上海地铁改进成 错缝拼接，这种错缝对隧道横向刚度增加更有利。依据长期在地铁监管第一线的丰厚经验， 有文献指出隧道不均勻沉降的曲线不是每节环片发生相对转角位移构成扇形弯曲变形，是 环片间错台形成的，亦即环片间发生了相对平移构成的弯曲变形。并倡导设计有凸凹台边 缘的环片连接，可以把每环的错台量控制在安全值4-8mm范围内。但是当每环错台量超过 8mm时隧道的纵向刚度将发生骤然降低的灾变。这一利用“凸凹台边缘”增加纵向刚度是国 内的最新论点，主动控制方案对于新隧道设计是可以尝试的，对于上海大量的运营隧道是 不可行的。现有技术的盾构法隧道是由钢筋混凝土预制的大量管片拼装连接而成的，每一环 隧道一般由六块管片拼装而成，分别是顶部一块顶块，左右两块邻接块，再依次是两块标准 块和一块拱底块，对形的圆心角上、下分别为16度和84度，两侧的四块各65度。管片的厚 度为350mm，在盾构拼装过程中有通缝和错缝之分，后者相互错位提高了一些强度和刚性。上海软土隧道纵向不均勻沉降无稳定趋势问题，不仅加大了运营隧道的维护成 本，也一直是隧道安全运营的重大隐患，时刻困扰着各方面学者，包括著名院士等权威人士 都在文章中呼吁“积极开展与地铁保护有关的科研”。开放性的沉降量问题每况愈下长此下 去一旦发生灾害后果不堪设想，我们不能总是“奋勇救灾”，应该在防灾减灾上多做文章做足文章，以体现上海国际大都市的文明和“让生活更美好”的实质。一样的震灾曾经袭击了 海地和新西兰，造成两样的结果，后者大震下零死亡率的经验非常值得我们学习借鉴。用于 防灾减灾的经费和时间再多也远远低于“奋勇救灾”的投入，所收到的社会效果更是无法比 拟。如何进一步提高软土单层新老隧道的纵向刚度，特别是能应用于老隧道中的加固技术 是摆在本领域技术人员面前严峻的课题。
发明内容
本发明的目的是针对软土中隧道和管道的纵向不均勻沉降问题提出一种既能用 于新建筑的地铁隧道中，又能对老隧道进行改造、提高刚性和强度的一种仿生技术的隧道 加固结构，本发明的目的由如下技术方案实现。一种隧道仿生加固桥，在管片拼接的盾构隧道内，其特征在于所述隧道仿生加固 桥由多节变截面拱形单元体——仿生加固拱前后相接串联而成；单个仿生加固拱外壁为与隧道内壁贴合的圆形，顶部是顶板，顶板的纵向一端伸 出锲头，另一端凹入与锲头相应形状尺寸的凹槽或凹孔，顶板的环向两侧，分别延伸出支撑 立柱，直至盾构隧道内的底板上，或者盾构隧道内底部的左右两根三角形纵肋上；多节仿生加固拱各自的锲头插入、镶嵌在相邻仿生加固拱的凹槽或凹孔内，构成 一条纵向仿生加固桥架构，由混凝土预制，支撑、固定在管片拼接的盾构隧道内；每节仿生加固拱的纵向长度等于盾构隧道每一环的长度，每节仿生加固拱的对称 轴与两节盾构隧道环缝对齐。采用本技术方案，多节仿生加固拱各自的锲头，前后相衔插入、镶嵌在相邻仿生加 固拱的凹槽/孔内，构成一条纵向仿生加固桥架构，由混凝土预制，支撑、固定在管片拼接 的盾构隧道内，浑然像一生物的“蛇脊柱”和“蛇肋骨”，最巧妙、合理地支撑架构在盾构隧道 内，提供最强、最科学的支撑、巩固力。“每节隧道仿生加固桥设置在两节盾构隧道环之间”， 也即设置在两节盾构隧道环的接缝处，能针对性地支撑、加固薄弱环节，起到更好作用。进一步，所述顶板呈曲面矩形，环向宽度大于盾构隧道的顶块宽度。进一步，所述顶板呈曲面矩形，两侧以上大下小的倒梯形曲面结构连接至下部的 支撑立柱。再进一步，所述倒梯形曲面连接等截面的支撑立柱。再进一步，所述支撑立柱的底端适当加宽或呈上小下大梯形支柱底脚。进一步，所述支撑立柱横截面呈流线型，靠在隧道的一侧为直线与隧道内壁贴合， 面向隧道内的曲面为机翼上表面曲线，沿隧道内壁由上至下平移而成。进一步，所述锲头和凹槽或凹孔的纵向长度等于0. 25-0. 10顶板的纵向长度。进一步，所述顶板的厚度为350士20mm。进一步，所述顶板为双层结构，外层与盾构隧道的顶块合为一体，内层的宽度大于 顶块的宽度。再进一步，所述顶板或顶板内层的宽度大于盾构隧道顶块的宽度圆心角3-6度。软土中的隧道和豆腐中的泥鳅相似，依托在软介质中无法抗拒大变形，但是在一 定范围内增加纵向刚度是可以减小变形亦即控制纵向不均勻沉降的。由外形上看隧道似 蛇，一节节的衬砌环连接成长长的隧道，隧道内如同蛇腹，增加纵向刚度只需合理安排“蛇脊柱”和“蛇肋骨”的位置，在盾构开挖的圆截面隧道中顶部和两侧的空间是可以利用的，设 计的“蛇脊”与衬砌环等长不等宽，但在施工中将它在环向和纵向均错缝连接，“蛇肋骨”沿 着环缝而下，外形似动物腿骨——即变截面曲柱。这就是由不等截面异型曲柱构成的仿生 隧道。本发明为现代仿生结构，不同于前人的简单几何模拟，异型拱构成隧道仿生加固 桥是根据软土地区运营隧道整体状态，以提升隧道纵向刚度，控制渗流和振陷为目标，使其 既适用于旧隧道的改造加固又适应新隧道设计。最大标度在隧道空间内，最小标度为列车 通空间外，仿生分形设计将在这部分空间紧贴隧道进行。形状上在鱼骨、树冠、腿骨或鸭蹼 等的生物结构综合体；功能上具备抵抗纵横向变形的能力和增加顶部水平直径处强度储备 水平，为抵抗纵向不均勻沉降，以及防灾减灾的作用。进一步还可以开发有导引小量水流去 合理地方的作用，排除渗流与沉降的不良循环。仿生异型曲柱结构或者叫做“仿生变截面曲柱结构”。其中，“仿生结构”是指整个 结构是根据仿生原理设计的柱群，在圆形的隧道中它们组成了如同蛇腹骨类似的结构，“异 型”柱是指本发明柱子横截面尺寸是变化的，其外形与动物腿骨类似，“曲柱”是指这根异型 柱的轴线是曲线，即不是直柱。本发明的优点和优越性在全社会大力倡导环保节能的今天仿生结构应运而生。 由自然规律优胜劣汰的生物结构纷繁多样，形态万千，但统一的是它们无一不满足最小能 量原理。基于仿生学的建筑结构设计的特征是内在是荷载传递流畅和外表有简捷精美的 天人合一组合。以此设计的隧道以最经济最节能的成本，获取最佳控制纵向变形和渗流问 题的效果，并且可以把隧道现存纵向柔弱、大变形造成接缝开裂、沉降不收敛和渗流这些重 大问题一并控制在安全范围内。本发明一个重要的特点是既可应用于运营隧道的加固维护也可以引用到新隧道 的设计中。该方案能提升隧道的纵横向刚度以及隧道顶部和隧道水平直径处的强度，能够 有效地克服软土中隧道的纵向不均勻沉降问题，削弱或消除由此引发的一系列次生灾害问 题，减少隧道安全运营的成本。对于本发明的结构无论是房屋还是隧道在实际应用技术中都不曾有这种结构，填 补了国内外在此领域的空白。
图1是现有技术盾构法隧道通缝结构的立体结构图，由管片拼装而成，每一环隧 道由六块管片拼装，分别是顶部一块顶块，左右两块邻接块，两块标准块和一块拱底块的示 意图；图2是现有技术盾构法隧道错缝结构的立体结构示意图；图3是本发明隧道仿生加固桥的一种实施方式，由多节仿生加固拱相互前后插接 构成一条隧道纵向仿生加固桥的立面示意图；图4是本发明图3 —条隧道仿生加固桥贴合加固在现有技术盾构法隧道错缝结构 内的立体结构示意图；图5是本发明隧道仿生加固桥的一种实施方式，由仿生加固桥贴合加固在现有技 术盾构法隧道内的横截面示意图，并显示左右两支撑立柱抵在盾构隧道底部的两个三角形纵肋上；图6是图5中顶板为双层结构，外层与盾构隧道的顶块合为一体的结构示意图，用 于新建隧道时使用；图7是本发明隧道仿生加固桥的一种实施方式，单个仿生加固拱的立体示意图；图8是本发明隧道仿生加固桥的一种实施方式，仿生加固拱的立体示意图，其中 顶板为外层与盾构隧道的顶块合为一体的结构示意图；图9是本发明隧道仿生加固桥的一种实施方式，仿生加固拱的平面展开示意图；图10是本发明支撑立柱的一种实施方式横截面造型的示意图，左侧为迎合地铁 开来的方向，右侧为地铁驶离的方向；图11是本发明隧道仿生加固桥的一种实施方式，仿生加固拱的顶板为双层结构， 外层与盾构隧道的顶块合为一体，顶板(5)的纵向一端伸出锲头，另一端凹入与锲头相应 形状尺寸凹孔的立体结构示意图，用于新建隧道时使用；图12是图11的横截面，包括隧道截面的结构示意。图中，1是支柱底脚、2是支撑立柱、3是倒梯形曲面、4是锲头、5是顶板、6是凹槽 或凹孔、7是仿生加固拱的对称轴。
具体实施例方式以下结合附图进一步说明本发明的详细内容。一种隧道仿生加固桥，在管片拼接的盾构隧道内，所述隧道仿生加固桥由多节变 截面拱形单元体——仿生加固拱前后相接串联而成；单个仿生加固拱外壁为与隧道内壁贴 合的圆形，顶部是顶板5，顶板5的纵向一端伸出锲头4，另一端凹入与锲头4相应形状尺寸 的凹槽或凹孔6，顶板5的环向两侧，分别延伸出支撑立柱2，直至盾构隧道内的底板上，或 者盾构隧道内底部的左右两根三角形纵肋上；多节仿生加固拱各自的锲头4插入、镶嵌在 相邻仿生加固拱的凹槽或凹孔6内，构成一条纵向仿生加固桥架构，由混凝土预制，支撑、 固定在管片拼接的盾构隧道内；每节仿生加固拱的纵向长度等于盾构隧道每一环的长度， 每节仿生加固拱的对称轴7与两节盾构隧道环缝对齐。所述顶板5呈曲面矩形，环向宽度大于盾构隧道的顶块宽度。由此，可以重点照 顾、支撑到盾构隧道顶部的顶块部件两侧两条关键缝的结合处。所述顶板5呈曲面矩形，两侧以上大下小的倒梯形曲面3结构连接至下部的支撑 立柱2。仿生特征，防止由矩形的顶板5突然变细的支撑立柱2，应力集中会成为薄弱环节， 采用倒梯形曲面3逐渐变细，消除了应力集中的隐患。所述倒梯形曲面3连接等截面的支撑立柱2。支撑立柱2可采用等截面结构。所述支撑立柱2的底端适当加宽或呈上小下大梯形支柱底脚1。有利着重加固底 脚受力情况。所述支撑立柱2横截面呈流线型，靠在隧道的一侧为直线与隧道内壁贴合，面向 隧道内的曲面为机翼上表面曲线，沿隧道内壁由上至下平移而成。所述支撑立柱2横截面 呈流线型，如果是直角锐角，当地铁运行时容易产生哨叫噪音，带来不利影响，而采用本技 术方案，吻合流体力学的特性，避免和降低噪音。另外，两侧呈斜线与弧线的连线，与地铁相 向的一面与隧道管壁的夹角大于另一侧夹角，避免在地铁驶离方向对应的一侧产生空气涡流。所述锲头4和凹槽或凹孔6的纵向长度等于0. 25-0. 10顶板5的纵向长度。一般 选用小于0. 25为宜，过长，制作、运输麻烦，还易降低锲头4的强度，没有必要。楔头4的尺 寸要适度小于凹槽，以便安装时安放橡胶减振垫。所述顶板5的厚度为350士20mm。与外侧的盾构隧道管片一样厚度，经计算和测 试，强度足够，也方便相同尺寸的装配施工。所述顶板5为双层结构，外层与盾构隧道的顶块合为一体，内层的宽度大于顶块 的宽度。本发明独特的优点是，既可以在现有，已使用中的隧道中施工加固，也可以在新建 的隧道中使用，此时，采用本方案，上下层合为一体，强度、刚性会更加增大。所述顶板5或顶板5内层的宽度大于盾构隧道顶块的宽度圆心角3-6度。此处所 述“圆心角”是指在该隧道仿生加固桥的横截面，也即外壁形成圆的圆心角，本技术方案所 述圆心角过大，消耗材料，降低性价比，多占用空间没必要，圆心角过小，不安全，降低支撑、 振动、沉降引起的可靠度。本发明人开发的一种加固盾构隧道纵向刚性、强度的结构件。通过大量的理论分 析、实验研究和现场勘察，提高隧道纵向刚度为目标，科学地选取了仿生结构形式，进而通 过最小能量原理的力学原理、anasys模拟计算和动力学修改所得的，仿生隧道基本不改变 原来的施工方案。“像大自然那样去建筑点什么”，这是著名西班牙建筑师安东尼.高迪的一向主张。 仿生结构在他的建筑中比比皆是，其中用于屋脊的等截面仿生拱柱群只是基于原始的仿生 原理，即只是形相似没有经过力学理论计算分析、严格验证和动力修改。并且受当时的建筑 材料和施工技术限制它只是等截面砖拱系结构。本发明认识到隧道与屋脊不同的是所有结 构都必须服从流体力学原理，以减少空气阻力和降低噪声，受盾构开挖及现有隧道限制仿 生隧道必须圆弧拱，还应该受最小能量原理限制，满足现代施工工艺的仿生异型拱系结构， 为此，本发明交出了一份较巧妙、合理、给力、满意的隧道工程答卷。
权利要求
1.一种隧道仿生加固桥，在管片拼接的盾构隧道内，其特征在于所述隧道仿生加固 桥由多节变截面拱形单元体一仿生加固拱前后相接串联而成；单个仿生加固拱外壁为与隧道内壁贴合的圆形，顶部是顶板(5)，顶板(5)的纵向一端 伸出锲头G)，另一端凹入与锲头⑷相应形状尺寸的凹槽或凹孔(6)，顶板(5)的环向两 侧，分别延伸出支撑立柱O)，直至盾构隧道内的底板上，或者盾构隧道内底部的左右两根 三角形纵肋上；多节仿生加固拱各自的锲头(4)插入、镶嵌在相邻仿生加固拱的凹槽或凹孔(6)内，构 成一条纵向仿生加固桥架构，由混凝土预制，支撑、固定在管片拼接的盾构隧道内；每节仿生加固拱的纵向长度等于盾构隧道每一环的长度，每节仿生加固拱的对称轴 (7)与两节盾构隧道环缝对齐。
2.根据权利要求1所述盾构隧道仿生加固拱，其特征在于所述顶板(5)呈曲面矩形，环 向宽度大于盾构隧道的顶块宽度。
3.根据权利要求1所述隧道仿生加固桥，其特征在于所述顶板(5)呈曲面矩形，两侧以 上大下小的倒梯形曲面(3)结构连接至下部的支撑立柱O)。
4.根据权利要求3所述隧道仿生加固桥，其特征在于所述倒梯形曲面C3)连接等截面 的支撑立柱⑵。
5.根据权利要求1或3所述隧道仿生加固桥，其特征在于所述支撑立柱O)的底端适 当加宽或呈上小下大梯形支柱底脚(1)。
6.根据权利要求1所述隧道仿生加固桥，其特征在于所述支撑立柱(2)横截面呈流线 型，靠在隧道的一侧为直线与隧道内壁贴合，面向隧道内的曲面为机翼上表面曲线，沿隧道 内壁由上至下平移而成。
7.根据权利要求1所述隧道仿生加固桥，其特征在于所述锲头(4)和凹槽或凹孔(6) 的纵向长度等于0. 25-0. 10顶板(5)的纵向长度。
8.根据权利要求1所述隧道仿生加固桥，其特征在于所述顶板(5)的厚度为 350±20mmo
9.根据权利要求1所述隧道仿生加固桥，其特征在于所述顶板(5)为双层结构，外层与 盾构隧道的顶块合为一体，内层的宽度大于顶块的宽度。
10.根据权利要求2或9所述隧道仿生加固桥，其特征在于所述顶板( 或顶板(5)内 层的宽度大于盾构隧道顶块的宽度圆心角3-6度。
全文摘要
本发明涉及一种隧道工程的结构件，一种隧道仿生加固桥，在管片拼接的盾构隧道内，隧道仿生加固桥由多节变截面拱形单元体——仿生加固拱前后相接串联而成；仿生加固拱外壁为与隧道内壁贴合的圆形，顶部是顶板(5)，顶板纵向一端伸出锲头(4)，另一端凹入与锲头(4)相应形状尺寸的凹槽或凹孔(6)，环向两侧分别延伸出支撑立柱(2)，多节仿生加固拱各自的锲头(4)插入相邻仿生加固拱的凹槽或凹孔(6)内构成一条纵向仿生加固桥架构，由混凝土预制，支撑、固定在管片拼接的盾构隧道内；每节仿生加固拱的纵向长度等于盾构隧道每一环的长度，本发明既可应用于运营隧道的加固维护也可以引用到新隧道的设计中，提升隧道的纵向和横向刚度以及隧道顶部和隧道水平直径处的强度。
文档编号E21D11/08GK102140920SQ20111003555
公开日2011年8月3日 申请日期2011年2月10日 优先权日2011年2月10日
发明者张燕, 徐金俊 申请人:上海师范大学