专利名称：负覆土工况下盾构隧道抗浮压重的方法
技术领域：
本发明涉及一种隧道工程技术领域的施工方法，具体地，涉及一种负覆土工况下盾构隧道抗浮压重的方法。
背景技术：
随着城市发展，城市的拥挤，各种用途的隧道也纷纷出现。一般情况下，在人员密集区域修建隧道，均采用盾构施工法。传统地盾构工程中工作井的建设时必不可少的，而工作井的修建不仅耗费大量的工时、资金，而且对周围的环境造成很大破坏。无工作井盾构隧道是一种新型盾构工法，与传统盾构工法不同，它不需要工作井，盾构直接从地面出发和到达。其优点是除了节省工作井投资外，还能缩短工期，降低整体投资；但是，由于需要从地面直接出发和到达，隧道在掘进过程中将遇到各种覆土厚度工况，包括负覆土、零覆土和浅覆土。尤其是在负覆土的受力条件下，隧道的受力尤其不利，在地下水浮力作用下，隧道管片会发生上浮，可能会在局部出现较大的上浮量。隧道的上浮会影响隧道管片的拼装，同时会影响管片间的密封作用，甚至危及隧道安全。因此，隧道在负覆土工况下的抗浮已成为这类新型盾构施工的重点和难点。经对现有技术的文献检索发现，对于隧道抗浮和压重有以下相关专利:(I)专利申请号201220322442.4，发明名称:浅埋盾构法隧道的抗浮结构；(2)专利申请号201210488590.8，发明名称:一种明挖隧道抗浮结构；(3)专利申请号200620049257.7，发明名称为:门式抗浮结构；(4)专利申请 号200510029898.6，发明名称:双圆盾构施工中侧向滚动的压重纠偏方法；其中:专利(I)用锚杆、专利(2)用围护桩及其上部的围护结构冠梁来限制隧道的上浮量，而专利(3)设计并使用抗浮桩及基坑底板解决上浮问题。这3个专利没有给出抗如何计算浮力大小，只能通过预估的方法对抗浮桩或者围护桩进行设计。专利(4)则用铅块压重来对双圆盾构进行纠偏，但在偏转角度较大时，压重铅块只能纠正部分偏转角，因此需要结合现有技术共同解决。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种负覆土工况下盾构隧道抗浮压重的方法，将铅块压重物置于需要抗浮的隧道底部，使隧道管片承受额外的铅块重力，进而减少隧道管片的上浮量；抗浮方法简单实用，大大的减少隧道的上浮量。根据本发明的一个方面，提供一种负覆土工况下盾构隧道抗浮压重的方法，具体步骤如下:(I)针对隧道管片在实际施工程中所承受的荷载、地层条件，应用有限元法计算得出压重荷载的大小，压重的重物采用铅块；(2)铅块的形状设计:每块铅块重200千克,铅块尺寸为底面半径0.12m、闻度0.4m的圆柱体。圆柱形铅块一端设置凹槽，另一端设置搭头，凹槽需与搭头相吻合。施工过程中把相邻铅块连接一起，使之成为一个整体，防止个别铅块自由滚动而出现安全事故。同时在圆柱体铅块侧面设置把手，以方便搬运。(3)铅块的设置位置:铅块设置于需要抗浮的隧道底部。优选地，所述有限元法的得出压重荷载的大小，具体如下:I)采用三维有限元数值分析法；2)有限元的建模范围宽度为IOD (D为隧道直径),长度为隧道的负覆土部分长度，隧道置于模型的中间，地表距离考虑隧道的实际埋深，底面距隧道的中心为ID ；3)计算中边界条件设定如下:模型两侧约束水平位移，模型底部同时约束竖向位移与水平位移；4)根据隧道管片的覆土深度计算出隧道管片所受的主动土压力，根据地下水位的高度计算出隧道管片所受浮力的大小，将得到的荷载施加于模型上，计算得出隧道的上浮量，然后在模型中加入压重荷载，再次计算隧道的上浮量，经过多次试算得到隧道上浮量与压重荷载之间的关系曲线，根据工程的抗浮标准，在关系曲线图上确定压重荷载的准确数值。优选地，根据隧道管片所承受的荷载，由上述有限元法迅速的算出对应的压重荷载的大小，进而确定所述铅块的数量，并将所述铅块设置在隧道上浮部位的底部。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:
1、本发明将铅块压重物置于需要抗浮的隧道底部，使管片承受额外的铅块重力，进而减少管片的上浮量；2、本发明抗浮方法简单实用，可以大大的减少隧道的上浮量；3、本发明在设计阶段就可以预测管片抗浮所需的压重重物的重量，为制定合理的施工方案服务，适用于所有盾构施工隧道的抗浮。
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:图1为本发明一实施例某隧道模型；图2为本发明一实施例隧道压重与上浮量关系图。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。如图1所示，本实施例提供一种负覆土工况下盾构隧道抗浮压重的方法用于某盾构隧道建立的三维有限元模型，模型的长度为30m，宽度为70m，深度为24m。本实施例具体步骤如下:(I)针对隧道管片在实际施工程中所承受的荷载、地层条件，应用有限元法计算得出压重荷载的大小，压重的重物采用铅块；(2)铅块的形状设计:每块铅块重200千克,铅块尺寸为底面半径0.12m、闻度0.4m的圆柱体，所述铅块的两端设置有凹槽和搭头以使相邻的所述铅块连接在一起，所述铅块的柱面上设置有方便搬运的把手。(3)铅块的设置位置:铅块设置于需要抗浮的隧道底部。本实施例中，所述有限元法的得出压重荷载的大小，具体步骤如下:I)采用三维有限元数值分析法；2)有限元的建模范围宽度为IOD (D为隧道直径)，长度为隧道的负覆土部分长度，隧道置于模型的中间，地表距离考虑隧道的实际埋深，底面距隧道的中心为ID ；3)计算中边界条件设定如下:模型两侧约束水平位移，模型底部同时约束竖向位移与水平位移；4)根据隧道管片的覆土深度计算出隧道管片所受的主动土压力，根据地下水位的高度计算出隧道管片所受浮力的大小，将得到的荷载施加于模型上，计算得出隧道的上浮量，然后在模型中加入压重荷载，再次计算隧道的上浮量，经过多次试算得到隧道上浮量与压重荷载之间的关系曲线。根据实际工况施加荷载，计算隧道上浮量，然后施加lt、2t、4t、8t压重，得到隧道上浮量与隧道压重之间的关系图(如图2所示)。如图2所示，可以 看出压重6t时，隧道上浮量小于5mm，满足了设计要求。因此，只需要在隧道上浮部位底部放置==3+&块铅块就可以满足隧道的抗浮要求，并将铅块设置在隧道上浮部位的底部。本发明抗浮方法简单实用，将铅块压重物置于需要抗浮的隧道底部，使管片承受额外的铅块重力，可以大大的减少隧道的上浮量，适用于所有盾构施工隧道的抗浮。以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
权利要求
1.一种负覆土工况下盾构隧道抗浮压重的方法，其特征在于，所述方法具体步骤如下: (1)针对隧道管片在实际施工程中所承受的荷载、地层条件，应用有限元法计算得出压重荷载的大小，压重的重物采用铅块； 所述有限元法的得出压重荷载的大小，具体如下: 1)采用三维有限元数值分析法； 2)有限元的建模范围宽度为10D,D为隧道直径,长度为隧道的负覆土部分长度,隧道置于模型的中间，地表距离考虑隧道的实际埋深，底面距隧道的中心为ID ； 3)计算中边界条件设定如下:模型两侧约束水平位移，模型底部同时约束竖向位移与水平位移； 4)根据隧道管片的覆土深度计算出隧道管片所受的主动土压力，根据地下水位的高度计算出隧道管片所受浮力的大小，将得到的荷载施加于模型上，计算得出隧道的上浮量，然后在模型中加入压重荷载，再次计算隧道的上浮量，经过多次试算得到隧道上浮量与压重荷载之间的关系曲线，根据工程的抗浮标准，在关系曲线图上确定压重荷载的准确数值； (2)铅块的形状设计:每块铅块重200千克，铅块尺寸为底面半径0.12m、高度0.4m的圆柱体，圆柱形铅块一端设置凹槽，另一端设置搭头，凹槽需与搭头相吻合，施工过程中把相邻铅块连接一起，使之成 为一个整体，防止个别铅块自由滚动而出现施工事故，同时在圆柱体铅块侧面设置把手； (3)铅块的设置位置:铅块设置于需要抗浮的隧道底部。
2.根据权利要求1所述的一种负覆土工况下盾构隧道抗浮压重的方法，其特征在于，根据隧道管片所承受的荷载，由上述有限元法算出对应的压重荷载的大小，进而确定所述铅块的数量，并将所述铅块设置在隧道上浮部位的底部。
全文摘要
本发明提供了一种负覆土工况下盾构隧道抗浮压重的方法，该方法步骤包括(1)针对隧道管片在实际施工程中所承受的荷载、地层条件，应用有限元法计算得出压重荷载的大小，压重的重物采用铅块；(2)铅块的形状设计；(3)铅块的设置位置铅块设置于需要抗浮的隧道底部。本发明将铅块压重物置于需要抗浮的隧道底部，使隧道管片承受额外的铅块重力，进而减少隧道管片的上浮量；抗浮方法简单实用，大大的减少隧道的上浮量，适用于所有盾构施工隧道的抗浮。
文档编号E21D9/06GK103244134SQ20131015078
公开日2013年8月14日 申请日期2013年4月26日 优先权日2013年4月26日
发明者于亚磊, 叶冠林, 王建华 申请人:上海交通大学