一种圆形盾构隧道对称衬砌环的分块方法与流程

本发明涉及盾构隧道衬砌技术领域，具体涉及一种圆形盾构隧道对称衬砌环的分块方法。

背景技术：

随着我国城市化的进一步推进，城市地铁成为了解决城市交通拥堵的问题的首选方案。由于盾构施工具有机械化施工速度快、对地层扰动小、对环境影响小以及施工过程较为安全等优点，成为城市地铁建设的首选施工方法，到目前为止，盾构管片的种类十分有限，大多依托已有管片类型修建新的盾构隧道。

然而，随着跨江跨海大型盾构隧道的出现，盾构管片分块面临以下方面的问题：其一是新型管片分块问题，已有小直径管片分块方案不能用于大型盾构施工，需面临新的管片分块问题。

其二是管片优化问题，由于连接管片之间的螺栓数以及在满足盾构机起吊能力的条件下，一环管片分块数量越少将会大大减少施工时的拼装时间，进而可以提高施工效率。因此，有待研究所得到的新的分块方案是否是最优的。

其三是管片布置问题，现有试验研究发现，相对于标准块和邻接块，封顶块因其对应的圆心角较小，在试验加载过程中位于封顶块和邻接块接缝处的环向螺栓通常最先发生破坏，因此，将封顶块放置在受力较小的部位，有助于提高盾构隧道的承载能力，进而提高了隧道的安全性。

由于隧道顶部和底部的受力往往最大，因而施工过程中将封顶块放置在隧道两腰偏上最为合理。然而，盾构隧道的受力往往是对称的，因此设计时应尽量安排结构处于对称状态，进而避免隧道发生侧移、不规则弯曲以及扭转的问题，而封顶块放置于侧部以后管片衬砌环将无法满足竖向方向的对称。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中的上述不足，提供了一种能够解决现有技术中盾构管片的施工效率和承载能力不足的问题的圆形盾构隧道对称衬砌环的分块方法。

为解决上述技术问题，本发明采用了下列技术方案：

提供了一种圆形盾构隧道对称衬砌环的分块方法，其包括如下步骤：

s1、根据预先设定的衬砌环外直径d和单位衬砌环外弧长所需的纵向螺栓数量i，选取衬砌环所需纵向螺栓总数n；

s2、根据预先设定的封顶块数量q，选取标准块数量p；

s3、根据预先设定的盾构机的设计起吊能力[n]，选取标准块的纵向螺栓数量n3和邻接块的纵向螺栓数量n2；

s4、根据纵向螺栓数量n2和n3，选取封顶块的纵向螺栓数量n1；

s5、根据纵向螺栓数量n1、n2和n3，选取角度参数δ，计算封顶块对应的圆心角θ1，邻接块对应的圆心角θ2以及标准块对应的圆心角θ3：

s6、对圆心角θ1、θ2和θ3进行校核，当θ1、θ2和θ3不满足校核时，重复s5，重新选择角度参数δ并计算圆心角θ1、θ2和θ3；

s7、当圆心角θ1、θ2和θ3满足校核时，将所得封顶块、邻接块和标准块的数量、纵向螺栓数和圆心角作为管片分块方案。

进一步地，总螺栓数n的计算方法为：

计算总螺栓数的取值范围：

选取满足取值范围内的最小整数值n’为总螺栓数n。

进一步地，单位衬砌环外弧长所需的螺栓数i的取值范围为1～2颗/m，且i的取值可为小数。

进一步地，根据预先设定的封顶块数量q，计算标准块数量p的方法为：

根据计算公式：

取满足计算公式取值范围的最小整数值为p’的取值为标准块数量p；

其中，管片幅宽b、管片的重度γ、管片设计厚度t与管片外直径d的比值ε、管片环拼装时轴方向的插入角α、封顶块圆心角与标准块圆心角的比值β均为预先设定值。

进一步地，b的取值为1m，1.5m或者2m；γ的取值根据管片混凝土的设计强度确定；t的取值为衬砌环直径的4％或5.5％；q的取值范围为正整数；α的取值范围为17°～24°；β的取值范围为1/3至1/4。

进一步地，标准块的纵向螺栓数量n3和邻接块的纵向螺栓数量n2的计算方法为：

根据计算公式：

取满足计算公式取值范围的最大整数值为n3’的取值为纵向螺栓数量n3；

根据计算公式：

取满足计算公式取值范围的最大整数值为n2’的取值为纵向螺栓数量n2。

进一步地，计算封顶块的纵向螺栓数量n1的方法为：

s1、根据计算公式：

计算n1’的取值；

s2、若n1’为负数，增大总螺栓数n，使得n1’非负；若n1’不为整数，增大标准块的数量p，使n1’为整数；

s3、将s2调整后的n1’代入验证公式：

进行验证，若n1’满足验证公式，则n1’为封顶块的纵向螺栓数量n1；若n1’不满足验证公式，则重复s2，直至n1’满足验证公式。

进一步地，计算圆心角θ1、θ2和θ3的方法为：

取ηi＝ni/n，i＝1,2,3，并取角度参数δ满足条件公式：

则圆心角θ1、θ2和θ3的计算公式为：

进一步地，对圆心角θ1、θ2和θ3进行校核的方法为：

取θi’，i＝1,2,3，表示圆心角θ1、θ2和θ3，根据校核公式：

对θi’进行校核，若θi’满足校核公式，θi’即为目标圆心角θi；若θi’不满足校核公式，在满足条件公式的前提下调整δ，直至θi’满足校核公式。

进一步地，当封顶块数量q取1时，隧道衬砌环为单轴对称衬砌环，当q大于1时，隧道衬砌环为双轴或多轴对称衬砌环。

本发明提供的上述圆形盾构隧道对称衬砌环的分块方法的主要有益效果在于：

本方法由于将衬砌环外直径、盾构机的设计起吊能力等纳入考虑范围，因此适用于所有的圆形盾构管片的分块，不受隧道直径大小、盾构机施工选型等因素的影响。

通过根据预先设定的衬砌环外直径d和单位衬砌环外弧长所需的螺栓数i计算衬砌环所需总螺栓数n，既能保证隧道纵向衬砌的抗弯刚度、抗拉刚度以及抗剪刚度，又能最大程度地减少纵向螺栓的使用，进而减小了拼装时衬砌环与衬砌环之间纵向螺栓无法穿孔的可能性。

计算得到的标准块数量p取为满足条件的最小值，即保证了管片的重量不超限，又得到了最少的管片分块数，进而充分发挥了盾构机的起吊能力，减少了施工时管片的拼装次数，提高了施工效率。

且本方案设计流程简单易操作，需要筛选重复的步骤少，设计效率高；通过将对应双轴或多轴对称衬砌环的封顶块数量设置为大于一块，可保证施工时管片拼装对称布置的条件下，实现最不利的封顶块不处于受力最大的顶部和底部，进而改善管片的受力。

附图说明

图1为本发明分块方法得到的盾构隧道衬砌环的结构示意图。

其中，1、封顶块，2、邻接块，3、标准块，4、纵向螺栓。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，其为本发明分块方法得到的盾构隧道衬砌环的结构示意图。

本发明的圆形盾构隧道对称衬砌环的分块方法包括如下步骤：

s1、根据预先设定的衬砌环外直径d和单位衬砌环外弧长所需的纵向螺栓4数量i计算衬砌环所需纵向螺栓4总数量n。

进一步地，纵向螺栓4总数量n计算的方法为：

计算总螺栓数的取值范围：

选取满足取值范围内的最小整数值n’为总螺栓数n。

具体的，单位衬砌环外弧长所需的纵向螺栓4数量i的取值范围为1～2颗/m，且i的取值可为小数。

s2、根据预先设定的封顶块1数量q，计算标准块3数量p。

其具体方法为：

根据计算公式：

取满足计算公式取值范围的最小整数值为p’的取值为标准块数量p；

其中，管片幅宽b、管片的重度γ、管片设计厚度t与管片外直径d的比值ε、管片环拼装时轴方向的插入角α、封顶块圆心角与标准块圆心角的比值β均为预先设定值。

其中，b的取值为1m，1.5m或者2m；γ为管片的重度，其取值根据管片混凝土的设计强度确定，一般取25kn/m³；根据规范《隧道标准规范(盾构篇)及解说》，t的取值根据隧道直径可选择衬砌环直径的4％或5.5％；q的取值范围为正整数，一般取1、2、3；根据规范《隧道标准规范(盾构篇)及解说》，α的取值范围为17°～24°，β的取值范围为1/3至1/4。

s3、根据预先设定的盾构机的设计起吊能力[n]，计算标准块3的纵向螺栓4数量n3和邻接块2的纵向螺栓4数量n2。

进一步地，标准块3的纵向螺栓4数量n3的计算方法为：

取满足计算公式取值范围的最大整数值为n3’的取值为纵向螺栓数量n3；

邻接块2的纵向螺栓4数量n2的计算方法为：

取满足计算公式取值范围的最大整数值为n2’的取值为纵向螺栓数量n2。

s4、根据纵向螺栓4数量n2和n3，计算封顶块1的纵向螺栓4数量n1。

进一步地，其包括如下步骤：

s4-1、根据计算公式：

计算n1’的取值

s4-2、若n1’为负数，增大总螺栓数n，使得n1’非负；若n1’不为整数，增大标准块的数量p，使n1’为整数；若无法通过改变p使n1’凑整或者p值增加过大时，则通过增加总螺栓数n，并配合调整p，进而使n1’凑整。

s4-3、将s4-2调整后的n1’代入验证公式：

进行验证，若n1’满足验证公式，则n1’为封顶块的纵向螺栓数量n1；若n1’不满足验证公式，则重复s2，直至n1’满足验证公式。

s5、根据纵向螺栓4数量n1、n2和n3，选取角度参数δ，计算封顶块1对应的圆心角θ1，邻接块2对应的圆心角θ2以及标准块3对应的圆心角θ3。

进一步地，其具体方法为：

取ηi＝ni/n，i＝1,2,3，并取角度参数δ满足条件公式：

则圆心角θ1、θ2和θ3的计算公式为：

s6、对圆心角θ1、θ2和θ3进行校核，当θ1、θ2和θ3不满足校核时，重复s5，重新选择角度参数δ并计算圆心角θ1、θ2和θ3。

进一步地，对圆心角θ1、θ2和θ3进行校核的方法为：

取θi’，i＝1,2,3，表示圆心角θ1、θ2和θ3，根据校核公式：

对θi’进行校核，若θi’满足校核公式，θi’即为目标圆心角θi；若θi’不满足校核公式，在满足条件公式的前提下调整δ，直至θi’满足校核公式。

s7、当圆心角θ1、θ2和θ3满足校核时，将所得封顶块、邻接块和标准块的数量、纵向螺栓数和圆心角作为管片分块方案。

下面是利用本发明提供的圆形盾构隧道对称衬砌环的分块方法得到的直径12m的盾构隧道衬砌环，其具体步骤如下：

直径12m属于大直径盾构隧道，管片厚度t取0.6m，管片幅宽b取2m，管片重度γ取25kn/m³，为了不将封顶块布置在顶部，同时实现对称布置，封顶块数量q取2。同时，参数i取1.5颗/m，α取20°，β取7/24。盾构机起吊管片的能力[n]取110kn。

步骤一、确定一环衬砌环所需纵向螺栓4数量n的范围：

所以n优选26颗。

步骤二、确定标准块3的数量p：

所以p优选5。

步骤三、确定标准块3的纵向螺栓4数量n3：

所以n3优选2。

步骤四、确定邻接块2的纵向螺栓4数量n2：

所以n2首选2。

步骤五、确定封顶块1的纵向螺栓4数量n1：

由于

所以将p增大到7即满足要求，此时n1为2。

步骤六、计算封顶块1对应的圆心角θ1，邻接块2对应的圆心角θ2以及标准块3对应的圆心角θ3：

θ1＝360η3+360/n-2δ＝41°32'20”-2δ

θ2＝360η2-180/n+δ＝20°46'9”+δ

θ3＝360η1＝27°41'32”

由于θi(1＝1，2，3)以及δ需满足条件公式：

所以δ取10，所得到的分块为：

封顶块1共2块，每块对应的圆心角θ1为21°32’20’，且每块封顶块1有2颗纵向螺栓；

邻接块2共4块，每块对应的圆心角θ2为30°46’9”，且每块邻接块2有2颗纵向螺栓；

标准块3共7块，每块对应的圆心角θ3为27°41’32”，且每块标准块3有2颗纵向螺栓。

上面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。