波纹形钢管片环、柔性管片衬砌及其设计方法与流程

本发明涉及隧道领域，具体涉及一种波纹形钢管片环、柔性管片衬砌及其设计方法。

背景技术：

我国地震活动断层带分布广泛，随着我国高铁和城市地铁盾构隧道的兴建，部分已建和拟建的盾构隧道穿越了活动断层带。断层错动会引起上下盘地层产生较大的位移差，其造成的盾构隧道破坏比地震波造成的盾构隧道结构损伤更加严重。

盾构隧道由管片和螺栓组成，其刚度小于整体式现浇盾构隧道，对纵向变形具有一定的适应性。传统的盾构隧道管片衬砌将难以适应活动断层错动引起的较大位移差，引起管片接缝面张开过大和螺栓的剪切破坏，进一步导致盾构隧道涌水突泥和管片结构破坏，稳定性较差。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明旨在提供一种能够提高盾构隧道稳定性的波纹形钢管片环、柔性管片衬砌及其设计方法。

为了达到上述发明创造的目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种波纹形钢管片环，其包括多块围合形成环状的管片，管片上开设有纵向螺栓孔和环向螺栓孔，相邻管片之间通过与环形螺栓孔配合的环向螺栓连接，管片的内外表面均为正弦曲面，管片横截面的内外轮廓均满足：

其中，a为正弦曲面的高度的二分之一，l为正弦曲面的周期长度，y为轮廓点纵坐标，x为轮廓点横坐标。

进一步地，波纹形钢管片环包括多块具有第一弦长的第一管片，2块具有第二弦长的第二管片和1块具有第三弦长的第三管片，第一弦长＞第二弦长＞第三弦长。

第二方面，提供一种柔性管片衬砌，其包括多个本方案设计的波纹形钢管片环，多个波纹形钢管片环依次连接，相邻波纹形钢管片环之间通过与纵向螺栓孔配合的纵向螺栓连接形成环状的第一管片衬砌，第一管片衬砌的两端均安装有混凝土管片衬砌，第一管片衬砌的中心线延长线与混凝土管片衬砌的中心线延长线重合；断层贯穿第一管片衬砌的中部。

进一步地，混凝土管片衬砌通过与纵向螺栓孔配合的纵向螺栓与第一管片衬砌连接。

进一步地，第一管片衬砌的长度大于等于6d，d为混凝土管片衬砌的外径。

进一步地，波纹形钢管片环外径的最大值小于等于混凝土管片衬砌的外径，波纹形钢管片环的分块方式与混凝土管片衬砌的分块方式相同。

进一步地，波纹形钢管片环边缘的厚度中心与混凝土管片衬砌边缘的厚度中心的连线与第一管片衬砌的中心线平行。

进一步地，波纹形钢管片环中管片的厚度小于混凝土管片衬砌中混凝土管片的厚度。

第三方面，提供一种本方案设计的柔性管片衬砌的设计方法，其包括：

基于施工地地质情况和断层活动规律确定所需第一管片衬砌和混凝土管片衬砌的尺寸。

进一步地，波纹形钢管片环尺寸中正弦曲面的周期长度的确定方法包括：

s1、根据断层活动规律，确定第一管片衬砌(6)的抗错动量设计值h；

s2、求解下列方程得到l的解：

其中，w为断层的宽度，h为抗错动量设计值，α为断层的倾斜角，a为正弦曲面的高度的二分之一；

s3、判断求解得到的l是否能被管片幅宽b整除，若是，l为周期长度，若否，进入s4；

s4、逐渐减小l，直至减小后的l能被管片幅宽b整除，最新减小后的l为周期长度。

本发明的有益效果为：

波纹形钢管片环能够承受周围围岩的压力。管片呈正弦曲面的内外表面在活动断层错动时提供了较大的剪切变形，并且使得管片具有一定的弹性效果，在柔性管片衬砌施工过程中盾构千斤顶的作用下更容易压紧，有利于柔性管片衬砌的防水。且施工完成后还具有一定的弹性储备，有利于管片的防水和波纹形钢管片环与混凝土管片衬砌的接触，进而利用波纹形钢管片环建造的柔性管片衬砌具有更好的稳定性，使得具有该柔性管片衬砌的盾构隧道具有更好的稳定性。

附图说明

图1为具体实施例中，波纹形钢管片环的结构示意图；

图2为图1的横截面示意图；

图3为具体实施例中，柔性管片衬砌的结构示意图；

图4为沿图3中a－a线的剖视示意图；

图5为图3中柔性管片衬砌的空间分布示意图。

其中，1、第三管片；2、第二管片；3、第一管片；4、螺栓孔；5、混凝土管片衬砌；6、第一管片衬砌；7、周围地层；8、断层。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式做详细说明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，下文所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。在不脱离所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，本领域技术人员在没有做出任何创造性劳动所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1和图2所示，该波纹形钢管片环包括多块围合形成环状的管片，管片上开设有纵向螺栓孔4和环向螺栓孔，相邻管片之间通过与环形螺栓孔配合的环向螺栓连接，管片的内外表面均为正弦曲面，管片横截面的内外轮廓均满足：

其中，a为正弦曲面的高度的二分之一，l为正弦曲面的周期长度，y为轮廓点纵坐标，x为轮廓点横坐标。其坐标系位置如图2所示，t为波纹形钢管片环中管片的厚度。

实施时，本方案优选管片为实心钢铁制成。并且如图1所示波纹形钢管片环包括多块具有第一弦长的第一管片3，2块具有第二弦长的第二管片2和1块具有第三弦长的第三管片1，第一弦长＞第二弦长＞第三弦长。其中，第一管片3为标准管片，第二管片2为邻接管片，第三管片1为封顶管片。

另一方面，那本方案还提供一种柔性管片衬砌，其包括多个本方案设计的波纹形钢管片环，多个波纹形钢管片环依次连接，相邻波纹形钢管片环之间通过与纵向螺栓孔4配合的纵向螺栓连接形成环状的第一管片衬砌6。如图3和图4所示，第一管片衬砌6的两端均安装有混凝土管片衬砌5，第一管片衬砌6的中心线延长线与混凝土管片衬砌5的中心线延长线重合；断层8贯穿第一管片衬砌6的中部。

实施时，本方案优选混凝土管片衬砌5通过与纵向螺栓孔4配合的纵向螺栓与第一管片衬砌6连接。并且如图5所示，柔性管片衬砌贯穿周围地层7和断层8，断层8与第一管片衬砌6的交点距第一管片衬砌6两端长度的最小值为s，第一管片衬砌6的长度大于等于2s，s＝3d，d为混凝土管片衬砌5的外径。

采用上述设置，第一管片衬砌6在提供适当的错动位移的同时，也起到了变形的过渡作用，降低了管片与混凝土管片因刚度差异较大产生过大的变形而导致混凝土管片破坏的可能性。

其中，波纹形钢管片环外径的最大值小于等于混凝土管片衬砌5的外径，波纹形钢管片环的分块方式与混凝土管片衬砌5的分块方式相同，以便于波纹形钢管片环中管片与混凝土管片衬砌5中混凝土管片的错缝拼装。

在另一实施例中，波纹形钢管片环边缘的厚度中心与混凝土管片衬砌5边缘的厚度中心的连线与第一管片衬砌6的中心线平行，也即混凝土管片衬砌5边缘厚度中心与图2中o点的连线与第一管片衬砌6的中心线平行。并且波纹形钢管片环中管片的厚度小于混凝土管片衬砌5中混凝土管片的厚度。

第三方面，本方案还一种本方案设计的柔性管片衬砌的设计方法，其包括：

基于施工地地质情况和断层活动规律确定所需第一管片衬砌6和混凝土管片衬砌5的尺寸。

具体地，首先根据施工地地质情况确定混凝土管片衬砌5的尺寸(不包括长度以及柔性管片衬砌的长度)，进而根据混凝土管片衬砌5的尺寸和断层活动规律确定第一管片衬砌6的尺寸(包括第一管片衬砌6的长度以及波纹形钢管片环的尺寸)。然后根据第一管片衬砌6的长度和柔性管片衬砌的长度确定混凝土管片衬砌5的长度。

其中，关于波纹形钢管片环的尺寸：波纹形钢管片环外径的最大值小于等于混凝土管片衬砌5的外径，波纹形钢管片环的分块方式与混凝土管片衬砌5的分块方式相同，且波纹形钢管片环边缘的厚度中心与混凝土管片衬砌5边缘的厚度中心的连线与第一管片衬砌6的中心线平行，并且波纹形钢管片环中管片的厚度t等于2a。

关于第一管片衬砌6的长度：断层8与第一管片衬砌6的交点距第一管片衬砌6两端长度的最小值为s＝3d。

其中，正弦曲面的周期长度的确定方法包括：

s1、根据断层活动规律，确定第一管片衬砌6的抗错动量设计值h；

s2、求解下列方程得到l的解：

其中，w为断层的宽度，h为抗错动量设计值，α为断层的倾斜角，a为正弦曲面的高度的二分之一；

s3、判断求解得到的l是否能被管片幅宽b整除l和b单位统一，若是，l为周期长度，若否，进入s4；

s4、逐渐减小l，直至减小后的l能被管片幅宽b整除，最新减小后的l为周期长度。

从而充分考虑了断层的宽度、倾斜角和错动量，得到了更加准确有效的第一管片衬砌的尺寸。

在具体实施例中，如图5所示，当断层宽度w为1m，倾斜角α为60°，抗错动量设计值h为0.5m时，混凝土管片衬砌5的外径为6m，混凝土管片衬砌5中混凝土管片的厚度为300mm，幅宽为1.5m。则s＝18m，t＝100mm，a＝50mm＝0.005m，波纹形钢管片环中管片的幅宽为1.5m。

求解上述方程得到l＝0.433m，正弦曲面的周期长度l为0.3m。

因此，管片横截面的内外轮廓均满足：

同时，另一方面，根据已知的w和α以及事先确定的b和l，利用上述方程即可求得该设计能够提供的断层的最大错动量。