一种考虑时间因素的盾构隧道结构动态配置方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及隧道盾构施工技术领域，具体地指一种考虑时间因素的盾构隧道结构动态配置方法。
【背景技术】
[0002]近年来，随着国内地铁、公路、市政、铁路、输水、输气等行业的迅猛发展，掀起了新一轮的地下空间及隧道的建设浪潮。这些工程中，出现了大量穿越膨胀性地层的盾构隧道。膨胀性地层的主要特点就是在与水接触后，引起地层膨胀，从而产生不同程度的膨胀力，威胁结构和盾构机的安全，从而给设计施工提出了新的难题。
[0003]采用泥水平衡盾构机修建的隧道，修建过程中泥浆循环系统中的水对膨胀土的影响是阶段性的。显著影响阶段主要集中在盾构停车期间(根据目前国内几座水下隧道修建过程来看，停车换刀或维修也是不可避免的，有些隧道的停车时间还比较长)，由于停车时间一般较长，为维持开挖面稳定，压力保持相对较高，泥浆中的随停车时间长短造成不同范围的扩散渗透，从而引起不同的地层膨胀力；而在施工工程中正常的掘进阶段，由于时间较短，泥浆中的水尚未大规模扩撒就可能已经掘进通过，引起的膨胀力就微乎其微，对结构设计的影响较小。
[0004]现有的设计方法主要就是根据地勘报告提供的膨胀力直接进行结构设计，也就是直接对穿越膨胀土地层的结构全部进行加强，以抵抗膨胀力。如图1所示，在对盾构隧道I的施工过程中，膨胀土地层4设置在一般地层5之间，一般地层5通过正常地段管片结构2进行加强。如果盾构机随机停车段6在膨胀土地层4中的某一处，现有的施工方法是对膨胀土地层4全部通过强力增强型配筋管片结构3a进行加强。
[0005]但是实际施工过程中，盾构机停车是随机的，因此膨胀土地层4对盾构结构的影响也是随机的，即采用队膨胀土地层4全加强的方式进行施工，按此方法设计施工会造成工程的巨大浪费。
【发明内容】
[0006]本发明的目的就是要解决上述【背景技术】的不足，提供一种考虑时间因素的盾构隧道结构动态配置方法，可充分考虑泥浆中水的扩散时间对膨胀力的影响，根据盾构机的在各段掘进路径上的作业时间，计算不同的泥浆水扩散渗透范围及其引起的膨胀力，再进行结构配置选择，以节省对膨胀土地层加强的实施成本。
[0007]本发明的技术方案为:一种考虑时间因素的盾构隧道结构动态配置方法，其特征在于，它包括以下步骤:
[0008]I)、针对某一段膨胀土地层及盾构机特有的泥浆，采用渗透仪试验，确定其渗透系数 K(cm/d)；
[0009]2)、建立盾构机停车时间与其泥浆水的扩散范围公式:
[0010]h = K*d/100(式 I)
[0011]其中:h_泥水扩散范围(m) ;d_停车时间(d)；
[0012]3)、采用压缩膨胀法对该段膨胀土地层进行膨胀力测试试验，确定膨胀力-膨胀率曲线，并拟合出膨胀力-膨胀率函数。
[0013]P = f(5ep)(式 2)
[0014]其中:P-膨胀力(Kpa) ； δ ep-膨胀率(％ );
[0015]4)、建立膨胀率计算公式，并结合(式I)，转换成盾构机停车时间-膨胀率的函数公式:
[0016]δ ep= Δ h/h = 100* Δ h/ (K*d)(式 3)
[0017]其中:Ah-隧道结构内壁与外侧土层之间可供膨胀变形的空间距离；
[0018]5)、结合(式2)和(式3)，建立膨胀力-盾构机停车时间的关系公式:
[0019]P = f(100*Ah/(K*d))
[0020]即:p= f(d)(式 4);
[0021]6)、根据膨胀力及不同类型衬砌的极限强度，选择不同配置的管片结构类型对膨胀土地层进行加强。
[0022]本发明通过建立膨胀力与停车时间的函数关系，可在盾构隧道施工过程中，根据盾构机停车的不同时间，动态的选择不同类型的管片结构，从而降低对膨胀土地层进行加强的工程造价。
【附图说明】
[0023]图1为现有技术的膨胀土地层中盾构管片结构的拼装方式；
[0024]图2根据本发明的配置方式进行的盾构结构管片结构动态拼装示意图；
[0025]图3为膨胀约束力-膨胀率曲线图；
[0026]图4为膨胀约束力-盾构机停车时间曲线图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0028]如图1所示现有的膨胀土地层中盾构管片结构的拼装方式，已在【背景技术】中作了详细说明，于此不再赘述。
[0029]针对【背景技术】的不足之处，本发明设计的一种考虑时间因素的盾构隧道管片结构拼装选型方法，需要解决以下关键技术问题:
[0030]1、盾构机泥浆在该膨胀地层中渗透系数的获取；
[0031]2、该膨胀土在不同膨胀率条件下的膨胀力曲线及函数获取。
[0032]3、建立盾构机停车时间与膨胀力的关系曲线及函数。
[0033]4、根据不同的停车时间选择不同的结构类型。
[0034]本发明的一种考虑时间因素的盾构隧道结构动态配置方法即是基于上述技术问题进行设计的，以某工程为例其操作步骤如下:
[0035]I)、针对某工程膨胀土地层及盾构机专用泥浆，采用渗透仪试验(见相关技术规范)，确定其渗透系数K(cm/d) = 5.08e_2;
[0036]2)、建立盾构机停车时间与其泥浆水的扩散范围公式:
[0037]h = K*d/100 = 5.08e-4*d(式 I)
[0038]其中:h_泥水扩散范围(m) ;d_停车时间(d)；
[0039]3)、采用压缩膨胀法对该段膨胀土地层进行膨胀约束力测试试验，确定膨胀约束力-膨胀率曲线(参考图3)，并拟合出膨胀约束力-膨胀率函数。
[0040]P = 5.33* δ ep_0.73(式 2)
[0041]其中:P-膨胀约束力(kPa) ； δ ep-膨胀率(% )；
[0042]4)、建立膨胀率计算工程，并结合(式I)，转换成盾构机停车时间-膨胀率的函数公式:
[0043]δ 印=A h/h = Δ h/(5.08e-4*d)(式 3)
[0044]其中:Ah为隧道结构内壁与外侧土层之间可供膨胀变形的空间距离，取0.15m*e(1/3)= 0.001，其中 e 为孔隙率；
[0045]5)、结合(式2)和(式3)，建立膨胀约束力-盾构机停车时间的关系公式:
[0046]P = 5.33* δ 73 = 5.33* (0.001/5.08e、d) 士73
[0047]即P = 5.33* (0.508d) °.73(式 4);
[0048]最终得到膨胀约束力-盾构机停车时间曲线(参考图4):
[0049]6)、根据膨胀约束力及不同类型衬砌的极限强度，选择不同配置的管片结构类型对膨胀土地层进行加强。
[0050]参考图2，本实施例中:假定盾构机停车区段6停车时间远超盾构机停车区段7，则根据第5)步的公式及表2，膨胀力P6远大膨胀力P7，则可以根据盾构机停车的位置及时间，动态的调整此段管片的拼装类型，即盾构机停车区段6拼装强力增强型配筋管片结构3a,盾构机停车区段7拼装一般增强型配筋管片结构3b。相比于【背景技术】中把膨胀土地层4全部通过强力增强型配筋管片结构3a进行加强，可节省大量的工程造价。
[0051]另外，需要说明的是，由于盾构机的作业停车地点和时间是随机的和不可预测的，所以本发明的结构拼装选型方法就是一个动态的过程。
【主权项】
1.一种考虑时间因素的盾构隧道结构动态配置方法，其特征在于，它包括以下步骤: 1)、针对某一段膨胀土地层及盾构机特有的泥浆，采用渗透仪试验，确定其渗透系数K (cm/d)； 2)、建立盾构机停车时间与其泥浆水的扩散范围公式: h = K*d/100 (式 I) 其中:h-泥水扩散范围(m) ;d-停车时间⑷； 3)、采用压缩膨胀法对该段膨胀土地层进行膨胀力测试试验，确定膨胀力-膨胀率曲线，并拟合出膨胀力-膨胀率函数。 P = f(5ep)(式 2) 其中:P-膨胀力(Kpa) ； δ ερ-膨胀率(% )； 4)、建立膨胀率计算公式，并结合(式I)，转换成盾构机停车时间-膨胀率的函数公式:δ ep= Δ h/h = 100* Δ h/ (K*d) (式 3) 其中:Ah-隧道结构内壁与外侧土层之间可供膨胀变形的空间距离； 5)、结合(式2)和(式3)，建立膨胀力-盾构机停车时间的关系公式:P = f(100*Ah/(K*d)) 即:P = f (d)(式 4); 6)、根据膨胀力及不同类型衬砌的极限强度，选择不同配置的管片结构类型对膨胀土地层进行加强。
【专利摘要】本发明公开了一种考虑时间因素的盾构隧道结构动态配置方法，充分考虑泥浆中水的扩散时间对膨胀力的影响，根据盾构机的在各段掘进路径上的作业时间，建立膨胀力与停车时间的函数关系，可在盾构隧道施工过程中，根据盾构机停车的不同时间，动态的选择不同类型的管片结构，从而降低对膨胀土地层进行加强的工程造价。
【IPC分类】E21D11-00
【公开号】CN104533444
【申请号】CN201410724765
【发明人】肖明清, 焦齐柱, 薛光桥, 韩向阳, 资谊, 张迪, 宁茂权, 桑中顺
【申请人】中铁第四勘察设计院集团有限公司
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月3日