膨脹土地層消除膨脹力的明挖隧道結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種膨脹土地層消除膨脹力的明挖隧道結(jié)構(gòu)，包括由頂板、底板和側(cè)墻組成的明挖隧道，所述頂板的上方鋪設(shè)有回填覆土，側(cè)墻的外側(cè)設(shè)有圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述底板與其下方的膨脹土地層之間設(shè)有可變形的緩沖墊層，所述緩沖墊層由聚苯乙烯材料制備而成。本發(fā)明具有可極大消除膨脹土地層產(chǎn)生的膨脹力對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的不利影響，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工程量小的有益效果。
【專利說(shuō)明】
膨脹土地層消除膨脹力的明挖隧道結(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及明挖隧道領(lǐng)域，具體是一種膨脹土地層消除膨脹力的明挖隧道結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]膨脹土是一種特殊的土層，當(dāng)其濕度變化時(shí)，地層的體積會(huì)發(fā)生較大變化，按膨脹性分類可分為:弱膨脹、中膨脹、強(qiáng)膨脹三類。在我國(guó)，膨脹土地層的分布區(qū)域主要集中在西南、西北、東北，黃河中下游地區(qū)，長(zhǎng)江中下游地區(qū)和部分東南沿海地區(qū)，其分布面積在1萬(wàn)平方千米以上。
[0003]當(dāng)在膨脹土地層施工明挖隧道時(shí)，隧道范圍內(nèi)及頂部的地層均挖除，置換為隧道結(jié)構(gòu)和非膨脹土，僅隧道底部為原狀土，存在膨脹性。當(dāng)?shù)撞康呐蛎浲翝穸劝l(fā)生變化，其體積膨脹，會(huì)造成隧道結(jié)構(gòu)底部的受力異?；蜷_裂、發(fā)生隆起等病害問題，危及隧道結(jié)構(gòu)安全和行車安全。
[0004]在膨脹土地層施工的明挖隧道，現(xiàn)有的技術(shù)主要有兩種:第一種是“抵抗”方法:設(shè)計(jì)時(shí)考慮地層膨脹力直接作用在隧道底板上，通過加強(qiáng)隧道結(jié)構(gòu)的承載能力來(lái)抵抗膨脹力；第二種是“完全釋放”方法:將隧道結(jié)構(gòu)固定在明挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)或支承在粧基礎(chǔ)上并與地基土脫空，使基底的土層自由膨脹，從而消除膨脹性對(duì)結(jié)構(gòu)的影響?，F(xiàn)有技術(shù)處理膨脹土明挖隧道時(shí)存在以下問題:
[0005]1、第一種方法允許膨脹力直接作用在結(jié)構(gòu)底板上，對(duì)于在強(qiáng)膨脹土地層的隧道，膨脹力非常大，需要的結(jié)構(gòu)厚度很大甚至難以實(shí)現(xiàn)，往往由于對(duì)膨脹力的預(yù)計(jì)不足而造成結(jié)構(gòu)破壞或產(chǎn)生影響運(yùn)營(yíng)安全的開裂與變形。
[0006]2、第二種方法雖然可以消除膨脹力的影響，但結(jié)構(gòu)本身和頂部回填土的重量完全由圍護(hù)結(jié)構(gòu)、支承粧承擔(dān)，其增加的工程量較大，造價(jià)高。同時(shí)，由于隧道底板與地層脫空，長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)中地下水會(huì)集聚于此處，并沿粧與土之間的接觸面下滲，影響粧的承載力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是為了解決上述【背景技術(shù)】存在的不足，提出一種可極大消除膨脹土地層產(chǎn)生的膨脹力對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的不利影響，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工程量小的膨脹土地層消除膨脹力的明挖隧道結(jié)構(gòu)。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供的一種膨脹土地層消除膨脹力的明挖隧道結(jié)構(gòu)，包括由頂板、底板和側(cè)墻組成的明挖隧道，所述頂板的上方鋪設(shè)有回填覆土，側(cè)墻的外側(cè)設(shè)有圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述底板與其下方的膨脹土地層之間設(shè)有可變形的緩沖墊層，所述緩沖墊層由聚苯乙烯材料制備而成。
[0009]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述明挖隧道的底板與其下方的膨脹土地層之間設(shè)有多個(gè)沿水平向依次拼接的緩沖墊層。
[0010]進(jìn)一步地，所述緩沖墊層的平面尺寸為
[0011]更進(jìn)一步地，緩沖墊層的設(shè)計(jì)厚度不小于膨脹土地層吸水膨脹產(chǎn)生的變形量的兩倍。
[0012]本發(fā)明采用由聚苯乙烯材料制備而成的緩沖墊層結(jié)構(gòu)，使膨脹土地層在發(fā)生膨脹時(shí)，膨脹力通過緩沖墊層的變形而吸收，保護(hù)隧道結(jié)構(gòu)不受影響。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2為多塊緩沖墊層相互拼接的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖3為聚苯乙烯的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。
[0016]圖中:緩沖墊層1、膨脹土地層2、底板3、側(cè)墻4、頂板5、圍護(hù)結(jié)構(gòu)6、回填覆土7。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0018]實(shí)施例:如圖1至圖3所示的一種膨脹土地層消除膨脹力的明挖隧道結(jié)構(gòu)，包括由頂板5、底板3和側(cè)墻4組成的明挖隧道，所述頂板5的上方鋪設(shè)有回填覆土 7，側(cè)墻4的外側(cè)設(shè)有圍護(hù)結(jié)構(gòu)6。所述明挖隧道的底板3與其下方的膨脹土地層2之間設(shè)有多個(gè)沿水平向依次拼接的緩沖墊層I，所述緩沖墊層I由聚苯乙烯材料制備而成。
[0019]所述緩沖墊層I的所述緩沖墊層I的平面尺寸為緩沖墊層I的設(shè)計(jì)厚度不小于膨脹土地層2變形量的兩倍。緩沖墊層I的厚度根據(jù)膨脹土層厚度、膨脹率、緩沖材料力學(xué)特性、有效應(yīng)力的敏感性分析等來(lái)確定。假設(shè)計(jì)算膨脹土地層2在地下水條件變化后，產(chǎn)生的膨脹變形量為h，而緩沖墊層的設(shè)計(jì)厚度為H。所采用的緩沖墊層材料壓縮力學(xué)特性如圖3所示，假設(shè)其最大壓應(yīng)變^，一般聚苯乙烯材料的最大壓應(yīng)變可以超過50%。
[0020]￡m=h/H
[0021]若假設(shè)聚苯乙烯材料的最大壓應(yīng)變?yōu)?0%，則緩沖墊層的設(shè)計(jì)厚度不小于2h，SP膨脹土地層2吸水膨脹產(chǎn)生的變形量的2倍。
[0022]當(dāng)膨脹土地層2由于吸水體積發(fā)生膨脹，會(huì)壓縮緩沖墊層1，使緩沖墊層I發(fā)生壓縮變形，甚至超過彈性極限應(yīng)變?chǔ)?，達(dá)到附圖3中的塑性狀態(tài)，塑性狀態(tài)下，大量的膨脹土地層2膨脹產(chǎn)生的能量在近似恒應(yīng)力狀態(tài)下被緩沖墊層I吸收，傳遞到主體結(jié)構(gòu)底板3的膨脹力，相比沒采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)時(shí)小得多。
[0023]本發(fā)明的施工步驟為:
[0024]1、根據(jù)膨脹土地層2的特性，計(jì)算隧道運(yùn)營(yíng)期的底部膨脹土地層2的膨脹變形量及膨脹力；
[0025]2、根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)自重隧道底板3、側(cè)墻4和頂板5自重之和、運(yùn)營(yíng)期荷載、隧道頂?shù)乃梁奢d等，計(jì)算出隧道運(yùn)營(yíng)期底板3下方的壓力；
[0026]3、結(jié)合緩沖墊層I的力學(xué)特性，計(jì)算緩沖墊層I的厚度；
[0027]4、施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)6，開挖隧道基坑，并在隧道底部按計(jì)算結(jié)果需要的緩沖墊層I厚度進(jìn)行超挖。
[0028]5、超挖部分鋪設(shè)符合要求的緩沖墊層I。為方便鋪設(shè)，緩沖墊層I按預(yù)定的尺寸進(jìn)行小塊切割，每小塊的平面尺寸可采用ImX Im或根據(jù)實(shí)際工程調(diào)整。
[0029]6、在緩沖墊層I上施工隧道主體結(jié)構(gòu)，并回填隧道頂覆土 7。
[0030]本發(fā)明的工作原理為:
[0031]緩沖墊層I在運(yùn)營(yíng)初期無(wú)膨脹力時(shí)可以將上部隧道結(jié)構(gòu)荷載傳遞至底部地層，隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的推移，當(dāng)?shù)撞颗蛎浲恋貙?遇水膨脹，產(chǎn)生膨脹力時(shí)，該膨脹力會(huì)首先擠壓緩沖墊層I，使緩沖墊層I產(chǎn)生壓縮變形，甚至壓碎，產(chǎn)生壓縮變形的緩沖墊層I一方面可以消除部分膨脹力，另一方面可以繼續(xù)起到結(jié)構(gòu)與地基之間力的傳遞作用。因此隧道底膨脹土地層2遇水膨脹后，通過緩沖墊層I的壓縮變形和傳力，傳遞到主體結(jié)構(gòu)底板3的膨脹力相比沒采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)時(shí)小得多，確保隧道主體結(jié)構(gòu)安全。
[0032]本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在:
[0033]1、緩沖墊層I通過壓縮變形吸收膨脹力，保護(hù)隧道主體結(jié)構(gòu)安全。
[0034]2、聚苯乙烯是一種作為替代填土的填筑材料，在道路工程使用廣泛，是一種可控材料，力學(xué)穩(wěn)定性較好，其性能和耐久性得到了工程實(shí)踐的驗(yàn)證。
[0035]3、聚苯乙烯是一種良好的彈塑性材料，其應(yīng)力應(yīng)變特性如圖3所示，達(dá)到彈性極限應(yīng)力后，有一個(gè)較長(zhǎng)的應(yīng)力平臺(tái)。該材料的最大應(yīng)變可超過50%，彈性強(qiáng)度和最大屈服強(qiáng)度隨材料密度而變化，常用密度20-50kg/m3，并根據(jù)計(jì)算需要進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)確定。
[0036]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)做任何形式上的限制。凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明的技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種膨脹土地層消除膨脹力的明挖隧道結(jié)構(gòu)，包括由頂板(5)、底板(3)和側(cè)墻(4)組成的明挖隧道，所述頂板(5)的上方鋪設(shè)有回填覆土 (7)，側(cè)墻(4)的外側(cè)設(shè)有圍護(hù)結(jié)構(gòu)(6)，其特征在于:所述底板(3)與其下方的膨脹土地層(2)之間設(shè)有可變形的緩沖墊層(I)，所述緩沖墊層(I)由聚苯乙烯材料制備而成。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膨脹土地層消除膨脹力的明挖隧道結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述明挖隧道的底板(3)與其下方的膨脹土地層(2)之間設(shè)有多個(gè)沿水平向依次拼接的緩沖墊層(I)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膨脹土地層消除膨脹力的明挖隧道結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述緩沖墊層(I)的平面尺寸為lm*lm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膨脹土地層消除膨脹力的明挖隧道結(jié)構(gòu)，其特征在于:緩沖墊層(I)的設(shè)計(jì)厚度不小于膨脹土地層(2)吸水膨脹產(chǎn)生的變形量的兩倍。
【文檔編號(hào)】E02D29/05GK106049540SQ201610583803
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年7月22日 公開號(hào)201610583803.3, CN 106049540 A, CN 106049540A, CN 201610583803, CN-A-106049540, CN106049540 A, CN106049540A, CN201610583803, CN201610583803.3
【發(fā)明人】肖明清, 鄧朝輝, 龍凡, 薛光橋, 何應(yīng)道, 鄧淳心, 石湛
【申請(qǐng)人】中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司