本發(fā)明屬于雙護(hù)盾TBM隧道(洞)施工技術(shù)領(lǐng)域，涉及TBM施工中控制隧道管片錯(cuò)臺(tái)的結(jié)構(gòu)型式，具體涉及一種TBM施工中控制錯(cuò)臺(tái)的復(fù)合管片、隧道結(jié)構(gòu)及施工方法。

背景技術(shù)：

目前，TBM隧道(洞)的襯砌多為由預(yù)制鋼筋混凝土管片通過(guò)連接螺栓拼裝而成。當(dāng)圍巖較弱或存在軟硬夾層時(shí)，若圍巖變形較大或者分布不均，很容易導(dǎo)致相鄰管片變形不一致而出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)。所謂錯(cuò)臺(tái)就是指相鄰管片由于圍巖變形較大或者變形不一致，而出現(xiàn)相互錯(cuò)開(kāi)的現(xiàn)象。

針對(duì)這一問(wèn)題，傳統(tǒng)的解決方法主要有兩類(lèi)，一類(lèi)是以加固圍巖，減小圍巖變形為主，如圍巖注漿、加大管片厚度等。這類(lèi)施工方法具有成本高，施工工期長(zhǎng)的缺點(diǎn)。另一類(lèi)是以加強(qiáng)管片接頭強(qiáng)度為主，如中國(guó)專(zhuān)利CN 103924982A公開(kāi)了一種圓端形凹凸榫型盾構(gòu)隧道管片環(huán)間抗剪結(jié)構(gòu)，它包括沿隧道縱向相互配合布置的相鄰第一管片環(huán)和第二管片環(huán)，所述第一管片環(huán)和第二管片環(huán)之間對(duì)應(yīng)的配合面上分別設(shè)有多個(gè)相互配合的圓端形凸塊和圓端形凹槽，所述多個(gè)圓端形凸塊和圓端形凹槽按隧道圓心呈同心圓布置，所述圓端形凸塊與圓端形凹槽之間的間隙為等間距。這種方式的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)操作人員的技術(shù)素質(zhì)要求過(guò)高，需要專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)，而且存放管片時(shí)需要占據(jù)較大的空間；此外，對(duì)于圍巖變形較大的情況，仍然容易發(fā)生管片的開(kāi)裂或破壞，不能從根本上很好的解決圍巖變形所導(dǎo)致的襯砌破壞的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種TBM施工中控制隧道管片錯(cuò)臺(tái)的結(jié)構(gòu)型式，具體提供一種TBM施工中控制錯(cuò)臺(tái)的復(fù)合管片、隧道結(jié)構(gòu)及施工方法。

為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種TBM施工中控制錯(cuò)臺(tái)的復(fù)合管片，包括預(yù)制的混凝土管片單元，所述混凝土管片單元靠近圍巖側(cè)設(shè)有用以吸收圍巖變形的緩沖材料層。

緩沖材料的作用包括一方面利用其高壓縮性吸收圍巖的變形，減小管片上所受的圍巖形變壓力，從而減小管片的整體變形，防止管片錯(cuò)臺(tái)的發(fā)生。另一方面，減小圍巖軟硬不均導(dǎo)致的管片上的應(yīng)力集中，使管片的上的圍巖壓力更為均勻，減小管片錯(cuò)臺(tái)的發(fā)生。

此處的復(fù)合管片為管片單元，若干復(fù)合管片拼裝形成隧道管片的一環(huán)，相鄰管片環(huán)之間通過(guò)接頭連接，進(jìn)而形成隧道的襯砌結(jié)構(gòu)。

所述緩沖材料層與所述混凝土管片單元的大小一致。此處的大小一致，是指沿隧道周向和縱向的尺寸大小一致。緩沖材料層完全覆蓋在混凝土管片單元的外側(cè)，可以保證襯砌管片受力均勻。

所述緩沖材料層的厚度為5-20cm。緩沖材料層的厚度過(guò)小，無(wú)法充分吸收圍巖的變形能，起不到顯著降低承壓管片受力的作用；緩沖材料層的厚度過(guò)大，TBM掘進(jìn)機(jī)擴(kuò)挖難以實(shí)現(xiàn)。緩沖材料層的厚度為5-20cm，相當(dāng)于為圍巖提供5-20cm的卸荷變形空間，既能起到顯著降低承壓管片受力的作用，又能保證圍巖整體的穩(wěn)定性，控制管片錯(cuò)臺(tái)的綜合效果達(dá)到最優(yōu)水平。

所述緩沖材料的抗壓強(qiáng)度為1-5MPa，可以確保在緩沖材料層的變形達(dá)到極限變形之前，管片基本不受力，在達(dá)到極限變形之后，緩沖層傳遞給管片部分圍巖壓力。緩沖層的存在確保相鄰管片在不均勻荷載作用時(shí)，產(chǎn)生相對(duì)均勻的變形，減小相鄰管片接頭的受力，可以有效避免管片錯(cuò)臺(tái)的發(fā)生。

所述緩沖材料的極限應(yīng)變?yōu)?0％-90％，緩沖材料層采用很強(qiáng)的壓縮材料，其極高的變形能力為圍巖提供了足夠的卸荷變形空間，可以有效減小混凝土管片的受力。

所述緩沖材料層的材料采用聚氨酯或泡沫混凝土。采用聚氨酯和泡沫混凝土，施工工藝成熟，成本較低，且符合緩沖材料層相應(yīng)的力學(xué)性能要求。

所述緩沖材料層與所述混凝土管片單元通過(guò)螺栓或粘貼的方式連接。當(dāng)使用泡沫混凝土?xí)r，可以采用螺栓進(jìn)行連接；當(dāng)使用聚氨酯時(shí)，可以采用粘貼的方式連接。

TBM施工中控制襯砌管片錯(cuò)臺(tái)的型式，其中管片襯砌由若干復(fù)合管片拼裝而成。在襯砌管片外側(cè)鋪設(shè)緩沖層，可以利用圍巖卸荷效應(yīng)減小施加到每個(gè)管片上的力；此外，由于地應(yīng)力是在一個(gè)系統(tǒng)中發(fā)生的，相鄰的圍巖應(yīng)力具有相互適應(yīng)和協(xié)調(diào)的特點(diǎn)，因此緩沖材料層可以使得相鄰管片的受力更加均勻，減小襯砌管片受力不均勻?qū)е碌腻e(cuò)臺(tái)發(fā)生。

TBM施工中控制錯(cuò)臺(tái)的施工方法，包括以下步驟：

步驟1：按照設(shè)計(jì)尺寸制作滿(mǎn)足強(qiáng)度和變形要求的緩沖材料層；

步驟2：將所述緩沖材料層安裝到預(yù)制混凝土管片單元的外側(cè)，形成復(fù)合管片；

步驟3：利用TBM掘進(jìn)機(jī)拼裝所述復(fù)合管片，形成控制管片錯(cuò)臺(tái)的隧道結(jié)構(gòu)。

步驟1中，所述緩沖材料層的設(shè)計(jì)尺寸根據(jù)相應(yīng)的混凝土管片單元的尺寸確定。

TBM施工中控制錯(cuò)臺(tái)的施工方法，包括以下步驟：

步驟1：制作復(fù)合管片，所述復(fù)合管片靠近圍巖一側(cè)設(shè)有緩沖材料層；

步驟2：利用TBM掘進(jìn)機(jī)拼裝所述復(fù)合管片，形成控制管片錯(cuò)臺(tái)的隧道結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的有益效果是：

在TBM隧道施工中，針對(duì)管片錯(cuò)臺(tái)的傳統(tǒng)的應(yīng)對(duì)措施，往往是增加管片厚度、加固圍巖或改變管片接頭形式，希望通過(guò)增強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)的受力性能，來(lái)改善管片錯(cuò)臺(tái)的問(wèn)題。但是，在實(shí)際的地下工程中，特別是對(duì)于埋深較深的情況，受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，地應(yīng)力往往非常大，單純依靠提高襯砌結(jié)構(gòu)的受力性能來(lái)承擔(dān)巨大的地應(yīng)力，往往起不到很好的效果。因此以往的工程實(shí)踐中，即使將襯砌結(jié)構(gòu)的承載能力大幅提高，在巨大的地應(yīng)力面前，襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)裂破壞的現(xiàn)象仍然非常嚴(yán)重，根本無(wú)法有效解決管片錯(cuò)臺(tái)的問(wèn)題，既造成了施工成本的大幅增加，又無(wú)法收到良好的效果。

可見(jiàn)，在以往的TBM隧道襯砌設(shè)計(jì)中，只注重通過(guò)提高襯砌結(jié)構(gòu)的受力性能來(lái)承擔(dān)現(xiàn)有荷載，而沒(méi)有考慮到如何通過(guò)減小荷載的措施來(lái)保證結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

在混凝土管片外側(cè)鋪設(shè)的緩沖層材料具有輕質(zhì)、低彈和高壓縮性的特點(diǎn)，緩沖層可以大大減小了施加到每個(gè)承壓管片上的力；緩沖材料層可以使得相鄰管片的受力更加均勻，減小承壓管片受力不均勻?qū)е碌腻e(cuò)臺(tái)發(fā)生。

此外，控制管片錯(cuò)臺(tái)的管片單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有凹凸結(jié)構(gòu)，便于存放運(yùn)輸，而且施工過(guò)程簡(jiǎn)單，質(zhì)量容易得到保證，大大降低了施工的經(jīng)濟(jì)成本。

附圖說(shuō)明

圖1是傳統(tǒng)的管片襯砌結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是控制錯(cuò)臺(tái)的隧道結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是復(fù)合管片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是緩沖材料層典型的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系示意圖；

圖中：1.緩沖材料層，2.混凝土管片，3.管片單元。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例1：

傳統(tǒng)的TBM施工軟巖隧道，如圖1所示，當(dāng)發(fā)生大變形時(shí)，很容易因?yàn)橄噜彽墓芷瑔卧?變形不一致而導(dǎo)致錯(cuò)臺(tái)。

在圍巖與襯砌之間增設(shè)一層緩沖層材料，用于吸收圍巖的變形，并使得管片上的受力更為均勻，以減小管片錯(cuò)臺(tái)的發(fā)生。該緩沖材料可以采用聚氨酯、泡沫混凝土等具有高彈、低強(qiáng)和高延性特點(diǎn)的材料。緩沖材料可以再管片按照前預(yù)先按照在預(yù)制管片之上，然后隨管片一起拼裝。

一種TBM施工中控制錯(cuò)臺(tái)的復(fù)合管片，包括預(yù)制的混凝土管片2，混凝土管片單元的外側(cè)設(shè)有用以吸收圍巖變形的緩沖材料層1。

在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，由于圍巖具有卸荷松弛效應(yīng)，當(dāng)臨空面處的圍巖向開(kāi)挖面方向發(fā)生較小的位移時(shí)，圍巖的地應(yīng)力水平就會(huì)急劇降低。利用圍巖卸荷松弛的這一特點(diǎn)，在傳統(tǒng)的襯砌預(yù)制管片的外側(cè)，布設(shè)緩沖材料層1，圍巖在尚未變形時(shí)，對(duì)緩沖材料層1施加非常大的壓力，但是緩沖材料層1的變形吸收了圍巖大量的能量，而且隨著卸荷松弛效應(yīng)的發(fā)生導(dǎo)致圍巖應(yīng)力急劇減小，從而使圍巖實(shí)際施加在預(yù)制承載管片上的壓力大幅降低，大大減小了襯砌管片的受力。

此處的混凝土管片單元即為普通的由鋼筋混凝土構(gòu)成的TBM混凝土管片單元。

緩沖材料層1與混凝土管片單元的大小一致。此處的大小一致，是指沿隧道周向和縱向的尺寸大小一致。緩沖材料層1完全覆蓋在混凝土管片單元的外側(cè)，可以保證襯砌管片受力均勻。

緩沖材料層1的厚度為5-20cm。緩沖材料層1的厚度過(guò)小，無(wú)法充分吸收圍巖的變形能，起不到顯著降低承壓管片受力的作用；緩沖材料層1的厚度過(guò)大，容易引起圍巖深層的卸荷裂隙發(fā)展張開(kāi)，進(jìn)而弱化巖體的整體強(qiáng)度，不利于圍巖整體的穩(wěn)定性。緩沖材料層1的厚度為5-20cm，相當(dāng)于為圍巖提供5-20cm的卸荷變形空間，既能起到顯著降低承壓管片受力的作用，又能保證圍巖整體的穩(wěn)定性，控制管片錯(cuò)臺(tái)的綜合效果達(dá)到最優(yōu)水平。

緩沖材料層1采用的典型應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖4所示，圖中，σ_s為抗壓強(qiáng)度，ε_lim為極限應(yīng)變，從圖中可以看出，當(dāng)緩沖材料層1的應(yīng)力水平達(dá)到其抗壓強(qiáng)度σ_s后，仍具有較強(qiáng)的變形能力。緩沖材料的強(qiáng)度可以為1-5MPa，其極限應(yīng)變?chǔ)?sub>lim可達(dá)40-70％，可以很好的吸收圍巖的形變壓力，減小管片上的受力，從而減小錯(cuò)臺(tái)發(fā)生的可能。

具體的，緩沖材料層1的材料采用聚氨酯或泡沫混凝土。采用聚氨酯和泡沫混凝土，施工工藝成熟，成本較低，且符合緩沖材料層1相應(yīng)的力學(xué)性能要求。

緩沖材料層1與混凝土管片單元通過(guò)螺栓或粘貼的方式連接。當(dāng)使用泡沫混凝土?xí)r，可以采用螺栓進(jìn)行連接；當(dāng)使用聚氨酯時(shí)，可以采用粘貼的方式連接。

一種TBM施工中控制錯(cuò)臺(tái)的隧道結(jié)構(gòu)，隧道襯砌由若干控制管片錯(cuò)臺(tái)的復(fù)合管片拼裝而成。在承壓管片外側(cè)鋪設(shè)緩沖層，可以利用圍巖卸荷效應(yīng)減小施加到每個(gè)承壓管片上的受力；此外，由于地應(yīng)力是在一個(gè)系統(tǒng)中發(fā)生的，相鄰的圍巖應(yīng)力具有相互適應(yīng)和協(xié)調(diào)的特點(diǎn)，因此緩沖材料層1可以使得相鄰管片的受力更加均勻，減小承壓管片受力不均勻?qū)е碌腻e(cuò)臺(tái)發(fā)生。

TBM施工中控制錯(cuò)臺(tái)的施工方法，包括以下步驟：

步驟1：按照設(shè)計(jì)尺寸，預(yù)制切割緩沖材料層1，制作滿(mǎn)足強(qiáng)度和變形要求的緩沖材料層1；

步驟2：將緩沖材料層1安裝到預(yù)制襯砌管片的外側(cè)，形成控制錯(cuò)臺(tái)的復(fù)合管片，當(dāng)緩沖材料層1采用泡沫混凝土?xí)r，采用螺栓進(jìn)行連接，當(dāng)緩沖材料層1采用聚氨酯時(shí)，采用粘貼方式連接；

步驟3：利用TBM掘進(jìn)機(jī)拼裝復(fù)合管片，形成控制管片錯(cuò)臺(tái)的隧道結(jié)構(gòu)。

對(duì)所公開(kāi)的實(shí)施例的上述說(shuō)明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見(jiàn)的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)，未予以詳細(xì)說(shuō)明的部分，為現(xiàn)有技術(shù)，在此不進(jìn)行贅述。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開(kāi)的原理和特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。