拱腹式超高性能混凝土预制盾构隧道管片结构及设计方法

技术领域

本发明涉及地铁盾构隧道管片结构技术领域，尤其涉及一种拱腹式超高性能混凝土预制盾构隧道管片结构；

本发明还涉及上述管片结构的设计方法。

背景技术

随着城市化进程推进，我国城市轨道交通隧道建设快速推进，盾构法施工作为城市地下隧道施工的主要施工形式被广泛应用在地铁、地下管廊和地下排水通道等城市地下空间工程建设中。然而在盾构隧道运营阶段，盾构隧道管片不可避免地出现不同程度的损伤裂缝、应力松弛和接头局部破坏等问题，最终导致隧道变形过大和隧道渗漏水等工程问题，严重影响列车行驶安全。

盾构管片作为盾构法施工中主要的承载构件，需要满足承载力要求的同时还需要有足够的刚度和韧性来满足隧道的变形控制和抗渗要求。现今普通钢筋混凝土盾构隧道管片结构自重大抗裂性能较差，容易在地铁隧道施工和运营过程中产生裂缝，形成渗流路径造成严重的隧道渗水问题，无法满足地下结构长期使用的耐久性要求。同时运营期管片环缝间的应力松弛问题和螺栓接头混凝土局部破坏问题也是管片接缝错台张开变形和接缝渗漏水问题的重要诱因。

发明内容

本发明的目的是提供一种拱腹式超高性能混凝土预制盾构隧道管片结构来解决管片结构运营期间抗裂性能差渗漏水严重、环缝间应力松弛和螺栓接头处混凝土局部破坏三大技术问题。

本发明的另一个目的是提供上述管片结构的设计方法，便于设计上述管片结构。

针对本发明拱腹式超高性能混凝土预制盾构隧道管片结构来说，其包括：

管片主体，所述管片主体包括：拱顶，拱腹，拱脚，混凝土内部的钢筋网，管片注浆孔，管片接缝凹槽，所述拱腹的横向截面为弧面片状结构；

拱腹还具有拱形的纵向截面。

作为本发明管片结构进一步的改进，拱形的纵向截面是由拱腹处的管片主体上，成矩形的纵向截面中间减薄混凝土厚度而形成。

作为本发明管片结构进一步的改进，拱顶处的混凝土层最小厚度不小于150mm。

作为本发明管片结构进一步的改进，超高性能混凝土抗压强度不小于120MPa。

作为本发明管片结构进一步的改进，管片注浆孔位于管片主体中心位置，管片注浆孔周围配置螺旋箍筋，在管片注浆孔附近区域内的混凝土层局部加厚并设置相应的第二加强肋；

本发明管片结构还具有另一种改进，管片结构还包括：

局部加强带，其为沿管片主体四周边缘周长路径布置的闭合的条带状钢筋混凝土加厚层。

优选的，所述局部加强带上垂直于其轴向的截面，此截面的宽度为100~200mm，厚度不小于300mm。

优选的，管片主体两侧拱脚处预留部分作为局部加强带。

优选的，局部加强带的受力主筋与管片主体内的钢筋网通过焊接方式形成整体钢筋笼，其中：

拱腹内的环向主筋与纵向构造钢筋通过焊接方式形成钢筋网，拱腹内的纵向构造钢筋部分伸入局部加强带，并与局部加强带内的受力主筋通过焊接方式连接形成整体钢筋网。

优选的，局部加强带内按暗梁边缘构件单独配置受力钢筋，局部加强带纵横向相交节点应加强配筋。

优选的，管片结构还包括直螺栓预留孔，其是位于局部加强带上用于与相邻管片主体相连的螺栓孔，螺栓孔周围配置螺旋箍筋进行局部加强。

优选的，直螺栓预留孔处的局部加强带和管片主体两端弧面片状结构之间采用倾斜面过渡，在倾斜面两侧设置第一加强肋，第一加强肋为直角四面体混凝土加强肋。

针对本发明拱腹式超高性能混凝土预制盾构隧道管片结构的设计方法来说，具体包括如下步骤：

1）根据采用的超高性能混凝土材料强度、钢筋型号和根据规范计算所承受的外荷载产生的内力确定管片纵向正截面尺寸，确定拱顶厚度h

2）超高性能混凝土管片主体拱腹区正截面承载力计算时利用平均截面厚度

3）管片主体拱腹区内力复核：分别按受弯构件正截面承载力和大偏心受压构件正截面承载力计算进行内力复核，并进行环向主筋配筋面积的计算；

4）对比按受弯构件正截面承载力计算和按大偏心受压构件正截面承载力计算的配筋结果，选择其中配筋面积大的方案进行配筋。

作为本发明设计方法进一步的改进，步骤3）中，受弯构件正截面承载力验算：

超高性能混凝土受压区高度由以下公式确定：

超高性能混凝土受压区高度符合以下条件：

式中：

A

A

α

σ

b——等效矩形截面的宽度，b=b

b

h

h——等效矩形截面高度，h=h

ξ

ɑ

ɑ

ɑ——纵向普通受拉钢筋和预应力受拉钢筋的合力点至截面近边缘的距离，单位：mm。

作为本发明设计方法进一步的改进，步骤3）中，大偏心受压构件正截面承载力验算：

式中：

e——轴向压力作用点至纵向普通受拉钢筋和预应力受拉钢筋合力作用点的距离，单位：mm；

e

e

σ

A

A

h

ɑ

ɑ

ɑ——纵向普通受拉钢筋和预应力受拉钢筋的合力点至截面近边缘的距离，单位：mm。

作为本发明设计方法进一步的改进，管片结构还包括：

局部加强带，其为沿管片主体四周边缘周长路径布置的闭合的条带状钢筋混凝土加厚层；

直螺栓预留孔，其是位于局部加强带上用于与相邻管片主体相连的螺栓孔，螺栓孔周围配置螺旋箍筋进行局部加强；

局部加强带的设计方法如下：

S1：根据直螺栓安装所需长度、混凝土材料强度和管片主体拱腹区传递的荷载确定边缘局部加强带的宽度b

S2：对管片主体边缘局部加强带的矩形正截面进行内力复核：分别按受弯构件正截面承载力和大偏心受压构件正截面承载力计算进行内力复核，并进行环向主筋配筋面积的计算。

作为本发明设计方法进一步的改进，S2中，

受弯构件正截面承载力验算：

超高性能混凝土受压区高度由以下公式确定：

超高性能混凝土受压区高度符合以下条件：

式中

A

A

α

σ

b ——等效矩形截面的宽度，b=b

b

h

h——等效矩形截面高度，h=h

ξ

ɑ

ɑ

ɑ——纵向普通受拉钢筋和预应力受拉钢筋的合力点至截面近边缘的距离，单位：mm。

作为本发明设计方法进一步的改进，S2中，大偏心受压构件正截面承载力验算：

式中：

e——轴向压力作用点至纵向普通受拉钢筋和预应力受拉钢筋合力作用点的距离，单位：mm；

e

e

σ

A

A

h

ɑ

ɑ

ɑ——纵向普通受拉钢筋和预应力受拉钢筋的合力点至截面近边缘的距离，单位：mm。

本发明的有益效果：

1.从结构受力方面，管片主体纵向采用拱腹式结构形式，通过成拱效应将管片部分荷载沿纵向传递至拱脚处形成环缝间的压紧力，有效改善运营期管片环间接缝应力松弛问题，减少管片环间接缝错台与张开量。

2.从结构防水性能方面，管片整体采用超高性能混凝土，该材料具有较强抗拉裂能力，能够有效减少管片体张拉裂缝的产生，从根本上减少渗流路径的产生，提高管片防水性能，有效缓解盾构隧道运营期普遍存在的渗漏水严重的问题。

3.从结构安全方面，利用超高性能混凝土材料高抗压强度特点以及结合拱腹式结构形式承压为主的受力特点，管片整体承载能力有较大的提高，在同等尺寸设计下，本发明较普通混凝土盾构隧道管片有更高的结构承载能力作为安全储备以满足地下结构长期服役使用的需求。

4.从经济效益方面，拱腹式结构形式减薄管片主体中部混凝土厚度，减少了混凝土使用量；同时由于使用超高性能混凝土作为管片主体材料，抗压强度有较大提升，可以减少钢筋的使用量，两者结合降低了材料成本产生很高的经济效益。

5.从管片接头受力性能方面，本发明在螺栓接头处设置局部加强肋，并均使用超高性能混凝土进行局部加强，有效地解决因螺栓预紧力过大或接缝变形过大而导致的接头处混凝土局部开裂破坏的问题，改善了盾构隧道管片接头力学性能。

附图说明

图1为本发明拱腹式超高性能混凝土预制盾构隧道管片整体示意图。

图2为沿图1中A-A方向的剖视图。

图3为沿图1中B-B方向的剖视图。

图4为沿图1中C-C方向的剖视图。

图5为沿图1中D-D方向的剖视图。

图6为沿图1中E-E方向的剖视图。

图7为沿图1中F-F方向的剖视图。

图8为沿图1中G-G方向的剖视图。

图9为沿图1中C-C方向的剖面钢筋分布图。

图10为沿图1中G-G方向的剖面钢筋分布图。

图11为图1中手孔区域细节详图。

附图标记：1、拱腹；2、管片接缝凹槽；3、第一加强肋；4、直螺栓预留孔；5、局部加强带；6、管片注浆孔；7、第二加强肋；8、手孔；9、局部加强带钢筋；10、拱腹钢筋；11、螺旋箍筋。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、 “上”、“下”、 “左”、 “右”、 “竖直”、“水平”、 “内”、 “外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、 “第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、 “相连”、 “连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1-11所示，一种拱腹式超高性能混凝土预制盾构隧道管片，包括：

拱腹1，位于超高性能混凝土管片主体拱腹区；

管片接缝凹槽2；

直螺栓预留孔4；

第一加强肋3，位于直螺栓预留孔4处；

局部加强带5，位于管片主体边缘；

管片注浆孔6；

第二加强肋7，位于管片注浆孔6处；

手孔8，手孔8附近为混凝土加强区域；

局部加强带钢筋9；

拱腹钢筋10，位于管片主体拱腹区内；

螺旋钢筋11，位于管片注浆孔6处。

1）超高性能混凝土管片主体拱腹区采用双向拱形结构形式，即横向截面采用弧面片状结构，纵向截面通过减薄管片体腹部混凝土厚度形成拱式结构。

2）所述超高性能混凝土管片主体拱腹区纵向截面的拱式结构通过逐步减薄管片体腹部混凝土厚度形成拱形构造，拱顶处混凝土层最小厚度不宜小于150mm，两侧拱脚位置应预留100~200mm的宽度范围作为管片体边缘局部加强带。

3）所述超高性能混凝土管片主体拱腹区内应按设计荷载计算均匀配置环向受力主筋和构造钢筋并且验算纵向正截面承载力。

4）所述超高性能混凝土管片主体拱腹区内的环向主筋与纵向构造钢筋通过焊接方式形成钢筋网。

5）所述超高性能混凝土管片主体拱腹区的纵向构造钢筋应部分伸入管片体边缘局部加强带与局部加强带内部受力主筋通过焊接方式连接形成整体钢筋网。

6）所述超高性能混凝土抗压强度不小于120MPa。

7）所述管片体边缘局部加强带为沿管片四周边缘周长路径布置的闭合的条带状钢筋混凝土加厚层，该区域宽度为100~200mm，厚度不宜小于300mm。

8）所述管片体边缘局部加强带内按暗梁边缘构件单独配置受力钢筋，且加强带纵横向相交节点应加强配筋保证加强带的整体刚度。

9）所述管片体边缘局部加强带受力钢筋应与上述管片主体钢筋网通过焊接方式形成整体钢筋笼。

10）所述直螺栓预留孔是位于管片体边缘局部加强带上用于与相邻管片体相连的螺栓孔，直径为32mm，螺栓孔周围应配置螺旋箍筋进行局部加强。

11）所述直螺栓预留孔处混凝土加强带和管片体弧面之间采用倾斜平面过渡，并在两侧设置直角四面体混凝土加强肋，具体构造参考附图1。

12）所述注浆预留孔位于管片体中心位置，直径为107mm，注浆孔周围应配置螺旋箍筋进行局部加固，且在附近区域内混凝土层应局部加厚50mm并设置相应加强肋。

实施例2

某盾构隧道管片外径6000mm，环宽1500mm。隧道管片整体采用超高性能混凝土材料，混凝土等级为UC120，钢筋型号采用HRB400，混凝土保护层厚度取20mm，最小配筋率设计载荷为最大正弯矩设计值277.0kN·m，对应轴力设计值-1867.5kN。

拱腹式超高性能混凝土盾构隧道管片主体拱腹区设计方法如下：

1.根据采用的超高性能混凝土材料强度、钢筋型号和根据规范计算所承受的外荷载产生的内力确定管片纵向正截面尺寸，确定拱顶厚度h

初步拟定拱顶厚度h

2.超高性能混凝土管片主体拱腹区正截面承载力计算时利用平均截面厚度

经计算

管片主体拱腹区内力复核：分别按受弯构件正截面承载力和大偏心受压构件正截面承载力计算进行内力复核，并进行环向主筋配筋面积的计算。

受弯构件正截面承载力验算：

若A

经计算A

按最小配筋率配筋A

A

①大偏心受压构件正截面承载力验算：

经计算A

按最小配筋率配筋A

A

对比按受弯构件计算和按大偏心受压构件计算的配筋结果，后者所需配筋面积更大，因此超高性能混凝土盾构隧道管片主体拱腹区正截面配筋方案选取按照大偏心构件计算的配筋方案。

拱腹式超高性能混凝土预制盾构隧道管片设计方法，其超高性能混凝土管片体边缘局部加强带设计方法如下：

1.根据直螺栓安装所需长度、混凝土材料强度和管片体拱腹区传递的荷载确定边缘局部加强带的宽度b

初步拟定管片体边缘局部加强带宽度b

2.对管片体边缘局部加强带的矩形正截面进行内力复核：分别按受弯构件正截面承载力和大偏心受压构件正截面承载力计算进行内力复核，并进行环向主筋配筋面积的计算。

①受弯构件正截面承载力验算：

若A

经计算A

A

②大偏心受压构件正截面承载力验算：

经计算A

对比按受弯构件计算和按大偏心受压构件计算的配筋结果，后者所需配筋面积更大，因此超高性能混凝土盾构隧道管片体边缘局部加强带正截面配筋方案选取按照大偏心构件计算的配筋方案。

本发明可以解决传统盾构隧道管片结构自重大、抗裂性能差、运营期易渗漏水问题。同时通过采用纵向拱腹式结构，优化传力路径，将管片承受的土体压力荷载部分转化为位于管片环缝拱脚处的纵向水平推力，进一步压紧管片环间接缝，解决运营期环间接缝应力松弛问题。在管片四周边缘设置局部加强带和螺栓孔处设置加强肋，有效提高应力集中位置的结构承载力，解决因螺栓预紧力而导致的接头处局部混凝土破坏问题。

本发明盾构隧道管片整体采用超高性能混凝土材料，区别于普通盾构隧道管片，新型管片采用双向拱腹结构形式，且在管片体四周边缘设置局部加强带和螺栓孔处设置加强肋。本发明拱腹式超高性能混凝土预制盾构隧道管片结构具有高强度、高韧性、高耐久性的特点，能够有效减小管片厚度，减轻自重，增大隧道可用空间，能够有效减少管片表面裂缝产生，解决隧道运营期普遍的渗漏水问题；隧道纵向采用拱结构形式，将管片承受外荷载部分转化为拱脚处的纵向推力压紧管片环缝，有利于解决盾构隧道管片环缝间应力松弛问题和因此导致的管片错台张开渗漏水等系列问题；管片体边缘设置局部加强带和螺栓孔处设置加强肋，能有效解决管片接缝由于螺栓预紧力产生的混凝土局部开裂破坏问题。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围之内。