申请/专利权人：中铁第四勘察设计院集团有限公司

申请日：2019-04-09

公开（公告）日：2024-04-19

公开（公告）号：CN109958457B

主分类号：E21D11/08

分类号：E21D11/08;E21D9/06

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.19#授权;2019.07.26#实质审查的生效;2019.07.02#公开

摘要：本发明公开了穿越特殊地层隧道的管片环间抗剪结构及其设置方法，属于隧道工程技术领域，其中通过在可同轴匹配的两管片环端面上分别对应预埋设置圆钢环和预埋螺栓套，并对应预埋螺栓套设置具有缓冲垫的抗剪螺栓，使得抗剪螺栓的一端可对应匹配连接在预埋螺栓套中，且其另一端可在两管片环对应匹配后嵌入对应的圆钢环中，继而在两管片环匹配后形成盾构隧道的环间抗剪结构。本发明的管片环间抗剪结构，其结构简单，设置简便，能有效提升盾构隧道的环间抗剪能力，确保盾构隧道设置的稳定性和安全性，准确适用于盾构隧道的各种受力情形，设置的灵活性高，稳定性强，能大大提升盾构隧道设置的安全性和稳定性，具有较好的应用前景和推广价值。

主权项：1.一种穿越特殊地层隧道的管片环间抗剪结构，包括沿隧道纵向相互配合布置的相邻第一管片环和第二管片环，其特征在于，所述第一管片环和所述第二管片环之间对应的配合面上分别沿环向间隔设置有多个呈同心圆布置的预埋螺栓套和圆钢环，各所述预埋螺栓套可在两管片环同轴匹配后分别与对应的所述圆钢环在纵向上同轴对正；其中，所述圆钢环沿环向等间隔设置，所述预埋螺栓套沿环向等间隔设置，且相邻两所述圆钢环的环向间距等于相邻两所述预埋螺栓套的环向间距；所述圆钢环为一端封闭且中部具有圆柱形空腔的筒状结构，其预埋设置在所述第二管片环的端部，且所述圆钢环的端部不突出于所述第二管片环的端面，并使得所述圆钢环的轴线平行于所述第二管片环的轴线且所述圆柱形空腔连通所述第二管片环的端面；所述预埋螺栓套沿纵向预埋在所述第一管片环的端部，其一端连通所述第一管片环的端面；相应地，全部或者部分所述预埋螺栓套中分别设置有呈长杆状的抗剪螺栓，所述抗剪螺栓的一端为可与所述预埋螺栓套以螺纹匹配连接的连接端，另一端为可与所述圆钢环匹配的限位端，所述限位端可在所述连接端连接所述预埋螺栓套时突出所述第一管片环的端面，且所述限位端的外周上套设有一定长度的缓冲垫，以及两管片环同轴对正并以配合面抵接匹配时，各所述抗剪螺栓的限位端可同轴嵌入对应的圆钢环中；其中，所述限位端的端部设置有外径大于所述抗剪螺栓杆体外径的螺帽，且所述限位端的外周上沿环向设置有环形限位凸台；所述环形限位凸台与所述螺帽在纵向上间隔一定的距离，且所述缓冲垫可对应套设在所述环形限位凸台与所述螺帽之间的杆体上，以及所述缓冲垫的外径分别大于所述环形限位凸台的外径和所述螺帽的外径，且所述缓冲垫的外径小于所述圆钢环的外径。

全文数据：穿越特殊地层隧道的管片环间抗剪结构及其设置方法技术领域本发明属于隧道工程技术领域，具体涉及一种穿越特殊地层隧道的管片环间抗剪结构及其设置方法。背景技术近年来，我国的盾构隧道得到了快速的发展，在地铁、铁路、公路、输水、输气等领域得到了广泛的应用，极大地提升了人和物运输的效率，节约了运输的成本。在盾构隧道的施工过程中，经常会遇到穿越特殊地层的情况，例如穿越活动断层、软硬不均地层、顶部荷载突变地层或地质条件突变地层等。盾构隧道在穿越上述特殊地层时，往往会存在管片衬砌环间错动的风险，这也是盾构隧道在特殊地层中设置时需要重点关心的问题之一。目前，为了保证盾构隧道在穿越特殊地层时的设置安全性和稳定性，最常见的做法是在盾构隧道的管片环间设置凹凸榫。例如，在本申请人的在先申请CN103924983B中，公开了一种圆形凹凸榫型盾构隧道管片环间抗剪结构，其包括沿隧道纵向相互配合布置的相邻第一管片环和第二管片环，所述第一管片环和第二管片环之间对应的配合面上分别设有多个相互配合的圆形凸块和圆形凹槽，所述多个圆形凸块和圆形凹槽按隧道圆心呈同心圆布置，所述圆形凹槽的直径大于圆形凸块的直径，所述圆形凸块与圆形凹槽之间的间隙为等间距。通过上述管片环间抗剪结构的设置，能一定程度提升盾构隧道管片的环间抗剪能力，确保盾构隧道在特殊地层中受位错应力时能一定程度保证隧道的稳定性。但是，通过不断的研究测试和长期的实际应用发现，上述管片环间抗剪结构存在较大的应用缺陷。虽然管片的对接面上设置有分布式凹凸榫，管片在发生位错时可以由多个凹凸榫同时受力；但是，由于上述环间抗剪结构的凹凸榫结构往往是混凝土结构，其设置受管片钢筋布置的制约，凹凸榫的设置长度往往较短，且混凝土结构的凹凸榫其抗剪能力往往也较差。对于穿越特殊地层的盾构隧道而言，上述分布式凹凸榫结构的抗环间错动能力往往有限，仍然存在发生环间错动的可能性，无法充分满足盾构隧道管片在穿越特殊地层时的应用需求，存在较大的局限性。发明内容针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的一种或者多种，本发明提供了穿越特殊地层隧道的管片环间抗剪结构及其设置方法，其中通过在可同轴匹配的两管片环端面上分别对应预埋设置圆钢环和预埋螺栓套，并对应预埋螺栓套设置具有缓冲垫的抗剪螺栓，使得抗剪螺栓的一端可对应匹配连接在预埋螺栓套中，且其另一端可在两管片环对应匹配后嵌入对应的圆钢环中，从而形成盾构隧道的环间抗剪结构，有效提升盾构隧道的环间抗剪能力，确保穿越特殊地层的盾构隧道的设置安全。为实现上述目的，本发明的一个方面，提供一种穿越特殊地层隧道的管片环间抗剪结构，包括沿隧道纵向相互配合布置的相邻第一管片环和第二管片环，其特征在于，所述第一管片环和所述第二管片环之间对应的配合面上分别沿环向间隔设置有多个呈同心圆布置的预埋螺栓套和圆钢环，各所述预埋螺栓套可在两管片环同轴匹配后分别与对应的所述圆钢环在纵向上同轴对正；所述圆钢环为一端封闭且中部具有圆柱形空腔的筒状结构，其预埋设置在所述第二管片环的端部，且所述圆钢环的端部不突出于所述第二管片环的端面，并使得所述圆钢环的轴线平行于所述第二管片环的轴线且所述圆柱形空腔连通所述第二管片环的端面；所述预埋螺栓套沿纵向预埋在所述第一管片环的端部，其一端连通所述第一管片环的端面；相应地，全部或者部分所述预埋螺栓套中分别设置有呈长杆状的抗剪螺栓，所述抗剪螺栓的一端为可与所述预埋螺栓套以螺纹匹配连接的连接端，另一端为可与所述圆钢环匹配的限位端，所述限位端可在所述连接端连接所述预埋螺栓套时突出所述第一管片环的端面，且所述限位端的外周上套设有一定长度的缓冲垫，以及两管片环同轴对正并以配合面抵接匹配时，各所述抗剪螺栓的限位端可同轴嵌入对应的圆钢环中。作为本发明的进一步改进，所述圆钢环沿环向等间隔设置，所述预埋螺栓套沿环向等间隔设置，且相邻两所述圆钢环的环向间距等于相邻两所述预埋螺栓套的环向间距。作为本发明的进一步改进，所述限位端的端部设置有外径大于所述抗剪螺栓杆体外径的螺帽，且所述限位端的外周上沿环向设置有环形限位凸台；所述环形限位凸台与所述螺帽在纵向上间隔一定的距离，且所述缓冲垫可对应套设在所述环形限位凸台与所述螺帽之间的杆体上，以及所述缓冲垫的外径分别大于所述环形限位凸台的外径和所述螺帽的外径。作为本发明的进一步改进，所述缓冲垫为橡胶垫，且所述橡胶垫的外径小于所述圆钢环的外径。作为本发明的进一步改进，所述限位端的长度小于所述圆钢环的纵向长度，以使得所述限位端匹配嵌入所述圆钢环内时其端部不抵接所述圆钢环的底部。本发明的另一个方面，提供一种穿越特殊地层隧道的管片环间抗剪结构的设置方法，其步骤如下：S1：根据盾构隧道的隧道勘探参数计算所述盾构隧道设置后的环间允许错动量和需要提供的剪切力大小，以及确定盾构隧道可能存在环间错动的错动方向；S2：根据需要提供的剪切力大小和单个所述抗剪螺栓的抗剪强度，计算需要设置的所述抗剪螺栓的数量；S3：根据所述盾构隧道可能存在环间错动的错动方向确定所述抗剪螺栓在所述第一管片环端部环向上的布置形式；S4：根据所述抗剪螺栓的布置形式将对应数量的所述抗剪螺栓分别连接在对应的预埋螺栓套中；S5：将所述第一管片环和所述第二管片环以配合面同轴匹配，并使得各所述抗剪螺栓的限位端嵌入对应的圆钢环中，完成管片环间抗剪结构的设置。作为本发明的进一步改进，步骤S1中的隧道勘探参数包括工程地质条件、隧道结构设计要求和防水设计要求。上述改进技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：1本发明的穿越特殊地层隧道的管片环间抗剪结构，其中通过在可同轴匹配的两管片环端面上分别对应预埋设置圆钢环和预埋螺栓套，并对应预埋螺栓套设置具有缓冲垫的抗剪螺栓，使得抗剪螺栓的一端可对应匹配连接在预埋螺栓套中，且其另一端可在两管片环对应匹配后嵌入对应的圆钢环中，继而在两管片环匹配后形成盾构隧道的环间抗剪结构，以多个抗剪螺栓与对应圆钢环的匹配组合，大大提升了盾构隧道的环间抗剪能力，确保了穿越特殊地层的盾构隧道的设置安全；2本发明的穿越特殊地层隧道的管片环间抗剪结构，其通过优选第一管片环端部上设置的抗剪螺栓的数量和布置形式，使得抗剪螺栓的设置与盾构隧道在穿越特殊地层时受的环间剪切力相适应，不仅有效保证了盾构隧道的设置稳定性，还能有效节约抗剪螺栓的使用，减少了材料的浪费，提升了盾构隧道设置的稳定性和经济性；3本发明的穿越特殊地层隧道的管片环间抗剪结构的设置方法，其步骤简单，操作简便，可根据盾构隧道的勘探参数准确设置盾构隧道的管片环间抗剪结构，确保盾构隧道管片环间抗剪结构的设置与盾构隧道在特殊地层中的实际受力情形相适应，从而有效提升盾构隧道的设置稳定性和安全性；4本发明的穿越特殊地层隧道的管片环间抗剪结构，其结构简单，设置简便，能有效提升盾构隧道的环间抗剪能力，确保盾构隧道设置的稳定性和安全性，准确适用于盾构隧道的各种受力情形，设置的灵活性高，稳定性强，能大大提升盾构隧道设置的安全性和稳定性，具有较好的应用前景和推广价值。附图说明图1是本发明实施例中第一管片环和第二管片环组合拼装的组合端面示意图；图2是本发明实施例中的抗剪钢构件在两管片环同轴匹配时的剖面示意图；图3是本发明实施例中的抗剪钢构件在两管片环发生错动时的剖面示意图；图4时本发明实施例中的抗剪螺栓结构示意图；在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1.第一管片环，101.抗剪螺栓，102.缓冲垫，103.螺帽，104.环形限位凸台，105.预埋螺栓套；2.第二管片环，201.圆钢环。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本发明优选实施例中穿越特殊地层隧道的管片环间抗剪结构如图1～4中所示。其中，管片环间抗剪结构包括沿纵向依次配合布置的相邻第一管片环1和第二管片环2，两管片环同轴设置并以端面对应匹配，且两管片环的配合面上对应沿环向间隔设置有多组凹凸榫单元。具体地，优选实施例中的凹凸榫单元包括设置在第一管片环1一侧端面上的多个抗剪螺栓101和设置在第二管片环2一侧端面上的多个圆钢环201，并使得第一管片环1与第二管片环2对应匹配后，第一管片环1端面上的各抗剪螺栓101可以端部同轴嵌入对应的圆钢环201中，并使得第一管片环1的端面抵接第二管片环2的端面。进一步地，优选实施例中对应抗剪螺栓101在第一管片环1的端部沿环向间隔预埋设置有预埋螺栓套105，各预埋螺栓套105分别沿轴向设置，其一端连通第一管片环1的端面；相应地，抗剪螺栓101如图4中所示，具有呈长杆状的杆体，其一端为对应匹配预埋螺栓套105的连接端，另一端为突出第一管片环1端面并可对应嵌入圆钢环201中的限位端。显然，连接端与预埋螺栓套105可以螺纹进行连接。进一步地，在抗剪螺栓101限位端的端部设置有外径大于抗剪螺栓101杆体的端帽103，并对应该端帽103在限位端的外周上沿环向设置有环形限位凸台104，如图4中所示，端帽103与环形限位凸台104在轴向上间隔有一定距离；相应地，在端帽103与环形限位凸台104之间的杆体外周上套设有缓冲垫102，其两端面分别抵接端帽103和环形限位凸台104；进一步地，缓冲垫102的外径大于抗剪螺栓101的杆体外径，使得两管片环发生位错时，先由缓冲垫102的外周抵接圆钢环201的内周壁，继而再由抗剪螺栓101限位端的杆体抵接圆钢环201的内周壁，而缓冲垫102可在受力情况下产生一定范围内的变形，以对抗剪螺栓101承受的位错作用力进行缓冲。进一步优选地，所述缓冲垫102为橡胶垫。进一步地，在第二管片环2一侧端面上设置的圆钢环201如图2、3中所示，其优选预埋进第二管片环2对应第一管片环1的端面中，其端部不突出于第二管片环2的端面，优选与该端面平齐设置；进一步地，圆钢环201的内部形成有呈圆柱形的空腔，且多个圆钢环201按第二管片环2的同心圆布置；显然，多个抗剪螺栓101对应多个圆钢环201设置，即按第一管片环1的同心圆布置，并使得两管片环对应匹配后，各抗剪螺栓101可分别以限位端嵌入圆钢环201中。进一步地，优选实施例中的圆钢环201在第二管片环2的端面上沿环向等间距设置，如图1中所示，相应地，抗剪螺栓101可在第一管片环1的端面上沿环向等间距设置，即第一管片环1端部预埋设置的预埋螺栓套105对应圆钢环201沿环向等间距设置；进一步地额，优选实施例中第一管片环1端部预埋设置的预埋螺栓套105的数量与圆钢环201的布置数量相同，并使得两管片环同轴匹配后，各圆钢环201可在轴向上与对应的预埋螺栓套105同轴对正。进一步地，第一管片环1端部抗剪螺栓101的布置形式可根据实际工程的荷载计算结果进行优选；当盾构隧道有较大抗剪需求时，即隧道穿越极易发生位置错动的地层区域时，第一管片环1端部的每一个预埋螺栓套105中分别设置有抗剪螺栓101，即两管片环对应匹配后，各圆钢环201中均嵌入有抗剪螺栓101；当盾构隧道的抗剪需求一般时，第一管片环1端部的部分预埋螺栓套105可闲置，其内部不匹配设置抗剪螺栓101，即沿环向间隔设置的两抗剪螺栓101之间存在若干预埋螺栓套105；当多个预埋螺栓套105间隔选用时，沿环向间隔布置的抗剪螺栓101优选等间隔布置，即相邻两抗剪螺栓101之间留有未匹配抗剪螺栓101的预埋螺栓套105数量相等。进一步地，当穿越特殊地层的盾构隧道主要进行竖向位错时，可优选在第一管片环1沿竖向的两侧设置较多的抗剪螺栓101，而在第一管片环1沿纵向的两侧设置较少的抗剪螺栓101，例如第一管片环1顶部和底部的预埋螺栓套105中均设置有抗剪螺栓101，而在第一管片环1的纵向两侧，其抗剪螺栓101间隔若干预埋螺栓套105布设；显然，当穿越特殊地层的盾构隧道主要进行横向位错时，可对应在第一管片环1沿纵向的两侧设置较多的抗剪螺栓101，而在其沿竖向的两侧设置较少的抗剪螺栓101。当然，第一管片环1端部的抗剪螺栓101也不局限于上述所记载的布置形式，其可根据盾构隧道的实际受力情形而进行对应的设置，在保证盾构隧道抗位错能力的前提下，进一步减少了材料的浪费，提升了盾构隧道设置的安全性和稳定性。进一步地，当第一管片环1与第二管片环2同轴匹配时，抗剪螺栓101的限位端可嵌入对应的圆钢环201中，如图2中所示，不难看出，圆钢环201的内径大于抗剪螺栓101的外径，而优选实施例中缓冲垫102的外径大于抗剪螺栓101杆体的外径，且缓冲垫102的外径不大于圆钢环201的内径，优选实施例中缓冲垫102的外径小于圆钢环201的内径，使得两管片环之间可允许在一定尺寸内发生位错，继而缓冲垫102才抵接圆钢环201的内壁并对应产生形变以抵消两管片环之间的位错剪切力，如图3中所示。进一步地，本发明优选实施例中的管片环间抗剪结构在实际应用时，可优选按照如下步骤进行设置：S1：根据盾构隧道的隧道勘探参数计算盾构隧道设置后的环间允许错动量、需要提供的剪切力以及确定盾构隧道可能存在环间错动的错动方向，隧道勘探参数包括工程地质条件、隧道结构设计、防水设计等因素；S2：根据需要提供的剪切力和单个抗剪螺栓提供的抗剪强度，计算需要设置的抗剪螺栓的数量，并根据盾构隧道可能存在环间错动的错动方向确定抗剪螺栓在第一管片环端部环向上的布置形式，即确定对应连接抗剪螺栓的预埋螺栓套的数量和位置；S3：将多个抗剪螺栓匹配连接在对应的预埋螺栓套中，完成第一管片环的对应设置，继而将第一管片环与第二管片环对应拼装，将各抗剪螺栓的限位部对应嵌入圆钢环中，从而完成两管片环的对应匹配，实现管片环间抗剪结构的对应设置。本发明中穿越特殊地层隧道的管片环间抗剪结构，其结构简单，设置简便，通过在可同轴匹配的两管片环端面上分别对应预埋圆钢环和预埋螺栓套，并对应设置具有缓冲垫的抗剪螺栓，使得抗剪螺栓的一端可对应匹配连接在预埋螺栓套中，且其另一端可在两管片环对应匹配后嵌入对应的圆钢环中，从而实现两管片环的对应匹配连接，提升了两管片环的环间抗剪能力，满足穿越特殊地质的盾构隧道的受力要求；同时，由于抗剪螺栓的抗剪切性能明显强于混凝土结构，且预埋螺栓套的设置不受管片钢筋布置的制约，因而抗剪螺栓的限位端可有效避免现有凹凸榫设置长度较短的缺陷，由此可进一步提升环间抗剪结构的抗剪能力；以及第一管片环上的抗剪螺栓的布置形式可根据管片受力计算进行优选，更加符合盾构隧道在特殊地层中的受力现状，在满足管片环间抗剪能力的同时，进一步减少了材料的浪费，提升了盾构隧道设置的稳定性和经济性，具有较好的应用前景和推广价值。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种穿越特殊地层隧道的管片环间抗剪结构，包括沿隧道纵向相互配合布置的相邻第一管片环和第二管片环，其特征在于，所述第一管片环和所述第二管片环之间对应的配合面上分别沿环向间隔设置有多个呈同心圆布置的预埋螺栓套和圆钢环，各所述预埋螺栓套可在两管片环同轴匹配后分别与对应的所述圆钢环在纵向上同轴对正；所述圆钢环为一端封闭且中部具有圆柱形空腔的筒状结构，其预埋设置在所述第二管片环的端部，且所述圆钢环的端部不突出于所述第二管片环的端面，并使得所述圆钢环的轴线平行于所述第二管片环的轴线且所述圆柱形空腔连通所述第二管片环的端面；所述预埋螺栓套沿纵向预埋在所述第一管片环的端部，其一端连通所述第一管片环的端面；相应地，全部或者部分所述预埋螺栓套中分别设置有呈长杆状的抗剪螺栓，所述抗剪螺栓的一端为可与所述预埋螺栓套以螺纹匹配连接的连接端，另一端为可与所述圆钢环匹配的限位端，所述限位端可在所述连接端连接所述预埋螺栓套时突出所述第一管片环的端面，且所述限位端的外周上套设有一定长度的缓冲垫，以及两管片环同轴对正并以配合面抵接匹配时，各所述抗剪螺栓的限位端可同轴嵌入对应的圆钢环中。2.根据权利要求1所述的穿越特殊地层隧道的管片环间抗剪结构，其中，所述圆钢环沿环向等间隔设置，所述预埋螺栓套沿环向等间隔设置，且相邻两所述圆钢环的环向间距等于相邻两所述预埋螺栓套的环向间距。3.根据权利要求1或2所述的穿越特殊地层隧道的管片环间抗剪结构，其中，所述限位端的端部设置有外径大于所述抗剪螺栓杆体外径的螺帽，且所述限位端的外周上沿环向设置有环形限位凸台；所述环形限位凸台与所述螺帽在纵向上间隔一定的距离，且所述缓冲垫可对应套设在所述环形限位凸台与所述螺帽之间的杆体上，以及所述缓冲垫的外径分别大于所述环形限位凸台的外径和所述螺帽的外径。4.根据权利要求1～3中任一项所述的穿越特殊地层隧道的管片环间抗剪结构，其中，所述缓冲垫为橡胶垫，且所述橡胶垫的外径小于所述圆钢环的外径。5.根据权利要求1～4中任一项所述的穿越特殊地层隧道的管片环间抗剪结构，其中，所述限位端的长度小于所述圆钢环的纵向长度，以使得所述限位端匹配嵌入所述圆钢环内时其端部不抵接所述圆钢环的底部。6.一种权利要求1～5中任一项所述的穿越特殊地层隧道的管片环间抗剪结构的设置方法，其步骤如下：S1：根据盾构隧道的隧道勘探参数计算所述盾构隧道设置后的环间允许错动量和需要提供的剪切力大小，以及确定盾构隧道可能存在环间错动的错动方向；S2：根据需要提供的剪切力大小和单个所述抗剪螺栓的抗剪强度，计算需要设置的所述抗剪螺栓的数量；S3：根据所述盾构隧道可能存在环间错动的错动方向确定所述抗剪螺栓在所述第一管片环端部环向上的布置形式；S4：根据所述抗剪螺栓的布置形式将对应数量的所述抗剪螺栓分别连接在对应的预埋螺栓套中；S5：将所述第一管片环和所述第二管片环以配合面同轴匹配，并使得各所述抗剪螺栓的限位端嵌入对应的圆钢环中，完成管片环间抗剪结构的设置。7.根据权利要求6所述的穿越特殊地层隧道的管片环间抗剪结构的设置方法，其中，步骤S1中的隧道勘探参数包括工程地质条件、隧道结构设计要求和防水设计要求。

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