高烈度地震活动断层区域的盾构隧道纵向接头结构
阅读说明：本技术 高烈度地震活动断层区域的盾构隧道纵向接头结构 (Longitudinal joint structure of shield tunnel in high-intensity earthquake active fault area ) 是由 张中杰 张广超 杨波 王春凯 胡稳 殷文涛 于 2021-06-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了高烈度地震活动断层区域的盾构隧道纵向接头结构,包括若干螺杆；每一钢筋混凝土管片设置螺杆的位置从外向内均依次包括连通的锥形螺栓孔、螺栓手孔和螺栓安装导洞；每一锥形螺栓孔均为一端孔径大于另一端孔径的锥形孔；每一锥形螺栓孔孔径较大的一端的孔径均为孔径较小的一端的孔径的2倍以上；每一锥形螺栓孔与相应的螺杆之间均设有锥形橡胶套管；每一螺杆的两端,位于相应的螺栓手孔内的部分均通过螺母进行紧固,并均设有垫圈组；每一垫圈组均包括橡胶垫圈、弹簧,以及分别设置于弹簧两端,夹持弹簧的两片刚垫圈。本发明的应用令盾构隧道衬砌结构可以较好地适应地层变形,满足盾构隧道在易产生地层不均匀变形区域建设中的需求。(The invention discloses a shield tunnel longitudinal joint structure of a high-intensity earthquake active fault area, which comprises a plurality of screw rods; the position of each reinforced concrete segment provided with the screw sequentially comprises a conical bolt hole, a bolt hand hole and a bolt installation pilot hole from outside to inside; each conical bolt hole is a conical hole with the aperture of one end larger than that of the other end; the aperture of the end with the larger aperture of each conical bolt hole is more than 2 times of the aperture of the end with the smaller aperture; a conical rubber sleeve is arranged between each conical bolt hole and the corresponding screw; the parts of the two ends of each screw rod, which are positioned in the corresponding bolt hand holes, are fastened through nuts and are provided with gasket groups; each gasket group comprises a rubber gasket, a spring and two rigid gaskets which are respectively arranged at two ends of the spring and used for clamping the spring. The application of the invention ensures that the lining structure of the shield tunnel can better adapt to stratum deformation and meet the requirement of the shield tunnel in the construction of the area which is easy to generate uneven deformation of the stratum.)
技术领域
本发明涉及盾构隧道建造技术领域，特别涉及高烈度地震活动断层区域的盾构隧道纵向接头结构。
背景技术
近年来城市轨道交通建设如火如荼，在城市地铁建设中盾构隧道是一种广泛应用的隧道结构形式。伴随着城市地铁的快速发展，盾构隧道建设中暴露出了一些新的难题。其中，盾构隧道在穿越活动断层等产生局部地层不均匀沉降的区域时，因为相邻衬砌环间的错位、拉伸变形及地震荷载的作用而导致纵向连接螺栓及管片发生局部破坏的情况时有发生。
本领域相关技术的现状：
常规的盾构隧道在管片纵向接头部位设置有纵向螺栓孔，采用钢螺栓实现相邻衬砌环的纵向连接，螺栓两端采用螺母旋紧，螺母内侧设置钢垫片，螺栓孔孔径一般比螺栓直径略大(约4～6mm)。当相邻的衬砌环伴随地层的变形而产生拉伸或错动时，往往造成纵向连接螺栓被拉断或被螺栓孔剪断以及混凝土管片的局部破坏。上述问题不仅降低了结构本身的安全性，而且由于进一步造成止水带错动或挤压力不足令盾构隧道产生严重的渗漏水问题。
针对上述问题,已有的解决办法主要可分成三类：柔性注浆法、柔性管片法和柔性接头法。
柔性注浆法采用橡胶或轻质水泥浆等柔性材料作为盾构隧道的壁后注浆材料，柔性注浆材料可通过自身变形降低地层变形对盾构隧道结构影响。但该方法材料成本较高，同时要求盾构隧道施工过程中具有较大的超挖范围，增大了施工难度，且对于地层变形较大的情况，尤其是拉伸变形，效果有限。
柔性管片法一般采用钢管片或钢板与混凝土结合的混合式管片，管片内置弹簧或阻尼材料，允许管片伴随地层产生一定量的变形，但该种管片造价较高，生产工艺复杂，且剪切变形效果较差。
柔性接头法一般采用在传统螺栓的基础上增设弹簧或在管片接缝位置采用具有一定变形能力的记忆合金板代替螺栓作为连接件。该方法操作相对简单、造价低廉，但现有的做法很难同时满足衬砌结构在拉伸和剪切方向的变形。
在现有技术中，盾构隧道衬砌结构在纵向上的不平衡力主要依靠纵向接头进行传递。但是在高烈度地震区，及活动断层存在的区域，地层相对位移和地震荷载产生的作用力极其复杂，往往使纵向接头承受很大的剪力与拉力。
现有的盾构隧道管片衬砌的纵向接头抗剪及抗拉变形能力有限，在地震时容易造成接头螺栓及衬砌结构的破坏。
如，1995年日本阪神地震导致了大量的盾构隧道纵向接头的显著损坏，令隧道无法正常使用。
2008年汶川大地中，成都地铁有多个区间盾构隧道纵向接头发生较大错台，纵向接头附近发生管片开裂。
由此可见，在高烈度地震区的盾构法隧道中，纵向接头是盾构隧道管片衬砌最薄弱的环节，其抗震能力有待于提高。
因此，如何同时有效地满足衬盾构隧道砌结构在拉伸和剪切方向的变形成为本领域技术人员急需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供高烈度地震活动断层区域的盾构隧道纵向接头结构，实现的目的是令盾构隧道衬砌结构可以较好地适应地层变形，满足盾构隧道在易产生地层不均匀变形区域建设中的需求，提高盾构隧道的安全、耐久性、经济性。
为实现上述目的，本发明公开了高烈度地震活动断层区域的盾构隧道纵向接头结构，包括与钢筋混凝土管片轴向平行设置的若干螺杆；每一所述螺杆均设置于两片相邻的钢筋混凝土管片之间，用于连接两片相邻的所述钢筋混凝土管片。
其中，每一所述钢筋混凝土管片设置所述螺杆的位置从外向内均依次包括连通的锥形螺栓孔、螺栓手孔和螺栓安装导洞；
每一所述锥形螺栓孔均为一端孔径大于另一端孔径的锥形孔，孔径较大的一端位于两片相邻的所述钢筋混凝土管片的连接面，孔径较小的一端与所述螺栓手孔连接；
每一所述锥形螺栓孔孔径较大的一端的孔径均为孔径较小的一端的孔径的2倍以上；
每一所述锥形螺栓孔与相应的所述螺杆之间均设有锥形橡胶套管；每一所述锥形橡胶套管的外形均与相应的所述锥形螺栓孔的内孔吻合，内孔均与相应的所述螺杆吻合；
每一所述螺杆的两端，位于相应的所述螺栓手孔内的部分均通过螺母进行紧固，并均设有垫圈组；
每一所述垫圈组均包括橡胶垫圈、弹簧，以及分别设置于所述弹簧两端，夹持所述弹簧的两片刚垫圈；
每一所述垫圈组的所述橡胶垫圈、所述弹簧和两片刚垫圈均套在相应的所述螺杆的端部，并被相应的所述螺母压紧在相应的所述螺栓手孔设有所述锥形螺栓孔的面上。
优选的，每一所述螺栓安装导洞内均设有钢套管。
优选的，两片相邻的所述钢筋混凝土管片的纵向接头部位的接触部分为平面接触形式。
优选的，每一所述钢筋混凝土管片位于若干所述螺杆的外侧由内向外均设有环形的弹性橡胶密封垫和挡水条。
优选的，安装所述弹性橡胶密封垫的止水槽的宽度宽度w＝w0+dl-ds；其中， w0为止水条的有效接触宽度；dl为锥形螺栓孔的最大直径；ds为所述螺杆的直径。
本发明的有益效果：
本发明在相邻管片发生一定范围内的错动时，纵向连接螺栓不会发生剪切破坏，同时还增大了弹性止水条的宽度，避免相邻管片发生错动时导致防水失效。
本发明的垫圈组中设置了橡胶垫圈，当地层发生沿盾构隧道纵向的变形时，橡胶垫圈可通过自身的压缩变形降低地层变形对螺栓、管片等刚性构件的破坏。
本发明中在管片接头处设置的锥形橡胶套管和弹簧构造增大了盾构隧道在垂直于轴线方向和纵向的柔性，提高了盾构隧道整体抵抗震荷载的能力。
本发明结构简单，容易实现，使用现有的盾构隧道施工技术及设备可以很方便的应用在各种盾构隧道中。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1示出本发明一实施例的结构示意图。
图2示出本发明一实施例中钢筋混凝土管片设置螺杆位置的局部剖面结构示意图。
图3示出本发明一实施例中锥形橡胶套管的结构示意图。
图4示出本发明图3中AA处局部放大结构示意图。
图5示出本发明图3中BB处局部放大结构示意图。
图6示出本发明一实施例中螺杆两端设置螺母和垫圈组的结构示意图。
具体实施方式
实施例
如图1至图6所示，高烈度地震活动断层区域的盾构隧道纵向接头结构，包括与钢筋混凝土管片1轴向平行设置的若干螺杆8；每一螺杆8均设置于两片相邻的钢筋混凝土管片1之间，用于连接两片相邻的钢筋混凝土管片1。
其中，每一钢筋混凝土管片1设置螺杆8的位置从外向内均依次包括连通的锥形螺栓孔3、螺栓手孔2和螺栓安装导洞5；
每一锥形螺栓孔3均为一端孔径大于另一端孔径的锥形孔，孔径较大的一端位于两片相邻的钢筋混凝土管片1的连接面，孔径较小的一端与螺栓手孔2 连接；
每一锥形螺栓孔3孔径较大的一端的孔径均为孔径较小的一端的孔径的2 倍以上；
每一锥形螺栓孔3与相应的螺杆8之间均设有锥形橡胶套管4；每一锥形橡胶套管4的外形均与相应的锥形螺栓孔3的内孔吻合，内孔均与相应的螺杆 8吻合；
每一螺杆8的两端，位于相应的螺栓手孔2内的部分均通过螺母9进行紧固，并均设有垫圈组；
每一垫圈组均包括橡胶垫圈12、弹簧11，以及分别设置于弹簧10两端，夹持弹簧10的两片刚垫圈10；
每一垫圈组的橡胶垫圈12、弹簧11和两片刚垫圈10均套在相应的螺杆8 的端部，并被相应的螺母9压紧在相应的螺栓手孔2设有锥形螺栓孔3的面上。
本发明的原理如下：
设置螺杆8的孔采用锥形螺栓孔3的结构，当相邻的钢筋混凝土管片1发生一定范围内的错动时，螺杆8不会发生剪切破坏。同时增大弹性止水条的宽度，避免相邻的钢筋混凝土管片1发生错动时导致防水失效。
通过上述措施可以令盾构隧道衬砌结构在纵向接缝处既可以产生沿隧道径向的变形和又可以产生沿隧道轴向的变形。同时由于弹簧11、橡胶垫圈12 及锥形橡胶套管4的设置，增大了结构整体的柔性，可有效提高盾构隧道承受地震荷载的能力。
而且，由于活动断层的变形势必伴随着地震，提高结构的柔性可有效地增强其抵抗地震荷载的能力。
具体如下：
令ds——代表螺杆直径，dl——代表喇叭形螺栓孔的最大直径。相邻管片发生错时造成纵向连接螺栓发生剪切破坏前的最大错动距离：
Δ＝dl-ds。
由于在垫圈中设置了橡胶垫圈，当管片错动时，螺杆可以在垫圈位置产生围绕螺杆垂直方向的转动，避免螺杆在螺栓位置产生较大的集中应力，进而产生破坏的隐患。
橡胶垫圈的存在，在地层发生沿盾构隧道纵向的变形时，可通过自身的压缩变形降低地层变形对螺栓、管片等刚性构件的破坏。
令Ls——代表螺栓的有效长度；As——代表螺栓截面积；Es——代表螺栓的弹性模量；k——代表弹簧的劲度系数；假设纵向接头两管片的纵向相对位移为Δ，传统接头螺栓承受的拉力F0＝ΔEsAs/Ls，而应用了本发明后接头螺栓承受的拉力F＝ΔEsAs/(Ls+2EsAs/k)。
在某些实施例中，每一螺栓安装导洞5内均设有钢套管6。
在某些实施例中，两片相邻的钢筋混凝土管片1的纵向接头部位的接触部分为平面接触形式。
在某些实施例中，每一钢筋混凝土管片1位于若干螺杆8的外侧由内向外均设有环形的弹性橡胶密封垫13和挡水条14。
在某实施例中，安装弹性橡胶密封垫13的止水槽7的宽度宽度w＝w0+dl-ds；其中，w0为止水条的有效接触宽度；dl为锥形螺栓孔3的最大直径；ds为螺杆 8的直径。
在实际拼装时，首先在如图1和图2所示位置粘贴弹性橡胶密封垫13、挡水条14，并将螺杆8插入一侧混凝土管片的螺栓安装导洞内，然后把相邻的盾构管片衬砌环的纵向螺栓孔对齐，令将螺杆穿过相邻两个锥形螺栓孔3，最后按照图3所示的顺序在螺杆两侧依次套入橡胶垫圈12、刚垫圈10、弹簧11、刚垫圈10、螺母9，并旋转紧螺母即可实现相邻混凝土管片间的拼接。
基本参数取值为，螺栓8的弹性模量Es＝210GPa，螺栓8的长度Ls＝ 0.62m，螺栓8的直径ds＝36mm，截面面积As＝0.001018m2。
假设盾构隧道沿纵向发生变形，接头拉开的距离Δ＝2mm。则现有技术的纵向接头设置方法，螺栓承受的附加拉力：
采用本发明的纵向接头时，取弹簧11的劲度系数k＝1*108N/m，螺栓8承受的拉力：
可见当盾构隧道纵向接头沿隧道轴线方向的相对变形一定时，采用本发明所产生的的螺栓附加拉力远小于现有技术，结构抵抗纵向变形的能力显著提高，同时也提高了盾构隧道纵向地震荷载的能力。
假设盾构隧道纵向接头位置沿切向发生相对变形，现有技术中螺栓孔直径 dk＝40mm，则当螺栓未发生剪切破坏时，相邻管片的最大错台量为：
Δ0≈dk-ds＝4mm
采用本专利纵向接头时，取锥形螺栓孔3横截面最大直径dl＝72mm，则当螺栓8未发生剪切破坏时，相邻的钢筋混凝土管片1的最大错台量为：
Δ0≈dl-ds＝36mm
可见本专利提供的方法可以有效地提高盾构隧道衬砌结构适应地层垂直于轴线方向变形的能力，同时由于盾构隧道在该方向柔性的增强，提高了结构整体抵抗垂直于轴线方向地震荷载的能力。
实际应用中可以根据断层带的宽度、相对移动速率预估盾构隧道使用年限内相应接头产生的切向相对位移量，并以此为依据设置锥形螺栓孔3横截面最大直径dl。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
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