用于高地震烈度高水压下的小断面盾构隧道的防水方法技术

本发明专利技术涉及一种用于高地震烈度高水压下的小断面盾构隧道的防水方法，属于油气管道非开挖设计领域。所述防水方法包括：确定高地震烈度高水压条件下的小断面盾构隧道的荷载模式；建立小断面盾构隧道有限元模型；计算高地震烈度高水压条件下盾构隧道的结构变形和应力分布；设计相应的盾构隧道柔性管片及盾构隧道与竖井连接处的柔性接头；设计盾构隧道管片的接缝防水结构；进行盾构隧道的防水性能测试。本发明专利技术为高水压接缝防水设计提供一套完整的设计理论和应用方法，能够结合目前密封材料性能和试验能力的提升，最终设计出满足要求的接缝型式和密封结构。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于高地震烈度高水压下的小断面盾构隧道的防水方法，属于油气管道非开挖设计领域。
技术介绍
盾构隧道是油气长输管道穿越河流常用的方式之一，其原理为使用盾构机，一边控制开挖面及围岩不发生坍塌失稳，一边进行隧道掘进、出渣，并在机内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆，不扰动围岩而修筑隧道的方法。以往盾构隧道抗震设计主要对钢筋混凝土环片进行结构和构造设计，高烈度地震时在竖井连接处和在地层急剧变化处或活动断层处由于结构刚度突变，盾构隧道产生大变形常导致与竖井接头附近的管片受损、隧道受灾，仅靠隧道自身的变形能力无法满足竖井连接处的变形要求。目前常规的盾构环片接缝型式的防水设计压力为0.6MPa左右，当运营水压达1.2Mpa，传统接缝连防水密封设计均不能满足要求。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种用于高地震烈度高水压下的小断面盾构隧道的防水方法，通过设置合理的柔性管片和竖井连接处柔性接头，以满足高地震烈度下管片变形的要求，同时设计合理防水结构以满足高水压条件下的防水密封要求。本专利技术适用于油气管道小断面盾构隧道的设计，为高地震烈度高水压条件下的盾构隧道设计提供有效的技术措施。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：用于高地震烈度高水压下的小断面盾构隧道的防水方法，包括以下步骤：步骤1，根据地质条件，确定高地震烈度高水压条件下的小断面盾构隧道的荷载模式；步骤2，根据荷载模式，建立小断面盾构隧道有限元模型；步骤3，根据建立的有限元模型，计算高地震烈度高水压条件下盾构隧道的结构变形和应力分布；步骤4，根据盾构隧道的结构变形和应力分布，设计相应的盾构隧道柔性管片及盾构隧道与竖井连接处的柔性接头；步骤5，根据盾构隧道管片接缝的错动量和张开量，设计盾构隧道管片的接缝防水结构；步骤6，进行盾构隧道的防水性能测试，测试盾构隧道接缝的防水是否满足要求，若满足要求，防水完成；若不满足要求，返回步骤4或步骤5，调整盾构隧道柔性管片、盾构隧道与竖井连接处的柔性接头或管片的接缝防水结构。进一步的，步骤4中所述盾构隧道柔性管片包括：柔性管片主体A和柔性管片主体B，所述柔性管片主体A和柔性管片主体B之间通过传力棒连接和传力，所述柔性管片主体A和柔性管片主体B之间还设有密封止水结构A。进一步的，所述传力棒由两个承压螺栓、缓冲橡胶和钢套筒组成，其中，两个承压螺栓的头部分别固定在柔性管片主体A和柔性管片主体B上，两个承压螺栓的尾部之间通过缓冲橡胶连接，所述两个承压螺栓和缓冲橡胶外套有一钢套筒。进一步的，所述密封止水结构A包括两道M形止水带和膨胀橡胶，所述膨胀橡胶设置于柔性管片主体A和柔性管片主体B的缝隙外侧，所述两道M形止水带分别布置在所述传力棒的两侧，且所述两道M形止水带的两端分别通过固定螺栓固定在柔性管片主体A和柔性管片主体B上。进一步的，步骤4中所述盾构隧道与竖井连接处的柔性接头，包括环向缓冲层、轴向缓冲层和密封止水结构B；所述环向缓冲层设置在管片与竖井壁间的缝隙；所述轴向缓冲层和所述密封止水结构B均设置在管片与盾构隧道洞门密封结构的缝隙，其中，所述轴向缓冲层设置管片与洞门密封结构的缝隙外侧，所述密封止水结构B设置在管片与洞门密封结构的缝隙内侧。进一步的，所述轴向缓冲层为防水橡胶缓冲层，所述环向缓冲层为聚氨酯缓冲层。进一步的，所述密封止水结构B是由两块钢板A、通长钢板B和角钢B焊接组成的钢框架，所述钢框架内设有M形止水带；其中，所述两块钢板A分别通过锚固钢筋固定在管片和洞门密封结构上，所述M形止水带的两端分别固定在管片和洞门密封结构的钢板A上，所述通长钢板B和角钢B分别位于所述M形止水带的外侧和内侧。本专利技术的有益效果为：本专利技术所述用于高地震烈度高水压下的小断面盾构隧道的防水方法是目前盾构隧道接缝防水中的一次突破，为高水压接缝防水设计提供一套完整的设计理论和应用方法，能够结合目前密封材料性能和试验能力的提升，最终设计出满足要求的接缝型式和密封结构。通过本专利技术所述防水方法能够解决了以往设计不精、依据不足，不能跟进现有技术和工艺进度的问题，材料选型缺乏指导，不利于工程施工验收等一系列问题。采用了本方法开展设计和施工，一定程度也能减少防水堵漏维护次数，有助于提高了高水压小断面盾构隧道整体防水效果。除外，当地震发生时，盾构隧道管片发生设计限值内的轴向变形时，本专利技术所述所述柔性管片主体结构能保证盾构隧道管片的稳定性，密封止水结构能保证变形时的密封性，传力棒能将地震力传到相邻管片，保证盾构隧道整体稳定性。本专利技术所述盾构隧道与竖井连接处的柔性接头在地震发生时，发生设计限值内的轴向变形和环向变形时，柔性接头能保证与竖井连接的盾构管片不与竖井发生碰撞，不破坏，同时密封止水能保证变形时的密封性。且所述管片和柔性接头结构简单，可以在工厂加工，现场组装，便于现场施工。本专利技术所述盾构隧道管片接缝防水密封结构在高水压作用下，多孔型EPDM弹性橡胶复合密封垫在特定的接缝张开量范围内，接触面应力几乎不变，并不易长久压缩而造成应力松弛和永久变形。通过所述多孔型EPDM弹性橡胶复合密封垫内部孔的变形产生的内应力，使之在两个接触面产生巨大的应力而密封止水。上挡水条和下挡水条分别设于多孔型EPDM弹性橡胶复合密封垫的内外两侧，可阻挡泥砂作用于密封垫本体，确保密封垫的耐久性使用要求，同时兼起辅助防水的功效，以加强防水，在1.2MPa水压下，接缝张开及错动时，盾构隧道管片接缝的弹性密封实施能够达到工程防水要求。本专利技术所述接缝防水密封结构其结构简单、性能稳定，且所用材料均可以工厂制作，施工现场可以直接安装，操作方便。附图说明图1为地下水作用时小断面盾构隧道的荷载示意图；图2为多层地层作用时小断面盾构隧道的荷载示意图；图3为实施例中盾构隧道断面处地层分层示意图；图4为实施例中盾构隧道横断面有限元模型图；图5a为实施例中盾构隧道的结构变形图；图5b为实施例中盾构隧道的弯矩图；图5c为实施例中盾构隧道的轴力图；图5d为实施例中盾构隧道的剪力图；图6a为本专利技术所述柔性管片内侧结构展开示意图；图6b为图6a中A-A剖视图；图7为本专利技术中盾构隧道与竖井连接处的柔性接头的剖视图；图8为盾构隧道管片接缝防水密封结构示意图；图9为隧道接缝防水测试试验装置结构示意图；其中，1-外壁板A，2-外壁板B，3-外肋板A，4-外肋板B，5-内肋板B，6-外肋板C，7-固定螺栓，8-缓冲橡胶，9-钢套筒，10-承压螺栓，11-M形止水带，12-角钢，13-内肋板A，14-支撑板，15-支撑垫板，16-膨胀橡胶，17-肋板D，18-肋板E，19-肋板F，20-柔性管片主体A，21-柔性管片主体B，22-弯螺栓孔，23-注浆孔，24-锚固钢筋，25-钢板A，26-角钢A，27-连接螺栓A，28-角钢B，29-螺栓套筒，30-通长钢板B，31-连接螺栓B，32-轴向缓冲层，33-环向缓冲层，34-M形止水带。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。用于高地震烈度高水压下的小断面盾构隧道的防水方法，包括以下步骤：步骤1，根据地质条件，确定高地震烈度高水压本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于高地震烈度高水压下的小断面盾构隧道的防水方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据地质条件，确定高地震烈度高水压条件下的小断面盾构隧道的荷载模式；步骤2，根据荷载模式，建立小断面盾构隧道有限元模型；步骤3，根据建立的有限元模型，计算高地震烈度高水压条件下盾构隧道的结构变形和应力分布；步骤4，根据盾构隧道的结构变形和应力分布，设计相应的盾构隧道柔性管片及盾构隧道与竖井连接处的柔性接头；步骤5，根据盾构隧道管片接缝的错动量和张开量，设计盾构隧道管片的接缝防水结构；步骤6，进行盾构隧道的防水性能测试，测试盾构隧道接缝的防水是否满足要求，若满足要求，防水完成；若不满足要求，返回步骤4或步骤5，调整盾构隧道柔性管片、盾构隧道与竖井连接处的柔性接头或管片的接缝防水结构。

【技术特征摘要】
1.用于高地震烈度高水压下的小断面盾构隧道的防水方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据地质条件，确定高地震烈度高水压条件下的小断面盾构隧道的荷载模式；步骤2，根据荷载模式，建立小断面盾构隧道有限元模型；步骤3，根据建立的有限元模型，计算高地震烈度高水压条件下盾构隧道的结构变形和应力分布；步骤4，根据盾构隧道的结构变形和应力分布，设计相应的盾构隧道柔性管片及盾构隧道与竖井连接处的柔性接头；步骤5，根据盾构隧道管片接缝的错动量和张开量，设计盾构隧道管片的接缝防水结构；步骤6，进行盾构隧道的防水性能测试，测试盾构隧道接缝的防水是否满足要求，若满足要求，防水完成；若不满足要求，返回步骤4或步骤5，调整盾构隧道柔性管片、盾构隧道与竖井连接处的柔性接头或管片的接缝防水结构。2.根据权利要求1所述的用于高地震烈度高水压下的小断面盾构隧道的防水方法，其特征在于，步骤4中所述盾构隧道柔性管片包括：柔性管片主体A(20)和柔性管片主体B(21)，所述柔性管片主体A(20)和柔性管片主体B(21)之间通过传力棒连接和传力，所述柔性管片主体A(20)和柔性管片主体B(21)之间还设有密封止水结构A。3.根据权利要求2所述的用于高地震烈度高水压下的小断面盾构隧道的防水方法，其特征在于，所述传力棒由两个承压螺栓(10)、缓冲橡胶(8)和钢套筒(9)组成，其中，两个承压螺栓(10)的头部分别固定在柔性管片主体A(20)和柔性管片主体B(21)上，两个承压螺栓(10)的尾部之间通过缓冲橡胶(8)连接，所述两个承压螺栓(10)和缓冲橡胶(8)外套有一钢套筒(9)。4.根据权利要求2所述的用于高地震烈度高水压下的小...

【专利技术属性】
技术研发人员：马晓成，左雷彬，李国辉，王丽，杨威，杨春玲，曾志华，李金玲，刘思萌，马林林，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团公司，中国石油管道局工程有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11