一种高耐久性叠合式盾构隧道管片结构及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种高耐久性叠合式盾构隧道管片结构及其设计方法，结构包括：外侧混凝土层、中间混凝土层、内侧混凝土层、第一螺栓孔、第二螺栓孔、钢筋笼、注浆孔；外侧混凝土层、中间混凝土层、内侧混凝土层依次叠合浇筑，且外侧混凝土层浇筑于中间混凝土层外侧；第一螺栓孔设置于中间混凝土层内，且其布置方向与隧道的纵向方向一致；第一螺栓孔用于连接沿隧道的纵向方向相邻的管片；第二螺栓孔一端贯穿内侧混凝土层，另一端贯穿管片结构的侧面；第二螺栓孔用于连接沿管片结构的环向相邻的管片；钢筋笼设置于管片结构内；注浆孔沿管片高度方向设置，贯穿整个管片结构。该管片结构具有结构性能安全可靠、施工方便、造价合理的优点。造价合理的优点。造价合理的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种高耐久性叠合式盾构隧道管片结构及其设计方法


[0001]本专利技术涉及盾构隧道管片
，具体涉及一种高耐久性叠合式盾构隧道管片结构及其设计方法。

技术介绍

[0002]随着我国地下空间的飞速发展，盾构隧道被广泛应用于城市轨道交通、地下道路设施及城际隧道工程中。管片是盾构隧道的主要结构，其具有承担围岩压力、水压等重要作用。盾构隧道建设中，一方面若管片结构承受较高的水压，易造成结构抗拉或抗压强度不足，内力变形过大；另一方面，若地层中存在诸多的腐蚀性离子(CL
‑
、SO4‑
)，易造成钢筋混凝土结构锈胀开裂，导致结构承载力下降。目前，在复杂的地质环境下如何保持结构的耐久性是设计的主要难点之一。
[0003]公布号为CN113586084A的专利技术公开了一种叠合预制双层管片结构，其将UHPC(超高性能混凝土)作为普通混凝土管片外侧保护层，形成双层管片结构，增强结构的抗渗和耐腐蚀性能。该专利一定程度上可增强结构的耐久性，但是由于UHPC自收缩完成达到强度后才浇筑普通混凝土，在接触面易形成软弱的冷缝面，不利于接触面的粘结；同时，由于在UHPC保护层内单独配置受力钢筋的桁架钢筋网架以及对UHPC保护层进行单独养护，增加了管片预制的工序，客观上增加了施工时间及成本。此外，该专利仅考虑改善管片外侧的抗渗及耐腐蚀性能，而未考虑提高内侧混凝土管片耐久性，具有一定的局限性。
[0004]综上，现有技术尚缺乏能够在复杂地质环境中全面、有效改善盾构隧道管片耐久性的结构及设计方法。
专利
技术实现思路

[0005]因此，本专利技术要解决的技术问题在于克服现有技术中的缺陷，从而提供一种高耐久性叠合式盾构隧道管片结构。
[0006]本专利技术提供了一种高耐久性叠合式盾构隧道管片结构，包括：
[0007]外侧混凝土层、中间混凝土层、内侧混凝土层、第一螺栓孔、第二螺栓孔、钢筋笼、注浆孔；
[0008]所述外侧混凝土层、所述内侧混凝土层均为超高性能纤维增强混凝土层；所述中间混凝土层为普通混凝土层；
[0009]所述外侧混凝土层、所述中间混凝土层、所述内侧混凝土层依次叠合浇筑，且所述外侧混凝土层浇筑于所述中间混凝土层外侧；
[0010]所述第一螺栓孔设置于所述中间混凝土层内，且其布置方向与隧道的纵向方向一致；所述第一螺栓孔用于连接沿隧道的纵向方向相邻的管片；
[0011]所述第二螺栓孔一端贯穿所述内侧混凝土层，另一端贯穿管片结构的侧面；所述第二螺栓孔用于连接沿管片结构的环向相邻的管片；
[0012]所述钢筋笼设置于管片结构内；
[0013]所述注浆孔沿管片高度方向设置，贯穿整个管片结构。
[0014]优选的，所述钢筋笼包括主筋、箍筋、纵向钢筋；多根所述主筋分设于所述外侧混凝土层、所述内侧混凝土层内；所述箍筋与所述主筋连接；所述箍筋包括多根，多根所述箍筋间隔设置；所述纵向钢筋沿隧道的纵向方向设置，且设置于主筋与箍筋的连接处；所述纵向钢筋用于连接相邻的所述主筋，加固所述钢筋笼。
[0015]优选的，所述主筋包括外侧筋、内侧筋；所述外侧筋设置于所述外侧混凝土层内，且所述外侧筋两端端部弯折伸入所述中间混凝土层内；所述内侧筋设置于所述内侧混凝土层内，且所述内侧筋两端端部弯折伸入所述中间混凝土层内。
[0016]优选的，多根所述箍筋分别与所述外侧筋、内侧筋连接。
[0017]优选的，还包括拼装定位孔；所述拼装定位孔开设于所述内侧混凝土层远离所述中间混凝土层一侧；所述拼装定位孔用于拼装定位。
[0018]优选的，还包括加密钢筋，所述加密钢筋设置于拼装定位孔的孔壁内；所述加密钢筋用于加固孔洞。
[0019]优选的，所述外侧混凝土层以及所述内侧混凝土层内均填充有膨胀剂；外侧混凝土层的厚度以及所述内侧混凝土层的厚度均不小于2倍混凝土保护层的厚度。
[0020]本专利技术还提供了一种高耐久性叠合式盾构隧道管片结构的设计方法，该方法包括：
[0021]采用均质圆环法计算管片结构的内力，并采用极限状态法验算管片结构的承载能力，得到混凝土受压区高度；
[0022]N≤α1f
c1
bt1+α2f
c2
b(x
‑
t1)+f
′
y
A
′
s
‑
f
y
A
s
‑
α3f
′
t
bt2；
[0023][0024]e
i
＝e0+e
a
，
[0025]其中，
[0026]M为管片弯矩设计值；
[0027]N为管片轴力设计值；
[0028]x为混凝土受压区高度；
[0029]t1、t2为受压、受拉区超高性能纤维增强混凝土厚度；
[0030]b、h分别为管片的截面宽度和高度；
[0031]h0为加固前管片的截面有效高度；
[0032]a1、a2、a3为系数，当管片结构混凝土强度等级不超过C50时，取为1.0，当结构混凝土强度等级为C80时，取为0.94，当原结构混凝土强度等在级C50～C80之间时，按线性内插法确定；
[0033]e为轴向压力作用点至纵向受拉钢筋和受拉区超高性能纤维增强混凝土合力作用点的距离；
[0034]e
i
为初始偏心距；
[0035]e0为轴向压力作用点对截面重心的偏心距；
[0036]e
a
为附加偏心距，按偏心方向截面高度h确定：当h≤600mm，e
a
＝20mm，当h＞600mm
时，
[0037]A
′
s
为受压区纵向普通钢筋截面面积；
[0038]A
s
为受拉区纵向普通钢筋截面面积；
[0039]f
c1
为管片结构超高性能纤维增强混凝土轴心抗压强度设计值；
[0040]f
c2
为管片结构普通混凝土轴心抗压强度设计值；
[0041]f
′
y
为普通钢筋抗压强度设计值；
[0042]f
′
t
为超高性能纤维增强混凝土抗拉强度设计值；
[0043]根据矩形界面钢筋混凝土偏心受压构件验算管片结构的裂缝宽度；
[0044][0045][0046][0047][0048]且最大裂缝宽度因满足w
max
≤w
lim
；
[0049]其中，w
max
为最大裂缝宽度；w
lim
为裂缝宽度限值；
[0050]a
cr
表示构件受力特征系数；
[0051]ψ表示裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数：当ψ＜0.2时，取ψ＝0.2；当ψ＞1.0时，取ψ＝1.0；对直接承受重复荷载的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高耐久性叠合式盾构隧道管片结构，其特征在于，包括：外侧混凝土层(1)、中间混凝土层(2)、内侧混凝土层(3)、第一螺栓孔(4)、第二螺栓孔(5)、钢筋笼(6)、注浆孔(7)；所述外侧混凝土层(1)、所述内侧混凝土层(3)均为超高性能纤维增强混凝土层；所述中间混凝土层(2)为普通混凝土层；所述外侧混凝土层(1)、所述中间混凝土层(2)、所述内侧混凝土层(3)依次叠合浇筑，且所述外侧混凝土层(1)浇筑于所述中间混凝土层(2)外侧；所述第一螺栓孔(4)设置于所述中间混凝土层(2)内，且其布置方向与隧道的纵向方向一致；所述第一螺栓孔(4)用于连接沿隧道的纵向方向相邻的管片；所述第二螺栓孔(5)一端贯穿所述内侧混凝土层(2)，另一端贯穿管片结构的侧面；所述第二螺栓孔(5)用于连接沿管片结构的环向相邻的管片；所述钢筋笼(6)设置于管片结构内；所述注浆孔(7)沿管片高度方向设置，贯穿整个管片结构。2.根据权利要求1所述的高耐久性叠合式盾构隧道管片结构，其特征在于，所述钢筋笼(6)包括主筋(61)、箍筋(62)、纵向钢筋(63)；多根所述主筋(61)分设于设置于所述外侧混凝土层(1)、所述内侧混凝土层(3)内；所述箍筋(62)与所述主筋(61)连接；所述箍筋(62)包括多根，多根所述箍筋(62)间隔设置；所述纵向钢筋(63)沿隧道的纵向方向设置，且设置于主筋(61)与箍筋(62)的连接处；所述纵向钢筋(63)用于连接相邻的所述主筋(61)，加固所述钢筋笼(6)。3.根据权利要求2所述的高耐久性叠合式盾构隧道管片结构，其特征在于，所述主筋(61)包括外侧筋(611)、内侧筋(612)；所述外侧筋(611)设置于所述外侧混凝土层(1)内，且所述外侧筋(611)两端端部弯折伸入所述中间混凝土层(2)内；所述内侧筋(612)设置于所述内侧混凝土层(3)内，且所述内侧筋(612)两端端部弯折伸入所述中间混凝土层(2)内。4.根据权利要求3所述的高耐久性叠合式盾构隧道管片结构，其特征在于，多根所述箍筋(62)分别与所述外侧筋(611)、内侧筋(612)连接。5.根据权利要求4所述的高耐久性叠合式盾构隧道管片结构，其特征在于，还包括拼装定位孔(8)；所述拼装定位孔(8)开设于所述内侧混凝土层(3)远离所述中间混凝土层(2)一侧；所述拼装定位孔(8)用于拼装定位。6.根据权利要求5所述的高耐久性叠合式盾构隧道管片结构，其特征在于，还包括加密钢筋(9)，所述加密钢筋(9)设置于拼装定位孔的孔壁内；所述加密钢筋(9)用于加固孔洞。7.根据权利要求6所述的高耐久性叠合式盾构隧道管片结构，其特征在于，所述外侧混凝土层(1)以及所述内侧混凝土层(2)内均填充有膨胀剂；外侧混凝土层(1)的厚度以及内侧混凝土层(2)的厚度均不小于2倍混凝土保护层的厚度。8.一种如权利要求2
‑
7任一项所述的高耐久性叠合式盾构隧道管片结构的设计方法，其特征在于，包括：采用均质圆环法计算管片结构的内力，并采用极限状态法验算管片结构的承载能力，得到混凝土受压区高度；N≤α1f
c1
bt1+α2f
c2
b(x
‑
t1)+f
′
y
A
′
s
‑
f
y
A
s
‑
α3f
′
t
bt2；
e
i
＝e0+e
a
，其中，M为管片弯矩设计值；N为管片轴力设计值；x为混凝土受压区高度；t1、t2为受压、受拉区超高性能纤维增强混凝土厚度；b、h分别为管片的截面宽度和高度；h0为加固前管片的截面有效高度；a1、a2、a3为系数，当管片结构混凝土强度等级不超过C50时，取为1.0，当结构混凝土强度等级为C80时，取为0.94，当原结构混凝土强度等级在C50～C80之间时，按线性内插法确定；e为轴向压力作用点至纵向受拉钢筋和受拉区超高性能纤维增强混凝土合力作用点的距离；e
i
为初始偏心距；e0为轴向压力作用点对截面重心的偏心距；e
a
为附加偏心距，按偏心方向截面高度h确定：当h≤600mm，e
a
＝20mm，当h>600mm时，A
′
s
为受压区纵向普通钢筋截面面积；A
s
为受拉区纵向普通钢筋截面面积；f
c1
为管片结构超高性能纤维增强混凝土轴心抗压强度设计值；f
c2
为管片结构普通混凝土轴心抗压强度设计值；f
y
′
为普通钢筋抗压强度设计值；f
t
′
为超高性能纤维增强混凝土抗拉强度设计值；根据矩形界面钢筋混凝土偏心受压构件验算管片结构的裂缝宽度；根据矩形界面钢筋混凝土偏心受压构件验算管片结构的裂缝宽度；根据矩形界面钢筋混凝土偏心受压构件验算管片结构的裂缝宽度；根据矩形界面钢筋混凝土偏心受压...

【专利技术属性】
技术研发人员：张称呈，吴怀娜，陈仁朋，高斌勇，杨思齐，刘源，孟凡衍，程红战，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：