一种高水压TBM隧道联合型泄水式管片及设计方法

一种高水压tbm隧道联合型泄水式管片及设计方法
技术领域
1.本发明属于高水压tbm隧道泄水降压的技术领域，具体涉及一种高水压tbm隧道联合型泄水式管片及设计方法。


背景技术：

2.高压富水区tbm隧道施工往往会面临因管片承受过大衬砌外水压力而发生工程安全隐患的问题，而通过对管片进行泄水设计可以有效降低衬砌外水压力的大小，通常采用深孔泄水型式管片或泄水孔泄水型式管片。
3.然而，深孔泄水型式通过在管片周向增设销孔排水管进行泄水降压的设计方法，具有单孔泄流量大、单孔降压效果明显的特点，但同时也存在因地下水资源过量流失而导致地下水环境平衡破坏的问题；泄水孔泄水型式通过在管片周向开设泄水孔进行泄水降压的设计方法，具有单孔泄流量较小、单孔降压范围较小的特点，通常需要布设较为密集的泄水孔来达到理想的降压效果，致使管片结构的稳定性被降低。同时，泄水型式管片只能基于环向单开泄水型、环向双开泄水型、环向三开泄水型三种标配型式，并根据隧道施工现场进行粗略选型，从而导致管片不能完全适配于隧道现场。


技术实现要素：

4.本发明基于“隧道工程与地下水环境平衡”理念，研究了泄水孔泄水和深孔泄水设计参数对管片衬砌外水压力、泄流量及稳定水位降深的影响规律，提出了基于泄水孔+深孔联合泄水的新型泄水式管片设计方法，泄流量大、降压效果好、结构稳定性强，解决因采用深孔泄水型式管片导致地下水资源过量流失而地下水环境平衡破坏、采用泄水孔泄水型式管片布设孔洞密集导致管片结构的稳定性被降低的问题。
5.为此，本发明所采用的技术方案为：一种高水压tbm隧道联合型泄水式管片，包括联合管片、位于联合管片拱脚的深孔和位于联合管片拱腰至拱顶区间的泄水孔，所述联合管片由封顶块、左右对称的领接块以及标准块首尾拼接形成环状结构，所述深孔与泄水孔共同环列对称布置在联合管片上，所述深孔对接有向外延伸的销孔排水管。
6.作为上述方案的优选，所述联合管片外径为8300mm～8400mm，壁厚为400mm～500mm，环宽为1800mm～2000mm，满足常规隧道大小需求，设计合理。
7.进一步优选为，所述联合管片的底部及圆心角90
°
范围内的开挖空隙采用c20早强细石混凝土填充，其它区域采用吹填豆粒石并注水泥浆进行填充，充分保证联合管片安装的稳固性的同时减少安装成本。
8.进一步优选为，所述销孔排水管长度l
dh
＝0.25dg，dg为注浆圈厚度，该处取值为隧道内径的一半，公式合理。
9.本发明还提供一种高水压tbm隧道联合型泄水式管片设计方法，包括以下步骤：
10.步骤s1、采用上述的一种高水压tbm隧道联合型泄水式管片，基于实际的隧道工程条件确定覆土压力、水头高度、渗透系数、联合管片尺寸相关参数，通过软件模型进行不同
深孔泄水式下的流固耦合计算及参数分析，研究管片衬砌外水压力、管片泄流量、稳定水位降深的演化特征，从而确定深孔的环向开设角θ
dh
和销孔排水管的长度l
dh
；
11.步骤s2、通过软件模型进行不同泄水孔泄水型式下的流固耦合计算及参数分析，研究管片衬砌外水压力、管片泄流量、稳定水位降深的演化特征，确定泄水孔的环向间隔角δθh和泄水孔沿联合管片纵向的列数ny；
12.步骤s3、基于单独的环向间隔角δθh为45
°
的环向三开泄水型式管片中泄水孔的联合降压程度δ，δ为衬砌外水压力占限比与θ
h1
～θ
h2
范围内ν
max
的差值，通过将步骤s2得出的泄水孔环向间隔角δθh与45
°
对比，预估泄水孔的δ值，δ值大于0时，选用的列数ny能增强降压效果才能合理，δ值小于0时，选用的列数ny能避免过度降压才能合理，从而初步判断联合管片上泄水孔设计参数的合理性；
13.步骤s4、将设计好的联合管片安装在隧道内，并对该隧道进行流固耦合计算后，将联合管片环向衬砌外的水压力值提取出来，并数据处理生成联合管片的ν-θ变化曲线，判断实际环境下的水压力值是否降至安全区间，从而精确判断实际隧道环境下联合管片上深孔与泄水孔的参数设计是否达标。
14.作为上述方案的优选，还包括步骤s5、将全部符合步骤s1-s4但不同设计参数的联合管片进行对比得到最优设计参数，通过联合管片的降压角θ/180
°
与泄流量限比q/q
lim
之间的比值λ来评估，比值λ最大的联合管片为最优设计参数，方便对比出最优解，使联合管片的泄水效果最好。
15.进一步优选为，所述深孔的环向开设角θ
dh
＝46.41
°
，基于实际的隧道工程条件确定覆土压力、水头高度、渗透系数、联合管片尺寸相关参数得到最佳的环向开设角。
16.进一步优选为，所述泄水孔沿联合管片纵向的列数ny＝2，相邻列间距为0.5m～0.7m，且环向间隔角δθh＝51
°
，开设角θ
h1
＝102.66
°
，θ
h2
＝156.09
°
，符合上述步骤s1-s4的设计标准。
17.进一步优选为，所述泄水孔沿联合管片纵向的列数ny＝1，且环向间隔角δθh＝34
°
，开设角θ
h1
＝97.03
°
、θ
h2
＝130.78、θ
h3
＝164.53
°
，符合上述步骤s1-s4的设计标准。
18.本发明的有益效果：
19.(1)有效克服纯深孔泄水型式管片环周布设深孔导致泄流量过大且地下水无法及时通过管片上部的深孔排出，管片上部衬砌外水压力无法降低至安全区间以内形成恶性循环的缺陷，有效克服纯泄水孔泄水式管片需要很多泄水孔控制管片衬砌外水压力导致管片衬砌结构不稳定的缺陷，本发明综合考虑了管片环向降压范围和泄流量，巧妙联合深孔与泄水孔进行泄水，构思精妙，联合管片结构稳定，泄流量大。
20.(2)联合管片通过在拱脚区域布设深孔来控制管片下部区域的衬砌外水压力，同时在拱腰至拱顶区间布设一定数量的泄水孔来控制管片上部区域的衬砌外水压力，可使深孔附近的地下水迅速通过仰拱两侧排水沟泄流，且管片上部区域的地下水也可通过多个泄水孔进行分流泄水，大大降低了上部衬砌积水的风险，降压效果好。
21.(3)先通过软件模型进行不同泄水孔泄水型式下的流固耦合计算及参数分析，以及不同深孔泄水式下的流固耦合计算及参数分析，计算方便快捷，结合隧道实际现场，有效保证联合管片设计参数的精确性，减少工作量，避免联合管片关于深孔与泄水孔的参数设计与实际不符合，以及单一选型造成的参数与现场需要匹配度不理想。
22.综上所述，具有联合管片结构稳定、泄流量大、降压效果好、设计参数精确等优点。
附图说明
23.图1为设计型式a的横截面示意图。
24.图2为设计形式b的横截面示意图。
25.图3为不同ny下环向三开泄水型管片的ν-θ变化曲线(δθh＝45
°
)。
26.图4为联合管片的ν-θ变化曲线(δθh＝45
°
)。
具体实施方式
27.下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：
28.结合图1—图4所示，一种高水压tbm隧道联合型泄水式管片，由联合管片1、位于联合管片1拱脚的深孔2和位于联合管片1拱腰至拱顶区间的泄水孔3组成。
29.联合管片1由封顶块11、左右对称的领接块12以及标准块13首尾拼接形成环状结构。
30.联合管片1的底部及圆心角90
°
范围内的开挖空隙采用c20早强细石混凝土填充，其它区域采用吹填豆粒石并注水泥浆进行填充。
31.联合管片1外径优选为8300mm～8400mm，壁厚优选为400mm～500mm，环宽优选为1800mm～2000mm。
32.深孔2与泄水孔3共同环列对称布置在联合管片1上，环列指环周排成一列一列。
33.深孔2对接有向外延伸的销孔排水管21。
34.销孔排水管21长度l
dh
＝0.25dg，dg为注浆圈厚度，该处取值为隧道内径的一半。
35.一种高水压tbm隧道联合型泄水式管片设计方法，具体实施步骤如下：
36.步骤s1、采用权利要求1-4任一项所述的一种高水压tbm隧道联合型泄水式管片，基于实际的隧道工程条件确定覆土压力、水头高度、渗透系数、联合管片1尺寸相关参数。
37.通过软件模型进行不同深孔2泄水式下的流固耦合计算及参数分析，研究管片衬砌外水压力、管片泄流量、稳定水位降深的演化特征，从而确定深孔2的环向开设角θ
dh
和销孔排水管21的长度l
dh
。
38.步骤s2、通过软件模型进行不同泄水孔3泄水型式下的流固耦合计算及参数分析，研究管片衬砌外水压力、管片泄流量、稳定水位降深的演化特征，确定泄水孔3的环向间隔角δθh和泄水孔3沿联合管片1纵向的列数ny。
39.步骤s1、步骤s2中关于通过软件模型进行流固耦合计算及参数分析，考虑到地下水渗流的影响区域较大，隧道毛洞侧壁与模型边界的距离取约20倍洞径，为提高流固耦合分析效率，数值模型纵向取两环管片进行分析，一环管片的宽度为1.8m，模型顶部取地下水位线，tbm隧道水头高度为250m，上覆土压力大小为3.3mpa，整体模型尺寸取x＝350m，y＝3.6m，z＝350m。
40.模型的力学边界条件为：约束模型左右两侧面的x向位移，约束模型前后面的y向位移，约束模型底面的x、y、z三个方向的位移。模型的渗流边界条件为：模型顶面为自由透水面，初始孔隙水压力大小为0；模型左右两侧面为定水头边界，孔隙水压力大小随高度线性变化；模型底面为不透水边界；隧道开挖后，毛洞内表面为自由渗水边界；管片衬砌施作
后，泄水口内表面为自由渗水边界；在使用有限元软件进行渗流分析时，各自由渗水边界的孔隙水压力大小应设置为0。
41.从而得到两种设计型式的联合管片1。
42.设计型式a的设计参数为：深孔2的环向开设角θ
dh
＝46.41
°
，泄水孔3沿联合管片1纵向的列数ny＝2，相邻列间距为0.5m～0.7m，且环向间隔角δθh＝51
°
，开设角θ
h1
＝102.66
°
，θ
h2
＝156.09
°
。
43.设计型式b的设计参数为：深孔2的环向开设角θ
dh
＝46.41
°
，泄水孔3沿联合管片1纵向的列数ny＝1，且环向间隔角δθh＝34
°
，开设角θ
h1
＝97.03
°
、θ
h2
＝130.78、θ
h3
＝164.53
°
。
44.步骤s3、基于单独的环向间隔角δθh为45
°
的环向三开泄水型式管片中泄水孔的联合降压程度δ，δ为衬砌外水压力占限比与θ
h1
～θ
h2
范围内ν
max
的差值，具体如图3所示。
45.环向单开泄水型的最大总降压角为35.01
°
，环向双开泄水型的最大总降压角为78.01
°
，这两种泄水孔泄水型式的总降压角均《102
°
，无法满足新型联合泄水式管片的设计要求；而环向三开泄水型的最小总降压角为81.13
°
，最大总降压角达到了132.19
°
，故可基于环向三开泄水型式对新型联合泄水式管片中的泄水孔设计参数进行选型和优化。
46.通过将步骤s2得出的泄水孔3环向间隔角δθh与45
°
对比，预估泄水孔3的δ值，δ值大于0时，选用的列数ny能增强降压效果才能合理，δ值小于0时，选用的列数ny能避免过度降压才能合理，从而初步判断联合管片(1)上泄水孔(3)设计参数的合理性。
47.以基准型式δθh＝45
°
下的δ值作为参考指标，如下表所示：
48.泄水孔设计型式判断表
[0049][0050][0051]
从上表可以得出：设计型式a中的环向间隔角δθh》45
°
，说明其孔间联合降压效果比基准型式的差，故此时的δ值应大于0，以增强降压效果，选取ny＝2是较为合理的；设计型式b中的环向间隔角δθh《45
°
，说明其孔间联合降压效果比基准型式的强，此时的δ值应小于0，以避免过度降压，故选取ny＝1是较为合理的。
[0052]
步骤s4、将设计好的联合管片1安装在隧道内，并对该隧道进行流固耦合计算后，将联合管片1环向衬砌外的水压力值提取出来，并数据处理生成联合管片1的ν-θ变化曲线。
[0053]
具体如图4所示，判断实际环境下的水压力值是否降至安全区间，从而精确判断实际隧道环境下联合管片1上深孔2与泄水孔3的参数设计是否达标。
[0054]
步骤s5、将全部符合步骤s1-s4但不同设计参数的联合管片1进行对比得到最优设计参数，通过联合管片1的降压角θ/180
°
与泄流量限比q/q
lim
之间的比值λ来评估，比值λ最大的联合管片1为最优设计参数。
[0055]
设计型式a符合步骤s1-s4的联合管片1的设计参数为：深孔2的环向开设角θ
dh
＝46.41
°
，泄水孔3沿联合管片1纵向的列数ny＝2，相邻列间距为0.5m～0.7m，且环向间隔角
δθh＝51
°
，开设角θ
h1
＝102.66
°
，θ
h2
＝156.09
°
。
[0056]
设计型式b符合步骤s1-s4的联合管片1的设计参数为：深孔2的环向开设角θ
dh
＝46.41
°
，泄水孔3沿联合管片1纵向的列数ny＝1，且环向间隔角δθh＝34
°
，开设角θ
h1
＝97.03
°
、θ
h2
＝130.78、θ
h3
＝164.53
°
。
[0057]
并对比设计型式a与设计型式b联合管片1的降压角θ/180
°
与泄流量限比q/q
lim
之间的比值λ，如下表所示：
[0058]
两种联合管片的λ值计算表
[0059][0060]
设计型式a联合管片的泄流量限比q/q
lim
比设计型式b联合管片小11.20％，λ值则比设计型式b联合管片大12.61％，故在综合考虑降压范围及泄流量的前提下，设计型式a联合管片的设计相对更优。

技术特征：
1.一种高水压tbm隧道联合型泄水式管片，其特征在于：包括联合管片(1)、位于联合管片(1)拱脚的深孔(2)和位于联合管片(1)拱腰至拱顶区间的泄水孔(3)，所述联合管片(1)由封顶块(11)、左右对称的领接块(12)以及标准块(13)首尾拼接形成环状结构，所述深孔(2)与泄水孔(3)共同环列对称布置在联合管片(1)上，所述深孔(2)对接有向外延伸的销孔排水管(21)。2.根据权利要求1所述的一种高水压tbm隧道联合型泄水式管片，其特征在于：所述联合管片(1)外径为8300mm～8400mm，壁厚为400mm～500mm，环宽为1800mm～2000mm。3.根据权利要求1所述的一种高水压tbm隧道联合型泄水式管片，其特征在于：所述联合管片(1)的底部及圆心角90
°
范围内的开挖空隙采用c20早强细石混凝土填充，其它区域采用吹填豆粒石并注水泥浆进行填充。4.根据权利要求1所述的一种高水压tbm隧道联合型泄水式管片，其特征在于：所述销孔排水管(21)长度l
dh
＝0.25d
g
，d
g
为注浆圈厚度，该处取值为隧道内径的一半。5.一种高水压tbm隧道联合型泄水式管片设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1、采用权利要求1-4任一项所述的一种高水压tbm隧道联合型泄水式管片，基于实际的隧道工程条件确定覆土压力、水头高度、渗透系数、联合管片(1)尺寸相关参数，通过软件模型进行不同深孔(2)泄水式下的流固耦合计算及参数分析，研究管片衬砌外水压力、管片泄流量、稳定水位降深的演化特征，从而确定深孔(2)的环向开设角θ
dh
和销孔排水管(21)的长度l
dh
；步骤s2、通过软件模型进行不同泄水孔(3)泄水型式下的流固耦合计算及参数分析，研究管片衬砌外水压力、管片泄流量、稳定水位降深的演化特征，确定泄水孔(3)的环向间隔角δθ
h
和泄水孔(3)沿联合管片(1)纵向的列数n
y
；步骤s3、基于单独的环向间隔角δθ
h
为45
°
的环向三开泄水型式管片中泄水孔的联合降压程度δ，δ为衬砌外水压力占限比与θ
h1
～θ
h2
范围内ν
max
的差值，通过将步骤s2得出的泄水孔(3)环向间隔角δθ
h
与45
°
对比，预估泄水孔(3)的δ值，δ值大于0时，选用的列数n
y
能增强降压效果才能合理，δ值小于0时，选用的列数n
y
能避免过度降压才能合理，从而初步判断联合管片(1)上泄水孔(3)设计参数的合理性；步骤s4、将设计好的联合管片(1)安装在隧道内，并对该隧道进行流固耦合计算后，将联合管片(1)环向衬砌外的水压力值提取出来，并数据处理生成联合管片(1)的ν-θ变化曲线，判断实际环境下的水压力值是否降至安全区间，从而精确判断实际隧道环境下联合管片(1)上深孔(2)与泄水孔(3)的参数设计是否达标。6.根据权利要求5所述的一种高水压tbm隧道联合型泄水式管片设计方法，其特征在于：还包括步骤s5、将全部符合步骤s1-s4但不同设计参数的联合管片(1)进行对比得到最优设计参数，通过联合管片(1)的降压角θ/180
°
与泄流量限比q/q
lim
之间的比值λ来评估，比值λ最大的联合管片(1)为最优设计参数。7.根据权利要求5所述的一种高水压tbm隧道联合型泄水式管片设计方法，其特征在于：所述深孔(2)的环向开设角θ
dh
＝46.41
°
。8.根据权利要求7所述的一种高水压tbm隧道联合型泄水式管片设计方法，其特征在于：所述泄水孔(3)沿联合管片(1)纵向的列数n
y
＝2，相邻列间距为0.5m～0.7m，且环向间隔角δθ
h
＝51
°
，开设角θ
h1
＝102.66
°
，θ
h2
＝156.09
°
。
9.根据权利要求7所述的一种高水压tbm隧道联合型泄水式管片设计方法，其特征在于：所述泄水孔(3)沿联合管片(1)纵向的列数n
y
＝1，且环向间隔角δθ
h
＝34
°
，开设角θ
h1
＝97.03
°
、θ
h2
＝130.78、θ
h3
＝164.53
°
。

技术总结
本发明公开了一种高水压TBM隧道联合型泄水式管片，包括联合管片、位于联合管片拱脚的深孔和位于联合管片拱腰至拱顶区间的泄水孔，联合管片由封顶块、左右对称的领接块以及标准块首尾拼接形成环状结构，本发明还公开一种高水压TBM隧道联合型泄水式管片设计方法，包括以下步骤：步骤S1、确定深孔的环向开设角θ


技术研发人员：黄明 路遥 陈志杰 李志伟 杜广召 王双 牛国良 李干 胡玉柳 程林飞 龙广山
受保护的技术使用者：福州大学 福建省建筑科学研究院有限责任公司 南昌铁路勘测设计院有限责任公司 福州地铁集团有限公司
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/7/22