專利名稱：一種隧道結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及隧道結(jié)構(gòu)，特別涉及明挖隧道和淺埋暗挖隧道結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
長(zhǎng)期以來，明挖隧道和淺埋暗挖隧道都是以剛性襯砌結(jié)構(gòu)直接承受其周邊荷載。這樣的結(jié)構(gòu)實(shí)際承受的荷載上部為垂直向下的均布或非均布荷載，側(cè)面為水平或有一定角度的非均布荷載。在不均勻荷載作用下，隧道結(jié)構(gòu)局部可能承受較大荷載。以最不利荷載為控制設(shè)計(jì)的隧道結(jié)構(gòu)，在最不利位置之外結(jié)構(gòu)圬工實(shí)際沒有充分發(fā)揮作用。
隨著隧道跨度或明挖隧道填方增加，按照傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的隧道結(jié)構(gòu)厚度也相應(yīng)增力口，在實(shí)際工程中甚至出現(xiàn)2m以上超厚襯砌結(jié)構(gòu)，隨之帶來結(jié)構(gòu)變形、安全性、耐久性等新的技術(shù)問題，局部受力不均勻傾向更加嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)自身重量成為不可忽視的荷載。荷載增加導(dǎo)致結(jié)構(gòu)厚度增加形成惡性循環(huán)，這些成為了隧道結(jié)構(gòu)向大跨度發(fā)展的不利因素。
在人類活動(dòng)諸如地面重載或沖擊荷載、地鐵、地下管線及其它地下工程，還有地下水及地表水的長(zhǎng)期作用以及地震等綜合因素作用下，隧道周邊對(duì)結(jié)構(gòu)的作用力隨著時(shí)間推移產(chǎn)生變化，產(chǎn)生最不利荷載的時(shí)間和位置不確定，給隧道設(shè)計(jì)帶來困難。為保證安全，隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全系數(shù)相對(duì)較大，因此上述問題更加突出。即便如此，局部出現(xiàn)較大荷載時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)仍然可能出現(xiàn)開裂、變形等病害現(xiàn)象。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種隧道結(jié)構(gòu)，以使隧道結(jié)構(gòu)具有更大的跨度和承受:更大荷載，并提聞結(jié)構(gòu)耐久性。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下:
本發(fā)明的一種隧道結(jié)構(gòu)，其特征是它包括:襯砌層，其斷面為環(huán)狀封閉殼體結(jié)構(gòu)；基礎(chǔ)，位于襯砌層底部下方；球狀材料填充層，環(huán)繞襯砌層外輪廓面設(shè)置。
本發(fā)明的有益效果是，通過球狀材料填充層能有效地分散外界作用于隧道的不均勻荷載，使其沿隧道襯砌外表面徑向分布；斷面為環(huán)狀的封閉殼體結(jié)構(gòu)襯砌層具有受壓理想幾何形狀，使環(huán)狀封閉殼體襯砌層的高抗壓強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮，相對(duì)于一般隧道結(jié)構(gòu)能夠承受更大荷載或具有更大的跨度；本發(fā)明的另一重要有益方面是:可分散隨時(shí)間推移產(chǎn)生的徐變荷載和局部的突變荷載，利于隧道結(jié)構(gòu)的整體承載，減少病害產(chǎn)生，使結(jié)構(gòu)耐久性提高；施工工藝簡(jiǎn)單，易于推廣，能明顯降低工程造價(jià)；應(yīng)用范圍廣，特別適用于明挖隧道，同樣適用于淺埋暗挖隧道。


本說明書包括如下六幅附圖:
圖1是本發(fā)明隧道結(jié)構(gòu)的立面圖2是本發(fā)明隧道結(jié)構(gòu)的斷面圖3是圖2中A局部的放大圖4是本發(fā)明隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算模型示意圖5是本發(fā)明隧道結(jié)構(gòu)球狀材料填充層受力傳遞示意圖6是傳統(tǒng)隧道襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算模型示意圖。
圖中示出構(gòu)件及所對(duì)應(yīng)的標(biāo)記:襯砌層10，球狀材料填充層20，外表層30，保護(hù)層40、基礎(chǔ)50。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
參照?qǐng)D1、圖2和圖3，本發(fā)明的一種隧道結(jié)構(gòu)包括:襯砌層10，其斷面為環(huán)狀封閉殼體結(jié)構(gòu)；基礎(chǔ)50，位于襯砌層10底部下方；球狀材料填充層20，環(huán)繞襯砌層10外輪廓面設(shè)置。
襯砌層10為隧道的承載結(jié)構(gòu)，采用諸如混凝土、鋼筋混凝土或其它抗壓強(qiáng)度高的建筑材料構(gòu)筑。參照?qǐng)D2和圖4，襯砌層10的斷面為圓形，或者由不同半徑圓弧段或局部直線段構(gòu)成的近似圓形或橢圓形。其理想受壓材料和理想外部受壓的幾何形狀，使襯砌結(jié)構(gòu)具有理想的承壓能力。
參照?qǐng)D5，球狀材料填充層20的作用是將外界作用于隧道襯砌的不均勻荷載，轉(zhuǎn)換為徑向荷載作用于襯砌層10和基礎(chǔ)50。根據(jù)不同的填方或埋深狀況，球狀材料填充層20可以采用等厚截面或不等厚截面。球狀材料填充層20由圓球狀或近似圓球狀的球體填充形成，球體外表光滑、無粘性，球體為等直徑或不等直徑級(jí)配組合。球狀材料填充層20采用同種材料球體填充形成，或者采用不同材料球體填充形成，適合采用的球體諸如陶粒、金屬球、等質(zhì)地堅(jiān)硬材料。
球體顆粒對(duì)荷載的分解傳遞如圖5所示，通過球體顆粒之間的相互擠壓分解后，緊貼襯砌10和基礎(chǔ)50表面的顆粒以徑向力的方式將壓力分布到襯砌層10的外輪廓面和基礎(chǔ)50的上表面。
外表層30為柔性或半柔性，采用諸如橡膠、聚乙烯或其他化學(xué)合成材料等具有一定強(qiáng)度的柔性或半柔性材料。外表層30的主要作用是，施工時(shí)便于填充球體顆粒，使球狀材料填充層20形成設(shè)計(jì)形狀和厚度。外表層30可兼有隧道防水層作用。
參照?qǐng)D2，本發(fā)明的隧道結(jié)構(gòu)還可以包括在基礎(chǔ)50以上環(huán)外表層30外輪廓面設(shè)置的保護(hù)層40，該保護(hù)層40為非剛性層，采用諸如泡沫、黃泥、粘土等類似材料，其作用是避免回填施工時(shí)破壞外表層30。
參照?qǐng)D2，基礎(chǔ)50的作用是使襯砌層10、球狀材料填充層20結(jié)構(gòu)穩(wěn)定地置于地基上，承載結(jié)構(gòu)荷載，并將荷載傳遞至地基?；A(chǔ)50為剛性，采用諸如混凝土、鋼筋混凝土或其它抗壓強(qiáng)度高的建筑材料構(gòu)筑。通常，基礎(chǔ)50采用不等厚斷面，其橫向兩端的厚度超過中部厚度。
圖2是本發(fā)明隧道結(jié)構(gòu)一種典型實(shí)施方式的斷面圖，該隧道結(jié)構(gòu)由襯砌層10、基礎(chǔ)50、球狀材料填充層20、外表層30和保護(hù)層40構(gòu)成。球狀材料填充層20環(huán)繞襯砌層10外輪廓面設(shè)置，外表層30環(huán)球狀材料填充層20外輪廓面設(shè)置，襯砌層10、球狀材料填充層20及外表層30的復(fù)合體的底部坐落在基礎(chǔ)50上。非剛性的保護(hù)層40在基礎(chǔ)50以上環(huán)外表層30外輪廓面設(shè)置。
圖6是傳統(tǒng)隧道襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算模型示意圖，隧道襯砌結(jié)構(gòu)實(shí)際承受的荷載上部為垂直向下的均布或非均布荷載，結(jié)構(gòu)側(cè)面為水平或有一定角度的非均布荷載。在不均勻荷載作用下，隧道結(jié)構(gòu)局部可能承受較大荷載。以最不利荷載為控制設(shè)計(jì)的隧道結(jié)構(gòu)，在最不利位置之外結(jié)構(gòu)圬工實(shí)際沒有充分發(fā)揮作用。
圖4是本發(fā)明隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算模型示意圖，與圖6示出的傳統(tǒng)隧道襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算模型相比較，本發(fā)明改變了傳統(tǒng)隧道的荷載作用模式，由于荷載環(huán)向分布，襯砌層10可以承受較大的荷載。同時(shí)，斷面為環(huán)狀封閉殼體結(jié)構(gòu)襯砌層10具有受壓最佳幾何形狀，使襯砌層10的高抗壓強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮。由于球狀層的作用，部分荷載轉(zhuǎn)移至基礎(chǔ)。相對(duì)于傳統(tǒng)隧道襯砌層受力更為有利，結(jié)構(gòu)能夠承受更大荷載或具有更大的跨度。
另一重要方面，隧道建成后，隨時(shí)間推移，在隧道外部不能預(yù)測(cè)部位可能因?yàn)槿藶榛顒?dòng)、地表水及地下水、地震等產(chǎn)生集中荷載，建設(shè)初期荷載也可能隨時(shí)間發(fā)生變化。經(jīng)過球狀材料填充層20的荷載重新分布，分散局部的突變荷載，利于隧道襯砌的整體承載，減少病害產(chǎn)生，使隧道結(jié)構(gòu)耐久性提高。
以標(biāo)準(zhǔn)鐵路雙線V級(jí)II型內(nèi)凈空12.Sm隧道為例，按傳統(tǒng)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，拱部厚度需要1.8m，拱部及邊墻需要按結(jié)構(gòu)受力配筋。如采用本隧道結(jié)構(gòu)，拱墻厚度可以減小到1.2m,節(jié)省圬工20%,僅需要構(gòu)造配筋，每延米隧道可節(jié)省鋼材5.8噸，約為原設(shè)計(jì)的52%。本發(fā)明施工工藝簡(jiǎn)單，易于推廣，能明顯降低工程造價(jià)，在大斷面隧道工程中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)效果將更明顯。
以上所述只是用圖解說明本發(fā)明一種隧道結(jié)構(gòu)的一些原理，并非是要將本發(fā)明局限在所示和所述的具體結(jié)構(gòu)和適用范圍內(nèi)，故凡是所有可能被利用的相應(yīng)修改以及等同物，均屬于本發(fā)明所申請(qǐng)的專利范圍。
權(quán)利要求
1.一種隧道結(jié)構(gòu)，其特征是它包括:襯砌層(10)，其斷面為環(huán)狀封閉殼體結(jié)構(gòu)；基礎(chǔ)(50),位于襯砌層(10)底部下方；球狀材料填充層(20)，環(huán)繞襯砌層(10)外輪廓面設(shè)置。
2.如權(quán)利要求1所述一種隧道結(jié)構(gòu)，其特征是:所述球狀材料填充層(20)采用等厚或不等厚截面。
3.如權(quán)利要求2所述一種隧道結(jié)構(gòu)，其特征是:所述球狀材料填充層(20)由圓球狀或近似圓球狀的球體填充形成，球體外表光滑、無粘性。
4.如權(quán)利要求3所述一種隧道結(jié)構(gòu)，其特征是:所述球體為等直徑或不等直徑級(jí)配組口 ο
5.如權(quán)利要求4所述一種隧道結(jié)構(gòu)，其特征是:所述球狀材料填充層(20)采用同種材料球體填充形成，或者采用不同材料球體填充形成。
6.如權(quán)利要求1至5任意一項(xiàng)所述一種隧道結(jié)構(gòu)，其特征是:它還包括環(huán)球狀材料填充層(20 )外輪廓面設(shè)置的外表層(30 )，該外表層(30 )為柔性或半柔性層。
7.如權(quán)利要求6所述一種隧道結(jié)構(gòu)，其特征是:它還包括在基礎(chǔ)(50)以上環(huán)外表層(30)外輪廓面設(shè)置的保護(hù)層(40)，該保護(hù)層(40)為非剛性層。
全文摘要
一種隧道結(jié)構(gòu)，以使隧道結(jié)構(gòu)具有更大的跨度和承受更大荷載，并提高結(jié)構(gòu)耐久性。它包括襯砌層(10)，其斷面為環(huán)狀封閉殼體結(jié)構(gòu)；基礎(chǔ)(50)，位于襯砌層(10)底部下方；球狀材料填充層(20)，環(huán)繞襯砌層(10)外輪廓面設(shè)置。本發(fā)明通過球狀材料填充層能有效地分散外界作用于隧道的不均勻荷載，使其沿隧道襯砌外表面徑向分布,斷面為環(huán)狀的封閉殼體結(jié)構(gòu)襯砌層具有受壓理想幾何形狀，使環(huán)狀封閉殼體襯砌層的高抗壓強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮，相對(duì)于一般隧道結(jié)構(gòu)能夠承受更大荷載或具有更大的跨度。
文檔編號(hào)E21D11/00GK103195086SQ20131011807
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月7日
發(fā)明者熊祥雪, 李曉園, 袁偉, 琚國(guó)全 申請(qǐng)人:中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司