盾构隧道衬砌排水系统和使用盾构衬砌排水系统的盾构隧道建造方法

摘要

本发明的目的是设计不考虑水压的排水隧道的概念，这不同于现有技术，现有技术涉及考虑水压的不排水隧道的概念。所述排水隧道概念是在不考虑水压的情况下设计的，因此可获得经济效应，诸如，管片衬砌的厚度可减小多达20%到50%，且管片衬砌的制造成本和配送成本可降低多达10%到30%。沙土或PS球用作用于回填的填料，从而去除例如地下水污染等环境问题。此外，渗水性和填充性能卓越，使得可随着气压以单次填充操作来密封空间。因此，没有必要进行额外填充工作。

说明书

技术领域

本发明涉及盾构隧道衬砌排水系统和使用所述盾构隧道衬砌排水系统来建造盾构隧道的方法，所述盾构隧道衬砌排水系统和所述方法能够提供具有水被主动排泄到盾构隧道结构中的排水隧道概念的盾构隧道结构，而不是水未被排泄到盾构隧道结构中的不排水隧道概念的常规设计。 

因为在不考虑水压的情况下设计排水概念，所以相比常规不排水概念，盾构衬砌管片的截面厚度可减小20%到50%，且管片衬砌的制造和配送成本可降低10%到30%。 

背景技术

盾构施工方法是开挖地基且建造腹孔的挖掘施工方法，经配置以使用截面略大于隧道的外截面的盾构(Shield)而在盾构的后区处支撑开挖截面，同时防止地基的前端坍塌。所述腹孔是以管片(Segment)组装。 

所述盾构施工方法是在具有低覆盖压力的软土地基（与岩体相反）中建造隧道结构的最有效且稳定的施工方法。 

盾构隧道是配置为不允许将地下水引入到盾构隧道结构中的不排水结构。 

因为盾构隧道是不排水结构，所以盾构管片衬砌支撑地下水位的水压以及地基荷载。 

如上所述，因为盾构管片衬砌支撑地压与水压两者，所以管片的截面对应地增大。 

首先，将使用图11的常规设计方法来描述与盾构管片衬砌相关的地压与水压之间的关系。 

常规设计方法是不排水概念的设计方法。 

在常规设计方法中，如图11所示，关于土压、水压、自重g来设定 垂直方向上的地基反作用力和水平方向上的横向地基反作用力（或地压）。 

与土压、水压、自重(g)等有关的在垂直方向上的地基反作用力，独立于地基的位移且与荷载平衡，而设定为均匀分布的反作用力。 

垂直方向上的地基反作用力满足以下方程式：水压（pw₁）+土压（pe₁）+自重（g）=水压（pw₂）+土压（pe₂）+自动反作用力（p_a）。 

此外，水平方向上的横向地基反作用力（或地压）被视为根据腹孔（盾构管片）在地基中的位移而产生，且如图11所示，设定为具有三角分布的地基反作用力（或地压）。 

地基反作用力的量值(q)满足以下方程式： 

q=kδ 

此处，k为地基反作用力系数，δ为位移。 

在设定值k时，应考虑与横向土压系数(λ)的关系而基于土质条件来仔细地确定值k。 

如图11所示，当考虑水压而在不排水概念中设计盾构衬砌管片时，盾构衬砌的截面的厚度根据相关水压的大小而增大。 

例如，考虑到水压的管片衬砌厚度一般为30到40厘米。不考虑水压的衬砌厚度可减小20%到50%。 

在管片衬砌厚度增大时，因为使用了大量混凝土，且还不经济地增加钢筋的数量，所以自身的重量也增加，因而导致额外成本，诸如配送成本等。 

然而，即使在不排水概念中设计所述系统，但当在地下水位之下建造不排水隧道时，仍无法避免地下水通过所组装的盾构管片的连接接头区轻微侵入到盾构隧道结构中。即使在水轻微侵入到盾构隧道结构中时，仍不能称为排水概念设计。这是因为不同于不排水概念设计，排水概念设计是不考虑水压的设计。为了在盾构衬砌管片的截面的设计中不考虑水压，水压应不施加到盾构隧道。为了使水压不施加到盾构隧道，地下水应主动引入到盾构隧道结构中。 

接着，将描述由盾构设备进行的地基开挖表面与管片衬砌之间的后腔的回填和回填问题。 

在盾构开挖时，盾构设备的截面直径比管片衬砌的外径大4到5厘米。 

换句话说，4到5厘米的间隙是地基开挖表面与管片衬砌之间的后腔。 

后腔是沿着管片衬砌的圆周表面而形成。 

在开挖之后，在预定时间逝去却未回填后腔时，会诱发小规模的坍塌。 

地基位移、地下水泄露等是坍塌的诱因。 

为了防止地基位移且改进隧道的止水性能，应执行后腔的回填。 

此时，执行后腔的回填以关于外压而确保管片衬砌的迅速稳定。 

然而，后腔的回填的执行并不完善。 

即使在后腔以回填材料填充时，因为所述材料由于后腔的结构而在重力方向上流动，所以在后腔的最上区中仍不可避免地形成空间（诸如，盾尾空隙）。 

因此，应执行回填至少2到3次。然而，无法防止盾尾空隙，且仅可减小盾尾空隙的大小。 

即使在灰浆（诸如，水泥、膨润土、水玻璃等）用作后表面填充材料时，因为无法容易执行完美填充且在凝固过程期间由于干燥收缩而产生空腔，所以仍执行二次回填和三次回填。因为执行回填若干次，所以操作变得低效且不经济。 

为了对常规后腔回填提供快速硬化特性，添加水玻璃，且为了提供止水性能，添加膨润土。然而，水玻璃和膨润土降低长期耐久性且污染地下水。 

发明内容

【技术问题】 

本发明的目标是提供具有水被主动排泄到盾构隧道结构中的排水隧道概念的盾构隧道结构，而不是水未被排泄到盾构隧道结构中的不排水隧道概念的常规设计。 

本发明的另一目标是通过以下方式来提供较经济的盾构衬砌管片 的截面：设计不考虑水压的排水隧道概念，而不是考虑水压的常规不排水隧道概念。 

本发明的又一方面是通过以下方式而允许地下水顺畅引入并排泄到盾构隧道中：代替具有极小渗水性的常规灰浆，将具有良好渗水性和填充性能的沙土或PS球作为隧道后腔的回填材料来填充。 

【问题的解决方案】 

本发明的排水隧道概念设计，不同于常规不排水隧道概念设计，在盾构管片的连接接头区中形成流动路径凹槽。 

通过组装管片来配置盾构隧道。管片的数量一般为5个、7个、8个等。在本发明中，为便于描述，将关于7个管片来描述本发明。 

管片的形状是具有四条边的长方形形状。两条边设置在圆周方向P上，且两条边线性设置在纵向方向L上。 

首先，将如下描述7个管片的位置。 

按照惯例，楔形封顶管片（key）设置在盾构隧道结构的最上区处，以执行紧固封顶管片盾构隧道的总成的功能。因为封顶管片是最后组装的最终管片，所以管片具有楔形。 

封顶(key)管片的楔形在纵向方向L上的边处具有三角形，且对应于所述封顶管片的两个侧管片在纵向方向L上的边也形成为倾斜表面。 

封顶管片表示为K。此外，设置在封顶管片的左侧的管片表示为KL，且设置在封顶(key)管片的右侧的管片表示为KR。 

虽然与封顶(key)管片接触的KL管片和KR管片在纵向方向L上的边形成倾斜表面，但KL管片和KR管片在纵向方向L上的另一边为线性表面，而非倾斜表面。 

只要K管片存在，KL管片和KR管片就始终存在。因为K管片、KL管片和KR管片构成一个不可分割的组合，所以所述组合称为SK管片。 

图5显示SK管片的平面图。 

SA管片和SAB管片在纵向方向L上的线性边与KL管片和KR管片在纵向方向L上的线性边接触。 

与SA管片和SAB管片在纵向方向L上的线性边接触的SB管片设 置在盾构隧道结构的最下区处。 

不同于包括KL管片、K管片和KR管片的SK管片，SA管片、SAB管片、SB管片、SAC管片和SC管片具有四边形形状和相同大小。然而，SA管片、SAB管片、SB管片、SAC管片和SC管片根据流动路径凹槽10或排出凹槽22是否形成在四条边处和亲水性止水带40是否安装在四条边处而加以区分。 

接着，将如下描述管片与流动路径凹槽10之间的关系。 

在本发明的盾构隧道结构中，如图6和图7所示，流动路径凹槽10形成在所有四条边处，除设置在最下区处的SB管片与SC管片之外。也就是说，流动路径凹槽10形成在圆周方向P上的两条边与纵向方向L上的两条线性边处。也就是说，流动路径凹槽10形成为在纵长方向上延伸，其中流动路径凹槽10介入在外突出表面14与内突出表面12之间。 

然而，设置在最下区处的SB管片和SC管片是不排水管片。因为SB管片和SC管片是不排水管片，流动路径凹槽10并未形成在所有四条边处（参见图8和图9）。 

如图8所示，流动路径凹槽10仅形成在与SAB管片接触的两条边（即，SB管片在纵向方向L上的两条线性边）处。在圆周方向P上的另两条边仅为未形成流动路径凹槽10的平面区16。 

此外，流动路径凹槽10仅形成在与SAC管片接触的一条边（即，SC管片在纵向方向L1上的一条线性边）处。在圆周方向P上的另两条边和在纵向方向L1上的一条线性边为未形成流动路径凹槽10的平面区16。在两个SC管片的连接区32中，SC管片在纵向方向L上的线性的平面区32和平面区32相互接触。 

设置在最下区处的不排水管片SB和SC为不排水管片，其中SB包括一个管片，但SC包括相互连接的两个SC管片。 

这一差异是通过以锯齿形布置管片以紧固地组装管片来产生的。 

然而，包括一个SB管片的不排水管片和包括两个连接的SC管片的不排水管片具有相同功能。 

接着，交替设置SB管片和SC管片（SB管片和SC管片为设置在 最下区处的不排水管片），且将在下文描述。 

在本发明中，确定设置在盾构隧道的最上区和最下区处的管片的位置。 

也就是说，SK管片设置在最上区处，且SB管片和两个SC管片（其为不排水管片）设置在最下区处。 

然而，SK管片首先设置在XL处且接着设置在XR处。SK管片仅在XL和XR处交替。 

最下区的不排水管片根据最上区的SK管片的交替位置而变化。 

换句话说，在SK管片如图3所示设置在XL处时，SB管片对应地设置为最下区的不排水管片。 

此外，在SK管片如图4所示设置在XR处时，两个SC管片对应地设置为最下区的不排水管片。 

因为管片根据将组装的节而以锯齿形设置，所以最上区的SK管片的位置交替变化。 

如上所述，SA管片、SAB管片和SAC管片设置在最上区的SK管片与最下区的不排水管片（SB管片与两个SC管片）之间。 

当SA管片和SAB管片设置在最上区的SK管片与最下区的SB管片之间时，SAC管片设置在最上区的SK管片与最下区的两个SC管片之间。 

将描述地下水的侵入、所侵入的水的诱发路径和到盾构隧道的排出。 

因为本发明涉及排水隧道概念，所以地下水排泄到盾构隧道100中。 

因为管片由混凝土制成，所以管片接头区30具有施工误差。 

管片接头区30的施工误差一般为1到5毫米。 

接头区30指在圆周方向P和纵向方向L上的连接与组装区，其中管片在管片组装的状态下相互接触。 

地下水在圆周方向P和纵向方向L上通过接头区30而引入。 

接头区30作为地下水的引入路径，而不是地下水借以排放到盾构隧道100中的排放路径。 

如果地下水从管片的所有接头区30排放到盾构隧道100中，那么 盾构隧道100的内部外观变差，且耐久性也降低。 

虽然除SB管片和SC管片在圆周方向P上的两条边的接头区30和两个SC管片在纵向方向L上的线性连接区32（SB管片和SC管片是本发明的不排水管片）之外，管片的所有接头区是地下水借以引入的引入路径，但所引入的水仅通过在不排水管片与SAB管片和SAC管片的接头区30之间形成的排出口20而排放到盾构隧道100中。 

流动路径凹槽10在引入地下水的接头区30的管片的一条边的中央在纵长方向上形成，且内突出表面12和外突出表面14形成在流动路径凹槽10的两侧平面区处。 

地下水通过接头区30的外突出表面14而引入。所引入的水由流动路径凹槽向下导引，且通过排出口排出到盾构隧道100中。所排出的水通过安装在盾构隧道100之下的多孔排水管（未图示）而排放到隧道的外部。因为盾构隧道100设计为一般在纵向方向上提供倾斜，所以所排出的水由于纵向方向上的倾斜而自然排泄。 

虽然地下水通过接头区30的外突出表面14而引入，但因为地下水不应排出到盾构隧道中，所以亲水性止水带40在纵长方向上以一排安装在接头区30的内突出表面12处。 

一排亲水性止水带在内突出表面12的纵长方向上安装在所有四条边处的管片为KL管片、K管片、KR管片、SA管片、SAB管片和SAC管片。 

在SB管片中，一排亲水性止水带40在纵向方向L上安装在线性内突出表面12处。 

在SC管片中，一排亲水性止水带40在纵向方向L上安装在线性内突出表面12处并与SAC管片接触，而纵长方向上的两排亲水性止水带40在纵向方向L上安装在线性平面区16处并不与SAC管片接触。 

在常规不排水隧道概念中，两排或三排亲水性止水带安装在接头区的平面区处，以执行防水功能。 

将描述所引入的地下水借以排出到盾构隧道100中的排出口20。 

排出口20在纵向方向L上形成在两个线性末端处，在此处，不排水管片（SB管片和SC管片）与SAB管片和SAC管片接触。 

例如，如果以图2中在纵向方向L上的末端的点Q为中心，由SB管片和SAB管片（或SC管片）在纵向方向L上形成的线性接头区30为X轴，且由SB管片和SAB管片在圆周方向P上形成的接头区30为Y轴，那么排出口20设置在Z轴方向上。 

Z轴方向是垂直于X轴和Y轴的方向。 

由流动路径凹槽10在X轴方向和Y轴方向上导引的所引入的水在Z轴方向上通过排出口20的点Q而排出到盾构隧道100中。 

因为纵向方向L上的端点Q是SB管片和SAB管片的两个内突出表面12和12相互接触之处，所以点Q的Z轴方向由内突出表面12和12阻断。 

SB管片和SAB管片的内突出表面12和12的端点Q的所阻断的Z轴方向由排出口20开放。 

排出口20是由SB管片和SAB管片的纵向方向L上的内突出表面12和12的端点Q处的四分之一圆排出凹槽22和22形成，以与纵向方向L上的流动路径凹槽10和10连通。四分之一圆排出凹槽22和22指由流动路径凹槽10形成的四分之一圆圆弧。 

在SB和SAB管片相互接触的状态下，排出口20形成半圆。 

类似地，排出口20也是由SC管片和SAC管片（两者为两个不排水管片）形成。 

将描述盾构隧道100的后腔的回填。 

因为基于排水隧道概念而提供本发明，所以地下水应通过管片接头区30而顺畅引入。如果常规灰浆用作回填材料50，那么渗水性变差，且灰浆材料的颗粒积聚在多孔排水管中，从而阻塞多孔排水管。在多工排水管阻塞时，排水系统会出现故障，且在设计中不加以考虑的水压施加到管片衬砌且导致盾构隧道结构的稳定性出现严重问题。这完全偏离排水隧道概念。 

本发明的回填材料或填料50为最适用于排水隧道概念的沙土52、砂石或PS球。 

为了防止填料通过管片的接头区30与地下水一起排放到多孔排水管，沙土52或砂石的粒度可为1到20毫米。 

当填料50的粒度大于20毫米时，无法容易填充宽度为1到10厘米的后腔，且在后表面处产生额外空腔，且因此荷载集中在管片衬砌上。 

当填料50的粒度小于1毫米时，灰浆材料的颗粒积聚在多孔排水管中且阻塞多孔排水管。 

填料50的渗水系数可为1×10^-3到1×10厘米/秒。在此范围中，地下水可容易从地基60引入到盾构隧道结构的流动路径凹槽10中。 

当填料50的渗水系数小于1×10^-3厘米/秒时，地下水无法容易引入到盾构隧道的排水结构中，且不符合排水隧道概念。 

当管片组装完成时，填料50（诸如，沙土52）随着盾构隧道中的气压通过支撑孔18而填充到后腔中。支撑孔18用作填料50的供应路径。 

支撑孔18形成在所有管片的重心处。在连接到支撑螺栓（其插入且固定到支撑孔18中）的钢丝将支撑螺栓插入并固定到支撑孔18中且钢丝由盾构设备提升时，所提升的管片可容易组装。 

此时使用的气压可较佳地为1到3巴(bar)。填料50通过气压而密集填充到后腔中。因为填料50具有圆形形状，所以填料可良好地滚动而密集填充后腔的小空间。 

将如下概述基于上述描述的盾构衬砌排水系统的主要配置。 

在使用盾构设备挖掘隧道的同时由包括KL管片、K管片和KR管片的SK管片以及具有相同大小的长方形管片组装且建造的盾构隧道中 

盾构衬砌排水系统的特征在于，SK管片在盾构隧道的最上区中交替设置在XL和XR处，作为不排水管片的一SB管片和两个SC管片对应于此而交替设置在最下区处，SAB管片设置在SK管片的KL与SB管片之间，SA管片和SAB管片依序设置在SK管片的KR与SB管片之间，SAC管片设置在SK管片的KL和KR与SC管片之间，流动路径凹槽10以SK管片的KL和K、KR管片以及SA管片、SAB管片和SAC管片的四条边为中央而形成，外突出表面14和内突出表面12形成在流动路径凹槽10的两侧处，平面区16形成在作为不排水管片的SB管片在圆周方向P上的两条边处，外突出表面14和内突出表面12形成在SB管片在流动路径凹槽10和两侧在纵向方向L上的两条边处，外突出表 面14和内突出表面12形成在作为不排水管片的SC管片在流动路径凹槽10和两侧处在纵向方向L上与SAC管片接触的一条边处，平面区16在圆周方向P上形成在两条边处，一排亲水性止水带40安装在形成流动路径凹槽10的管片中的每一者的内突出表面12处，两排亲水性止水带40安装在不排水管片的平面区16处，排出口20形成在SAB管片和不排水管片SB在纵向方向L上的内突出表面12的两个端点处，且形成在SAC管片和不排水管片SC在纵向方向L上的内突出表面12的两个端点Q处，具有四分之一圆形状的排出凹槽22在纵向方向L上垂直地形成在流动路径凹槽10处，且具有四分之一圆形状的排出凹槽22在纵向方向L上仅形成在内突出表面12处，以与纵向方向L上的流动路径凹槽10连通，以使得所引入的水在Z方向上排出。 

【本发明的有利效果】 

(a)因为不同于考虑水压的常规不排水隧道概念，按照不考虑水压的排水隧道概念来设计本发明的隧道，所以管片衬砌厚度可减小20%到50%，且管片衬砌的制造和配送成本可降低10%到30%。 

(b)在排水隧道概念中，因为亲水性止水带以一排仅设置在管片接头区的内突出表面处，所以相比两排不排水隧道概念，可减少亲水性止水带。 

(c)虽然大量地下水在水底地基处由于执行额外止水灌浆的不排水概念的盾构隧道的施工问题而引入到隧道中，但因为本发明的排水概念实现诱发排水，所以不需要例如止水灌浆等额外工作。 

(d)因为沙土或PS球用作回填填料，所以不会出现诸如，地下水污染等的环境问题，且提供了良好的渗水性和填充性能，使得填料可随着气压而立刻密集填充，从而不需要额外填充工作。 

附图说明

图1是本发明的盾构隧道的透视图。 

图2是图1的部分A和B的放大图。 

图3是沿着图1的线A-A截取的截面图。 

图4是沿着图1的线B-B截取的截面图。 

图5是SK管片的平面图。 

图6是显示本发明的关于流动路径凹槽与亲水性止水带之间的SA管片和SK管片的透视图。 

图7是显示本发明的关于流动路径凹槽与亲水性止水带之间的SAB管片和SAC管片的透视图。 

图8是显示本发明的关于流动路径凹槽与亲水性止水带之间的SB管片的透视图。 

图9是显示本发明的关于流动路径凹槽与亲水性止水带之间的SC管片的透视图。 

图10是经过回填的本发明的盾构隧道的后腔的透视图。 

图11是显示在水平方向上的地基反作用力是根据盾构管片的地基中的位移而产生的假设下呈三角分布的地基反作用力的压力概念图。 

【主要元件标号说明】 

100：盾构隧道 

10：流动路径凹槽 

12：内突出表面 

14：外突出表面 

16：平面区 

18：支撑孔 

20：排出口 

22：排出凹槽 

30：接头区 

32：连接区 

40：亲水性止水带 

50：回填材料 

52：沙土 

60：地基 

具体实施方式

本发明涉及排水隧道概念，而不是常规不排水隧道概念。 

将参照附图来详细描述基于排水隧道概念来使用本发明的盾构衬砌排水系统的盾构隧道建造方法。 

在挖掘隧道的同时使用盾构设备来建造由包括KL管片、K管片和KR管片的SK管片以及具有相同大小的长方形管片所组装与建造而成的盾构隧道的盾构隧道建造方法包含： 

(a)在开挖地基的最下区处安装SB管片，SB管片为不排水管片，在SB管片中，两排亲水性止水带40在圆周方向P上安装在平面区16的纵长方向上，一排亲水性止水带40在纵向方向L上安装在内突出表面12处，排出凹槽22在内突出表面12的两个端点Q处与流动路径凹槽40连通； 

(b)通过使SAB管片在纵向方向L上的边与SB管片在纵向方向L上的两条边接触而组装并安装SAB管片，在SAB管片中，流动路径凹槽10形成在所有四条边处，一排亲水性止水带40形成在所有四条边的内突出表面12处，且排出凹槽22在纵向方向L上形成在内突出表面的端点Q处； 

(c)通过使SA管片在纵向方向L上的边与邻近于XR的SAB管片在纵向方向L上的边接触而组装并安装SA管片，在SA管片中，流动路径凹槽10形成在所有四条边处，且一排亲水性止水带40形成在所有四条边的内突出表面12处； 

(d)通过使KL管片在纵向方向L上的边与邻近于XL的SAB管片接触且使KR管片的边与邻近于XR的SA管片接触而组装并安装KL管片和KR管片，在KL管片和KR管片中，流动路径凹槽10形成在所有四条边处，且一排亲水性止水带40形成在所有四条边的内突出表面12处； 

(e)通过将K管片插入在KR管片和KL管片在纵向方向L上的边之间而完成第一节盾构组装，在K管片中，流动路径凹槽10形成在所有四条边处，且一排亲水性止水带40形成在所有四条边的内突出表面12处； 

(f)将两个SC管片安装在开挖地基的最下区处，在SC管片中，在第一节盾构组装之后，两排亲水性止水带40将安装在圆周方向P上两个平面区16处且安装在纵向方向L上一个平面区16处的SC管片在纵向 方向L上平面区16处连接，以在挖掘方向上将两个SC管片形成为不排水管片，一排亲水性止水带40安装在形成流动路径凹槽10的纵向方向L上的边的内突出表面12处，且排出凹槽22在内突出表面12的两个端点Q处与流动路径凹槽10连通； 

(g)通过使SAC管片在纵向方向L上的边与SC管片在纵向方向L上的边接触而组装并安装SAC管片，SC管片是形成排出凹槽22的不排水管片，在SAC管片中，流动路径凹槽10形成在所有四条边处，一排亲水性止水带40形成在所有四条边的内突出表面12处，且排出凹槽22在纵向方向L上形成在内突出表面12的一条边的端点Q处； 

(h)通过使KL管片与邻近于XL的SAC管片在纵向方向L上的边接触且使KR管片与邻近于XL的SAC管片在纵向方向L上的边接触而组装并安装KR管片和KL管片，在KL管片中，流动路径凹槽10形成在所有四条边处，且一排亲水性止水带40形成在所有四条边的内突出表面12处； 

(i)通过将K管片插入在KR管片和KL管片在纵向方向L上的边之间而完成第二节盾构组装，在K管片中，流动路径凹槽10形成在所有四条边处，且一排亲水性止水带40形成在所有四条边的内突出表面12处； 

(j)通过重复步骤(a)到(i)而完成第三节、第四节、……、的盾构组装；以及 

(k)在完成盾构组装之后，随着气压通过管片的支撑孔18而以例如沙土等填料50填充后腔。 

此处，在步骤(k)中，填料50的粒度可为1到20毫米，且填料50的渗水系数可为1×10^-3到1×10厘米/秒。在此范围中，在顺畅地引入地下水时，可防止将填料50引入到流动路径凹槽10中，以防止多孔排水管阻塞。 

此外，用于以填料50来密集填充后腔的填料50的注射气压可为1到3巴。