本申请涉及隧道工程领域，尤其涉及盾构管片及其裂缝的控制方法。
背景技术：
随着国家的快速发展，城市的铁路、公路等基础设施的建设也得到了很好的发展，为了迎合新时代的发展，隧道的断面面积也有越来越大的需求，伴随着的是对施工工艺的高标准要求。钢筋混凝土管片是盾构法隧道最常用的结构件，管片结构安全是其正常运行的重要保障。随着盾构法在我国隧道工程中大量应用，出现管片开裂与渗漏水的案例也逐步增多，这些问题将会影响到工程的安全性。目前隧道工程中，存在着部分盾构管片产生裂缝的问题。
技术实现要素：
有鉴于此，本申请实施例期望提供盾构管片及其裂缝的控制方法。
为达到上述目的，本申请实施例的一方面，提供一种盾构管片裂缝的控制方法，包括：
利用第一分析模型对所述盾构管片所受荷载进行分析计算，获得所述盾构管片的横向轴力和弯矩的最不利组合；
确定所述相邻盾构管片的环缝部位的接触方式；
在第二分析模型中对所述盾构管片施加所述盾构管片受到的最大推力荷载，同时导入所述最不利组合的横向轴力和弯矩，并模拟所述接触方式，分析获得所述盾构管片受到横向和纵向的内力；
依据所述盾构管片不同阶段的内力，分别对所述盾构管片包络进行配筋。
进一步的，所述第一分析模型为匀质圆环模型或梁-弹簧模型。
进一步地，所述荷载包括油脂区的油脂压力、脱出盾尾区的同步注浆压力和运营期横向载荷。
进一步的，所述接触方式包括：
凸台接触方式，包括在所述盾构管片的环缝面位于所述推力荷载一侧设置凸台；或，
垫片接触方式，包括在所述盾构管片的环缝面背离所述推力荷载一侧设置垫片。
进一步的，当选择所述凸台接触方式时，所述盾构管片制作的精度小于等于0.3mm；
当选择所述垫片接触方式时，所述盾构管片制作的精度小于等于0.5mm。
进一步的，所述凸台接触方式中，所述凸台设置在作为封顶块的所述盾构管片上的数量为1～2个，设置在作为标准块和邻接块的所述盾构管片上的数量为2～4个，多个所述凸台间隔设置。
进一步的，所述垫片接触方式中，所述垫片的边缘距离所述盾构管片的纵缝转角为5～10mm；和/或，所述垫片的厚度为所述盾构管片的环宽尺寸最大允许误差的3～4倍。
进一步的，所述凸台接触方式，根据所述盾构管片的几何及物理特性计算所述盾构管片的接触刚度，采用无拉弹簧模拟所述盾构管片与所述凸台间的接触。
进一步的，所述垫片接触方式，采用非线性硬化本构模型模拟非线性的所述垫片，所述垫片与所述盾构管片间的连接采用无拉弹簧模拟。
进一步的，对所述盾构管片包络进行配筋，包括：
对所述盾构管片按深梁要求进行配筋；
对所述盾构管片按双向偏压受力进行配筋；以及
所述盾构管片因环缝面不平整而引起的纵向荷载仅为所述施工荷载时，所述盾构管片按强度要求进行配筋；所述盾构管片因环缝面不平整而引起的纵向荷载为永久荷载时，所述盾构管片按强度要求以及裂缝开展宽度要求进行配筋。
本申请实施例的另一方面，提供了一种盾构管片，根据以上所述任一种所述的控制方法制作。
本申请实施例提供的盾构管片及其裂缝的控制方法，利用第一分析模型对盾构管片所受荷载进行分析计算，获得盾构管片的横向轴力和弯矩的最不利组合。充分考虑盾构管片各个方向的受力情况，确定相邻盾构管片的环缝部位的接触方式，选择合适的接触方式能够更加真实地模拟盾构管片的受力状态。在第二分析模型中对盾构管片施加盾构管片受到的最大推力荷载，同时导入最不利组合的横向轴力和弯矩，并模拟接触方式，分析获得盾构管片受到横向和纵向的内力。依据盾构管片不同阶段的内力，分别对盾构管片包络进行配筋，针对性加强盾构强度，有效防止了盾构管片裂缝的产生。
附图说明
图1为现有技术的盾构管片产生裂纹的结构示意图；
图2为现有技术的盾构管片计算配筋流程图；
图3为本申请实施例中一种盾构管片裂缝的控制方法的流程图；
图4为本申请一实施例中匀质圆环模型的分析模型示意图；
图5为本申请一实施例中梁-弹簧模型的分析模型示意图；
图6为本申请一实施例中盾构管片凸台接触的模拟结构示意图；
图7为本申请一实施例中盾构管片垫片接触的模拟结构示意图；
图8a为本申请一实施例中盾构管片环缝面加强配筋示意图；
图8b为本申请一实施例中盾构管片环缝面加强配筋示意图；
图9为本申请一实施例中盾构管片设置2mm厚度垫片产生裂缝的模拟示意图；
图10为本申请一实施例中盾构管片设置3mm厚度垫片产生裂缝的模拟示意图；
图11为本申请一实施例中盾构管片所受纵向荷载示意图；
图12为本申请一实施例中盾构管片凸台接触模拟方法示意图；
图13为本申请一实施例中盾构管片垫片接触模拟方法示意图；
图14为本申请一实施例中盾构管片油脂区横向荷载示意图；
图15为本申请一实施例中盾构管片同步注浆区横向荷载中注浆压力示意图；
图16为本申请一实施例中盾构管片同步注浆区横向荷载中静浆压力示意图；以及
图17为本申请一实施例中盾构管片运营期横向荷载示意图。
附图标记说明：
1、盾构管片；2、凸台；3、垫片；4、钢筋；5、垫片接触；6、荷载；7、凸台接触；8、裂缝；9、凹凸榫；10、a环；11、b环；12、c环；13、弹簧接触；n、盾构行进方向；f、推力荷载；s、不平整值；k1、接缝回转弹簧；k2、径向剪切弹簧；k3、切向剪切弹簧。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合，具体实施方式中的详细描述应理解为本申请宗旨的解释说明，不应视为对本申请的不当限制。
在本申请的描述中方位术语仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
作为本申请发明创造性构思的一部分，在描述本申请的实施例之前，需对现有技术盾构管片产生裂纹的原因进行分析，通过合理分析找出现有技术解决裂纹技术方案的缺陷，从而得出本申请实施例的技术方案。
现有技术中，参见图1所示，推力荷载f方向与盾构行进方向n相反，盾构管片1为预制构件，尺寸误差不可避免，所以在盾构管片1环缝面存在不平整值s，环缝面不平整对结构受力产生影响，导致盾构管片1产生裂缝8。
现有技术中，参见图2所示，设计规范将盾构管片1拼装形成的整体结构受力计算分为横向与纵向两部分，配筋包括以下步骤：
s1’：利用第一分析模型对盾构管片所受荷载进行分析计算；
s2’：获得所述盾构管片的横向轴力和弯矩的最不利组合；
s3’：按裂缝宽度控制所述盾构管片配筋。
现有技术中，不考虑盾构管片1环缝面存在的不平整值s对结构受力的影响，没有对盾构管片1同时承受横向弯矩与纵向弯矩进行计算，在对盾构管片1进行配筋时，利用第一分析模型对盾构管片1所受荷载进行分析计算，获得所述盾构管片1的横向轴力和弯矩的最不利组合，不考虑盾构管片1因环缝面不平整而引起其他受力的问题，在最后配筋的时候只按裂缝8宽度要求配筋，没有判断荷载6是否为永久荷载然后根据实际情况进行配筋，所以导致盾构管片1在使用中仍然会产生裂缝8。
本申请实施例的一方面，提供了一种盾构管片裂缝的控制方法，参见图3所示，包括：
s1：利用第一分析模型对所述盾构管片所受荷载进行分析计算，获得所述盾构管片的横向轴力和弯矩的最不利组合；
s2：确定相邻所述盾构管片的环缝部位的接触方式；
s3：在第二分析模型中对所述盾构管片施加所述盾构管片受到的最大推力荷载，同时导入最不利组合的横向轴力和弯矩，并模拟接触方式，分析获得所述盾构管片受到横向和纵向的内力；
s4：依据所述盾构管片不同阶段的内力，分别对所述盾构管片包络进行配筋。
本申请实施例提供的盾构管片裂缝的控制方法，首先利用第一分析模型对盾构管片1所受荷载6进行分析计算，获得盾构管片1的横向轴力和弯矩的最不利组合。相对于现有的设计中忽略了盾构机最大推力荷载f，未同时考虑盾构管片1横向弯矩与纵向弯矩形成的双向弯矩受力特性，当盾构管片1精度控制未达标时，极易引发盾构管片1的开裂，且这种裂缝8一般沿轴向发展且内外侧贯通，引发渗漏水，危及结构安全及隧道运营，危害极大。所以本申请实施例充分考虑盾构管片1受力情况，针对性对盾构管片1按受力阶段分析，增加钢筋4的配置，从而增加强度，大大减少盾构管片1裂缝8的产生。
下面对本申请实施例的盾构管片裂缝的控制方法的各个步骤进行具体的说明。可以理解的是，上述控制方法的步骤s1与s2的顺序可以互换，即先确定s2，再确定s1，并不影响本申请实施例控制方法的实施。
s1：利用第一分析模型对所述盾构管片所受荷载进行分析计算，获得所述盾构管片的横向轴力和弯矩的最不利组合。
在一实施例中，参见图4所示，所述第一分析模型采用匀质圆环模型。盾构管片1匀质圆环法计算模型，属于荷载6结构法的范畴，这种计算方法经验性较强，匀质圆环法计算法多采用有限元分析手段进行，是目前工程中的主流设计方法，匀质圆环法计算模型是将盾构管片1衬砌圆环视作弹性匀质圆环进行分析，惯用法和修正惯用法均采用这种模型，图4中d表示管片环的外径，h表示隧道覆土厚度，h0表示隧道拱顶以上水位高度。
在一实施例中，参见图5所示，所述第一分析模型采用梁-弹簧模型。该方法是在使用曲梁或直梁单元模拟盾构管片1的同时具体考虑接头的位置和接头刚度的计算模型，采用空间结构模型进行分析时，通常采用中间一个整环加前后两个半幅宽环进行计算，并用径向抗剪刚度和切向抗剪刚度来体现纵向接头的环间传力效果，计算法利用地基弹簧模拟荷载6，将盾构管片1的主截面简化为圆弧梁或直线梁，将盾构管片1接头考虑为旋转弹簧，将盾构管片1环接头考虑为剪切弹簧，以评价错缝拼装效应。此模型同时考虑了盾构管片1的接头刚度、接头位置及错缝拼装效应，在各种地层中均能得到较为理想的计算结果，是一种较为合理的计算模型。计算模型包括a环10、b环11以及c环12，还包括接缝回转弹簧k1、径向剪切弹簧k2以及切向剪切弹簧k3。荷载6及地基弹簧与图4相同。
在一实施例中，参见图14-17所示，荷载6包括油脂区的油脂压力、脱出盾尾区的同步注浆压力和运营期横向载荷。其中，图14为本申请一实施例中盾构管片油脂区横向荷载示意图；图15为本申请一实施例中盾构管片同步注浆区横向荷载中注浆压力示意图；图16为本申请一实施例中盾构管片同步注浆区横向荷载中静浆压力示意图；图17为本申请一实施例中盾构管片运营期横向荷载示意图。采用上述的匀质圆环模型或梁-弹簧模型进行计算，得出盾构管片1横向的轴力与弯矩的最不利组合，包括考虑油脂区的油脂压力、脱出盾尾区的同步注浆压力和运营期的横向载荷，充分考虑盾构管片1各个方向的受力情况，更加真实地模拟盾构管片1的受力状态，为盾构管片1的模拟配筋提供可靠的依据。
s2：确定相邻所述盾构管片的环缝部位的接触方式。
在一实施例中，参见图6所示，所述接触方式采用凸台接触7方式。当采用凸台接触7时，盾构管片1环缝面位于推力荷载f一侧设置凸台2，盾构管片1另一侧设置为平面，盾构管片1间利用凸台2进行纵向传力。由于盾构管片1为预制构件，尺寸误差不可避免，为减少尺寸误差对结构受力与防水的不利影响，《盾构法隧道施工及验收规范》(gb50446-2017)提出了盾构管片1制作精度要求，当选择凸台接触方式时，盾构管片制作的精度小于等于0.3mm。由于凸台2数量多，当环缝面不平整时，很难做到所有凸台2位于同一个平面，因而凸台2与相邻盾构管片1的接触状态分两种，一种是凸台2与盾构管片1直接接触；另一种是凸台2与盾构管片1之间有间隙，没有直接接触。凸台2设置在作为封顶块的盾构管片1上的数量为1～2个，设置在作为标准块和邻接块的盾构管片1上的数量为2～4个，多个凸台2间隔设置。所以当采用凸台接触7时，需要将盾构管片1的制作精度严格控制在小于等于0.3mm，这样才能保证更多的凸台2与盾构管片1直接接触，达到控制盾构管片1裂缝8产生的目的。
在一实施例中，参见图7所示，所述接触方式采用垫片接触5方式。盾构管片1的环缝面背离推力荷载f一侧设置垫片3，盾构管片1另一侧设置为平面，盾构管片1间利用垫片3进行纵向传力。当选择垫片接触方式时，盾构管片制作的精度小于等于0.5mm。当采用垫片接触5方式时，由于环缝面的不平整，垫片3与相邻盾构管片1的接触状态也分为两种，一种是垫片3与盾构管片1直接接触；另一种是垫片3与盾构管片1之间有间隙，没有直接接触。此方法需要将盾构管片1的制作精度严格控制在小于等于0.5mm。为了使垫片接触5的效果更好，垫片3的边缘距离盾构管片1的纵缝转角为5～10mm，垫片3的厚度为盾构管片1的环宽尺寸最大允许误差的3～4倍。
进一步的，参见图9以及图10所示，盾构管片1设置2mm厚度垫片3和3mm厚度垫片3产生裂缝8的示意图，由图可知，当盾构管片1的不平整值s同为1mm时，厚度为2mm的垫片3和厚度为3mm的垫片3受力产生裂缝8情况完全不同，盾构管片1设置2mm厚度垫片3产生了贯通裂缝8，盾构管片1设置3mm厚度垫片3产生轻微裂缝8，并没有贯通裂缝8，所以垫片3厚度对盾构管片1裂缝8的控制有一定影响。
由于盾构管片1制作尺寸误差不可避免，总会存在拼装成环后的环缝面不平整，盾构管片1在施工拼装过程中承受较大的纵向荷载以及纵向弯矩的问题，最终会导致盾构管片1产生裂缝8，所以在施工的过程中选择盾构管片1的合适的接触方式，能有效防止盾构管片1裂缝8的产生。具体的，可以根据盾构管片的实际应用情况选择盾构管片的接触方式，当应用在铁路隧道时，采用凸台接触的方式；当应用在公路及其他类型隧道时，采用垫片接触的方式。
s3：在第二分析模型中对所述盾构管片施加所述盾构管片受到的最大推力荷载，同时导入最不利组合的横向轴力和弯矩，并模拟接触方式，分析获得所述盾构管片受到横向和纵向的内力。参见图11以及图14-17所示，盾构施工荷载尽管作用时间短，但是其荷载大、受控因素多，再加上结构损伤的不可自愈性及地下结构防水能力的脆弱性，引发了大量盾构管片1贯通性开裂及渗漏水危害，甚至危及结构安全。特别是近年来，随着超大直径、超高水压及岩层盾构隧道的大范围推广，盾构施工推力越来越大，推力对结构的影响更加突出，加剧了盾构管片1因制作精度不够高引发的不利影响。所以本实施例在模拟过程中，导入盾构管片1受到的最大推力荷载f，同时导入最不利组合的横向轴力和弯矩，并模拟接触方式，分析获得所述盾构管片1受到横向和纵向的内力。
其中，第二分析模型为有限元分析模型，有限元分析利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟。利用简单而又相互作用的元素，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解。因为实际问题被较简单的问题所代替，所以这个解不是准确解，而是近似解。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
在一实施例中，参见图12所示，模拟采用凸台接触7方式时，根据盾构管片1的几何及物理特性计算盾构管片1的接触刚度，采用无拉弹簧模拟盾构管片1与凸台2间的接触。根据盾构管片1的几何及物理特性计算盾构管片1的接触刚度，再根据管片间接触刚度换算得弹簧刚度，采用无拉弹簧模拟盾构管片1与凸台2间的接触，模型中盾构管片1与凸台2间采用弹簧接触13，模拟计算盾构管片1采用凸台接触7时所受的内力，针对性对盾构管片1按不同接触方式采用不同接触模型进行模拟计算，获得更准确的所述盾构管片1受到横向和纵向的内力。
在一实施例中，参见图13所示，模拟采用垫片接触5方式时，采用非线性硬化本构模型模拟非线性的垫片3，垫片3与盾构管片1间的连接采用无拉弹簧模拟。采用无拉弹簧模拟垫片3与盾构管片1间的弹簧接触，模拟计算盾构管片1采用垫片接触5时所受的内力，获得更准确的所述盾构管片1受到横向和纵向的内力。
s4：依据所述盾构管片不同阶段的内力，分别对所述盾构管片包络进行配筋。
参见图8a以及图8b所示，根据盾构管片1分不同阶段的内力，对所述盾构管片1包络进行配筋，针对盾构管片1在不同施工阶段受力不一样，包括盾构管片1拼装、盾尾油脂区、脱出盾尾及运营稳定期等阶段，根据盾构管片1结构所承受的横向及纵向施工荷载作用情况，通过对盾构管片1应力状态进行分析，针对性对盾构管片1包络进行配筋，针对性提高盾构管片1的强度，有效控制了盾构管片1环缝面贯穿裂缝8的产生。
在一实施例中，对盾构管片1包络进行配筋，当盾构管片1应用为深梁时，对盾构管片1按深梁要求进行配筋，按《混凝土结构设计规范》(gb50010)对深梁配筋要求进行设计。
在一实施例中，对盾构管片1包络进行配筋，当盾构管片1应用为成环状态时，盾构管片1为双向偏心受压，盾构管片1按双向偏压受力进行配筋，按《混凝土结构设计规范》(gb50010)对双向偏压受力进行配筋设计。
在一实施例中，对盾构管片1包络进行配筋，当盾构管片1因环缝面不平整而引起的纵向荷载为临时荷载时，盾构管片1按《混凝土结构设计规范》(gb50010)按强度要求进行配筋。
在一实施例中，对盾构管片1包络进行配筋，当盾构管片1因环缝面不平整而引起的纵向荷载为永久荷载时，盾构管片1按《混凝土结构设计规范》(gb50010)按强度以及裂缝8宽度要求进行配筋。
本申请实施例的另一方面，提供了盾构管片1，该盾构管片1包括以上所述任一种所述的控制方法制作。
在一实施例中，参见图6所示，凸台接触7方式中，所述盾构管片1在环缝面位于推力荷载一侧设置凸台2，盾构管片1另一侧为平面，盾构管片1间利用凸台2进行纵向传力，凸台2设置在作为封顶块的盾构管片1上的数量为1～2个，设置在作为标准块和邻接块的所述盾构管片1上的数量为2～4个，多个凸台2间隔设置。
在一实施例中，参见图7所示，垫片接触5方式中，所述盾构管片1的环缝面背离推力荷载一侧设置垫片3，盾构管片1另一侧为平面，盾构管片1间利用垫片3进行纵向传力，垫片3的边缘距离盾构管片1的纵缝转角为5～10mm，垫片3的厚度为盾构管片1的环宽尺寸最大允许误差的3～4倍。
较佳情况下，在使用垫片接触5时，在盾构管片1环缝处设置凹凸榫9配合使用，当配合凹凸榫9一起使用时，结构会更牢靠。
在一实施例中，参见图7所示，盾构管片1上设置的垫片3可以是柔性缓冲材料，也可以是橡胶等弹性材料，盾构管片1利用垫片3进行纵向传力，进而减小纵向弯矩的产生，提高盾构管片1的耐久性，防止管片环缝面裂缝8的产生。
本申请提供的各个实施例/实施方式在不产生矛盾的情况下可以相互组合。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
1.一种盾构管片裂缝的控制方法，其特征在于，包括：
利用第一分析模型对所述盾构管片所受荷载进行分析计算，获得所述盾构管片的横向轴力和弯矩的最不利组合；
确定所述相邻盾构管片的环缝部位的接触方式；
在第二分析模型中对所述盾构管片施加所述盾构管片受到的最大推力荷载，同时导入所述最不利组合的横向轴力和弯矩，并模拟所述接触方式，分析获得所述盾构管片受到横向和纵向的内力；
依据所述盾构管片不同阶段的内力，分别对所述盾构管片包络进行配筋。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述第一分析模型为匀质圆环模型或梁-弹簧模型；或，
所述荷载包括油脂区的油脂压力、脱出盾尾区的同步注浆压力和运营期横向载荷。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述接触方式包括：
凸台接触方式，包括在所述盾构管片的环缝面位于所述推力荷载一侧设置凸台；或，
垫片接触方式，包括在所述盾构管片的环缝面背离所述推力荷载一侧设置垫片。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，
当选择所述凸台接触方式时，所述盾构管片制作的精度小于等于0.3mm；
当选择所述垫片接触方式时，所述盾构管片制作的精度小于等于0.5mm。
5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述凸台接触方式中，所述凸台设置在作为封顶块的所述盾构管片上的数量为1～2个，设置在作为标准块和邻接块的所述盾构管片上的数量为2～4个，多个所述凸台间隔设置。
6.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述垫片接触方式中，所述垫片的边缘距离所述盾构管片的纵缝转角为5～10mm；和/或，所述垫片的厚度为所述盾构管片的环宽尺寸最大允许误差的3～4倍。
7.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述凸台接触方式，根据所述盾构管片的几何及物理特性计算所述盾构管片的接触刚度，采用无拉弹簧模拟所述盾构管片与所述凸台间的接触。
8.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述垫片接触方式，采用非线性硬化本构模型模拟非线性的所述垫片，所述垫片与所述盾构管片间的连接采用无拉弹簧模拟。
9.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，对所述盾构管片包络进行配筋，包括：
对所述盾构管片按深梁要求进行配筋；
对所述盾构管片按双向偏压受力进行配筋；以及
所述盾构管片因环缝面不平整而引起的纵向荷载仅为所述施工荷载时，所述盾构管片按强度要求进行配筋；所述盾构管片因环缝面不平整而引起的纵向荷载为永久荷载时，所述盾构管片按强度要求以及裂缝开展宽度要求进行配筋。
10.一种盾构管片，其特征在于，根据权利要求1～9任意一项所述的控制方法制作。
技术总结