基于双洞风井单侧填土的中隔墙及横向受力体系优化方法与流程

1.本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种基于双洞风井单侧填土的中隔墙横向受力体系优化方法。


背景技术：

2.众所周知，盾构隧道的起终点需设置工作井进行盾构的始发与接收。随着隧道长度的增加，在盾构隧道的中间也需要设置风井来满足长隧道的通风，风井在施工期则作为中间工作井也承担着始发与接收的功能。目前，双洞风井会设置中隔墙，中隔墙一方面是分隔进出风口及左右行车道，另一方面是减小风井侧墙的横向跨度。中隔墙的受力主要有两部分，一部分是上部结构及各层均布荷载传递过来的竖向荷载，另一部分是风井外部水土压力作用于侧墙后传递至中隔墙的纵向水平荷载，其共同点均为沿结构轴线。因此，一般条件下，中隔墙在竖向和水平向主要为受压构件，其弯矩和剪力很小，在设计中其配筋量较小，并非风井结构设计的关键构件。
3.特殊的，为了实现在单侧风井中进行盾构掘进及加载两个阶段的足尺寸试验，需要在中隔墙的一侧填充水土，此时中隔墙成为了结构整体安全的关键构件。在单侧填土条件下，中隔墙由受压构件转变为受弯构件，且越接近中隔墙底部，水土压力越大，其造成的弯矩和剪力越大，导致按受压构件设计的中隔墙无法满足试验要求，需要进行加固。
4.然而，行业内未发生过在双洞风井单侧填土的工程案例或工况，也尚未有相关的研究或设计。为了在不影响中隔墙另外一侧空间实施盾构接收及始发等相关工序且确保风井结构安全的前提下，如何对中隔墙实施加固以确保能够顺利完成单侧风井中进行盾构掘进及加载的足尺寸试验，是一个亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种全新的双洞风井单侧填土条件下的中隔墙横向受力体系优化方法。
6.根据本发明的一个方面，提供一种基于双洞风井单侧填土的中隔墙，包括：
7.底板，所述底板设置于所述双洞风井底部；
8.墙体，所述墙体从所述底板顶部自下向上延伸，并与之垂直固定；
9.多层横向约束机构，所述多层横向约束机构设置于所述墙体侧面处，形成对所述墙体的多层横向约束；
10.底部约束机构，所述底部约束机构设置于所述墙体的底部，形成对所述墙体的竖向约束；
11.竖向或横向跨中约束机构，所述竖向或横向跨中约束机构设置于所述墙体侧面处，加强所述墙体的竖向约束，加强所述多层横向约束机构形成的横向跨中约束。
12.基于所述多层横向约束机构、底部约束机构和竖向或横向跨中约束机构对所述墙体形成的多个所述约束，抵抗单侧填土形成的作用于墙体的弯矩和剪力。
13.优选地，定义墙体进行单侧填土的一侧称为填土侧，另一侧称为非填土侧；所述多层横向约束机构包括多层层板，所述多层层板沿着所述墙体在所述填土侧和所述非填土侧内上下间隔并左右对称分布。
14.优选地，所述底部约束机构包括回填层，所述回填层对称分布于所述墙体的两侧；所述墙体高度为h1，所述回填层的高度为h2，其范围为0.08h1≤h2≤0.12h1。
15.优选地，所述竖向或横向跨中约束机构包括：
16.肋板，多个所述肋板设置于所述墙体底部若干层跨中区域；其中每个所述肋板与对应的所述层板或/和所述底板相固定连接，且所述肋板的高度不大于所述层板的宽度；
17.锚拉件，所述锚拉件在所述墙体底部若干层跨中与对应层的底部层板进行横向分布；
18.斜向刚性支撑件，所述向刚性支撑件设置于所述墙体的跨中所对应的位于非填土侧的所述层板与所述底板之间；
19.竖向钢支撑件，所述竖向钢支撑件件在位于所述填土侧的回填层与所述墙体跨中所对应的所述层板之间，其上下延伸；
20.加强筋板，所述加强板筋设置于所述回填层的顶部与所述墙体的非填土侧之间，所述多个加强筋板沿着所述墙体宽度方向间隔分布。
21.根据本发明的第二个方面，提供一种基于双洞风井单侧填土的中隔墙横向受力体系优化方法，所述中隔墙包括底板、自所述底板向上延伸的墙体，对所述中隔墙进行优化，包括：
22.s1、对中隔墙增加多层横向约束
23.盾构掘进施工期阶段，在所述墙体上提前施工上下间隔分布的多层层板，其中所述多层层板将所述墙体划分为自上而下依次分布的地下第1层，地下第2层
…
地下第n层，在所述墙体的一侧填充水土时，多层所述层板构成中隔墙的多层横向约束，所述墙体由三面固定约束的超大跨度板结构优化为跨度减小的多跨单向板结构；
24.s2、加大中隔墙底部约束范围
25.在中隔墙的底部两侧分别浇注回填材料后形成回填层，以形成中隔墙的竖向固定约束；
26.s3、在受力较大的中隔墙底部若干层进一步加强竖向或横向跨中约束
27.根据数值计算结果确定墙体受力范围，根据结构验算的结果对所述墙体的底部若干层跨中区域设置若干道竖向延伸的肋板以将所述单向板结构进一步分割为双向板结构，其中每个所述肋板与对应的所述层板或/和所述底板相固定连接，且所述肋板的高度不大于所述层板的宽度；或/和，在所述墙体底部若干层跨中与对应层的底部层板进行横向分布的锚拉，以将所述单向板结构进一步分割为跨度更小的单向板结构，约束所述墙体与所述层板的变形。
28.优选地，在s1中，所述多层层板对称设置在所述墙体的填土侧和非填土侧；
29.在s2中，所述回填层对称设置在所述墙体的填土侧和非填土侧；
30.在s3中，在所述墙体底部若干层跨中与位于所述墙体填土侧上对应层的底部层板进行锚拉；
31.在s3中，所述肋板均设置在所述墙体的非填土侧。
32.优选地，在s3中，在所述墙体的跨中所对应的位于非填土侧的所述层板与所述底板之间设置斜向刚性支撑。
33.优选地，在位于所述墙体填土侧的回填层与所述墙体跨中所对应的所述层板之间设有上下延伸的竖向钢支撑。
34.优选地，在所述回填层的顶部与所述墙体的非填土侧之间焊接有多个加强筋板，其中所述多个加强筋板沿着所述墙体宽度方向间隔分布。
35.优选地，所述n＝5，其中所述墙体的跨中对应位于地下第3层底部的所述层板，所述肋板的上部焊接于位于地下第3层底部的所述层板的底面、下部焊接于所述底板上。
36.由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比至少具有如下优点：
37.本发明实施例中的基于双洞风井单侧填土的中隔墙及横向受力体系优化方法，通过在中隔墙上设置层板和肋板，构成多跨横向受力双向板结构，能够分散中隔墙一侧所受的填土压力，降低填土荷载在中隔墙特别是其中下部区域产生的弯矩和剪力，从而在保证中隔墙竖向承力的前提下显著优化中隔墙在横向荷载条件下的受力体系，通过分别加强中隔墙跨中和底部的约束，有效减少中隔墙的变形，确保中隔墙的可靠性，且操作方法简单，能够直接应用于实际施工中；
38.本发明实施例中的基于双洞风井单侧填土的中隔墙及横向受力体系优化方法，将墙体划分为多层，方便工作人员计算墙体受力，并根据不同的受力情况进行标识，方便施工人员很直观地获知中隔墙上需要加固的区域；
39.本发明实施例中的基于双洞风井单侧填土的中隔墙及横向受力体系优化方法，优化中隔墙横向受力所采取的各样材料均为常见材料，结构简单，施工方便，成本低。
附图说明
40.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
41.图1为本发明一实施例中的双洞风井和中隔墙的结构示意图(未进行结构优化)；
42.图2为本发明一优选实施例的横向受力体系完成优化的中隔墙的结构示意图；
43.图3为图2的左视示意图；
44.其中：a、风井；t、通道；b、中隔墙；1、底板；c1、回填层；2、墙体；3、层板；m、加强筋板；n、竖向钢支撑；4、肋板；
45.图4为本发明另一个优选实施例中的基于双洞风井单侧填土的中隔墙横向受力体系优化方法流程图。
具体实施方式
46.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本技术的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本技术。但是本技术能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本技术内涵的情况下做类似改进，因此本技术不受下面公开的具体实施例的限制。
47.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时
针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，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技术的限制。
48.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
49.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
50.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
51.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
52.参见图1-图3，本发明提供一个实施例，一种基于双洞风井单侧填土的中隔墙，定义墙体进行单侧填土的一侧称为填土侧，另一侧称为非填土侧；中隔墙包括底板1、墙体2、多层横向约束机构、底部约束机构和竖向或横向跨中约束机构；底板1设置于双洞风井底部；墙体2从底板1顶部自下向上延伸，并与之垂直固定；多层横向约束机构设置于墙体侧面处，形成对墙体的多层横向约束；底部约束机构设置于墙体的底部，形成对墙体的竖向约束；竖向或横向跨中约束机构设置于墙体侧面处，加强墙体的竖向约束，加强多层横向约束机构形成的横向跨中约束。基于所述多层横向约束机构、底部约束机构和竖向或横向跨中约束机构对所述墙体形成的多个所述约束，抵抗单侧填土形成的作用于墙体的弯矩和剪力。本实施例的结构，由原来大跨度的结构分解为小跨度的结构，并把填土产生的水平荷载通过层板和肋板等构件传递至侧墙与底板两个承载力很大的构件，同时该传递的力与侧墙外部、底板下部水土荷载方向相反，为有利荷载。
53.在本发明的一个优选实施例中，多层横向约束机构包括多层层板3，所述多层层板3沿着墙体2在填土侧和非填土侧内上下间隔并左右对称分布。
54.在本发明的一个优选实施例中，底部约束机构包括回填层c1，回填层c1对称分布于墙体2的两侧；墙体2高度为h1，回填层c1的高度为h2，其范围为0.08h1≤h2≤0.12h1。
55.在本发明的一个优选实施例中，竖向或横向跨中约束机构包括肋板4、锚拉件、斜向刚性支撑件、竖向钢支撑件n和加强筋板m。多个肋板4设置于所述墙体底部若干层跨中区
域；其中每个肋板与对应的层板或/和底板相固定连接，为不干扰风井施工期作业，肋板的高度不大于层板的宽度；锚拉件在墙体底部若干层跨中与对应层的底部层板进行横向分布；向刚性支撑件设置于墙体的跨中所对应的位于非填土侧的层板与底板之间；竖向钢支撑件件在位于填土侧的回填层与墙体跨中所对应的层板之间，其上下延伸；加强板筋设置于回填层的顶部与墙体的非填土侧之间，多个加强筋板沿着墙体宽度方向间隔分布。
56.上述实施例通过在中隔墙上设置层板和肋板，构成多跨横向受力双向板结构，能够分散中隔墙一侧所受的填土压力，从而在保证中隔墙竖向承力的前提下显著优化中隔墙在横向荷载条件下的受力体系；同时通过分别加强中隔墙跨中和底部的约束，有效减少中隔墙的变形，确保中隔墙的可靠性，且操作方法简单，能够直接应用于实际施工中。
57.在本发明的一个具体实例中，如图1至图3所示，本实施例的双洞风井结构为常规的风井a，并左右两条盾构隧道t贯穿风井a。
58.本实施例的中隔墙b设置在左右两条盾构隧道t之间，且包括底板1和墙体2。底板1向下拱起，墙体2自底板1竖直向上延伸，其中墙体2的高度为h1＝38200mm，厚度为d1＝1200mm。
59.参见图2，墙体2的右侧为靠近填土的一侧、左侧为远离填土的一侧，在墙体2的右侧进行填充水土时，填土高度为25900mm，最大水位高度为25900mm。特定的，当隧道穿越风井掘进完成后，风井内增加填土高度5000mm，并同时降低水位2500mm以上，以确保加载工况对中隔墙的水平荷载不高于掘进工况。
60.参见图4，基于相同的发明构思，在本发明的其他实施例中，提供一种基于双洞风井单侧填土的中隔墙横向受力体系优化方法，包括如下步骤：
61.s1、对中隔墙增加多层横向约束；
62.s2、加大中隔墙底部约束范围；
63.s3、在受力较大的中隔墙底部若干层进一步加强竖向或横向跨中约束。
64.在s1中，在墙体2上焊接上下间隔分布并水平延伸的多层层板3，其中多层层板3将墙体划分为自上而下依次分布的地下第1层，地下第2层
…
地下第n层，在墙体2的一侧填充水土时，多层层板3构成墙体2的多层横向约束，即层板大大增加了侧向的刚度，且层板与侧墙固结，可视为有效约束。在本实施例中，n＝5，也就是说，层板3有四层并将墙体2划分自下而上依次分布的地下第1层、地下第2层、地下第3层、地下第4层、地下第5层，其中根据一侧填土对墙体2的受力试验分析，地下第1层、地下第2层、地下第3层、地下第4层、地下第5层的高度比例为0.75：0.84:0.61：0.87：1，墙体2的跨中位置对应位于地下第3层底部的层板3。这样设置，将墙体划分为多层，方便工作人员采用有限元方法及计算墙体受力，并根据不同的受力情况进行标识，方便施工人员很直观地获知中隔墙上需要加固的区域。
65.在本实施例中，地下第1层、地下第2层、地下第3层、地下第4层、地下第5层的高度依次为6300mm、7050mm、5100mm、7300mm、8350mm。
66.具体的，在墙体2左右两侧分别焊接有四层层板3，且两侧的四层层板3一一对齐设置，每一侧的层板3上下对齐设置。
67.在s2中，在墙体2的底部浇注回填材料并形成回填层c1，以形成墙体2的竖向固定约束。
68.具体的，回填材料采用素混凝土并自底板1的顶面向上浇注，且其回填高度位为
h2，其中0.08h1≤h2≤0.12h1。在本实施例中，h2＝3500mm。
69.为了提高中隔墙底部的稳定性，在浇注素混凝土时，贴着墙体2的左右两侧同步进行浇注，保证墙体2左右两侧的回填层c1高度保持一致。
70.此外，在位于墙体2靠近填土一侧的回填层c1与墙体2跨中位置所对应的层板3之间设有上下延伸的竖向钢支撑件n。在本实施例中，竖向钢支撑件采用上下端部分别与回填层c1和对应层板3相焊接的型钢。
71.进一步的，在墙体2的左侧与回填层c1的顶部之间焊接有多个沿着墙体2宽度方向间隔分布的加强筋板m。
72.在s3中，根据数值计算结果确定墙体2较大受力的范围，根据结构验算的结果对墙体2受力较大的底部若干层跨中区域设置若干道竖向延伸的肋板以将单向板结构进一步分割为双向板结构，其中每个肋板4与对应的层板3或/和底板1相固定连接，且肋板4的高度不大于层板3的宽度，在墙体2底部若干层跨中与对应层的底部层板3进行横向分布的锚拉(可参见图2右侧填土侧简单示意)，以将单向板结构进一步分割为跨度更小的单向板结构，约束墙体与层板的变形。
73.具体的，肋板4焊接于墙体2远离填土的一侧(左侧)，肋板4的上部焊接于位于地下第3层底部的层板3的底面、下部焊接于底板1上。在一些具体实施方式中，肋板4可设置多个并沿着墙体2的长度方向并排间隔分布。
74.具体的，在墙体2跨中与位于墙体2靠近填土的一侧上对应的层板3(地下第3层底部层板3)处进行锚拉(图中未显示，但不难想到)。锚拉为常规的施工手段，这里不做赘述。
75.同时，还可以在墙体2跨中与位于墙体2远离填土的一侧上对应的层板3设置斜向刚性支撑(可参见图2左侧非填土侧简单示意)。这里的斜向刚性支撑可以是各种常见的刚性支撑，例如型钢支撑，型钢上下倾斜延伸，且型钢的上端部焊接于对应的层板3上、下端部焊接于底板1上。
76.上述实施例中提及的跨中区域即为约束构件围成的空间中间区域，层板将中隔墙在竖向分割成了若干个空间，每个空间的中间区域都视为跨中，底部若干层跨中区域具体是指，从底部算起，肋板往上延伸若干层跨中区域(若干具体为几层，视跨中弯矩的大小而定)
77.以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
78.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。