拓扑自锁式盾构隧道管片、管片环结构和隧道

1.本发明涉及隧道工程技术领域，特别涉及一种拓扑自锁式盾构隧道管片及管片环结构。


背景技术：

2.盾构法是隧道建设方法中的一种全机械化施工方法，具有安全性高、扰动小等优点，普遍应用于铁路隧道、公路隧道、地铁隧道、水利隧道等。在盾构机开挖掘进的过程中，开挖的过程中会在隧道内拼装预制管片结构形成衬砌结构，维持隧道的稳定性。随着交通运输事业的发展，盾构隧道的建设广泛开展，提出新型的管片衬砌结构，从而改善盾构隧道衬砌结构的受力、防水性能，提高拼装速度与施工质量，是隧道工程专业技术人员急需解决的问题。
3.在相关技术中，盾构隧道管片由预制混凝土构成，通过螺栓连接拼装成环，拼装连接方式对衬砌结构的受力、变形、抗渗等有显著影响。盾构隧道管片常使用螺栓连接，衬砌结构通过接头将管片拼接成环状，再通过环间接头组合成管状结构。
4.相关技术中的拼接管状结构，其管片之间的拼接接头是衬砌结构的薄弱环节。在地面堆载、地层不均匀沉降等环境下，拼接面之间的管片螺栓需要承受侧向荷载，同时现有管片结构沿隧道轴线方向上的接触面之间也会同时承受剪应力，容易发生不均匀沉降时易产生开裂变形。部分学者提出利用榫卯式结构或嵌入式结构实现管片间的紧密连接，提高衬砌结构的承载力，但这种方法需要极高的加工精度，且在施工现场复杂的情况下，安装难度大。此外，榫卯连接有折线状的混凝土表面结构，会在连接处产生应力集中，对结构的耐久性和可靠性不利。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供了一种拓扑自锁式盾构隧道管片、管片环结构和隧道，能够实现圆形盾构隧道模块化衬砌结构的自锁式安装，管片拼接面之间无需设置连接螺栓或者榫卯、嵌入式结构，有效降低了局部应力集中，改善了沿隧道走向方向的受力性能，提高了衬砌结构的整体性和稳定性。技术方案如下：
6.第一方面，本发明实施例提供了一种拓扑自锁式盾构隧道管片，该拓扑自锁式盾构隧道管片包括：
7.圆弧形片体，
8.所述圆弧形片体呈劣弧状，所述圆弧形片体在圆周方向上的相对两侧对称设置有侧拼合面，所述侧拼合面包括依次连接的第一曲面和第二曲面，所述第一曲面和所述第二曲面相匹配，所述圆弧形片体在圆周方向上设置有相对的第三曲面和第四曲面，所述第三曲面和所述第四曲面相匹配，所述拓扑自锁式盾构隧道管片被配置为两个所述圆弧形片体能够通过所述第一曲面和所述第二曲面对合拼接，以在所述圆弧形片体的径向上实现咬合固定；或者，两个所述圆弧形片体能够通过所述第三曲面和所述第四曲面对合拼接，已在所
述圆弧形片体的径向上实现咬合固定。
9.可选地，所述圆弧形片体包括相对的外弧面和内弧面，所述外弧面在所述圆弧形片体的圆周方向上具有相对的第一拼合边、第二拼合边以及对称布置的两个第一侧边，所述第一拼合边为凹弧，所述第二拼合边为与所述第一拼合边相匹配的凸弧，所述第一拼合边和所述第二拼合边通过所述第一侧边连接，所述第一侧边包括依次连接的第一弧形边和第二弧形边，所述第一弧形边和所述第二弧形边的长度相同，所述第一弧形边为凸弧，所述第二弧形边为凹弧；所述内弧面在所述圆弧形片体的圆周方向上具有相对的第三拼合边、第四拼合边和对称布置的两个第二侧边，所述第三拼合边为凸弧，所述第四拼合边为与所述第三拼合边相匹配的凹弧，所述第三拼合边和所述第四拼合边通过所述第二侧边连接，所述第二侧边包括依次连接的第三弧形边和第四弧形边，所述第三弧形边和所述第四弧形边的长度相同，所述第三弧形边为凹弧，所述第四弧形边为凸弧，所述第一弧形边和所述第三弧形边通过第一曲面连接，所述第二弧形边和所述第四弧形边通过所述第二曲面连接，所述第一拼合边和所述第三拼合边通过第三曲面连接，所述第二拼合边和所述第四拼合边通过所述第四曲面连接。
10.可选地，所述内弧面上开设有6个校准螺栓孔，所述6个校准螺栓孔分别与所述第三曲面、所述第四曲面、两个所述第一曲面和两个所述第二曲面连通。
11.可选地，所述内弧面上设置有6个注浆手孔，所述6个注浆手孔分别与所述6个校准螺栓孔连通。
12.可选地，所述第一曲面上设置有连通所述校准螺栓孔开口与所述第一弧形边的第一注浆槽；所述第二曲面上设置有连通所述校准螺栓孔开口与所述第二弧形边的第二注浆槽；所述第三曲面上设置有连通所述校准螺栓孔开口与所述第一拼合边的第三注浆槽；所述第四曲面上设置有连通所述校准螺栓孔开口与所述第二拼合边的第四注浆槽。
13.可选地，所述圆弧形片体为高强混凝土制件。
14.第二方面，本发明实施例提供了一种管片环结构，包括多个前述第一方面所述的拓扑自锁式盾构隧道管片，多个所述拓扑自锁式盾构隧道管片的所述圆弧形片体通过所述第三曲面和所述第四曲面依次拼接，以形成环状结构。
15.第三方面，本发明实施例还提供了一种隧道，包括多个前述第二方面所述的管片环结构，多个所述管片环结构沿所述管片环结构的轴线方向错缝拼装，在相邻两个所述管片环结构之间，所述圆弧形片体的所述第一曲面与相邻的所述圆弧形片体的所述第二曲面相互拼接。
16.本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
17.采用本发明实施例所提供的拓扑自锁式盾构隧道管片，并利用该盾构隧道管片进行组合以制成管片环结构和隧道，其在进行盾构隧道管片的组合拼装时，由于圆弧形片体用于相互组合的边缘由相互匹配的第一曲面和第二曲面，以及第三曲面和第四曲面等特殊曲面结构组成。其组合拼接后相互之间能够产生咬合作用，第一曲面和第二曲面，以及第三曲面和第四曲面在拼合后会产生强烈的挤压、摩擦和咬合，同时相比常规的平直拼接面相互之间的接触面积更大，能够实现圆形盾构隧道模块化衬砌结构的自锁式安装，管片拼接面之间无需设置连接螺栓或者榫卯、嵌入式结构，有效降低了局部应力集中，改善了沿隧道走向方向的受力性能，提高了衬砌结构的整体性和稳定性。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1是本发明实施例提供的一种拓扑自锁式盾构隧道管片的立体结构示意图；
20.图2是本发明实施例提供的一种拓扑自锁式盾构隧道管片的外弧面一侧的结构示意图；
21.图3是图2中a-a处的截面示意图；
22.图4是本发明实施例提供的一种拓扑自锁式盾构隧道管片的侧视结构示意图；
23.图5是本发明实施例提供的一种拓扑自锁式盾构隧道管片的内弧面一侧的结构示意图；
24.图6是本发明实施例提供的另一种拓扑自锁式盾构隧道管片的内弧面一侧的结构示意图；
25.图7是本发明实施例提供的另一种拓扑自锁式盾构隧道管片的立体结构示意图；
26.图8是本发明实施例提供的一种管片环结构的结构示意图；
27.图9是本发明实施例提供的一种隧道的结构示意图。
28.图中：
29.1-圆弧形片体；1a-第一曲面；1b-第二曲面；1c-第三曲面；1d-第四曲面；11-外弧面；12-内弧面；13-校准螺栓孔；14-注浆手孔；111-第一拼合边；112-第二拼合边；113-第一侧边；121-第三拼合边；122-第二拼合边；123-第二侧边；131-第一注浆槽；132-第二注浆槽；133-第三注浆槽；134-第四注浆槽；1131-第一弧形边；1132-第二弧形边；1231-第三弧形边；1232-第四弧形边。
具体实施方式
30.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
31.在相关技术中，盾构隧道管片由预制混凝土构成，通过螺栓连接拼装成环，拼装连接方式对衬砌结构的受力、变形、抗渗等有显著影响。盾构隧道管片常使用螺栓连接，衬砌结构通过接头将管片拼接成环状，再通过环间接头组合成管状结构。
32.相关技术中的拼接管状结构，其管片之间的拼接接头是衬砌结构的薄弱环节。在地面堆载、地层不均匀沉降等环境下，拼接面之间的管片螺栓需要承受侧向荷载，同时现有管片结构沿隧道轴线方向上的接触面之间也会同时承受剪应力，容易发生不均匀沉降时易产生开裂变形。部分学者提出利用榫卯式结构或嵌入式结构实现管片间的紧密连接，提高衬砌结构的承载力，但这种方法需要极高的加工精度，且在施工现场复杂的情况下，安装难度大。此外，榫卯连接有折线状的混凝土表面结构，会在连接处产生应力集中，对结构的耐久性和可靠性不利。
33.图1是本发明实施例提供的一种拓扑自锁式盾构隧道管片的立体结构示意图。图2是本发明实施例提供的一种拓扑自锁式盾构隧道管片的外弧面一侧的结构示意图。图3是
图2中a-a处的截面示意图。图4是本发明实施例提供的一种拓扑自锁式盾构隧道管片的侧视结构示意图。图5是本发明实施例提供的一种拓扑自锁式盾构隧道管片的内弧面一侧的结构示意图。图6是本发明实施例提供的另一种拓扑自锁式盾构隧道管片的内弧面一侧的结构示意图。图7是本发明实施例提供的另一种拓扑自锁式盾构隧道管片的立体结构示意图。如图1至图7所示，通过实践，本发明实施例提供了一种圆弧形片体1。
34.其中，圆弧形片体1呈劣弧状，圆弧形片体1在圆周方向上的相对两侧对称设置有侧拼合面，侧拼合面包括依次连接的第一曲面1a和第二曲面1b，第一曲面1a和第二曲面1b相匹配，圆弧形片体1在圆周方向上设置有相对的第三曲面1c和第四曲面1d，第三曲面1c和第四曲面1d相匹配，拓扑自锁式盾构隧道管片被配置为两个圆弧形片体1能够通过第一曲面1a和第二曲面1b对合拼接，以在圆弧形片体1的径向上实现咬合固定；或者，两个圆弧形片体1能够通过第三曲面1c和第四曲面1d对合拼接，已在圆弧形片体1的径向上实现咬合固定。
35.具体地，圆弧形片体1包括相对的外弧面11和内弧面12。
36.其中外弧面11在圆弧形片体1的圆周方向上具有相对的第一拼合边111、第二拼合边112以及对称布置的两个第一侧边113。第一拼合边111为凹弧，第二拼合边112为与第一拼合边111相匹配的凸弧，第一拼合边111和第二拼合边112通过第一侧边113连接。第一侧边113包括依次连接的第一弧形边1131和第二弧形边1132，第一弧形边1131和第二弧形边1132的长度相同，第一弧形边1131为凸弧，第二弧形边1132为凹弧。
37.内弧面12在圆弧形片体1的圆周方向上具有相对的第三拼合边121、第四拼合边122和对称布置的两个第二侧边123。第三拼合边121为凸弧，第四拼合边122为与第三拼合边121相匹配的凹弧，第三拼合边121和第四拼合边122通过第二侧边123连接。第二侧边123包括依次连接的第三弧形边1231和第四弧形边1232，第三弧形边1231和第四弧形边1232的长度相同，第三弧形边1231为凹弧，第四弧形边1232为凸弧。
38.第一弧形边1131和第三弧形边1231通过第一曲面1a连接，第二弧形边1132和第四弧形边1232通过与第一曲面1a相匹配的第二曲面1b连接，第一拼合边111和第三拼合边121通过第三曲面1c连接，第二拼合边112和第四拼合边122通过与第三曲面1c相匹配的第四曲面1d连接。
39.在本发明实施例中，该拓扑自锁式盾构隧道管片的圆弧形片体1，其在圆周方向上呈劣弧状，并在厚度方向上，也即是圆弧的径向上具有相对的外弧面11和内弧面12，外弧面11和内弧面12在圆周方向上为相互平行，且等角度的两端圆弧，其中外弧面11用于与对隧道内的土壤结构进行接触和支撑。其中外弧面11可以看成依次由第一拼合边111、第一弧形边1131、第二弧形边1132、第二拼合边112、第二弧形边1132和第一弧形边1131六个弧形边围成的弧面，内弧面12则可以看成依次由第三拼合边121、第三弧形边1231、第四弧形边1232、第四拼合边122、第四弧形边1232和第三弧形边1231六个弧形边围成的弧面。而在该圆弧形片体1的厚度方向上，外弧面11和内弧面12之间则可以看成依次由第三曲面1c、第一曲面1a、第二曲面1b、第四曲面1d、第二曲面1b和第一曲面1a六个特殊几何曲面所围成，整体形成弧形片状的八面体结构。第一曲面1a、第二曲面1b、第三曲面1c和第四曲面1d均为放样生成的曲面，该圆弧形片体1在进行组合使用时，其在圆周方向上的第三曲面1c和第四曲面1d可以相互拼合，此时在相邻两个圆弧形片体1的外弧面11上，呈凹弧状的第一拼合边
111会与呈凸弧状的第二拼合边112对应拼合，实现外弧面11的平滑过度连接；而在相邻两个圆弧形片体1的内弧面12上，呈凸弧状的第三拼合边121则会与呈凹弧状的第四拼合边122相拼合，实现内弧面12的平滑过度连接。通过多个圆弧形片体1的依次拼接，可以组合成环状的管片环结构。在圆周方向上，相邻两个圆弧形片体1通过第三曲面1c和第四曲面1d之间的相互咬合拼接，可以实现自锁，无需设置在拼合位置设置额外的螺栓进行相互连接。
40.而进一步的，在完成多个管片环结构的组合后，可以将多个管片环结构沿轴线方向，也即是隧道的走向同轴布置，相邻两个管片环结构之间围绕轴线进行一定的角度调整后进行错缝拼装。在相邻两个管片环结构之间，圆弧形片体1的第一曲面1a会与相邻的圆弧形片体1的第二曲面1b相互拼合，此时再相邻两个圆弧形片体1的外弧面11上，呈凸弧状的第一弧形边1131会与呈凹弧状的第二弧形边1132对应拼合，实现外弧面11的平滑过度连接；而在相邻两个圆弧形片体1的内弧面12上，呈凹弧状的第三弧形边1231会与呈凸弧状的第四弧形边1232对应拼合，实现内弧面12的平滑过度连接。多个管片环结构依次拼合完成后即可形成完整的盾构隧道结构。
41.采用本发明实施例所提供的拓扑自锁式盾构隧道管片，并利用该盾构隧道管片进行组合以制成管片环结构和隧道，其在进行盾构隧道管片的组合拼装时，由于圆弧形片体1用于相互组合的边缘由相互匹配的第一曲面1a和第二曲面1b，以及第三曲面1c和第四曲面1d等特殊曲面结构组成。其组合拼接后相互之间能够产生咬合作用，第一曲面1a和第二曲面1b，以及第三曲面1c和第四曲面1d在拼合后会产生强烈的挤压、摩擦和咬合，同时相比常规的平直拼接面相互之间的接触面积更大，能够实现圆形盾构隧道模块化衬砌结构的自锁式安装，管片拼接面之间无需设置连接螺栓或者榫卯、嵌入式结构，有效降低了局部应力集中，改善了沿隧道走向方向的受力性能，提高了衬砌结构的整体性和稳定性。
42.可选地，内弧面12上开设有6个校准螺栓孔13，6个校准螺栓孔13分别与第三曲面1c、第四曲面1d、两个第一曲面1a和两个第二曲面1b连通。示例性地，在本发明实施例中，通过在内弧面12上分别开设6个与第三曲面1c、第四曲面1d、两个第一曲面1a和两个第二曲面1b连通的校准螺栓孔13，可以在管片环结构和隧道的组装过程中起到定位校正的作用。以进行管片换结构的组合装配为例，当相邻两个圆弧形片体1通过第三曲面1c和第四曲面1d之间的相互咬合拼接后，可以由其中一个圆弧形片体1的内弧面12上由与第三曲面1c连通的校准螺栓孔13中下入弧形的盾构螺栓，若是两块圆弧形片体1拼接准确，则相互接触的第三曲面1c和第四曲面1d上的校准螺栓孔13上的开口为连通状态，盾构螺栓能够轻松穿过该开口连通处。若盾构螺栓在下入过程中遇阻，则说明相邻两个圆弧形片体1未准确拼合，导致相互接触的第三曲面1c和第四曲面1d上的校准螺栓孔13上的开口未对其连通，工作人员即可及时进行校正。而准确拼接后，邻两个圆弧形片体1可以通过第三曲面1c和第四曲面1d咬合固定，无需盾构螺栓进行额外的连接，在校正完成后盾构螺栓即可由校准螺栓孔13中拆除取出，已进行下一个拼接处的校验，降低了生产安装成本的同时，提高了拓扑自锁式盾构隧道管片的装配精确性。
43.可选地，内弧面12上设置有6个注浆手孔14，6个注浆手孔14分别与6个校准螺栓孔13连通。示例性地，在本发明实施例中，在通过校准螺栓孔13完成两个相互拼接的圆弧形片体1的拼接面的安装校准后，由于用于校正的盾构螺栓以取出，校准螺栓孔13处于中空状态。此时可以通过注浆设备对准注浆手孔14向内注浆，并通过连通的校准螺栓孔13分别对
相互拼接的圆弧形片体1的拼接面之间的管片间隙，以及外弧面11与隧道内的土壤结构之间的间隙进行注浆填充，提高整个管片环以及隧道支护结构的抗渗性能。
44.示例性地，在本发明实施例中，注浆手孔14为开设于内弧面12上的斜向孔槽，而校准螺栓孔13连通内弧面12的开口则位于注浆手孔14的孔槽底壁上，注浆手孔14和对应的校准螺栓孔13一体设置，降低了制造和加工难度，减少了圆弧形片体1的内部挖孔数量，进而提高了整体机械强度。
45.可选地，第一曲面1a上设置有连通校准螺栓孔13开口与第一弧形边1131的第一注浆槽131；第二曲面1b上设置有连通校准螺栓孔13开口与第二弧形边1132的第二注浆槽132；第三曲面1c上设置有连通校准螺栓孔13开口与第一拼合边111的第三注浆槽133；第四曲面1d上设置有连通校准螺栓孔13开口与第二拼合边112的第四注浆槽134。参考图6和图7，示例性地，在本发明实施例中，通过在第一曲面1a、第二曲面1b、第三曲面1c和第四曲面1d上分别设置连通校准螺栓孔13开口与外弧面11边缘的第一注浆槽131、第二注浆槽132、第三注浆槽133和第四注浆槽134，由校准螺栓孔13流入到相互拼接的圆弧形片体1的拼接面之间浆料，能够更加顺畅的流入到外弧面11与隧道内的土壤结构之间的间隙中，提高注浆的流动性，保证对管片间隙以及外弧面11与隧道内的土壤结构之间的间隙的填充到位，进一步提高了管片环以及隧道支护结构的抗渗性能。
46.可选地，圆弧形片体1为高强混凝土制件。示例性地，在本发明实施例中，圆弧形片体1采用强度等级为c60以上的混凝土，具有抗压强度高、抗变形能力强、密度大、孔隙率低等优点，能够有效提高拓扑自锁式盾构隧道管片的使用寿命。
47.图8是本发明实施例提供的一种管片环结构的结构示意图。如图8所示，本发明实施例还提供了一种管片环结构，包括多个如图1至图7所示的拓扑自锁式盾构隧道管片，多个拓扑自锁式盾构隧道管片的圆弧形片体1通过第三曲面1c和第四曲面1d依次拼接，以形成环状结构。示例性地，在本发明实施例中，在对多个圆弧形片体1在进行组合使用时，其在圆周方向上的第三曲面1c和第四曲面1d可以相互拼合，此时在相邻两个圆弧形片体1的外弧面11上，呈凹弧状的第一拼合边111会与呈凸弧状的第二拼合边112对应拼合，实现外弧面11的平滑过度连接；而在相邻两个圆弧形片体1的内弧面12上，呈凸弧状的第三拼合边121则会与呈凹弧状的第四拼合边122相拼合，实现内弧面12的平滑过度连接。通过多个圆弧形片体1的依次拼接，可以组合成环状的管片环结构。在圆周方向上，相邻两个圆弧形片体1通过第三曲面1c和第四曲面1d之间的相互咬合拼接，可以实现自锁，无需设置在拼合位置设置额外的螺栓进行相互连接。
48.示例性地，在本发明实施例中，管片环结构由6个圆弧形片体1依次拼合而成。也即是每个圆弧形片体1其在圆周方向上外弧面11和内弧面12均可以视为夹角为60
°
的圆弧。采用6个个圆弧形片体1进行管片环结构的拼合，是基于圆弧形片体1的制造和拼合难度的适应性设计，在其他可能实现的方式中，管片环结构也可以由3个、4个或者更多数量的圆弧形片体1组成，本发明实施例对此不作限定。
49.图9是本发明实施例所提供的一种隧道的结构示意图。如图9所示，本发明实施例还提供了一种隧道，包括多个如图8所示的管片环结构，多个管片环结构沿管片环结构的轴线方向错缝拼装，在相邻两个管片环结构之间，圆弧形片体1的第一曲面1a与相邻的圆弧形片体1的第二曲面1b相互拼接。示例性地，在本发明实施例中，而进一步的，在完成多个管片
环结构的组合后，可以将多个管片环结构沿轴线方向，也即是隧道的走向同轴布置，相邻两个管片环结构之间围绕轴线进行一定的角度调整后进行错缝拼装。在相邻两个管片环结构之间，圆弧形片体1的第一曲面1a会与相邻的圆弧形片体1的第二曲面1b相互拼合，此时再相邻两个圆弧形片体1的外弧面11上，呈凸弧状的第一弧形边1131会与呈凹弧状的第二弧形边1132对应拼合，实现外弧面11的平滑过度连接；而在相邻两个圆弧形片体1的内弧面12上，呈凹弧状的第三弧形边1231会与呈凸弧状的第四弧形边1232对应拼合，实现内弧面12的平滑过度连接。多个管片环结构依次拼合完成后即可形成完整的盾构隧道结构。
50.采用本发明实施例所提供的拓扑自锁式盾构隧道管片，并利用该盾构隧道管片进行组合以制成管片环结构和隧道，其在进行盾构隧道管片的组合拼装时，由于圆弧形片体1用于相互组合的边缘由相互匹配的第一曲面1a和第二曲面1b，以及第三曲面1c和第四曲面1d等特殊曲面结构组成。其组合拼接后相互之间能够产生咬合作用，第一曲面1a和第二曲面1b，以及第三曲面1c和第四曲面1d在拼合后会产生强烈的挤压、摩擦和咬合，同时相比常规的平直拼接面相互之间的接触面积更大，能够实现圆形盾构隧道模块化衬砌结构的自锁式安装，管片拼接面之间无需设置连接螺栓或者榫卯、嵌入式结构，有效降低了局部应力集中，改善了沿隧道走向方向的受力性能，提高了衬砌结构的整体性和稳定性。
51.除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件极其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则所述相对位置关系也可能相应地改变。
52.以上所述仅为本发明的可选实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种拓扑自锁式盾构隧道管片，其特征在于，包括：圆弧形片体(1)，所述圆弧形片体(1)呈劣弧状，所述圆弧形片体(1)在圆周方向上的相对两侧对称设置有侧拼合面，所述侧拼合面包括依次连接的第一曲面(1a)和第二曲面(1b)，所述第一曲面(1a)和所述第二曲面(1b)相匹配，所述圆弧形片体(1)在圆周方向上设置有相对的第三曲面(1c)和第四曲面(1d)，所述第三曲面(1c)和所述第四曲面(1d)相匹配，所述拓扑自锁式盾构隧道管片被配置为两个所述圆弧形片体(1)能够通过所述第一曲面(1a)和所述第二曲面(1b)对合拼接，以在所述圆弧形片体(1)的径向上实现咬合固定；或者，两个所述圆弧形片体(1)能够通过所述第三曲面(1c)和所述第四曲面(1d)对合拼接，已在所述圆弧形片体(1)的径向上实现咬合固定。2.根据权利要求1所述的拓扑自锁式盾构隧道管片，其特征在于，所述圆弧形片体(1)包括相对的外弧面(11)和内弧面(12)，所述外弧面(11)在所述圆弧形片体(1)的圆周方向上具有相对的第一拼合边(111)、第二拼合边(112)以及对称布置的两个第一侧边(113)，所述第一拼合边(111)为凹弧，所述第二拼合边(112)为与所述第一拼合边(111)相匹配的凸弧，所述第一拼合边(111)和所述第二拼合边(112)通过所述第一侧边(113)连接，所述第一侧边(113)包括依次连接的第一弧形边(1131)和第二弧形边(1132)，所述第一弧形边(1131)和所述第二弧形边(1132)的长度相同，所述第一弧形边(1131)为凸弧，所述第二弧形边(1132)为凹弧；所述内弧面(12)在所述圆弧形片体(1)的圆周方向上具有相对的第三拼合边(121)、第四拼合边(122)和对称布置的两个第二侧边(123)，所述第三拼合边(121)为凸弧，所述第四拼合边(122)为与所述第三拼合边(121)相匹配的凹弧，所述第三拼合边(121)和第四拼合边(122)通过所述第二侧边(123)连接，所述第二侧边(123)包括依次连接的第三弧形边(1231)和第四弧形边(1232)，所述第三弧形边(1231)和所述第四弧形边(1232)的长度相同，所述第三弧形边(1231)为凹弧，所述第四弧形边(1232)为凸弧，所述第一弧形边(1131)和所述第三弧形边(1231)通过所述第一曲面(1a)连接，所述第二弧形边(1132)和所述第四弧形边(1232)通过所述第二曲面(1b)连接，所述第一拼合边(111)和所述第三拼合边(121)通过第三曲面(1c)连接，所述第二拼合边(112)和所述第四拼合边(122)通过所述第四曲面(1d)连接。3.根据权利要求2所述的拓扑自锁式盾构隧道管片，其特征在于，所述内弧面(12)上开设有6个校准螺栓孔(13)，所述6个校准螺栓孔(13)分别与所述第三曲面(1c)、所述第四曲面(1d)、两个所述第一曲面(1a)和两个所述第二曲面(1b)连通。4.根据权利要求3所述的拓扑自锁式盾构隧道管片，其特征在于，所述内弧面(12)上设置有6个注浆手孔(14)，所述6个注浆手孔(14)分别与所述6个校准螺栓孔(13)连通。5.根据权利要求4所述的拓扑自锁式盾构隧道管片，其特征在于，所述第一曲面(1a)上设置有连通所述校准螺栓孔(13)开口与所述第一弧形边(1131)的第一注浆槽(131)；所述第二曲面(1b)上设置有连通所述校准螺栓孔(13)开口与所述第二弧形边(1132)的第二注浆槽(132)；所述第三曲面(1c)上设置有连通所述校准螺栓孔(13)开口与所述第一拼合边(111)的第三注浆槽(133)；所述第四曲面(1d)上设置有连通所述校准螺栓孔(13)开口与所述第二拼合边(112)的第四注浆槽(134)。6.根据权利要求1所述的拓扑自锁式盾构隧道管片，其特征在于，所述圆弧形片体(1)为高强混凝土制件。
7.一种管片环结构，其特征在于，所述管片环结构包括多个如权利要求1至6任一项所述的拓扑自锁式盾构隧道管片，多个所述拓扑自锁式盾构隧道管片的所述圆弧形片体(1)通过所述第三曲面(1c)和所述第四曲面(1d)依次拼接，以形成环状结构。8.一种隧道，其特征在于，所述隧道包括多个如权利要求7所述的管片环结构，多个所述管片环结构沿所述管片环结构的轴线方向错缝拼装，在相邻两个所述管片环结构之间，所述圆弧形片体(1)的所述第一曲面(1a)与相邻的所述圆弧形片体(1)的所述第二曲面(1b)相互拼接。

技术总结
本发明提供了一种拓扑自锁式盾构隧道管片及管片环结构，属于隧道工程技术领域。该拓扑自锁式盾构隧道管片包括呈劣弧状的圆弧形片体，圆弧形片体在圆周方向上的相对两侧对称设置有侧拼合面，侧拼合面包括相互匹配的第一曲面和第二曲面，圆弧形片体在圆周方向上设置有相对的第三曲面和第四曲面，两个圆弧形片体能够通过第一曲面和第二曲面对合拼接实现咬合固定，或者通过第三曲面和第四曲面对合拼接实现咬合固定。采用该管片能够实现圆形盾构隧道模块化衬砌结构的自锁式安装，管片拼接面之间无需设置连接螺栓或者榫卯、嵌入式结构，有效降低了局部应力集中，改善了沿隧道走向方向的受力性能，提高了衬砌结构的整体性和稳定性。性。性。


技术研发人员：孟飞 阮梓良 姜岚清 吴品豪 罗忆 李新平 刘晖 刘婷婷 郭运华
受保护的技术使用者：武汉理工大学三亚科教创新园
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/8/6