一种防治隧道底鼓变形的预制仰拱设计及施工方法技术

本发明专利技术公开了一种防治隧道底鼓变形的预制仰拱设计及施工方法，预制仰拱的施工方法包括以下步骤：1)预制仰拱尺寸设计；2)预制仰拱形状设计；3)预制仰拱加工制作；4)施工现场安装预制仰拱；5)路面铺设。预制仰拱包括左预制块、右预制块和中心预制块，左预制块铺设于隧道基底左侧，右预制块铺设于隧道基底右侧，中心预制块铺设于左预制块和右预制块之间，左预制块、右预制块及中心预制块顶面的长度之和为隧道水平面的宽度；左预制块、右预制块及中心预制块相互之间的接触面上分别设有预制装配式接头，各预制块分别通过预制装配式接头定位对接后注浆连接。对接后注浆连接。对接后注浆连接。

【技术实现步骤摘要】
一种防治隧道底鼓变形的预制仰拱设计及施工方法


[0001]本专利技术属于隧道
，具体涉及一种防治隧道底鼓变形的预制仰拱设计及施工方法。

技术介绍

[0002]隧道仰拱是为改善上部支护结构受力条件而设置在隧道底部的反向拱形结构，是隧道结构的主要组成部分之一，它一方面将隧道上部的地层压力通过隧道边墙结构或将路面上的荷载有效地传递到地下，而且还有效抵抗隧道下部地层传来的反力。如果可以在隧道中设置仰拱，可以大大提高隧道的整体稳定性。隧道穿越高地应力区、极软岩或富水膨胀土地层时极易发生仰拱底鼓变形，以膨胀土为例在隧道开挖、地下水变动以及施工扰动等因素影响下，势必引起弱胀缩性隧道围岩胀缩作用，胀缩力作用于隧道仰拱，可能会引起仰拱底鼓病害，尤其在运营阶段表现的更为突出。
[0003]仰拱底鼓变形是仰拱主要的病害形式，底鼓变形破坏了仰拱与二次衬砌一同构成的隧道整体支护结构，对隧道施工和运营均产生了较大的危害。仰拱底鼓对隧道施工的主要危害有：仰拱底鼓往往伴随着隧道发生强烈变形或破坏，如二次衬砌开裂、掉块侵界等，严重危及人、物安全，影响施工车辆通行，威胁施工安全并造成工期滞后。仰拱底鼓对隧道运营的危害主要有:路面开裂破损、侵入限界、改变横坡倾角、给隧道渗漏水提供通道等，直接影响隧道的安全和使用寿命。为解决仰拱底鼓问题，本领域技术人员对隧道的设计方法和施工工艺开展了诸多研究与改进。
[0004]中国专利CN202111011339.8提供了一种隧道装配式仰拱预制块结构，针对隧道施工时采用松动爆破配合人工开挖的方式。当遇到涌水、集中出水点时，首先进行排水，并喷射钢纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土。之后，进行钢拱架安装，并采用搭栈桥超前分段整幅全宽一次浇筑的方式，完成混凝土的浇筑、养护等工作。此类施工方式受限于钢拱架制作、安装以及混凝土的浇筑、养护等工作，使得仰拱施工整体周期被拉长，无法解决隧道施工快成环的目的，造成施工进度慢、施工质量问题。这样的施工方法存在进度滞后、质量难以保证、场地限制等缺点，所以传统的现浇仰拱型式越来越难以满足现代隧道施工需求。
[0005]装配式结构已逐渐成为全新的发展方向，装配式结构相较于现浇混凝土结构有诸多优点：预制构件工厂化，预制构件机械化其质量得以很好控制；构件标准化程度多，可以实现构件通用化；施工机械化程度高，可以减少施工工序缩短施工时间，提高效率从而降低工程造价；施工占用场地小，对周围环境影响小，有益于环保，因此隧道支护结构预制化是未来隧道衬砌施工的主要趋势。
[0006]目前方法存在以下问题：
[0007](1)在高地应力区、极软岩和膨胀岩地区开展隧道工程建设，仰拱处大变形、鼓胀裂缝问题严重；
[0008](2)衬砌结构采用现浇施工方法周期较长，无法满足快成环的目标，导致施工进度慢、污染大、施工质量差。
[0009](3)隧道仰拱(包含仰拱填充层)膨胀力作用下一旦发生开裂，其发展将难以控制短时间内形成更大范围的底鼓且维修困难成本高。

技术实现思路

[0010]本专利技术提供了一种防治隧道底鼓变形的预制仰拱设计及施工方法，目的在于提供一种全新的预制仰拱结构，提高隧道仰拱施工速度，并且降低隧道底鼓变形风险。
[0011]为此，本专利技术采用如下技术方案：
[0012]一种防治隧道底鼓变形的预制仰拱，预制仰拱的施工方法包括以下步骤：
[0013]1)预制仰拱形状设计
[0014]左预制块和右预制块的横断面为直角三角形，且三角形的斜边为与隧道贴合的弧形；中心预制块的横断面为矩形，中心预制块底面为与隧道贴合的弧形；左预制块、右预制块及中心预制块均设计为空腔状，空腔部分形状与各预制块形状相似，拼装完成后各预制块空腔部分延隧道纵向应贯通；左预制块、右预制块及中心预制块相互之间的接触面上分别设有预制装配式接头，各预制块分别通过预制装配式接头对接后注浆连接；
[0015]左预制块的左侧上端设有外凸的预埋连接钢筋，用于连接衬砌；右预制块的左侧上端设有对应的预埋连接钢筋；
[0016]2)预制仰拱尺寸设计
[0017]根据隧道的半径及初支、二衬混凝土的厚度，确定预制仰拱的尺寸，预制仰拱左预制块和右预制块的环向宽度为180～250cm，中心预制块的环向宽度为130～190cm；各预制块的空腔部分将仰拱的厚度分成顶部厚度和底部厚度，底部厚度应大于顶部厚度，以保证结构安全和仰拱底部的变形协调性能，顶部厚度为20～40cm；底部厚度为30～40cm，顶部及底部厚度之和为设计仰拱厚度为50～80cm；左预制块铺设于隧道基底左侧，右预制块铺设于隧道基底右侧，中心预制块铺设于左预制块和右预制块之间，左预制块、右预制块及中心预制块顶面的长度之和为隧道水平面的宽度为490～690cm，左预制块、右预制块及中心预制块沿隧道掘进方向的宽度相等为120～200cm；
[0018]3)预制仰拱加工制作
[0019]根据步骤1)和2)确定的形状及尺寸，生产预制仰拱；左预制块和右预制块按设计规范采用钢筋骨架浇筑纤维混凝土材料生产，中心预制块在纤维混凝土材料中添加混凝土修复颗粒；预制仰拱块模具及其预制仰拱块的制作工艺可参考现有技术实施，例如中国专利CN 109676749 A。
[0020]4)施工现场安装预制仰拱
[0021]根据隧道开挖工法及初期支护施工情况，仰拱开挖完成后，在仰拱下方铺设碎石混凝土垫层，并进行找平；将第一组的三块装配式仰拱预制块进行定位，放置于设计位置；具体安装步骤为：左预制块与中心预制块拼装连接，中心预制块与右预制块拼装连接；再安装第二组的三块装配式仰拱预制块，左预制块与中心预制块及第一组的左预制块拼装连接，中心预制块与右预制块及第一组的中心预制块拼装连接，右预制块与第一组的右预制块拼装连接；
[0022]左预制块和右预制块两端的预埋连接钢筋分别与上方的现浇二次衬砌连接；
[0023]5)路面铺设
[0024]预制块拼接处施工缝通过混凝土浆液填充；左预制块、右预制块及中心预制块连接共同组成箱型预制仰拱；待隧道变形稳定，进行现浇混凝土垫层、水沟检修孔盖板、电缆沟、轨道道床或其他构件的施工。
[0025]进一步地，所述左预制块、右预制块顶部的外端沿宽度方向设有外凸的混凝土块，外凸的混凝土块上上浇筑固定预埋连接钢筋；二次衬砌的下端为对应的内凹混凝土块，内凹混凝土块浇筑固定有预埋连接钢筋。
[0026]进一步地，所述左预制块后端面上设有若干定位孔，定位孔垂直后端面，定位孔底部固定有若干向外伸出的定位钢筋；左预制块的前端面上设有若干外凸的定位柱，定位柱与所述定位孔位置一一对应，定位柱前端固定有向前伸出的定位法兰，定位法兰的边缘上设有用于连接定位钢筋的孔洞；左预制块的右侧面上也设有定位孔及定位钢筋；
[0027]右预制块上设有与左预制块对应的定位孔、定位钢筋、定位柱及定位法兰。
[0028]进一步地，所述中心预制块的后端面上设有若干定位孔，定位孔内设有定位钢筋；中心预制块的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种防治隧道底鼓变形的预制仰拱，其特征在于，预制仰拱的施工方法包括以下步骤：1)预制仰拱形状设计左预制块(1)和右预制块(2)的横断面为直角三角形，且三角形的斜边为与隧道贴合的弧形；中心预制块(3)的横断面为矩形，中心预制块(3)底面为与隧道贴合的弧形；左预制块(1)、右预制块(2)及中心预制块(3)均设计为空腔状，空腔部分形状与各预制块形状相似，拼装完成后各预制块空腔部分延隧道纵向应贯通；左预制块(1)、右预制块(2)及中心预制块(3)相互之间的接触面上分别设有预制装配式接头，各预制块分别通过预制装配式接头定位对接后注浆连接；左预制块(1)的左侧上端设有外凸的预埋连接钢筋(6)，用于连接衬砌；右预制块(2)的左侧上端设有对应的预埋连接钢筋(6)；2)预制仰拱尺寸设计根据隧道的半径及初支、二衬混凝土的厚度，确定预制仰拱的尺寸，预制仰拱左预制块(1)和右预制块(2)的环向宽度为180～250cm，中心预制块(3)的环向宽度为130～190cm；各预制块的空腔部分将仰拱的厚度分成顶部厚度和底部厚度，底部厚度应大于顶部厚度，以保证结构安全和仰拱底部的变形协调性能，顶部厚度为20～40cm；底部厚度为30～40cm，顶部和底部厚度之和为设计仰拱厚度为50～80cm；左预制块(1)铺设于隧道基底左侧，右预制块(2)铺设于隧道基底右侧，中心预制块(3)铺设于左预制块(1)和右预制块(2)之间，左预制块(1)、右预制块(2)及中心预制块(3)顶面的长度之和为隧道水平面的宽度为490～690cm，左预制块(1)、右预制块(2)及中心预制块(3)沿隧道掘进方向的宽度相等为120～200cm；3)预制仰拱加工制作根据步骤1)和2)确定的尺寸及形状，生产预制仰拱；左预制块(1)和右预制块(2)按设计规范采用钢筋骨架浇筑纤维混凝土材料生产，中心预制块(3)在纤维混凝土材料中添加混凝土修复颗粒；4)施工现场安装预制仰拱根据隧道开挖工法及初期支护施工情况，仰拱开挖完成后，在仰拱下方铺设碎石混凝土垫层，并进行找平；将第一组的三块装配式仰拱预制块进行定位，放置于设计位置；具体安装步骤为：左预制块(1)与中心预制块(3)拼装连接，中心预制块(3)与右预制块(2)拼装连接；再安装第二组的三块装配式仰拱预制块，左预制块(1)与中心预制块(3)及第一组的左预制块(1)拼装连接，中心预制块(3)与右预制块(2)及第一组的中心预制块(3)拼装连接，右预制块(2)与第一组的右预制块(2)拼装连接；左预制块(1)和右预制块(2)两端的预埋连接钢筋分别与上方的现浇二次衬砌连接；5)路面铺设预制块拼接处施工缝通过混凝土浆液填充；左预制块(1)、右预制块(2)及中心预制块(3)连接共同组成箱型预制仰拱；待隧道变形稳定，进行现浇混凝土垫层、水沟检修孔盖板、电缆沟、轨道道床或其他构件的施工。2.根据权利要求1所述的防治隧道底鼓变形的预制仰拱，其特征在于，所述左预制块(1)、右预制块(2)顶部的外端沿宽度方向设有外凸的混凝土块，外凸的混凝土块上上浇筑
固定预埋连接钢筋；二次衬砌的下端为对应的内凹混凝土块，内凹混凝土块浇筑固定有预埋连接钢筋。3.根据权利要求1所述的防治隧道底鼓变形的预制仰拱，其特征在于，所述左预制块(1)后端面上设有若干定位孔(4)，定位孔(4)垂直后端面，定位孔(4)底部固定有若干向外伸出的定位钢筋(7)；左预制块(1)的前端面上设有若干外凸的定位柱(5)，定位柱(5)与所述定位孔(4)位置一一对应，定位柱(5)前端固定有向前伸出的定位法兰(8)，定位法兰(8)的边缘...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘继红，蔡书洪，吴红刚，周鑫陆，舒承兴，赵天雨，段瑞凯，贾刚龙，刘春利，衣忠强，高翔，曲锐，丁宁，李永强，张俊德，牌立芳，赖国泉，杨昊天，尹威江，庞军，
申请(专利权)人：中铁九局集团第一建设有限公司中铁九局集团有限公司，
类型：发明
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