CN102410029A - 大体积空心混凝土隧道衬砌结构 - Google Patents

Abstract

大体积空心混凝土隧道衬砌结构，可有效地减少大体积混凝土水化热所产生的裂缝，提高结构抗渗性、整体性，确保明洞结构工程质量和耐久性，并且可大幅度地节约衬砌混凝土衬砌圬工，使工程造价大为降低。其混凝土衬砌(10)包括拱圈段(11)、边墙段(12)和仰拱段(13)，所述混凝土衬砌(10)内具有沿周向间隔布设的纵向孔洞(20)，或者具有沿其纵向间隔布设的环向孔洞(21)。

Description

大体积空心混凝土隧道衬砌结构

技术领域

本发明涉及铁路隧道，特别涉及一种大体积空心混凝土隧道衬砌结构。 

背景技术

目前隧道衬砌结构有复合式衬砌或整体式明洞衬砌，双线隧道复合式衬砌结构厚度一般不大于60cm，明洞衬砌结构厚度一般不大于80cm，普通衬砌设计荷载较小，尤其是明洞衬砌设计荷载一般小于4m回填土荷载，衬砌结构型式均采用实心混凝土或实心钢筋混凝土断面。如今随着大跨、大断面隧道建设的目前增多，隧道衬砌设计荷载不断增大，使得隧道衬砌传统修建技术及理论面临的问题越来越多。 

国内在近十年里也很一直重视隧道明洞建设技术的提高，但总体落后于国外，同类工程在设计和施工方面差别比较大。为防护一般的落石、崩坍，现行公路隧道设计规范明确规定明洞填土厚度不小于1.5m，但对于明洞衬砌洞顶最大回填土厚度未做要求。规范规定洞顶填土厚度不小于1.5m，只考虑了衬砌结构可承受边、仰坡的少量坍塌。当边、仰坡有病害，未来有可能发生较大坍塌时，则应适当增加洞顶回填土厚度及结构厚度，以确保明洞的稳定和安全。实际工程中为恢复洞口开挖前的原始地貌，甚至在原始地貌增加覆土厚度以达到某种建筑或工程需求。洞顶填土厚度增加，势必会增加洞顶上方荷载，导致明洞衬砌结构产生较大内力。工程经验表明当明洞上方填土高度大于30m后，明洞衬砌结构的厚度往往大于2m，成为大体积混凝土结构衬砌，在实际工程中难以实施。随着地下空间的发展，暗挖隧道跨度不断突破，尤其在城市地表需兼顾土地资源利用、功能要求，隧道衬砌结构要承担的附加荷载也越来越大，由此大跨重载隧道衬砌结构厚度随之增大。隧道大体积混凝土衬砌，厚度大、混凝土 导热系数比较小，往往会造成温度裂缝，大体积混凝土隧道衬砌结构难于满足结构安全性和耐久性要求。 

我国普通混凝土配合比设计规范规定，大体积混凝土是指最小断面尺寸1m以上，其体积和尺寸已经达到必须采取措施控制温差、合理解决温度应力并控制裂缝开展的混凝土结构。大体积混凝土比较厚，且混凝土导热系数比较小，因此混凝土内部的水化热不易向外散发，导致混凝土内部温度很高，而混凝土外部的水化热容易向外散发，这样使混凝土内外形成温差而产生温度应力。混凝土内部产生压应力，混凝土表面产生拉应力，当拉应力超过混凝土极限抗拉强度时，混凝土表面就产生裂缝。这种温度裂缝的走向无一定规律，大面积结构裂缝通常纵横交错，往往是贯穿性的有害裂缝，对结构的抗渗性、整体性、耐久性甚至承载能力十分不利。可见，当明洞上方填土较高时，即使对明洞断面进行整体优化，依旧不可避免地会对明洞衬砌内部产生较大的内力。如果一味增加衬砌厚度，引起衬砌自重增大，中性轴处混凝土浪费等问题，既造成大量圬工浪费，又会因为大体积混凝土水化热无法有效消除而产生较大温度裂缝，导致明洞衬砌耐久性无法得到保障。 

考虑节约工程造价、预留规划用地、减少运营风险等要求，在多山地区修建铁路，受车站设置要求，经常出现大跨高回填隧道衬砌结构。目前隧道衬砌跨度已由一般单、双线隧道发展到三线、四线隧道，甚至多线隧道，伴随隧道跨度的不断突破，隧道明洞衬砌回填土厚度及荷载在不断增加，保证结构安全的隧道衬砌结构厚度不断增加，甚至出现2m以上超厚衬砌结构。大跨、高回填荷载明洞及大跨、超大附加荷载暗洞超厚大体积混凝土衬砌结构在变形、安全性、耐久性等方面面临新的挑战和新的技术难题，关于大跨度大体积混凝土衬砌结构形式等设计参数及施工工艺问题亟待解决。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种大体积空心混凝土隧道衬砌结构，可有效地减少大体积混凝土水化热所产生的裂缝，提高结构抗渗性、 整体性，确保明洞结构工程质量和耐久性，并且可大幅度地节约衬砌混凝土衬砌圬工，使工程造价大为降低。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下： 

本发明大体积空心混凝土隧道衬砌结构，其混凝土衬砌包括拱圈段、边墙段和仰拱段，其特征是：所述混凝土衬砌内具有沿周向间隔布设的纵向孔洞，或者具有沿其纵向间隔布设的环向孔洞。 

本发明的有益效果是，可有效减少大体积混凝土水化热所产生的裂缝，避免大面积结构裂缝纵横交错，有效提高结构抗渗性、整体性，确保明洞结构工程质量和耐久性，减少隧道工程投入运营后的维修费用，延长工程使用寿命，降低寿命期的成本，具有显著的社会经济效益；有效地发挥了混凝土材料受压性能，在满足结构受力条件下，减少了中性轴处混凝土体积，节约了衬砌混凝土衬砌圬工，具有良好的经济效益；可以为车站隧道、大跨高回填荷载明洞隧道、大跨度超大附加荷载暗洞隧道及特殊隧道衬砌结构管线、通风、设备安装等提供有利空间，具有二次空间开发应用价值，使隧道衬砌成为融受力与空间开发于一体的多功能结构。 

附图说明

本说明书包括如下六幅附图： 

图1是本发明大体积空心混凝土隧道衬砌结构实施例1隧道的示意图； 

图2是沿图1中A-A线的剖视图； 

图3是图1中局部B的放大视图； 

图4是本发明大体积空心混凝土隧道衬砌结构实施例2隧道的示意图； 

图5是沿图4中C-C线的剖视图； 

图6是图4中局部D的放大视图； 

图中部位名称及所对应的标记：混凝土衬砌10、拱圈段11、边墙段12、仰拱段13、纵向孔洞20、环向孔洞21、孔径φ、厚度H、厚度h₁、厚度h₂、孔间距d₁、孔间壁厚d₂。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 

参照图1，本发明的大体积空心混凝土隧道衬砌结构，其混凝土衬砌10包括拱圈段11、边墙段12和仰拱段13。所述混凝土衬砌10内具有沿周向间隔布设的纵向孔洞20(参照图1和图2)，或者具有沿其纵向间隔布设的环向孔洞21(参照图4和图5)。纵向孔洞20、环向孔洞21的设置可有效减少大体积混凝土水化热所产生的裂缝，避免大面积结构裂缝纵横交错，有效提高结构抗渗性、整体性，确保明洞结构工程质量和耐久性，减少隧道工程投入运营后的维修费用，延长工程使用寿命，降低寿命期的成本，具有显著的社会经济效益；可有效地发挥了混凝土材料受压性能，在满足结构受力条件下，减少了中性轴处混凝土体积，节约了衬砌混凝土衬砌圬工，具有良好的经济效益；可为车站隧道、大跨隧道及特殊隧道衬砌结构管线、通风、设备安装等提供有利空间，具有二次空间开发应用价值，使隧道衬砌成为融受力与空间开发于一体的多功能结构。 

与实心混凝土衬砌结构相比空心混凝土隧道衬砌结构截面开展、抗弯刚度大。在弯矩较大的工况下可更好地发挥材料的力学性能。自重轻、抗震性能好，与实心混凝土衬砌结构相比，采用相同的钢筋混凝土截面尺寸，空心混凝土的承载力一般不低于相应实心钢筋混凝土的承载力，且具有和实心钢筋混凝土几乎等同的力学性能。 

为便于施工，所述纵向孔洞20、环向孔洞21的横截面通常呈圆形。当采用纵向孔洞20时，纵向孔洞20通常布设在拱圈段11、边墙段12。经过大量的研究和实验，可以确定相关主要参数如下： 

纵向孔洞20、环向孔洞21的孔径φ满足1/5H＜φ＜1/3H，H为混凝土衬砌10的厚度； 

孔间距d₁≥2φ，孔间壁厚d₂≥20cm； 

最优空心率ρ为2％＜ρ＜10％，空心率ρ为各纵向孔洞20、环向孔洞21体积之和与混凝土衬砌10体积的比值； 

纵向孔洞20、环向孔洞21与混凝土衬砌10外表面、内表面之间的 厚度h₁、h₂均大于30cm。 

以上所述只是用图解说明本发明大体积空心混凝土隧道衬砌结构的一些原理，并非是要将本发明局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。 

Claims (5)

1.大体积空心混凝土隧道衬砌结构，其混凝土衬砌(10)包括拱圈段(11)、边墙段(12)和仰拱段(13)，其特征是：所述混凝土衬砌(10)内具有沿周向间隔布设的纵向孔洞(20)，或者具有沿其纵向间隔布设的环向孔洞(21)。

2.如权利要求1所述大体积空心混凝土隧道衬砌结构，其特征是：所述纵向孔洞(20)、环向孔洞(21)的横截面呈圆形。

3.如权利要求2所述大体积空心混凝土隧道衬砌结构，其特征是：所述纵向孔洞(20)布设在拱圈段(11)、边墙段(12)。

4.如权利要求2或3所述大体积空心混凝土隧道衬砌结构，其特征是：所述纵向孔洞(20)、环向孔洞(21)的孔径φ满足1/5H＜φ＜1/3H，H为混凝土衬砌(10)的厚度；相邻两纵向孔洞(20)、环向孔洞(21)的孔间距d₁≥2φ，孔间壁厚d₂≥20cm；空心率ρ为2％＜ρ＜10％。

5.如权利要求4所述大体积空心混凝土隧道衬砌结构，其特征是：所述纵向孔洞(20)、环向孔洞(21)与混凝土衬砌(10)外表面、内表面之间的厚度h₁、h₂均大于30cm。

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