CN103216247A - 预应力盾构隧洞及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预应力盾构隧洞及施工方法，包括由多块管片拼装而成的拼装式管片环，所述管片内设有预埋孔道且管片内壁上还设有预留槽，所述预留槽与预埋孔道相通且开口朝管片内壁方向，所述所有管片内的预埋孔道首尾拼接形成环形孔道；它还包括设于环形孔道内的锚索和施工期与锚索相连的张拉机械，所述张拉机械与锚索之间还设有锚板。本发明具有仅采用单层衬砌结构，通过向拼装式管片环内施加预应力使其具有承受较高内压力的有益效果，本发明还涉及这种预应力盾构隧洞的施工方法。

Description

预应力盾构隧洞及施工方法

技术领域

本发明涉及一种隧洞，具体是一种预应力盾构隧洞，它为一种可承受较高内压力的压力隧洞，本发明还涉及这种预应力盾构隧洞的施工方法。

背景技术

在水工结构中，压力输水隧洞（含管道，下同）并不少见，但多为山岭隧洞或明管。在软土地层中采用盾构法施工的隧洞，目前国内、外多为交通隧道或无压、低压输水或排水隧洞；天然气通过高压液化存储，为因压力较高，通常只能选址于地质条件较好的岩体中；上述工程均无对盾构施工形成的拼装式管片环施加预应力，使其成为可承受较高内压力隧洞的先例。

南水北调中线的穿黄隧洞为压力输水隧洞，采用盾构法施工，穿过多种软土地层，其中大部分为砂土，须严防内水外渗影响隧洞稳定。由于盾构施工过程形成的拼装式管片环为普通钢筋混凝土衬砌，若直接用于高压输水，难于防止内水外渗，以满足正常使用要求，因而采用双层衬砌。即在拼装式管片环形成后，再现浇一层预应力钢筋混凝土衬砌，以承担内水压力。这是一种新的结构型式，并已应用到南水北调中线穿黄隧洞中去。2010年9月申请人曾以“盾构隧洞预应力复合衬砌输水隧洞”为名向国家专利局申报了发明专利。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述背景技术存在的不足，提出一种仅采用单层衬砌结构，通过往拼装式管片环内施加预应力使其能承受较高内压力的预应力盾构隧洞，本发明的第二目的在于提供这种预应力盾构隧洞的施工方法。

为了实现以上目的，本发明提供的一种预应力盾构隧洞，包括由多块管片拼装而成的拼装式管片环，其特征在于：所述管片内设有预埋孔道且管片内壁上还设有预留槽，所述预留槽与预埋孔道相通且开口朝管片内壁方向，所述所有管片内的预埋孔道首尾拼接形成环形孔道；它还包括设于环形孔道内的锚索和施工期与锚索相连的张拉机械，所述张拉机械与锚索之间还设有锚板。

作为本发明的优选方案：所述张拉机械与锚索之间通过弧形垫座张拉，并采用锚板固定。

作为本发明的优选方案：所述相邻管片之间通过螺栓固定。

预应力盾构隧洞的施工方法，其特征在于它包括如下步骤：

①拼装式管片环：在盾构法施工过程由若干普通钢筋混凝土管片拼装形成，同环各块管片通过螺栓连接；各块管片分别预埋孔道和预留与其相通的预留槽。

②拼装式管片环形成后，锚索穿入孔道，两端交会于放置在预留槽内的锚板。

③运用张拉机械，借助弧形垫座顶压锚板，实施对锚索的张拉，使拼装式管片环预加压应力。

④锚索张拉完毕，锁定于锚板后，撤出张拉机械和弧形垫座；对预留槽回填混凝土，并对孔道灌浆，最后经对管片接缝封闭整平后，便形成预应力盾构隧洞。

使用时，张拉机械开启，拉动锚索使其拉紧，从而施加了预应力。当施加的预应力达到要求后，关闭张拉机械，通过工作锚板将拉紧的锚索固定。然后撤出张拉机械和弧形垫座，往预留槽内回填混凝土，对预埋孔道实施低压灌浆充填，并对管片接缝封闭整平，最后形成预应力盾构隧洞。

本发明的有益效果：其一，由于采用将锚索设于管片内部，通过张拉机械拉紧锚索施加预应力的结构和方法，可使管片拥有预应力，因而当隧洞内输送高压液体的时候，可抵消隧洞内壁的压力，使整个隧洞保持良好的紧密型，不会造成渗漏；其二，由于采用在管片内部设置锚索的结构代替现有在拼装式管片环内壁再形成一层预应力钢筋混凝土衬砌的结构，使本发明成为仅有一层衬砌结构，施工难度降低，且整体结构紧密型更好，维护更加方便；其三，隧洞内压力与外部水土压力作用于同一衬砌结构上，而方向相反，有一定的减载效果，对结构安全十分有利。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中预留槽部位局部放大图；

图3为地下仿真试验模型埋置图；

图4 为地下模型结构纵向剖面图；

图5为地下模型结构平面布置图；

图6为洞内充水加压与洞外水环境营造布置图。

图中：1-管片，1.1-预埋孔道1.2-预留槽，2-拼装式管片环，3-环形孔道，4-锚索，5-张拉机械，6-锚板，7-弧形垫座，8-螺栓。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明所设计的一种预应力盾构隧洞，包括由多块管片1拼装而成的拼装式管片环2，相邻管片1之间通过螺栓8固定。管片1内设有预埋孔道1.1且管片内壁上还设有预留槽1.2，所述预留槽1.2与预埋孔道1.1相通且开口朝拼装式管片环2内壁方向，所述所有管片1内的预埋孔道1.1首尾拼接形成环形孔道3；它还包括设于环形孔道3内的锚索4和施工期置于预留槽1.2内且与锚索4相连的张拉机械5，所述张拉机械5与锚索4之间还设有锚板6。所述张拉机械5与锚索4之间通过弧形垫座7固定。

施工过程为：

（1）将多块管片1拼装成为拼装式管片环2，且相邻的管片1之间通过螺栓8固定。所有管片1内的预埋孔道1.1首尾拼接形成环形孔道3。

（2）将锚索4通过预留槽1.2穿入环形孔道3内环绕一圈，再将锚索4头部顺次通过锚板6、弧形垫座7与张拉机械5的工具锚板相连。

（3）启动张拉机械5，对锚索4实施张拉，对拼装式管片环2施加预应力，而需施加的预应力值，则需根据拼装式管片环2所承受的内压值，通过结构计算确定。施加的预应力达到要求后，将锚索4首尾两端固定在同一块锚板6上，撤出张拉机械5和弧形垫座7。

（4）往预留槽1.2内回填混凝土，对预埋孔道1.1实施低压灌浆充填，并对管片2接缝封闭整平，最后形成预应力盾构隧洞。

本发明与原申请的发明“盾构隧洞预应力复合衬砌输水隧洞”（以下简称原发明）不同技术特征对比：

1、衬砌组成

原发明隧洞是双层衬砌，包括盾构施工过程拼装形成的管片环（外衬），以及其后在洞内现浇整体钢筋混凝土衬砌（内衬），因而称为复合衬砌；而本发明只有一层衬砌，即只有盾构施工过程拼装形成的管片环。

2、预应力技术

原发明与本发明均采用了后张预应力技术，原发明是在现浇整体内衬结构上施加预应力；而本发明是在拼装结构上施加预应力；其结构特性和施工工艺要求不同。

3、结构特性

原发明为双衬联合受力结构，外衬承担自重和外部水土压力，内衬通过插筋和剪力键与外衬联合受力，共同获得预应力，并共同承担自重和内水压力荷载。本发明只有一层衬砌，由于单独获得预应力，在相同预应力条件下，其预应力效果更好；此外内部水压力与外部水土压力作用于同一衬砌上，而方向相反，有一定的减载效果，对结构安全十分有利。

4、施工工艺

原发明供锚索4套入的环形孔道3整体埋入，当环形孔道3较长时，需分段接长，接头密封防漏和保证环形孔道3线型均至为重要，否则因环形孔道3漏浆和线型偏差均会造成额外的摩阻损失，影响预应力效果；本发明环形孔道3分段埋入管片1，管片1模具精度高，环形孔道3线型有保证，而且因一块管片1，孔道长度较短，若环形孔道3内有漏浆，在生产过程和脱模后均容易清除，可避免不良因素影响预应力效果。

5、施工条件

就钢筋制造与安装、环形孔道的架立与连接、混凝土立模与浇筑条件而言，本发明只有管片环一层衬砌，管片1工厂生产，工作环境与施工条件较好，产品质量有保证；而原发明有两层衬砌，除外衬为管片环外，内衬在现场施工，工作环境与施工条件不如工厂化生产，对产品质量保证会有不利影响。

6、工期与投资

本发明只有一层衬砌，与盾构掘进同步完成，同时预应力施工可随后进行，不占或少占直线工期；而原发明两层衬砌施工，为避免干扰，总是在盾构掘进贯通后，再进行内衬施工，因此无论工期和工程投资均不如本发明。

现有技术中供锚索4套入的孔道需分段埋入管片1中，待管片1拼装后组成环形孔道3，为使环形孔道成为一个整体，分段接头密封防漏和保证孔道线型均至为重要，否则因孔道漏浆和线型偏差均会影响密封性，并造成额外的摩阻损失，影响预应力效果；本发明预埋孔道1.1分段埋入管片1，管片1模具精度高，预埋孔道1.1线型有保证，而且因一块管片12内，预埋孔道1.1长度较短，若内部有漏浆，在生产过程中和脱模后均容易清除，可避免不良因素影响预应力效果。

由于本发明只有一层衬砌结构，与盾构掘进同步完成，同时预应力施工可随后进行，不占或少占直线工期。

实施例，如图3至图6所示：

穿黄工程是南水北调中线的关键工程，穿黄隧洞为大型水工隧洞，内径7m，外径8.7m，除需承受外部水、土荷载外，还要承受大于0.5MPa的内水压力。经方案比较选用双层复合衬砌结构，外衬为拼装式钢筋混凝土管片1环，厚度40cm，内衬为现浇预应力混凝土结构，厚度45cm。由于结构新颖，为确保工程安全顺利实施，受建设单位委托，长江勘测规划设计研究院进行了地下模型仿真试验研究。

1、地下仿真试验布置

地下模型试验场地布置在黄河南岸的东邙山坡渣场的西边，为模拟穿黄隧洞工程的自然条件，通过开挖，将试验模型深埋于地下，再回填与工程典型断面类同的砂料和土料，以形成外部的围土条件；通过设置土工膜包裹模型和人工围土，然后再充水，以形成独立于东邙山坡原有水土环境的外部人工水土环境。图3为地下仿真试验模型埋置图。

地下模型试验段深埋地下，需要形成一个能抵御外部水土作用和充水加压作用的封闭结构，还要解决地下模型施工和试验过程的交通，为此地下模型结构由试验段、封堵结构、交通竖井和洞内充水加压与洞外水环境营造设施组成。图4、图5和图6分别为地下模型布置图、剖面图和洞内充水加压与洞外水环境营造布置图。

试验段分居于竖井段的两侧，每段长9.6m，隧洞断面、衬砌结构、接缝等均与实际工程类同。其中第1试验段（南侧试验段）在内、外衬之间设置防、排水弹性垫层，第2试验段（北侧试验段）内、外衬之间不再设置垫层，而加插筋相连。

为了获得必要的试验数据，对以下项目进行了监测：

（1）外部土压力与水压力；

（2）垫层渗透水压力与渗透系数；

（3）接缝开合度；

（4）内衬混凝土和钢筋应变；

（5）预应力锚索4锚固力；

（6）结构收敛变形。

2、与本发明有关的试验情况与结论

地下模型所有的试验项目均圆满完成。其中与本发明有关的试验项目是将压力水充入内、外衬之间的界面中，实测压力为32.29m～32.16m水柱，在此压力作用下，内衬与外衬并无联系的第1试验段（南侧试验段），外衬——拼装式管片环2接缝虽然产生外张倾向，但安全监测表明，接缝变形、管片1应力在允许范围内，结构是安全的，同时满足防渗要求，这一试验结果亦为其后的三维有限元数学模型跟踪计算所验证。

这一试验也表明了，当继续加大内水压力，对其压力增量，只要按本发明对拼装式管片环2施加预应力，给予平衡，也可确保结构安全，同时满足防渗要求。

而需施加的预应力值，则需根据拼装式管片环2所承受的内压值，通过结构计算确定。这一结论除适用于压力水工隧洞，还可应用于有同样内压值要求的，诸如加压储存液化天然气的地下结构中。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明结构做任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种预应力盾构隧洞，包括由多块管片（1）拼装而成的拼装式管片环（2），其特征在于：所述管片（1）内设有预埋孔道（1.1）且管片内壁上还设有预留槽（1.2），所述预留槽（1.2）与预埋孔道（1.1）相通且开口朝拼装式管片环（2）内壁方向，所述所有管片（1）内的预埋孔道（1.1）首尾拼接形成环形孔道（3）；它还包括设于环形孔道（3）内的锚索（4）和施工期与锚索（4）相连的张拉机械（5），所述张拉机械（5）与锚索（4）之间还设有锚板（6）。

2.根据权利要求1所述的预应力盾构隧洞，其特征在于：所述张拉机械（5）与锚索（4）之间通过弧形垫座（7）固定。

3.根据权利要求1所述的预应力盾构隧洞，其特征在于：所述相邻管片（1）之间通过螺栓（8）固定。

4.预应力盾构隧洞的施工方法，其特征在于它包括如下步骤：

①拼装式管片环（2）：在盾构法施工过程由若干普通钢筋混凝土管片（1）拼装形成，同环各块管片（1）通过螺栓（8）连接；各块管片（1）分别预埋孔道（1.1）和预留与其相通的预留槽（1.2）。

②拼装式管片（2）环形成后，锚索（4）穿入孔道（1.1），两端交会于放置在预留槽（1.2）内的锚板（6）。

③运用张拉机械（5），借助弧形垫座（7）顶压锚板（6），实施对锚索（4）的张拉，使拼装式管片环（2）预加压应力。

④锚索（4）张拉完毕，锁定于锚板（6）后，撤出张拉机械（5）和弧形垫座（7）；对预留槽（1.2）回填混凝土，并对孔道（1.1）灌浆，最后经对管片（1）接缝封闭整平后，便形成预应力盾构隧洞。

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