CN103696406B - 混凝土衬砌隧洞结构、圆环形扁千斤顶及高压隧洞工艺 - Google Patents

Abstract

本发明为一种新型的预应力混凝土衬砌隧洞结构、圆环形扁千斤顶及高压隧洞施工工艺，其包括数个圆环形扁千斤顶，沿隧洞中心线纵向均匀分布在隧洞内壁；较佳的再设置数个止水弹性体，为环状，设置在所述混凝土衬砌段之间。本发明所采用的圆环形扁千斤顶省去了现有技术中的预应力钢材的使用，施工方便，而且提高了预应力度，混凝土衬砌层不会出现拉应力，从而防止了纵向裂纹的出现和内水外渗现象的发生。

Description

混凝土衬砌隧洞结构、圆环形扁千斤顶及高压隧洞工艺

技术领域

本发明涉及一种新型的预应力混凝土衬砌高压隧洞结构、圆环形扁千斤顶及高压隧洞施工工艺。

背景技术

在水力发电工程和输水工程中，发电引水隧洞一般为有压隧洞，其断面多为圆形，因为所受的主要荷载为均匀内水压力，其受力条件较好。由于洞身是在岩体中开挖而成，且开挖后就破坏了岩体原有平衡状态，导致岩体可能产生变形和崩塌，而且洞身还要承受内外水压力及围岩压力等作用。因此，现有的洞身一般要设置永久性的、有足够强度和抗渗性能的预应力混凝土衬砌以确保安全。

现有的预应力混凝土衬砌隧洞，一般是环绕混凝土衬砌层建立几百吨甚至更大的环向预应力钢材施加预应力。例如我国清江隔河岩净内径9.5m，天生桥一级净内径9.6m等，均为在衬砌层内预埋波纹管、穿索、张拉、灌浆等有粘结钢绞线衬砌隧洞。而在小浪底，其排沙隧洞，净内径6.5m，则采用了一种无粘结钢绞线，施工时不需预留孔道，其缠绕角达720°，在浇筑混凝土前，同普通钢筋一样，按照设计要求铺设在模板内，然后浇注混凝土，待混凝土达到一定强度后进行张拉、锚固、封堵端部。由于它不需要灌浆，因而简化了施工工艺。即便如此，工程人员对锚具及整个无粘结锚固系的耐久性仍然存在一些疑虑。而且无论是有粘结钢绞线衬砌隧洞，还是无粘结钢绞线衬砌隧洞，都需要大量的钢绞线施加预应力，但是受到现有技术的限制，钢绞线的用量受到制约，因此其预应力也进一步受到限制，从而使抵抗隧洞内纵向裂纹的能力不足，降低了整个结构的耐久性，而且其通常还需要配置大量非预应力钢绞线，从而进一步的增加了建设的成本，也使得施工十分麻烦。

发明内容

为了解决上述现有技术所存在的问题，发明人对以往预应力混凝土衬砌隧洞工程进行了总结，寻求更好的预应力技术，提出了新型预应力混凝土衬砌高压隧洞结构、圆环形扁千斤顶及高压隧洞施工工艺。

本发明的构思在于，考虑到预应力混凝土衬砌隧洞和其他预应力混凝土结构不同，由于洞身是在岩体中开挖而成，因而可以充分发挥围岩的作用，借助于围岩传递预应力的反力，采用外加预应力法，可不用预应力钢材，施工时，只需在衬砌混凝土和围岩之间留出加力缝，并在加力缝中间安置圆环形扁千斤顶即可。这样利用圆环形扁千斤顶沿隧洞混凝土衬砌层外部施加均匀外部压力以代替有粘结或无粘结预应力钢绞线施加预应力。

而实现这个设想的关键设备是本发明提供的一种圆环形扁千斤顶，它是一个用薄钢板制成的中空圆环形压力囊。能利用液压通过有限的径向位移对隧洞混凝土衬砌层外部施加均布压应力。

本发明的一个目的是为了省去现有技术中预应力钢材的使用，从而降低工程成本。

本发明的另一目的是增加衬砌的预压应力，使其抗拉能力增强，提高整个隧洞的耐久性。

为了达到上述目的，本发明提供一种圆环形扁千斤顶，其具有一圆环形本体，该圆环形本体设有能注入施压介质的空腔；该圆环形本体能借助施压介质通过有限的径向位移沿圆环径向对衬砌混凝土层外部施加均布的压应力。

其中，该圆环形扁千斤顶的圆环形本体横断面中间部位为矩形，该本体具有一个外环、一个内环及两个侧边，所述外环、内环为对外部施加均布的压应力的部位。

其中，该内环两个侧边的两端分别设置有弹性变形部，较佳的，可另具有一个搭接部，使该弹性变形部与侧边通过搭焊连接，搭接部长度较佳为5mm，并焊接在一起，且该搭接部位于侧边的上部。

为了达到上述目的，本发明还提供一种预应力混凝土衬砌隧洞结构，其包括：数个圆环形扁千斤顶，沿隧洞中心线纵向均匀地抵靠分布在隧洞内壁；混凝土衬砌层；其中，所述圆环形扁千斤顶位于围岩与混凝土衬砌层之间。

其中，还包括数个垫层，设置在所述圆环形扁千斤顶与该隧洞内壁之间。

其中，混凝土衬砌层上设置数个环向伸缩缝，在该环向伸缩缝内设置止水弹性体，所述止水弹性体为环状结构且其横断面为矩形，并且内部设有中空的止水腔，而且所述止水弹性体内壁与混凝土衬砌层内壁在同一平面。

其中，所述止水弹性体的材质为氯丁橡胶，该止水腔为2个或2个以上且互不连通。

其中，所述止水腔内填充压力水泥浆。较佳的，所述止水腔为沿纵向排列，且较佳为圆形或矩形。

为了达到上述目的，本发明还提供一种高压隧洞施工工艺，其步骤包括：

A、沿隧洞纵向按所要求的间距安装数个圆环形扁千斤顶；

B、浇注混凝土衬砌层；

C、施加预应力：将水泥浆压入该圆环形扁千斤顶内，并逐渐增加注浆压力达到设计压力，维持设计压力，封闭所有出浆孔。

其中，在上述A步骤之前，用水泥砂浆沿隧洞内壁做与所述圆环形扁千斤顶同样宽度的水泥砂浆垫层，然后，在所述垫层上安装所述圆环形扁千斤顶。

其中，为防止隧洞受温度应力产生纵向裂纹，在上述C步骤中，首先用水介质注入该圆环形扁千斤顶内逐渐施加压力达到适当值。

其中，为消除因围岩塑性变形及混凝土徐变变形产生的预应力损失，当水介质在该圆环形扁千斤顶内的压力达到设计压力后，继续加压使水压最终达到设计压力的1.5倍以上并稳压一段时间后，再将膨胀性水泥浆压入该圆环形扁千斤顶内替换水介质，加压至设计压力，并稳压一段时间，直至凝固。

其中，在混凝土衬砌层上设置数个环向伸缩缝，在该环向伸缩缝内安置具有压缩性的止水弹性体。

其中，在进行C步骤之后，用水泥浆充填所述混凝土衬砌层与围岩之间的空隙，使之紧密结合，以改善传力条件和减少渗漏。

其中，在进行上述步骤之后，进行固结灌浆。

本发明的有益技术效果在于，借助上述工艺：

1、可充分发挥围岩抗力作用，采用外加预应力法，本发明的圆环形扁千斤顶施加预应力，省去了现有技术中的预应力钢材的使用，施工方便，不存在锚具、钢材的锈蚀问题，更加安全可靠。

2、由于混凝土抗压强度较高，因而可适当提高预应力度，施加较大的预应力，因而确保了在运行条件下，混凝土衬砌层不会出现拉应力，从而防止纵向裂纹的出现，也就不会开裂，进而降低了内水外渗现象的发生。

3、本发明中在混凝土衬砌层段之间所采用的止水弹性体，进一步加强了隧洞的不透水性能。

附图说明

图1为本发明厚壁圆筒承受内水压力时的应力状态图。

图2为本发明厚壁圆筒承受外水压力时的应力状态图。

图3A为本发明圆环形扁千斤顶安装于隧洞时的纵向剖视图。

图3B为本发明浇注混凝土衬砌层后的示意图。

图3C为本发明圆环形扁千斤顶内部填充压力水泥浆施加预应力后的示意图。

图3D本发明安装了止水弹性体的示意图。

图3E为本发明回填固结灌浆后的结构示意图。

图4为本发明氯丁橡胶止水弹性体的断面示意图。

图5为本发明由多个圆环形扁千斤顶沿隧洞纵剖面的布置示意图。

图5A为本发明由若干个标准圆弧段构成的圆环形扁千斤顶沿隧洞圆周上的均匀布置示意图。

图5B为图5中B-B的剖面图。

图6为本发明各标准圆弧段之间的连接示意图。

【主要元件符号说明】

1.隧洞                101.隧洞中心线

102隧洞内壁

2.砂浆找平层          3.混凝土衬砌层

301.混凝土衬砌层内壁  4.压力水泥浆

5.止水弹性体          501.止水弹性体内壁

6.回填灌浆区          7.止水腔

701.第一止水腔        702.第二止水腔

8.圆环形扁千斤顶      801.弹性变形部

802.外环              803.内环

804.侧边              805.空腔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明新型预应力混凝土衬砌隧洞结构、圆环形扁千斤顶及高压隧洞施工工艺的具体实施方式做进一步详细说明。

如图5、图5A、图5B及图6所示，为本发明所述的用于预应力隧洞混凝土衬砌结构的圆环形扁千斤顶8，其是由钢板制成的，该圆环形扁千斤顶8的本体设有一个外环802；一个内环803；及两个侧边804，两个侧边804与外环802及内环803形成一个空腔805。该圆环形扁千斤顶本体的横断面为较扁的矩形，且该本体内部具有可以能注入施压介质的空腔，于本实施例中，施压介质为水或者水泥浆，且该内环或外环可借助施压介质的压力能沿圆环径向变形以向外施力，本发明的主要目的在于，使该内环可对隧洞混凝土衬砌层施加预应力，同时可借助外环向外即对岩石施加与该预应力相反的反作用力，为了使施加于混凝土衬砌层上的力量效果更好，在该圆环形扁千斤顶8内环侧壁两端均设置有弹性变形部801(如图3A、3B及图5B)，该弹性变形部801与侧边804搭接5mm并焊接在一起。当该圆环形扁千斤顶8内部注入水或者压力水泥浆时，该弹性变形部801将被拉伸与该圆环形扁千斤顶内侧壁相平(如图3C)，从而使圆环形扁千斤顶8受到内部试压介质挤压变形时，使其应力分布更满足本发明的需求。

在具体实施例中，虽然是可以实施为一个完整的圆环形本体，但是由于通常隧洞的直径非常之大，其整体制作及运输显然不便，因此，于本实施例中为了便于加工与运输，较佳的，圆环形扁千斤顶可由数个标准圆弧段组成，而且鉴于现场焊接作业不方便进行，因而较佳的是预先制成数个标准圆弧段，各圆弧段的两端分别设有连接钢管，各连接钢管一端固定于圆弧段的端头，另一端设有丝扣，以便相邻的圆弧段之间通过螺扣连接起来，并且，该连接钢管上设有注入水或水泥浆的连接管。

当本发明的圆环形扁千斤顶应用于一个高压混凝土隧洞时，本发明所述的预应力混凝土衬砌隧洞结构包括有：数个圆环形扁千斤顶8，沿隧洞中心线101纵向均匀分布在隧洞1的内壁，每个圆环形扁千斤顶8间隔的距离是根据具体工程而定；

混凝土衬砌层3。

由于隧洞内壁比较粗糙平整度欠佳，较佳的，在圆环形扁千斤顶8与隧洞内壁102之间设置砂浆找平层2，该砂浆找平层2宽度等于圆环形扁千斤顶8的宽度。

为了防止混凝土干缩或者由于温度变化而产生的环向裂缝，较佳的，在混凝土衬砌层3上设置数个环向伸缩缝，在该环向伸缩缝内设置止水弹性体5，该止水弹性体5的制作材料，较佳的，选择氯丁橡胶。为了使该止水弹性体5具有一定的压力从而使其与混凝土衬砌层3之间抵靠的更加紧密，可在在该止水弹性体5内部设有一道或多道止水腔7，且每个止水腔7均互不联通，内部可以根据需要填充水泥浆，本实施例中以设置两个止水腔7为例，靠近围岩一侧的止水腔先充填水泥浆作为第二止水腔702，靠近洞内侧的止水腔后充填水泥浆作为第一止水腔701，填充水泥浆后弹性体与混凝土层之间的抵靠更加紧密。

如图3A-图3E所示，上述预应力混凝土衬砌隧洞结构的施工工艺包含以下步骤：

A、安装圆环形扁千斤顶8：沿隧洞中心线101纵向安装数个圆环形扁千斤顶8。由于隧洞内壁的平整度欠佳，为了保证有足够强度的反作用力传递给围岩，先用水泥砂浆沿隧洞内壁做与圆环形扁千斤顶8同样宽度的垫层，从而找平并调整隧洞内壁的圆度。

B、浇注混凝土衬砌层3：检查各圆环形扁千斤顶的外形安装是否牢固，混凝土的浇注方式不应使其位置改变。模板内浇注的混凝土必须使用密实、高性能优质混凝土，以承受巨大的内水压力和渗漏。因此，对混凝土的级配和施工工艺均需进行严格细致的质量控制和检验。为了防止混凝土与粗糙岩石粘结，较佳的，在安装混凝土衬砌层模板之前，首先将各道圆环形扁千斤顶8之间的粗糙岩石开挖面涂刷一层脱模剂。

C、施加预应力：混凝土衬砌层拆模后，较佳的，首先用水介质注入圆环形扁千斤顶8内施加一预定值的压力，以防隧洞受温度应力产生纵向裂纹；较佳的，为了消除因混凝土徐变变形和围岩的塑性变形产生的预应力损失，待衬砌混凝土达到设计强度后，逐渐加大水压力达到1.5倍设计压力以上，并稳定一段时间；最后再将水泥浆压入圆环形扁千斤顶8内替换水介质，并逐渐增加注浆压力达到设计压力，维持设计压力，封闭所有出浆孔直至水泥浆凝固为止。

如图1-图2所示，厚壁圆筒承受内外均布荷载时的应力状态：

内水压力时： ${\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\θ}}_1}=\frac{a^2+b^2}{b^2-a^2}p,{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\θ}}_2}=\frac{{2a}^2}{b^2-a^2}p;$

外水压力时： ${\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\θ}}_1}=-\frac{2b^2}{b^2-a^2}p,{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\θ}}_2}=-\frac{a^{2+b^2}}{b^2-a^2}p$

在内水压力作用下，环向应力始终为拉应力，而且最大值在内表面；在外水压力作用下，环向应力则恒为压应力，而且最大值亦在内表面。如果厚壁圆筒同时承受相同的内外均布荷载时，可以看到此种情况下环向应力仍为压应力。考虑到混凝土抗压强度较高，因而，可以施加很大的注浆压力，这样可以在运行条件下，仍有足够的预压应力在衬砌层内，因而可以避免混凝土衬砌层3出现拉应力，从而提高了隧洞抗纵向裂纹的能力，并增加了整个结构使用的耐久性。通过调节圆环形扁千斤顶8的宽度和间距以及内压力大小而改变外加预应力的大小。

D、设置止水弹性体：当隧洞穿过断层、软弱破碎带以及竖井等交汇处或其他可能产生较大相对变形时，容易产生横向变形缝；而且混凝土由于干缩和温度变化容易产生环向裂缝，因此，通常沿隧洞轴线也要设置横向伸缩缝，本发明是在每两段混凝土衬砌层3之间安置具有压缩性的止水弹性体5，如图4所示，本实施例中的止水弹性体5为氯丁橡胶材料制成，且该止水弹性体5内设有多道互不连通的止水腔7结构，较佳的，为两道互不联通的圆形或矩形止水腔7，通过在止水腔7中充填水泥浆使其与左右两侧混凝土衬砌层3压紧而达到止水目的。靠近围岩一侧的止水腔7先充填水泥浆作为第二止水腔702，靠近洞内侧的止水腔后充填水泥浆作为第一止水腔701。由于隧洞内温度较恒定，且不受紫外线的辐射，这给止水材料提供了耐久性的有利条件。

E、回填灌浆：用水泥浆充填混凝土衬砌层3与围岩之间的空隙，使之紧密结合，以改善传力条件和减少渗漏。

F、固结灌浆：其目的是加固并提高围岩的整体性，减少围岩压力，保证围岩的弹性抗力，减小地下水对衬砌混凝土的压力和渗透。是否要进行固结灌浆，应根据具体工程条件而定。

综上所述，这种新型结构的主要优点是：

1、充分发挥围岩抗力作用，采用外加预应力法，本发明的圆环形扁千斤顶施加预应力，省去了现有技术中的预应力钢材的使用，施工方便，不存在锚具、钢材的锈蚀问题，更加安全可靠。

2、考虑到混凝土抗压强度较高，因而可适当提高预应力度，施加较大的预应力，因而确保了在运行条件下，混凝土衬砌层不会出现拉应力，从而防止纵向裂纹的出现，自然也不会有内水外渗现象的发生。

3、本发明中在混凝土衬砌层之间所采用的止水弹性体，进一步加强了隧洞的不透水性能。

Claims (8)

1.一种圆环形扁千斤顶，应用于预应力混凝土衬砌隧洞，其特征在于，其具有一圆环形本体，该圆环形本体设有能注入施压介质的空腔；该圆环形本体能借助施压介质通过有限的径向位移沿圆环径向对衬砌混凝土外部施加均布的压应力，该圆环形扁千斤顶的圆环形本体横断面中间部位为矩形，该本体具有一个外环、一个内环及两个侧边，所述外环、内环为对外部施加均布的压应力的部位，且该内环邻近两个侧边的两端分别设置有弹性变形部。

2.一种应用权利要求1所述的圆环形扁千斤顶的预应力混凝土衬砌隧洞结构，其特征在于，其包括：

数个圆环形扁千斤顶，沿隧洞中心线纵向均匀地抵靠分布在隧洞内壁；

混凝土衬砌层；

其中，所述圆环形扁千斤顶位于围岩与混凝土衬砌层之间。

3.如权利要求2所述的一种预应力混凝土衬砌隧洞结构，其特征在于，还包括数个水泥砂浆垫层，设置在所述圆环形扁千斤顶与该隧洞内壁之间。

4.一种应用于如权利要求2或3所述的预应力混凝土衬砌隧洞结构的高压隧洞施工工艺，其特征在于，施工步骤包括：

A、沿隧洞中心线纵向安装数个圆环形扁千斤顶；

B、首先在各圆环形扁千斤顶之间的岩石表面涂刷脱模剂，然后浇注混凝土衬砌层；

C、施加预应力：将水泥浆送入该圆环形扁千斤顶内，并逐渐增加注浆压力达到设计压力，维持设计压力，封闭所有出浆孔。

5.如权利要求4所述的一种高压隧洞施工工艺，其特征在于，在上述A步骤之前，用水泥砂浆沿隧洞内壁做与所述圆环形扁千斤顶同样宽度的水泥砂浆垫层，然后，在所述垫层上安装所述圆环形扁千斤顶。

6.如权利要求4所述的一种高压隧洞施工工艺，其特征在于，在上述C步骤中，首先用水介质注入该圆环形扁千斤顶内逐渐施加压力达到一预定值以防止衬砌层受温度应力而产生纵向裂纹。

7.如权利要求6所述的一种高压隧洞施工工艺，其特征在于，在上述C步骤中，当水介质在该圆环形扁千斤顶内的压力达到该预定值后，继续加压使水压最终达到预定值的1.5倍以上以使混凝土徐变变形和围岩的塑性变形而产生的预应力损失提前发生。

8.如权利要求6或7所述的一种高压隧洞施工工艺，其特征在于，在上述C步骤中，最后用膨胀水泥浆替换水介质施加预应力达到设计压力，稳压一段时间后，封闭注浆孔和出浆孔，直至水泥浆凝固。