CN105332716B - 可承受高内外水同时作用的自适应衬砌结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可承受高内外水同时作用的自适应衬砌结构。该衬砌结构主要由混凝土衬砌、圆环形扁千斤顶、导水管、钢管以及单向阀五部分组成，其中，圆环形扁千斤顶在衬砌浇筑前安装于围岩岩壁，轴向上相邻的扁千斤顶之间采用钢管串联连通式连接，在钢管上连接有导水管，钢管与导水管的连接处具有一汇水孔；导水管的一头插入围岩，另一头穿过衬砌，在插入围岩的导水管上安装有单向阀。该衬砌结构通过导水管对串联连通式圆环形扁千斤顶注水，智能调节施加于衬砌上的预应力，使其保持最优化的理想受力状态。利用单向阀实现内水不进入外水系统，同时可有效阻止外水进入内水，降低对于隧道建设区地下水资源的影响，保护自然环境。

Description

可承受高内外水同时作用的自适应衬砌结构

技术领域

本发明涉及一种衬砌结构，尤其涉及一种可承受高内外水同时作用的自适应衬砌结构，属于输水隧洞(道)、交通隧洞(道)技术领域。

背景技术

在承受高内水压力的水工隧洞(道)设计中，主要采用施加预应力技术使得衬砌先期轴向、环向承受压应力，进而抵消运行期高内水压力作用时所产生的拉应力，以达到限制衬砌裂纹产生的目的。传统的预应力衬砌技术主要包括预应力锚索技术和高压灌浆式预应力技术。

锚索式预应力混凝土衬砌结构是通过张拉混凝土衬砌层内环向布置的锚索使衬砌产生预压应力。根据施工方式和锚索形式的不同，分为有粘结和无粘结两种形式。预应力锚索技术主要是通过预应力钢材施加预应力，一般无法发挥围岩的约束作用，工程中会耗费大量的钢材，增加工程造价，同时由于锚索张拉过程中的摩擦作用以及锁定段部位的形状偏差，会导致预应力分布不均。此外，后期运行过程中，由于张拉钢材徐变效应存在，会导致所施加预应力降低，进而减小预应力作用效果。

灌浆式预应力混凝土衬砌结构则通过向衬砌和围岩之间预留的环形空隙进行压力灌浆的方式使混凝土衬砌产生预压应力。与锚索式预应力衬砌结构相比，该结构利用围岩的约束作用施加预应力，不需要在衬砌中布设预应力钢材，不仅可使衬砌减薄，节省材料和开挖量，而且可简化预应力施加工艺，降低施工难度，同时也避免了因钢材锈蚀等引发的耐久性问题，另外，通过灌浆还可以对围岩进行加固。但由于围岩吃浆量不确定、浆液后期凝固收缩变形等因素，该结构存在混凝土预压应力持续效果不明确、预应力灌浆残余应力不易控制等问题，进而难以精确达到预应力施加目标值。

上述两种预应力衬砌技术为防止内水外流现象发生，一般采用封闭式衬砌结构，在高外水赋存环境中，衬砌将再次承受高外水压力作用，进而对衬砌稳定造成一定的不利影响，特别是在放空检修期这一不利工况下，压应力叠加作用超过衬砌强度极限时，易于造成衬砌整体发生破坏。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种可承受高内外水同时作用的自适应衬砌结构，通过该衬砌结构可调整施加于衬砌上的预应力，从而保持最优化的理想受力状态，同时通过控制外水单向流通，从而有效控制外水渗漏和内水外渗现象，保护环境。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种可承受高内外水同时作用的自适应衬砌结构，主要由混凝土衬砌、圆环形扁千斤顶、导水管、钢管以及单向阀五部分组成，其中，圆环形扁千斤顶在衬砌浇筑前安装于围岩岩壁，轴向上相邻的扁千斤顶之间采用钢管串联连通式连接，在钢管上连接有导水管，钢管与导水管的连接处具有一汇水孔；导水管的一头插入围岩，另一头穿过衬砌，在插入围岩的导水管上安装有单向阀。

其中，所述单向阀仅允许外水压力大于内水压力时外水向内水系统渗漏。

优选地，所述数个圆环形扁千斤顶沿围岩岩壁的轴向布置。

优选地，所述导水管的一头插入围岩10cm以上。

本发明的有益效果为：

本发明的自适应衬砌结构通过导水管对串联连通式圆环形扁千斤顶注水，进而向衬砌施加预应力，可承受高内外水同时作用，并根据内外水压力值不同，智能调节施加于衬砌上的预应力，使其保持最优化的理想受力状态。利用导水管中所安装的单向阀，实现内水不进入外水系统，由于内水对单向阀所施加的压力作用，可有效阻止外水进入内水，降低对于隧道建设区地下水资源的影响，保护自然环境。

附图说明

图1为扁千斤顶在衬砌与围岩中安放位置的示意图。

图2为图1中某一扁千斤顶处的放大图，图中示出了扁千斤顶与围岩及衬砌的布置关系。

图3为扁千斤顶在隧洞环向布置的示意图。

图4为扁千斤顶断面图。

图5为扁千斤顶与钢管的连接方式示意图。

图6为导水管与钢管、扁千斤顶的连接方式示意图(俯视图)。

具体实施方式

本发明的自适应衬砌结构可承受高内外水同时作用。如图1-6所示，该自适应衬砌结构主要由混凝土衬砌1、圆环形扁千斤顶2、导水管6、钢管5以及单向阀7五部分组成，其中，圆环形扁千斤顶2在混凝土衬砌浇筑前安装于围岩3的岩壁，在围岩的岩壁与扁千斤顶之间设置的是砂浆找平层4。这些圆环形扁千斤顶沿围岩3的岩壁的轴向及环向布置。如图5、6相邻的两个扁千斤顶之间采用钢管5串联连通式连接，在钢管5上连接有导水管6，钢管5与导水管6的连接处具有一汇水孔8，导水管6的一头插入围岩10cm以上，另一头穿过混凝土衬砌1，在插入围岩5的导水管上安装有单向阀7，以用于限制内外水压不同组合下外水系统进入内水过程及圆环形扁千斤顶中充水压力。

本发明中圆环形扁千斤顶的尺寸、相邻距离等需要根据现场围岩情况，以及内、外水压力的具体数值进行优化设计。

水工隧洞运行期和检修期主要变化的是内、外水压力值，其中运行期考虑为外水随季节性变化，检修期则为放空无内水环境，可归纳为内水压力大于外水压力、内水压力等于外水压力及内水压力小于外水压力三种情况。对于上述三种情况，本发明的自适应衬砌结构中利用单向阀实现外水单向流通，进而控制内外水压力值，具体控制原理为：

(1)内水压力高于外水压力时，内水通过贯穿衬砌的导水管进入扁千斤顶中施加应力，由于单向阀存在，内水无法通过导水管深入围岩或灌浆层中，避免内水外渗现象发生。此时圆环形扁千斤顶中注水压力主要是由内水压力提供，即此时衬砌内外壁基本均承受内水压力作用。

(2)内水压力等于外水压力时，内水通过导水管进入圆环形扁千斤顶施加应力，内、外水不存在相互交替现象，此时圆环形扁千斤顶中注水压力主要是由内水压力提供，即此时衬砌内外壁基本均承受内水压力作用。

(3)内水压力小于外水压力时，外水通过导水管进入内水系统，随着排水量的增加，外水压力值逐渐降低，并最终与内水压力趋于相同。此时圆环形扁千斤顶中注水压力主要是由外水压力提供，衬砌内、外壁基本承受内外水平衡后压力值。

无论何种情况，采用该种自适应衬砌结构型式，最终施加于衬砌上的内壁压力与外壁压力基本相等，进而达到衬砌稳定所要求最优环境。由于单向阀对于外水进入内水系统具有一定的限制，外水压力需大于内水压力方可进入内水系统渗漏，而内水压力又限制了渗漏量，这样既保证了衬砌的稳定性，又对地下水资源影响最小，可实现双赢的目的。

Claims (3)

1.一种可承受高内外水同时作用的自适应衬砌结构，其特征在于，主要由混凝土衬砌、圆环形扁千斤顶、导水管、钢管以及单向阀五部分组成，其中，圆环形扁千斤顶在衬砌浇筑前安装于围岩岩壁，轴向上相邻的圆环形扁千斤顶之间采用钢管串联连通式连接，在钢管上连接有导水管，钢管与导水管的连接处具有一汇水孔；导水管的一头插入围岩，另一头穿过混凝土衬砌，在插入围岩的导水管上安装有单向阀；所述单向阀仅允许外水压力大于内水压力时外水向内水系统渗漏。

2.如权利要求1所述的自适应衬砌结构，其特征在于，所述圆环形扁千斤顶沿围岩岩壁的轴向布置。

3.如权利要求1所述的自适应衬砌结构，其特征在于，所述导水管的一头插入围岩10cm以上。