CN105927251B - 浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地下重要基础设施工程的拱壁及内壁支承防护加固构件领域，具体为一种浅埋型球铁框架‑钢筋混凝土组合隧道壁板。该组合隧道壁板包括：双面箱筋球铁框架、钢筋网架组合件、钢筋混凝土构件，双面箱筋球铁框架的外侧与钢筋网架组合件连接组合，组合后的双面箱筋球铁框架与钢筋网架组合件通过钢筋混凝土构件凝固连接，形成牢固结合的浅埋型球铁框架‑钢筋混凝土组合隧道壁板。本发明主要适用于隧道施工中遇到地质结构断层、流砂、松软、黄土、高地应力特殊及不良地质地段拱壁的加强性、一次性衬砌拱壁支承防护体系，以解决传统钢筋混凝土衬砌拱壁存在的安全质量可靠性低，使用寿命低，施工效率低的问题。

Description

浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板

技术领域

本发明涉及地下重要基础设施工程(含核电站防护墙、水电站大坝、桥梁支柱、地下油库、地下仓库、城市地铁、城市地下管道和陆地海底铁路及公路隧道等)的拱壁及内壁支承防护加固构件领域，具体为一种浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板。

背景技术

目前，国内主要依据新奥法的基本原理进行隧道设计施工，特别对水下水道和城市地铁、地下管道工程，多是重点采用浅埋暗挖法设计施工，海底隧道则多是采用TBM法和钻爆法设计施工，其核心技术都是在施工中采用多种辅助技术措施先加固周围岩土体，充分利用周边围岩的自承能力，开挖后及时支护、封闭成环，进行一次衬砌拱壁作为主体承载结构，然后作二次衬砌拱壁作为安全储备、装饰等，使其与围岩共同作用形成联合支护体系，是一种有效抑制围岩发生过大变形的配套技术，这是国内多年使用的传统施工方法，两次衬砌都是厚度有所不同的钢筋混凝土弧形管片，公路隧道则多是采用现场洞内支模浇筑钢筋混凝土。

过去由于我国没有引进盾构机挖掘施工，主要依靠人工钻爆法挖掘，施工进度比较缓慢，大跨距公路隧道施工需要满堂脚手架支模浇筑混凝土，为避免大跨距挖掘容易出现坍方危险，也常用倒洞法施工，不管哪种施工方法，拱壁衬砌都是采用钢筋混凝土结构，而衬砌拱壁的费用约占全部隧道投资的1/3到1/2，施工工艺较为复杂，施工周期长，建设费用较高。例如：厦门翔安6公里海底公路隧道修建5年才完工，建设周期很长。

同时，由于高强混凝土具有脆性大、延性差等缺点，抗压强度虽然较高，但其抗拉强度仅是其抗压强度的1/10，隧道拱壁衬砌一般选用C50级高强混凝土材料，尽管事先在混凝土弧板内增加钢筋网架提高结构强度，但也是抵抗不住外加荷载(如：地震作用力等)，使隧道发生局部垮坍。汶川大地震就使许多周边铁路、公路、隧道垮坍，垮坍点位达1000多处以上，严惩堵塞救援通道，造成大量人员伤亡就是严重教训。因此，设法提高各类隧道衬砌构件的结构强度和使用寿命是隧道工程建设所面临的重要研究课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构更为合理、简单易行的浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，主要适用于各类隧道施工中遇到地质结构断层、流砂、松软、黄土、高地应力特殊及不良地质地段拱壁的加强性、一次性衬砌拱壁支承防护体系，以解决和弥补传统单一钢筋混凝土衬砌拱壁存在的安全质量可靠性低，使用寿命低，施工效率低的问题。

本发明的技术方案是：

一种浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，该组合隧道壁板包括：双面箱筋球铁框架、钢筋网架组合件、钢筋混凝土构件，双面箱筋球铁框架的外侧与钢筋网架组合件连接组合，组合后的双面箱筋球铁框架与钢筋网架组合件通过钢筋混凝土构件凝固连接，形成牢固结合的浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板。

所述的浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，双面箱筋球铁框架为一体式双面箱筋型结构，双面箱筋包括外侧箱筋和内侧箱筋，内侧箱筋和外侧箱筋之间由框架中弧板内外隔开，外侧箱筋和内侧箱筋是贯通的整体结构，外侧箱筋和内侧箱筋均为纵、横设置的纵向筋板和横向筋板组成。

所述的浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，外侧箱筋为双面箱筋球铁框架带有纵向筋板、横向筋板的立体交叉组合结构槽体，通过外侧箱筋固定钢筋网架组合件和钢筋混凝土构件；内侧箱筋为通过框架中弧板与外侧箱筋贯通连的箱形结构，内侧箱筋之间空隙与混凝土组合或根据需要与钢筋混凝土组合。

所述的浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，内侧箱筋的高度较外侧箱筋的高度大，外侧箱筋的高度取双面箱筋球铁框架整体幅高的1/5-1/6。

所述的浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，双面箱筋球铁框架的框架中弧板内侧和外侧均设置一体式边框，边框包括轴向边框和径向边框，轴向边框和径向边框之间分别纵、横设置纵向筋板和横向筋板，由内侧的边框和内侧箱筋的纵向筋板、横向筋板延伸穿越中弧板组合形成外侧的边框和外侧箱筋的纵向筋板、横向筋板，轴向边框上设置轴向连接孔，径向边框上设置径向连接孔。

所述的浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，该组合隧道壁板等分成单块组合隧道壁板，每块组合隧道壁板之间通过径向连接孔连接组装形成一个环形整体组合隧道壁板，相邻的每环整体组合隧道壁板之间通过轴向连接孔连接拼装，在浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板的外径与挖成的周围岩土体孔洞之间空隙设置水泥砂浆注浆体，形成由浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板一次性衬砌拱壁的支承防护结构体系。

所述的浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，双面箱筋球铁框架与钢筋网架组合件的连接及钢筋混凝土构件的连接是弹性连接结构或刚性连接结构，单块组合隧道壁板之间、相邻两个环形整体组合隧道壁板之间的连接是弹性连接结构。

所述的浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，钢筋网架组合件的主筋通过螺栓压紧固定在双面箱筋球铁框架内壁和纵向筋板、横向筋板上，钢筋网架组合件与双面箱筋球铁框架牢固安装为一体结构；双面箱筋球铁框架与钢筋网架组合件通过钢筋混凝土构件凝固连接，形成双面箱筋球铁框架与钢筋网架组合件的连接面凸凹交叉立体组合、无缝对接牢固结合成一个整体的浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板。

所述的浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，钢筋混凝土构件的横截面呈“T”形结构，钢筋网架组合件为与双面箱筋球铁框架的外侧箱筋凸凹形状相配合的插入式弧形结构。

所述的浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，双面箱筋球铁框架的一侧设有密封槽，双面箱筋球铁框架的材质选用高强韧球墨铸铁QT600-9。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明所采用的浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，作为又一项隧道拱壁衬砌材料结构上创新提高，仍可适用复合法施工，在地质结构坚硬地段仍使用传统的钢筋混凝土构件衬砌拱壁，只在各类地质不良地段、联络通道结合部位、竖井工程、核电站防护墙、水电站大坝、大江河易决口防护加固、军事隐蔽工程等重要基础设施中，采用本发明能够完全确保隧道质量安全可靠性，最大限度降低和防止地震危害，提高使用寿命达到120年以上。

2、本发明可配合高效盾构机边向前挖掘，边加固周围岩土体，边安装组合隧道壁板，边注浆等效层固定。这样施工便捷，可根据隧道直径大小，在不搭建或少搭建脚手架支承的条件下，一环接一环地向前推进，实现了一次性衬砌组合隧道壁板在隧道外面工厂化生产组合成单块组合隧道壁板，运到洞内拼接成环，形成了连续化施工作业，缩短洞内作用时间，大大节省人工费用，比衬砌钢筋混凝土拱壁提高工效3-5倍以上，有效地缩短了建设周期。

3、本发明组合隧道壁板是在双面箱筋球铁框架外侧，与钢筋网架组合件安装在一起，再放入定形木质模板中充填混凝土到凝固成形，形成主要承载球铁构件和钢筋网架组合件立体交叉布置并被混凝土所包围，使这两种结构材料整体成形，结合得更加牢固，结构行为更加合理，整体结构的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、抗震性能都大为提高，球铁构件结构更为简化，生产成本相对降低，在铸造或施工中组装方便快捷，具有可操作性、实用性和经济性。

4、更为重要的是，本发明所采用的浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，将两种不同的结构材料通过组合形态和连接方式相互结合一个具有更高整体结构强度和刚度的管形(含马蹄形、椭圆形、拱门形、锥座形等)，隧道拱壁支承防护体系，使其更充分利用和发挥了球墨铸铁抗拉强度、伸长率、耐腐蚀性能都高，以及混凝土抗压强度性能强的优势，两种材料组合后的结构性能大大超过了原有两种材料各自的力学性能和物理性能，其整体结构强度要比单一钢筋混凝土衬砌结构高出5-9倍(依据有限元分析)，有效确保隧道等各类地下工程安全质量可靠性，充分提高施工效率，是隧道工程建设的重大科技进步，这种浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板将成为确保各类地下和隧道工程质量的重要安保构件，并被广泛推广应用，具有重大的社会经济科学技术价值。

附图说明

图1为浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板与注浆等效层示意图。

图2(a)-图2(c)为浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板的1/8环单块示意图。其中，图2(a)为半剖视图；图2(b)为图2(a)的A向视图，即单块组合隧道壁板的径向端面图；图2(c)为图2(a)的B-B剖面图，即组合隧道壁板的横向剖面结构图。

图中，1双面箱筋球铁框架；2钢筋混凝土构件；3注浆体；4周围岩土体；5轴向连接孔；6框架中弧板；7轴向边框；8径向连接孔；9密封槽；10径向边框；11纵向筋板；12横向筋板；13钢筋网架组合件；14螺栓。

具体实施方式

如图1、图2(a)-图2(c)所示，本发明浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，主要包括：双面箱筋球铁框架1、钢筋网架组合件13、钢筋混凝土构件2，双面箱筋球铁框架1的外侧与钢筋网架组合件13通过螺栓14连接组合，组合后的双面箱筋球铁框架1与钢筋网架组合件13置于定形模板中，充填混凝土经养生凝固成钢筋混凝土构件2，形成两种材料双面箱筋球铁框架1与钢筋网架组合件13的连接面凸凹交叉立体组合、无缝对接牢固结合成一个整体的浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板。在浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板的外径与盾构机挖掘的周围岩土体4孔洞之间空隙用砂浆注浆体3捣实固定，便形成由浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板一次性衬砌拱壁的支承防护结构体系。

如图2(a)-图2(c)所示，双面箱筋球铁框架1的框架中弧板6内侧和外侧均设置一体式边框(轴向边框7和径向边框10，即箱板)，轴向边框7和径向边框10之间分别设置纵向筋板11和横向筋板12(即箱筋)，轴向边框7上设置轴向连接孔5，径向边框10上设置径向连接孔8，轴向边框7和径向边框10的外侧设有密封槽9。钢筋网架组合件13，与框架中弧板6外侧的轴向边框7、径向边框10以及纵向筋板11和横向筋板12，通过螺栓14连接。

如图2(a)所示，根据隧道要求的直径大小，浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板等分成单块组合隧道壁板，单块组合隧道壁板之间通过径向连接孔8组装成一个环形整体组合隧道壁板，相邻的所述环形整体组合隧道壁板之间通过轴向连接孔5连接拼装；其中，双面箱筋球铁框架1与钢筋网架组合件13的连接及充填混凝土的连接是弹性连接结构或刚性连接结构。单块组合隧道壁板之间、相邻两个环形整体组合隧道壁板之间的连接是弹性连接结构，具有抵抗外加荷载的弹性变形的能力。

双面箱筋球铁框架1为一体式双面箱筋型结构，由框架中弧板6内外隔开，双面箱筋(外侧箱筋和内侧箱筋)是贯通的整体结构，内侧箱筋的高度较外侧箱筋的高度大，能够有效地增强双面箱筋球铁框架1的整体强度、刚度及抗扭曲变形的能力。外侧箱筋的高度一般可取双面箱筋球铁框架1整体幅高(径向高度)的1/5-1/6，幅高较低的取上限，幅高较高的取下限。

从外侧看，外侧箱筋就是双面箱筋球铁框架1带有纵向筋板11、横向筋板12的槽体，主要作用是固定钢筋网架组合件13和钢筋混凝土构件2，外侧箱筋在两种材料构件结合连接面中起到剪力键的作用。这种组合连接结构特性不仅具有弹性连接性能，还具有刚性连接性能，不仅能抵抗和消除一般比较均匀的剪力流作用使连接件产生滑移变形或破坏，还能有效防止和抵抗较大剪力流或纵向突变，且集中剪力流作用而产生滑移或破坏，因此这种立体交叉组合结构就成为完全组合结构。同时，外侧箱筋能够有效限制混凝土纵向和横向变形，约束混凝土基材内部裂纹的产生和发展，使混凝土构件处于两向甚至三向受压的受力状态，从而在整体结构上更进一步提高了极限抗拉、抗压承载能力。

从内侧看，内侧箱筋是通过框架中弧板6与外侧箱筋贯通连在一起的箱形结构，在组合隧道壁板中承担着60％-70％的承载力，同时在单块组合隧道壁板与单块组合隧道壁板、环形整体组合隧道壁板与环形整体组合隧道壁板的连接组合安装中，双面箱筋球铁框架1的边框起到连接组合作用。在施工后期可将双面箱筋球铁框架1的内侧箱筋之间空隙用混凝土筑平封住，也起到储备承载力和装饰作用。但在遇到大型工程(如：核电站防护墙、水电站大坝、大江河易决口处、军事设施等重要地下基础设施工程)时，除上述采取框架中弧板6外侧箱筋与钢筋混凝土构件2组合外，也可以在内侧箱筋与钢筋混凝土组合，双面箱筋球铁框架1内侧的边框、内侧箱筋(纵向筋板和横向筋板)相互贯穿的长方格筋板能够有效限制混凝土纵向和横向变形，约束混凝土基材内部裂纹的产生和发展，使混凝土构件处于两向甚至三向受压的受力状态，从而在整体结构上更进一步提高了极限抗拉、抗压承载能力。

双面箱筋球铁框架1的材质选择高强韧性球墨铸铁QT600-9牌号，其抗拉强度为600MPa，屈服强度为420-450MPa，伸长率为9％，具有长期耐蚀性能，这与螺纹钢筋HRB335(20MnSi)的屈服强度为340MPa相组合匹配，可最有效提高整体结构强度和刚度。

双面箱筋球铁框架1与钢筋网架组合件13的连接固定，选择球墨铸铁QT600-6牌号特制螺栓14，压紧固定在双面箱筋球铁框架1的轴向边框7、径向边框10、纵向筋板11、横向筋板12上，这种装配方便快捷，不受尺寸公差限制，只要在外侧箱筋高度的1/2处左右攻丝固定即可。同时，省掉了过去的内圈球铁壁板背板与外圈钢筋混凝土弧板，两弧板相吻合需要在钢筋混凝土弧板上预埋螺母组合件，要备用很多高精度定位金属模具或铸造预埋杆，由于铁液降温在上箱充型不完整，容易出现铸造缺陷，使强度较低的问题。

钢筋网架组合件13经抛丸清理除锈后，喷浸耐腐蚀防锈漆(如：石墨烯材料等)处理后制造成形，可防锈百年，不会因受潮湿、盐水浸蚀产生破坏性很强的锈蚀膨胀物，不会使钢筋本体强度逐渐降低，也不会对钢筋周围混凝土产生挤压破坏作用，更不会使钢筋混凝土结构工程早期出现裂纹、降低使用寿命。将双面箱筋球铁框架1与钢筋网架组合件13连接固定后，一块放入定形模板中浇筑混凝土，同台车一块推到太阳能保温室养生凝固成形，拆掉定形模板便获得完整的一体式浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板。混凝土是直接浇筑到球铁框架外侧箱筋和框架中弧板6上凝固成形，钢筋混凝土构件2的横截面呈“T”形结构，钢筋网架组合件13为与双面箱筋球铁框架1的外侧箱筋凸凹形状相配合的插入式弧形结构。双面箱筋球铁框架1与钢筋网架组合件13连接后在定形模板中浇筑混凝土养生凝固，形成上述三者之间的无缝对接固定，具有完全有效的、很高的承载能力，不仅在结构行为上更加合理，在结构受力条件上更加符合构件力学特点，既不能产生径向分离，又不能产生纵向滑移或破坏。

媒体大量公布的文献资料显示，汶川大地震造成18条国道公路，56座隧道垮坍，垮坍点位达1000处以上，铁路隧道也有多座隧道垮坍，正行驶在宝成铁路109号隧道中的机车牵引着载有500吨汽油的12节油罐车被震塌的大量石块砸坏漏油引起大火，触发了5节油罐车发生爆炸，所有油罐车的汽油全部燃尽，大多数油罐车被烧成扁平状，灾区所有救援通道被堵塞，伤亡极其惨重，损失巨大。而日本的大地震使福岛核电站防护墙，由于是早期建设结构是钢筋混凝土结构被震裂发生核泄漏，危害周围居民的性命安全，而被迫关停。所有国内外隧道建设的经验和事故教训表明，改进和提高隧道拱壁支承防护结构的承载能力和工程质量安全可靠性，已经是刻不容缓的重大研究课题，势在必行。本发明研发的浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，正是适应隧道复合法施工，能在各种不良地质结构地段加强拱壁支承防护的最可靠安保结构件，可最大限度的降低和防止地震危害和确保使用寿命达到120年以上。

Claims (8)

1.一种浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，其特征在于，该组合隧道壁板包括：双面箱筋球铁框架、钢筋网架组合件、钢筋混凝土构件，双面箱筋球铁框架的外侧与钢筋网架组合件连接组合，组合后的双面箱筋球铁框架与钢筋网架组合件通过钢筋混凝土构件凝固连接，形成牢固结合的浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板；

双面箱筋球铁框架为一体式双面箱筋型结构，双面箱筋包括外侧箱筋和内侧箱筋，内侧箱筋和外侧箱筋之间由框架中弧板内外隔开，外侧箱筋和内侧箱筋是贯通的整体结构，外侧箱筋和内侧箱筋均为纵、横设置的纵向筋板和横向筋板组成；

外侧箱筋为双面箱筋球铁框架带有纵向筋板、横向筋板的立体交叉组合结构槽体，通过外侧箱筋固定钢筋网架组合件和钢筋混凝土构件；内侧箱筋为通过框架中弧板与外侧箱筋贯通连的箱形结构，内侧箱筋之间空隙与混凝土组合或根据需要与钢筋混凝土组合。

2.按照权利要求1所述的浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，其特征在于，内侧箱筋的高度较外侧箱筋的高度大，外侧箱筋的高度取双面箱筋球铁框架整体幅高的1/5-1/6。

3.按照权利要求1所述的浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，其特征在于，双面箱筋球铁框架的框架中弧板内侧和外侧均设置一体式边框，边框包括轴向边框和径向边框，轴向边框和径向边框之间分别纵、横设置纵向筋板和横向筋板，由内侧的边框和内侧箱筋的纵向筋板、横向筋板延伸穿越中弧板组合形成外侧的边框和外侧箱筋的纵向筋板、横向筋板，轴向边框上设置轴向连接孔，径向边框上设置径向连接孔。

4.按照权利要求1至3之一所述的浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，其特征在于，该组合隧道壁板等分成单块组合隧道壁板，每块组合隧道壁板之间通过径向连接孔连接组装形成一个环形整体组合隧道壁板，相邻的每环整体组合隧道壁板之间通过轴向连接孔连接拼装，在浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板的外径与挖成的周围岩土体孔洞之间空隙设置水泥砂浆注浆体，形成由浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板一次性衬砌拱壁的支承防护结构体系。

5.按照权利要求4所述的浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，其特征在于，双面箱筋球铁框架与钢筋网架组合件的连接及钢筋混凝土构件的连接是弹性连接结构或刚性连接结构，单块组合隧道壁板之间、相邻两个环形整体组合隧道壁板之间的连接是弹性连接结构。

6.按照权利要求1所述的浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，其特征在于，钢筋网架组合件的主筋通过螺栓压紧固定在双面箱筋球铁框架内壁和纵向筋板、横向筋板上，钢筋网架组合件与双面箱筋球铁框架牢固安装为一体结构；双面箱筋球铁框架与钢筋网架组合件通过钢筋混凝土构件凝固连接，形成双面箱筋球铁框架与钢筋网架组合件的连接面凸凹交叉立体组合、无缝对接牢固结合成一个整体的浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板。

7.按照权利要求1所述的浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，其特征在于，钢筋混凝土构件的横截面呈“T”形结构，钢筋网架组合件为与双面箱筋球铁框架的外侧箱筋凸凹形状相配合的插入式弧形结构。

8.按照权利要求1所述的浅埋型球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，其特征在于，双面箱筋球铁框架的一侧设有密封槽，双面箱筋球铁框架的材质选用高强韧球墨铸铁QT600-9。