CN107269295A - 一种pva‑ecc套衬结构及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PVA‑ECC套衬结构及施工方法，在既有衬砌内侧设置套衬结构，所述套衬结构由PVA‑ECC套衬、凹槽、钢拱架以及既有二次衬砌与PVA‑ECC套衬之间的锚固连接筋组成，所述PVA‑ECC套衬采用高韧性PVA‑ECC材料，所述PVA‑ECC材料的组分为水泥、粉煤灰、砂、水、减水剂和PVA纤维，所述凹槽和锚固连接筋加强了PVA‑ECC套衬与既有混凝土的协同受力变形性能，有效防止界面处的翘曲和剥落破坏。本发明的PVA‑ECC套衬结构抗裂性能、变形能力以及与既有衬砌的粘结性能均明显优于传统的混凝土套衬，并能很好地限制既有衬砌裂缝的发展，有效提高隧道结构的加固效果。
Description
技术领域
本发明属于隧道工程加固技术领域，具体涉及一种PVA-ECC套衬结构及施工方法。
背景技术
截至2015年底，我国大陆运营铁路隧道有13400座，总长超过13000km；运营公路隧道14006座，总长12683.9km。我国隧道运营总里程已居世界首位。隧道建设取得了巨大成就，但受限于施工及管理水平，有相当比例运营隧道都存在衬砌背后空洞、衬砌厚度不足、渗漏水以及衬砌开裂等质量缺陷及病害，服役状况堪忧。由于隧道缺陷、病害的隐蔽性，隧道病害发生的突然性，隧道病害整治干扰大等问题，致使隧道病害日趋严重，治理严重不足，已严重危及隧道运营安全。
针对隧道病害问题，目前国内外隧道工程者已开展了一些工作，对不同类型和严重程度的隧道病害，初步形成了“因地制宜、技术可行、经济合理、高效安全、彻底整治”的病害整治原则和分类整治技术。隧道衬砌裂损、衬砌厚度不足是常见的衬砌病害问题，对于衬砌裂损严重和极严重、衬砌厚度不足1/2时，当隧道内净空允许的情况，常采用套衬加固方法；当隧道内净空受限的情况，常采用如W型钢带加固、嵌入钢架加固等加固技术。但由于整治材料的耐久性不好，加固方法不合理等原因，一些隧道的整治效果不佳，病害易出现反复，如云南地区的小丫口隧道，由于混凝土界面间的连接问题、混凝土材料本身的脆性特点，采用混凝土套衬加固后，仍出现严重开裂掉块，不得不拆除重建。可见，上述传统的混凝土套衬加固技术还存在一些问题，如混凝土套衬加固易出现界面翘曲、剥离，不能有效抑制既有混凝土裂缝，而且，其柔性不足，若采用厚度较大的套衬，易受净空限制，若采用较薄的套衬，易变现开裂，整治效果不理想。
因此，针对现有混凝土套衬加固技术存在的不足，亟需提供一种PVA-ECC套衬结构及施工方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种由PVA-ECC（聚乙烯醇纤维增韧水泥基复合材料，Polyvinyl alcohol Fiber-Engineered CementitiousComposites，简称PVA-ECC）构成的结构抗裂性能好、变形和承载能力强、与既有混凝土的粘结性能好，显著提高隧道结构加固效果的套衬加固结构。
具体技术方案如下：在衬砌1内侧设置套衬结构6，所述套衬结构6包括凹槽4、钢拱架5、PVA-ECC套衬2和锚固连接筋3，所述衬砌1上开设凹槽4，所述凹槽4内设置钢拱架5，所述凹槽4和衬砌1内侧浇筑PVA-ECC套衬2，所述衬砌1与PVA-ECC套衬2之间设置锚固连接筋3。
进一步的，所述凹槽4沿隧道纵向开设，纵向间距为1.0~2.0m，凹槽4深度的15~20cm，所述锚固连接筋3沿隧道环向和纵向呈梅花形布置，环向间距为0.5~1.0m，纵向间距为0.2~0.5m，采用φ22~32mm钢筋或M18~M22高强化学锚栓。通过所述锚固连接筋3和所述凹槽4的设置加强了PVA-ECC套衬2与既有衬砌1的协同受力变形能力，有效防止界面处的翘曲和剥落破坏。
进一步的，所述钢拱架5沿隧道纵向设置，嵌入切槽形成的凹槽4内，纵向间距为1.0~2.0m，可根据需要采用I12~I20的工字型钢拱架、H100~H175的H型钢拱架、钢筋格栅拱架或波形腹板工字型拱架等。
进一步的，所述PVA-ECC套衬2采用PVA-ECC材料浇筑而成，所述PVA-ECC材料的组分为水泥、粉煤灰、砂、水、减水剂和PVA纤维，其中，按质量比计，水泥：粉煤灰：砂：水：减水剂=1：（1.0~1.2）：（0.6~0.8）：（0.42~0.57）：（0.001~0.003）；以水泥、粉煤灰、砂和减水剂混合均匀后的总体积为基数，PVA纤维的掺量为13~20kg/m3。
进一步的，所述水泥为P.O.42.5硅酸盐水泥，所述粉煤灰为一级粉煤灰，所述砂的粒径在0.2mm~0.4mm，所述PVA纤维的长度为12mm，直径大于30μm，抗拉强度大于1200MPa，弹性模量大于30GPa，断裂伸长率大于6%，所述减水剂为减水率40%以上的聚羧酸高效减水剂。
本发明所述PVA-ECC套衬2厚度介于10~30cm，沿隧道环向各截面厚度相同，保持各连接处圆顺。
本发明所述PVA-ECC材料的制备方法为：将水泥、粉煤灰、砂按权利要求4的所述质量比加入搅拌机搅拌均匀后，按权利要求4的所述质量比加入PVA纤维搅拌均匀，之后按权利要求4的所述质量比再加入水、减水剂湿拌均匀即可得到高韧性PVA-ECC材料。
其中上述PVA-ECC套衬结构的施工方法，具体施工步骤如下：
（1）套拱结构施工前，对既有衬砌（1）进行局部补强和渗漏水处理；
（2）采用切槽方法切出凹槽（4），在凹槽（4）内放置钢拱架，在两个凹槽（4）之间的既有衬砌混凝土中凿毛并植筋；
（3）立模，浇筑PVA-ECC材料，养护3~5天后移除模板台车，即得到PVA-ECC套衬结构。
本发明是由高韧性PVA-ECC套衬层、嵌入凹槽的钢架增强PVA-ECC层和连接既有衬砌和PVA-ECC套衬层的锚固连接筋组合而成的套衬结构，处于衬砌结构受拉侧，利用高抗拉强度和高韧性的PVA-ECC材料，能有效提高其承载性能和抗裂性能，能很好地限制既有衬砌裂缝的发展，防止衬砌开裂和脆性破坏，利用凹槽和锚固连接筋的嵌固及粘结作用，能显著提高PVA-ECC套衬层和既有混凝土之间的整体性和粘结性能。本方法施工方便，能显著提高隧道结构的加固效果。与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明中的凹槽设置和连接筋的植入，可增强既有衬砌和PVA-ECC套衬的粘结性能，确保既有衬砌和套衬结构协同受力变形、共同工作。
（2）本发明的高韧性PVA-ECC材料的抗压强度可达到35MPa以上，极限拉伸应变大于3%，是普通混凝土的300倍以上，具有和钢材类似的塑性变形性能，在拉伸，弯曲和剪切荷载下具有应变硬化、多缝开裂的特性，与钢材的粘结性能好，具有高韧性、高耐久性、高耗能、抗震和抗变形能力好等特点。
（3）本发明采用的高韧性PVA-ECC套衬层，厚度较薄，有利于节约材料和方便套衬布置。
附图说明
图1为本发明的PVA-ECC套衬结构的横断面示意图；
图2为本发明的PVA-ECC套衬结构的纵断面示意图；
图3为PVA-ECC加固示意图；
图中各标号表示：
1—衬砌；2—PVA-ECC套衬；3—锚固连接筋；4—凹槽；5—钢拱架；6—套衬结构。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明。但应强调的是，以下实施例只是示例性的，并不是为了限制本发明的应用范围。
实施例1：如图1~2所示：一种PVA-ECC套衬结构，在衬砌1内侧设置套衬结构6，所述套衬结构6包括凹槽4、钢拱架5、PVA-ECC套衬2和锚固连接筋3，所述衬砌1上开设凹槽4，所述凹槽4内设置钢拱架5，所述凹槽4和衬砌1内侧浇筑PVA-ECC套衬2，所述衬砌1与PVA-ECC套衬2之间设置锚固连接筋3。
所述凹槽4沿隧道纵向开设，纵向间距为1.0~2.0m，凹槽4深度的15~20cm，如图2所示，凹槽4呈内窄外宽的梯形，凹槽4的纵向间距1.0m，深度15cm，梯形较长直边的宽度为20cm，凹槽4也可设置为矩形等常用形状。
所述锚固连接筋3沿隧道环向和纵向呈梅花形布置，环向间距为0.5~1.0m，纵向间距为0.2~0.5m，采用φ22~32mm钢筋或M18~M22高强化学锚栓。通过所述锚固连接筋3和所述凹槽4的设置加强了PVA-ECC套衬2与既有衬砌1的协同受力变形能力，有效防止界面处的翘曲和剥落破坏。本实施例中，锚固连接筋5采用φ22mm钢筋，环向间距0.5m，纵向间距0.2m。
所述钢拱架5沿隧道纵向设置，嵌入切槽形成的凹槽4内，纵向间距为1.0~2.0m，可根据需要采用I12~I20的工字型钢拱架、H100~H175的H型钢拱架、钢筋格栅拱架或波形腹板工字型拱架等。本实施例中，钢拱架5采用I12工字型钢拱架，纵向间距1.0m。
所述PVA-ECC套衬2采用PVA-ECC材料浇筑而成，所述PVA-ECC材料的组分为水泥、粉煤灰、砂、水、减水剂和PVA纤维，其中，按质量比计，水泥：粉煤灰：砂：水：减水剂=1：（1.0~1.2）：（0.6~0.8）：（0.42~0.57）：（0.001~0.003）；以水泥、粉煤灰、砂和减水剂混合均匀后的总体积为基数，PVA纤维的掺量为13~20kg/m3。
所述水泥为P.O.42.5硅酸盐水泥，所述粉煤灰为一级粉煤灰，所述砂的粒径在0.2mm~0.4mm，所述PVA纤维的长度为12mm，直径大于30μm，抗拉强度大于1200MPa，弹性模量大于30GPa，断裂伸长率大于6%，所述减水剂为减水率40%以上的聚羧酸高效减水剂。
实施例2：本实施例中PVA-ECC材料的组分按质量百分比计为，水泥：粉煤灰：砂：水：减水剂=1:1.2:0.72:0.57:0.003；以水泥、粉煤灰、砂、减水剂混合均匀后的总体积为基数，PVA纤维的掺量为20 kg/m3。所用水泥为P.O.42.5硅酸盐水泥；粉煤灰为一级粉煤灰；砂的粒径为0.2mm~0.4mm；PVA纤维为日本生产的纤维，长度为12mm，直径为39μm，抗拉强度为1620MPa，弹性模量为42.8GPa，添加Sika聚羧酸高效减水剂。
其中PVA-ECC套衬2厚度介于10~30cm，根据隧道净空限界和既有衬砌破损情况来综合确定，沿隧道环向各截面厚度相同，保持各连接处圆顺。如图1~2所示的实施例中，PVA-ECC套衬2厚度为10cm。
本发明所述PVA-ECC套衬结构6采用PVA-ECC材料的搅拌方法为：将水泥、粉煤灰、砂按上述质量比加入搅拌机搅拌均匀后，再加入PVA纤维搅拌均匀，之后再加入水、减水剂湿拌均匀即可得到高韧性PVA-ECC材料。
所述PVA-ECC套衬结构6采用PVA-ECC材料的浇筑方法为：将上述PVA-ECC拌合物采用常规的泵送工艺，利用衬砌模板台车进行浇筑，浇筑完成养护3~5天后移除模板台车，即可得到PVA-ECC套衬。
本发明所述的PVA-ECC套衬结构施工方法，具体施工步骤如下：
（1）套拱结构施工前，对既有衬砌进行局部补强和渗漏水处理；
（2）采用切槽方法切出凹槽，切口呈内窄外宽的梯形状，在凹槽内放置钢拱架，在两个凹槽之间的既有衬砌混凝土中凿毛并植筋；
（3）立模，浇筑PVA-ECC材料，养护3~5天后移除模板台车，即得到PVA-ECC套衬结构。
上述例子中PVA-ECC材料的力学性能试验及结果如下：
（1）采用100mm×100mm×300mm的棱柱体试块，按标准养护方法养护28d，进行轴心抗压强度试验。试验结果表明：PVA-ECC材料抗压强度平均值为40MPa，试块在破坏过程中存在明显的抗压韧性。
（2）采用100mm×100mm×400mm的梁式试件，按标准养护方法养护28d后进行四点弯曲试验。试验结果表明：PVA-ECC材料极限拉伸应变达到3.2%，为普通混凝土极限拉伸应变的300倍以上，在弯曲荷载下呈现出类似于钢材的应变硬化、多缝开裂的特性。
以上试验结果表明，PVA-ECC材料的极限拉伸应变远高于普通素混凝土极限拉伸应变，试件在受压、受弯破坏时为延性破坏，表现出高韧性特征。
如图3所示，对实施例的PVA-ECC进行加固板的数值模拟试验，其结果如下：
采用厚度40cm×宽度100cm×长度400cm的简支板。计算两种工况：沿板厚度方向，第一种加固方案为：上部30cm为C30混凝土，下部10cm为PVA-ECC材料加固；第二种加固方案为：上部30cm为C30混凝土，下部10cm亦为C30混凝土加固。上覆均布荷载进行全过程破坏模拟试验，数值试验结果表明：采用PVA-ECC材料加固与采用传统混凝土加固相比，前者承载性能为后者的2.25倍；加载破坏时的跨中位移，前者为后者的39.3倍，破坏过程中表现为明显的延性破坏。
以上数值试验结果表明，与传统的混凝土加固相比，采用PVA-ECC加固后的承载性能和变形能力显著提高。
上面结合图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (7)
1.一种PVA-ECC套衬结构，其特征在于：在衬砌（1）内侧设置套衬结构（6），所述套衬结构（6）包括凹槽（4）、钢拱架（5）、PVA-ECC套衬（2）和锚固连接筋（3），所述衬砌（1）上开设凹槽（4），所述凹槽（4）内设置钢拱架（5），所述凹槽（4）和衬砌（1）内侧浇筑PVA-ECC套衬（2），所述衬砌（1）与PVA-ECC套衬（2）之间设置锚固连接筋（3）。
2.如权利要求1所述的PVA-ECC套衬结构，其特征在于：所述凹槽（4）沿隧道纵向开设，纵向间距为1.0~2.0m，凹槽（4）深度为15~20cm。
3.如权利要求1所述的PVA-ECC套衬结构，其特征在于：所述锚固连接筋（3）沿隧道环向和纵向呈梅花形布置，环向间距为0.5~1.0m，纵向间距为0.2~0.5m，采用φ22~32mm钢筋或M18~M22高强化学锚栓。
4.如权利要求1所述的PVA-ECC套衬结构，其特征在于：所述钢拱架（5）嵌入凹槽（6）内，采用工字型钢拱架、H型钢拱架、钢筋格栅拱架或波形腹板工字型拱架。
5.如权利要求1所述的PVA-ECC套衬结构，其特征在于：所述PVA-ECC材料的组分为水泥、粉煤灰、砂、水、减水剂和PVA纤维，按质量比计，水泥：粉煤灰：砂：水：减水剂=1：（1.0~1.2）：（0.6~0.8）：（0.42~0.57）：（0.001~0.003）；以水泥、粉煤灰、砂和减水剂混合均匀后的总体积为基数，PVA纤维的掺量为13~20kg/m3。
6.如权利要求5所述的PVA-ECC套衬结构，其特征在于：所述水泥为P.O.42.5硅酸盐水泥，所述粉煤灰为一级粉煤灰；所述砂的粒径在0.2mm~0.4mm；所述PVA纤维的长度为12mm，直径大于30μm，抗拉强度大于1200MPa，弹性模量大于30GPa，断裂伸长率大于6%；所述减水剂为减水率40%以上的聚羧酸高效减水剂。
7.如权利要求1-6所述的PVA-ECC套衬结构的施工方法，其特征在于：具体施工步骤如下：
（1）套拱结构施工前，对既有的衬砌（1）进行局部补强和渗漏水处理；
（2）采用切槽方法切出凹槽（4），在凹槽（4）内放置钢拱架（5），在两个凹槽（4）之间的既有衬砌混凝土中凿毛并植筋；
（3）立模，浇筑PVA-ECC材料，养护3~5天后移除模板台车，即得到PVA-ECC套衬结构。
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