CN107780949A - 一种钢‑frp复合波纹板隧洞支护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢‑FRP复合波纹板隧洞支护方法,属隧洞工程领域的复合材料、新结构研发技术领域。本方法流程包括预制波纹板、打超前小导管加固围岩、上台阶开挖、顶部波纹板安装、下台阶开挖、侧墙波纹板安装、仰拱开挖、仰拱波纹板固定、防排水系统设置和二次衬砌施工。经上述步骤后隧洞初期支护、防排水系统和二次衬砌结构施工完成,具体施工时随着隧道推进不断重复以上步骤即可完成整个隧道支护结构。该方法充分发挥FRP材料与钢材的性能,并结合了波纹板材的优势,具有耐腐蚀性能好、承载能力高、环向刚度大、施工速度快、作业环境优和开挖范围小等优点。
Description
技术领域
本发明属隧洞工程领域的复合材料、新结构研发技术领域,具体涉及一种用于隧洞工程的由钢-FRP复合材料波纹板替代传统支护的方法。本发明拼装速度快、作业环境优、强度高、性价比高和耐腐蚀性优异。
背景技术
当前隧洞支护形式多为型钢拱架或格栅拱架加上喷射混凝土的支护形式。采用这种支护形式时,拱架的制作效率低,混凝土需要经过一段时间的养护才能充分发挥作用,延长了工期。波纹板的隧道支护结构为拼装式支护结构,可以快速实现开挖面的封闭,同时减少了洞内作业。
传统的钢筋混凝土隧道支护结构衬砌厚度较大,为了满足建筑限界开挖面积往往较大。钢波纹板具有高强度、高刚度的优点,在内部建筑限界相同的情况下,用其替代传统支护可减少衬砌厚度,从而减小开挖范围,降低开挖建造的费用。
地下水是绝大部分隧道会遇到的问题,当混凝土产生裂缝后,地下水会渗入到混凝土裂缝中,腐蚀钢筋从而减少结构寿命。钢材耐腐蚀性能较差,无法满足隧洞工程对腐蚀性的要求。纤维增强塑料(FRP)具有较好的耐久性与耐腐蚀性,却存在弹性模量低、变形大、价格高并呈脆性破坏的问题。将二者结合采用内嵌钢芯的复合材料波纹板,利用FRP耐腐蚀性保护内部的钢波纹板,同时钢-FRP复合材料改善了FRP的脆性又在一定程度上增加了强度,改善了结构的整体性能。
发明内容
为弥补现有隧洞支护的不足,本发明提供了一种内嵌钢芯的FRP复合材料支护结构的施工方法。该方法充分发挥FRP材料与钢材的性能,并结合了波纹板材的优势,具有耐腐蚀性能好、承载能力高、环向刚度大、施工速度快、作业环境优和开挖范围小等优点。
为了实现以上目的,本发明所采用的技术方案是:
一种钢-FRP复合波纹板隧洞支护方法,该方法的施作过程如下,
S1 预制复合波纹板。复合波纹板均为钢-FRP复合波纹板,复合波纹板内部为钢芯,钢芯外部包裹FRP材料,FRP材料通过热固化成型。钢芯厚度为复合波纹板厚的60-70%,FRP材料的厚度为复合波纹板厚的30-40%。
复合波纹板分为顶部波纹板、侧墙波纹板和仰拱波纹板。复合波纹板的波纹线方向与隧道纵向垂直。预制后的复合波纹板呈现一定弧度,该弧度与隧道轮廓相同,复合波纹板的板壁上预留注浆孔。复合波纹板环向两端预留有螺栓孔,复合波纹板环向之间通过螺栓直接连接。复合波纹板的纵向两端设有钢板,钢板上预留有螺栓孔,复合波纹板纵向上通过法兰连接。顶部波纹板环向两端和侧墙波纹板底端预留锚杆孔洞,复合波纹板通过锁脚锚杆与围岩固定。复合波纹板的波峰处对应隧道面。
S2 利用台阶法对施工的隧道进行开挖,开挖前通过超前注浆小导管提前注浆对围岩进行加固。
S3 上台阶开挖后,将顶部波纹板设置在隧道中预定位置,在上台阶的拱脚处通过锁脚锚杆将顶部波纹板固定,之后纵向上与相邻顶部波纹板通过法兰连接。安装完成后在顶部波纹板的背后进行混凝土注浆。
S4 下台阶开挖后,将侧墙波纹板与顶部波纹板通过螺栓进行连接。侧墙波纹板的下端拱脚处通过锁脚锚杆固定,纵向上与相邻的侧墙波纹板通过法兰连接,然后在侧墙波纹板背后进行混凝土注浆。
S5 隧道两侧的侧墙波纹板安装完成后对仰拱围岩进行开挖,之后将仰拱波纹板进行固定,仰拱波纹板的两端与相邻的侧墙波纹板连接,纵向上的各仰拱波纹板通过法兰连接。然后在仰拱波纹板背后注浆。
S6 仰拱波纹板安装完成后,仰拱波纹板封闭成环,随后循环S2-S5即完成钢-FRP复合波纹板隧洞初期支护结构。
S7 初期支护结束后铺设排水盲管及防水板。
S8 绑扎二次衬砌格栅钢架,将二衬钢架直接放置在防水板上面,然后浇筑二衬混凝土。
复合波纹板之间环向搭接处连接螺栓为两排,在每个复合波纹板波峰波谷处进行固定。复合波纹板纵向通过法兰连接,法兰连接的接缝处设置有膨胀止水带,防止地下水的渗入。
复合波纹板厚度由受力计算确定。
本发明具有如下有益效果:本结构的支护采用拼装式施工,改善了施工环境,提高了工作效率,减少了工时。采用的复合材料波纹板结构在优化了衬砌整体性能的同时保障了其耐久性能。利用FRP材料包裹钢材,减少钢材腐蚀,从而降低了隧道运营维护的难度。结构较高的强度在保证建筑限界的同时减少了开挖面积,从而降低造价。
复合波纹板的波谷-隧道-混凝土三者形成一种即包括复合材料又包括承重钢芯结构和粘结混凝土,该结构是一种三维复合结构受力层,这种受力层在满足传统隧道初支护的基础上,提高了整体的抗腐蚀性能,预制型的结构以及采用拼装连接实现了快速装配,缩短了施工工期。
附图说明
图1隧洞支护横断面图;
图2波纹板支护侧视图;
图3波纹板纵向法兰连接示意图;
图4波纹板内部结构图。
具体实施方式
本复合材料隧洞支护方法流程包括:预制波纹板、打超前小导管加固围岩、上台阶开挖、顶部波纹板安装、下台阶开挖、侧墙波纹板安装、仰拱开挖、仰拱波纹板固定、防排水系统设置和二次衬砌施工。
如图1所示隧洞支护结构包括波纹板支护1、锚杆2、混凝土层11和二次衬砌5。波纹板支护1由顶部波纹板、侧墙波纹板、仰拱波纹板和混凝土组成。波纹板连接成环作为结构的主要受力构件,波纹板之间搭接3并在搭接位置通过两排螺栓固定。每个波纹板纵向之间通过法兰连接10。顶部波纹板与侧墙波纹板上预留锁脚锚杆孔洞,待波纹板放置到指定位置后通过锚杆2进行固定。波纹板材料为内嵌钢芯7,外部包裹FRP8材料的复合材料波纹板。波纹板钢芯厚度约为板厚的60-70%,FRP厚度约为板厚的30-40%。波纹板板身上预留注浆孔9,待波纹板固定后通过注浆孔对波纹板背后注浆11。
隧洞开挖前通过超前小导管加固围岩4,以保障施工过程中的安全。
以台阶法施工的隧道为例,开挖采用两节台阶进行施工,具体施工过程如下。
SP1 预制波纹板
波纹板弯曲弧度应与隧道设计轮廓一致,波纹板厚度应根据受力计算确定。
SP2 打超前小导管加固围岩
对地质条件较差的隧道,开挖前通过超前小导管注浆加固开挖区域周围岩体。
SP3 上台阶开挖
开挖上台阶围岩,开挖高度完成后立即喷一层混凝土封闭掌子面,同时喷射一层混凝土作为初喷,初步稳定开挖区域。
SP4 顶部波纹板固定
上台阶开挖后,将顶部波纹板放在隧道中预定位置,在上台阶的拱脚处通过锁脚锚杆将顶部波纹板固定。之后纵向上与相邻顶部波纹板通过法兰连接,连接处设置一条止水带,防止地下水从接缝处渗入。安装完成后通过注浆孔在波纹板背后与围岩之间进行混凝土注浆。
SP5 下台阶开挖
上台阶开挖一定距离后开挖下台阶围岩,开挖完成后立即喷一层混凝土封闭掌子面,同时喷射一层混凝土作为初喷,初步稳定开挖区域。
SP6 侧墙波纹板固定
下台阶开挖后将侧墙波纹板放置到预定位置,上端与顶部波纹板搭接并通过螺栓固定。下端拱脚处通过锁脚锚杆固定,纵向上与相邻侧墙波纹板通过法兰连接,连接处设置一条止水带。安装完成后通过注浆孔在波纹板背后与围岩之间进行混凝土注浆。
SP7 仰拱开挖
滞后下台阶一段距离对仰拱进行开挖,喷射一层混凝土作为初喷。
SP8 仰拱波纹板固定
仰拱开挖后将底部波纹板放置到预定位置,两端与侧墙波纹板搭接固定。纵向上与相邻侧墙波纹板通过法兰连接并设置一条止水带。安装完成后在波纹板背后与围岩之间进行混凝土注浆。
SP9 设置防排水系统
铺设环向与纵向导水盲管,之后铺设防水层,防水板连接处设置止水带。
SP10 施做二次衬砌
首先绑扎格栅钢架或者制作型钢钢架,将钢架分段放入隧洞中并进行组装,之后浇筑混凝土,并对二次衬砌混凝土进行养护。
经上述步骤后隧洞初期支护、防排水系统和二次衬砌结构施工完成,具体施工时随着隧道推进不断重复以上步骤即可完成整个隧道支护结构。
Claims (3)
1.一种钢-FRP复合波纹板隧洞支护方法,其特征在于:该方法的施作过程如下,
S1预制复合波纹板;复合波纹板均为钢-FRP复合波纹板,复合波纹板内部为钢芯,钢芯外部包裹FRP材料,FRP材料通过热固化成型;钢芯厚度为复合波纹板厚的60-70%,FRP材料的厚度为复合波纹板厚的30-40%;
复合波纹板分为顶部波纹板、侧墙波纹板和仰拱波纹板;复合波纹板的波纹线方向与隧道纵向垂直;预制后的复合波纹板呈现一定弧度,该弧度与隧道轮廓相同,复合波纹板的板壁上预留注浆孔;复合波纹板环向两端预留有螺栓孔,复合波纹板环向之间通过螺栓直接连接;复合波纹板的纵向两端设有钢板,钢板上预留有螺栓孔,复合波纹板纵向上通过法兰连接;顶部波纹板环向两端和侧墙波纹板底端预留锚杆孔洞,复合波纹板通过锁脚锚杆与围岩固定;复合波纹板的波峰处对应隧道面;
S2利用台阶法对施工的隧道进行开挖,开挖前通过超前注浆小导管提前注浆对围岩进行加固;
S3上台阶开挖后,将顶部波纹板设置在隧道中预定位置,在上台阶的拱脚处通过锁脚锚杆将顶部波纹板固定,之后纵向上与相邻顶部波纹板通过法兰连接;安装完成后在顶部波纹板的背后进行混凝土注浆;
S4下台阶开挖后,将侧墙波纹板与顶部波纹板通过螺栓进行连接;侧墙波纹板的下端拱脚处通过锁脚锚杆固定,纵向上与相邻的侧墙波纹板通过法兰连接,然后在侧墙波纹板背后进行混凝土注浆;
S5隧道两侧的侧墙波纹板安装完成后对仰拱围岩进行开挖,之后将仰拱波纹板进行固定,仰拱波纹板的两端与相邻的侧墙波纹板连接,纵向上的各仰拱波纹板通过法兰连接;然后在仰拱波纹板背后注浆;
S6仰拱波纹板安装完成后,仰拱波纹板封闭成环,随后循环S2-S5即完成钢-FRP复合波纹板隧洞初期支护结构;
S7初期支护结束后铺设排水盲管及防水板;
S8绑扎二次衬砌格栅钢架,将二衬钢架直接放置在防水板上面,然后浇筑二衬混凝土。
2.根据权利要求1所述的一种钢-FRP复合波纹板隧洞支护方法,其特征在于:复合波纹板之间环向搭接处连接螺栓为两排,在每个复合波纹板波峰波谷处进行固定;复合波纹板纵向通过法兰连接,法兰连接的接缝处设置有膨胀止水带,防止地下水的渗入。
3.根据权利要求1所述的一种钢-FRP复合波纹板隧洞支护方法,其特征在于:复合波纹板厚度由受力计算确定。
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