CN109339828B - 一种隧道预应力仰拱结构及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隧道预应力仰拱结构，包括仰拱本体，所述仰拱本体内沿隧道轴线方向间隔设置有对仰拱本体施加预应力的预应力构件，所述预应力构件的固定端和张拉端分别与仰拱本体两侧的矮边墙连接。本发明还公开了一种施工上述预应力仰拱结构的方法。本发明首次在仰拱内预埋预应力构件，为解决隧道仰拱易开裂的问题提供一种新思路，即在隧道仰拱中布置预应力筋，施加预应力，通过预加预应力来全部或部分抵消由外部荷载引起的拉应力，改善和延缓仰拱开裂和底板隆起，适用于高地应力隧道，或者基底软化隧道的仰拱保护。
Description
技术领域
本发明属于隧道仰拱施工技术领域，尤其涉及一种隧道预应力仰拱结构及其施工方法。
背景技术
仰拱是隧道衬砌结构的主要组成部分之一，它是为改善上部支护结构受力条件而设置在隧道底部的反向拱形结构。隧道仰拱在高地应力和高水压的情况下会产生向上的隆起变形，并对仰拱底部施加作用力，造成仰拱开裂，进而导致隧道出现底鼓，使得线路不平顺，为后续隧道使用带来了极大的危险。为防止仰拱开裂，工程中一般采用支护加固法，卸压法，构建刚度和(或)矢跨比更大的仰拱(即仰拱加深)等措施，根据大量施工现场的实际调研与已有研究成果的分析，现有的仰拱加固技术及预应力衬砌技术存在的缺点主要有：
(1)成本较高，支护加固法是通过锚杆和注浆来提高基底围岩强度，需要消耗较多的混凝土或锚杆材料，成本高；提高仰拱混凝土强度等级或增大仰拱厚度也会使得混凝土的成本变高；同样对于仰拱加深而言，仰拱加深会使得仰拱开挖深度加大，增大开挖工作量，同时还会使得仰拱回填的混凝土量增多，增大成本。
(2)施工工艺复杂，工序时间长。向基底围岩打入锚杆以及注浆会使得仰拱施工工艺复杂，增加时间；仰拱加深会使得开挖深度加大，亦会造成仰拱回填量加大，造成工序时间增长，均不利于隧道支护及时封闭成环。
(3)可靠性不高，卸压法对基底防治水不利，会导致基底围岩软化产生膨胀，不适合基底岩层含有膨胀性矿物的隧道。再则，底板切缝往往会导致两帮移近量增加，这样在两帮岩层移动的带动下，切缝可能会闭合，造成基底仰拱重新隆起。
(4)施工工艺难度较高，施工质量不易控制，造成对基底围岩的加固未达到效果，对隧道仰拱结构体系稳定埋下安全隐患。
(5)预应力衬砌在矿山法隧道中的运用较少，缺乏相应的工程经验和技术参考。
预应力技术作为一种成熟的加固技术，在桥梁和结构当中已进行广泛应用，但是在隧道衬砌领域的使用并不多，中国发明专利201310106818.7公开了一种大跨度重荷载明洞预应力钢筋混凝土衬砌结构，以使明洞具有更大的跨度和承受更大荷载，而且隧道衬砌施工质量易于控制，模筑而成的钢筋混凝土衬砌结构包括拱部、左侧边墙、右侧边墙和仰拱，在钢筋混凝土衬砌结构的受拉区内沿明洞延伸方向间隔设置预应力构件，通过预应力构件对钢筋混凝土衬砌结构施加预应力，以使明洞具有更大的跨度和承受更大荷载，而且隧道衬砌施工质量易于控制。但是预应力结构在高地应力、高水压、大跨度隧道仰拱方面的应用还未见相关报导。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题在于提供一种隧道预应力仰拱结构，以解决隧道仰拱易开裂的问题。
本发明要解决的第二个技术问题在于提供一种隧道预应力仰拱结构的施工方法。
为解决上述第一个技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种隧道预应力仰拱结构，包括仰拱本体，所述仰拱本体内沿隧道轴线方向间隔设置有对仰拱本体施加预应力的预应力构件，所述预应力构件的固定端和张拉端分别与仰拱本体两侧的矮边墙连接。
进一步的，所述预应力构件布置在所述仰拱本体的中上部。
进一步的，所述预应力构件的张拉端穿过位于对应矮边墙内的张拉螺旋筋与锚垫板连接，并通过锚环和夹片固定；所述预应力构件的固定端穿过锚固螺旋筋与预埋在对应矮边墙内的承压板锚固连接。
进一步的，所述预应力构件为无粘结预应力筋。
进一步的，所述无粘结预应力筋由自内而外依次设置的钢绞线或钢筋束、涂料层以及外包层组成。
进一步的，所述钢绞线或钢筋束类型、数量由隧道水平侧压力、外水压力与围岩等有关。
进一步的，所述张拉端涂刷有环氧树脂胶泥并用微膨胀细石混凝土封堵。
为解决上述第二个技术问题，本发明提供一种用于隧道预应力仰拱结构的施工方法，包括如下步骤：
(1)仰拱开挖；
(2)在仰拱开挖面上施作初次支护；
(3)非预应力筋以及预应力筋铺放、绑扎：非预应力筋布置在仰拱本体的顶部和底部位置处，预应力筋布置在仰拱本体的中上部；
(4)仰拱模板安装：预应力筋的张拉端穿过张拉螺旋筋、锚垫板后从仰拱一侧的矮边墙模板穿出，预应力筋的固定端穿过锚固螺旋筋与设置在另一侧矮边墙模板内的承压板锚固连接；
(5)仰拱浇筑及脱模：矮边墙与仰拱本体一同支模浇筑；
(6)预应力筋张拉，采用张力设备对预应力筋进行张拉，对仰拱本体施加预应力。
进一步的，具体包括如下步骤：
步骤一、仰拱内力计算
利用有限元软件如Midas GTS NX对仰拱的内力进行分析，分析采用荷载结构法：首先画出隧道衬砌形状，将隧道衬砌划分为若干个网格，定义材料属性并将其赋予在相应的网格中，其次施加衬砌荷载，荷载包括垂直土压力和侧向土压力，垂直土压力的计算区分深埋和浅埋两种情况，深埋时按照太沙基理论计算，浅埋时按照全土柱计算，侧向土压力为侧向土压力系数与垂直土压力的乘积；最后施加约束和添加地基弹簧，计算工况，得到仰拱各个单元的内力-轴力N及弯矩M，选取代数值最大的的内力组合(NS，MS)作为设计内力，其中A0表示仰拱截面换算面积，W0表示换算截面抗裂验算边缘的弹性抵抗矩；
步骤二、确定预应力混凝土的预应力度
由于隧道仰拱结构对于线路的平顺性以及隧道整体结构都十分重要，在此按照一级预应力混凝土进行考虑，预应力度的取值范围为λ≥1；
步骤三、预应力钢筋的确定
根据初步计算得到的内力(NS，MS)、选择的预应力度λ，计算仰拱混凝土结构所需的有效预应力NP，同时考虑预应力的损失，参考相关预应力混凝土设计规范计算所需预应力筋的面积；根据初步计算得到的预应力钢筋面积，选取合适截面面积的预应力筋，确定其数量，并根据配筋构造要求，确定其间距以及混凝土保护层厚度；
步骤四、非预应力钢筋的确定
在预应力筋面积确定的基础上，根据构件的承载能力要求，计算确定非预应力筋的面积；确定非预应力筋的面积后，选择合适截面面积的钢筋，确定钢筋根数，按照构造要求确定其间距及混凝土保护层厚度；将预应力筋和非预应力筋结合起来，进行混凝土结构配筋验算，根据验算结果进行适当的调整，得到最终的配筋和布置结果；
步骤五、仰拱开挖
隧道仰拱采用松动爆破配合挖掘机开挖。仰拱开挖要以设计值为准，并在施工过程中不断与设计值进行比较来控制开挖。
步骤六、初喷混凝土
开挖完成后检查待喷面尺寸、几何形状，清除喷射面内的松石、杂物，检查合格后，初喷混凝土；
步骤七、安装仰拱钢拱架
(1)钢拱架制作
钢拱架分节段在钢筋加工场加工制作，每节段长度根据图纸设计尺寸下料，对每节段进行标号，并注明安装位置；
(2)钢拱架安装
安装钢拱架时使仰拱钢拱架与左右矮边墙的钢拱架连接在一起，起到闭合成环作用；钢拱架榀与榀之间用纵向钢筋连接；钢拱架底部搁置混凝土垫块，待仰拱钢拱架施工完成后复喷混凝土至设计厚度；
步骤八、布筋
将下部非预应力筋、预应力筋及上部非预应力筋按照设计要求通过支架安装在复喷混凝土上，为充分发挥预应力构件的作用，将无粘结预应力筋放在仰拱构件的中上部；
步骤九、安装仰拱模板
仰拱衬砌模板采用弧形钢模板，安装模板前仔细检查模板刚度、尺寸、平整度，清除干净模板内侧的赃物，并涂刷脱模剂；预应力筋的张拉端穿过张拉螺旋筋、锚垫板后从仰拱一侧的矮边墙模板穿出，预应力筋的固定端穿过锚固螺旋筋与设置在另一侧矮边墙模板内的承压板锚固连接；
步骤十、浇筑混凝土及养护脱模
(1)浇筑混凝土
采用移动式栈桥作业，浇筑由仰拱中心向两侧对称浇筑，一次完成，混凝土采用机械振捣，边浇筑边振捣，振捣时快入慢出，振捣点均匀分布，并远离模板10cm～15cm，振捣至混凝土不冒气泡、不下沉、表面开始泛浆时为止，同一预应力筋范围内的混凝土应在较短的时间内完成浇筑；
(2)混凝土养护脱模
浇捣结束后,对混凝土进行养护，待混凝土强度达到设计强度70％进行脱模，脱模后进行洒水养护，对混凝土用土工布加以覆盖并保湿养护；
步骤十一、无粘结预应力筋的张拉。
进一步的，无粘结预应力筋的张拉的具体过程为：
①施工准备工作：张拉前应将锚垫板清理干净，剥去外露钢绞线的外包塑料套管，对锚具逐个进行检查，并逐根测量外露无粘结筋的长度，记录下来作为张拉前的原始长度；
②设备安装：安装千斤顶，千斤顶安装位置应与预应力筋在同一轴线上，并与锚垫板保持垂直；
③张拉：接通油泵、加压，当压力达到2.5MPa时，停止加压；调整千斤顶的位置，继续加压直至达到设计要求的张拉力。
进一步的，张拉结束后，通过锚环和夹片对张拉端进行锚固，切除多余外露钢筋，用环氧树脂胶泥涂刷外露钢筋和锚具，使之形成一个封闭的系统；锚具防腐处理后及时用微膨胀细石混凝土封堵张拉端，外面再刷一层防水涂料，严防水气进入，锈蚀锚具或预应力筋。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明首次在仰拱内预埋预应力构件，为解决隧道仰拱易开裂的问题提供一种新思路，即在隧道仰拱中布置预应力筋，施加预应力，通过预加预应力来全部或部分抵消由外部荷载引起的拉应力，改善和延缓仰拱开裂和底板隆起，适用于高地应力隧道，或者基底软化隧道的仰拱保护。
2、采用的是无粘结预应力筋，后张法施工；无粘结预应力筋在施工时不需要预留孔道和灌浆，施工简单，张拉时摩阻力较小，易弯成曲线形状，比较适合用于像仰拱这样的曲线结构。
3、首次将矮边墙同仰拱连接在一起，将预应力筋的固定端和张拉端放在矮边墙上，一方面便于预应力的张拉，另一方面提高了矮边墙的承载能力。
4、成本低：本发明只需在原有的仰拱结构中加入预应力筋和相关锚具，而这些材料易采购且价格低，
5、施工管理简单，可控性高：本发明只需在布置钢筋阶段检查钢筋是否布置合理，在张拉阶段检查是否张拉到设计张拉力，与支护加固法相比，具有指标明确，可控性高，利于施工管理的优点。
6、施工工艺简单，施工难度小：本发明仅仅在原来的仰拱施工工艺上结合了预应力混凝土的制作，预应力筋的张拉是通过千斤顶来实现的，张拉设备及张拉过程较简单。
7、适用范围广，本发明可以在各种不利因素下发挥作用，提高仰拱的承载能力，同时能配合其他保护仰拱措施，共同发挥作用。
附图说明
图1为本发明仰拱结构的示意图；
图2为本发明中预应力构件的结构示意图；
图3为本发明中预应力构件固定端与矮边墙连接示意图；；
图4为本发明中预应力构件张拉端与矮边墙连接示意图；
图5为本发明中预应力构件张拉端处理后的示意图.
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，一种隧道预应力仰拱结构，包括仰拱本体1，仰拱本体1两侧一体施工成形有矮边墙2，矮边墙2在隧道仰拱回填线14以上。仰拱本体1内沿隧道轴线方向间隔设置有对仰拱本体施加预应力的预应力构件3，预应力构件3的固定端和张拉端分别与仰拱本体1两侧的矮边墙2连接。
具体的，预应力构件3的张拉端穿过位于对应矮边墙2内的张拉螺旋筋4与锚垫板5连接，并通过锚环6和夹片7固定；预应力构件3的固定端穿过锚固螺旋筋8与预埋在对应矮边墙2内的承压板9锚固连接。
参见图1，在高地应力、高水压的情况下，因仰拱上部受拉力，为充分发挥预应力构件的作用，把预应力构件3设置在仰拱本体1的中上部。
参见图2，需要说明的是，在实际设计中，预应力构件3采用无粘结预应力筋，无粘结预应力筋由自内而外依次设置的钢绞线或钢筋束301、涂料层302以及外包层303组成，涂料层302的作用主要有两方面：其一是增加了预应力筋的防腐蚀能力，保证了钢筋框架结构的安全；其二是能够在一定程度上起到抵消张拉力的效果，避免预应力损失，常用的涂料层302原料主要有建筑油脂、防腐沥青等。建筑施工场地的环境较为复杂，即便是在预应力筋表层涂刷涂料，也很容易因环境污染导致涂料层的破坏。外包层303具有较强的化学稳定性和耐磨性，且能够承受较高的温度，可以有效保障预应力筋涂料层的完整。
参见图5，预应力构件3的张拉端，用环氧树脂胶泥涂刷外露钢筋和锚具，使之形成一个封闭的系统，防止外界有害物质的侵入而造成锈蚀，同时增强新老材料间的粘结。锚具防腐处理后及时用微膨胀细石混凝土10封堵张拉端，外面再刷一层防水涂料，严防水气进入，锈蚀锚具或预应力筋。
本实施例首次在仰拱内预埋预应力构件，为解决隧道仰拱易开裂的问题提供一种新思路，即在隧道仰拱中布置预应力筋，施加预应力，通过预加预应力来全部或部分抵消由外部荷载引起的拉应力，改善和延缓仰拱开裂和底板隆起，适用于高地应力隧道，或者基底软化隧道的仰拱保护。
一种隧道预应力仰拱结构的施工方法，包括如下步骤：
1、仰拱内力计算
采用有限元分析技术对仰拱内力进行计算，计算仰拱内力的有限元软件有很多，在此以Midas GTS NX为例，采用Midas GTS NX等相关计算软件对仰拱的内力进行分析，分析采用荷载结构法：首先画出隧道衬砌形状，将隧道衬砌划分为若干个网格，定义材料属性并将其赋予在相应的网格中；其次施加衬砌荷载，荷载包括垂直土压力和侧向土压力，垂直土压力的计算区分深埋和浅埋两种情况，深埋时按照太沙基理论计算，浅埋时按照全土柱计算，侧向土压力为侧向土压力系数与垂直土压力的乘积；最后施加约束和添加地基弹簧，计算工况，得到仰拱各个单元的内力(轴力N，弯矩M)，选取代数值最大的的内力组合(NS，MS)作为设计内力，其中A0表示仰拱截面换算面积，W0表示换算截面抗裂验算边缘的弹性抵抗矩。需要注意的是如果隧道存在地下水压或者基底软化等情况，需对模型进行适当的修改，存在地下水压时，需要加上水压力，存在基底软化时，需对地基弹簧的刚度进行折减。
2、确定预应力混凝土的预应力度
预应力度λ是指预应力混凝土结构施加预应力大小的程度，它影响着结构在荷载作用下的受力性能和结构的变形程度。由于结构的性能要求不同，预应力度的定义和表达有不同的形式，常用的有截面应力比、构件内力比，结构抗力比，荷载平衡臂，预应力分载比等，在此选用应力比的形式。
现行的混凝土设计规范中，把预应力混凝土结构按照抗裂要求分为三级：
(1)一级(全预应力)—严格要求不出现裂缝的构件。
(2)二级(有限预应力)—一般要求不出现裂缝的构件。
(3)三级(部分预应力)—允许出现裂缝，但最大裂缝宽度不超过结构构件的允许值。
查阅相关文献，可以得到不同分类要求下预应力度的取值条件。由于隧道仰拱结构对于线路的平顺性以及隧道整体结构都十分重要，在此按照一级预应力混凝土进行考虑，应力比预应力度的取值范围为λ≥1。
3、预应力钢筋的确定
根据初步计算得到的内力(NS，MS)、选择的预应力度λ，计算仰拱混凝土结构所需的有效预应力NP，同时考虑预应力的损失，参考相关预应力混凝土设计规范计算所需预应力筋的面积。根据初步计算得到的预应力钢筋面积，选取合适截面面积的预应力筋，确定其数量，并根据配筋构造要求，确定其间距以及混凝土保护层厚度。
4、非预应力钢筋的确定
在预应力筋面积确定的基础上，根据构件的承载能力要求，计算确定非预应力筋的面积。计算时按大偏心受拉进行计算，确定非预应力筋的面积后，选择合适截面面积的钢筋，确定钢筋数量，按照构造要求确定其间距及混凝土保护层厚度。将预应力筋和非预应力筋结合起来，进行混凝土结构配筋验算，根据验算结果进行适当的调整，得到最终的配筋和布置结果。
5、仰拱开挖
隧道仰拱采用松动爆破配合挖掘机开挖。仰拱开挖要以设计值为准，并在施工过程中不断与设计值进行比较来控制开挖。
6、喷射混凝土
开挖完成后检查待喷面尺寸、几何形状，清除喷射面内的松石、杂物，检查合格后进行喷射混凝土施工。喷射混凝土采用湿喷工艺进行施工，初喷4cm厚喷射混凝土，待仰拱钢拱架施工完成后喷至设计厚度。喷射时将已拌和好的混凝土拌和料送至喷嘴处，然后在此加入速凝剂，在压缩空气助推下喷出。
7、安装仰拱钢拱架
(1)钢拱架制作
钢拱架分节段在钢筋加工场加工制作，每节段长度根据图纸设计尺寸下料，对每节段进行标号，并注明安装位置。首榀钢架加工完成后，将钢拱架放在平地上试拼，经检验各部分尺寸满足要求，可进行批量生产。
(2)钢拱架安装
安装钢拱架时使仰拱钢拱架与左右矮边墙的钢拱架连接在一起，起到闭合成环作用。钢拱架榀与榀之间用纵向钢筋连接。纵向连接钢筋在加工场统一按设计图纸要求下料，将下料成型的连接钢筋运至施工现场进行绑扎与焊接。钢拱架底部搁置混凝土垫块，保证钢拱架的保护层。
8、下部非预应力钢筋铺放、绑扎
布置时，为充分发挥预应力构件的作用，无粘结预应力筋采用偏心设置，将无粘结预应力筋放在仰拱构件的中上部。故在进行钢筋的铺放、绑扎时要先将预应力筋下部非预应力筋11按照设计要求铺设、绑扎好才能进行预应力筋的安装。
9、制作、安装无粘结预应力筋
(1)无粘结预应力筋的制作
无粘结预应力筋由预应力筋、涂料层和外包层组成。根据工程类型和建筑规模，所选用预应力筋的规格也不尽相同，一般来说，可以选用钢筋束或钢绞线。涂料层的作用主要有两方面：其一是增加了预应力筋的防腐蚀能力，保证了钢筋框架结构的安全；其二是能够在一定程度上起到抵消张拉力的效果，避免预应力损失，常用的涂料层原料主要有建筑油脂、防腐沥青等。建筑施工场地的环境较为复杂，即便是在预应力筋表层涂刷涂料，也很容易因环境污染导致涂料层的破坏。外包层具有较强的化学稳定性和耐磨性，且能够承受较高的温度，可以有效保障预应力筋涂料层的完整。
(2)无粘结预应力筋的安装
根据预应力结构的特点及设计，预应力筋的位置靠近仰拱受拉一侧，即仰拱中上部。铺放无粘结预应力筋时将预应力筋逐根搁置在支架上,并及时理顺。然后从一个方向用铅丝扎牢,注意不宜过紧以免损伤保护皮,影响预应力张拉效果。铺放好的无粘结筋沿全长应无死弯,并严格按设计位置铺放,弧形部分弯曲自然,避免局部小弯。预应力筋穿过张拉端螺旋筋、锚垫板及模板,在模板外的长度不宜少于300mm,并应注意在锚垫板内不小于300mm一段的无粘结筋应与埋件面垂直。同时，由于矮边墙作为仰拱的一部分，与仰拱一同支模浇筑，故在安装无粘结预应力筋以及张拉时，固定端和张拉端均在矮边墙上，这样安装也利于预应力筋的张拉工作。
10、上部非预应力钢筋铺放、绑扎
安装好下部非预应力筋和中心预应力筋以后，再根据设计要求铺放和绑扎上部非预应力筋12，箍筋13，但要注意不应影响预应力筋的位置。
11、安装仰拱模板
(1)安装底模、侧模
仰拱衬砌模板采用弧形钢模板。安装模板前仔细检查模板刚度、尺寸、平整度等，清除干净模板内侧的铁锈等赃物，并涂刷脱模剂。模板安装时严格按测量人员放线进行，误差控制在5mm之内，模板各竖向、纵向接缝均为一条直线，局部错台错缝控制在3mm以内，模板表面平整。
(2)固定端
固定端的形式根据不同的锚具系统有不同的形式，在这里以夹片锚具系统为例。夹片锚具系统的固定端必须埋设在板或梁的混凝土中，可采用挤压锚具等做法。
挤压锚具的构造如图3所示，由挤压锚具、承压板和螺旋筋组成，挤压锚具应将套筒等组装在钢绞线端部经专用设备挤压而成。
(3)张拉端
张拉端模板应按施工图中规定的无粘结预应筋的位置钻孔，张拉端的承压板应采用钉子固定在端模板上或用点焊固定在钢筋上。无粘结预应力曲线或折线筋末端的切线应与承压板相垂直。张拉端的形式同样根据锚具系统的不同而有差异，在这里同样以夹片锚具系统为例。夹片锚具系统的构造由锚环、夹片、承压板、螺旋筋组成，构造如图4所示。
12、浇筑混凝土及养护脱模
(1)浇筑混凝土
混凝土由拌合站集中生产，通过混凝土运输车运输至施工现场，灌注前将虚石、浮渣清理干净。浇筑施工中，应保护好预埋件、支撑架与预应力筋，防止发生碰撞，同时对固定端与张拉端等特殊部位进行有效振捣；同一钢绞线范围内的混凝土应在较短的时间内完成浇筑，否则将形成强度差异。浇筑由仰拱中心向两侧对称浇筑，一次完成，混凝土采用机械振捣，边浇筑边振捣，振捣时快入慢出，振捣点均匀分面布，并远离模板10cm～15cm。振捣至混凝土不冒气泡、不下沉、表面开始泛浆时为止。为解决仰拱施工和其他工序的干扰问题，采用移动式栈桥作业，形成立体交叉平行作业体系，使仰拱施工对其他工序施工不相互干扰。
(2)混凝土养护脱模
浇捣结束后,混凝土应加强养护,保持充分湿润,防止水分过早蒸发而表面产生裂缝。待混凝土强度达到设计强度70％进行脱模，脱模时要求工人小心谨慎，防止对仰拱二衬造成损伤，脱模后进行洒水养护，并对混凝土用土工布加以覆盖并保湿养护，养护时间为2周。
13、无粘结预应力筋的张拉
张拉前，应有混凝土立方体试块抗压强度报告，混凝土强度达到设计强度要求后方可张拉。预应力筋的张拉工艺根据锚具系统的不同而有较小的区别，在这里以夹片锚具系统为例。预应力筋的张拉包括张拉前的施工准备工作、设备安装以及张拉：
①施工准备工作：张拉前应将板端面清理干净，剥去外露钢绞线(钢丝束)的外包塑料套管，对锚具逐个进行检查，严禁使用锈蚀锚具。并逐根测量外露无粘结筋的长度，记录下来作为张拉前的原始长度；
②设备安装：安装千斤顶，千斤顶安装位置应与无粘结预应力筋在同一轴线上，并与承压板保持垂直，如达不到要求，可用垫板来进行调整；
③张拉：接通油泵、加压，当压力达到2.5MPa时，停止加压。调整千斤顶的位置，继续加压直至达到设计要求的张拉力。当千斤顶行程满足不了张拉所需伸长值时，中途可停止张拉，做临时锚固，倒回千斤顶行程，再进行二次张拉。张拉时以应力控制为主,并辅以伸长值校核，张拉后测量无粘结预应力筋外露长度，减去张拉前测量的长度，所得之差为实际伸长量，将其与计算伸长量进行比较，若偏差较大，则应停止张拉，查明原因并采取措施予以调整后方可继续张拉。
14、无粘结预应力筋的锚固及拆除设备
张拉完成后拧紧螺母，千斤顶逐渐回油，松开无粘结预应力筋，拆除千斤顶。操作中回油应缓慢进行，先切断电源，后搬动阀把至回油位置，然后给油将活塞退回原处，拆除千斤顶。
15、预应力筋张拉端处理
(1)多余外露钢筋的切除
张拉锚固完毕后，用手提砂轮切割机切除无粘结筋外露多余钢丝，切割后露出夹片外长度为30～50mm，并清除杂质。
(2)锚具的防腐处理
用环氧树脂胶泥涂刷外露钢丝和锚具，使之形成一个封闭的系统，防止外界有害物质的侵入而造成锈蚀，同时增强新老材料间的粘结。
(3)锚固端部的封堵
锚具防腐处理后及时用微膨胀细石混凝土封堵张拉端，外面再刷一层防水涂料，严防水气进入，锈蚀锚具或预应力筋，张拉端处理后如图5所示。
采用上述方法制作的预应力仰拱结构具有如下优点：
1、成本低，只需在原有的仰拱结构中加入预应力筋和相关锚具，而这些材料易采购且价格低。
2、施工管理简单，可控性高，相比锚固法，只需在布置钢筋阶段检查钢筋是否布置合理，在张拉阶段检查是否张拉到设计张拉力，指标明确，可控性高，利于施工管理。
3、施工工艺简单，施工难度小，仅仅在原来的仰拱施工工艺上结合了预应力混凝土的制作，预应力筋的张拉是通过千斤顶来实现的，张拉设备及张拉过程较简单。
4、适用范围广，可以在各种不利因素下发挥作用，提高仰拱的承载能力，同时能配合其他保护仰拱措施，共同发挥作用。
5、相比现有方法制作的仰拱，采用上述方法制作的仰拱结构，具有承载能力强，不易变形开裂等优点。
上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种隧道预应力仰拱结构的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）仰拱开挖；
（2）在仰拱开挖面上施作初次支护；
（3）非预应力筋以及预应力筋铺放、绑扎：非预应力筋布置在仰拱本体的顶部和底部位置处，预应力筋布置在仰拱本体的中上部；
（4）仰拱模板安装：预应力筋的张拉端穿过张拉螺旋筋、锚垫板后从仰拱一侧的矮边墙模板穿出，预应力筋的固定端穿过锚固螺旋筋与设置在另一侧矮边墙模板内的承压板锚固连接；
（5）仰拱浇筑及脱模：矮边墙与仰拱本体一同支模浇筑；
（6）预应力筋张拉，采用张力设备对预应力筋进行张拉，对仰拱本体施加预应力；
具体包括如下步骤：
步骤一、仰拱内力计算
利用有限元软件对仰拱的内力进行分析，分析采用荷载结构法：首先画出隧道衬砌形状，将隧道衬砌划分为若干个网格，定义材料属性并将其赋予在相应的网格中，其次施加衬砌荷载，荷载包括垂直土压力和侧向土压力，垂直土压力的计算区分深埋和浅埋两种情况，深埋时按照太沙基理论计算，浅埋时按照全土柱计算，侧向土压力为侧向土压力系数与垂直土压力的乘积；最后施加约束和添加地基弹簧，计算工况，得到仰拱各个单元的内力-轴力N及弯矩M，选取代数值最大的（）内力组合（NS，MS）作为设计内力，其中A0表示仰拱截面换算面积，W0表示换算截面抗裂验算边缘的弹性抵抗矩；
步骤二、确定预应力混凝土的预应力度
由于隧道仰拱结构对于线路的平顺性以及隧道整体结构都十分重要，在此按照一级预应力混凝土进行考虑，预应力度的取值范围为λ≥1；
步骤三、预应力钢筋的确定
根据初步计算得到的内力（NS，MS）、选择的预应力度l，计算仰拱混凝土结构所需的有效预应力NP，同时考虑预应力的损失，参考相关预应力混凝土设计规范计算所需预应力筋的面积；根据初步计算得到的预应力钢筋面积，选取合适截面面积的预应力筋，确定其数量，并根据配筋构造要求，确定其间距以及混凝土保护层厚度；
步骤四、非预应力钢筋的确定
在预应力筋面积确定的基础上，根据构件的承载能力要求，计算确定非预应力筋的面积；确定非预应力筋的面积后，选择合适截面面积的钢筋，确定钢筋数量，按照构造要求确定其间距及混凝土保护层厚度；将预应力筋和非预应力筋结合起来，进行混凝土结构配筋验算，根据验算结果进行适当的调整，得到最终的配筋和布置结果；
步骤五、仰拱开挖
隧道仰拱采用松动爆破配合挖掘机开挖，仰拱开挖要以设计值为准，并在施工过程中不断与设计值进行比较来控制开挖；
步骤六、初喷混凝土
开挖完成后检查待喷面尺寸、几何形状，清除喷射面内的松石、杂物，检查合格后，初喷混凝土；
步骤七、安装仰拱钢拱架
（1）钢拱架制作
钢拱架分节段在钢筋加工场加工制作，每节段长度根据图纸设计尺寸下料，对每节段进行标号，并注明安装位置；
（2）钢拱架安装
安装钢拱架时使仰拱钢拱架与左右矮边墙的钢拱架连接在一起，起到闭合成环作用；钢拱架榀与榀之间用纵向钢筋连接；钢拱架底部搁置混凝土垫块，待仰拱钢拱架施工完成后复喷混凝土至设计厚度；
步骤八、布筋
将下部非预应力筋、预应力筋及上部非预应力筋按照设计要求通过支架安装在复喷混凝土上，为充分发挥预应力构件的作用，将无粘结预应力筋放在仰拱构件的中上部；
步骤九、安装仰拱模板
仰拱衬砌模板采用弧形钢模板，安装模板前仔细检查模板刚度、尺寸、平整度，清除干净模板内侧的赃物，并涂刷脱模剂；预应力筋的张拉端穿过张拉螺旋筋、锚垫板后从仰拱一侧的矮边墙模板穿出，预应力筋的固定端穿过锚固螺旋筋与设置在另一侧矮边墙模板内的承压板锚固连接；
步骤十、浇筑混凝土及养护脱模
（1）浇筑混凝土
采用移动式栈桥作业，浇筑由仰拱中心向两侧对称浇筑，一次完成，混凝土采用机械振捣，边浇筑边振捣，振捣时快入慢出，振捣点均匀分布，并远离模板10cm～15cm，振捣至混凝土不冒气泡、不下沉、表面开始泛浆时为止，同一预应力筋范围内的混凝土应在较短的时间内完成浇筑；
（2）混凝土养护脱模
浇捣结束后, 对混凝土进行养护，待混凝土强度达到设计强度70%进行脱模，脱模后进行洒水养护，对混凝土用土工布加以覆盖并保湿养护；
步骤十一、无粘结预应力筋的张拉。
2.根据权利要求1所述的一种隧道预应力仰拱结构的施工方法，其特征在于：无粘结预应力筋张拉的具体过程为：
①施工准备工作：张拉前应将锚垫板清理干净，剥去外露钢绞线的外包塑料套管，对锚具逐个进行检查，并逐根测量外露无粘结筋的长度，记录下来作为张拉前的原始长度；
②设备安装：安装千斤顶，千斤顶安装位置应与预应力筋在同一轴线上，并与锚垫板保持垂直；
③张拉：接通油泵、加压，当压力达到2.5MPa时，停止加压；调整千斤顶的位置，继续加压直至达到设计要求的张拉力。
3.根据权利要求2所述的一种隧道预应力仰拱结构的施工方法，其特征在于：张拉结束后通过锚环和夹片对张拉端进行锚固，切除多余外露钢筋，用环氧树脂胶泥涂刷外露钢筋和锚具，使之形成一个封闭的系统；锚具防腐处理后及时用微膨胀细石混凝土封堵张拉端，外面再刷一层防水涂料，严防水气进入，锈蚀锚具或预应力筋。
4.根据权利要求1所述的一种隧道预应力仰拱结构的施工方法，其特征在于：所述仰拱本体内沿隧道轴线方向间隔设置有对仰拱本体施加预应力的预应力构件，所述预应力构件的固定端和张拉端分别与仰拱本体两侧的矮边墙连接。
5.根据权利要求1所述的一种隧道预应力仰拱结构的施工方法，其特征在于：所述预应力构件布置在所述仰拱本体的中上部。
6.根据权利要求1所述的一种隧道预应力仰拱结构的施工方法，其特征在于：所述预应力构件的张拉端穿过位于对应矮边墙内的张拉螺旋筋与锚垫板连接，并通过锚环和夹片固定；所述预应力构件的固定端穿过锚固螺旋筋与预埋在对应矮边墙内的承压板锚固连接。
7.根据权利要求1所述的一种隧道预应力仰拱结构的施工方法，其特征在于：所述预应力构件为无粘结预应力筋。
8.根据权利要求1所述的一种隧道预应力仰拱结构的施工方法，其特征在于：所述无粘结预应力筋由自内而外依次设置的钢绞线或钢筋束、涂料层以及外包层组成。
9.根据权利要求1所述的一种隧道预应力仰拱结构的施工方法，其特征在于：所述张拉端涂刷有环氧树脂胶泥并用微膨胀细石混凝土封堵。
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