CN109763838B - 适用于钻爆法隧道的装配式仰拱结构及其拼装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于钻爆法隧道的装配式仰拱结构及其拼装方法，结构包括左右对称的两个仰拱预制块分块，分别为仰拱预制块左分块和仰拱预制块右分块，左右两个仰拱预制块分块之间通过分块联结型钢组成横向的一节仰拱结构单元，多节仰拱结构单元纵向依次拼接组成整体装配式仰拱结构。本发明通过采用装配式仰拱，实现了仰拱的工厂化、标准化预制，质量可靠有保证；隧道开挖后可实现仰拱的快速拼装，提高仰拱实施进度，同时可将仰拱尽量的靠近开挖掌子面实施；通过装配式仰拱与拱墙初期支护的有效连接，形成初期支护快速封闭成环，保证隧道的安全稳定。

Description

适用于钻爆法隧道的装配式仰拱结构及其拼装方法

技术领域

本发明属于隧道及地下工程技术领域，具体涉及一种适用于钻爆法隧道的装配式仰拱结构及其拼装方法。

背景技术

随着修建技术、建设水平及建设要求的不断提高，越来越多的新技术、新工艺、新工法应用到隧道及地下工程的建设中。近年来随着我国经济的快速发展，从国家层面已经提出了要大力发展装配式建筑的要求。装配式建筑是建造方式的重大变革，有利于节约资源、减少施工污染、改善作业环境、提高劳动生产效率、提高标准化作业和保证质量及安全水平。但受限于各种因素，目前钻爆法施工隧道的建造方式仍然以现浇作业为主，装配式隧道施工比例很低，这与国家提倡发展绿色建筑的有关要求相比尚有很大差距。

根据目前已运营的铁路隧道，尤其是高速铁路隧道相关统计，部分隧道出现仰拱上鼓，翻浆冒泥等病害，严重时导致道床开裂变形，致使隧道行车限速，影响了高铁的正常运营。通过查验，隧道仰拱质量不足也是主要的影响因素之一，因此有必要探索采用新型的、更为可靠的隧道仰拱结构型式及施做工艺方式。

预制装配式结构具有工程质量易于控制、施工速度快、机械化作业程度高、施工操作人员少等诸多优点。特别是对于隧道工程，提升机械化作业水平，有效减少洞内作业人员，也是提升人员安全、提高人口红利的重要保证。目前，预制装配式结构在房建工程中已取得了较好的应用，其在隧道工程的体现就是装配式衬砌和装配式支护，因此随着施工技术与配套设备的发展，装配式隧道衬砌/支护必将成为隧道建设及地下工程产业化、机械化、智能化的发展趋势。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于钻爆法隧道的装配式仰拱结构及其拼装方法，满足隧道装配式仰拱的构造要求。

本发明所采用的技术方案为：

适用于钻爆法隧道的装配式仰拱结构，其特征在于：

包括左右对称的两个仰拱预制块分块，分别为仰拱预制块左分块和仰拱预制块右分块，左右两个仰拱预制块分块之间通过中央的分块联结型钢组成横向的一节仰拱结构单元，多节仰拱结构单元纵向依次拼接组成整体装配式仰拱结构。

仰拱预制块分块的外端位于隧道初期支护的内侧并与现浇拱墙二次衬砌衔接。

仰拱预制块分块与现浇拱墙二次衬砌的衔接面处设置凸起，与现浇拱墙二次衬砌底端形成凹凸榫构造，为仰拱预制块与拱墙衬砌结合处凹凸榫构造。

仰拱预制块分块与现浇拱墙二次衬砌的衔接面处预留有钢筋接头，为仰拱预制块与拱墙结合处预留钢筋接头，与现浇拱墙二次衬砌的钢筋进行连接；

衔接面处还预埋有钢板牛腿，为仰拱预制块上预埋钢板牛腿，与隧道初期支护的钢架联结固定。

仰拱预制块分块内端面预留有钢筋接头，为仰拱预制块之间预留钢筋接头。

仰拱预制块分块内设置有纵向贯通的减重孔。

整体装配式仰拱结构表面下凹，形成洞内运输平台，为仰拱预制块拼装后形成的洞内运输平台；

洞内运输平台中央为仰拱填充找平层和整体或碎石道床，两侧为隧道水沟及电缆槽。

左右两个仰拱预制块分块之间后浇混凝土，形成左右分块仰拱预制块之间的湿接头混凝土后浇带。

整体装配式仰拱结构下方为基底垫层。

如所述的适用于钻爆法隧道的装配式仰拱结构的拼装方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

步骤一：钻爆法隧道采用台阶法或全断面法开挖，隧道初期支护拱墙采用带钢架或不带钢架的结构形式；

步骤二：仰拱开挖、找平并进行基底处理，仰拱预制块分块由洞外预制好后通过设备运输至洞内待安装位置，先放置仰拱预制块左分块，再放置仰拱预制块右分块；

步骤三：仰拱预制块分块拼装到位后，两者之间首先采用分块联结型钢联结，然后将仰拱预制块上预埋钢板牛腿与隧道初期支护的钢架联结固定，由此隧道初期支护和左、右仰拱预制块分块共同形成更加稳定可靠的封闭受力体系；

步骤四：左、右仰拱预制块分块两侧预留钢筋接头，后期与现浇拱墙二次衬砌的钢筋进行连接，确保衬砌钢筋形成闭环，再浇筑拱墙衬砌混凝土，衬砌结构闭合；

步骤五：左、右仰拱预制块分块两侧预留凹凸榫构造，便于后期浇筑拱墙二次衬砌时在与仰拱预制块分块的连接处形成更加紧密的握裹结合；

步骤六：左、右仰拱预制块分块拼装后，先期形成的仰拱块顶面可作为洞内的运输通道或运输平台；运输平台上方的空间后期采用现浇方式填充，增加隧道仰拱的整体性，填充找平层直至道床底部，具备施做道床的条件；

步骤七：随着隧道开挖及仰拱块拼装的进行，先期左、右仰拱预制块分块之间采用预留型钢联结，首先形成了闭合的受力体系，后续将该处预留的钢筋接头进行联结，同时浇筑混凝土，形成湿接头，确保仰拱整体结构的闭合；左、右仰拱预制块分块之间采用湿接头后浇带的型式；

步骤八：仰拱预制块分块拼装到位并达到受力稳固，后续通过仰拱预制块分块上预留的注浆孔向底部注浆，确保仰拱预制块基底填充密实。

本发明具有以下优点：

1、钻爆法隧道仰拱采用预制装配式，仰拱结构采用工厂化、标准化预制，质量可靠有保证，采用此种装配施工隧道仰拱的方式替代常规的仰拱设栈桥现浇的方式，预制构件的质量及强度等相比现浇结构要好很多。

2、隧道仰拱采用预制构件装配后，实现了标准化统一施工，可保证仰拱的开挖弧度及结构尺寸等，规范仰拱质量，避免了传统的钻爆法作业隧道仰拱经常开挖不到位，受控于人工操作水平，规范化作业不强，由此导致现场施做的仰拱结构与设计尺寸相差较大等弊端。

3、可实现仰拱尽早安置，快速安置。仰拱分块在隧道洞内无需旋转，直运进洞，左右偏移，直接放置，易于安装。仰拱可尽量靠近隧道开挖掌子面，新型仰拱预制块与拱墙钢架可实现更好的挤靠及连接，确保隧道的支护结构及早封闭，避免隧道初期支护边墙钢架向洞内收敛变形，利于隧道安全。

4、取缔了传统钻爆法隧道仰拱设栈桥的模式，仰拱实施速度加快，节省人力资源，提高洞内机械化作业程度，更好的保证人员安全。

5、隧道采用装配式仰拱，左、右分块型式的装配式仰拱安置后可提供洞内运输通道，后续洞内各工序作业可同步进行，不影响洞内正常的流水作业，可加快总体工期。

6、隧道两侧水沟、线缆等可考虑结合仰拱预制块、预制分块接头处及填充层一体化实施，优化隧道断面型式及结构尺寸。

7、钻爆法隧道采用装配式仰拱块结构，仰拱不再施做钢架、喷层等初期支护，节省了工序，节约了土建投资。

8、隧道采用新型装配式仰拱结构后，打破了传统的隧道轨下设仰拱及仰拱填充这种分离受力的结构和分开浇筑的方式。新型装配式仰拱属于整体的箱型块体结构，箱型块体结构中间可“掏空”，形成不同型式的“空腔”，节省混凝土用量的同时还加大了仰拱的强度和刚度，提升了仰拱的整体性，因此仰拱曲率可适当减缓，可节省仰拱处的开挖量和土建投资。

9、隧道仰拱装配只是隧道装配式衬砌/支护的开端，后续要发展到隧道全环装配，进一步提升隧道机械化、信息化、智能化建造水平。

附图说明

图1为钻爆法单线隧道新型装配式仰拱左、右分块构造图。

图2为钻爆法单线隧道采用新型装配式仰拱的隧道断面图。

图3为钻爆法隧道采用新型装配式仰拱的内部结构图。

图4为钻爆法隧道采用新型装配式仰拱的立体结构图。

图5为A节点大样图。

图6为B节点大样图。

图中：1-隧道初期支护；2-现浇拱墙二次衬砌；3-仰拱预制块左分块；4-仰拱预制块右分块；5-仰拱预制块上预埋钢板牛腿；6-隧道水沟及电缆槽；7-仰拱填充找平层；8-整体或碎石道床；9-分块联结型钢；10-仰拱预制块与拱墙结合处预留钢筋接头；11-仰拱预制块与拱墙衬砌结合处凹凸榫构造；12-仰拱预制块之间预留钢筋接头；13-仰拱预制块拼装后形成的洞内运输平台；14-左右分块仰拱预制块之间的湿接头混凝土后浇带；15-基底垫层。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

装配式建筑是建造方式的重大变革，有利于节约资源、减少施工污染、改善作业环境、提高生产效率、推行标准化建造。钻爆法隧道采用装配式仰拱后，可替代传统的仰拱栈桥模式，仰拱预制拼装后可紧跟开挖掌子面，实现快速安装施做，在确保仰拱质量的同时也提升了隧道的安全性。限于各种因素，目前钻爆法施工隧道的建造方式仍以现浇工艺为主，钻爆法装配式隧道施工的比例还非常低，这与国家提倡发展绿色建筑的要求相比还有很大差距，亟待研究并提升改善。

本发明涉及一种适用于钻爆法隧道的装配式仰拱结构，包括左右对称的两个仰拱预制块分块，分别为仰拱预制块左分块3和仰拱预制块右分块4，左右两个仰拱预制块分块之间通过中央的分块联结型钢9组成横向的一节仰拱结构单元，多节仰拱结构单元纵向依次拼接组成整体装配式仰拱结构。仰拱预制块分块的外端位于隧道初期支护1的内侧并与现浇拱墙二次衬砌2衔接。

仰拱预制块分块与现浇拱墙二次衬砌2的衔接面处设置凸起，与现浇拱墙二次衬砌2底端形成凹凸榫构造，为仰拱预制块与拱墙衬砌结合处凹凸榫构造11，进一步增强预制混凝土与现浇混凝土在界面结合处的握裹力，提升衬砌整体受力效果。仰拱预制块分块与现浇拱墙二次衬砌2的衔接面处预留有钢筋接头，为仰拱预制块与拱墙结合处预留钢筋接头10，与现浇拱墙二次衬砌2的钢筋进行连接；衔接面处还预埋有钢板牛腿，为仰拱预制块上预埋钢板牛腿5，与隧道初期支护1的钢架联结固定。仰拱预制块分块内端面预留有钢筋接头，为仰拱预制块之间预留钢筋接头12。

仰拱预制块分块内设置有纵向贯通的减重孔，可形成多种“空腔”型的箱体结构，既节省混凝土用量，又减轻构件重量，也利于结构受力。具体结构型式可根据不同的功能需要因地制宜局部调整。

整体装配式仰拱结构表面下凹，形成洞内运输平台，为仰拱预制块拼装后形成的洞内运输平台13；洞内运输平台中央为仰拱填充找平层7和整体或碎石道床8，两侧为隧道水沟及电缆槽6。仰拱预制块于洞内装配拼装后，仰拱预制块与道床（有砟/无砟）之间的回填/填充层宜采用现浇方式，以进一步增加隧道仰拱的整体性；当隧道位于地质条件较好的地层时，该回填/填充层也可考虑采用预制装配的方式，进一步加快隧道实施进度。

左右两个仰拱预制块分块之间后浇混凝土，形成左右分块仰拱预制块之间的湿接头混凝土后浇带14。整体装配式仰拱结构下方为基底垫层15，隧道仰拱开挖后，可采用豆砾石或胶凝材料等先期找平，然后安放仰拱预制块，待稳固后，通过仰拱预制块上预留的注浆孔向底部注浆，确保仰拱预制块基底填充密实。

上述适用于钻爆法隧道的装配式仰拱结构的拼装方法，由以下步骤实现：

步骤一：钻爆法隧道采用台阶法或全断面法开挖，隧道初期支护1拱墙采用带钢架或不带钢架的结构形式；

步骤二：仰拱开挖、找平并进行基底处理，仰拱预制块分块由洞外预制好后通过设备运输至洞内待安装位置，先放置仰拱预制块左分块3，再放置仰拱预制块右分块4；若隧道初期支护1拱墙设钢架，左、右分块仰拱预制块拼装到位后，对墙脚处的钢架可形成“挤靠”和“压紧”作用，防止边墙钢架向隧道内侧收敛变形，稳固结构受力；

步骤三：仰拱预制块分块拼装到位后，两者之间首先采用分块联结型钢9联结，然后将仰拱预制块上预埋钢板牛腿5与隧道初期支护1的钢架联结固定，由此隧道初期支护1和左、右仰拱预制块分块共同形成更加稳定可靠的封闭受力体系；

步骤四：左、右仰拱预制块分块两侧预留钢筋接头，后期与现浇拱墙二次衬砌2的钢筋进行连接，确保衬砌钢筋形成闭环，再浇筑拱墙衬砌混凝土，衬砌结构闭合；

步骤五：左、右仰拱预制块分块两侧预留凹凸榫构造，便于后期浇筑拱墙二次衬砌时在与仰拱预制块分块的连接处形成更加紧密的握裹结合；

步骤六：左、右仰拱预制块分块拼装后，先期形成的仰拱块顶面可作为洞内的运输通道或运输平台；仰拱分块的结构型式及尺寸要确保其所形成的运输平台宽度满足隧道洞内正常的施工运输作业等要求；运输平台上方的空间后期宜采用现浇方式填充，增加隧道仰拱的整体性，填充找平层直至道床底部，具备施做道床的条件；

步骤七：随着隧道开挖及仰拱块拼装的进行，先期左、右仰拱预制块分块之间采用预留型钢联结，首先形成了闭合的受力体系，后续将该处预留的钢筋接头进行联结，同时浇筑混凝土，形成湿接头，确保仰拱整体结构的闭合；左、右仰拱预制块分块之间采用湿接头后浇带的型式，也可结合该处的结构布置型式具体情况具体商定；

步骤八：仰拱预制块分块拼装到位并达到受力稳固，后续通过仰拱预制块分块上预留的注浆孔向底部注浆，确保仰拱预制块基底填充密实。

在隧道纵向，各仰拱预制块之间可通过螺栓、后浇湿接头、预应力拉索等不同方式实现分块与分块的纵向连接；在隧道环向，左、右两分块或左、中、右三分块之间一般采用“型钢连接+预留钢筋绑扎+后浇湿接头”的方式进行连接。

当地层条件较好时，装配式仰拱预制块与道床之间的空间也可考虑采用装配式填充块的方式，此时隧道两侧的水沟及线缆槽可考虑纳入至仰拱填充块内，如此也可进一步优化钻爆法隧道的轨下结构与断面尺寸，进一步节省投资。装配式仰拱分块纵向（沿隧道轴向）可设计为2.0~3.0m/块；钻爆法单线隧道仰拱环向分块可按两块考虑，双线隧道仰拱环向分块可按三块考虑，具体需结合地质条件及洞内设备的拼装能力而定。在条件允许时，采用此型式的仰拱预制块可尽量纵向分块尺寸大一些，以减少吊装及定位次数，减少接缝数量，提高作业工效，进而提高结构的受力和防水能力。

传统的仰拱沿隧道环向为一个整体，本发明提出一种新型的装配式仰拱结构及拼装方式，其沿隧道环向将仰拱预制块分为左、右两块，左右仰拱预制块先后拼装，中间通过型钢连接，同时预留钢筋接头，采用后浇带湿接头的方式，形成整体的仰拱结构。

采用此种型式的仰拱块洞内拼装后，可快速形成隧道仰拱结构及洞内运输通道，洞内开挖、出渣、支护等作业可正常开展，后续拱墙衬砌、仰拱块基底注浆填充、仰拱块表面填充层等工序可依次同步开展施做，提高了隧道的综合实施工效。

随着具体工程隧道断面尺寸等差异，其相关参数如：左、右分块仰拱预制块的具体结构型式、装配式仰拱预制块的几何尺寸及空腔型式、仰拱分块型式、仰拱填充方式、仰拱块与隧道初期支护的连接方式等，可根据实际工程需要，因地制宜，具体确定，或大或小、或多或少、或长或短、或强或弱。

钻爆法隧道采用预制装配仰拱后，对既有的隧道防水型式不造成影响，可设置成半包防水或全包防水；根据仰拱预制块的不同结构型式，隧道排水可采用传统的两侧水沟，也可通过仰拱预制块自身的结构空腔或利用左、右仰拱分块中部的空间，综合考虑实现排水。

单线隧道若采用环向整体预制块，预制块顺隧道运输至洞内拼装位置后，要原地旋转90度，再下落拼装，因单线隧道空间有限，预制块的环向长度也因此受到了限制，否则预制块将无法实现洞内旋转。而单线隧道采用左、右分块式的仰拱预制块后，预制块顺隧道运输至洞内拼装位置，无需旋转，只需向左右两侧平移一定距离后即可下落安装，因此预制块两端可以向拱墙延伸，预制块与边墙钢架可挤压靠紧，快速的实现了初期支护的封闭，进而更加利于控制洞内钢架的收敛变形，同时减小了洞内拼装难度，提高了拼装效率。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (3)

1.适用于钻爆法隧道的装配式仰拱结构，其特征在于：

包括左右对称的两个仰拱预制块分块，分别为仰拱预制块左分块（3）和仰拱预制块右分块（4），左右两个仰拱预制块分块之间通过中央的分块联结型钢（9）组成横向的一节仰拱结构单元，多节仰拱结构单元纵向依次拼接组成整体装配式仰拱结构；

仰拱预制块分块的外端位于隧道初期支护（1）的内侧并与现浇拱墙二次衬砌（2）衔接；

仰拱预制块分块与现浇拱墙二次衬砌（2）的衔接面处设置凸起，与现浇拱墙二次衬砌（2）底端形成凹凸榫构造，为仰拱预制块与拱墙衬砌结合处凹凸榫构造（11）；

仰拱预制块分块与现浇拱墙二次衬砌（2）的衔接面处预留有钢筋接头，为仰拱预制块与拱墙结合处预留钢筋接头（10），与现浇拱墙二次衬砌（2）的钢筋进行连接；

衔接面处还预埋有钢板牛腿，为仰拱预制块上预埋钢板牛腿（5），与隧道初期支护（1）的钢架联结固定；

仰拱预制块分块内端面预留有钢筋接头，为仰拱预制块之间预留钢筋接头（12）；

整体装配式仰拱结构表面下凹，形成洞内运输平台，为仰拱预制块拼装后形成的洞内运输平台（13）；

洞内运输平台中央为仰拱填充找平层（7）和整体或碎石道床（8），两侧为隧道水沟及电缆槽（6）；

左右两个仰拱预制块分块之间后浇混凝土，形成左右分块仰拱预制块之间的湿接头混凝土后浇带（14）；

整体装配式仰拱结构下方为基底垫层（15）。

2.根据权利要求1所述的适用于钻爆法隧道的装配式仰拱结构，其特征在于：

仰拱预制块分块内设置有纵向贯通的减重孔。

3.如权利要求1所述的适用于钻爆法隧道的装配式仰拱结构的拼装方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

步骤一：钻爆法隧道采用台阶法或全断面法开挖，隧道初期支护（1）拱墙采用带钢架或不带钢架的结构形式；

步骤二：仰拱开挖、找平并进行基底处理，仰拱预制块分块由洞外预制好后通过设备运输至洞内待安装位置，先放置仰拱预制块左分块（3），再放置仰拱预制块右分块（4）；

步骤三：仰拱预制块分块拼装到位后，两者之间首先采用分块联结型钢（9）联结，然后将仰拱预制块上预埋钢板牛腿（5）与隧道初期支护（1）的钢架联结固定，由此隧道初期支护（1）和左、右仰拱预制块分块共同形成更加稳定可靠的封闭受力体系；

步骤四：左、右仰拱预制块分块两侧预留钢筋接头，后期与现浇拱墙二次衬砌（2）的钢筋进行连接，确保衬砌钢筋形成闭环，再浇筑拱墙衬砌混凝土，衬砌结构闭合；

步骤五：左、右仰拱预制块分块两侧预留凹凸榫构造，便于后期浇筑拱墙二次衬砌时在与仰拱预制块分块的连接处形成更加紧密的握裹结合；

步骤六：左、右仰拱预制块分块拼装后，先期形成的仰拱块顶面可作为洞内的运输通道或运输平台；运输平台上方的空间后期采用现浇方式填充，增加隧道仰拱的整体性，填充找平层直至道床底部，具备施做道床的条件；

步骤七：随着隧道开挖及仰拱块拼装的进行，先期左、右仰拱预制块分块之间采用预留型钢联结，首先形成了闭合的受力体系，后续将该处预留的钢筋接头进行联结，同时浇筑混凝土，形成湿接头，确保仰拱整体结构的闭合；左、右仰拱预制块分块之间采用湿接头后浇带的型式；

步骤八：仰拱预制块分块拼装到位并达到受力稳固，后续通过仰拱预制块分块上预留的注浆孔向底部注浆，确保仰拱预制块基底填充密实。