CN110863837A - 一种弓形自稳式高速铁路隧道仰拱结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弓形自稳式高速铁路隧道仰拱结构及施工方法，本发明的仰拱结构在仰拱本体端部设置暗梁，两个暗梁之间设置有预应力拉索，预应力拉索中间设置有连接调节器，施工时连接调节器用于对预应力拉索施加设计所需的预拉力，后期也可用于对预应力拉索中的预应力进行进一步调节，以使仰拱结构更好的发挥其自稳性能。本发明制作简单、也易采购，安装方便，能够实现标准化和流水化作业。

Description

一种弓形自稳式高速铁路隧道仰拱结构及施工方法

技术领域

本发明属于高速铁路隧道工程技术领域，具体涉及一种弓形自稳式高速铁路隧道仰拱结构及施工方法。

背景技术

仰拱是组成隧道衬砌的重要组成部分，它与隧道二次衬砌组成闭合的环形受力体系，能够有效约束隧道外部围岩位移、抵抗外部围岩压力，保持隧道结构的整体稳定性。仰拱结构既要将上部地层压力和高速列车重力传递给地下，又要承受拱底地层传来的反作用力，因此，隧道中仰拱结构一旦出现损伤或破坏将严重影响列车的安全运行，但在高地应力、高水压及软岩地区经常会产生仰拱中心向上隆起变形，造成仰拱结构开裂，导致隧道底板出现底鼓现象，引起隧道道床底板不平顺，给高速列车的安全运营带来了极大的危险。

隧道底鼓是一个极其复杂的物理、力学过程，它与隧道围岩性质、应力状态、地质条件及维护方式密切相关，为了防止隧道道床底板出现底鼓现象，工程中一般采取支护加固法、加大仰拱曲率、应力控制法、增加仰拱刚度等措施。根据已有大量研究成果分析，现有改善仰拱结构开裂的技术措施存在一定不足，主要有：

(1)施工成本高，支护加固法是对具有起鼓趋势的基底围岩通过锚杆和注浆来提高其强度，需要消耗大量的混凝土和锚杆材料；加大仰拱曲率会使得开挖深度加大，增大开挖工作量和仰拱回填量；同样增大仰拱刚度也会增加混凝土用量，增加成本。

(2)施工工艺复杂、工期长，向隧道基底围岩打入锚杆及注浆会使得施工工艺变复杂，施工工期增加；加大仰拱曲率会使得开挖深度加大，仰拱回填量增加，引起施工时间延长。

(3)施工质量不易控制，应力控制法是通过切缝、钻孔等措施使隧道周围的高应力向围岩深部转移，如对仰拱基底防治水不利，会导致基底围岩软化产生膨胀，从而引起仰拱中心隆起；隧道基底围岩锚杆和注浆能否有效控制起鼓，不仅与基底围岩性质、破碎程度及应力状态有关，而且与锚杆支护形式、注浆材料、注浆压力、注浆深度及注浆时间等参数有关，变量太多不易控制。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种弓形自稳式高速铁路隧道仰拱结构及施工方法，能够在施工时调节暗梁之间的预应力拉索间的预应力，后期也能够对预应力进行调节。

为了达到上述目的，一种弓形自稳式高速铁路隧道仰拱结构，包括仰拱本体，仰拱本体两端设置有暗梁，两个暗梁纵向均设置有若干预应力拉索，预应力拉索均穿过管沟侧壁伸入管沟内部，相对位置上的预应力拉索通过连接调节器连接，仰拱本体呈弧形，从管沟底部通过，管沟固定在仰拱本体中部上表面。

管沟侧壁上部开设有预应力孔道，预应力拉索从预应力孔道中穿过。

暗梁上开设有暗梁预应力孔道，预应力拉索通过暗梁预应力孔道穿出暗梁，预应力拉索穿出暗梁的部位通过固定端固定在暗梁上。

固定端包括预埋在暗梁外侧的锚垫板，锚垫板外侧设置有工作锚板，工作锚板内设置有预应力夹板，预应力夹板用于固定预应力拉索端部。

连接调节器包括第一底座和第二底座，第一底座和第二底座间设置有液压分离千斤顶，第一底座和第二底座上均开设有用于固定预应力拉索的若干锚杯孔以及用于固定液压分离千斤顶的圆形底槽，锚杯孔内固定有锚板，锚板用于固定预应力拉索端部，液压分离千斤顶的两端分别固定在第一底座和第二底座上的圆形底槽内。

一种弓形自稳式高速铁路隧道仰拱结构的施工方法，包括以下步骤：

步骤一，在仰拱本体两端各设置一个暗梁，仰拱本体中部上表面设置管沟；

步骤二，在仰拱本体上部，管沟侧壁外侧进行仰拱回填，并在仰供回填上部预埋预应力套管，使得预应力套管中心轴与管沟侧壁预应力孔道及暗梁预应力孔道的中心轴对齐；

步骤三，将预应力拉索穿过管沟侧壁预应力孔道及预埋在仰拱回填上部的预应力套管，最后在暗梁外侧预应力孔道穿出，与设置在暗梁外侧的固定端进行固定连接；

步骤四，对管沟侧壁之间的预应力拉索通过连接调节器进行连接，并调整连接调节器，施加设计所需的预应力，完成施工。

步骤三中，预应力拉索通过固定端固定在暗梁上，端固定包含预埋在暗梁外侧的锚垫板，锚垫板外侧设置工作锚板，工作锚板内部设置预应力夹片，预应力夹片与预应力拉索端部进行锚固。

步骤四中，连接调节器施加或调整预应力时，通过液压分离千斤顶表面的进出赛给连接调节器中间的液压分离千斤顶加压，使液压分离千斤顶内部的柱塞水平伸出，并对与其端部表面接触连接的两个圆形底槽底面施加压力，迫使与第一底座锚固连接的预应力拉索向左移动，与第二底座锚固连接的预应力拉索向右移动，从而使预应力拉索同时产生预应力，待预应力达到设计所需的要求时停止加压，并关闭液压分离千斤顶外表面的进出赛，保持液压分离千斤顶内部压力稳定。

与现有技术相比，本发明的仰拱结构在仰拱本体端部设置暗梁，两个暗梁之间设置有预应力拉索，预应力拉索中间设置有连接调节器，施工时连接调节器用于对预应力拉索施加设计所需的预拉力，后期也可通过设置在预应力拉索中部的连接调节器对预应力拉索中的预应力进行进一步调节，以使仰拱结构更好的发挥其自稳性能。本发明制作简单、也易采购，安装方便，能够实现标准化和流水化作业。本发明的仰拱结构是在现有标准隧道仰拱结构两端增设了暗梁，暗梁与仰拱结构及上部衬砌之间采用固连，因此，暗梁的增设加强了仰拱结构与上部衬砌之间的连接性，增强了隧道衬砌结构的整体性，提高了隧道抵抗外部围岩变形的能力。

本发明的方法采用的是无粘结预应力拉索，后张法施工，固定端设置在暗梁外侧，张拉端设置管沟侧壁之间，通过连接调节器施加预拉力，张拉方便，且施工时不需要孔道灌浆，施工简单。在管沟侧壁与管沟侧壁之间设置了连接调节器，施工时连接调节器用于给预应力拉索施加预应力，后期也可对预应力拉索中的预应力进一步施加，从而提高了施加预应力的灵活性，增强了仰拱本体抵抗外部荷载的能力。

附图说明

图1为本发明中仰拱结构的俯视示意图；

图2为本发明中仰拱结构的正视示意图；

图3为本发明中暗梁外侧固定端的示意图；

图4为本发明中连接调节器的示意图；

图5为本发明中仰拱结构的受力简图；

其中，1、预应力套管；2、第一预应力拉索；3、第二预应力拉索；4、管沟侧壁；5、连接调节器；6、管沟侧壁预应力孔道；7、道床底板；8、第三预应力拉索；9、第四预应力拉索；10、固定端；11、暗梁；12、仰拱回填；13、仰拱本体；14、管沟；15、预应力夹片；16、工作锚板；17、锚垫板；18、暗梁预应力孔道；19、第一锚板；20、第二锚板；21、第三锚板；22、第四锚板；23、第一底座；24、第二底座；25、第一锚杯孔；26、第二锚杯孔；27、第三锚杯孔；28、第四锚杯孔；29、第五锚杯孔；30、第六锚杯孔；31、第七锚杯孔；32、第八锚杯孔；33、第一圆形底槽；34、第二圆形底槽；35、液压分离千斤顶；36、柱塞；37、进出赛；38、预拉力；39、竖向围岩应力；40、水平围岩应力；41、拱底反力。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1和图2，一种弓形自稳式高速铁路隧道仰拱结构，包括仰拱本体13，仰拱本体13两端设置有暗梁11，暗梁11并非标准隧道结构，两个暗梁11纵向均设置有若干预应力拉索，预应力拉索均穿过管沟侧壁4伸入管沟14内部，管沟侧壁4上部开设有预应力孔道7，预应力拉索从预应力孔道7中穿过，相对位置上的预应力拉索通过连接调节器5连接，仰拱本体13呈弧形，从管沟14底部通过，管沟14固定在仰拱本体13中部上表面。

参见图3，暗梁11上开设有暗梁预应力孔道18，预应力拉索通过暗梁预应力孔道18穿出暗梁11，预应力拉索穿出暗梁11的部位通过固定端10固定在暗梁11上，固定端10包括预埋在暗梁外侧的锚垫板17，锚垫板17外侧设置有工作锚板16，工作锚板16内设置有预应力夹板15，预应力夹板15用于固定预应力拉索端部。预应力拉索为无粘结预应力拉索，预应力拉索类型、数量与隧道围岩压力、水压力、列车荷载等有关。

参见图4，连接调节器5两端分别设置有第一底座23和第二底座24，中部设置有液压分离千斤顶35，主要用于对第一预应力拉索2、第二预应力拉索3、第三预应力拉索8、第四预应力拉索9施加设计所需的预拉力，液压分离千斤顶35内部中心轴设置有柱塞36，外侧表面设置有进出赛37，两端分别嵌入到第一圆形底槽33和第二圆形底槽34中，并与第一圆形底槽33和第二圆形底槽34的底面通过接触连接，第一圆形底槽23和第二圆形底槽24分别设置在第一底座23和第二底座24内侧表面中心，第一底座23右侧表面上下前后横向水平对应设置有第一锚杯孔25、第二锚杯孔26、第三锚杯孔27、第四锚杯孔28，且第一锚杯孔25和第二锚杯孔26中分别设置有第一锚板19和第二锚板20，主要用来对第三预应力拉索8和第四预应力拉索9进行锚固连接，第一锚板19和第二锚板20分别与第一锚杯孔25和第二锚杯孔26通过接触连接，第二底座24左侧表面上下前后对应设置有第五锚杯孔29、第六锚杯孔30、第七锚杯孔31、第八锚杯孔32，且第七锚杯孔31和第八锚杯孔32中分别设置有第三锚板21和第四锚板22，主要用于对第二预应力拉索3和第一预应力拉索2进行锚固连接，第三锚板21和第四锚板22分别与第七锚杯孔31和第八锚杯孔32通过接触连接。

施工时，先将第一预应力拉索2与第二预应力拉索3同时穿过管沟14上部左侧管沟侧壁预应力孔道6，再穿过左侧仰拱回填12上部的预应力套管1，最后穿过仰拱本体13左端暗梁预应力孔道18，与预埋在暗梁11外侧的锚垫板17及锚垫板17外侧的工作锚16，工作锚板16内部设置的预应力夹片15进行锚固连接，同理，将第三预应力拉索8与第四预应力拉索9同时穿过管沟14上部右侧管沟侧壁预应力孔道6，再穿过右侧仰拱回填12上部的预应力套管1，最后穿过仰拱本体13右端暗梁预应力孔道18，与预埋在暗梁11外侧的锚垫板17以及锚垫板17外侧的工作锚16，工作锚板16内部的设置预应力夹片15进行锚固连接，待仰拱本体13两端暗梁11内第一预应力拉索2、第二预应力拉索3、第三预应力拉索8、第四预应力拉索9都锚固完后进行管沟侧壁4之间连接调节器5安装，先将液压分离千斤顶35两端分别放置于第一底座23中心的第一圆形底槽33和第二底座24中心的第二圆形底槽34内，且液压分离千斤顶35两端端面分别与第一圆形底槽33和第二圆形底槽34的底面接触连接，然后将左侧管沟侧壁孔道6内的第二预应力拉索3、第一预应力2拉索分别穿过第一底座23前后的第三锚杯孔27和第四锚杯孔28，最后在第二底座24前后第七锚杯孔31和第八锚杯孔31中穿出，与第七锚杯孔31和第八锚杯孔31内的第三锚板21及第四锚板22进行锚固连接，同理，将右侧管沟侧壁孔道6内的第三预应力拉索8、第四预应力拉索9分别穿过第二底座34上下的第五锚杯孔29和第六锚杯孔30，最后在第一底座23上下第一锚杯孔25和第二锚杯孔26中穿出，与第一锚杯孔25和第二锚杯孔26内的第一锚板19及第二锚板20进行锚固连接，待第一预应力拉索2、第二预应力拉索3、第三预应力拉索8、第四预应力拉索9都锚固完成后，借用外界加压装置通过液压分离千斤顶35表面的进出赛37给连接调节器5中间的液压分离千斤顶35加压，使其内部的柱塞36水平伸出，并对与其端部表面接触连接的第一圆形底槽33和第二圆形底槽34底面施加压力，迫使与第一底座23锚固连接的第三预应力拉索8和第四预应力拉索9向左移动，与第二底座24锚固连接的第一预应力拉索2和第二预应力拉索3向右移动，从而使第一预应力拉索2、第二预应力拉索3、第三预应力拉索8、第四预应力拉索9同时产生预应力，待预应力达到设计所需的要求时停止加压，并关闭液压分离千斤顶35外表面的进出赛37，保持其内部压力稳定，后期也可通过液压分离千斤顶35对第一预应力拉索2、第二预应力拉索3、第三预应力拉索8、第四预应力拉索9中的预应力进行进一步调节，从而提高了仰拱结构抵抗外部荷载的能力。

参见图5，当竖向列车荷载通过道床底板7及仰拱回填12传递给仰拱本体13，仰拱本体13传递给拱底围岩，拱底围岩将上部传递的荷载及自身地质活动产生的地应力以拱底反力41的形式作用于仰拱本体13下部，然后通过仰拱本体13传递给其两端的暗梁11，最终与暗梁11上部传递来的竖向围岩应力39、外部水平围岩应力40以及内侧预应力拉索提供的预拉力38共同达到自稳平衡状态，从而提高了仰拱结构抵抗外部荷载的能力。此外，仰拱本体13两端暗梁11与暗梁11之间施加的预拉力38使仰拱回填12始终处于受压状态，从而有阻止了隧道道床底板7的开裂，有利于列车的安全运营。

本发明是在现有标准隧道仰拱结构端部增设了暗梁11，暗梁11内部设置了暗梁预应力孔道18，外侧表面预埋有预应力锚垫板17，预应力锚垫板17外侧设置有工作锚板16，工作锚板16内部设置有预应力夹片15，共同构成预应力拉索的固定端10接头。此外，仰拱本体13端部暗梁11的增设，还可加强仰拱本体10与上部衬砌之间的连接性，提高隧道衬砌结构的整体性，增强其抵抗外部围岩变形的能力。

本发明在现有标准隧道仰拱结构两端增设了暗梁11，暗梁11与仰拱结构及上部衬砌采用固连，因此，加强了仰拱结构与上部衬砌的连接性，提高了隧道衬砌结构的整体性，增强了隧道抵抗外部围岩变形的能力。

Claims (8)

1.一种弓形自稳式高速铁路隧道仰拱结构，其特征在于，包括仰拱本体(13)，仰拱本体(13)两端设置有暗梁(11)，两个暗梁(11)上均设置有若干预应力拉索，预应力拉索均穿过管沟侧壁(4)伸入管沟(14)内部，相对位置上的预应力拉索通过连接调节器(5)连接，仰拱本体(13)呈弧形，从管沟(14)底部通过，管沟(14)固定在仰拱本体(13)中部上表面。

2.根据权利要求1所述的一种弓形自稳式高速铁路隧道仰拱结构，其特征在于，管沟侧壁(4)上开设有预应力孔道(7)，预应力拉索从预应力孔道(7)中穿过。

3.根据权利要求1所述的一种弓形自稳式高速铁路隧道仰拱结构，其特征在于，暗梁(11)上开设有暗梁预应力孔道(18)，预应力拉索通过暗梁预应力孔道(18)穿出暗梁(11)，预应力拉索穿出暗梁(11)的部位通过固定端(10)固定在暗梁(11)上。

4.根据权利要求3所述的一种弓形自稳式高速铁路隧道仰拱结构，其特征在于，固定端(10)包括预埋在暗梁(11)外侧的锚垫板(17)，锚垫板(17)设置有工作锚板(16)，工作锚板(16)内设置有预应力夹板(15)，预应力夹板(15)用于固定预应力拉索端部。

5.根据权利要求1所述的一种弓形自稳式高速铁路隧道仰拱结构，其特征在于，连接调节器(5)包括第一底座(23)和第二底座(24)，第一底座(23)和第二底座(24)间设置有液压分离千斤顶(35)，第一底座(23)和第二底座(24)上均开设有用于固定预应力拉索的若干锚杯孔以及用于固定液压分离千斤顶(35)的圆形底槽，锚杯孔内固定有锚板，锚板固定在预应力拉索端部，液压分离千斤顶(35)的两端分别固定在第一底座(23)和第二底座(24)上的圆形底槽内。

6.权利要求1所述的一种弓形自稳式高速铁路隧道仰拱结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，在仰拱本体两端各设置一个暗梁(11)，仰拱本体中部上表面设置管沟(14)；

步骤二，在仰拱本体(13)上部，管沟侧壁(4)外侧进行仰拱回填(12)，并在仰供回填(12)上部预埋预应力套管(1)，使得预应力套管(1)中心轴与管沟侧壁预应力孔道(6)及暗梁预应力孔道(18)的中心轴对齐；

步骤三，将预应力拉索穿过管沟侧壁预应力孔道(12)及预埋在仰拱回填(12)上部的预应力套管(1)，最后在暗梁外侧预应力孔道(18)穿出，与设置在暗梁(11)外侧的固定端(10)进行固定连接；

步骤四，对管沟侧壁(4)之间的预应力拉索通过连接调节器(5)进行连接，并调整连接调节器(5)，施加设计所需的预应力，完成施工。

7.根据权利要求6所述的种弓形自稳式高速铁路隧道仰拱结构的施工方法，其特征在于，步骤二中，预应力拉索通过固定端(10)固定在暗梁(11)上，端固定包含预埋在暗梁(10)外侧的锚垫板(17)，锚垫板(17)外侧设置有工作锚板(16)，工作锚板(16)内部设置的预应力夹片(15)，预应力夹片(15)与预应力拉索端部进性锚固。

8.根据权利要求6所述的种弓形自稳式高速铁路隧道仰拱结构的施工方法，其特征在于，步骤四中，连接调节器(5)施加或调整预应力时，通过液压分离千斤顶(35)表面的进出赛(37)给连接调节器(5)中间的液压分离千斤顶(35)加压，使液压分离千斤顶(35)内部的柱塞(36)水平伸出，并对与其端部表面接触连接的两个圆形底槽和圆形底槽底面施加压力，迫使与第一底座(23)锚固连接的预应力拉索向左移动，与第二底座(24)锚固连接的预应力拉索向右移动，从而使预应力拉索同时产生预应力，待预应力达到设计所需的要求时停止加压，并关闭液压分离千斤顶(35)外表面的进出赛(37)，保持液压分离千斤顶(35)内部压力稳定。

Images