CN110909429B - 基于隧道衬砌病害检测的波纹钢板内衬加固参数优化设计方法及结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于隧道衬砌病害检测的波纹钢板内衬加固参数设计方法及结构，其方法由波纹钢板几何参数设计、波纹钢板几何分块设计、波纹钢板连接构件设计、波纹钢板耐久性设计、波纹钢板安全验算等5部分内容组成，只有当安全验算全部通过后，才结束设计，否则需重新执行设计流程。本发明的基于隧道衬砌病害检测的波纹钢板内衬加固参数设计方法，可为隧道波纹钢板内衬加固结构选择与量化设计提供合理有效的方法，避免了传统设计方法的盲目性和随意性，且整个设计流程量化清晰、实施便捷、安全可靠、经济适用、科学合理，具有广阔的推广前景。
Description
技术领域
本发明属于隧道衬砌病害整治设计领域，具体涉及一种基于隧道衬砌病害检测的波纹钢板内衬加固参数优化设计方法及结构。
背景技术
随着我国经济的持续发展、综合国力的不断提升及修建技术的不断增强，隧道工程得到了前所未有的发展，隧道运营里程不断增长。受地质勘察、设计、施工、监测及运营管理维护等技术水平限制，隧道在使用过程中出现开裂掉块、渗漏水、衬砌背后空洞、衬砌厚度不足、混凝土强度不足及隧底上拱、下沉等病害的情况逐年增多。隧道病害的存在严重恶化了隧道结构服役状态，降低结构承载能力，对隧道结构的安全性、可靠性、耐久性、线路平顺性甚至运营安全产生不同程度影响，因此隧道病害整治对隧道健康运营尤为重要。
目前，对于隧道衬砌背后空洞与厚度不足、开裂掉块等常见衬砌病害，普通采用的加固方法为凿除、植筋及嵌补二次衬砌混凝土、外贴钢带、钢筋混凝土套拱与波纹钢板内衬加固等方法。凿除、植筋及嵌补二次衬砌混凝土方法可以恢复原设计隧道内轮廓，不影响隧道限界及内净空，但需对侵限初期支护钢架进行置换，施工难度、安全风险较大，施工工期较长，且需在洞内设置临时钢支撑，存在一定的施工期运营安全隐患。外贴钢带方法属于柔性加固，整体刚度较小，对结构承载力提升有限，主要适用于体积较小的衬砌背后空洞与厚度不足病害情况。钢筋混凝土套拱方法属刚性加固，大幅度提升结构承载力，模筑衬砌表面光洁，施工质量可控，且无需进行初期支护钢架置换，施工难度、安全风险相对较小，施工工期较短，但不可避免会压缩隧道空间，不能满足建筑限界要求，影响隧道安全运营。波纹钢板内衬加固方法采用工厂预制的波纹钢板，耐久性好，绿色环保施工质量可控，施工工期短；另外充分利用拱形波纹钢板刚度大、抗弯能力强、承载能力高等特性，通过高强锚栓连接二次衬砌与波纹钢板，并在二次衬砌与波纹钢板之间填充微膨胀注浆材料，有效地提高了衬砌结构整体性、耐久性与安全性，且波纹钢板内衬加固厚度较小，可以满足建筑限界与隧道净空要求，因此波纹钢板内衬加固方法具有较好的应用前景。
当前波纹钢板内衬加固方法实际应用时，波纹钢板内衬加固参数更多的依据工程师的经验来确定，同时，也通过波纹钢板内衬单独承载计算得到的受力变形值反馈调节，当计算值超限或者接近限值时，再调整波纹钢板规格。这种方法存在三个缺点，缺点一是波纹钢板内衬加固参数的合理性很大程度上取决于工程师在类似隧道地层、水文地质、围岩级别、埋深及衬砌病害程度下工作经验，主观性较大，无法充分保证相关参数的准确性；缺点二是作为钢结构的波纹钢板拱结构破坏常常是由于屈曲引起的失稳破坏，而非承载能力极限破坏，因此仅根据受力变形计算值反馈调整显然是不全面的，应补充波纹钢板内衬稳定性分析；缺点三是没有考虑破损二次衬砌、填充层及波纹钢板三者整体承载情况，导致波纹钢板受力变形计算值偏大，可能引起波纹钢板规格进一步增强，造成设计浪费。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种基于隧道衬砌病害检测的波纹钢板内衬加固参数优化设计方法及结构，有效提高了波纹钢板内衬的安全性和可靠性。
本发明是这样实现的：本发明提供一种基于隧道衬砌病害检测的波纹钢板内衬加固参数优化设计方法，包括如下步骤：
步骤1：确定初始波纹钢板的几何参数，包括波纹钢板波长P、波高D、板厚t三个参数；
确定波纹钢板几何分块参数，包括波纹钢板分块类型、数量、长度及纵缝错开距离；
确定波纹钢板连接构件参数，包括锚栓长度与锚固深度；
确定波纹钢板耐久性参数，包括波纹钢板涂层类型以及涂层含量与厚度；
步骤2：波纹钢板内衬结构安全验算，包括波纹钢板变形验算、波纹钢板强度验算及波纹钢板稳定性验算，只有上述所有内容验算合格才结束设计，否则，重新执行设计步骤1～2，直至步骤2安全验算通过为止。
重新执行设计步骤1～2时一般需改变几何参数(波长P、波高D与板厚t)，还有波纹钢板横向连接构件参数，如锚栓长度与锚固深度，其它参数基本上是构造参数。锚栓长度与锚固深度是根据波纹钢板波高D及填充层厚度t1确定。
进一步地，确定初始波纹钢板的几何参数，包括：
根据现场检测及调查结果，得到隧道病害段无损检测二次衬砌厚度表，并对照现行各项评定标准，确定衬砌缺陷及病害等级，若衬砌病害等级达到设定的病害等级，则采用波纹钢板内衬加固参数优化设计措施进行处理，否则采用其它措施处理；
根据隧道病害段无损检测二次衬砌厚度表选取最不利断面进行破损二次衬砌荷载结构模型计算，并根据计算断面所处地层、水文地质、围岩级别、埋深及初期支护与二次衬砌荷载分配比例得到二次衬砌围岩压力，根据实测二次衬砌厚度建立全环不等厚的二次衬砌梁单元模型，采用弹簧单元模拟围岩与二次衬砌相互作用，计算得到最不利断面二次衬砌厚度不足部位最大轴力Nmax、最大弯矩Mmax；
根据计算得到的最大轴力Nmax、最大弯矩Mmax以及波纹钢板承担荷载比例η、波纹钢板材料屈服强度fy，基于公式(1)、公式(2)得到单位长度最小的波纹钢板截面积Amin以及单位长度最小的波纹钢板截面模量Wmin：
η＝1-h1/h0
式中：h1为隧道病害段无损检测二次衬砌平均厚度；h0为二次衬砌设计厚度；波纹钢板材料屈服强度fy可根据材质直接确定，这个参数基本是已知的；
波纹钢板型号采用规范《冷弯波纹钢管》中的标准型号，根据单位波长的截面积A、单位波长的截面模量W、建筑限界富裕值u要求，满足公式(3)、(4)、(5)并对照查询规范可得波纹钢板波长P×波高D×板厚t型号：
A≥Amin (3)
W≥Wmin (4)
t1+D+t≤u (5)
其中：t1为破损二次衬砌与波纹钢板之间填充层厚度，即原二次衬砌内轮廓线与波纹钢板波峰处的距离；t为波纹钢板厚度；u为建筑限界富裕值，根据实际工程要求选取。
进一步地，若步骤2的波纹钢板内衬结构安全验算不合格，则每次重新设计参数时波纹钢板承担荷载比例η在上一次基础上增加设定值，然后重新执行设计步骤1～2，直至步骤2安全验算均合格。
进一步地，确定波纹钢板连接构件参数，包括：
根据隧道二次衬砌内轮廓线、破损二次衬砌与波纹钢板之间填充层厚度t1及隧道电缆槽位置，可确定波纹钢板内衬整圈弧长LS；
确定波纹钢板纵向分块长度L1，标准块A块弧长LA，基于公式(6)可得到标准块A数量n为：
n＝[LS/2.5-3] (6)
式中：符号“[]”为取整符号即[x]表示一个小于或等于x的最大整数；
为保证隧道病害段波纹钢板内衬整体受力，进行波纹钢板纵向错缝拼装，取奇数圈的接地块D块与偶数圈E块纵缝错开距离Δl1＝(0.15～0.2)LA，奇数圈的标准块A块与偶数圈的标准块A块纵缝错开距离Δl2＝2Δl1；
根据波纹钢板平面布置可得中间块B块弧长LB加上接地块E块弧长LE等于中间块C块弧长Lc加上接地块D块弧长LD，即LB+LE＝Lc+LD，取LB＝LD，Lc＝LE；
基于公式(7)、公式(8)可得到中间块B块弧长LB、中间块C块弧长Lc、接地块D块弧长LD、接地块E块弧长LE：
进一步地，波纹钢板连接构件包括用于将若干块波纹钢板连接成隧道二次衬砌内轮廓形状的波纹钢板内衬的拼接构件，以及用于将波纹钢板内衬与隧道二次衬砌固定连接的横向连接锚栓，以及用于将波纹钢板内衬的拱脚处与隧道两侧基底固定连接的接地连接构件，隧道二次衬砌与波纹钢板之间设有填充层；
确定波纹钢板连接构件参数，包括：
综合考虑施工进度和锚固效果确定锚栓环向间距d1*纵向间距d2，确保每块管片至少有4个以上横向连接锚栓与破损二次衬砌连接；横向连接锚栓长度与锚固深度根据波纹钢板波高D及填充层厚度t1确定，确保锚栓嵌入二次衬砌深度大于设定值。
进一步地，波纹钢板内衬结构安全验算，包括：
根据确定的最不利断面、围岩压力以及步骤1确定的波纹钢板几何参数，建立含有破损二次衬砌、填充层、波纹钢板的二维平面应变荷载为结构数值模型，其中二次衬砌结构根据无损检测二次衬砌厚度结果采用全环分块不等厚梁单元模拟；填充层采用实体弹性单元模拟；波纹钢板结构采用等效梁单元模拟，等效梁的梁高与密度通过抗弯刚度等效原则得到；围岩与二次衬砌的相互作用采用弹簧单元模拟，两侧波纹钢板接地位置节点采用固定端模拟；
进行波纹钢板变形验算，根据破损二次衬砌、填充层与波纹钢板复合计算模型，计算得到波形钢板等效梁最大竖向变形vmax，若vmax满足公式(9)则变形验算合格，反之则不合格，需重新设计；
vmax≤B/800 (9)
式中，B为隧道跨度；
进行波纹钢板强度验算，根据破损二次衬砌、填充层与波纹钢板复合计算模型，计算得到波纹钢板等效梁小应力最大值σ3、大主应力最大值σ1，若满足公式(10)则强度验算合格，反之则不合格，需重新设计；
σ1≤[σ]，σ3≤[σ] (10)
式中，[σ]为波纹钢板容许应力；
进行波纹钢板稳定性验算，根据破损二次衬砌、填充层与波纹钢板复合计算模型，计算得到波纹钢板等效梁最大弯矩MS、最大轴力FS，若满足公式(11)则稳定性验算合格，反之不合格，需重新设计；
NP＝Afy (12)
MP＝Wfy (13)
式中，
为波纹钢板塑性铰的材料抗力系数；NP为波纹钢板抗压承载力，MP为波纹钢板结构抗弯承载力；A、W为根据步骤1确定的波纹钢板型号查询规范得到的波纹钢板截面积、截面模量；fy为波纹钢板材料屈服强度。
进一步地，根据隧道所处环境，测试环境PH值、电阻率、预期流速这些相关指标进行腐蚀分级与磨蚀分级，进而根据规范选取波纹钢板涂层类型，并按构造要求确定涂层含量与厚度。
本发明提供一种基于隧道衬砌病害的波纹钢板内衬加固结构，包括若干块波纹钢板，若干块波纹钢板由拼接构件连接成隧道二次衬砌内轮廓形状的波纹钢板内衬，所述波纹钢板内衬通过横向连接锚栓与隧道二次衬砌固定连接，所述横向连接锚栓的一端预埋固定在隧道二次衬砌内，所述横向连接锚栓另一端穿过填充层以及波纹钢板与螺母连接，所述波纹钢板内衬的拱脚处分别通过接地连接锚栓与隧道两侧基底固定连接，隧道二次衬砌与波纹钢板之间设有填充层。
进一步地，所述波纹钢板内衬的拱脚处设有底部法兰，所述隧道两侧基底内分别预埋固定有接地连接锚栓，所述接地连接锚栓的另一端穿过波纹钢板内衬拱脚处的底部法兰后与螺母连接；所述拼接构件包括法兰，所述法兰与波纹钢板焊接，相邻的两个波纹钢板的法兰之间通过螺栓、螺母连接。
进一步地，波纹钢板纵向错缝拼装。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明以隧道衬砌病害检测结果为依据，建立了全环不等厚的二次衬砌荷载结构模型，进而根据二次衬砌内力计算结果、波纹钢板承担荷载比例及建筑限界富裕值进行波纹钢板波长、波高、板厚参数确定，做到波纹钢板几何参数的合理有效量化设计，避免了波纹钢板几何参数确定的盲目性和随意性，有效提高了波纹钢板的安全性和可靠性，其步骤简便，实施便捷，具有广阔的推广前景。
(2)本发明以波纹钢板制作、搬运及安装便捷为原则，充分考虑波纹钢板受力整体性，合理确定了波纹钢板分类类型、分块长度、分块数量及纵缝距离，实现了波纹钢板几何分块的量化设计，使波纹钢板几何分块设计更符合实际工程需要，降低了波纹钢板内衬加固结构的实施成本，降低了施工难度，提高了病害整治施工效率。
(3)本发明在采用破损二次衬砌、填充层及波纹钢板整体承载计算结果的前提下，以波纹钢板变形、强度及稳定性验算为控制标准，有力保证了整个波纹钢板内衬加固参数设计过程的安全性与可靠性。
综上所述，本发明是一种由波纹钢板几何参数设计、波纹钢板几何分块设计、波纹钢板连接构件设计、波纹钢板耐久性设计、波纹钢板内衬结构安全验算等5部分内容组成的且整个设计流程量化清晰、实施便捷、安全可靠、经济适用、科学合理的基于隧道衬砌病害检测的波纹钢板内衬加固参数优化设计方法，具有广阔的推广前景。
附图说明
图1是所述的基于隧道衬砌病害检测的波纹钢板内衬加固参数设计流程图；
图2是所述的隧道结构波纹钢板内衬加固整体示意图；
图3是所述的隧道结构波纹钢板内衬加固整体I为I剖面图；
图4是所述的波纹钢板几何分块设计示意图；
图5是所述的波纹钢板几何参数示意图。
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1为二次衬砌，2为填充层，3为波纹钢板，4为横向连接锚栓，5为波纹钢板横向拼接构件，6为接地连接锚栓，7为波纹钢板横向分块分界线，8为隧道电缆槽，9为波纹钢板纵向连接构件，10为波纹钢板奇数加固圈，11为波纹钢板偶数加固圈，12为波纹钢板纵向错缝，A为波纹钢板横向标准块，B为波纹钢板横向中间块，C为波纹钢板横向中间块，D为波纹钢板横向接地块，E为波纹钢板横向接地块，d1为横向连接锚栓环向安装间距，d2为横向连接锚栓纵向安装间距，t1为破损二次衬砌与波纹钢板填充层厚度，LS为波纹钢板加固圈整圈弧长，L1为波纹钢板纵向分块长度，LA为标准块A块弧长，LB为中间块B块弧长，Lc为中间块C块弧长，LD为接地块D块弧长，LE为接地块E块弧长，Δl1为奇数圈的接地块D块与偶数圈的接地块E块纵缝错开距离，Δl2为奇数圈的标准块A块与偶数圈的标准块A块纵缝错开距离。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明方案做进一步说明。
实施例一
参见图1～图5，基于隧道衬砌病害检测的波纹钢板内衬加固参数优化设计方法，包括如下步骤：
S1：波纹钢板3几何参数设计，确定波纹钢板3波长P、波高D、板厚t三个参数；
S11：根据现场检测及调查结果，得到隧道病害段无损检测二次衬砌1厚度表，并对照现行各项评定标准，确定衬砌缺陷及病害等级(轻微、较严重、严重、极严重)。若衬砌病害等级为极严重，则采用波纹钢板3内衬加固参数措施进行处理，否则采用其它措施处理。
S12：根据隧道病害段无损检测二次衬砌1厚度表选取最不利断面进行破损二次衬砌1荷载结构模型计算，并根据计算断面所处地层、水文地质、围岩级别、埋深及初期支护与二次衬砌1荷载分配比例得到二次衬砌1围岩压力，根据实测二次衬砌1厚度建立全环不等厚的二次衬砌1梁单元模型，采用弹簧单元模拟围岩与二次衬砌1相互作用，计算得到最不利断面二次衬砌1厚度不足部位最大轴力Nmax、最大弯矩Mmax。
S13：根据步骤S12计算得到的最大轴力Nmax、最大弯矩Mmax、波纹钢板3承载比例η、波纹钢板3材料屈服强度fy，基于公式(1)、公式(2)得到单位长度最小的波纹钢板3截面积Amin、单位长度最小的波纹钢板3截面模量Wmin：
η＝1-h1/h0
式中：h1为隧道病害段无损检测二次衬砌平均厚度；h0为二次衬砌设计厚度；波其中：纹钢板材料屈服强度fy可根据材质直接确定，这个参数基本是已知的；η为波纹钢板3承担荷载比例，初取80％，若步骤S5安全验算不合格，则每次重新设计时η在上一次基础上增加5％，直至步骤S5安全验算均合格。
S14：为简化分析，波纹钢板3型号采用规范《冷弯波纹钢管》(GB/T 34567为2017)中的标准型号，根据单位波长的截面积A、单位波长的截面模量W、建筑限界富裕值u要求，满足公式(3)、(4)、(5)并对照查询规范可得波纹钢板3波长P×波高D×板厚t型号：
A≥Amin (3)
W≥Wmin (4)
t1+D+t≤u (5)
其中：t1为填充层2厚度，即原二次衬砌1内轮廓线与波纹钢板3波峰处的距离，一般取值5～10cm；t为波纹钢板3厚度，一般取值5～10mm；u为建筑限界富裕值，根据实际工程要求选取。
S2：波纹钢板3几何分块设计，确定波纹钢板3分块类型、数量、长度及纵缝10错开距离；
S21：根据隧道二次衬砌1内轮廓线、填充层2厚度t1及隧道电缆槽8位置，可确定波纹钢板3内衬整圈弧长LS；
S22：考虑到波纹钢板3制作、搬运和安装的方便，确定波纹钢板3纵向分块长度L1＝1m，标准块A块弧长LA＝2m，基于公式(6)可得到标准块A数量n为：
n＝[LS/2.5-3] (6)
式中：符号“[]”为取整符号即[x]表示一个小于或等于x的最大整数。
S23：为保证隧道病害段波纹钢板内衬整体受力，进行波纹钢板3纵向错缝拼装，取奇数圈的接地块D块与偶数圈E块纵缝错开距离Δl1＝(0.15～0.2)LA，奇数圈的标准块A块与偶数圈的标准块A块纵缝错开距离Δl2＝2Δl1；
S24：根据波纹钢板3平面布置可得中间块B块弧长LB加上接地块E块弧长LE等于中间块C块弧长Lc加上接地块D块弧长LD，即LB+LE＝Lc+LD，为方便拼装，统一制作长度，取LB＝LD，Lc＝LE；
S25：基于公式(7)、公式(8)可得到中间块B块弧长LB、中间块C块弧长Lc、接地块D块弧长LD、接地块E块弧长LE：
中间块、接地块等是根据波纹钢板分块位置确定的，具体布置见附图4是所述的波纹钢板几何分块设计示意图。
S3：波纹钢板3连接构件设计，确定波纹钢板横向连接构件、纵向连接构件9；
S31：波纹钢板3横向连接构件包括横向分块管片拼接构件5、横向连接锚栓4、接地连接锚栓6；
S32：为保证横向分块管片拼接成整体受力，横向分块管片拼接构件5采用100mm厚的环向法兰和M24高强螺栓/螺母连接；
S33：为保证破损二次衬砌1、填充层2及波纹钢板3三者的有效连接及防止列车长期运营振动引起螺母脱落，横向连接锚栓4采用预埋M20化学锚栓+双热镀锌双螺母，综合考虑施工进度和锚固效果确定锚栓环向间距d1*纵向间距d2，确保每块管片至少有4个以上锚栓与破损二次衬砌1连接；锚栓长度与锚固深度根据波纹钢板3波高D及填充层厚度t1确定，确保锚栓嵌入二次衬砌深度大于50mm。
S34：为保证波纹钢板3受力有效传递到基底，接地连接锚栓6采用150mm厚的底部法兰、预埋M20化学锚栓及双热镀锌双螺母。
S35：为保证波纹钢板3纵向拼接成整体受力，纵向连接构件9采用70mm厚的纵向法兰和M24高强螺栓/螺母连接；
S4：波纹钢板3耐久性设计，根据隧道所处环境，测试环境PH值、电阻率、预期流速等相关指标进行腐蚀分级与磨蚀分级，进而根据《公路波纹钢埋置式桥涵设计与施工规范》(湖北DB42/T1195为2016)规范选取波纹钢板3涂层类型，并按构造要求确定涂层含量与厚度；
S5：波纹钢板内衬结构安全验算，包括波纹钢板变形验算、波纹钢板强度验算及波纹钢板稳定性验算，只有上述所有内容验算合格才结束设计，否则重新开始执行设计步骤S1～S5，直至安全验算通过为止。
S51：根据步骤S12确定的最不利断面、围岩压力、步骤S1确定的波纹钢板3几何参数，建立含有破损二次衬砌1、填充层2、波纹钢板3的二维平面应变荷载为结构数值模型，其中二次衬砌结1构根据无损检测二次衬砌厚度结果采用全环分块不等厚梁单元模拟；填充层2采用实体弹性单元模拟；波纹钢板3结构采用等效梁单元模拟，等效梁的梁高与密度通过抗弯刚度等效原则得到；围岩与二次衬砌1的相互作用采用弹簧单元模拟，两侧波纹钢板3接地位置节点采用固定端模拟。
S52：进行波纹钢板3变形验算，根据步骤S51中确定的破损二次衬砌1、填充层2与波纹钢板3复合计算模型，计算得到波形钢板3等效梁最大竖向变形vmax，若vmax满足公式(9)则变形验算合格，反之则不合格，需重新设计。
vmax≤B/800 (9)
式中，B为隧道跨度；
S53：进行波纹钢板3强度验算，根据步骤S51中确定的破损二次衬砌1、填充层2与波纹钢板3复合计算模型，计算得到波纹钢板3等效梁小应力最大值σ3、大主应力最大值σ1，若满足公式(10)则强度验算合格，反之则不合格，需重新设计。
σ1≤[σ]，σ3≤[σ] (10)
式中，[σ]为波纹钢板容许应力；
S54：进行波纹钢板3稳定性验算，根据步骤S51中确定的破损二次衬砌1、填充层2与波纹钢板3复合计算模型，计算得到波纹钢板3最大弯矩MS、最大轴力FS，若满足公式(11)则稳定性验算合格，反之不合格，需重新设计。
NP＝Afy (12)
MP＝Wfy (13)
式中，
为波纹钢板塑性铰的材料抗力系数，取0.90；NP为波纹钢板抗压承载力，MP为波纹钢板结构抗弯承载力；A、W为根据步骤S1确定的波纹钢板型号查询规范得到的波纹钢板截面积、截面模量；fy为波纹钢板材料屈服强度。
实施例二
本发明提供一种基于隧道衬砌病害的波纹钢板内衬加固结构，包括若干块波纹钢板3，若干块波纹钢板3由波纹钢板横向拼接构件5、波纹钢板纵向连接构件9连接成隧道二次衬砌内轮廓形状的波纹钢板内衬，所述波纹钢板内衬通过横向连接锚栓4与隧道二次衬砌1固定连接，所述横向连接锚栓的一端预埋固定在隧道二次衬砌内，所述横向连接锚栓另一端穿过填充层2以及波纹钢板的外波纹表面的波纹凹陷内与螺母连接。横向连接锚栓的中心线位于波纹凹陷中心。所述波纹钢板内衬的拱脚处分别通过接地连接锚栓6与隧道两侧基底固定连接，隧道二次衬砌与波纹钢板之间设有填充层。隧道两侧基底设有隧道电缆槽8。横向连接锚栓位于二次衬砌内设有垂直折弯部。接地连接锚栓位于基底内设有垂直折弯部。
进一步地，所述波纹钢板内衬的拱脚处设有底部法兰，所述隧道两侧基底内分别预埋固定有接地连接锚栓，所述接地连接锚栓的另一端穿过波纹钢板内衬拱脚处的底部法兰后与螺母连接；所述波纹钢板横向拼接构件5包括第一法兰，所述第一法兰与波纹钢板焊接，相邻的两个波纹钢板的第一法兰在波纹钢板横向分块分界线7处重叠后通过螺栓、螺母连接。所述波纹钢板纵向连接构件9包括第二法兰，所述第二法兰与波纹钢板焊接，相邻的两个波纹钢板的第二法兰在波纹钢板纵向分块分界线处重叠后通过螺栓、螺母连接。进一步地，波纹钢板纵向错缝拼装。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于隧道衬砌病害检测的波纹钢板内衬加固参数优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：确定初始波纹钢板的几何参数，包括波纹钢板波长P、波高D、板厚t三个参数；
确定波纹钢板几何分块参数，包括波纹钢板分块类型、数量、长度及纵缝错开距离；
确定波纹钢板连接构件参数，包括锚栓长度与锚固深度；
确定波纹钢板耐久性参数，包括波纹钢板涂层类型以及涂层含量与厚度；
步骤2：波纹钢板内衬结构安全验算，包括波纹钢板变形验算、波纹钢板强度验算及波纹钢板稳定性验算，只有上述所有内容验算合格才结束设计，否则，重新执行设计步骤1～2，直至步骤2安全验算通过为止；
波纹钢板内衬结构安全验算，包括：
根据确定的最不利断面、围岩压力以及步骤1确定的波纹钢板几何参数，建立含有破损二次衬砌、填充层、波纹钢板的二维平面应变荷载为结构数值模型，其中二次衬砌结构根据无损检测二次衬砌厚度结果采用全环分块不等厚梁单元模拟；填充层采用实体弹性单元模拟；波纹钢板结构采用等效梁单元模拟，等效梁的梁高与密度通过抗弯刚度等效原则得到；围岩与二次衬砌的相互作用采用弹簧单元模拟，两侧波纹钢板接地位置节点采用固定端模拟；
进行波纹钢板变形验算，根据破损二次衬砌、填充层与波纹钢板复合计算模型，计算得到波形钢板等效梁最大竖向变形vmax，若vmax满足公式9则变形验算合格，反之则不合格，需重新设计；公式9为：
vmax≤B/800；
式中，B为隧道跨度；
进行波纹钢板强度验算，根据破损二次衬砌、填充层与波纹钢板复合计算模型，计算得到波纹钢板等效梁小应力最大值σ3、大主应力最大值σ1，若满足公式10则强度验算合格，反之则不合格，需重新设计；公式10为：
σ1≤[σ]，σ3≤[σ]；
式中，[σ]为波纹钢板容许应力；
进行波纹钢板稳定性验算，根据破损二次衬砌、填充层与波纹钢板复合计算模型，计算得到波纹钢板等效梁最大弯矩MS、最大轴力FS，若满足公式11则稳定性验算合格，反之不合格，需重新设计；公式11为：
Np＝Afy；
MP＝Wfy；
式中，
为波纹钢板塑性铰的材料抗力系数；NP为波纹钢板抗压承载力，MP为波纹钢板结构抗弯承载力；A、W为根据步骤1确定的波纹钢板型号查询规范得到的波纹钢板截面积、截面模量；fy为波纹钢板材料屈服强度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：确定初始波纹钢板的几何参数，包括：
根据现场检测及调查结果，得到隧道病害段无损检测二次衬砌厚度表，并对照现行各项评定标准，确定衬砌缺陷及病害等级，若衬砌病害等级达到设定的病害等级，则采用波纹钢板内衬加固参数优化设计措施进行处理，否则采用其它措施处理；
根据隧道病害段无损检测二次衬砌厚度表选取最不利断面进行破损二次衬砌荷载结构模型计算，并根据计算断面所处地层、水文地质、围岩级别、埋深及初期支护与二次衬砌荷载分配比例得到二次衬砌围岩压力，根据实测二次衬砌厚度建立全环不等厚的二次衬砌梁单元模型，采用弹簧单元模拟围岩与二次衬砌相互作用，计算得到最不利断面二次衬砌厚度不足部位最大轴力Nmax、最大弯矩Mmax；
根据计算得到的最大轴力Nmax、最大弯矩Mmax以及波纹钢板承担荷载比例η、波纹钢板材料屈服强度fy，基于公式1、公式2得到单位长度最小的波纹钢板截面积Amin以及单位长度最小的波纹钢板截面模量Wmin；
公式1为：
公式2：
η＝1-h1/h0；
式中：h1为隧道病害段无损检测二次衬砌平均厚度；h0为二次衬砌设计厚度；
波纹钢板型号采用规范《冷弯波纹钢管》中的标准型号，根据单位波长的截面积A、单位波长的截面模量W、建筑限界富裕值u要求，满足公式3、4、5并对照查询规范可得波纹钢板波长P×波高D×板厚t型号：
公式3为：A≥Amin；
公式4为：W≥wmin；
公式5为：t1+D+t≤u；
其中：t1为破损二次衬砌与波纹钢板之间填充层厚度，即原二次衬砌内轮廓线与波纹钢板波峰处的距离；t为波纹钢板厚度；u为建筑限界富裕值，根据实际工程要求选取。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：若步骤2的波纹钢板内衬结构安全验算不合格，则每次重新设计参数时波纹钢板承担荷载比例η在上一次基础上增加设定值，然后重新执行设计步骤1～2，直至步骤2安全验算均合格。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：确定波纹钢板连接构件参数，包括：
根据隧道二次衬砌内轮廓线、破损二次衬砌与波纹钢板之间填充层厚度t1及隧道电缆槽位置，可确定波纹钢板内衬整圈弧长LS；
确定波纹钢板纵向分块长度L1，标准块A块弧长LA，基于公式6得到标准块A数量n；
公式6为：n＝[LS/2.5-3]；
式中：符号“[]”为取整符号即[x]表示一个小于或等于x的最大整数；
为保证隧道病害段波纹钢板内衬整体受力，进行波纹钢板纵向错缝拼装，取奇数圈的接地块D块与偶数圈E块纵缝错开距离Δl1＝(0.15～0.2)LA，奇数圈的标准块A块与偶数圈的标准块A块纵缝错开距离Δl2＝2Δl1；
根据波纹钢板平面布置可得中间块B块弧长LB加上接地块E块弧长LE等于中间块C块弧长Lc加上接地块D块弧长LD，即LB+LE＝Lc+LD，取LB＝LD，Lc＝LE；
基于公式7、公式8可得到中间块B块弧长LB、中间块C块弧长Lc、接地块D块弧长LD、接地块E块弧长LE；
公式7为：
公式8为：
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：波纹钢板连接构件包括用于将若干块波纹钢板连接成隧道二次衬砌内轮廓形状的波纹钢板内衬的拼接构件，以及用于将波纹钢板内衬与隧道二次衬砌固定连接的横向连接锚栓，以及用于将波纹钢板内衬的拱脚处与隧道两侧基底固定连接的接地连接构件，隧道二次衬砌与波纹钢板之间设有填充层；
确定波纹钢板连接构件参数，包括：
综合考虑施工进度和锚固效果确定锚栓环向间距d1*纵向间距d2，确保每块管片至少有4个以上横向连接锚栓与破损二次衬砌连接；横向连接锚栓长度与锚固深度根据波纹钢板波高D及填充层厚度t1确定，确保锚栓嵌入二次衬砌深度大于设定值。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：根据隧道所处环境，测试环境PH值、电阻率、预期流速这些相关指标进行腐蚀分级与磨蚀分级，进而根据规范选取波纹钢板涂层类型，并按构造要求确定涂层含量与厚度。
7.一种基于隧道衬砌病害检测的波纹钢板内衬加固结构，其特征在于：采用了如权利要求1至6任一所述的方法设计而成，该结构包括若干块波纹钢板，若干块波纹钢板由拼接构件连接成隧道二次衬砌内轮廓形状的波纹钢板内衬，所述波纹钢板内衬通过横向连接锚栓与隧道二次衬砌固定连接，所述横向连接锚栓的一端预埋固定在隧道二次衬砌内，所述横向连接锚栓另一端穿过填充层以及波纹钢板与螺母连接，所述波纹钢板内衬的拱脚处分别通过接地连接锚栓与隧道两侧基底固定连接，隧道二次衬砌与波纹钢板之间设有填充层。
8.根据权利要求7所述的基于隧道衬砌病害检测的波纹钢板内衬加固结构，其特征在于：所述波纹钢板内衬的拱脚处设有底部法兰，所述隧道两侧基底内分别预埋固定有接地连接锚栓，所述接地连接锚栓的另一端穿过波纹钢板内衬拱脚处的底部法兰后与螺母连接；所述拼接构件包括法兰，所述法兰与波纹钢板焊接，相邻的两个波纹钢板的法兰之间通过螺栓、螺母连接。
9.根据权利要求7所述的基于隧道衬砌病害检测的波纹钢板内衬加固结构，其特征在于：波纹钢板纵向错缝拼装。
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