CN110924434B - 一种uhpc装配式隧道明洞衬砌结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种UHPC装配式隧道明洞衬砌结构及施工方法，是由明洞衬砌结构、明洞顶部防护结构、排水系统和预制桩基础组成的复合结构，其中明洞衬砌结构由底板弧形管片、边侧弧形管片、拱顶弧形管片拼装而成，底板弧形管片、边侧弧形管片、拱顶弧形管片设置有凸形企口、凹形企口及连接装置；明洞顶部防护结构包括耕植绿化层和顶部保护层；排水系统包括圆形排水孔、过滤网、排水管和排水边沟；预制桩基础由若干根UHPC预制空心管桩组成。本发明采用抗压及抗拉强度高、抗渗性和耐久性好的UHPC作为明洞支护材料，可有效提高明洞支护结构的稳定性和耐久性，大大降低运营期间的维护成本，同时无需设置隔水层和防水层，减少了施工工序，且采用工厂化生产的预制装配式结构，可缩短施工工期，提高施工质量和效率。

Description

一种UHPC装配式隧道明洞衬砌结构及施工方法

技术领域

本发明涉及隧道明洞工程技术领域，尤其涉及一种UHPC装配式隧道明洞衬砌结构及施工方法。

背景技术

公路、铁路隧道经常会遇到高陡仰坡，存在着滑塌和落石的危险，为了保证行车安全和正常运营，需要在隧道洞口处设置明洞。目前在隧道明洞施工中，通常做法是采用钢管脚手架作内支撑，再固定钢模板或木模板，绑扎钢筋然后浇筑混凝土，待混凝土达到一定强度后拆除模板。

传统的施工方法存在下述不足：①在明洞净空范围内安装脚手架，增加了内作业项目，施工难度大，工序复杂；②明洞空间有效，难以保证模板安装的稳定性和接缝衔接质量，易造成衬砌结构出现尺寸偏差和外观蜂窝麻面的现象，直接影响明洞衬砌结构的质量；③明洞内混凝土浇筑难度大，养护环境差，施工周期长，施工安全难以保证；④采用普通钢筋混凝土的明洞衬砌结构需要大量混凝土，厚度较大，且支护强度有限，易开裂，后期维护成本高。鉴于以往明洞衬砌结构的缺点，亟需发明一种轻质高强、整体性好、施工简便快捷的装配式明洞衬砌结构。

装配式明洞结构由于衬砌结构采用工厂化生产，质量易于控制，施工速度快，可大大提高施工效率，利用超高性能混凝土(UHPC)是一种具有超高强度、高韧性、高阻裂性和高耐久性的新型水泥基复合材料，应用该材料制作明洞衬砌结构的预制构件，具有轻质高强、连接安全可靠、整体稳定性好等优点；边侧弧形管片上设置的圆形窗可自然采光通风，避免出入隧道明洞时光线突变影响行驶安全，还可减缓高速列车或汽车的空气动力学效应；且超高性能混凝土骨料颗粒小且掺入了钢纤维，可很大程度上提高衬砌结构的抗渗性能和耐久性能，无需设置隔水层和防水层，减少了施工工序，且可有效减少后期病害的产生，降低了运营维护的成本，具有较强的经济和社会效益。

发明内容

本发明的目的在于提供一种UHPC装配式隧道明洞衬砌结构及施工方法，采用工厂化生产、装配式施工，有效缩短了施工周期，减少了开挖面的暴露时间，保障了施工安全；安装方便快捷，连接安全可靠，整体稳定性好；本UHPC装配式隧道明洞衬砌结构具有支护强度高、抗渗性和耐久性好的优点，所以无需设置隔水层和防水层，减少了施工工序，且可有效减少后期病害的产生，大大降低了运营期间的维护成本。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种UHPC装配式隧道明洞衬砌结构，包括明洞衬砌结构、明洞顶部防护结构、排水系统和预制桩基础，其特征在于：所述明洞衬砌结构由若干个弧形管片拼装而成，所述弧形管片包括底板弧形管片1、边侧弧形管片2及拱顶弧形管片3，弧形管片成形有凸形企口4和与凸形企口4配合的凹形企口5；相邻弧形管片的接触面通过连接装置6相连；所述连接装置6包括处于弧形管片上的螺栓孔61、高强螺栓62及圆柱形凹槽63；底板弧形管片1两侧连接边侧弧形管片2，边侧弧形管片2顶部连接拱顶弧形管片3；所述排水系统包含明洞衬砌结构内成形的圆形排水孔9，圆形排水孔9通过排水管11连通有排水边沟12，配合圆形排水孔9安装有过滤网10；所述预制桩基础包括若干根UHPC预制空心管桩13；UHPC预制空心管桩13固定在明洞衬砌结构下方；所述明洞顶部防护结构处于明洞衬砌结构上方，明洞顶部防护结构包括耕植绿化层7和保护层8。

进一步的改进，所述底板弧形管片1、边侧弧形管片2及拱顶弧形管片3相互拼接形成环形单元，所述环形单元包括一个起始环形单元14、若干个中间环形单元15和一个终端环形单元16；作为起始环形单元14端部仅成形有凹形企口5，终端环形单元16仅成形有凸形企口4；中间环形单元15一端成形有凹形企口5，另一端成形有凸形企口4；每个环形单元长为3m～5m。

进一步的改进，所述底板弧形管片1、边侧弧形管片2及拱顶弧形管片3两侧边缘处均设置有螺栓孔61且预埋有高强螺栓62，对应连接处的侧面预留有圆柱形凹槽63，可进行高强螺栓62的紧固操作；

所述边侧弧形管片2上成形有用于采光通风的圆形窗21；所述圆形窗21的直径为20cm～30cm；

所述拱顶弧形管片3两侧均成形有墙垛31；所述墙垛31的高度为40cm～50cm。

进一步的改进，所述耕植绿化层7铺设于拱顶弧形管片3的顶部，用于种植绿化；所述耕植绿化层7的厚度为30cm～40cm；

所述保护层8为陶粒，铺设于耕植绿化层7的表面，起到保护耕植绿化层7免受雨水溅蚀、抑制水分蒸发等功效；所述保护层8的厚度为5cm～10cm。

进一步的改进，所述圆形排水孔9设置在墙垛31上；所述过滤网10固定于圆形排水孔9内；所述排水管11上端连接圆形排水孔9，下端引导至排水边沟12；所述排水边沟12施做在明洞衬砌结构的左右边侧。

进一步的改进，所述圆形排水孔9直径为3cm～5cm；所述排水管11直径同圆形排水孔9的直径。

进一步的改进，所述预制桩基础由若干根UHPC预制空心管桩13组成；所述UHPC预制空心管桩13的外径为30cm～40cm，内径为20cm～30cm，桩长为5m～7m。

进一步的改进，所述底板弧形管片1、边侧弧形管片2、拱顶弧形管片3及UHPC预制空心管桩13均由超高性能混凝土UHPC材料预制而成，弧形管片厚度为10cm～15cm。

进一步的改进，所述超高性能混凝土UHPC材料的组成和配比如下：矿渣硅酸盐水泥用量540～585份；钢纤维用量52～82份；碎石用量1275～1425份；石英砂用量975～1200份；硅灰用量37～60份；矿渣粉用量225～262份；高效减水剂用量15～20份；自来水用量150～180份；所述钢纤维的直径为0.13mm～0.25mm，长度为6mm～16mm；所述硅灰粒径为1nm～80nm；所述矿渣粉粒径为1nm～12nm。

一种UHPC装配式隧道明洞衬砌结构的施工方法，包括如下步骤：

步骤一：根据实际工况设计图，批量预制规定尺寸的底板弧形管片1、边侧弧形管片2、拱顶弧形管片3和UHPC预制空心管桩13；

步骤二：现场测量、实地放样，开挖土石方；

步骤三：清理场地，使用打桩机将UHPC预制空心管桩13打入土体内，施工完成所述预制桩基础；

步骤四：将底板弧形管片1固定于预制桩基础上，再在底板弧形管片1左右边缘上匹配安装边侧弧形管片2，最后吊装拱顶弧形管片3，拼装形成一个环形单元；

步骤五：将一个起始环形单元14、若干个中间环形单元15和一个终端环形单元16通过凸形企口4、凹形企口5、连接装置6拼装起来，即可施工完成所述明洞衬砌结构；

步骤六：在明洞衬砌结构左右边侧施做排水边沟12，使排水管11上端连接圆形排水孔9，下端引导至排水边沟12；

步骤七：在拱顶弧形管片3的顶部铺设30cm～40cm厚的耕植绿化层7，再在耕植绿化层7上种植绿化植物，最后在耕植绿化层7的表面铺设5cm～10cm厚的陶粒作为保护层8，即可完成所述UHPC装配式隧道明洞衬砌结构的施工。

本发明的技术效果在于：

本发明采用轻质高强的UHPC预制构件拼装而成，工厂化生产、装配式施工，有效缩短了施工周期，提高了施工效率，减少了开挖面的暴露时间，保障了施工安全；利用连接装置拼装连接，安装方便快捷，连接安全可靠，整体稳定性好；本UHPC装配式隧道明洞衬砌结构具有支护强度高、抗渗性好、耐久性优越的优点，所以无需设置隔水层和防水层，减少了施工工序，且可有效减少后期病害的产生，大大降低了运营期间的维护成本。

附图说明

图1为本发明的结构横向剖面示意图。

图2为本发明的结构纵向剖面示意图。

图3为本发明弧形管片拼装连接的结构示意图。

图4为图3中A处连接装置的放大示意图。

图5为本发明UHPC预制空心管桩的结构示意图。

图6为本发明环形单元拼装连接的结构示意图。

图7为本发明起始环形单元底板弧形管片的结构示意图。

图8为本发明中间环形单元底板弧形管片的结构示意图。

图9为本发明终端环形单元底板弧形管片的结构示意图。

图10为本发明起始环形单元边侧弧形管片的结构示意图。

图11为本发明中间环形单元边侧弧形管片的结构示意图。

图12为本发明终端环形单元边侧弧形管片的结构示意图。

图13为本发明起始环形单元拱顶弧形管片的结构示意图。

图14为本发明中间环形单元拱顶弧形管片的结构示意图。

图15为本发明终端环形单元拱顶弧形管片的结构示意图。

其中，1为底板弧形管片、2为边侧弧形管片、21为圆形窗、3为拱顶弧形管片、31为墙垛、4为凸形企口、5为凹形企口、6为连接装置、61为螺栓孔、62为高强螺栓、63为圆柱形凹槽、7为耕植绿化层、8为保护层、9为圆形排水孔、10为过滤网、11为排水管、12为排水边沟、13为UHPC预制空心管桩、14为起始环形单元、15为中间环形单元、16为终端环形单元。

具体实施方式

实施例1

如图1-15所示，一种UHPC装配式隧道明洞衬砌结构是由明洞衬砌结构、明洞顶部防护结构、排水系统和预制桩基础组成的复合结构，其中明洞衬砌结构由弧形管片拼装而成，弧形管片包含底板弧形管片1、边侧弧形管片2及拱顶弧形管片3，其中底板弧形管片1、边侧弧形管片2及拱顶弧形管片3设置有凸形企口4、凹形企口5及连接装置6，连接装置6由螺栓孔61、高强螺栓62和圆柱形凹槽63构成，弧形管片是通过连接装置6拼装而成；明洞顶部防护结构包括耕植绿化层7和保护层8；排水系统包含圆形排水孔9、过滤网10、排水管11和排水边沟12；预制桩基础由5根UHPC预制空心管桩13组成。

本实施例中，明洞衬砌结构由一个起始环形单元14、3个中间环形单元15和一个终端环形单元16组成，每个环线单元由7个长为4m的弧形管片组成，且各弧形管片通过凸形企口4、凹形企口5、连接装置6拼装而成。

本实施例中，底板弧形管片1、边侧弧形管片2及拱顶弧形管片3两侧边缘处均设置有螺栓孔61且预埋有高强螺栓62，对应连接处的侧面预留有圆柱形凹槽63，可进行高强螺栓62的紧固操作。

本实施例中，边侧弧形管片2上成形有直径为25cm的采光通风的圆形窗21。

本实施例中，拱顶弧形管片3两侧均成形有墙垛31，墙垛31的高度为40cm。

本实施例中，耕植绿化层7铺设于拱顶弧形管片3的顶部，厚度为30cm，用于种植绿化。

本实施例中，保护层8采用陶粒铺设于耕植绿化层7的表面，厚度为6cm，起到保护耕植绿化层7免受雨水溅蚀、抑制水分蒸发等功效。

本实施例中，圆形排水孔9设置在墙垛31上；过滤网10固定于圆形排水孔9内，排水管11上端连接圆形排水孔9，下端引导至排水边沟12，排水边沟12施做在明洞衬砌结构的左右边侧。

本实施例中，圆形排水孔9直径为4cm，排水管11直径同圆形排水孔9的直径。

本实施例中，预制桩基础由5根UHPC预制空心管桩13组成，UHPC预制空心管桩13的外径为35cm，内径为25cm，桩长为6m。

本实施例中，底板弧形管片1、边侧弧形管片2、拱顶弧形管片3及UHPC预制空心管桩13均由超高性能混凝土(UHPC)材料预制而成，弧形管片厚度为12cm。

本实施例中，超高性能混凝土(UHPC)材料的组成和配比如下：矿渣硅酸盐水泥用量560份；钢纤维用量62份；碎石用量1325份；石英砂用量1125份；硅灰用量45份；矿渣粉用量235份；高效减水剂用量16份；自来水用量160份；钢纤维的直径为0.13mm～0.20mm，长度为6mm～15mm；硅灰主要粒径为1nm～80nm；矿渣粉主要粒径为2nm～10nm。

本实施例中，包括如下步骤：

步骤一：根据实际工况设计图，批量预制规定尺寸的底板弧形管片1、边侧弧形管片2、拱顶弧形管片3和UHPC预制空心管桩13；

步骤二：现场测量、实地放样，开挖土石方；

步骤三：清理场地，使用打桩机将UHPC预制空心管桩13打入土体内，施工完成所述预制桩基础；

步骤四：将底板弧形管片1固定于预制桩基础上，再在底板弧形管片1左右边缘上匹配安装边侧弧形管片2，最后吊装拱顶弧形管片3，拼装形成一个环形单元；

步骤五：将一个起始环形单元14、3个中间环形单元15和一个终端环形单元16通过凸形企口4、凹形企口5、连接装置6拼装起来，即可施工完成所述明洞衬砌结构；

步骤六：在明洞衬砌结构左右边侧施做排水边沟12，使排水管11上端连接圆形排水孔9，下端引导至排水边沟12；

步骤七：在拱顶弧形管片3的顶部铺设耕植绿化层7，再在耕植绿化层7上种植绿化植物，最后在耕植绿化层7的表面铺设陶粒作为保护层8，即可完成所述UHPC装配式隧道明洞衬砌结构的施工。

实施例2

如图1-15所示，一种UHPC装配式隧道明洞衬砌结构是由明洞衬砌结构、明洞顶部防护结构、排水系统和预制桩基础组成的复合结构，其中明洞衬砌结构由弧形管片拼装而成，弧形管片包含底板弧形管片1、边侧弧形管片2及拱顶弧形管片3，其中底板弧形管片1、边侧弧形管片2及拱顶弧形管片3设置有凸形企口4、凹形企口5及连接装置6，连接装置6由螺栓孔61、高强螺栓62和圆柱形凹槽63构成，弧形管片是通过连接装置6拼装而成；明洞顶部防护结构包括耕植绿化层7和保护层8；排水系统包含圆形排水孔9、过滤网10、排水管11和排水边沟12；预制桩基础由5根UHPC预制空心管桩13组成。

本实施例中，明洞衬砌结构由一个起始环形单元14、3个中间环形单元15和一个终端环形单元16组成，每个环线单元由10个长为4.5m的弧形管片组成，且各弧形管片通过凸形企口4、凹形企口5、连接装置6拼装而成。

本实施例中，底板弧形管片1、边侧弧形管片2及拱顶弧形管片3两侧边缘处均设置有螺栓孔61且预埋有高强螺栓62；对应连接处的侧面预留有圆柱形凹槽63，可进行高强螺栓62的紧固操作。

本实施例中，边侧弧形管片2上成形有直径为28cm的采光通风的圆形窗21。

本实施例中，拱顶弧形管片3两侧均成形有墙垛31，墙垛31的高度为45cm。

本实施例中，耕植绿化层7铺设于拱顶弧形管片3的顶部，厚度为35cm，用于种植绿化。

本实施例中，保护层8采用陶粒铺设于耕植绿化层7的表面，厚度为8cm，起到保护耕植绿化层7免受雨水溅蚀、抑制水分蒸发等功效。

本实施例中，圆形排水孔9设置在墙垛31上；过滤网10固定于圆形排水孔9内，排水管11上端连接圆形排水孔9，下端引导至排水边沟12，排水边沟12施做在明洞衬砌结构的左右边侧。

本实施例中，圆形排水孔9直径为3.5cm，排水管11直径同圆形排水孔9的直径。

本实施例中，预制桩基础由5根UHPC预制空心管桩13组成，UHPC预制空心管桩13的外径为40cm，内径为30cm，桩长为7m。

本实施例中，底板弧形管片1、边侧弧形管片2、拱顶弧形管片3及UHPC预制空心管桩13均由超高性能混凝土(UHPC)材料预制而成，弧形管片厚度为12cm。

本实施例中，超高性能混凝土(UHPC)材料的组成和配比如下：矿渣硅酸盐水泥用量570份；钢纤维用量55份；碎石用量1375份；石英砂用量1025份；硅灰用量55份；矿渣粉用量245份；高效减水剂用量18份；自来水用量170份；钢纤维的直径为0.13mm～0.25mm，长度为6mm～16mm；硅灰主要粒径为1nm～70nm；矿渣粉主要粒径为1nm～12nm。

本实施例中，包括如下步骤：

步骤一：根据实际工况设计图，批量预制规定尺寸的底板弧形管片1、边侧弧形管片2、拱顶弧形管片3和UHPC预制空心管桩13；

步骤二：现场测量、实地放样，开挖土石方；

步骤三：清理场地，使用打桩机将UHPC预制空心管桩13打入土体内，施工完成所述预制桩基础；

步骤四：将底板弧形管片1固定于预制桩基础上，再在底板弧形管片1左右边缘上匹配安装边侧弧形管片2，最后吊装拱顶弧形管片3，拼装形成一个环形单元；

步骤五：将一个起始环形单元14、3个中间环形单元15和一个终端环形单元16通过凸形企口4、凹形企口5、连接装置6拼装起来，即可施工完成所述明洞衬砌结构；

步骤六：在明洞衬砌结构左右边侧施做排水边沟12，使排水管11上端连接圆形排水孔9，下端引导至排水边沟12；

步骤七：在拱顶弧形管片3的顶部铺设耕植绿化层7，再在耕植绿化层7上种植绿化植物，最后在耕植绿化层7的表面铺设陶粒作为保护层8，即可完成所述UHPC装配式隧道明洞衬砌结构的施工。

Claims (5)

1.一种UHPC装配式隧道明洞衬砌结构，包括明洞衬砌结构、明洞顶部防护结构、排水系统和预制桩基础，其特征在于：所述明洞衬砌结构由若干个弧形管片拼装而成，所述弧形管片包括底板弧形管片（1）、边侧弧形管片（2）及拱顶弧形管片（3），弧形管片成形有凸形企口（4）和与凸形企口（4）配合的凹形企口（5）；相邻弧形管片的接触面通过连接装置（6）相连；所述连接装置（6）包括处于弧形管片上的螺栓孔（61）、高强螺栓（62）及圆柱形凹槽（63）；底板弧形管片（1）两侧连接边侧弧形管片（2），边侧弧形管片（2）顶部连接拱顶弧形管片（3）；所述排水系统包含明洞衬砌结构内成形的圆形排水孔（9），圆形排水孔（9）通过排水管（11）连通有排水边沟（12），配合圆形排水孔（9）安装有过滤网（10）；所述预制桩基础包括若干根UHPC预制空心管桩（13）；UHPC预制空心管桩（13）固定在明洞衬砌结构下方；所述明洞顶部防护结构处于明洞衬砌结构上方，明洞顶部防护结构包括耕植绿化层（7）和保护层（8）；所述底板弧形管片（1）、边侧弧形管片（2）及拱顶弧形管片（3）相互拼接形成环形单元，所述环形单元包括一个起始环形单元（14）、若干个中间环形单元（15）和一个终端环形单元（16）；作为起始环形单元（14）端部仅成形有凹形企口（5），终端环形单元（16）仅成形有凸形企口（4）；中间环形单元（15）一端成形有凹形企口（5），另一端成形有凸形企口（4）；每个环形单元长为3m～5m；所述底板弧形管片（1）、边侧弧形管片（2）及拱顶弧形管片（3）两侧边缘处均设置有螺栓孔（61）且预埋有高强螺栓（62），对应连接处的侧面预留有圆柱形凹槽（63），可进行高强螺栓（62）的紧固操作；

所述边侧弧形管片（2）上成形有用于采光通风的圆形窗（21）；所述圆形窗（21）的直径为20cm～30cm；

所述拱顶弧形管片（3）两侧均成形有墙垛（31）；所述墙垛（31）的高度为40cm～50cm；

所述圆形排水孔（9）设置在墙垛（31）上；所述过滤网（10）固定于圆形排水孔（9）内；所述排水管（11）上端连接圆形排水孔（9），下端引导至排水边沟（12）；所述排水边沟（12）施做在明洞衬砌结构的左右边侧；

所述底板弧形管片（1）、边侧弧形管片（2）、拱顶弧形管片（3）及UHPC预制空心管桩（13）均由超高性能混凝土（UHPC）材料预制而成，弧形管片厚度为10cm～15cm；

所述超高性能混凝土（UHPC）材料的组成和配比如下：矿渣硅酸盐水泥用量540～585份；钢纤维用量52～82份；碎石用量1275～1425份；石英砂用量975～1200份；硅灰用量37～60份；矿渣粉用量225～262份；高效减水剂用量15～20份；自来水用量150～180份；所述钢纤维的直径为0.13mm～0.25mm，长度为6mm～16mm；所述硅灰粒径为1nm～80nm；所述矿渣粉粒径为1nm～12nm。

2.根据权利要求1所述的一种UHPC装配式隧道明洞衬砌结构，其特征在于：所述耕植绿化层（7）铺设于拱顶弧形管片（3）的顶部，用于种植绿化；所述耕植绿化层（7）的厚度为30cm～40cm；

所述保护层（8）为陶粒，铺设于耕植绿化层（7）的表面，起到保护耕植绿化层（7）免受雨水溅蚀、抑制水分蒸发等功效；所述保护层（8）的厚度为5cm～10cm。

3.根据权利要求1所述的一种UHPC装配式隧道明洞衬砌结构，其特征在于：所述圆形排水孔（9）直径为3cm～5cm；所述排水管（11）直径同圆形排水孔（9）的直径。

4.根据权利要求1所述的一种UHPC装配式隧道明洞衬砌结构，其特征在于：所述预制桩基础由若干根UHPC预制空心管桩（13）组成；所述UHPC预制空心管桩（13）的外径为30cm～40cm，内径为20cm～30cm，桩长为5m～7m。

5.一种如权利要求1所述的UHPC装配式隧道明洞衬砌结构的施工方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：根据实际工况设计图，批量预制规定尺寸的底板弧形管片（1）、边侧弧形管片（2）、拱顶弧形管片（3）和UHPC预制空心管桩（13）；

步骤二：现场测量、实地放样，开挖土石方；

步骤三：清理场地，使用打桩机将UHPC预制空心管桩（13）打入土体内，施工完成所述预制桩基础；

步骤四：将底板弧形管片（1）固定于预制桩基础上，再在底板弧形管片（1）左右边缘上匹配安装边侧弧形管片（2），最后吊装拱顶弧形管片（3），拼装形成一个环形单元；

步骤五：将一个起始环形单元（14）、若干个中间环形单元（15）和一个终端环形单元（16）通过凸形企口（4）、凹形企口（5）、连接装置（6）拼装起来，即可施工完成所述明洞衬砌结构；

步骤六：在明洞衬砌结构左右边侧施做排水边沟（12），使排水管（11）上端连接圆形排水孔（9），下端引导至排水边沟（12）；

步骤七：在拱顶弧形管片（3）的顶部铺设30cm～40cm厚的耕植绿化层（7），再在耕植绿化层（7）上种植绿化植物，最后在耕植绿化层（7）的表面铺设5cm～10cm厚的陶粒作为保护层（8），即可完成所述UHPC装配式隧道明洞衬砌结构的施工。

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