CN111485906B - 一种夹层隧道结构及其施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种夹层隧道结构及其施工方法，夹层隧道结构包括：柔性防水层，紧密敷设在隧道开挖轮廓内壁，并呈闭合环；混凝土基座，通过锚杆固定在底部围岩上；以及圆形衬砌，位于柔性防水层内，包括多环相连的衬砌环，通过顶推装置从隧道洞门推入隧道内，且固定在混凝土基座上，圆形衬砌与柔性防水层之间形成的夹层内填充有氯化钠溶液。本发明避免了围岩与隧道衬砌结构直接接触，利用夹层内的液体保持围岩与衬砌之间的受力平衡，能够将围岩作用力转化为液体压力，解决了围岩与衬砌间作用机制复杂的问题，改善了隧道结构受力状况，抑制了结构裂缝发展。

Description

一种夹层隧道结构及其施工方法
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，尤其涉及一种夹层隧道结构及其施工方法。
背景技术
隧道衬砌结构承受着围岩和地下水的作用力，两种外力的作用特点差异明显，其中围岩作用力可以分为松散体压力、围岩变形压力、围岩膨胀压力等类型，围岩与衬砌间的作用机制比较复杂，往往通过简化理论计算、现场量测等方法确定，但是由于地质条件的复杂多变，理论计算参数与实际难免不符，同时，受量测技术水平限制，量测结果也不能充分反映真实情况，因此实际工程中往往采用两种方法相互印证的方式；反观地下水，作用机制相对简单，通常认为水压力以法向力形式作用在衬砌外表面上，压力值与水头高度呈正比。
以往隧道工程将水压力作为不利荷载考虑，大部分铁路隧道通过设置引沟将地下水排出以减小衬砌背后水压力。但是对于圆形断面隧道而言，在一定范围内水压力对衬砌结构是有利的，根据发表于期刊《土木工程学报》第51卷第4期的论文《水压对盾构管片衬砌力学特征和破坏形态的影响模型试验研究》，一定范围内水压力的增大会增加衬砌结构轴力，改善衬砌受力状态，增加管片的承载能力；水压对盾构衬砌管片起到了环箍作用，有效抑制了裂缝的发展。
以往隧道工程在穿越高地应力区时通常采用控制开挖支护时序、增加衬砌结构强度，优化断面形状的解决措施，但是这些措施都没有改变围岩与衬砌结构接触作用的实质，因此效果十分有限，许多隧道，如山西中南部铁路南吕梁山隧道、兰渝铁路玄真观隧道，受围岩压力影响，在后期运营阶段发生了不同程度的衬砌变形、开裂、脱落等病害。
从上面分析可以看出，围岩与衬砌之间的作用机制复杂，尤其是在高地应力区，围岩压力是影响隧道结构安全的主要因素；而水压力的作用机制相对明确，并且对于圆形隧道而言，在一定范围内可以提高隧道承载力，抑制裂缝发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种夹层隧道结构及其施工方法，改善了隧道结构受力状况，抑制了结构裂缝发展。
为实现上述目的，本发明的一种夹层隧道结构及其施工方法的具体技术方案为：
一种夹层隧道结构，包括：
柔性防水层，紧密敷设在隧道开挖轮廓内壁，并呈闭合环；
混凝土基座，通过锚杆固定在底部围岩上；以及
圆形衬砌，位于柔性防水层内，包括多环相连的衬砌环，通过顶推装置从隧道洞门推入隧道内，且固定在混凝土基座上，圆形衬砌与柔性防水层之间形成的夹层内填充有氯化钠溶液。
一种夹层隧道结构的施工方法，包括以下步骤：
步骤一，开挖隧道，在隧道轮廓侧壁内敷设柔性防水层，并通过锚杆将混凝土基座固定在底部围岩上；
步骤二，沿隧道洞门周边安装用于防水的洞门止水装置；
步骤三，采用顶管法依次将圆形衬砌的衬砌环顶进隧道内，且圆形衬砌环向上固定有用于防水的密封钢丝刷；
步骤四，每顶进一环新的衬砌环，利用衬砌环上的预留孔向圆形衬砌与柔性防水层之间的夹层内注入氯化钠溶液，通过液体充满夹层，封闭密封塞，以通过液压保持围岩稳定。
本发明的一种夹层隧道结构及其施工方法的优点在于：避免了围岩与隧道衬砌结构直接接触，利用夹层内的液体保持围岩与衬砌之间的受力平衡，能够将围岩作用力转化为液体压力，解决了围岩与衬砌间作用机制复杂的问题，改善了隧道结构受力状况，抑制了结构裂缝发展。
附图说明
图1为本发明的隧道结构的横断面图；
图2为本发明中的圆形衬砌的顶进施工示意图；
图3为本发明的洞门止水装置的正视图；
图4为本发明的第一衬砌环的端部止水装置正视图。
图中：1、柔性防水层；2、圆形衬砌；3、混凝土基座；4、预留孔；5、锚杆；6、洞门端墙；7、帘布橡胶板；8、密封钢丝刷；9、反力墙；10、反力支架；11、千斤顶。
具体实施方式
为了更好的了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的一种夹层隧道结构的施工方法做进一步详细的描述。
如图1至图4所示，其示为本发明的一种夹层隧道结构及其施工方法，用于避免围岩与隧道衬砌结构直接接触，夹层隧道结构包括柔性防水层1、圆形衬砌2和混凝土基座3，柔性防水层1紧密敷设在隧道开挖轮廓内壁，并呈闭合环；混凝土基座3，通过锚杆5固定在底部围岩上；圆形衬砌2位于柔性防水层1内，包括多环在长度方向上相连的、形状相同的衬砌环，通过顶推装置从洞门推入隧道内，且固定在混凝土基座3上，圆形衬砌2与柔性防水层1之间形成的夹层内填充有氯化钠溶液，以避免围岩与隧道衬砌结构直接接触。此外，洞门周边设置有洞门止水装置，包括两道帘布橡胶板7，帘布橡胶板7固定在洞门端墙6上，且帘布橡胶板7位于混凝土基座3的范围外。
进一步，柔性防水层1包括外层和内层，其中，外层采用180mm厚C25早强喷射混凝土，内层采用20mm厚喷涂速凝橡胶沥青防水涂料或防水卷材，以用于将夹层内的氯化钠溶液与地下水隔开，防止相互渗透。
进一步，在敷设柔性防水层1后的隧道轮廓净空尺寸为7.0m，圆形衬砌2的外径小于敷设柔性防水层1后的隧道轮廓净空，为6～6.5m(优选6.2m)，采用标号C55、防水等级P12的混凝土预制管环，圆形衬砌2中每个衬砌环均为一个整体环，在单个衬砌环的环向上无纵向拼接缝，每个衬砌环的长度为3.5～4.5m(优选4m)。
进一步，本发明中圆形衬砌2与柔性防水层1之间夹层中充满浓度为16-18％(优选17％)的氯化钠溶液。
此外，相邻的衬砌环的连接处设置有用于密封的密封胶条(优选设置有两道三元乙丙密封胶条)，拼装完成后封闭不透水，能够防止夹层内的液体进入隧道内。
进一步，混凝土基座3的高度为0.2～0.6m(优选0.4m)，顶面呈弧形，与圆形衬砌2的外表面形状相契合。其中，混凝土基座3的顶面预埋有C形槽钢，圆形衬砌2的底部相对应位置处沿隧道纵向预埋有H型钢，通过C形槽钢与H型钢相咬合以将圆形衬砌2固定在混凝土基座3上，以防止隧道在液体浮力作用下移动。
进一步，圆形衬砌2中每个衬砌环的顶部均设置有一个贯穿衬砌厚度的预留孔4，孔口安装有密封塞，通过预留孔4向圆形衬砌2的背后(圆形衬砌2与柔性防水层之间的夹层内)注入液体。
进一步，圆形衬砌2的两端设置有防水组件，包括：密封钢丝刷8和洞门止水装置，其中，密封钢丝刷8固定设置在圆形衬砌2的前端；洞门止水装置包括环向布置的两道帘布橡胶板7设置在隧道洞门上。如图4所示，推入隧道内的第一衬砌环的前端外表面环向上固定设置有两道密封钢丝刷8，且密封钢丝刷8位于混凝土基座的范围外，可防止夹层内的液体从第一衬砌环与隧道轮廓之间的间隙流出。
在本发明中预制的圆形衬砌2通过顶进装置(包括反力墙9、反力支架10、千斤顶11)从洞门推入隧道内，隧道每开挖一环衬砌的长度，同步的从后方顶进一环新的衬砌环，顶进顺序依次为第一衬砌环、第二衬砌环……等。
如图2所示，本发明还公开了一种夹层隧道结构的施工方法，包括以下步骤：
步骤1，开挖隧道，在隧道轮廓侧壁内敷设柔性防水层1，并通过锚杆5将混凝土基座3固定在底部围岩上。
具体来说，采用开挖直径7.2m的隧道掘进机按设计线路掘进；在护盾后方布置一个喷射机械手，向开挖暴露的隧道轮廓内壁喷射柔性防水层1，完成防水层后的隧道净空为内径7.0m的圆形，浇筑混凝土基座3，每隔10m并排向下打设两根锚杆5，将混凝土基座3固定在底部围岩上。
步骤2，沿隧道洞门周边安装洞门止水装置。
具体来说，洞门止水装置包括环向布置的两道帘布橡胶板7，用于防水，帘布橡胶板7位于混凝土基座3的范围外。
步骤3，采用顶管法依次将圆形衬砌顶进隧道内，且圆形衬砌2环向上固定有密封钢丝刷。
具体来说，利用顶进装置(包括反力墙9、反力支架10、千斤顶11)，将预制圆形衬砌2从隧道洞门推入，当隧道每开挖一环衬砌长度，同步的从后方顶进一环新的衬砌环。
其中，第一衬砌环的端部外表面上环向固定有两道密封钢丝刷8，且密封钢丝刷8位于混凝土基座的范围外，如图4所示，能够防止夹层内的液体从第一环圆形衬砌与隧道轮廓之间的间隙流出。
步骤4，每顶进一环新的衬砌环，利用衬砌环2上的预留孔4向背后补充注入液体，通过液体充满夹层，完成后封闭密封塞，利用液压保持围岩稳定。
具体来说，通过环预留孔4注入的液体为17％的氯化钠溶液。
本发明的一种夹层隧道结构及其施工方法，避免了围岩与隧道衬砌结构直接接触，利用夹层内的液体保持围岩与衬砌之间的受力平衡，能够将围岩作用力转化为液体压力，解决了围岩与衬砌间作用机制复杂的问题，改善了隧道结构受力状况，抑制了结构裂缝发展。
以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims (8)

1.一种夹层隧道结构，其特征在于，包括：
柔性防水层(1)，紧密敷设在隧道开挖轮廓内壁，并呈闭合环；
混凝土基座(3)，通过锚杆(5)固定在底部围岩上；以及
圆形衬砌(2)，位于柔性防水层(1)内，包括多环相连的衬砌环，通过顶推装置从隧道洞门推入隧道内，且固定在混凝土基座(3)上，圆形衬砌(2)与柔性防水层(1)之间形成的夹层内填充有氯化钠溶液；所述氯化钠溶液的浓度为16～18％。
2.根据权利要求1所述的夹层隧道结构，其特征在于，柔性防水层(1)包括外层和内层，外层为喷射混凝土，内层为速凝橡胶沥青防水涂料或防水卷材。
3.根据权利要求1所述的夹层隧道结构，其特征在于，圆形衬砌(2)的外径为6～6.5m，其中，每个衬砌环的长度为3.5～4.5m，相邻的衬砌环的连接处设置有密封胶条。
4.根据权利要求1所述的夹层隧道结构，其特征在于，混凝土基座(3)的顶面呈弧形，与圆形衬砌(2)的外表面形状相契合，混凝土基座(3)的顶面预埋有C形槽钢，圆形衬砌(2)的底部相对应位置处预埋有H型钢，通过C形槽钢与H型钢相咬合以将圆形衬砌(2)固定在混凝土基座(3)上。
5.根据权利要求1所述的夹层隧道结构，其特征在于，圆形衬砌(2)中每个衬砌环上设置有贯穿衬砌厚度的预留孔(4)，孔口安装有密封塞，通过预留孔(4)向圆形衬砌(2)与柔性防水层(1)之间的夹层内注入氯化钠溶液。
6.根据权利要求1所述的夹层隧道结构，其特征在于，圆形衬砌(2)的两端设置有防水组件，包括：
密封钢丝刷(8)，固定设置在圆形衬砌(2)的前端；
洞门止水装置，包括环向布置的两道帘布橡胶板(7)，设置在隧道洞门上。
7.一种夹层隧道结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，开挖隧道，在隧道轮廓侧壁内敷设柔性防水层(1)，并通过锚杆(5)将混凝土基座(3)固定在底部围岩上；
步骤二，沿隧道洞门周边安装用于防水的洞门止水装置；
步骤三，采用顶管法依次将圆形衬砌(2)的衬砌环顶进隧道内，且圆形衬砌(2)环向上固定有用于防水的密封钢丝刷(8)；
步骤四，每顶进一环新的衬砌环，利用衬砌环(2)上的预留孔(4)向圆形衬砌(2)与柔性防水层(1)之间的夹层内注入氯化钠溶液，通过液体充满夹层，封闭密封塞，以通过液压保持围岩稳定。
8.根据权利要求7所述的夹层隧道结构的施工方法，其特征在于，在步骤三中，通过顶进装置将预制圆形衬砌(2)从隧道洞门推入，当隧道每开挖一环衬砌长度，同步的从后方顶进一环新的衬砌环。
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