CN111764941A - 一种隧道预制钢拱架加固补强方法 - Google Patents

一种隧道预制钢拱架加固补强方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种隧道预制钢拱架加固补强方法，包括以下步骤：1)采用三维激光扫描获取隧道加固断面衬砌内侧轮廓信息，并据此制作钢拱架，该钢拱架由预制的分段钢拱架构件组成；2)在衬砌内侧从边墙底脚沿环向到拱部，通过螺栓将预制的各段钢拱架构件组合成钢拱架；3)在钢拱架底脚位置安装预应力锚杆，使锚杆贯穿衬砌并插入隧道围岩中；4)在钢拱架与衬砌内侧的间隙填充无收缩砂浆或楔块；5)为保证钢拱架纵向的稳定性，在沿隧道纵向设置的多个钢拱架间安装内撑杆；6)在钢拱架内侧安装防火装饰层。与现有技术相比，本发明具有不需要对原衬砌结构进行开槽、高强度、防火、快速便捷、无损加固等优点。

Description

一种隧道预制钢拱架加固补强方法
技术领域
本发明涉及隧道钢拱架加固技术领域，尤其是涉及一种隧道预制钢拱架加固补强方法。
背景技术
现有的加固隧道钢拱架方法(中国专利CN201910560454.7)主要采用嵌入旧衬砌的方法，其基本步骤如下：
(1)在原衬砌内侧沿隧道纵向方向按照一定间隔开设沿原衬砌周向方向分布的环向凹槽；
(2)在上述的环向凹槽中嵌入弧形的工字型钢拱架；
(3)在原衬砌内侧位于相邻两个环向槽之间的位置开设多条沿隧道纵向分布的水平槽，纵向水平槽两端分别与两侧的环向槽相连，形成网格状的开槽结构；
(4)在纵向水平槽中嵌入连接筋，并将纵向钢筋的两端分别焊接在两侧钢拱架上；
(5)向环向和纵向槽中浇筑混凝土形成混凝土填充层，在混凝土填充层和原衬砌间隙注入水泥砂浆填充；
(6)在网格状开槽结构的所有网格中心位置插入预应力锚杆，并贯穿原衬砌插入隧道围岩中；
(7)向原衬砌内侧喷射一层混凝土，与钢拱架、纵向连接筋、填充层、锚杆等共同形成一层网状钢筋混凝土结构，即为加固隧道衬砌的嵌拱结构。
该工法通过在衬砌上开槽嵌入钢拱架，与混凝土填充、锚杆、喷射混凝土等形成加固隧道衬砌的复合结构，可对开裂、剥离或坍塌衬砌进行加固，维持隧道结构的稳定性。
但是，上述现有工法的主要缺点在于施工过程复杂，首先需要对原结构行进一定程度的破坏(开槽)，再通过填充层修复对原结构的损伤，无论是开槽的过程，还是浇筑和养护混凝土的过程，耗时都比较长，导致施工工期长、对交通影响较久，并且安装钢拱架后还需要喷射混凝土填充拱架形成的网格，进一步增加了施工的难度和时间。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种隧道预制钢拱架加固补强方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种隧道预制钢拱架加固补强方法，包括以下步骤：
1)采用三维激光扫描获取隧道加固断面衬砌内侧轮廓信息，并据此制作钢拱架，该钢拱架由预制的分段钢拱架构件组成；
2)在衬砌内侧从边墙底脚沿环向到拱部，通过螺栓将预制的各段钢拱架构件组合成钢拱架；
3)在钢拱架底脚位置安装预应力锚杆，使锚杆贯穿衬砌并插入隧道围岩中；
4)在钢拱架与衬砌内侧的间隙填充无收缩砂浆或楔块；
5)为保证钢拱架纵向的稳定性，在沿隧道纵向设置的多个钢拱架间安装内撑杆；
6)在钢拱架内侧安装防火装饰层。
所述的步骤1)中，钢拱架采用冷加工H型钢制成后经防锈处理。
所述的步骤1)中，钢拱架截面的选取原则如下：
对于2车道公路隧道、直径不大于10m的盾构隧道，采用H90～H125型钢；
对于3车道及以上公路隧道、直径10m以上的盾构隧道，采用H125～H150型钢；
选择钢拱架截面尺寸时考虑结构变形情况与隧道建筑限界的富余量，结构变形较大时，选择较大尺寸的截面，并且不得侵入建筑限界。
所述的钢拱架几何尺寸根据三维激光扫描获取的加固断面轮廓确定，钢拱架外侧轮廓与衬砌内侧轮廓平行，两者之间保留2-3cm的空隙，作为钢拱架制作与安装的误差余量以及砂浆的填充预留空间。
所述的步骤2)中，若衬砌存在剥落现象，则在安装钢拱架前先安装金属网；若衬砌表面存在凹凸不平现象，则在安装钢拱架前先凿除凸起部分。
所述的步骤2)中，各段钢拱架构件在隧道加固施工现场拼接成型，每段钢拱架构件的两端均焊接有接头板，通过接头板上预留螺栓孔和高强螺栓进行固定连接，并且在接头板和H型钢的腹板间焊接三角形加劲板加固。
所述的步骤3)中，钢拱架底脚的固定连接方式包括以下两种：
(1)在钢拱架底脚位置焊接底板，所述的底板与路基混凝土间采用高强螺栓连接，钢拱架底脚位置H型钢的翼缘板预留用以安装预应力锚杆的锚杆孔，安装锚杆使其贯穿衬砌插入隧道围岩中，并在锚孔中注浆确保锚固，防止渗漏水；
(2)直接在钢拱架底脚位置处采用现浇混凝土嵌固连接。
所述的步骤5)中，内撑杆采用直径16～22mm的实心钢杆或采用外径40～60mm、厚度2～3mm的空心钢管；
当内撑杆采用直径16～22mm的实心钢杆时，实心钢杆两端预制螺纹，钢拱架H型钢的腹板上预留螺栓孔，通过螺帽锁紧支撑钢杆与钢拱架H型钢的腹板；
当内撑杆采用外径40～60mm、厚度2～3mm的空心钢管时，空心钢管两端焊接接头板，该接头板和钢拱架H型钢的腹板上均预留螺栓孔，通过连接板和螺栓将空心钢管与H型钢的腹板连接。
所述的纵向内撑杆的布置保持左右对称，钢拱架间距、内撑杆间距可根据《钢结构设计规范》(GB50017-2017)，按照满足拱架稳定性计算，也可建立加固结构与原结构的数值模型，通过三维数值计算验算确定。
所述的步骤6)具体包括以下步骤：
61)将钢拱架作为主龙骨，在钢拱架H型钢的内侧翼缘板上采用螺栓安装副龙骨连接件；
62)在副龙骨连接件上安装副龙骨，副龙骨为U型轻钢龙骨，并预留螺丝孔；
63)在副龙骨上安装防火装饰板材，防该火装饰板材与副龙骨通过螺丝连接。
所述的副龙骨连接件(603)由U形铝合金槽加工成型，其腹板上开设螺栓孔，用于与钢拱架翼缘板进行螺栓连接，副龙骨连接件(603)的翼缘板上开有2个卡榫式凹槽，用于将副龙骨翼缘板上的卡勾卡入固定。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明直接在衬砌内侧安装钢拱架，无需在原结构上开槽，也无需重新浇筑或喷射混凝土，减少了开槽、混凝土浇筑、养护等过程，减少了施工工序、降低施工难度，解决了现有加固方法对原衬砌结构造成二次损伤的技术难题。
二、本发明采用的钢拱架、撑杆、防火装饰板等均为预制，钢拱架各段间、钢拱架与撑杆间、钢拱架与防火装饰板间的连接结构也均为预制，在现场只需采用螺栓即可快速完成连接，极大地减少了施工时间，数小时即可完成加固结构的安装，封道时间短，尽可能地降低了对隧道正常运营的影响，解决了现有加固方法效率低、耗时长、对交通影响大的难题。
三、加固结构包含防火装饰层，对隧道外观、防火性能均无太大影响。
附图说明
图1为分段钢拱架构件间接头连接示意图，其中，图(1a)为钢拱架分段接头主视图，图(1b)为钢拱架分段接头左视图。
图2为钢拱架底脚位置与隧道的连接示意图。
图3为钢拱架底脚位置采用现浇混凝土嵌固连接的结构示意图。
图4为内撑杆采用实心钢杆时的连接示意图，其中，图(4a)为俯视图，图(4b)为主视图。
图5为内撑杆采用空心钢杆时的连接示意图，其中，图(5a)为俯视图，图(5b)为主视图。
图6为防火装饰板的安装示意图。
图7为副龙骨连接件的结构示意图，其中，图(7a)为主视图，图(7b)为俯视图，图(7c)为左视图。
图8为本发明的方法流程图。
图中标记说明：
101、接头板，102、螺栓孔，103、高强螺栓，104、加劲板，201、底板，202、高强螺栓，203、路基混凝土，204、预应力锚杆，401、实心钢杆，402、螺帽，501、空心钢管，502、接头板，503、螺栓，601、钢拱架，602、螺栓，603、副龙骨连接件，604、副龙骨，605、防火装饰板材，606、螺丝。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本发明通过在隧道衬砌内侧安装预制的钢拱架结构，实现运营隧道的快速加固补强，如图8所示，包括以下步骤：
(1)采用三维激光扫描获取加固断面衬砌内侧轮廓信息，并据此制作钢拱架；钢拱架由预制的分段构件组成；
(2)在衬砌内侧从边墙底脚到拱部沿环向，通过螺栓将预制的钢拱架构件组合成钢拱架；若衬砌存在剥落现象，则在安装钢拱架前先安装金属网；若衬砌表面存在凹凸不平，则在安装钢拱架前先凿除凸起部分。
(3)钢拱架底脚位置安装预应力锚杆，并贯穿原衬砌插入隧道围岩中；
(4)在钢拱架与衬砌内侧的间隙填充无收缩砂浆；
(5)为保证钢拱架纵向的稳定性，沿隧道纵向安装的多个钢拱架间安装内撑杆；
(6)在钢拱架内侧安装防火装饰层。
进一步地，在步骤(1)中，本例中的预制钢拱架具有下列特征：
钢拱架采用冷加工H型钢，并做防锈处理。钢拱架截面的按照以下原则选取：
(a)对于2车道公路隧道、直径不大于10m的盾构隧道等较小尺寸的隧道，可采用H90～H125型钢，例如，H90*90*6*8或H125*125*6.5*9型钢；
(b)对于3车道及以上公路隧道、直径10m以上的盾构隧道等较大尺寸的隧道，可采用H125～H150型钢，例如，H125*125*6.5*9或H150*150*7*9型钢；
(c)选择钢拱架截面尺寸时还应当考虑结构变形情况与隧道建筑限界的富余量，结构变形较大时，选择较大尺寸的截面，同时不得侵入建筑限界。
同时，钢拱架几何尺寸根据加固断面轮廓确定，钢拱架外侧轮廓与衬砌内侧轮廓平行，并保留2-3cm的空隙，作为钢拱架制作与安装的误差余量以及为砂浆填充预留空间，拱架分段根据隧道断面大小、钢拱架尺寸和运输和施工条件等确定。
步骤(2)中预制钢拱架各段构件在隧道加固施工现场拼接，其连接结构如图1所示，各段钢拱架构件的两端均焊接有接头板101，接头板101的长宽应比钢拱架截面的长宽大10-20mm，接头板厚度10-20mm，接头板上预留螺栓孔102，拼装时采用高强螺栓103连接，根据接头强度验算结果，也可以在接头板和H型钢腹板间焊接三角形加劲板104加固。
步骤(3)中，钢拱架底脚位置与隧道的连接方式如图2所示，钢拱架底脚位置焊接底板201，底板201的尺寸不小于200mm*200mm，底板201与路基混凝土203间采用高强螺栓202连接。钢拱架底脚位置翼缘板预留锚杆孔(沿腹板中轴线对称布置，左右各1个)，用于安装预应力锚杆204，使锚杆204贯穿原衬砌插入隧道围岩中，锚孔中注浆确保锚固及防止渗漏水，另外，根据钢拱架底脚强度验算结果，也可在钢拱架底脚处采用现浇混凝土嵌固连接，其结构如图3所示。
步骤(4)中，在钢拱架与衬砌内侧的间隙填充无收缩砂浆的目的在于确保原结构的与加固钢拱架之间的传力，除了无收缩砂浆填充外，也可采用楔块填充等方式，楔块填充施工更加简便，但运营过程中需要经常检查楔块是否稳固。
步骤(5)中，纵向连接钢拱架之间的内撑杆可采用直径16～22mm的实心钢杆，也可采用外径40～60mm、厚度2～3mm的空心钢管。当采用实心钢杆401时，连接方式如图4所示，实心钢杆401两端预制螺纹作为螺栓使用，钢拱架腹板上预留螺栓孔，通过螺帽402锁紧支撑钢杆与钢拱架；当采用空心钢管501时，连接方式如图5所示，空心钢管501两端焊接接头板502，接头板502和钢拱架腹板上预留螺栓孔，通过连接板和螺栓503将空心钢管与钢拱架连接。
上述纵向内撑杆的布置应当保持左右对称，内撑杆的间距可根据《钢结构设计规范》(GB50017-2017)，按照满足拱架稳定性计算，也可建立加固结构与原结构的数值模型，通过三维数值计算验算确定。
步骤(6)中，防火装饰板的安装方式如图6所示，具体包括以下步骤：
61)将钢拱架601作为主龙骨使用，在钢拱架内侧翼缘板上用螺栓602安装副龙骨连接件603，间隔1～1.5m；
62)在副龙骨连接件603上安装副龙骨604，副龙骨604采用U型轻钢龙骨，并预留螺丝孔；
63)在副龙骨上安装防火装饰板材605，可选择轻质的防火石膏板，防火装饰板材605与副龙骨604通过螺丝606连接，并且在安装防火装饰板材时应留出相关机电设备的位置。
步骤61)中副龙骨连接件的结构三视图如图7所示，具有以下特征：
611)连接件由U形铝合金槽加工制作；
612)连接件腹板上开有螺栓孔，用于与钢拱架翼缘板进行螺栓连接；
613)连接件翼缘板上开有2个卡榫式凹槽，用于将副龙骨翼缘板上的卡勾卡入固定。
本发明采用的钢拱架部件、纵向支撑杆、连接板、螺栓孔、副龙骨连接件、副龙骨、防火装饰板材等均根据隧道的测量结果设计并在工厂预制完成，将上述预制构件运输至隧道加固段后，只需要将各部分按照顺序用螺栓连接即可完成钢拱架加固结构的施工，施工过程简答，施工时间仅需数个小时，施工完成即可恢复通车，极大降低加固施工对隧道运营的影响。

Claims (10)

1.一种隧道预制钢拱架加固补强方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)采用三维激光扫描获取隧道加固断面衬砌内侧轮廓信息，并据此制作钢拱架，该钢拱架由预制的分段钢拱架构件组成；
2)在衬砌内侧从边墙底脚沿环向到拱部，通过螺栓将预制的各段钢拱架构件组合成钢拱架；
3)在钢拱架底脚位置安装预应力锚杆，使锚杆贯穿衬砌并插入隧道围岩中；
4)在钢拱架与衬砌内侧的间隙填充无收缩砂浆或楔块；
5)为保证钢拱架纵向的稳定性，在沿隧道纵向设置的多个钢拱架间安装内撑杆；
6)在钢拱架内侧安装防火装饰层。
2.根据权利要求1所述的一种隧道预制钢拱架加固补强方法，其特征在于，所述的步骤1)中，钢拱架采用冷加工H型钢制成后经防锈处理。
3.根据权利要求2所述的一种隧道预制钢拱架加固补强方法，其特征在于，所述的步骤1)中，钢拱架截面的选取原则如下：
对于2车道公路隧道、直径不大于10m的盾构隧道，采用H90～H125型钢；
对于3车道及以上公路隧道、直径10m以上的盾构隧道，采用H125～H150型钢；
选择钢拱架截面尺寸时考虑结构变形情况与隧道建筑限界的富余量，结构变形较大时，选择较大尺寸的截面，并且不得侵入建筑限界。
4.根据权利要求1所述的一种隧道预制钢拱架加固补强方法，其特征在于，所述的钢拱架几何尺寸根据三维激光扫描获取的加固断面轮廓确定，钢拱架外侧轮廓与衬砌内侧轮廓平行，两者之间保留2-3cm的空隙，作为钢拱架制作与安装的误差余量以及砂浆的填充预留空间。
5.根据权利要求2所述的一种隧道预制钢拱架加固补强方法，其特征在于，所述的步骤2)中，各段钢拱架构件在隧道加固施工现场拼接成型，每段钢拱架构件的两端均焊接有接头板(101)，通过接头板(101)上预留螺栓孔(102)和高强螺栓(103)进行固定连接，并且在接头板(101)和H型钢的腹板间焊接三角形加劲板(104)加固。
6.根据权利要求1所述的一种隧道预制钢拱架加固补强方法，其特征在于，所述的步骤3)中，钢拱架底脚的固定连接方式包括以下两种：
(1)在钢拱架底脚位置焊接底板(201)，所述的底板(201)与路基混凝土(203)间采用高强螺栓(202)连接，钢拱架底脚位置H型钢的翼缘板预留用以安装预应力锚杆(204)的锚杆孔，安装锚杆(204)使其贯穿衬砌插入隧道围岩中，并在锚孔中注浆确保锚固，防止渗漏水；
(2)直接在钢拱架底脚位置处采用现浇混凝土嵌固连接。
7.根据权利要求1所述的一种隧道预制钢拱架加固补强方法，其特征在于，所述的步骤5)中，内撑杆采用直径16～22mm的实心钢杆(401)或采用外径40～60mm、厚度2～3mm的空心钢管；
当内撑杆采用直径16～22mm的实心钢杆(401)时，实心钢杆(401)两端预制螺纹，钢拱架H型钢的腹板上预留螺栓孔，通过螺帽(402)锁紧支撑钢杆与钢拱架H型钢的腹板；
当内撑杆采用外径40～60mm、厚度2～3mm的空心钢管时，空心钢管(501)两端焊接接头板(502)，该接头板(502)和钢拱架H型钢的腹板上均预留螺栓孔，通过连接板和螺栓(503)将空心钢管(501)与H型钢的腹板连接。
8.根据权利要求7所述的一种隧道预制钢拱架加固补强方法，其特征在于，所述的内撑杆的布置保持左右对称，钢拱架间距、内撑杆间距按照满足拱架稳定性要求计算，或者通过建立加固结构与原结构的数值模型，通过三维数值计算验算确定。
9.根据权利要求1所述的一种隧道预制钢拱架加固补强方法，其特征在于，所述的步骤6)具体包括以下步骤：
61)将钢拱架(601)作为主龙骨，在钢拱架H型钢的内侧翼缘板上采用螺栓(602)安装副龙骨连接件(603)；
62)在副龙骨连接件(603)上安装副龙骨(604)，副龙骨(604)为U型轻钢龙骨，并预留螺丝孔；
63)在副龙骨(604)上安装防火装饰板材(605)，防该火装饰板材(605)与副龙骨(604)通过螺丝(606)连接。
10.根据权利要求9所述的一种隧道预制钢拱架加固补强方法，其特征在于，所述的副龙骨连接件(603)由U形铝合金槽加工成型，其腹板上开设螺栓孔，用于与钢拱架翼缘板进行螺栓连接，副龙骨连接件(603)的翼缘板上开有2个卡榫式凹槽，用于将副龙骨翼缘板上的卡勾卡入固定。
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