CN112324475A

CN112324475A - 一种加固盾构隧道衬砌结构的方法

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Publication number: CN112324475A
Application number: CN202011193083.2A
Authority: CN
Inventors: 柳献; 张姣龙
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2020-10-30
Publication date: 2021-02-05

Abstract

本发明公开了一种加固盾构隧道衬砌结构的方法，步骤包括：在隧道管片内表面进行凿毛处理；在凿毛后的内弧面植筋；清理凿毛表面；制作与隧道管片形状吻合的钢板，并在钢板外侧焊接栓钉；通过化学锚栓在管片内弧面悬挂钢板，在高性能钢板和隧道管片之间浇筑超高性能混凝土。本发明充分发挥了超高性能混凝土强度高、刚度大、耐久性好、界面粘结性强、渗透性低、耐火性好等优点，以及高性能钢强度高、韧性大、可焊性和耐腐蚀性能良好的优势。相比其他盾构隧道结构加固技术，该方法同时具备增加衬砌结构强度和刚度以及有效控制裂缝的效果，而且，该方法取材方便、施工快捷、安全可靠，具有广阔的应用前景。

Description

一种加固盾构隧道衬砌结构的方法

技术领域

本发明涉及隧道工程领域，尤其是一种加固盾构隧道衬砌结构的方法。

背景技术

盾构隧道机械化水平高，施工安全性高，施工操作不受气候条件影响，而且对地面建筑物、环境、地下管线影响较小等优势，因此，盾构法在高速发展的城市轨道交通建设中得到广泛的应用。部分盾构隧道已经运营几十年，衬砌结构逐渐暴露渗漏水、裂缝、大变形等病害问题。也有少部分新建隧道由于设计缺陷、施工管理不足或临近工程活动，出现了类似病害。这些病害影响隧道的正常运营甚至是结构安全。目前，对于病害严重的盾构隧道衬砌结构，常通过加固处理来改善隧道的受力性能，主要包括增强结构承载力、控制结构变形、控制裂缝开展、防渗堵漏，同时兼顾抗火特性、耐久性以及避免加固结构出现脆性破坏模式。已有加固方法包括:

粘贴碳纤维布、芳纶布加固法，这种方法采用粘结剂将纤维布粘贴于管片内表面。优点在于加固材料轻便，施工便捷。但是，其耐火性能极差，且对控制结构变形、防渗堵漏的作用不明显。

粘贴钢环加固法，所用钢环由多块曲形钢板拼接而成，首先在隧道管片内侧用膨胀螺栓固定分段钢板，然后将各钢板焊接成一体，形成与隧道内壁形状基本一致的钢环，最后，在钢环与管片结构的间隙中灌注环氧树脂。这种方法有效地提高了结构的刚度，有利于控制结构变形；但是，安装钢板需要专用举重设备，焊缝多、焊接质量波动大，钢结构易腐蚀、高温软化，加固后隧道结构破坏没有明显预兆、呈现脆性。

复合构件加固法，首先，刷有粘结胶的内弧面上安装复合腔体，然后在复合腔体内部注入砂浆。这种方法施工便捷，提高结构刚度和控制结构变形效果明显。但加固后结构呈现脆性破坏，耐火性能极差，不具备防渗堵漏的作用。

钢拱架加固，该方法利用螺栓连接工字钢构件撑于隧道内表面上，具有施工快捷、加固强度高等优点。但钢拱架具有占用净空高度大，受压易失稳，易腐蚀，高温软化的缺点。

钢板-混凝土组合结构加固法，首先，在管片内侧通过化学锚栓安装分块的钢板，然后，将各钢板焊接成一体，最后，在钢环与管片的间隙中灌注细石混凝土。这种方法具有粘贴钢环加固法的所有优点，此外，钢板-混凝土组合结构加固后的结构呈现工程界期望的塑形破坏特征。但是这种方法使用普通钢板未能克服钢板安装复杂、焊接质量波动大、易腐蚀和高温软化的缺陷，细石混凝土在受拉区作用不显著，而且组合结构厚度影响隧道内的净空。

超高性能混凝土(UHPC)加固方法，即在管片内表面通过现浇或者喷射工艺施加一层UHPC，这种方法能有效提高盾构隧道衬砌结构的承载力、控制结构变形、裂缝开展，且满足耐腐蚀耐火的要求。但现浇UHPC需要假设模板，喷射UPHC由于回弹会造成材料浪费，而且UHPC加固结构的延性有限。

发明内容

针对上述的技术缺陷和应用时的不利影响，本发明的目的是提供一种超高性能混凝土-高性能钢板组合加固盾构隧道衬砌衬砌结构的方法，充分发挥了超高性能混凝土强度高、刚度大、耐久性好、界面粘结性强、渗透性低、耐火性好等优点，以及高性能钢强度高、韧性大、可焊性和耐腐蚀性能良好的优势。这种方法能有效提高盾构隧道衬砌结构的承载力、控制结构变形、裂缝开展，亦可防渗堵漏，且通过超高性能混凝土-高性能钢板组合，且满足耐腐蚀耐火的要求。

本发明的技术方案如下：

一种超高性能混凝土-高性能钢板组合加固盾构隧道衬砌衬砌结构的方法，包括以下步骤：(A)隧道管片内弧面进行凿毛处理；(B)在内弧面钻孔并植入植筋；(C)清除上述两步中产生的碎屑和灰尘；(D)制作与隧道管片形状吻合的高性能钢板，并在高性能钢板外侧壁焊接栓钉；(E)通过化学锚栓在隧道管片内弧面悬挂高性能钢板；(F)在高性能钢板和隧道管片之间的间隙浇筑超高性能混凝土。

其中，步骤(A)所述的凿毛处理是为了使超高性能混凝土与原钢筋混凝土管片的粘结更加牢固，采用凿毛机作业，要求凿毛深度5-10mm，间距30mm，凿毛率不低于90％。

其中，在步骤(B)中，避开所述隧道管片的主筋，沿所述隧道管片轴向和环向钻孔，向孔位中注入植筋胶，并植入植筋；当某些孔位位于隧道管片螺栓孔时，应该舍弃这部分孔位布置。当某些孔位钻入过程中遇到隧道管片钢筋时，应该在其附近5cm范围内重新补钻，并将遇到隧道管片钢筋的孔位用值筋胶封堵。优选地，孔位的深度为所述隧道管片厚度的1/3-1/2,钻孔位置按照田字格布置，孔位之间的间距为所述隧道管片厚度的0.3-1.0倍。

进一步地，所述植筋为L型,所述的植筋伸出隧道管片的一端设有弯钩，弯起方向与管片环向一致。

其中，步骤(C)所述清理管片内表面和植筋表面需在植筋胶固化后进行，清洁范围包括凿毛后的管片内表面以及植筋外露部分，清理手段包括扫帚清扫和水洗除尘。

其中，步骤(D)所述与隧道管片形状吻合的高性能钢板外侧焊接有栓钉，所述栓钉沿所述高性能钢板轴向和环向焊接；优选地，栓钉焊接位置按照田字格布置，间距为管片厚度的0.3-1.0倍。在纵向与上述植筋错开。

其中，所述高性能钢板由高性能钢制作而成，厚度为0.3cm-2cm。

其中，步骤(E)所述高性能钢板通过化学锚栓悬挂在隧道管片内弧面，化学锚栓的钻孔深度为管片厚度的1/3-1/2,间距为管片厚度的1.0-1.5倍。优选地，钻孔位置按照田字格布置。

其中，步骤(F)所述高性能钢板和隧道管片之间浇筑超高性能混凝土所需的模板由隧道管片内弧面悬挂的高性能钢板和侧向木质模板搭接而成，通过调整化学锚栓上的螺帽使得高性能钢板与所述植筋之间间距不小于1cm，侧向模板上沿隧道管片圆周方向等间距设置预留超高性能混凝土的浇筑口。所述超高性能混凝土由水泥、硅灰、石英粉、石英砂、钢纤维、减水剂和水配制而成，28天抗压强度不低于130MPa,抗拉强度不低于10MPa。浇筑过程按照侧向模板预留的浇筑口位置由下到上，采用分层浇筑方式，浇筑面到达浇筑口后，对当前浇筑口进行封堵，然后再从更高位置的浇筑口继续浇筑，直到整环浇筑完毕，无需特殊养护，内侧高性能钢板是永久性模板，24小时后拆除侧向模板即完成整个加固过程。

本发明还提供一种加固盾构隧道衬砌结构，包括：

隧道管片、具有预留浇筑口的侧向模板以及位于隧道管片内侧的高性能钢板，所述高性能钢板的形状与所述隧道管片的形状相适配，所述高性能钢板通过紧固件与所述隧道管片有间隙连接并围成空腔层，所述侧向模板设置于所述空腔层的轴侧以密封，通过所述浇筑口浇筑超高性能混凝土。

较佳地，所述高性能钢板与所述隧道管片同轴设置。

较佳的，所述高性能钢板采用高性能钢制作而成，厚度为0.3cm-2cm，所述高性能钢板由多块钢板通过焊接连接成整体。较佳地，所述隧道管片与所述高性能钢板的形状均为筒状。

较佳地，所述高性能钢板的外侧壁焊接有栓钉，所述隧道管片的内侧壁设有植筋，在所述空腔层的轴向方向上，所述栓钉与所述植筋错开布置。

较佳地，所述高性能钢板与所述植筋之间的距离不小于1cm。

较佳地，所述植筋沿所述隧道管片轴向方向均匀间隔排列成行，且相邻两行的所述植筋等间距布置，所述栓钉与所述植筋相互交错设置且其间预留一定的交错空隙。

进一步地，所述植筋的一端设有弯钩且裸露在所述空腔层内，远离的弯钩一端插设于所述隧道管片的内侧壁上；优选地，所述弯钩弯起方向与所述隧道管片环向保持一致。

较佳地，所述植筋的形状为L型。

较佳地，所述隧道管片的内侧壁上设有多个螺栓孔，所述螺栓孔与所述紧固件螺纹配合实现对所述高性能钢板的悬挂。

较佳地，所述紧固件为化学锚栓。

本发明充分利用了超高性能混凝土强度高、刚度大、耐久性好、界面粘结性强、渗透性低、抗火性能良好的特点，以及高性能钢强度高、韧性大、可焊性和耐腐蚀性能良好的优势。相比盾构隧道结构其他加固技术，该方法同时具备增加衬砌结构强度和刚度以及有效控制裂缝的效果，而且，该方法取材方便、施工快捷、安全可靠，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为采用本发明方法加固后的盾构隧道的结构横断面示意图；

图2为图1的A-A剖面图；

图3为采用本发明方法所述的浇筑模板架设示意图；

图4为图3的B-B剖面图。

附图标记说明：

1-隧道管片； 2-超高性能混凝土；

3-含弯钩的L型植筋； 4-高性能钢板；

5-栓钉； 6-化学锚栓；

7-接缝； 8-道床；

9-螺栓孔； 10-隧道管片环向钢筋；

11-侧向模板； 12-浇筑口。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的实施例作进一步描述。

实施例1：

参考图1-4，一种加固盾构隧道衬砌结构的方法，包括以下步骤:

在步骤(A)中，隧道管片1(简称“管片”)的内表面采用凿毛机进行凿毛处理，凿毛深度5mm，间距30mm，凿毛率90％。

在步骤(B)中，隧道管片1内表面钻孔并植入植筋3，钻孔深度约管片厚度的1/3,钻孔位置按照田字格布置，间距取150mm，使用植筋胶在孔位上并植入植筋。当某些孔位位于管片螺栓孔9或者接缝7时，应该舍弃这部分孔位布置。当某些孔位钻入过程中遇到隧道管片中的钢筋10时，应该在其附近5cm范围内重新补钻，并将遇到隧道管片的钢筋的孔位用植筋胶封堵。其中，植筋伸出隧道管片1的一端设有L型弯钩3，植筋3采用直径12mm HRB400钢筋。

在步骤(C)中，在植筋胶固化后，通过扫帚清扫和水洗除尘清理原钢筋混凝土管片1内表面和植筋3表面。

在步骤(D)中，所述高性能钢板4由高性能钢Q460制作而成，厚度为1cm。栓钉5焊接位置按照田字格布置，间距为管片厚度的1.0倍。在纵向与上述植筋3错开。其中。

在步骤(E)中，所述化学锚栓6的钻孔深度为管片厚度的1/3,钻孔位置按照田字格布置，间距为管片1厚度的1.5倍，化学锚栓6采用M10的螺栓。

在步骤(F)中，高性能钢板4与隧道管片1之间通过放置垫块控制两者间距为5cm，侧向模板11需根据放样测量得到加固面的弧度尺寸等参数，并依据此参数加工侧向模板11使其形状与加固面基本吻合。并在侧向模板11上每隔50cm预留超高性能混凝土的浇筑口12。

浇筑过程中，按照侧向模板11预留浇筑口12位置由下到上，采用分层浇筑方式，浇筑面到达浇筑口后，对当前浇筑口12进行封堵，然后再从更高位置的浇注口继续浇筑，直到整环浇筑完毕。

在步骤(F)中,超高性能混凝土2一般主要由水泥、硅灰、石英粉、石英砂、钢纤维、减水剂和水配制而成。

在浇筑完成后24小时拆除侧向模板，内侧高性能钢板作为永久模板保留。常温常压养护条件下，经检测，28天后超高性能混凝土抗压强度大于130MPa，抗拉强度大于10MPa。

实施例2：

在步骤(A)中，隧道管片1的内表面采用凿毛机进行凿毛处理，凿毛深度7mm，间距30mm，凿毛率95％。

在步骤(B)中，隧道管片1内表面钻孔并植入植筋3，钻孔深度约管片厚度的1/3,钻孔位置按照田字格布置，间距取120mm，使用植筋胶在孔位上并植入植筋。当某些孔位位于管片螺栓孔9或者接缝7时，应该舍弃这部分孔位布置。当某些孔位钻入过程中遇到隧道管片中的钢筋10时，应该在其附近5cm范围内重新补钻，并将遇到隧道管片的钢筋的孔位用植筋胶封堵。其中，植筋伸出隧道管片1的一端设有L型弯钩3，植筋3采用直径12mm HRB400钢筋。

在步骤(D)中，所述高性能钢板4由高性能钢Q690制作而成，厚度为0.6cm。栓钉5焊接位置按照田字格布置，间距为管片厚度的0.8倍。在纵向与上述植筋3错开。其中。

在步骤(E)中，所述化学锚栓6的钻孔深度为管片厚度的1/3,钻孔位置按照田字格布置，间距为管片1厚度的1.2倍，化学锚栓6采用M12的螺栓。

在步骤(F)中，高性能钢板4与隧道管片1之间通过放置垫块控制两者间距为4cm。侧向模板11需根据放样测量得到加固面的弧度尺寸等参数，并依据此参数加工侧向模板11使其形状与加固面基本吻合。并在侧向模板11上每隔50cm预留超高性能混凝土的浇筑口12。

在浇筑过程中，按照侧向模板11预留浇筑口12位置由下到上，采用分层浇筑方式，浇筑面到达浇筑口后，对当前浇筑口12进行封堵，然后再从更高位置的浇注口继续浇筑，直到整环浇筑完毕。

在浇筑完成后24小时拆除侧向模板，内侧高性能钢板作为永久模板保留。常温常压养护条件下，经检测，28天后超高性能混凝土抗压强度大于150MPa，抗拉强度大于10MPa。

实施例3：

在步骤(A)中，隧道管片1的内表面采用凿毛机进行凿毛处理，凿毛深度8mm，间距30mm，凿毛率90％。

在步骤(B)中，隧道管片1内表面钻孔并植入植筋3，钻孔深度约管片厚度的1/3,钻孔位置按照田字格布置，间距取100mm，使用植筋胶在孔位上并植入植筋。当某些孔位位于管片螺栓孔9或者接缝7时，应该舍弃这部分孔位布置。当某些孔位钻入过程中遇到隧道管片中的钢筋10时，应该在其附近5cm范围内重新补钻，并将遇到隧道管片的钢筋的孔位用植筋胶封堵。其中，植筋伸出隧道管片1的一端设有L型弯钩3，植筋3采用直径12mm HRB400钢筋。

在步骤(D)中，所述高性能钢板4由高性能钢Q890制作而成，厚度为0.4cm。栓钉5焊接位置按照田字格布置，间距为管片厚度的0.5倍。在纵向与上述植筋3错开。

在步骤(E)中，所述化学锚栓6的钻孔深度为管片厚度的1/3,钻孔位置按照田字格布置，间距为管片1厚度的1倍，化学锚栓6采用M12的螺栓。

在步骤(F)中，高性能钢板4与隧道管片1之间通过放置垫块控制两者间距为3cm。侧向模板11需根据放样测量得到加固面的弧度尺寸等参数，并依据此参数加工侧向模板11使其形状与加固面基本吻合。并在侧向模板11上每隔50cm预留超高性能混凝土的浇筑口12。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。实施例中，隧道管片外直径为6200mm，隧道管片1厚度为350mm，轴向长度为1200mm；隧道管片由6块钢筋混凝土管片通缝拼装而成，接缝6分别在8°、73°、138°、222°、287°、352°位；采用上述加固方法时，超高性能混凝土2的厚度为3cm-5cm,高性能钢板4的厚度为0.5cm-1.0cm,高性能钢材牌号包括Q460、Q690、Q890，植筋3直径为10mm-12mm的HRB400钢筋，化学锚栓6直径为M10-M12的螺栓。目前工程界常见的外径6-15m的盾构隧道衬砌结构均可使用本发明提供的方法进行加固，实施中根据实际需要调整超高性能混凝土和高性能钢板的厚度，植筋、化学锚栓和栓钉的直径和间距。

本发明提出了一种加固盾构隧道衬砌结构的方法，具体实施步骤包括：凿毛处理；钻孔植筋；清理除尘；制作高性能钢板；焊接栓钉；通过化学锚栓悬挂钢板，相邻钢板通过焊接连接；浇筑超高性能混凝土；拆除侧向模板。本发明充分利用了超高性能混凝土强度高、刚度大、耐久性好、界面粘结性强、渗透性低、抗火性能良好的特点，以及高性能钢强度高、韧性大、可焊性和耐腐蚀性能良好的优势。相比盾构隧道结构其他加固技术，该方法同时具备增加衬砌结构强度和刚度以及有效控制裂缝的效果，而且，该方法取材方便、施工快捷、安全可靠。

本发明还提供一种加固盾构隧道衬砌结构，包括：隧道管片、具有预留浇筑口的侧向模板以及位于隧道管片内侧的高性能钢板，所述高性能钢板的形状与所述隧道管片的形状相适配，所述高性能钢板通过紧固件与所述隧道管片有间隙连接并围成空腔层，即环形通道，所述侧向模板设置于所述空腔层的轴侧以密封，通过所述浇筑口浇筑超高性能混凝土。侧向木质模板上沿圆周方向等间距设置预留的浇筑口，浇筑过程按照预留的浇筑口位置由下到上，采用分层浇筑方式，浇筑面到达浇筑口后，对当前浇筑口进行封堵，然后再从更高位置的浇筑口继续浇筑，直到整环浇筑完毕

较佳地，所述高性能钢板与所述隧道管片同轴设置。

较佳地，所述隧道管片与所述高性能钢板的形状均为筒状。

较佳地，所述高性能钢板与所述植筋之间的间距不小于1cm。

较佳地，所述植筋沿所述隧道管片轴向方向均匀间隔排列成行，且相邻两行的所述植筋等间距布置，所述栓钉的数量与所述植筋相适应，所述栓钉与所述植筋相互交错设置且其间预留一定的交错空隙。例如，避开所述隧道管片的主筋，沿所述隧道管片轴向和环向钻孔，向孔位中注入植筋胶，并植入植筋，所述植筋部分裸露在所述隧道管片外，优选地，所述植筋孔位的深度为所述隧道管片厚度的1/3-1/2,钻孔位置按照田字格布置，孔位之间的间距为所述隧道管片厚度的0.3-1.0倍。

较佳地，所述植筋的形状为L型。

较佳地，所述隧道管片的内侧壁上设有多个螺栓孔，所述螺栓孔与所述紧固件螺纹配合实现对所述高性能钢板的悬挂。所述高性能钢板采用高性能钢制作而成，厚度为0.3cm-2cm，所述高性能钢板是由多块钢板焊接而成。

较佳地，所述紧固件为化学锚栓。所述化学锚栓的钻孔深度为隧道管片厚度的1/3-1/2,钻孔位置按照田字格布置，间距为管片厚度的1.0-1.5倍。

熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这一实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种加固盾构隧道衬砌结构的方法，其特征在于，包括以下步骤:

(A)隧道管片内弧面进行凿毛处理；

(B)在隧道管片的内弧面钻孔并植入植筋；

(C)清除上述两步中产生的碎屑和灰尘；

(D)制作与所述隧道管片形状相适应的高性能钢板，在所述高性能钢板的外表面焊接栓钉；

(E)所述高性能钢板通过化学锚栓悬挂在所述隧道管片的内弧面上；

(F)向所述高性能钢板与所述隧道管片之间的间隙浇筑超高性能混凝土，并将混凝土养护到设计强度。

2.根据权利要求1所述的加固盾构隧道衬砌结构的方法，其特征在于，在步骤(B)中，避开所述隧道管片的主筋，沿所述隧道管片轴向和环向钻孔，向孔位中注入植筋胶，并植入植筋；

优选地，孔位的深度为所述隧道管片厚度的1/3-1/2,钻孔位置按照田字格布置，孔位之间的间距为所述隧道管片厚度的0.3-1.0倍。

3.根据权利要求1或2所述的加固盾构隧道衬砌结构的方法，其特征在于，所述植筋为L型,其弯钩部分裸露在所述隧道管片外。

4.根据权利要求1所述的加固盾构隧道衬砌结构的方法，其特征在于，在步骤(C)中，通过扫帚清扫和水洗除尘方式清理隧道管片内表面及植筋表面。

5.根据权利要求1所述的加固盾构隧道衬砌结构的方法，其特征在于，在步骤(D)中，所述栓钉沿高性能钢板的轴向和环向焊接，所述栓钉在隧道管片轴向方向与所述植筋错开布置；

优选地，所述栓钉焊接位置按照田字格布置，间距为隧道管片厚度的0.3-1.0倍。

6.根据权利要求1所述的加固盾构隧道衬砌结构的方法，其特征在于，所述高性能钢板采用高性能钢制作而成，厚度为0.3cm-2cm，所述高性能钢板由多块钢板通过焊接连接成整体。

7.根据权利要求1所述的加固盾构隧道衬砌结构的方法，其特征在于，在(E)步骤中，沿所述隧道管片轴向和环向钻孔并植入化学锚栓，所述化学锚栓的钻孔深度为隧道管片厚度的1/3-1/2，间距为隧道管片厚度的1.0-1.5倍；

优选地，化学锚栓的钻孔位置按照田字格布置。

8.根据权利要求1所述的加固盾构隧道衬砌结构的方法，其特征在于，在步骤(F)中，所述浇筑超高性能混凝土所需的模板由隧道管片内内弧面悬挂的高性能钢板和侧向木质模板搭接而成，通过调整化学锚栓上的螺帽使得高性能钢板与所述植筋之间的距离不小于1cm。

9.根据权利要求8所述的加固盾构隧道衬砌结构的方法，其特征在于，所述侧向木质模板上沿圆周方向等间距设置预留的浇筑口，浇筑过程按照预留的浇筑口位置由下到上，采用分层浇筑方式，浇筑面到达浇筑口后，对当前浇筑口进行封堵，然后再从更高位置的浇筑口继续浇筑，直到整环浇筑完毕；

优选地，所述超高性能混凝土由水泥、硅灰、石英粉、石英砂、钢纤维、减水剂和水配制而成，养护28d后，其抗压强度不低于130MPa,抗拉强度不低于10MPa。