CN112392504A - 一种隧道用自防水波形钢板衬砌结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道用自防水波形钢板衬砌结构，该结构适用于采用钻爆法及类似工法施工的隧道工程，也可应用于运营隧道的加固，该结构由多片预制的波形钢板在环向和纵向分别通过纵向接头和环向接头进行防水固接组合成型，所述的波形钢板在纵向接头和环向接头位置处分别设有钢板沟槽，并且通过在相邻波形钢板的钢板沟槽内黏贴并压紧设置止水密封垫实现防水密封，所述的波形钢板的正投影形状为矩形，其垂直于波形延伸方向的边呈圆弧型，平行于波形延伸方向的边呈波浪型，与现有技术相比，本发明具有自防水能力强、降低后期隧道运营维护成本、精度要求较低、拼装难度较小、利于机械化智能化施工等优点。

Description

一种隧道用自防水波形钢板衬砌结构

技术领域

本发明涉及隧道工程领域，尤其是涉及一种隧道用自防水波形钢板衬砌结构。

背景技术

随着隧道工程的不断发展，波形钢板衬砌结构在采用钻爆法及类似工法施工的隧道工程中的应用案例越来越多。然而，较多的工程应用把波形钢板衬砌结构作为型钢拱架的简单替换，采用波形钢板支护时，仍施作防水板，从而对波形钢板的自防水构造处理较为粗糙，甚至不考虑波形钢板的自防水。由于防水板的耐久性较差，防水能力也较弱，因此考虑细化波形钢板构造，使得波形钢板衬砌具有较强的自防水能力，取消防水板的铺设，在简化施工工序，加快施工进度，降低工程造价等方面具有重要的工程意义。

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用自防水波形钢板衬砌结构。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种隧道用自防水波形钢板衬砌结构，采用钻爆法及类似工法施工的隧道工程，也可应用于运营隧道的加固，该结构由多片预制的波形钢板在环向和纵向分别通过纵向接头和环向接头进行防水固接组合成型，所述的波形钢板在纵向接头和环向接头位置处分别设有钢板沟槽，并且通过在相邻波形钢板的钢板沟槽内黏贴并压紧设置止水密封垫实现防水密封，所述的波形钢板的正投影形状为矩形，其垂直于波形延伸方向的边呈圆弧型，平行于波形延伸方向的边呈波浪型。

所述的环向接头包括与在波形钢板垂直于波形延伸方向的边一体成型的圆弧形翼缘以及用以连接纵向相邻两块波形钢板翼缘的环向接头螺栓，在轧制过程中轧制设置环向止水密封垫的环向沟槽，所述的环向沟槽的截面底边和两侧边均为直边，并且两侧边分别与底边和翼缘表面通过圆弧平滑连接，所述的环向接头螺栓设有多排并错位安装，且安装在环向沟槽远离围岩一侧实现止水密封。

所述的纵向接头包括与波形钢板平行于波形延伸方向的边焊接成型的接头钢板以及用以连接环向相邻两块波形钢板的接头钢板的纵向接头螺栓，在轧制过程中轧制设置纵向止水密封垫的纵向沟槽，所述的纵向沟槽的截面底边和两侧边均为直边，并且两侧边分别与底边和接头钢板表面通过圆弧平滑连接，所述的纵向接头螺栓设有两排并错位安装，且安装在环向沟槽远离围岩一侧实现止水密封。

当需要进行加强节点止水密封时，所述的环向接头螺栓和纵向接头螺栓分别固定设置在对应环向沟槽或纵向沟槽两侧，实现止水密封垫的双侧加强密封，此时环向接头也需要采用在波形钢板边缘焊接接头钢板，确保密封垫与围岩间螺栓孔设置在接头钢板上，波形钢板上不出现螺栓孔，不破坏波形钢板的密封防水能力。

所述的环向止水密封垫和纵向止水密封垫均为具有压缩性的多孔橡胶密封垫，分别通过胶粘剂黏贴定位在对应的环向沟槽和纵向沟槽内，该环向止水密封垫和纵向止水密封垫的结构相同，其截面轮廓由呈直线的上顶面和下底面以及左右两侧呈折线形的突出部构成，在上顶面和下底面之间的部分开设左右对称的双排马蹄形通孔，该双排马蹄形通孔的底面相对设置，在左、右突出部处还分别开设一个左、右朝向的马蹄形通孔，所述的下底面与沟槽底面粘合，并且通过圆弧与突出部平滑连接，相邻波形钢板的止水密封垫的上顶面相互压紧，实现止水密封。

所述的纵向接头的接头钢板考虑纵向沟槽以及注浆浆液填充密实程度需要进行布置，其在靠近围岩侧与波形钢板波峰焊接的区段，外边界与波峰一致为曲线，与波谷焊接的区段，外边界与纵向沟槽外边界一致为直线，此时，接头钢板仅沿纵向沟槽远离围岩方向设置螺栓孔，在采用加强节点止水密封构造时，波形钢板的四周均焊接投影面均为矩形的接头钢板，且沿沟槽内外侧均设置螺栓孔，用以增大钢板对密封垫的压力，提高接头的防水能力。

对于地下工程耐久性要求，所述的波形钢板及其配件经过防腐处理，或采用不锈钢材料轧制。

对于软弱围岩段，波形钢板衬砌采用考虑仰拱的封闭式波形钢板衬砌，对于稳定围岩段，波形钢板衬砌采用不考虑仰拱的开放式波形钢板衬砌。

该衬砌结构的构造方法包括以下步骤：

1)进行衬砌结构用波形钢板的预制，并在波形钢板上设置用以安装密封垫的沟槽；

2)在波形钢板的纵向和环向沟槽内黏贴止水密封垫；

3)按设计进尺进行隧道全断面开挖，当存在仰拱时，预先进行仰拱边界整理，设置必需的垫块，确保在波形钢板拼装后，衬砌结构底部具有有效的支撑；

4)进行波形钢板抓取、定位及螺栓的安装，完成波形钢板衬砌结构的拼装；

5)进行波形钢板衬砌环端头封堵，并进行波形钢板衬砌环与围岩间空隙的注浆填充，完成隧道衬砌结构的施工。

当采用系统锚杆加固围岩时，为加强系统锚杆与波形钢板衬砌之间的联系，同时不破坏波形钢板的防水性能，在系统锚杆端部设置C型连接件，并且在波形钢板上通过加劲板焊接O型连接件，该C型连接件与O型连接件相互挂接固定，实现系统锚杆与波形钢板衬砌的有效连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、由于本申请采用耐久性更好、耐水压力更强的止水密封垫，代替传统耐久性差、耐水压力弱的防水板进行隧道衬砌结构防水，能够从本质上提高隧道衬砌结构的自防水能力，节省工程投资，降低后期隧道运营维护成本，因此本发明特别适用于高水压情况下隧道的全包防水。

二、本发明所提出的波形钢板构造形式，在纵向和环向分别设置沟槽，在拼装前在沟槽内黏贴止水密封垫，通过螺栓对钢板施加压力压紧密封垫从而使得波形钢板衬砌接头具有防水能力，这种构造形式对波形钢板螺栓孔精度的要求较低，拼装难度较小。

三、本发明所提出的波形钢板构造形式简单，波形钢板采用工厂化预制，现场拼装，波形钢板的制作精度和质量控制可以得到保证，利于机械化智能化施工。

附图说明

图1为带仰拱有系统锚杆情形的隧道用自防水波形钢板衬砌横断面图，即图2 中的A-A截面。

图2为带仰拱有系统锚杆情形的隧道用自防水波形钢板衬砌纵断面图，即图1 中的1-1截面。

图3为有系统锚杆情形的节点A波形钢板衬砌环向接头详图。

图4为有系统锚杆情形的节点B波形钢板衬砌纵向接头详图。

图5为有系统锚杆情形的加强型节点A波形钢板衬砌环向接头详图。

图6为有系统锚杆情形的加强型节点B波形钢板衬砌纵向接头详图。

图7为无仰拱无系统锚杆情形的隧道用自防水波形钢板衬砌横断面图，即图8 中的B-B截面。

图8为无仰拱无系统锚杆情形的隧道用自防水波形钢板衬砌纵断面图，即图7 中的2-2截面。

图9为无系统锚杆情形的节点A波形钢板衬砌环向接头详图。

图10为无系统锚杆情形的节点B波形钢板衬砌纵向接头详图。

图11为波形钢板沟槽详图。

图12为止水密封垫详图。

图13为组装密封垫后的钢板接头止水构造示意图。

图14为隧道用自防水波形钢板衬砌接头钢板轮廓。

图15为加强型隧道用自防水波形钢板衬砌接头钢板轮廓。

图16为系统锚杆端部连接的C型连接件(沿隧道断面环向)。

图17为O型连接件与加劲板(沿隧道轴线方向)。

图18为运营隧道用自防水波形钢板加固横断面图，即图19中的C-C截面。

图19为运营隧道用自防水波形钢板加固纵断面图，即图18中的3-3截面。

图20为运营隧道用自防水波形钢板加固波形钢板衬砌环向接头详图。

图21为运营隧道用自防水波形钢板加固波形钢板衬砌纵向接头详图。

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1-新建隧道衬砌结构

分别如图1、图2和图7、8所示，本发明提供一种隧道用自防水波形钢板衬砌结构，适用于施作新建钻爆法隧道初衬，也可应用于棚洞、涵洞等地下工程，该结构由多片预制的波形钢板在环向和纵向分别通过纵向接头和环向接头进行防水固接组合成型，波形钢板在纵向接头和环向接头位置处分别设有钢板沟槽，并且通过在相邻波形钢板的钢板沟槽内黏贴并压紧止水密封垫实现防水密封，波形钢板的正投影形状为矩形，其垂直于波形延伸方向的边呈圆弧型，平行于波形延伸方向的边呈波浪型。

如图3和11所示，环向接头包括与在波形钢板垂直于波形延伸方向的边一体成型的圆弧形翼缘以及用以连接纵向相邻两块波形钢板翼缘的环向接头螺栓，在轧制过程中轧制设置环向止水密封垫的环向沟槽，环向沟槽的截面底边和两侧边均为直边，并且两侧边分别与底边和翼缘表面通过圆弧平滑连接，环向接头螺栓设有多排并错位安装，且安装在环向沟槽远离围岩一侧实现止水密封。

如图4和11所示，纵向接头包括与波形钢板平行于波形延伸方向的边焊接成型的接头钢板以及用以连接环向相邻两块波形钢板的接头钢板的纵向接头螺栓，在轧制过程中轧制设置纵向止水密封垫的纵向沟槽，纵向沟槽的截面底边和两侧边均为直边，并且两侧边分别与底边和接头钢板表面通过圆弧平滑连接，纵向接头螺栓设有两排并错位安装，且安装在环向沟槽远离围岩一侧实现止水密封。

该隧道用自防水波形钢板衬砌结构，其接头的防水能力，可根据工程需要进行调整，优化接头钢板连接方式、沟槽形式以及密封垫的断面形式，当需要进行加强节点止水密封时，采用密封垫双侧均设置螺栓的形式，波形钢板纵向和环向接头均采用接头钢板与波形钢板焊接，由于波形钢板与围岩间空间的限制，连接接头用的密封垫与围岩间螺栓的安装需要采用高灵活性机械臂辅助施工。

如图5和6所示，当需要加强节点止水密封时，环向接头螺栓和纵向接头螺栓分别固定设置在对应环向沟槽或纵向沟槽两侧，实现止水密封垫的双侧受力，增大密封垫的压缩力，提高钢板接头的止水能力。

如图12和13所示，环向止水密封垫和纵向止水密封垫均为具有压缩性的多孔橡胶密封垫，分别通过胶粘剂黏贴定位在对应的环向沟槽和纵向沟槽内，该环向止水密封垫和纵向止水密封垫的结构相同，其截面轮廓由呈直线的上顶面和下底面以及左右两侧呈折线形的突出部构成，在上顶面和下底面之间的部分开设左右对称的双排马蹄形通孔，该双排马蹄形通孔的底面相对设置，在左、右突出部处还分别开设一个左、右朝向的马蹄形通孔，下底面与沟槽底面粘合，并且通过圆弧与突出部平滑连接，相邻波形钢板的止水密封垫的上顶面相互压紧，实现止水密封。

如图14所示，纵向接头的接头钢板考虑纵向沟槽以及注浆浆液填充密实程度需要进行布置，其在靠近围岩侧与波形钢板波峰焊接的区段，外边界与波峰一致为曲线，与波谷焊接的区段，外边界与纵向沟槽外边界一致为直线，如图15所示，当需要进行加强节点止水密封时，接头钢板的外轮廓统一为直线。

对于地下工程耐久性要求，波形钢板及其配件经过防腐处理，或采用不锈钢材料轧制。

对于软弱围岩段，波形钢板衬砌采用考虑仰拱的封闭式波形钢板衬砌，如图1、图2所示；对于稳定围岩段，波形钢板衬砌采用不考虑仰拱的开放式波形钢板衬砌，如图7、8所示。

该波形钢板衬砌结构的构造方法以下步骤：

1)进行隧道衬砌结构用波形钢板预制，波形钢板四周设置沟槽；

2)在波形钢板四周沟槽设置止水密封垫；

3)按设计进尺进行隧道全断面开挖；

4)进行波形钢板抓取、定位及螺栓安装，完成波形钢板衬砌结构的拼装；

5)进行隧道围岩与波形钢板间空隙注浆填充，完成隧道衬砌施工。

在步骤1)中，确定波形钢板宽度后，垂直于波形方向的波形钢板两侧翼缘在轧制过程中需要轧制止水密封垫的沟槽，在平行于波形钢板波形方向的波形钢板两边，采用钢板作为接头板，接头板需轧制止水密封垫的沟槽，该接头钢板在波形钢板靠近围岩侧与波形钢板轮廓一致，接头钢板与波形钢板在工厂焊接为整体，确保焊接质量。

在步骤2)中，根据止水密封水压力的要求，进行接头止水密封垫的设计，所采用的止水密封垫为多孔橡胶材料，确保密封垫具有较大的压缩性，且密封防水能力能达到设计要求，采用单组份管片专用胶粘剂将止水密封垫黏贴定位在波形钢板构件四边的沟槽内。

在步骤3)中，要求隧道采用全断面施工，波形钢板拼装一次成环；当存在仰拱时，应预先进行仰拱边界整理，设置必要的垫块，确保波形钢板拼装后，衬砌结构底部具有有效的支撑。

若开挖后围岩无法自立，或存在高地应力岩爆风险时，进行喷射混凝土护面，施工掌子面全断面超前加固和掌子面周边超前加固、掌子面周边系统锚杆，如图 1-4所示，在采用系统锚杆加固围岩时，为加强系统锚杆与波形钢板衬砌之间的联系，同时不破坏波形钢板的防水性能，在系统锚杆端部连接C型连接件，在波形钢板上通过加劲板焊接O型连接件，进行系统锚杆与波形钢板衬砌的有效连接。

在步骤5)中，进行波形钢板衬砌环端头封堵，进行波形钢板衬砌环与围岩间空隙填充。

实施例2-运营隧道全断面波形钢板加固结构

该波形钢板结构进行运营隧道加固的构造方法以下步骤：

1)定位并评估隧道损坏情况，制定加固方案；

2)进行波形钢板和止水密封垫的预制；

3)对混凝土表面进行污渍清理、凿毛并清除表面损伤，进行混凝土深部损伤的必要处理；

4)进行波形钢板定位拼装；

5)采用混凝土进行波形钢板与混凝土管片间空隙填充，完成加固工作。

在步骤1)中，确定波形钢板加固方案后，根据隧道防水需要，确定止水密封垫的抗水压能力，并进行对应的沟槽和密封垫的设计。

在步骤2)中，进行波形钢板和止水密封垫的预制，确保加工精度，为保证波形钢板与填充混凝土的粘结强度，必要时需在波形钢板上设置栓钉进行加固(加固结构如图18-21所示)。

在步骤3)中，需要加固的隧道结构，不可避免地存在深部、表面损伤以及表面污渍，除进行表面损伤清除、深部损伤的必要处理外，还需对混凝土表面进行清理并凿毛，增大新老混凝土之间的粘结强度。

在步骤3)中，根据被加固隧道防排水设计体系及现状的判断，确定波形钢板的防排水设计原则，在波形钢板与运营隧道裂损结构间设计并施作排水体系，将裂损结构渗漏水通过排水体系排出隧道。

在步骤4)中，进行隧道全断面加固过程中，波形钢板纵缝为错缝拼装，环缝为通缝。

在步骤5)中，进行波形钢板与隧道裂损结构间混凝土填充时，应进行波形钢板衬砌环端头封堵，确保填充过程中混凝土密实。

实施例中，考虑地下工程耐久性要求，所采用的波形钢板及其配件应经过严格的防腐处理，或采用不锈钢材料进行轧制。

本申请所提出的一种隧道用自防水波形钢板衬砌结构，适用于采用钻爆法及类似工法施工的隧道工程，也可应用于运营隧道混凝土结构加固，包括软弱围岩段考虑仰拱的封闭式波形钢板衬砌、稳定围岩段不考虑仰拱的开放式波形钢板衬砌；采用锚杆与波形钢板通过C型和O型连接件或其他形式的连接件进行连接的衬砌(如图16、17所示)；连接件通过加劲板与波形钢板连接以及连接件直接与波形钢板连接等形式；以及其他与本申请相似思路的隧道用自防水钢板衬砌结构。

Claims (10)

1.一种隧道用自防水波形钢板衬砌结构，其特征在于，该结构由多片预制的波形钢板在环向和纵向分别通过纵向接头和环向接头进行防水固接组合成型，所述的波形钢板在纵向接头和环向接头位置处分别设有钢板沟槽，并且通过在相邻波形钢板的钢板沟槽内黏贴并压紧设置止水密封垫实现防水密封，所述的波形钢板的正投影形状为矩形，其垂直于波形延伸方向的边呈圆弧型，平行于波形延伸方向的边呈波浪型。

2.根据权利要求1所述的一种隧道用自防水波形钢板衬砌结构，其特征在于，所述的环向接头包括与在波形钢板垂直于波形延伸方向的边一体成型的圆弧形翼缘以及用以连接纵向相邻两块波形钢板翼缘的环向接头螺栓，在轧制过程中轧制设置环向止水密封垫的环向沟槽，所述的环向沟槽的截面底边和两侧边均为直边，并且两侧边分别与底边和翼缘表面通过圆弧平滑连接，所述的环向接头螺栓设有多排并错位安装，且安装在环向沟槽远离围岩一侧实现止水密封。

3.根据权利要求2所述的一种隧道用自防水波形钢板衬砌结构，其特征在于，所述的纵向接头包括与波形钢板平行于波形延伸方向的边焊接成型的接头钢板以及用以连接环向相邻两块波形钢板的接头钢板的纵向接头螺栓，在轧制过程中轧制设置纵向止水密封垫的纵向沟槽，所述的纵向沟槽的截面底边和两侧边均为直边，并且两侧边分别与底边和接头钢板表面通过圆弧平滑连接，所述的纵向接头螺栓设有两排并错位安装，且安装在环向沟槽远离围岩一侧实现止水密封。

4.根据权利要求3所述的一种隧道用自防水波形钢板衬砌结构，其特征在于，当需要进行加强节点止水密封时，所述的环向接头螺栓和纵向接头螺栓分别固定设置在对应环向沟槽或纵向沟槽两侧，实现止水密封垫的双侧加强密封，此时，环向接头采用在波形钢板边缘焊接的接头钢板，环向止水密封垫与围岩间的螺栓孔设置在接头钢板上。

5.根据权利要求3所述的一种隧道用自防水波形钢板衬砌结构，其特征在于，所述的环向止水密封垫和纵向止水密封垫均为具有压缩性的多孔橡胶密封垫，分别通过胶粘剂黏贴定位在对应的环向沟槽和纵向沟槽内，该环向止水密封垫和纵向止水密封垫的结构相同，其截面轮廓由呈直线的上顶面和下底面以及左右两侧呈折线形的突出部构成，在上顶面和下底面之间的部分开设左右对称的双排马蹄形通孔，该双排马蹄形通孔的底面相对设置，在左、右突出部处还分别开设一个左、右朝向的马蹄形通孔，所述的下底面与沟槽底面粘合，并且通过圆弧与突出部平滑连接，相邻波形钢板的止水密封垫的上顶面相互压紧，实现止水密封。

6.根据权利要求3所述的一种隧道用自防水波形钢板衬砌结构，其特征在于，所述的纵向接头的接头钢板考虑纵向沟槽以及注浆浆液填充密实程度需要进行布置，其在靠近围岩侧与波形钢板波峰焊接的区段，外边界与波峰一致为曲线，与波谷焊接的区段，外边界与纵向沟槽外边界一致为直线，此时，接头钢板仅沿纵向沟槽远离围岩方向设置螺栓孔，在采用加强节点止水密封构造时，波形钢板的四周均焊接投影面均为矩形的接头钢板，且沿沟槽内外侧均设置螺栓孔，用以增大钢板对止水密封垫的压力，提高接头的防水能力。

7.根据权利要求1所述的一种隧道用自防水波形钢板衬砌结构，其特征在于，对于地下工程耐久性要求，所述的波形钢板及其配件经过防腐处理，或采用不锈钢材料轧制。

8.根据权利要求1所述的一种隧道用自防水波形钢板衬砌结构，其特征在于，对于软弱围岩段，波形钢板衬砌采用考虑仰拱的封闭式波形钢板衬砌，对于稳定围岩段，波形钢板衬砌采用不考虑仰拱的开放式波形钢板衬砌。

9.根据权利要求1所述的一种隧道用自防水波形钢板衬砌结构，其特征在于，该衬砌结构的构造方法包括以下步骤：

1)进行衬砌结构用波形钢板的预制，并在波形钢板上设置用以安装密封垫的沟槽；

2)在波形钢板的纵向和环向沟槽内黏贴止水密封垫；

3)按设计进尺进行隧道全断面开挖，当存在仰拱时，预先进行仰拱边界整理，设置必需的垫块，确保在波形钢板拼装后，衬砌结构底部具有有效的支撑；

4)进行波形钢板抓取、定位及螺栓的安装，完成波形钢板衬砌结构的拼装；

5)进行波形钢板衬砌环端头封堵，并进行波形钢板衬砌环与围岩间空隙的注浆填充，完成隧道衬砌结构的施工。

10.根据权利要求9所述的一种隧道用自防水波形钢板衬砌结构，其特征在于，所述的步骤3)中，当采用系统锚杆加固围岩时，为加强系统锚杆与波形钢板衬砌之间的联系，同时不破坏波形钢板的防水性能，在系统锚杆端部设置C型连接件，并且在波形钢板上通过加劲板焊接O型连接件，该C型连接件与O型连接件相互挂接固定，实现系统锚杆与波形钢板衬砌的有效连接。

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