CN112627854A - 一种粘土隧洞钢衬混凝土浇筑抗浮结构及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种粘土隧洞钢衬混凝土浇筑抗浮结构及施工方法，设置在粘土隧洞内部的钢衬，隧洞内壁上设置两个半环形钢拱架支护，并在隧洞腰部通过拼接板结构进行连接，钢拱架支护设置于隧洞内壁上的混凝土层内，隧洞底部设置混凝土底板，混凝土底板内部设置工字钢，隧洞顶拱位置设置钉板，所述拼接板结构、工字钢以及钉板均与钢衬的加劲环相连接，钢衬的内部设置可伸缩的组合式支撑结构；解决了分层浇筑和普通钢衬内支撑带来的各种施工弊端，不仅能有效抵抗混凝土浇筑浮力，实现回填混凝土的连续浇筑，还避免了内支撑安装时对钢衬内表面的破坏和防腐材料的二次涂刷。
Description
技术领域
本发明涉及水利水电工程的隧洞施工领域，具体涉及一种粘土隧洞钢衬混凝土浇筑抗浮结构及施工方法。
背景技术
水利水电工程中的水工隧洞一般为钢筋混凝土或钢衬混凝土结构，其中钢衬混凝土结构主要用于引水压力较大或对隧洞渗漏要求比较严格的情况。当混凝土结构的裂缝控制标准比较苛刻，采用钢筋混凝土结构导致钢筋配筋率过大，施工困难时也会采用钢衬混凝土结构。钢衬混凝土结构一般在开挖后的隧洞中首先安装钢衬，然后采用混凝土回填钢衬和开挖面之间的空间，形成一种组合结构，以满足隧洞运行时的联合受力要求。
当钢管直径较大时，混凝土浇筑施工会在钢衬上产生相当大的浮力，若钢衬支撑不足会发生位移或者变形，进而破坏钢衬焊缝和影响整体结构施工质量。当隧洞位于岩石中时，可采用在岩石中设置抗浮砂浆锚杆，利用砂浆锚杆的拉拔力抵抗混凝土浇筑产生的浮力。当隧洞位于粘土中时，由于土体和锚杆的粘聚力较小，抗浮砂浆锚杆无法使用。
为了解决粘土隧洞中的钢衬抗浮问题，通常将混凝土进行分层浇筑来减小混凝土浇筑过程中产生的浮力。分层浇筑一方面会产生水平施工缝破坏回填混凝土的整体性，另一方面大大减小了混凝土的浇筑速度，延长了施工工期，造成了施工资源的浪费和施工成本的增加。
钢衬内支撑是为了使混凝土浇筑时钢衬不发生应力集中和过大变形。目前工程中使用的钢支撑需要将支撑脚座直接焊接在钢衬内表面，通过焊接将内支撑和钢衬连接在一起。由于内支撑安装前钢管内表面已经完成了防腐材料的涂刷，这种直接焊接的做法一方面会损伤了防腐涂层和钢衬母材，另一方面内支撑拆除后，需要对钢衬内表面重新进行打磨和防腐材料涂刷，程序复杂，影响钢衬施工质量。
发明内容
本发明的第一个目的在于，提供一种粘土隧洞钢衬混凝土浇筑抗浮结构，解决了分层浇筑和普通钢衬内支撑带来的各种施工弊端，不仅能有效抵抗混凝土浇筑浮力，实现回填混凝土的连续浇筑，还避免了内支撑安装时对钢衬内表面的破坏和防腐材料的二次涂刷。
为此，本发明采用以下技术方案：
一种粘土隧洞钢衬混凝土浇筑抗浮结构，其特征在于：设置在粘土隧洞内部的钢衬，其特征在于：隧洞内壁上设置两个半环形钢拱架支护，并在隧洞腰部通过拼接板结构进行连接，钢拱架支护设置于隧洞内壁上的混凝土层内，隧洞底部设置混凝土底板，混凝土底板内部设置工字钢，隧洞顶拱位置设置钉板，所述拼接板结构、工字钢以及钉板均与钢衬的加劲环相连接，钢衬的内部设置可伸缩的组合式支撑结构。
进一步的：所述拼接板结构包括第一钢板和第二钢板，第一钢板和第二钢板分别与两个半环形钢拱架支护相连接，第一钢板和第二钢板上设置螺栓孔。
进一步的：所述第一钢板伸出混凝土层的部位连接方钢，方钢沿隧洞轴线方向延伸，且与多个第一钢板相连接，方钢通过腰部槽钢与钢衬的加劲环相连。
进一步的：所述工字钢设有两道，布置在隧洞中心线的两侧，工字钢的翼缘上表面与混凝土底板上表面接近齐平，工字钢上部通过底板槽钢与钢衬的加劲环相连，工字钢翼缘的宽度大于底板槽钢高度。
进一步的：所述混凝土底板内设置支撑结构，支撑结构包括两根插筋和水平钢筋，插筋的底部与混凝土层相连，两根插筋顶部点焊连接水平钢筋，水平插筋与工字钢底部连接。
进一步的：所述支撑结构沿工字钢延伸方向设置多排。
进一步的：所述钉板包括长锚钉和方形钢板构成，长锚钉穿过混凝土层并深入隧洞内壁，方形钢板通过顶部槽钢与钢衬的加劲环相连接。
进一步的：所述组合式支撑结构设置多个内支撑，内支撑包括撑杆、螺母、钢脚座、木螺丝以及弧形木垫，撑杆的一端焊接两颗螺母，撑杆通过螺母和钢脚座相连，钢脚座通过旋转实现伸缩，钢脚座通过弧形木垫与钢衬内壁相固定，钢脚座与弧形木垫之间通过木螺丝连接。
进一步的：所述内支撑的撑杆数量根据钢衬的直径、厚度以及加劲环的分布进行确定。
本发明的另一个目的是提供上述的一种粘土隧洞钢衬混凝土浇筑抗浮结构的施工方法，为此，本发明采用以下技术方案：
S1：粘土隧洞开挖期间，对隧洞进行钢拱架支护时，在隧洞腰部设置拼接板结构对两个半环形钢拱架进行拼接，并将拼接板结构的第一钢板的长度加大，钢拱架安装完成后，隧洞进行混凝土层施工，第一钢板将会露出喷混凝土表面，第二钢板则被完全埋入混凝土层中；
S2：在隧洞底板位置浇筑一层混凝土底板，作为钢衬安装和运输施工通道，在混凝土底板浇筑前预埋两道工字钢，并在工字钢底部设置支撑结构，支撑结构下部与隧洞底部的混凝土层固定；
S3：在隧洞顶拱两侧混凝土层钻孔后，灌入速凝砂浆，并迅速插入预制钉板，利用砂浆的粘结力固定钉板；
S4：将钢衬运输至隧洞内，并焊接安装完成，将钢衬的加劲环和拼接板结构、工字钢以及钉板进行连接；
S5：在钢衬的内部安装组合式支撑结构，在撑杆和钢脚座基本就位后，将弧形木垫插入钢脚座外侧，旋转钢脚座使其紧贴弧形木垫，最后采用木螺丝通过预留在钢脚座上的预留螺丝孔将钢脚座和弧形木垫固定在一起。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明解决了分层浇筑和普通钢衬内支撑带来的各种施工弊端，利用粘土隧洞钢衬混凝土的结构特点，对钢衬在混凝土浇筑期间的抗浮设计进行了多项创新，以实现混凝土的连续浇筑，不仅能有效抵抗混凝土浇筑浮力，实现回填混凝土的连续浇筑，还避免了内支撑安装时对钢衬内表面的破坏和防腐材料的二次涂刷，从而加快施工进度、节约施工成本和提高施工质量。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明隧洞腰部钢衬连接的平面示意图；
图3是工字钢的安装示意图；
图4是钉板的结构示意图；
图5是组合式支撑结构的剖面示意图；
图6是组合式支撑结构的平面示意图。
附图中的标记为：1-粘土隧洞，2-钢拱架，3-第一钢板，4-第二钢板，5-螺栓，6-混凝土层，7-钢衬，8-混凝土底板，9-工字钢，10-插筋，11-水平钢筋，12-钉板，13-锚钉，14-方形钢板，15-速凝砂浆，16-底板槽钢，17-方钢，18-腰部槽钢，19-顶部槽钢，20-加劲环，21-内支撑，22-撑杆，23-螺母，24-钢脚座，25-木螺丝，26-弧形木垫，27-圆环片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
如图1-图6所示，本发明提供的一种粘土隧洞钢衬混凝土浇筑抗浮结构，设置在粘土隧洞1内部的钢衬7，隧洞内壁上设置两个半环形钢拱架支护2，并在隧洞腰部通过拼接板结构进行连接，钢拱架支护2设置于隧洞内壁上的混凝土层6内，隧洞底部设置混凝土底板8，混凝土底板8内部设置工字钢9，隧洞混凝土层6的顶拱位置设置钉板12，所述拼接板结构、工字钢9以及钉板12均与钢衬7的加劲环20相焊接固定，钢衬7的内部设置可伸缩的组合式支撑结构，组合式支撑结构可防止混凝土浇筑时钢衬7的壳体结构产生过大变形和集中应力，用以增加钢衬7的整体刚度。
所述拼接板结构包括第一钢板3和第二钢板4，第一钢板3和第二钢板4分别与两个半环形钢拱架支护2相连接，第一钢板3与上部的半环形钢拱架支护2连接，第二钢板4与下部的半环形钢拱架支护2，第一钢板3和第二钢板4上设置螺栓孔，施工时通过第一钢板3和第二钢板4上的预留螺栓孔进行螺栓5连接。
所述钢拱架2沿隧洞轴线方向间隔设置，但钢拱架2和加劲环20不一定分布在同一平面内，所述第一钢板3为长钢板，其伸出混凝土层6的部位连接方钢17，方钢17沿隧洞轴线方向延伸，且与多个第一钢板3相连接，且沿隧洞轴线方向上设置多个腰部槽钢18，方钢17通过腰部槽钢18与钢衬7的加劲环20相连，且腰部槽钢18与加劲环20一一对应连接，通过方钢17将混凝土浇筑时产生的侧向压力传递至钢拱架支护2上，从而起到固定钢衬7的作用。
所述工字钢9设有两道，布置在隧洞中心线的两侧，工字钢9的翼缘上表面与混凝土底板8上表面接近齐平，预留了连接钢衬7的着力点，钢衬7安装完成后通过连接结构将混凝土浮力传递到混凝土底板8上，工字钢9上部通过底板槽钢16与钢衬7的加劲环20相连，工字钢9翼缘的宽度大于底板槽钢16的高度，且底板槽钢16的腹板紧贴加劲环20焊接。
所述混凝土底板8内设置支撑结构，为了保证混凝土底板8浇筑时工字钢9不发生移动，支撑结构包括两根插筋10和水平钢筋11，插筋10的底部与混凝土层6相连，两根插筋10顶部点焊连接水平钢筋11，水平插筋10与工字钢9底部连接。
所述支撑结构沿工字钢9延伸方向设置多排，每隔1m布置一排，用于提高混凝土底板8的稳定性。
所述钉板12包括长锚钉13和方形钢板14构成，长锚钉13的长度为25cm，方形钢板14的厚度为10mm，长锚钉13穿过混凝土层6并深入隧洞内壁，方形钢板14通过顶部槽钢19与钢衬7的加劲环20相连接。混凝土浇筑时作用在钢衬7上的浮力将通过顶部槽钢19和钉板12传递至混凝土层6上，利用混凝土的抗压能力抵抗顶部槽钢19传递而来的浮力。
所述组合式支撑结构设置多个呈放射状布置的内支撑21，内支撑20包括撑杆22、螺母23、钢脚座24、木螺丝25以及弧形木垫26，撑杆22由空心钢管制作，撑杆22的一端焊接两颗螺母23，撑杆22通过螺母23和钢脚座24相连，钢脚座24通过旋转实现伸缩，钢脚座24通过弧形木垫25与钢衬7内壁相固定，钢脚座24与弧形木垫26之间通过木螺丝25连接。
所述弧形木垫26是长条形木块，为了扩大接触面积和确保垫块与钢衬7弧形内表面贴合紧密，弧形木垫26外表面应加工成和钢衬7相同的弧形面，并可用橡胶或毛毯包裹，弧形木垫26的宽度与钢脚座24的钢板直径相同，使钢脚座24旋转任意角度后都能固定在弧形木垫26上。
所述内支撑21的撑杆22数量根据钢衬7的直径、厚度以及加劲环20的分布进行确定，多根内支撑21的另一端通过圆环片27固定连接。
一种粘土隧洞1钢衬7混凝土浇筑抗浮结构的施工方法：
S1：粘土隧洞1开挖期间，对隧洞进行钢拱架支护2时，在隧洞腰部设置拼接板结构对两个半环形钢拱架2进行拼接，钢拱架2安装完成后，隧洞进行混凝土层6施工，第一钢板将会露出喷混凝土表面；
S2：在隧洞底板位置浇筑一层混凝土底板8，作为钢衬7安装和运输施工通道，在混凝土底板8浇筑前预埋两道工字钢9，并在工字钢9底部设置支撑结构，支撑结构下部与隧洞底部的混凝土层6固定；
S3：在隧洞顶拱两侧混凝土层6内钻孔后，灌入速凝砂浆15，并迅速插入预制钉板12，利用砂浆的粘结力固定钉板12；
S4：将钢衬7运输至隧洞内，并焊接安装完成，将钢衬7的加劲环20和拼接板结构、工字钢9以及钉板12进行连接；
S5：在钢衬7的内部安装组合式支撑结构，在撑杆22和钢脚座24基本就位后，将弧形木垫26插入钢脚座24外侧，旋转钢脚座24使其紧贴弧形木垫26，最后采用木螺丝25通过预留在钢脚座24上的预留螺丝孔将钢脚座24和弧形木垫26固定在一起。
通过上述步骤，钢衬7在内外两侧形成了一个完整的稳固结构，能有效抵抗浇筑过程中出现的混凝土浮力和不均匀变形，当混凝土模板安装完成后便可一次性浇筑混凝土。
以上实施例仅为本发明的一种较优技术方案，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的原理和本质情况下可以对实施例中的技术方案或参数进行修改或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种粘土隧洞钢衬混凝土浇筑抗浮结构，设置在粘土隧洞内部的钢衬，其特征在于：隧洞内壁上设置两个半环形钢拱架支护，并在隧洞腰部通过拼接板结构进行连接，钢拱架支护设置于隧洞内壁上的混凝土层内，隧洞底部设置混凝土底板，混凝土底板内部设置工字钢，隧洞顶拱位置设置钉板，所述拼接板结构、工字钢以及钉板均与钢衬的加劲环相连接，钢衬的内部设置可伸缩的组合式支撑结构。
2.根据权利要求1所述的一种粘土隧洞钢衬混凝土浇筑抗浮结构，其特征在于：所述拼接板结构包括第一钢板和第二钢板，第一钢板和第二钢板分别与两个半环形钢拱架支护相连接，第一钢板和第二钢板上设置螺栓孔。
3.根据权利要求2所述的一种粘土隧洞钢衬混凝土浇筑抗浮结构，其特征在于：所述第一钢板伸出混凝土层的部位连接方钢，方钢沿隧洞轴线方向延伸，且与多个第一钢板相连接，方钢通过腰部槽钢与钢衬的加劲环相连。
4.根据权利要求1所述的一种粘土隧洞钢衬混凝土浇筑抗浮结构，其特征在于：所述工字钢设有两道，布置在隧洞中心线的两侧，工字钢的翼缘上表面与混凝土底板上表面接近齐平，工字钢上部通过底板槽钢与钢衬的加劲环相连，工字钢翼缘的宽度大于底板槽钢高度。
5.根据权利要求4所述的一种粘土隧洞钢衬混凝土浇筑抗浮结构，其特征在于：所述混凝土底板内设置支撑结构，支撑结构包括两根插筋和水平钢筋，插筋的底部与混凝土层相连，两根插筋顶部点焊连接水平钢筋，水平插筋与工字钢底部连接。
6.根据权利要求5所述的一种粘土隧洞钢衬混凝土浇筑抗浮结构，其特征在于：所述支撑结构沿工字钢延伸方向设置多排。
7.根据权利要求1所述的一种粘土隧洞钢衬混凝土浇筑抗浮结构，其特征在于：所述钉板包括长锚钉和方形钢板构成，长锚钉穿过混凝土层并深入隧洞内壁，方形钢板通过顶部槽钢与钢衬的加劲环相连接。
8.根据权利要求1所述的一种粘土隧洞钢衬混凝土浇筑抗浮结构，其特征在于：所述组合式支撑结构设置多个内支撑，内支撑包括撑杆、螺母、钢脚座、木螺丝以及弧形木垫，撑杆的一端焊接两颗螺母，撑杆通过螺母和钢脚座相连，钢脚座通过旋转实现伸缩，钢脚座通过弧形木垫与钢衬内壁相固定，钢脚座与弧形木垫之间通过木螺丝连接。
9.根据权利要求1所述的一种粘土隧洞钢衬混凝土浇筑抗浮结构，其特征在于：所述内支撑的撑杆数量根据钢衬的直径、厚度以及加劲环的分布进行确定。
10.一种粘土隧洞钢衬混凝土浇筑抗浮结构的施工方法，其特征在于：采用权利要求1-9任一所述的一种粘土隧洞钢衬混凝土浇筑抗浮结构：
S1：粘土隧洞开挖期间，对隧洞进行钢拱架支护时，在隧洞腰部设置拼接板结构对两个半环形钢拱架进行拼接，钢拱架安装完成后，隧洞进行混凝土层施工，第一钢板将会露出喷混凝土表面；
S2：在隧洞底板位置浇筑一层混凝土底板，作为钢衬安装和运输施工通道，在混凝土底板浇筑前预埋两道工字钢，并在工字钢底部设置支撑结构，支撑结构下部与隧洞底部的混凝土层固定；
S3：在隧洞顶拱两侧混凝土层内钻孔后，灌入速凝砂浆，并迅速插入预制钉板，利用砂浆的粘结力固定钉板；
S4：将钢衬运输至隧洞内，并焊接安装完成，将钢衬的加劲环和拼接板结构、工字钢以及钉板进行连接；
S5：在钢衬的内部安装组合式支撑结构，在撑杆和钢脚座基本就位后，将弧形木垫插入钢脚座外侧，旋转钢脚座使其紧贴弧形木垫，最后采用木螺丝通过预留在钢脚座上的预留螺丝孔将钢脚座和弧形木垫固定在一起。
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