CN114320345A - 一种适用于黄土公路隧道的仰拱预制拼装结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于黄土公路隧道的仰拱预制拼装结构及施工方法，所述仰拱预制拼装结构包括预制仰拱单元，所述预制仰拱单元顶部穿设有预应力筋，底部设置有用于与注浆钢管桩连接的预埋钢板，所述预制仰拱单元包括拼装连接的多个预制块，最外侧的两个预制块在外端延伸形成拱脚部；所述施工方法包括开挖黄土隧道，进行仰拱预制拼装结构的拼装施工，安装预应力筋，张拉并固定预应力筋，浇筑仰拱填充层，铺设塑性混凝土缓冲层。与现有技术相比，本发明具有能够有效减小拱脚相对于仰拱中部的不均匀沉降等优点。

Description

一种适用于黄土公路隧道的仰拱预制拼装结构及施工方法

技术领域

本发明属于黄土公路隧道技术领域，涉及一种预制仰拱结构，尤其是涉及一种适用于黄土公路隧道的仰拱预制拼装结构及施工方法。

背景技术

隧道穿越黄土等软弱围岩地区时，常常发生拱脚沉降及仰拱底鼓，导致路面纵向开裂甚至错台等现象，严重危害了隧道运营期的行车安全。针对隧道不均匀沉降而引起的路面纵向开裂问题，现有的加固技术手段是“采用预应力预制仰拱结构”。

专利申请CN110617081A公开一种公路隧道装配式预制仰拱结构，将法兰盘焊接在连接构件的端部，加劲肋板焊接在连接构件与法兰盘上，连接套管将两个连接构件端部连接，连接螺栓将法兰盘固定在预制构件A与预制构件B的端部和侧面，防裂钢筋网设置在连接构件与连接套管的上下部，现浇混凝土设置在连接构件、连接套管与防裂钢筋网上，预埋连接钢筋设置在预制构件B上，吊装孔兼注浆孔设置在预制构件A与预制构件B上，预埋连接钢筋将预制构件B与二次衬砌之间相连接。预制构件A和预制构件B可通过钢管混凝土连接构件快速连接，仰拱结构可及时发挥承载能力，有利于隧道洞身的稳定，提高了作业效率及作业人员的安全。

专利申请202110622595.4公开一种软弱围岩地段拼装式隧道仰拱施工方法，该方法包括：一、预制仰拱结构拼装施工：二、安装预应力筋：三、张拉并固定预应力筋。在所述预制仰拱单元的顶部和底部均穿设预应力筋，通过预应力筋进行预应力张拉以抵消顶面所受的拉应力，能有效地控制因隧道仰拱拱脚相对中部不均匀沉降而产生的纵向开裂等病害。

专利申请202011354349.7公开一种可以快速拼装的隧道仰拱结构。其中，第二仰拱预制件与两个第一仰拱预制件可拆卸连接；第一仰拱预制件顶部设有第一安装槽，第二仰拱预制件顶部设有两个第二安装槽：第一预制填充构件包括一体成型的第一支撑板、第一和第二承重板：第一和第二承重板垂直于第一支撑板底面：两个第二承重板与第一安装槽对应的可拆卸插接，两个第一承重板与第二安装槽对应的可拆卸插接；第二预制填充构件包括一体成型的第二支撑板和两个第三承重板，第三承重板垂直于第二支撑板底面：两个第三承重板与第二安装槽对应的可拆卸插接。

专利申请CN112593975A公开一种仰拱结构及其施工方法和隧道支护结构，包括：若干个预制组件，所述若干个预制组件在所述隧道的延伸方向间隔排列，并且在所述延伸方向上的相邻的两个预制组件拼接，使得所述若干个预制组件在所述延伸方向上依次固定：每一个所述预制组件包括至少三个预制块，所述至少三个预制块在所述隧道的宽度方向上间隔排列且依次拼接，使得所述至少三个预制块在所述宽度方向上依次固定。

上述现有技术主要依赖于仰拱顶、底部穿设的预应力筋来增加仰拱结构强度，仅对仰拱进行了加强，而拱脚处是采用现场浇筑的方式制作或者仅采用预制拱脚而没有对拱脚截面进行优化，加固效果不佳；另外，预制仰拱底部的预应力筋现场张拉施工不便。

发明内容

本发明的目的就是为了黄土公路隧道因拱脚相对于隧道路面不均匀沉降而引起的路面纵向开裂问题，而提供一种适用于黄土公路隧道的仰拱预制拼装结构及施工方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种适用于黄土公路隧道的仰拱预制拼装结构，包括预制仰拱单元，所述预制仰拱单元顶部穿设有预应力筋，底部设置有用于与注浆钢管桩连接的预埋钢板，所述预制仰拱单元包括拼装连接的多个预制块，最外侧的两个预制块在外端延伸形成拱脚部。

进一步地，各所述预制块顶部设置有预应力筋预留孔道，所述预应力筋贯穿连接多个所述预制块。

进一步地，多个所述预制块之间通过横向凹凸连接部连接，所述横向凹凸连接部包括设置于一预制块的横向凸块和设置于相邻的另一预制块上的横向凹槽，所述横向凸块和横向凹槽上开设有用于设置螺栓的预留螺孔。

进一步地，多个所述仰拱预制拼装结构沿隧道纵向拼接。

进一步地，各所述预制块在纵向方向上通过纵向凹凸连接部连接，所述纵向凹凸连接部包括设置于一预制块的纵向凸块和设置于相邻的另一预制块上的纵向凹槽。

进一步地，所述横向凹凸连接部或纵向凹凸连接部为梯形凹凸榫。

进一步地，所述预制仰拱单元顶面设置有缓冲层。

进一步地，所述缓冲层为塑性混凝土缓冲层。

本发明还提供一种采用如上仰拱预制拼装结构的黄土公路隧道仰拱施工方法，包括以下步骤：

开挖黄土隧道，施作注浆钢管桩至设计标高；

获取黄土隧道尺寸相匹配的预制仰拱单元；

从隧道横向一端开始进行预制仰拱单元的多个预制块的拼接，并沿隧道纵向完成多个预制仰拱单元的拼接，在拼接处设置橡胶止水带，并通过预埋钢板将预制仰拱单元与注浆钢管桩固定连接；

在确定预应力筋预留孔道畅通后，在预制仰拱单元中穿设预应力筋，预应力筋一端为固定端，另一端为张拉端，沿隧道纵向的多个张拉端交错布设；

张拉并固定预应力筋，对预应力筋预留孔道进行压浆，并浇筑封锚混凝土。

进一步地，该方法还包括：

在预制仰拱单元上浇筑仰拱填充层，在填充层上铺设缓冲层，并在缓冲层上施作路面结构。

与现有技术相比，本发明可以更好地减小拱脚相对于中部的不均匀沉降，进而预防路面纵向裂缝，具有以下有益效果：

1、本发明最外侧的两个预制块在外端延伸形成拱脚部，形成预制大拱脚，避免了现场浇筑拱脚的施工质量不能保证的难题；大拱脚增大了基底与土体的接触面积，减小了拱脚处的应力集中，改善了仰拱的受力性能，进而可有效减少拱脚沉降。

2、顶部穿设预应力筋将多个预制块进行连接，使其成为受力整体进行承载，增强了预制结构的整体性，通过施加预应力能够抵消一部分仰拱顶部的拉应力，能有效控制拱脚与仰拱的差异沉降。且仅在预制仰拱顶部设置预应力筋，现场施工具有可行性。

3、仰拱底部预埋钢板与注浆钢管桩连接，当隧道开挖后仰拱中心连带钢管桩上浮时，钢管桩相对于周围土体有一个向上位移的趋势，土体对钢管桩产生向下的摩阻力，可以利用基底土体提供一部分抗仰拱底鼓的反力，提升了仰拱抗底鼓变形的能力，可有效减小拱脚相对于仰拱中部的不均匀沉降。

4、在预制仰拱填充层和路面结构之间铺设塑性混凝土缓冲层，两者可以产生相对变形，增强路面结构适应变形能力。

5、预制块间横向、纵向间连接均采用梯形凹凸榫，横向凹凸榫上预留螺栓孔，纵向等间距分布，预制块拼装时通过螺栓进行连接，连接快速牢靠且一经安装能迅速发挥作用，无需等待时间。

附图说明

图1为本发明的隧道整体结构示意图；

图2为本发明的预制仰拱结构示意图；

图3为本发明的预制仰拱纵向连接示意图，其中，(3a)为俯视图，(3b)为侧视图；

图4为本发明第一预制块的横断面示意图，其中，(4a)为横断面图，(4b)为立体图；

图5为本发明第二预制块的横断面示意图，其中，(5a)为横断面图，(5b)为立体图；

图6为本发明第三预制块的横断面示意图，其中，(6a)为横断面图，(6b)为立体图；

图7为本发明施工流程图。

1-隧道支护结构；2-路面结构层；3-缓冲层；4-预应力筋；5-第一预制块；6-第二预制块；7-第三预制块；8-注浆钢管桩；9-预埋钢板；10-桩头；11-预留钢筋接头；12-横向凸块；13-凸块预留螺孔；14-横向凹槽；15-凹槽预留螺孔；16-纵向凸块；17-纵向凹槽。

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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

术语说明

(1)黄土：一种浅黄或褐黄色的土，颗粒成分以粉土粒级为主(含量＞50％)，物质粒径均一，具孔隙，无层理，疏松，垂直节理发育。富含碳酸钙,有时含硫酸盐或氯化物盐类，具有肉眼可见孔隙的第四纪陆相沉积物。

(2)仰拱：为改善上部支护结构受力条件而设置在隧道底部的反向拱形结构，是隧道结构的主要组成部分之一。

(3)预制仰拱：区别于现场浇筑的仰拱，在工厂加工制作好仰拱构件，运输到建筑施工现场，通过可靠的连接方式在现场装配安装而成的仰拱。

(4)钢管桩：采用空心钢管制作而成，桩身开有注浆孔，可以利用钢管本身抗压强度，同时水泥浆液在压力作用下和地基土之间紧密结合并在桩周围的土质中扩散，填充土颗粒间的间隙，能够改善黄土的力学性能，提高地基承载力。

主要特征有：预制仰拱结构包含预制大拱脚，预制仰拱顶部穿设预应力筋，预制仰拱底部设置预埋钢板(与基底下注浆钢管桩焊接)，在预制仰拱填充层上铺设塑性混凝土缓冲层。

如图1所示，本实施例提供一种适用于黄土公路隧道的仰拱预制拼装结构，包括预制仰拱单元，预制仰拱单元顶部穿设有预应力筋4，底部设置有用于与注浆钢管桩8连接的预埋钢板9，预制仰拱单元包括拼装连接的多个预制块，最外侧的两个预制块在外端延伸形成拱脚部，可作为预制拱脚，且为大拱脚。拱脚部的面积可完全承接隧道支护结构，解决拱脚处应力集中的问题。

各预制块顶部设置有预应力筋预留孔道，预应力筋贯穿连接多个预制块。多个预制块之间通过梯形凹凸榫连接。预制块底部设置预埋钢板，顶部穿设预应力钢筋，能有效抵抗仰拱中心底鼓变形，进而预防路面纵向开裂。

本实施例中，预制仰拱单元包括依次拼接的第一预制块5、第二预制块6和第三预制块7，第一预制块5和第三预制块7作为预制拱脚，如图2-图6所示。具体地，梯形凹凸榫包括设置于一预制块的横向凸块12和设置于相邻的另一预制块上的横向凹槽14，横向凸块12和横向凹槽14上开设有用于设置螺栓的预留螺孔，包括凸块预留螺孔13和凹槽预留螺孔15。

单个仰拱预制拼装结构沿隧道的横向布置，多个仰拱预制拼装结构沿隧道纵向拼接，各预制块在纵向方向上通过纵向凹凸式连接部连接。如图6所示，纵向凹凸式连接部包括设置于一预制块的纵向凸块16和设置于相邻的另一预制块上的纵向凹槽17。在具体实施方式中，纵向凹凸式连接部也采用梯形凹凸榫。

在优选的实施方式中，预制仰拱单元填充层顶面设置有缓冲层3，以增强路面结构适应变形能力。该缓冲层3可为塑性混凝土缓冲层。

采用如上仰拱预制拼装结构进行黄土公路隧道仰拱施工的过程主要是：首先开挖黄土隧道，进行仰拱预制拼装结构的拼装施工；然后，安装预应力筋，张拉并固定预应力筋；最后浇筑仰拱填充层，在填充层上铺设塑性混凝土缓冲层。如图7所示，施工过程具体包括以下步骤：

步骤S1、采用台阶法开挖黄土隧道，从下台阶顶面开始钻孔施作注浆钢管桩至设计标高，通过注浆钢管桩对隧道基底土体进行加固。

步骤S2、获取黄土隧道尺寸相匹配的预制仰拱单元。从隧道横向一端开始进行预制仰拱单元的多个预制块的拼接，并沿隧道纵向完成多个预制仰拱单元的拼接，并通过预埋钢板将预制仰拱单元与注浆钢管桩固定连接。

本实施例的每个预制仰拱单元由3个预制块组成，沿隧道纵向由相同的预制仰拱单元组成。预制块底部设有预埋钢板，预埋钢板应与预制块中的钢筋牢固焊接。预制块沿隧道环向和纵向均采用梯形凹凸槽承接，凹凸槽等间距布置预留螺栓孔，现场拼装时通过螺栓连接。预制拱脚设置预留钢筋接头11，与二次衬砌浇筑在一起。

本实施例中进行拼装时，先定位并放置第三预制块7，将预制仰拱底部预埋钢板9与桩头10进行焊接；再依次放置第二预制块6、第一预制块5，并分别与桩头10进行焊接，利用连接螺栓将预制块连接起来，在连接部分设置好橡胶止水带。沿隧道纵向，重复该步骤，直至完成所有预制块的拼装。

步骤S3、在预制仰拱结构拼装完成后，应立即对预应力筋预留孔道进行通孔检查，发现堵塞应立即疏通。在确定预应力筋预留孔道畅通后，在预制仰拱单元中穿设预应力筋4，预应力筋一端为固定端，另一端为张拉端，沿隧道纵向的多个张拉端交错布设。

按上述要求将同一环段的预应力筋逐一进行安装，待全部安装完成后才能进行张拉工作。

步骤S4、张拉并固定预应力筋，对预应力筋预留孔道进行压浆，并浇筑封锚混凝土。

本实施例中，采用后张法进行预应力筋施工，在进行张拉前务必将预制仰拱结构进行固定，确保在张拉过程中预制仰拱不会发生错位或者移动。张拉时宜采用先中间后两侧对称张拉。将穿心千斤顶套设在预制仰拱单元顶部的预应力筋的张拉端上，启动所述穿心千斤顶对所述预应力筋进行张拉，直至所述预应力筋达到设计要求的张力，利用锚固件对所述预应力筋的张拉端进行固定。在预应力筋张拉完成后应及时进行孔道压浆，压浆材料选择为水泥浆，水泥浆强度不得低于30MPa。压浆后应及时浇筑封锚混凝土，混凝土的强度不宜低于仰拱结构的80％，且不低于30MPa。

步骤S5、在预制仰拱单元上浇筑仰拱填充层，在填充层上铺设缓冲层，并在缓冲层上施作路面结构。

按预定标高在预制仰拱上铺设塑性混凝土缓冲层，塑性混凝土应具有足够的强度与变形能力，最后在缓冲层上施作路面结构。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种适用于黄土公路隧道的仰拱预制拼装结构，其特征在于，包括预制仰拱单元，所述预制仰拱单元顶部穿设有预应力筋，底部设置有用于与注浆钢管桩连接的预埋钢板，所述预制仰拱单元包括拼装连接的多个预制块，最外侧的两个预制块在外端延伸形成拱脚部。

2.根据权利要求1所述的适用于黄土公路隧道的仰拱预制拼装结构，其特征在于，各所述预制块顶部设置有预应力筋预留孔道，所述预应力筋贯穿连接多个所述预制块。

3.根据权利要求1所述的适用于黄土公路隧道的仰拱预制拼装结构，其特征在于，多个所述预制块之间通过横向凹凸连接部连接，所述横向凹凸连接部包括设置于一预制块的横向凸块和设置于相邻的另一预制块上的横向凹槽，所述横向凸块和横向凹槽上开设有用于设置螺栓的预留螺孔。

4.根据权利要求1所述的适用于黄土公路隧道的仰拱预制拼装结构，其特征在于，多个所述仰拱预制拼装结构沿隧道纵向拼接。

5.根据权利要求4所述的适用于黄土公路隧道的仰拱预制拼装结构，其特征在于，各所述预制块在纵向方向上通过纵向凹凸连接部连接，所述纵向凹凸连接部包括设置于一预制块的纵向凸块和设置于相邻的另一预制块上的纵向凹槽。

6.根据权利要求3或5所述的适用于黄土公路隧道的仰拱预制拼装结构，其特征在于，所述横向凹凸连接部或纵向凹凸连接部为梯形凹凸榫。

7.根据权利要求1所述的适用于黄土公路隧道的仰拱预制拼装结构，其特征在于，所述预制仰拱单元顶面设置有缓冲层。

8.根据权利要求7所述的适用于黄土公路隧道的仰拱预制拼装结构，其特征在于，所述缓冲层为塑性混凝土缓冲层。

9.一种采用如权利要求1所述的仰拱预制拼装结构的黄土公路隧道仰拱施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

开挖黄土隧道，施作注浆钢管桩至设计标高；

获取黄土隧道尺寸相匹配的预制仰拱单元；

从隧道横向一端开始进行预制仰拱单元的多个预制块的拼接，并沿隧道纵向完成多个预制仰拱单元的拼接，在拼接处设置橡胶止水带，并通过预埋钢板将预制仰拱单元与注浆钢管桩固定连接；

在确定预应力筋预留孔道畅通后，在预制仰拱单元中穿设预应力筋，预应力筋一端为固定端，另一端为张拉端，沿隧道纵向的多个张拉端交错布设；

张拉并固定预应力筋，对预应力筋预留孔道进行压浆，并浇筑封锚混凝土。

10.根据权利要求9所述的黄土公路隧道仰拱施工方法，其特征在于，该方法还包括：

在预制仰拱单元上浇筑仰拱填充层，在填充层上铺设缓冲层，并在缓冲层上施作路面结构。

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