CN117646635A - 一种预制波纹钢板-uhpc组合结构加固盾构隧道衬砌结构及作法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及组合结构与加固建筑领域，具体为一种波纹钢板‑UHPC组合结构加固方法及制作方法，制作的波纹钢板‑UHPC组合结构可用于传统盾构地铁隧道衬砌结构的修补与加固。该加固方法包括：超高性能混凝土(UHPC)、波纹钢板、化学锚栓、栓钉、植筋、预应力钢筋。与传统内张钢板加固方法相比，将普通钢板换成波纹钢板增强了衬砌结构抗弯承载力，减少用钢量。在波纹钢板与原衬砌结构之间填充UHPC并增设抗拔抗剪连接件，以此进一步增强加固结构与原结构非连续界面的强度。较内张钢板加固法，有效降低非连续界面的粘结破坏程度，更好约束盾构隧道衬砌结构的变形情况。实际加固过程中，波纹钢板‑UHPC组合结构可在工厂预制，加快施工进度，减少施工影响。可满足实际地铁隧道的维护与加固需要。
Description
技术领域
本发明是一种预制波纹钢板-UHPC组合结构加固盾构隧道衬砌结构及制作方法，主要应用于地铁盾构隧道修补与补强的组合结构加固领域。
背景技术
社会人口密集型城市的不断出现，为满足越来越多人们的出行要求，缓解城市道路压力，地铁作为一种公共出行方式受到政府大力支持且符合绿色出行要求。随着地铁盾构隧道长时间的运营，地铁盾构隧道会出现局部混凝土压碎、管片开裂、接头处漏水等灾害，严重影响了地铁正常安全的运行。对盾构隧道衬砌结构的加固就显得尤为重要。目前施工现场主要的加固方式为两种：1)粘贴纤维布(FRP)；2)内张钢板法。前者只能作用于衬砌受拉部分，作为临时加固。后者虽能提高衬砌结构整体刚度、控制变形，但加固材料与原结构之间的环氧树脂粘结材料强度不高，易老化，容易使得加固材料与原结构剥离造成加固结构失效，需要反复加固，极大增加了成本。为了解决上述缺陷，提出波纹钢板-UHPC组合结构加固盾构隧道衬砌结构及作法。
波纹钢板-UHPC组合结构加固，采用UHPC超高性能混凝土作为加固材料与原结构之间的填充材料。UHPC高强、高粘结性、高韧性相比普通混凝土或环氧树脂材料增强了加固材料与原结构界面处的强度。波纹钢板具有更优异的抗弯性能且增大了与UHPC的接触面，增强粘结强度。波纹钢板-UHPC组合结构可预制。
发明内容
本发明的目的是提供一种波纹钢板-UHPC组合结构加固盾构隧道衬砌结构及作法，更好的满足实际地铁盾构隧道运营过程中修补与补强需要。
本发明的技术方案是：
一种预制波纹钢板-UHPC组合结构加固盾构隧道衬砌结构，该结构包括波纹钢板(1)、超高性能混凝土(2)、栓钉(3)、化学锚栓(4)、植筋(5)、预应力钢筋(6)、锚具(7)。具体结构如下：
原衬砌结构接缝处的混凝土表面设有作为抗剪连接件的植筋(5)与作为抗拔连接件的化学锚栓(4)；栓钉(3)焊接在波纹钢板(1)靠近原衬砌结构一侧的顶板与底板上；所述的波纹钢板(1)与原衬砌结构之间浇筑超高性能混凝土(UHPC)(2)；所述的超高性能混凝土之间铺设环向预应力钢筋(6)；预应力钢筋(6)与浇筑的UHPC(2)形成的UHPC加固层通过抗剪、抗拔连接件与焊接在波纹钢板表面的栓钉(3)，将波纹钢板(1)、UHPC加固层与原衬砌结构三者连成整体，共同受力。加强了整体盾构隧道的承载力，约束了变形。
所述的预制波纹钢板-UHPC组合结构，主要作用于盾构隧道衬砌结构纵缝接头处，加固范围为接头处两侧30°，贴合衬砌结构呈现一种圆弧型。
所述的在原衬砌结构表面的植筋为HRB400带肋钢筋，直径为14mm，植入原混凝土深度为135mm，弯起长度为40mm，伸入UHPC中20mm。根据不同宽度的衬砌结构，分布适当数量的植筋。植筋间距沿环宽纵向不低于100mm不大于200mm(螺栓手孔处，应避免植筋)。在衬砌纵缝接头处两侧布置不少于三排。主要增强原衬砌结构与UHPC非连续界面强度。
所述的在原衬砌结构表面的化学锚栓采用8.8级M20化学锚栓，植入深度为200mm。根据不同宽度的衬砌结构，分布适当数量的化学锚栓。化学锚栓间距沿环向宽度不低于200mm不大于300mm且要与植筋错开。在衬砌纵缝接头处两侧布置不少于两排。化学锚栓作为抗拔连接件，增强组合结构中非连续界面强度，避免发生非连续界面的剥离破坏。
所述的焊接在波纹钢表面的栓钉，采用4.8级M10栓钉焊接在波纹钢板顶板与底板，钉帽直径为15mm，高度为40mm。纵横向间距不小于6倍直径。保证栓钉在波纹钢板上的密度，确保界面强度。
波纹钢板采用Q235，轧制成型，延性好，厚度不大于10mm，避免加固结构过宽影响隧道日常使用。波纹钢板宽度应覆盖住不同衬砌结构的不同环宽。
所述的预应力钢筋采用直径为8mm的HRB335。
所述的预制的加固结构中UHPC厚度不应大于50mm。避免加固结构过宽影响隧道日常使用，但宽度也不应小于预应力钢筋与锚具的宽度，UHPC应包裹住预应力结构。
根据本发明的技术方案，预制波纹钢板-UHPC组合结构加固的制作方法如下：
1)在波纹钢板(1)顶板与底板处焊接栓钉(3)；
2)在波纹钢板(1)一段固定上锚具(7)，将预应力钢筋(6)固定在一段锚具上，采用先张法的方式，施加上预应力。将波纹钢板与已经施加上预应力的钢筋，进行弯折到符合原衬砌结构的弧度；
3)将处理好的波纹钢板与预应力钢筋进行支模随后浇筑UHPC，包裹住锚具与预应力钢筋。待UHPC达到一定程度，松开预应力钢筋。成型后即为预制好的波纹钢板-UHPC组合结构；
4)实际将预制的波纹钢板-UHPC组合结构安装在盾构隧道衬砌结构上时，先在原盾构隧道衬砌结构纵缝处植筋，将预制好的波纹钢板-UHPC组合结构用大型机械定位加固处；
5)在波纹钢板表面处钻孔且深入原衬砌结构，确保化学锚栓的植入深度；
6)最后在固定好的所述的预制波纹钢板-UHPC组合结构与原衬砌结构之间的两侧进行支模浇筑剩余UHPC包裹住植筋弯起部分，使预制组合结构与原结构形成整体，加固完成。
本发明可以取得如下有益成果：
1)在原衬砌结构表面的植筋、化学锚栓和在波纹钢板表面焊接的栓钉，作为抗拔抗剪连接件，均有利于增强非连续界面的力学强度，避免加固结构发生粘结滑移破坏，影响加固效果。
2)采用超高性能混凝土，以其优异的韧性与强度，使得组合结构与被加固对象形成良好的整体，共同受力，有效约束衬砌结构的变形，提高承载能力。
3)在UHPC中设有预应力钢筋，有效减少了UHPC成型后的裂缝，施加给UHPC中的压应力能抵消部分加固后土体传递衬砌结构的荷载影响。
附图说明
图1是预制波纹钢板-UHPC组合结构加固衬砌结构示意图
图2是预制波纹钢板-UHPC组合结构加固衬砌结构纵向截面示意图
图3是波纹钢板截面形式图
图4是加固结构细部构造尺寸图
图5是衬砌表面植筋示意图
图6是衬砌表面植筋细部构造示意示意图
图7是加固完成效果图
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明做进一步说明：
如图1所示预制波纹钢板-UHPC组合结构加固盾构隧道衬砌结构包括波纹钢板1、超高性能混凝土2、栓钉3、化学锚栓4、植筋5、预应力钢筋6、锚具7。原衬砌结构表面有植筋与化学锚栓，波纹钢板表面焊接栓钉，波纹钢板与原衬砌结构表面之间浇筑有UHPC，UHPC内设有预应力钢筋与锚具。
首先预制的波纹钢板-UHPC组合加固结构，波纹钢板采用Q234，截面形式采用如图3所示，波纹钢板宽度应符合实际隧道衬砌结构环宽。
焊接的栓钉采用采用4.8级M10栓钉钉帽直径为15mm，高度为40mm。纵横向间距不小于6倍直径。
植筋为HRB400带肋钢筋，直径为14mm，植入原混凝土深度为135mm，弯起长度为40mm，伸入UHPC中20mm。植筋间距沿环宽纵向不低于100mm不大于200mm。在衬砌纵缝接头处两侧30°加固区内布置不少于三排。
化学锚栓采用8.8级M20化学锚栓，植入深度为200mm。根据不同宽度的衬砌结构，分布适当数量的化学锚栓。化学锚栓间距沿环向宽度不低于200mm不大于300mm。
预应力钢筋采用直径为8mm的HRB335，锚具采用圆柱体常规锚具。
根据本发明的技术方案，预制波纹钢-UHPC组合结构加固盾构隧道衬砌结构的制作方法如下：
1)在波纹钢板表面焊接栓钉，并将波纹钢板弯折到符合对应工程中盾构隧道衬砌结构弧度的形式。
2)将预应力钢筋的一端用锚具固定在台座，用千斤顶对预应力钢筋施加符合加固需要的预应力。随后将弯折好弧度的波纹钢板以钢模形式连接在锚具上，使得预应力钢筋、锚具、波纹钢板形成一个整体，在进行支模浇筑UHPC。UHPC厚度应覆盖包裹住锚具与预应力钢筋，为保证后续施工安装时预制结构与原结构界面强度，预制时UHPC厚度不应大于20mm。浇筑成型的UHPC与波纹钢板弧度一致。待到UHPC满足一定强度后，松开预应力钢筋，成功施加上预应力。预制的波纹钢板-UHPC组合结构制作完成。
3)在安装预制结构之前，需在衬砌结构加固区表面进行植筋如图5、6所示，深度为135mm，弯起长度为40mrm。
4)将预制好的波纹钢板-UHPC组合结构安装到加固区域，需采用机械臂等大型机械定位至距离加固部分表面20mm处，并在波纹钢板表面处钻孔且深入原衬砌结构200mm，确保化学锚栓的植入深度。等到化学锚栓膨胀牢固，即预制结构已经固定在对应的加固区。
5)最后在预制结构四周进行支模，浇筑剩余UHPC部分，包裹住植筋弯起部分，使预制组合结构与原结构形成整体，协同受力，加固完成如图6。
6)根据1～5步骤完成五个预制波纹钢-UHPC组合结构对盾构隧道衬砌结构的加固，加固区域圆心角300°，在盾构隧道底部60°不进行加固，以免阻碍列车通行，如图7所示。
以上是本发明的典型实施例，本发明的实例不限于此。
Claims (9)
1.波纹钢板-UHPC组合结构加固盾构隧道衬砌结构，其特征在于：其包括：波纹钢板(1)、超高性能混凝土(2)、栓钉(3)、化学锚栓(4)、植筋(5)、预应力钢筋(6)、锚具(7)；原衬砌结构接缝处的混凝土表面设有作为抗剪连接件的植筋(5)与作为抗拔连接件的化学锚栓(4)；栓钉(3)焊接在波纹钢板(1)靠近原衬砌结构一侧的顶板与底板上；所述的波纹钢板(1)与原衬砌结构之间浇筑超高性能混凝土(UHPC)(2)；所述的超高性能混凝土之间铺设环向预应力钢筋(6)；预应力钢筋(6)与浇筑的UHPC(2)形成的UHPC加固层通过抗剪、抗拔连接件与焊接在波纹钢板表面的栓钉(3)，将波纹钢板(1)、UHPC加固层与原衬砌结构三者连成整体，共同受力。加强了整体盾构隧道的承载力，约束了变形。
2.根据权利要求1所述的波纹钢板-UHPC组合加固结构，其特征在于：所述的加固结构可预制，在施工现场进行装配，主要作用于盾构隧道衬砌结构纵缝接头处，预制的波纹钢板-UHPC组合加固结构加固范围为60°，贴合衬砌结构呈现一种圆弧型。
3.根据权利要求1所述的波纹钢板-UHPC组合加固结构，其特征在于：植入原衬砌结构表面的钢筋为HRB400带肋钢筋，直径为14mm，植入原混凝土深度为135mm，弯起长度为40mm，伸入UHPC中20mm。根据不同宽度的衬砌结构，分布适当数量的植筋。植筋间距沿环宽纵向不低于100mm不大于200mm(螺栓手孔处，应避免植筋)。在衬砌纵缝接头处两侧布置不少于三排。
4.根据权利要求1所述的波纹钢板-UHPC组合加固结构，其特征在于：植入原衬砌结构表面的化学锚栓采用8.8级M20化学锚栓，植入深度为200mm。根据不同宽度的衬砌结构，分布适当数量的化学锚栓。化学锚栓间距沿环向宽度不低于200mm不大于300mm且要与植筋错开。在衬砌纵缝接头处两侧布置不少于两排。
5.根据权利要求1所述的波纹钢板-UHPC组合加固结构，其特征在于：采用4.8级M10栓钉焊接在波纹钢板顶板与底板，钉帽直径为15mm，高度为40mm。纵横向间距不小于6倍直径。保证栓钉在波纹钢板上的密度，确保界面强度。
6.根据权利要求1所述的波纹钢板-UHPC组合加固结构，其特征在于：波纹钢板采用Q235，厚度不大于10mm，波纹钢板宽度应覆盖住不同衬砌结构的不同环宽。
7.根据权利要求1所述的波纹钢板-UHPC组合加固结构，其特征在于：预应力钢筋采用直径为8mm的HRB335。
8.根据权利要求1所述的波纹钢板-UHPC组合加固结构，其特征在于：预制的加固结构中UHPC厚度不应大于50mm。
9.根据权利要求1～7任一权利要求所述的波纹钢板-UHPC组合结构的制作与加固方法，其特征在于：其包括如下步骤：
1)在波纹钢板(1)顶板与底板处焊接栓钉(3)；
2)在波纹钢板(1)一段固定上锚具(7)，将预应力钢筋(6)固定在一段锚具上，锚具固定在施加预应力的台座上，采用先张法的方式，施加上预应力。将波纹钢板弯折到符合原衬砌结构的弧度，将波纹钢板与锚具焊接。形成波纹钢板、预应力筋骨架。
3)将处理好的波纹钢板与预应力钢筋进行支模随后浇筑UHPC，包裹住锚具与预应力钢筋。待UHPC达到一定程度，松开预应力钢筋。成型后即为预制好的波纹钢板-UHPC组合结构。
4)在原盾构隧道衬砌结构纵缝处植筋，将预制好的波纹钢板-UHPC组合结构用大型机械定位在距离加固部分表面20mm处，并在波纹钢板表面处钻孔且深入原衬砌结构200mm，确保化学锚栓的植入深度。此时组合结构已经固定在原衬砌结构纵缝接头处。最后进行支模浇筑UHPC包裹住植筋弯起部分，使预制组合结构与原结构形成整体，完成一个覆盖60°加固区的预制波纹钢板-UHPC组合结构的加固。
5)对于整环盾构隧道衬砌结构来说需要五块预制的波纹钢板-UHPC组合结构。在盾构隧道底部60°不进行加固，以免阻碍列车。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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