CN211819416U - 一种海域腐蚀环境高性能耐久性盾构管片衬砌结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种海域腐蚀环境高性能耐久性盾构管片衬砌结构，包括高性能混凝土管片、榫状连接、高性能耐腐蚀螺栓、多重防水系统等，所述多块高性能混凝土管片通过所述高性能耐腐蚀螺栓连接固定，环向通过所述榫状连接控制拼装，各接缝通过所述多重防水系统密封防水，所述高性能混凝土管片背后与地层之间设置所述加强注浆系统，所述高性能混凝土管片内侧设置所述预留补强空间。本实用新型能够实现海底盾构法隧道衬砌材料、连接、防水和施工质量等全系统的耐久性提高，满足结构承载能力，实现接头良好的防水性能，显著提高盾构管片衬砌施工质量，增强抗腐蚀能力实现良好耐久性能，保证海底盾构隧道在设计使用年限内安全服役。

Description

一种海域腐蚀环境高性能耐久性盾构管片衬砌结构

技术领域

本实用新型属于隧道与地下工程设计与施工技术领域，特别涉及一种海域腐蚀环境高性能耐久性盾构管片衬砌结构。

背景技术

目前海底隧道在我国尚处于起步阶段，采用的施工方法主要为盾构法和矿山法。对于采用盾构法施工的海底隧道，隧道结构埋置于海床下方的土体中，隧道结构受所接触的土体、地下水和海洋气候中有害介质的作用，尤其在荷载与环境的复合影响下，材料乃至结构的性能会随时间而退化和劣化。海底隧道海域及距海较近处的地下水的化学成分与海水相似，氯离子含量与海水基本相同甚至高于海水。深圳前湾电缆隧道是我国第一座海底盾构法隧道，2005年建成，2014年2月检测结果发现管片混凝土碳化及强度有明显劣化；隧道内盾构环片间的连接螺栓锈蚀情况比较严重，抽检统计，螺栓尾端平均锈蚀率达80％，螺母平均锈蚀率达92.3％，螺栓垫片平均锈蚀率达99.5％，部分锈蚀严重的螺栓已出现松动现象和渗漏水情况。尤其在拼装接缝平整度较差的地方，锈蚀现象更为严重。

目前关于海底隧道耐久的研究主要集中在隧道结构钢筋混凝土的强度和材料上，如分析二衬混凝土抗氯离子腐蚀性机理，开展C50高强混凝土配合比试验，以及混凝土耐久性检测的方法等。但盾构隧道结构耐久性影响因素多，包括盾构管片的构造和材料、连接构件、防水系统和注浆系统等，各个环节均应引起重视。主要的原因在于施工阶段的接缝错台、盾构接缝防水失效等造成渗漏水，进而腐蚀管片连接螺栓和混凝土衬砌。盾构隧道耐久性设计不能仅关注二衬混凝土材料及配比，而应从管片设计、便于施工质量提高和后期可维护等多方面采取综合措施。

发明内容

本实用新型的目的是克服在海域环境中上述现状盾构法隧道衬砌管片耐久性存在的不足，提出一种海域腐蚀环境高性能耐久性盾构管片衬砌结构，满足结构承载能力，实现接头良好的防水性能，提高管片结构的耐久性能，该结构具有结构形式和工法工艺简单，显著提高盾构管片衬砌施工质量，增强抗腐蚀能力，实现良好耐久性能，保证海底盾构隧道在设计使用年限内安全服役。

本实用新型所采用的技术方案为：一种海域腐蚀环境高性能耐久性盾构管片衬砌结构，其特征在于，包括高性能混凝土管片、榫状连接、高性能耐腐蚀螺栓、多重防水系统、加强注浆系统和预留补强空间，多块所述高性能混凝土管片通过所述高性能耐腐蚀螺栓连接固定，环向通过所述榫状连接控制拼装，各接缝通过所述多重防水系统密封防水，所述高性能混凝土管片背后与地层之间设置所述加强注浆系统填充密实，所述高性能混凝土管片内侧设置所述预留补强空间用于后期的维修补强，上述结构依次相连组合形成耐久性盾构管片结构。

所述高性能混凝土管片采用C55、P12钢筋混凝土，裂缝开展宽度限值0.15mm，钢筋保护层厚度加大至55mm。混凝土采用较大掺量的矿物掺和料，同时添加改性聚丙烯纤维。矿物掺和料应为性能稳定的粉煤灰、磨细矿渣粉，粉煤灰的质量等级不低于F类中的II级，游离氧化钙含量≤1.0％，矿渣粉不低于S95级。改性聚丙烯纤维掺量约为1.5kg/m³。

所述高性能混凝土管片设置为6～9块，拼装形成圆形隧道断面。在所述高性能混凝土管片背面和接缝密封垫外侧的混凝土上涂刷多功能混凝土防护剂，材料采用高渗透性改性环氧涂料，分次涂刷，第一次涂刷0.2～0.25kg/m²，第二次涂刷0.2～0.25kg/m²。

多块所述高性能混凝土管片拼装环缝之间设置分布式所述榫状连接，所述榫状连接为凹凸式圆形构造，高度30mm，每块管片上设置1～3个，有效控制管片拼装精度，减少接缝错台。

所述高性能混凝土管片纵向和环向连接采用所述高性能耐腐蚀螺栓，螺栓为弧形弯螺栓，等级A4L-80P，最小抗拉强度为800MPa；螺母机械性能8.0级；垫圈机械性能等级最低Hv＝200。螺栓、螺母、垫圈材质均使用316L不锈钢。生产工艺为冷镦成型，配上组合用垫片，并对组合螺栓进行钝化处理。

所述多重防水系统设置于管片接缝处，自外向内设置多重防水装置，包括氯丁海绵橡胶挡水条、多孔型弹性橡胶密封垫、遇水膨胀密封垫、丁腈软木橡胶衬垫板、泡沫棒和聚氨酯密封胶；管片接缝外侧设置所述氯丁海绵橡胶挡水条；管片外侧沟槽内设置所述多孔型弹性橡胶密封垫，选用三元乙丙橡胶；内侧沟槽内设置所述遇水膨胀密封垫，选用聚醚聚氨酯弹性体；在管片环缝处、所述榫状连接处背千斤顶面上粘贴所述丁腈软木橡胶衬垫板；在隧道顶部及底部范围内进行局部嵌缝，嵌缝材料采用所述泡沫棒和所述聚氨酯密封胶。

所述多孔型弹性密封垫生产前须进行一字缝、十字缝及T字缝拼装时的防水试验及耐久性试验，以检测验证所设计的密封材料的材质、构造是否满足防水和耐久性要求。

所述加强注浆系统为在所述高性能混凝土管片上留设1～3个注浆孔，在盾构掘进过程进行同步注浆后，沿预留注浆孔对所述高性能混凝土管片背后进行二次补充注浆，保证管片与地层之间空隙填充密实。

所述预留补强空间为在所述高性能混凝土管片内侧与建筑限界之间预留250mm厚补强空间，为后期维修补强和延长结构使用寿命预留条件，可采用混凝土或钢结构等进行补强。

本实用新型的有益效果为：

1、本实用新型实现海底盾构法隧道衬砌材料、连接、防水和施工质量等全系统的耐久性提高，可以保证海底盾构隧道在设计使用年限内安全服役；

2、本实用新型解决了盾构管片连接和接缝等关键薄弱环节的耐久性防护，可以保证结构安全可靠；

3、本实用新型结构构造简单、施工操作方便，施工风险小，防水效果好，同时为后期维护预留了便利措施。

附图说明

图1为本实用新型的结构横断面布置示意图；

图2为本实用新型的结构平面示意图；

图3为本实用新型的高性能混凝土管片的展开示意图；

图4为本实用新型的榫状连接的平面示意图；

图5为本实用新型的多重防水系统的构造示意图。

图中，1-高性能混凝土管片，2-榫状连接，3-高性能耐腐蚀螺栓，4-多重防水系统，5-加强注浆系统，6-预留补强空间，7-氯丁海绵橡胶挡水条，8-多孔型弹性橡胶密封垫，9-遇水膨胀密封垫，10-丁腈软木橡胶衬垫板，11-泡沫棒，12-聚氨酯密封胶。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作详细说明。

本实用新型的实施例公开了一种海域腐蚀环境高性能耐久性盾构管片衬砌结构，如图所示，包括高性能混凝土管片1、榫状连接2、高性能耐腐蚀螺栓3、多重防水系统4、加强注浆系统5和预留补强空间6，多块高性能混凝土管片1通过高性能耐腐蚀螺栓3连接固定，环向通过榫状连接2控制拼装，各接缝通过多重防水系统4密封防水，高性能混凝土管片1背后与地层之间设置加强注浆系统5填充密实，高性能混凝土管片1内侧设置预留补强空间6用于后期的维修补强。

高性能混凝土管片1采用C55、P12及以上高性能钢筋混凝土，裂缝开展宽度限值0.15mm，钢筋保护层厚度加大至55mm。混凝土采用较大掺量的矿物掺和料，同时添加改性聚丙烯纤维。矿物掺和料应为性能稳定的粉煤灰、磨细矿渣粉，粉煤灰的质量等级不低于F类中的II级，游离氧化钙含量≤1.0％，矿渣粉不低于S95级。改性聚丙烯纤维掺量约为1.5kg/m³。

高性能混凝土管片1设置为6～9块，拼装形成圆形隧道断面。在高性能混凝土管片1背面和接缝密封垫外侧的混凝土上涂刷多功能混凝土防护剂，材料采用高渗透性改性环氧涂料，分次涂刷，第一次涂刷0.2kg/m²，第二次涂刷0.25kg/m²。

多块高性能混凝土管片1拼装环缝之间设置分布式榫状连接2，榫状连接2为凹凸式圆形构造，高度30mm，每块管片上设置1～3个，有效控制管片拼装精度，减少接缝错台。

高性能混凝土管片1纵向和环向连接采用高性能耐腐蚀螺栓3，螺栓为弧形弯螺栓，等级A4L-80P，最小抗拉强度为800MPa；螺母机械性能8.0级；垫圈机械性能等级最低Hv＝200。螺栓、螺母、垫圈材质均使用316L不锈钢。生产工艺为冷镦成型，配上组合用垫片，并对组合螺栓进行钝化处理。

多重防水系统4设置于管片接缝处，自外向内设置多重防水装置，包括氯丁海绵橡胶挡水条7、多孔型弹性橡胶密封垫8、遇水膨胀密封垫9、丁腈软木橡胶衬垫板10、泡沫棒11和聚氨酯密封胶12；管片接缝外侧设置氯丁海绵橡胶挡水条7；管片外侧沟槽内设置多孔型弹性橡胶密封垫8，选用三元乙丙橡胶；内侧沟槽内设置所述遇水膨胀密封垫9，选用聚醚聚氨酯弹性体；在管片环缝处、榫状连接2处背千斤顶面上粘贴丁腈软木橡胶衬垫板10；在隧道顶部及底部范围内进行局部嵌缝，嵌缝材料采用泡沫棒11和聚氨酯密封胶12。

多孔型弹性密封垫8生产前须进行一字缝、十字缝及T字缝拼装时的防水试验及耐久性试验，以检测验证所设计的密封材料的材质、构造是否满足防水和耐久性要求。

加强注浆系统5为在高性能混凝土管片1上留设1～3个注浆孔，在盾构掘进过程进行同步注浆后，沿预留注浆孔对所述高性能混凝土管片背后进行二次补充注浆，保证管片与地层之间空隙填充密实。

预留补强空间6为在高性能混凝土管片1内侧与建筑限界之间预留250mm厚补强空间，为后期维修补强和延长结构使用寿命预留条件，可采用混凝土或钢结构等进行补强。

本实用新型的海域腐蚀环境高性能耐久性盾构管片衬砌结构应用于过海地铁区间隧道施工，施工按顺序进行的下列步骤：

(1)按设计图纸放线定位，在工厂按照管片材料要求进行高性能混凝土管片预制，设置榫状连接；

(2)预制管片接缝处安装氯丁海绵橡胶挡水条、多孔型弹性橡胶密封垫、遇水膨胀密封垫和丁腈软木橡胶衬垫板等多重防水系统构件；

(3)进行正常盾构法段的暗挖施工，拼装盾构高性能混凝土管片衬砌，环缝和纵缝采用高性能耐腐蚀螺栓连接固定，进行同步注浆；

(4)利用加强注浆系统进行二次及多次注浆，保证管片背后与围岩密贴；对隧道顶部及底部范围内采用泡沫棒和聚氨酯密封胶进行局部嵌缝；

(5)高性能混凝土管片拼装成环形，考虑了预留补强空间可供后期维护加固使用，至此形成海域腐蚀环境高性能耐久性管片衬砌结构。

本实用新型结构及施工方法适用于过海及水下盾构隧道或有腐蚀环境的盾构隧道设计施工。盾构掘进过程中应注意控制盾构机姿态，保证管片安装精度。

以上对本实用新型的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本实用新型的专利涵盖范围之内。

Claims (9)

1.一种海域腐蚀环境高性能耐久性盾构管片衬砌结构，其特征在于，包括高性能混凝土管片、榫状连接、高性能耐腐蚀螺栓、多重防水系统、加强注浆系统和预留补强空间，多块所述高性能混凝土管片通过所述高性能耐腐蚀螺栓连接固定，环向通过所述榫状连接控制拼装，各接缝通过所述多重防水系统密封防水，所述高性能混凝土管片背后与地层之间通过所述加强注浆系统填充密实，所述高性能混凝土管片内侧设置所述预留补强空间。

2.根据权利要求1所述的海域腐蚀环境高性能耐久性盾构管片衬砌结构，其特征在于：所述高性能混凝土管片采用C55、P12钢筋混凝土，裂缝开展宽度限值0.15mm，钢筋保护层厚度55mm。

3.根据权利要求1所述的海域腐蚀环境高性能耐久性盾构管片衬砌结构，其特征在于：6～9块所述高性能混凝土管片拼装形成环形结构断面。

4.根据权利要求1所述的海域腐蚀环境高性能耐久性盾构管片衬砌结构，其特征在于：多块所述高性能混凝土管片拼装环缝之间设置分布式所述榫状连接，所述榫状连接为凹凸式圆形构造，高度30mm，每块所述高性能混凝土管片上设置1～3个所述榫状连接。

5.根据权利要求1所述的海域腐蚀环境高性能耐久性盾构管片衬砌结构，其特征在于：所述高性能混凝土管片纵向和环向连接采用所述高性能耐腐蚀螺栓。

6.根据权利要求1所述的海域腐蚀环境高性能耐久性盾构管片衬砌结构，其特征在于：所述高性能耐腐蚀螺栓为弧形弯螺栓，等级A4L-80P，最小抗拉强度为800MPa；螺母机械性能8.0级；垫圈机械性能等级最低Hv＝200；螺栓、螺母、垫圈材质均使用316L不锈钢。

7.根据权利要求1所述的海域腐蚀环境高性能耐久性盾构管片衬砌结构，其特征在于：所述多重防水系统设置于所述高性能混凝土管片接缝处，包括氯丁海绵橡胶挡水条、多孔型弹性橡胶密封垫、遇水膨胀密封垫、丁腈软木橡胶衬垫板、泡沫棒和聚氨酯密封胶，管片接缝外侧设置所述氯丁海绵橡胶挡水条，管片外侧沟槽内设置所述多孔型弹性橡胶密封垫，内侧沟槽内设置所述遇水膨胀密封垫，在管片环缝处、所述榫状连接处背千斤顶面上粘贴所述丁腈软木橡胶衬垫板，在隧道顶部及底部范围内进行局部嵌缝，嵌缝材料采用所述泡沫棒和所述聚氨酯密封胶。

8.根据权利要求1所述的海域腐蚀环境高性能耐久性盾构管片衬砌结构，其特征在于：所述加强注浆系统为在所述高性能混凝土管片上留设1～3个注浆孔，在盾构掘进过程进行同步注浆后，沿预留注浆孔对所述高性能混凝土管片背后进行二次补充注浆。

9.根据权利要求1所述的海域腐蚀环境高性能耐久性盾构管片衬砌结构，其特征在于：所述预留补强空间为在所述高性能混凝土管片内侧与建筑限界之间预留250mm厚补强空间，可采用混凝土或钢结构进行补强。

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