CN214741356U - 富水砂层frp夹层拱-钢管混凝土柱暗挖主体结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种适用于富水砂层FRP夹层拱‑钢管混凝土柱暗挖主体结构，属于暗挖主体领域。为了解决现有暗挖主体利用钢筋混凝土外部结构不适用富水砂层地质，主体耐腐蚀性能较低，使用寿命相对较短的问题。本实用新型包括开挖成型的暗挖主体结构，顶部为第一拱段、第二拱段和第三拱段依次连接，拱部侧段下端与仰拱连接，第一钢管混凝土柱和第二钢管混凝土沿暗挖主体结构纵向长度方向依次布设，第二拱段、拱部侧段和仰拱上均设置有二次衬砌结构，第一拱段和第三拱段为FRP夹层拱。本实用新型设置FRP夹层拱和钢管混凝土柱，具有良好的抗腐蚀和抗疲劳性，可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中长期使用，尤其适用于富水砂层，延长暗挖主体使用寿命。

Description

富水砂层FRP夹层拱-钢管混凝土柱暗挖主体结构

技术领域

本实用新型涉及地铁暗挖主体结构，具体而言，涉及富水砂层FRP夹层拱-钢管混凝土柱暗挖主体结构。

背景技术

富水砂层砂粒含量达30％以上，孔隙比大，含水量大，具有流动性大、承载力小、自稳性差等特点。富水砂层沉降的原因主要存在于两个方面：一是孔隙水压力降低产生的沉降，二是因开挖产生的土体位移。孔隙水压力降低导致的固结降沉，一般土层是由土颗粒、孔隙水、气体组成的三相体系，而富水砂层中气体含量较少，主要是由土颗粒和孔隙水组成。外载荷作用在土体上，一部分由孔隙水承担，即为孔隙水压力；另一部分则由土骨架承担，即为有效应力，对引起压缩和产生强度有效。在隧道开挖过程中，因为地面井点降水、地下排水等使地下水流失，地下水位降低。随着孔隙水压力降低，作用在上部的载荷则转移到土粒骨架上，颗粒重新排列、颗粒间距离缩短和骨架体发生错动，因此产生土体压缩、固结而引起地表沉降。

FRP又称纤维增强复合塑料，FRP复合材料是由纤维材料与基体材料按一定的比例混合后形成的高性能型材料。一般FRP具有质轻而硬，不导电，机械强度高，回收利用少，耐腐蚀等特性。随着社会科学技术的进步，土木工程结构学科的发展，在很大程度上得益于性质优异的新材料、新技术的应用和发展，而FRP以其优异的力学性能及适应现代工程结构向大跨、高耸、重载、轻质发展的需求，正被越来越广泛地应用于桥梁工程、各类民用建筑、海洋工程、地下工程中，受到结构工程界广泛关注。

由于城市建设的不断发展，地铁逐渐成为常用交通工具，在地铁建设过程中遇到的地质情况也更为复杂，现有的暗挖主体结构主要利用钢筋混凝土的外部结构应对岩质地层，而对于富水砂层地质这种环境状况的主体结构较少，无法承受因长年累月导致的土体压缩、固结而引起地表沉降问题，且钢筋混凝土结构质量加大，耐腐蚀性能较低，使用寿命相对较短。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：

为了解决现有暗挖主体结构不适用于富水砂层地质，无法承受因长年累月导致的土体压缩、固结而引起地表沉降，钢筋混凝土结构质量加大，建设时较为耗费人力和物力，耐腐蚀性能较低，使用寿命相对较短的问题。

本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案：

本实用新型提供了一种富水砂层FRP夹层拱-钢管混凝土柱暗挖主体结构，包括开挖成型的暗挖主体结构，所述暗挖主体结构包括第一拱段、第二拱段、第三拱段、拱部侧段、仰拱和两组钢管混凝土柱，所述暗挖主体结构的顶部为第一拱段、第二拱段和第三拱段依次连接，所述拱部侧段的上端分别与第一拱段和第三拱段连接，构成暗挖主体结构的侧壁，下端与仰拱连接，所述钢管混凝土柱包括第一钢管混凝土柱和第二钢管混凝土柱，所述第一钢管混凝土柱和第二钢管混凝土柱沿暗挖主体结构纵向长度方向依次布设，所述暗挖主体结构顶部设置有第一顶纵梁和第二顶纵梁，所述仰拱位于暗挖主体结构的底部，所述仰拱上设置有第一底纵梁和第二底纵梁，所述第一顶纵梁和第一底纵梁之间设置有第一钢管混凝土柱，所述第二顶纵梁和第二底纵梁之间设置有第二钢管混凝土柱，所述第二拱段、拱部侧段和仰拱上均设置有二次衬砌结构，所述第一拱段和第三拱段为FRP夹层拱；

所述第一拱段布设于预先开挖成型的上部第一导洞，所述第三拱段布设于上部第四导洞，所述第一顶纵梁和第二顶纵梁分别布设于上部第一导洞和上部第二导洞，所述拱部侧段分别布设于下部第一导洞和下部第四导洞，所述第一底纵梁和第二底纵梁分别布设于下部第二导洞和下部第三导洞。

可选地，所述FRP夹层拱的外层设置为钢筋混凝土，内层为FRP复合塑料。

可选地，所述上部第一导洞内第一拱段上方为第一混凝土回填区，所述上部第四导洞内第三拱段上方为第二混凝土回填区。

可选地，所述下部第二导洞内设置有第一水平基础，所述第一底纵梁位于第一水平基础上，所述下部第三导洞内设置有第二水平基础，所述第二底纵梁位于第二水平基础上。

可选地，所述第一水平基础和第二水平基础为FRP第一水平基础和FRP第二水平基础。

可选地，所述第一拱段、第二拱段、第三拱段、拱部侧段、仰拱和二次衬砌结构之间设置有防水层。

可选地，所述第一拱段、第二拱段和第三拱段上均设置有超前注浆加固结构。

可选地，所述上部第一导洞、上部第二导洞、上部第三导洞、上部第四导洞、下部第一导洞和下部第二导洞、下部第三导洞和下部第四导洞的拱部均设置有超前注浆加固结构。

可选地，还包括站台板内部结构，所述第一钢管混凝土柱贯穿站台板内部结构与第一底纵梁连接，所述第二钢管混凝土柱贯穿站台板内部结构与第二底纵梁连接。

相较于现有技术，本实用新型的有益效果是：

本实用新型富水砂层FRP夹层拱-钢管混凝土柱暗挖主体结构，第一拱段和第二拱段设置有FRP夹层拱，具有良好的抗腐蚀和抗疲劳性，可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中长期使用，尤其适用于富水砂层，用于解决在隧道开挖过程中，因为地面井点降水、地下排水等使地下水流失、地下水位降低而导致的颗粒重新排列、颗粒间距离缩短和骨架体发生错动，产生土体压缩、固结而引起地表沉降的问题，有效提高暗挖主体结构的使用寿命；

同时，FRP比强度很高，即通常所说的轻质高强，因此采用FRP材料可减轻结构自重，施工方便，其重量一般为钢材的20％。FRP复合材料热膨胀系数与混凝土相近，当环境温度发生变化时，FRP与混凝土协调工作，两者间不会产生大的温度应力，因此FRP夹层拱在环境温度升高时，钢筋混凝土和FRP复合材料之间不会发生断裂，结构更加稳定；

钢管混凝土柱中钢管和内部核心混凝土之间产生相互作用力，形成“套箍效应”，使其核心混凝土强度能够充分发挥，维持较高的延性，其抗压承载力、塑性和韧性好，包裹在钢管外的混凝土避免了钢管与空气直接接触，起到防腐蚀、防锈的作用；钢管混凝土柱的设置相对于混凝土柱可节约60-70％的混凝土，造价大大降低，且方便施工；

本实用新型结构设计合理，整体结构稳定，相对于全部采用钢筋混凝土作为主体结构来说，质量较轻，对于施工作业过程中更加节约劳动力和机械力，且施工步骤简单，采用 PBA暗挖法进行作业，难度较小，施工工序较少，可有效节约施工时间。

附图说明

图1为本实用新型富水砂层FRP夹层拱-钢管混凝土柱暗挖主体结构的结构示意图；

图2为本实用新型导洞的施工状态示意图；

图3为本实用新型顶纵梁、底纵梁和水平基础的施工状态示意图；

图4为本实用新型钢管混凝土柱的施工状态示意图；

图5为本实用新型第一拱段、第二拱段和侧拱段的施工状态示意图；

图6为本实用新型第二拱段的施工状态示意图；

图7为本实用新型施工完成示意图。

附图标记说明：

1-第一拱段，2-第二拱段，3-第三拱段，4-二衬砌结构，5-富水砂层，8-拱部侧段，10-第一顶纵梁，11-第二顶纵梁，12-第一钢管混凝土柱，13-第二钢管混凝土柱，14-站台板内部结构，15-仰拱，16-第一水平基础，17-第二水平基础，18-1-上部第一导洞，18-2- 上部第二导洞，18-3-上部第三导洞，18-4-上部第四导洞，19-1-下部第一导洞，19-2- 下部第二导洞，19-3-下部第三导洞，19-4-下部第四导洞，20-第一底纵梁，21-第二底纵梁。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，应当说明的是，各实施例中的术语名词例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示方位的词语，只是为了简化描述基于说明书附图的位置关系，并不代表所指的元件和装置等必须按照说明书中特定的方位和限定的操作及方法、构造进行操作，该类方位名词不构成对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，应当说明的是，在本实用新型的实施例中所提到的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”仅用于描述目的，并不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”和“第四”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。

具体实施方案一：结合图1至图7所示，本实用新型提供了一种富水砂层FRP夹层拱-钢管混凝土柱暗挖主体结构，包括开挖成型的暗挖主体结构，所述暗挖主体结构包括第一拱段、第二拱段、第三拱段、拱部侧段、仰拱和两组钢管混凝土柱，所述暗挖主体结构的顶部为第一拱段、第二拱段和第三拱段依次连接，所述拱部侧段的上端分别与第一拱段和第三拱段连接，构成暗挖主体结构的侧壁，下端与仰拱连接，所述钢管混凝土柱包括第一钢管混凝土柱和第二钢管混凝土柱，所述第一钢管混凝土柱和第二钢管混凝土柱沿暗挖主体结构纵向长度方向依次布设，所述暗挖主体结构顶部设置有第一顶纵梁和第二顶纵梁，所述仰拱位于暗挖主体结构的底部，所述仰拱上设置有第一底纵梁和第二底纵梁，所述第一顶纵梁和第一底纵梁之间设置有第一钢管混凝土柱，所述第二顶纵梁和第二底纵梁之间设置有第二钢管混凝土柱，所述第二拱段、拱部侧段和仰拱上均设置有二次衬砌结构，所述第一拱段和第三拱段为FRP夹层拱；

所述第一拱段布设于预先开挖成型的上部第一导洞，所述第三拱段布设于上部第四导洞，所述第一顶纵梁和第二顶纵梁分别布设于上部第一导洞和上部第二导洞，所述拱部侧段分别布设于下部第一导洞和下部第四导洞，所述第一底纵梁和第二底纵梁分别布设于下部第二导洞和下部第三导洞。

第一拱段和第二拱段设置有FRP夹层拱，具有良好的抗腐蚀和抗疲劳性，可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中长期使用，尤其适用于富水砂层，用于解决在隧道开挖过程中，因为地面井点降水、地下排水等使地下水流失、地下水位降低而导致的颗粒重新排列、颗粒间距离缩短和骨架体发生错动，产生土体压缩、固结而引起地表沉降的问题，有效提高暗挖主体结构的使用寿命；

同时，FRP比强度很高，即通常所说的轻质高强，因此采用FRP材料可减轻结构自重，施工方便，其重量一般为钢材的20％。FRP复合材料热膨胀系数与混凝土相近，这样当环境温度发生变化时，FRP与混凝土协调工作，两者间不会产生大的温度应力，因此FRP夹层拱在环境温度升高时，钢筋混凝土和FRP复合材料之间不会发生断裂；钢管混凝土柱中钢管和内部核心混凝土之间产生相互作用力，形成“套箍效应”，使其核心混凝土强度能够充分发挥，维持较高的延性，其抗压承载力、塑性和韧性好，包裹在钢管外的混凝土避免了钢管与空气直接接触，起到防腐蚀、防锈的作用；钢管混凝土柱的设置相对于混凝土柱可节约60-70％的混凝土，造价大大降低，且方便施工；结构设计合理，整体结构稳定。

具体实施方案二：所述FRP夹层拱的外层设置为钢筋混凝土，内层为FRP复合塑料。相对于全部采用钢筋混凝土作为主体结构来说，质量较轻，对于施工作业过程中更加节约劳动力和机械力，且施工步骤简单，采用PBA暗挖法进行作业，难度较小，施工工序较少，可有效节约施工时间。本实施方案的其他组合和连接关系与具体实施方案一相同。

具体实施方案三：所述上部第一导洞内第一拱段上方为第一混凝土回填区，所述上部第四导洞内第三拱段上方为第二混凝土回填区。本实施方案的其他组合和连接关系与具体实施方案一相同。

具体实施方案四：所述下部第二导洞内设置有第一水平基础，所述第一底纵梁位于第一水平基础上，所述下部第三导洞内设置有第二水平基础，所述第二底纵梁位于第二水平基础上。本实施方案的其他组合和连接关系与具体实施方案一相同。

具体实施方案五：所述第一水平基础和第二水平基础为FRP第一水平基础和FRP第二水平基础。本实施方案的其他组合和连接关系与具体实施方案四相同。

具体实施方案六：所述第一拱段、第二拱段、第三拱段、拱部侧段、仰拱和二次衬砌结构之间设置有防水层。提高暗挖主体在富水砂层的防水功能，保证长时间使用时结构的稳定性，延长其使用寿命。本实施方案的其他组合和连接关系与具体实施方案一相同。

具体实施方案七：所述第一拱段、第二拱段和第三拱段上均设置有超前注浆加固结构。本实施方案的其他组合和连接关系与具体实施方案一相同。

具体实施方案八：所述上部第一导洞、上部第二导洞、上部第三导洞、上部第四导洞、下部第一导洞和下部第二导洞、下部第三导洞和下部第四导洞的拱部均设置有超前注浆加固结构。本实施方案的其他组合和连接关系与具体实施方案一相同。

具体实施方案九：还包括站台板内部结构，所述第一钢管混凝土柱贯穿站台板内部结构与第一底纵梁连接，所述第二钢管混凝土柱贯穿站台板内部结构与第二底纵梁连接。本实施方案的其他组合和连接关系与具体实施方案一相同。

虽然本实用新型公开披露如上，但本实用新型公开的保护范围并非仅限于此。本实用新型领域技术人员在不脱离本实用新型公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本实用新型的保护范围。

工作原理：对本实用新型进行施工时，包括以下步骤，

步骤一：对上部第一导洞、上部第二导洞、上部第三导洞、上部第四导洞、下部第一导洞、下部第二导洞、下部第三导洞和下部第四导洞采用台阶法进行开挖，开挖的过程中对导洞进行超前注浆加固支护，相邻两个上部导洞和下部导洞之间的距离均大于等于 10m，上部导洞和下部导洞之间的距离大于等于20m，如图2所示；

步骤二：将导洞开挖和支护完成后，对上部第二导洞施工第一顶纵梁，对上部第三导洞施工第二顶纵梁，对下部第二导洞施工第一底纵梁和第一水平基础，对下部第三导洞施工第二底纵梁和第二水平基础，第一水平基础和第二水平基础预埋与拱部侧段连接的钢筋，第一底纵梁和第二底纵梁的底部均预埋有用于连接钢管混凝土柱的安装法兰与柱脚螺栓，如图3所示；

步骤三：将第一钢管混凝土柱和第二钢管混凝土柱通过法兰和柱脚螺栓进行安装，第一钢管混凝土柱的两端分别与第一顶纵梁和第一底纵梁连接，第二钢管混凝土柱的两端分别与第二顶纵梁和第二底纵梁连接，如图4所示；

步骤四：对上部第一导洞和下部第一导洞施工第一拱段和拱部侧段，对上部第四导洞和下部第四导洞施工第三拱段和拱部侧段，施工完成后铺设防水层，再进行二次衬砌，第一拱段和第二拱段为FRP夹层拱，如图5所示；

步骤五：对上部第一导洞、上部第四导洞、下部第一导洞和下部第四导洞进行回填，对上部第二导洞和上部第三导洞施工第一拱段和第三拱段，铺设防水层，进行二次衬砌，如图6所示；

步骤六：将上部第一导洞、上部第二导洞、上部第三导洞、上部第四导洞、下部第一导洞、下部第二导洞、下部第三导洞和下部第四导洞进行拆除，由上至下对仰拱进行施工，将下部土体或岩体开挖完成后进行二次衬砌施工，完成暗挖主体下部结构，施工站台板内部结构，完成暗挖主体，如图7所示。

Claims (9)

1.一种富水砂层FRP夹层拱-钢管混凝土柱暗挖主体结构，其特征在于：包括开挖成型的暗挖主体结构，所述暗挖主体结构包括第一拱段(1)、第二拱段(2)、第三拱段(3)、拱部侧段(8)、仰拱(15)和两组钢管混凝土柱(13)，所述暗挖主体结构的顶部为第一拱段(1)、第二拱段(2)和第三拱段(3)依次连接，所述拱部侧段的上端分别与第一拱段(1)和第三拱段(3)连接，构成暗挖主体结构的侧壁，下端与仰拱(15)连接，所述钢管混凝土柱包括第一钢管混凝土柱(12)和第二钢管混凝土柱(13)，所述第一钢管混凝土柱(12)和第二钢管混凝土柱(13)沿暗挖主体结构纵向长度方向依次布设，所述暗挖主体结构顶部设置有第一顶纵梁(10)和第二顶纵梁(11)，所述仰拱(15)位于暗挖主体结构的底部，所述仰拱(15)上设置有第一底纵梁(20)和第二底纵梁(21)，所述第一顶纵梁(10)和第一底纵梁(20)之间设置有第一钢管混凝土柱(12)，所述第二顶纵梁(11)和第二底纵梁(21)之间设置有第二钢管混凝土柱(13)，所述第二拱段(2)、拱部侧段(8)和仰拱(15)上均设置有二次衬砌结构(4)，所述第一拱段(1)和第三拱段(3)为FRP夹层拱；

所述第一拱段(1)布设于预先开挖成型的上部第一导洞(18-1)，所述第三拱段(3)布设于上部第四导洞(18-4)，所述第一顶纵梁(10)和第二顶纵梁(11)分别布设于上部第一导洞(18-1)和上部第二导洞(18-2)，所述拱部侧段(8)分别布设于下部第一导洞(19-1)和下部第四导洞(19-4)，所述第一底纵梁(20)和第二底纵梁(21)分别布设于下部第二导洞(19-2)和下部第三导洞(19-3)。

2.根据权利要求1所述的富水砂层FRP夹层拱-钢管混凝土柱暗挖主体结构，其特征在于：所述FRP夹层拱的外层设置为钢筋混凝土，内层为FRP复合塑料。

3.根据权利要求1所述的富水砂层FRP夹层拱-钢管混凝土柱暗挖主体结构，其特征在于：所述上部第一导洞(18-1)内第一拱段(1)上方为第一混凝土回填区，所述上部第四导洞(18-4)内第三拱段(3)上方为第二混凝土回填区。

4.根据权利要求1所述的富水砂层FRP夹层拱-钢管混凝土柱暗挖主体结构，其特征在于：所述下部第二导洞(19-2)内设置有第一水平基础(16)，所述第一底纵梁(20)位于第一水平基础(16)上，所述下部第三导洞(19-3)内设置有第二水平基础(17)，所述第二底纵梁(21)位于第二水平基础(17)上。

5.根据权利要求4所述的富水砂层FRP夹层拱-钢管混凝土柱暗挖主体结构，其特征在于：所述第一水平基础(16)和第二水平基础(17)为FRP第一水平基础和FRP第二水平基础。

6.根据权利要求1所述的富水砂层FRP夹层拱-钢管混凝土柱暗挖主体结构，其特征在于：第二拱段(2)、拱部侧段(8)、仰拱(15)和二次衬砌结构(4)之间设置有防水层。

7.根据权利要求1所述的富水砂层FRP夹层拱-钢管混凝土柱暗挖主体结构，其特征在于：所述第一拱段(1)、第二拱段(2)和第三拱段(3)上均设置有超前注浆加固结构。

8.根据权利要求1所述的富水砂层FRP夹层拱-钢管混凝土柱暗挖主体结构，其特征在于：所述上部第一导洞(18-1)、上部第二导洞(18-2)、上部第三导洞(18-3)、上部第四导洞(18-4)、下部第一导洞(19-1)和下部第二导洞(19-2)、下部第三导洞(19-3)和下部第四导洞(19-4)的拱部均设置有超前注浆加固结构。

9.根据权利要求1所述的富水砂层FRP夹层拱-钢管混凝土柱暗挖主体结构，其特征在于：还包括站台板内部结构(14)，所述第一钢管混凝土柱(12)贯穿站台板内部结构(14)与第一底纵梁(20)连接，所述第二钢管混凝土柱(13)贯穿站台板内部结构(14)与第二底纵梁(21)连接。

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