强腐蚀环境下超长使用寿命的盾构隧道衬砌结构及方法与流程

本发明属于隧道工程技术领域，更具体地，涉及一种强腐蚀环境下超长使用寿命的盾构隧道衬砌结构及方法。

背景技术

目前盾构法隧道衬砌结构有两种型式，一种是单层预制管片衬砌，另一种是预制衬砌管片与内部现浇混凝土衬砌组成的双层衬砌结构。预制衬砌管片一般为钢筋混凝土材料，由于在海水等强腐蚀环境下，氯离子渗透到钢筋表面且氯离子浓度达到临界值后会击穿钢筋表面的钝化膜引起钢筋锈蚀，导致结构承载能力下降直至丧失。为了保证衬砌结构的设计使用寿命，采用盾构法隧道修建的海底隧道一般采取增加外侧钢筋保护层厚度、在管片外侧涂防腐涂层、钢筋表面涂环氧涂层等提高耐久性的措施。

现有的单层衬砌结构，腐蚀环境下内外侧钢筋锈蚀后造成混凝土保护层剥离，钢筋锈蚀加剧，当钢筋锈蚀到一定程度时，衬砌结构失效，隧道结构使用寿命终止。由于在海水环境下，混凝土中钢筋的锈蚀不可避免，因此单层混凝土管片的使用寿命较短。即使采取管片外侧涂防腐涂料或钢筋表面涂防腐涂层的做法，根据目前技术水平，只能延长使用寿命15-20年。目前采用单层衬砌管片修建的海底隧道使用寿命一般为100年。

双层衬砌方案根据二次衬砌的作用及实施时间不同，可以有多种做法，一种是二次衬砌采用素混凝土，在隧道建设初期实施，二次衬砌不作为隧道衬砌结构主要受力构件，只作为防火、防撞击、防止内侧钢筋锈蚀的保护结构。这种衬砌结构当管片外侧钢筋锈蚀后，其承载能力下降直至丧失，故衬砌结构使用寿命与单层衬砌相同，一般也是100年使用寿命。部分隧道采用了在既有隧道内侧预留后期二次衬砌浇筑的空间，即原有管片外侧钢筋锈蚀失效后，在隧道内侧重新浇筑一层衬砌结构，不再利用外侧管片衬砌。该方案思路明确，但对原管片结构中未腐蚀部分没有进行利用，所有外部荷载及防水均依靠二次衬砌，远期需要浇筑的二次衬砌厚度较大，即隧道内净空需预留较大的二次衬砌空间，这得使先施工的盾构隧道管片直径增加较多、后期浇筑的衬砌厚度及钢筋用量增加，初期投资和远期投资均增加较多。

根据目前的研究成果，采取上述措施后，衬砌管片可满足使用年限不低于100年的目标。但无论是管片表面做防腐涂层还是采用环氧钢筋，一般仅可延长使用寿命15-20年；另外盾构隧道管片接缝防水密封垫一般布置于外侧，随着管片外侧密封垫沟槽附近钢筋的锈蚀，密封垫沟槽附近混凝土会剥落，造成防水失效。故对于某些重大的海底隧道工程，想要实现150年甚至更长的使用寿命，则需要采取其他措施。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种强腐蚀环境下超长使用寿命的盾构隧道衬砌结构及方法，在预制钢筋混凝土衬砌管片中，预制管片中的外侧钢筋和预制管片内侧钢筋是受力钢筋，用于承担近期荷载，外侧受力钢筋锈蚀后，在预制钢筋混凝土衬砌管片内侧铺设的含有二次衬砌受力钢筋的远期浇筑的钢筋混凝土二次衬砌，预埋径向拉结筋接驳器贯穿于预制管片内侧钢筋使预制管片中间层钢筋和二次衬砌受力钢筋实现拉结，形成预制管片中间层钢筋为外侧受力钢筋和二次衬砌受力钢筋为内侧受力钢筋的新的衬砌结构，用于承担隧道外部荷载。该结构充分利用既有管片内部未腐蚀部分，并通过在内侧浇筑钢筋混凝土，形成外侧钢筋混凝土管片与内侧现浇衬砌的叠合结构的技术方案，从而实现隧道衬砌结构的使用寿命大幅延长。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种强腐蚀环境下超长使用寿命的盾构隧道衬砌结构，其特征在于，包括预制钢筋混凝土衬砌管片和钢筋混凝土二次衬砌；其中，

所述预制钢筋混凝土衬砌管片包括三层钢筋，所述三层钢筋由外至内分别为预制管片中的外侧钢筋、预制管片中间层钢筋、预制管片内侧钢筋，所述预制管片中的外侧钢筋和所述预制管片内侧钢筋为受力钢筋用于承担近期荷载，所述预制管片中间层钢筋不参与结构受力；

所述钢筋混凝土二次衬砌包括二次衬砌受力钢筋，所述预制钢筋混凝土衬砌管片还包括预埋径向拉结筋接驳器，所述预埋径向拉结筋接驳器用于使所述预制管片中间层钢筋和二次衬砌受力钢筋拉结，利用所述预制钢筋混凝土衬砌管片内部未腐蚀的所述预制管片中间层钢筋与所述二次衬砌受力钢筋作为新的承担隧道外部荷载的叠合衬砌结构。

进一步地，所述预制管片中间层钢筋包括环向受力主筋、纵向分布钢筋和径向拉结筋，等间距布置的所述径向拉结筋用于连接所述预制管片中间层钢筋和所述预制管片内侧钢筋。

进一步地，所述径向拉结筋内侧连接所述预制管片内侧钢筋的端头部位并且预留远期与所述二次衬砌受力钢筋连接的所述预埋径向拉结筋接驳器。

进一步地，所述预埋径向拉结筋接驳器端头不外露并与所述预制钢筋混凝土衬砌管片内表面保持一定距离。

进一步地，若干个大小相同的所述预制钢筋混凝土衬砌管片连接而成的环状结构以作为盾构隧道的外层。

进一步地，所述预制钢筋混凝土衬砌管片之间接缝处包含外侧防水沟槽和外侧备用防水沟槽。

进一步地，所述钢筋混凝土二次衬砌的厚度小于所述预制钢筋混凝土衬砌管片的厚度。

进一步地，所述钢筋混凝土二次衬砌为连续的环形一体结构。

按照本发明的另一个方面，提供一种强腐蚀环境下超长使用寿命的盾构隧道衬砌方法，应用以上所述的强腐蚀环境下超长使用寿命的盾构隧道衬砌结构实现，具体包括如下步骤：

s1：先施工所述预制钢筋混凝土衬砌管片，配置三层受力钢筋，由外至内分别设置所述预制管片中的外侧钢筋、所述预制管片中间层钢筋、所述预制管片内侧钢筋，并预留所述预制管片中间层钢筋与二次衬砌受力钢筋之间拉结的所述预埋径向拉结筋接驳器；

s2：所述预制钢筋混凝土衬砌管片接缝靠外侧设置两道防水沟槽，即所述外侧防水沟槽和所述外侧备用防水沟槽，所述外侧备用防水沟槽近期不用，作为远期防水备用沟槽；

s3：远期浇筑二次衬砌时，需将所述预制钢筋混凝土衬砌管片内侧被腐蚀的剥落混的凝土保护层凿除，并通过所述预埋径向拉结筋接驳器将所述预制钢筋混凝土衬砌管片中未腐蚀部分，即所述预制管片中间层钢筋和所述预制管片内侧钢筋与所述后浇筑二次衬砌受力钢筋拉结形成整体受力结构；

s4：在所述外侧备用防水沟槽内注入遇水膨胀密封胶，然后再于预制管片中间层钢筋外浇筑二次衬砌混凝土。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明的强腐蚀环境下超长使用寿命的盾构隧道衬砌结构，在预制钢筋混凝土衬砌管片中，预制管片中的外侧钢筋和预制管片内侧钢筋是受力钢筋，用于承担近期荷载，外侧受力钢筋锈蚀后，在预制钢筋混凝土衬砌管片内侧铺设的含有二次衬砌受力钢筋的远期浇筑的钢筋混凝土二次衬砌，预埋径向拉结筋接驳器贯穿于预制管片内侧钢筋使预制管片中间层钢筋和二次衬砌受力钢筋实现拉结，形成预制管片中间层钢筋为外侧受力钢筋和二次衬砌受力钢筋为内侧受力钢筋的新的衬砌结构，用于承担隧道外部荷载。远期当管片内侧及外侧钢筋发生锈蚀失效后，充分利用既有管片内部未腐蚀部分，并通过在内侧浇筑钢筋混凝土，形成外侧钢筋混凝土管片与内侧现浇衬砌的叠合结构的技术方案，从而实现隧道衬砌结构的使用寿命大幅延长。

(2)本发明的强腐蚀环境下超长使用寿命的盾构隧道衬砌结构，预制管片中间层钢筋包括环向受力主筋、纵向分布钢筋和径向拉结筋。其中，等间距布置的径向拉结筋连接预制管片中间层钢筋和预制管片内侧钢筋，径向拉结筋内侧连接预制管片内侧钢筋的端头部位预留远期与二次内衬钢筋连接的预埋径向拉结筋接驳器，形成新的衬砌结构，延长衬砌结构使用寿命。

(3)本发明的强腐蚀环境下超长使用寿命的盾构隧道衬砌结构，从结构受力角度看，远期浇筑的钢筋混凝土二次衬砌所需厚度较薄，如果依靠远期浇筑的钢筋混凝土二次衬砌防水，则需增加其厚度，故仍采用管片接缝防水的方案。即在外侧备用防水沟槽内注入遇水膨胀密封胶，然后再于预制管片中间层钢筋外浇筑二次衬砌混凝土。

(4)本发明的强腐蚀环境下超长使用寿命的盾构隧道衬砌结构，不需要重新建筑二次衬砌承担全部荷载，先施工的盾构隧道管片直径不需增加过多、后期浇筑的衬砌厚度及钢筋用量减少，初期投资和远期工程投资均减少。且与现有技术中的不论是单层衬砌结构，还是双层衬砌相比，现有技术中的衬砌结构最多能维持年使用寿命，而该发明的衬砌结构，理论上可以实现使用寿命的叠加，最多可使用年。

(5)本发明的适用于强腐蚀环境下超长使用寿命的盾构隧道衬砌方法，先期施工预制钢筋混凝土衬砌管片，远期浇筑二次衬砌时，将管片内侧被腐蚀的剥落混的凝土保护层凿除，并通过预埋径向拉结筋接驳器将先期施工预制钢筋混凝土衬砌管片中未腐蚀部分预制管片内侧钢筋与后浇筑二次衬砌受力钢筋形成整体受力结构，远期浇注的二次内衬钢筋混凝土厚度较薄且采用单层钢筋，通过预埋接驳器使未被腐蚀的管片结构和后浇筑的二次衬砌形成新的衬砌结构承担外部水土荷载，实现延长衬砌结构使用寿命的目的

附图说明

图1为本发明实施例一种强腐蚀环境下超长使用寿命的盾构隧道衬砌结构总图；

图2为本发明实施例一种强腐蚀环境下超长使用寿命的盾构隧道衬砌结构先期施工的预制衬砌管片结构图；

图3为本发明实施例一种强腐蚀环境下超长使用寿命的盾构隧道衬砌结构远期浇筑二次衬砌后隧道衬砌结构图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-预制钢筋混凝土衬砌管片、2-远期浇筑的钢筋混凝土二次衬砌、3-预制管片中的外侧受力钢筋、4-预制管片中间层受力钢筋、5-预制管片内侧受力钢筋、6-二次衬砌受力钢筋、7-预埋径向拉结筋接驳器、8-外侧防水沟槽、9-外侧备用防水沟槽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1为一种强腐蚀环境下超长使用寿命的盾构隧道衬砌结构，包括预制钢筋混凝土衬砌管片1和远期浇筑的钢筋混凝土二次衬砌2，该盾构隧道衬砌结构为环状结构，外层为若干个大小相同的预制钢筋混凝土衬砌管片1连接而成，内侧的远期浇筑的钢筋混凝土二次衬砌2与预制钢筋混凝土衬砌管片1相比较而言，厚度较薄，为连续的环形一体结构。本发明提出的衬砌结构方案从使用寿命要远超过单层衬砌结构或外侧钢筋混凝土管片和内侧素混凝土的双层衬砌结构；从工程投资上，由于远期充分利用了外侧钢筋混凝土管片中未锈蚀部分，使得二次衬砌所需厚度减小并可单层配筋，相应可减小隧道外径，总的工程投资降低。

图2为本发明实施例一种强腐蚀环境下超长使用寿命的盾构隧道衬砌结构先期施工的预制衬砌管片结构图，如图2所示，先施工的预制钢筋混凝土衬砌管片1包括预制管片中的外侧钢筋3、预制管片中间层钢筋4、预制管片内侧钢筋5、预埋径向拉结筋接驳器7、外侧防水沟槽8以及外侧备用防水沟槽9。与普通钢筋混凝土管片不同，先施工的预制钢筋混凝土衬砌管片1设置有三层钢筋，由外至内分别为预制管片中的外侧钢筋3、预制管片中间层钢筋4、预制管片内侧钢筋5，其中，预制管片中的外侧钢筋3、预制管片中间层钢筋4距离较近，在二次衬砌施工之前，预制管片中的外侧钢筋3和预制管片内侧钢筋5是受力钢筋，用于承担近期荷载，由于此时预制管片中间层钢筋4靠近中轴，基本不参与结构受力。其中三层钢筋中的预制管片中的外侧钢筋3和预制管片中间层钢筋4之间净距满足混凝土保护层的要求。预制管片中间层钢筋4包括环向受力主筋、纵向分布钢筋和径向拉结筋。其中，等间距布置的径向拉结筋连接预制管片中间层钢筋4和预制管片内侧钢筋5，径向拉结筋内侧连接预制管片内侧钢筋5的端头部位预留远期与二次内衬钢筋连接的预埋径向拉结筋接驳器7，为了防止接驳器锈蚀，接驳器端头不外露，并与先施工的预制钢筋混凝土衬砌管片1内表面保持一定距离。预制钢筋混凝土衬砌管片1之间接缝处包含两道沟槽，即外侧防水沟槽8和外侧备用防水沟槽9，其中外侧防水沟槽8为近期防水密封垫沟槽，在预制钢筋混凝土衬砌管片1拼装前需安装防水弹性密封垫；外侧备用防水沟槽9为远期衬砌结构防水预留的密封沟槽，此时外侧备用防水沟槽9空置，在远期二次衬砌浇筑前，注入遇水膨胀型防水密封材料。

图3为本发明实施例一种强腐蚀环境下超长使用寿命的盾构隧道衬砌结构远期浇筑二次衬砌后隧道衬砌结构图。如图3所示，当预制钢筋混凝土衬砌管片1因为外侧海水(或其他有害物质)及隧道内盐雾作用下使预制管片中的外侧钢筋3锈蚀后，及时在预制钢筋混凝土衬砌管片1内侧铺设含有二次衬砌受力钢筋6的远期浇筑的钢筋混凝土二次衬砌2，预埋径向拉结筋接驳器7穿过预制管片内侧钢筋5使预制管片中间层钢筋4和二次衬砌受力钢筋6实现拉结，形成预制管片中间层钢筋4为外侧受力钢筋和二次衬砌受力钢筋6为内侧受力钢筋的新的衬砌结构，用于承担隧道外部荷载，此时预制管片内侧钢筋5处于中轴附近，基本不参与结构受力。远期浇注的二次内衬钢筋混凝土厚度较薄且采用单层钢筋，通过预埋接驳器使未被腐蚀的管片结构和后浇筑的二次衬砌形成新的衬砌结构承担外部水土荷载，实现延长衬砌结构使用寿命的目的。由于从结构受力角度看，远期浇筑的钢筋混凝土二次衬砌2所需厚度较薄，如果依靠远期浇筑的钢筋混凝土二次衬砌2防水，则需增加其厚度，故仍采用管片接缝防水的方案。即在外侧备用防水沟槽9内注入遇水膨胀密封胶，然后再于预制管片中间层钢筋4外浇筑二次衬砌混凝土。该结构根据腐蚀环境下钢筋混凝土衬砌管片的腐蚀原理(随着时间推移，氯离子或其他有害物质渗透深度深度和浓度增加)，提出了一种在强腐蚀环境下，远期当管片内侧及外侧钢筋发生锈蚀失效后，充分利用既有管片内部未腐蚀部分，并通过在内侧浇筑钢筋混凝土，形成外侧钢筋混凝土管片与内侧现浇衬砌的叠合结构的技术方案，从而实现隧道衬砌结构的使用寿命大幅延长。

一种强腐蚀环境下超长使用寿命的盾构隧道衬砌结构，其实施方法按照如下步骤：

s1：先期施工预制钢筋混凝土衬砌管片1，配置有三层受力钢筋，由外至内分别为预制管片中的外侧钢筋3、预制管片中间层钢筋4、预制管片内侧钢筋5。并预留预制管片中间层钢筋4与二次衬砌受力钢筋6之间拉结的预埋径向拉结筋接驳器7。

s2：先期施工预制钢筋混凝土衬砌管片1接缝靠外侧设置两道防水沟槽，即外侧防水沟槽8和外侧备用防水沟槽9，外侧备用防水沟槽9近期不用，作为远期防水备用沟槽。

s3：远期浇筑二次衬砌时，需将先期施工预制钢筋混凝土衬砌管片1内侧被腐蚀的剥落混的凝土保护层凿除，并通过预埋径向拉结筋接驳器7将先期施工预制钢筋混凝土衬砌管片1中未腐蚀部分，即预制管片中间层钢筋4和预制管片内侧钢筋5与后浇筑二次衬砌受力钢筋6拉结形成整体受力结构。

s4：在外侧备用防水沟槽9内注入遇水膨胀密封胶，然后再于预制管片中间层钢筋4外浇筑二次衬砌混凝土。

上述衬砌结构及防水方案，隧道衬砌结构的使用寿命是预制衬砌管片使用寿命与二次衬砌使用寿命之和，假定二者各为100年，则隧道结构使用寿命理论上可达到200年。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。