纤维织物网增强喷射纤维水泥的隧道加固结构

1.本实用新型涉及隧道衬砌混凝土修复工艺技术领域，尤其涉及一种纤维织物网增强喷射纤维水泥的隧道加固结构。


背景技术：

2.由于隧道工程运营环境复杂(温度差大、湿度大、地下水渗透、列车及上部汽车振动、岩体围压扰动等)，随着运营年限的增长，隧道开始出现混凝土衬砌的裂损破坏，常见的形式有混凝土掉块露筋、宽的横和纵向裂缝、细密的交错裂纹及大面积内部空洞。这些裂缝缺陷的出现，会进一步造成钢筋腐蚀、渗漏水、变形侵限，使结构耐久性和承载力降低，缩短隧道使用寿命和维护周期，甚至导致工程事故。
3.现有对于运营期的盾构隧道加固方法，一般分为粘钢法、增大截面法与粘贴frp法。
4.(1)对于粘钢法，由于钢板刚度高、强度高的特点，可明显提高衬砌的整体强度和刚度，施工较为方便。但由于钢板密度高，常需要大型起重设备，对场地要求高，同时也会增加结构自重；钢锚具会对混凝土衬砌造成二次损伤，而使用结构胶则会使钢面板的耐温性能降低；且钢板需要提前切割成型，如遇不规则尺寸下料较困难。
5.(2)对于增大截面法，即通过增设钢筋和加大混凝土截面来提高混凝土衬砌整体强度和刚度。由于混凝土保护层厚度的要求，面层厚度大于60mm，极大影响内部空间的有效使用面积；由于为湿作业并且需要大型机具，对周边场地运营环境影响大；需要铺设钢筋网或绑扎钢筋，施工周期长，不利于地铁正常运营。
6.(3)粘贴frp布法操作简便、易于施工、无需大型机具，可延曲面贴附，不增加结构自重及截面尺寸，对隧道环境影响小。由于frp轻质高强的贴点，该法加固效率极高，对衬砌局部加固补强效果好，但是对整体刚度的提升并不明显；由于粘接剂一般采用环氧树脂，其软化温度为60-90℃，耐热性能差，一旦树脂软化frp即将退出工作，并且在高温下环氧树脂还会释放有毒气体，对隧道内人员安全造成危害。


技术实现要素：

7.本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出一种纤维织物网增强喷射纤维水泥的隧道加固结构，能大幅度提高衬砌的耐腐蚀性能、抗裂性能、整体稳定性和变形性能。
8.根据本实用新型第一方面实施例的纤维织物网增强喷射纤维水泥的隧道加固结构，包括：
9.短纤维增强水泥基复合件，所述短纤维增强水泥基复合件喷涂固定在隧道衬砌水泥土的表面上；
10.纤维织物网，所述纤维织物网由内向外呈层状分布在所述短纤维增强水泥基复合件内。
11.根据本实用新型第一方面实施例的纤维织物网增强喷射纤维水泥的隧道加固结构，与现有技术相比，具有如下的优点：
12.(1)纤维织物网具有极佳的耐腐蚀性能，不存在钢的电化学腐蚀问题，故无需混凝土保护层≥40mm的要求，该加固结构的总体厚度一般可控制在20mm以下，大大地减少了隧道内部空间有效使用面积的影响。
13.(2)纤维织物网自重轻，无需借助大型设备即可搬运和迅速铺放；同时因为具有一定的柔度易贴合成型，很方便在施工现场铺放成隧道内衬形状，降低人工和机械成本；纤维水泥为喷射施工，高效便捷。
14.(3)由于纤维织物网表面有树脂固化层，其耐热性能不佳，但有了短纤维增强水泥基复合件的保护，可以显著降低外部高温传递到内部的时间，进而提高加固面层的耐热耐火性能。
15.(4)短纤维增强水泥基复合件中，短纤维的掺入提高了基体的抗开裂能力，在受拉破坏时的裂缝也仅为0.2mm，肉眼几乎不可见，极大降低了后期维护费用；短纤维的掺入同时提高了纤维织物网、水泥基、衬砌结构间的粘结性能，可以实现无需锚具锚固和环氧胶粘接；设计合理的条件下，短纤维的掺入使纤维水泥与纤维织物网同时参与受拉，不会因纤维水泥的受拉延性低而提前退出工作。
16.(5)根据实际荷载条件、土体环境、衬砌裂损情况等工程需求进行材料性能设计，将不同的纤维织物网和纤维水泥进行搭配，进而获得不同力学行为的组合材料。
17.综上，本实用新型第一方面实施例的纤维织物网增强纤维织物网增强喷射纤维水泥的隧道加固结构，能大幅度提高衬砌的耐腐蚀性能、抗裂性能、整体稳定性和变形性能。
18.根据本实用新型第一方面的一个实施例，所述短纤维增强水泥基复合件由内向外包括多层纤维水泥层，最内一层所述纤维水泥层设置在所述隧道衬砌水泥土的表面上，内外相邻的两层所述纤维水泥层之间设置有一层所述纤维织物网。
19.根据本实用新型第一方面的一个实施例，所述隧道衬砌水泥土的表面上形成冲毛层，最内一层所述纤维水泥层设置在所述冲毛层上。
20.根据本实用新型第一方面进一步的实施例，所述冲毛层的粗糙度为2～5mm。
21.根据本实用新型第一方面的一个实施例，所述纤维水泥层的厚度为3～5mm。
22.根据本实用新型第一方面的一个实施例，还包括水泥纤维定位层，所述水泥纤维定位层设置在所述纤维织物网上，用于将所述纤维织物网定位于所述纤维织物网内侧相邻的一层所述纤维水泥层上。
23.根据本实用新型第一方面进一步的实施例，所述水泥纤维定位层的厚度为至少2mm。
24.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
25.本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
26.图1为本实用新型纤维织物网增强喷射纤维水泥的隧道加固结构的示意图。
reinforced polymer textile grid)，是一种经过树脂浸渍固化，连续纤维呈现双向分布，在经向和纬向均可提供较大的承载力的柔性编织网格。纤维织物网3可采用纯纤维束或预浸料束编织，后通过模压或喷涂的方法均匀浸润树脂胶，故网格和节点不会错动。纤维织物网3具有强度高、轻质、耐腐蚀的优点，且比表面积大，与短纤维增强水泥基复合件2粘结性能较好，无需附加锚具锚固，并且其可以贴合于任意的曲面，适用于各种形状的曲面加固。
41.根据本实用新型第一方面实施例的纤维织物网增强喷射纤维水泥的隧道加固结构1000，与现有技术相比，具有如下的优点：
42.(1)纤维织物网具有极佳的耐腐蚀性能，不存在钢的电化学腐蚀问题，故无需混凝土保护层≥40mm的要求，该加固结构的总体厚度一般可控制在20mm以下，大大地减少了隧道内部空间有效使用面积的影响。
43.(2)纤维织物网3自重轻，无需借助大型设备即可搬运和迅速铺放；同时因为具有一定的柔度易贴合成型，很方便在施工现场铺放成隧道内衬形状，降低人工和机械成本；纤维水泥为喷射施工，高效便捷。
44.(3)由于纤维织物网3表面有树脂固化层，其耐热性能不佳，但有了短纤维增强水泥基复合件2的保护，可以显著降低外部高温传递到内部的时间，进而提高加固面层的耐热耐火性能。
45.(4)短纤维增强水泥基复合件2中，短纤维的掺入提高了基体的抗开裂能力，在受拉破坏时的裂缝也仅为0.2mm，肉眼几乎不可见，极大降低了后期维护费用；短纤维的掺入同时提高了纤维织物网3、水泥基、衬砌结构间的粘结性能，可以实现无需锚具锚固和环氧胶粘接；设计合理的条件下，短纤维的掺入使纤维水泥与纤维织物网3同时参与受拉，不会因纤维水泥的受拉延性低而提前退出工作。
46.(5)根据实际荷载条件、土体环境、衬砌裂损情况等工程需求进行材料性能设计，将不同的纤维织物网3和纤维水泥进行搭配，进而获得不同力学行为的组合材料。
47.综上，本实用新型第一方面实施例的纤维织物网增强纤维织物网增强喷射纤维水泥的隧道加固结构，能大幅度提高衬砌的耐腐蚀性能、抗裂性能、整体稳定性和变形性能。
48.如图2所示，根据本实用新型第一方面的一个实施例，短纤维增强水泥基复合件2由内向外包括多层纤维水泥层201，最内一层纤维水泥层201设置在隧道衬砌水泥土1的表面上，内外相邻的两层纤维水泥层201之间设置有一层纤维织物网3。也就是说，纤维水泥层201的层数可以为内外两层，纤维织物网3的层数可以为一层，该一层纤维织物网3位于内层纤维水泥层201和外层纤维水泥层201之间；纤维水泥层201的层数也可以为三层，纤维织物网3的层数也可以为两层，每一内外相邻的两层纤维水泥层201之间均设置有一层纤维织物网3。当然，纤维水泥层201的层数还可以为四层、五层等，相对应地，纤维织物网3的层数可以为三层、四层等，在此不再一一列举。纤维水泥层201的层数和纤维织物网3的层数可以根据实际情况进行设计。
49.根据本实用新型第一方面的一个实施例，隧道衬砌水泥土1的表面上形成冲毛层101，最内一层纤维水泥层201设置在冲毛层101上。通过在隧道衬砌水泥土1的表面上形成冲毛层101，有利于短纤维增强水泥基复合件2与隧道衬砌水泥土1的表面粘结牢固。
50.冲毛层101形成方式可以为：用高压水枪冲洗隧道衬砌水泥土1的表面，清除混凝土颗粒粉尘、松散块体、油污等杂质，同时将其润湿、喷毛，从而可以形成冲毛层101。
51.根据本实用新型第一方面进一步的实施例，冲毛层101的粗糙度为2～5mm。由此，有利于短纤维增强水泥基复合件2与隧道衬砌水泥土1的表面粘结牢固。
52.根据本发明第一方面的一个实施例，纤维水泥层201的厚度为3～5mm，以保证纤维织物网可以有效传力、协同工作。
53.根据本实用新型第一方面的一个实施例，还包括水泥纤维定位层4，水泥纤维定位层4设置在纤维织物网3上，用于将纤维织物网3定位于纤维织物网3内侧相邻的一层纤维水泥层201上，这样，后续在该纤维织物网3上喷射一层纤维水泥层201过程，可以防止纤维织物网3因喷射作用力而发生移位。
54.根据本实用新型第一方面进一步的实施例，水泥纤维定位层4的厚度为至少2mm。这样，可以较好有效地将纤维织物网3进行定位。
55.本实用新型第二方面还提出了一种纤维织物网增强喷射纤维水泥的隧道加固方法。
56.如图1至图3所示，根据本实用新型第二方面实施例的纤维织物网增强喷射纤维水泥的隧道加固方法，通过使用纤维织物网3和喷射短纤维增强水泥复合材料对隧道衬砌水泥土1进行加固。
57.纤维织物网3是指纤维增强复合材料柔性织物网(fiber reinforced polymer textile grid)，是一种经过树脂浸渍固化，连续纤维呈现双向分布，在经向和纬向均可提供较大的承载力的柔性编织网格。纤维织物网3可采用纯纤维束或预浸料束编织，后通过模压或喷涂的方法均匀浸润树脂胶，故网格和节点不会错动。纤维织物网3具有强度高、轻质、耐腐蚀的优点，且比表面积大，与短纤维增强水泥基复合件2粘结性能较好，无需附加锚具锚固，并且其可以贴合于任意的曲面，适用于各种形状的曲面加固。
58.纤维增强水泥基复合材料(fiber reinforced cementitious composite，简称frc，纤维水泥)是基于细观纤维桥接力学设计的复合材料，以胶凝材料、石英砂和外加剂为基体，有机或无机类短纤维为增韧材料。根据添加的短纤维种类不同，可选取不同种类和配比的水、胶凝材料、砂和外加剂，进而获得不同性能的纤维水泥。如添加pva纤维的高延性水泥基复合材料(engineered cementitious composite，简称ecc)，极限拉伸应变可为1～5％；添加钢纤维的超高性能纤维水泥基复合材料(ultra high performance cementitious composite，uhpc)，抗压强度可达120～150mpa；添加pe纤维的超高韧性纤维水泥基复合材料(ultra high ductility cementitous composite，uhdcc)，极限拉伸应变可为5～11％。因此，短纤维增强水泥基复合材料具有独特的高抗裂强度、高极限拉应变的性能。
59.根据本实用新型第二方面实施例的纤维织物网增强喷射纤维水泥的隧道加固结构1000，与现有技术相比，具有如下的优点：
60.(1)纤维织物网具有极佳的耐腐蚀性能，不存在钢的电化学腐蚀问题，故无需混凝土保护层≥40mm的要求，该加固结构的总体厚度一般可控制在20mm以下，大大地减少了隧道内部空间有效使用面积的影响。
61.(2)纤维织物网3自重轻，无需借助大型设备即可搬运和迅速铺放；同时因为具有一定的柔度易贴合成型，很方便在施工现场铺放成隧道内衬形状，降低人工和机械成本；纤维水泥为喷射施工，高效便捷。
62.(3)由于纤维织物网3表面有树脂固化层，其耐热性能不佳，但有了短纤维增强水泥复合材料的保护，可以显著降低外部高温传递到内部的时间，进而提高加固面层的耐热耐火性能。
63.(4)短纤维的掺入提高了基体的抗开裂能力，在受拉破坏时的裂缝也仅为0.2mm，肉眼几乎不可见，极大降低了后期维护费用；短纤维的掺入同时提高了纤维织物网3、水泥基、衬砌结构间的粘结性能，可以实现无需锚具锚固和环氧胶粘接；设计合理的条件下，短纤维的掺入使纤维水泥与纤维织物网3同时参与受拉，不会因纤维水泥的受拉延性低而提前退出工作。
64.(5)根据实际荷载条件、土体环境、衬砌裂损情况等工程需求进行材料性能设计，将不同的纤维织物网3和纤维水泥进行搭配，进而获得不同力学行为的组合材料。
65.根据本实用新型第二方面的一个实施例，方法包括如下步骤：
66.s1:在隧道衬砌水泥土1的表面上喷射短纤维增强水泥复合材料，并用辊轴压实，形成一层纤维水泥层201，通过辊轴压实，保证了该层纤维水泥层201与隧道衬砌水泥土1的密贴性；
67.s2:在前一次形成的纤维水泥层201上铺设一层纤维织物网3并用一层水泥纤维定位层4定位，然后用辊轴压实，保证该层纤维织物网3贴紧前一次形成的纤维水泥层201；
68.s3:在前一次铺设好的纤维织物网3上喷射短纤维增强水泥复合材料，并用辊轴压实，形成另一层纤维水泥层201，以覆盖前一次铺设好的纤维织物网3。
69.由此，该方法施工高效便捷，该方法施工得到的加固结构能大幅度提高衬砌的耐腐蚀性能、抗裂性能、整体稳定性和变形性能。
70.根据本实用新型第二方面进一步的实施例，方法还包括如下步骤：依次重复步骤s2和s3，以满足设计需求。
71.根据本实用新型第二方面进一步的实施例，在步骤s1之前，还包括如下步骤：
72.对隧道衬砌水泥土1的表面处理，以使隧道衬砌水泥土1的表面形成冲毛层101，有利于短纤维增强水泥基复合件2与隧道衬砌水泥土1的表面粘结牢固。
73.具体地，用高压水枪冲洗隧道衬砌混凝土表面，清除混凝土颗粒粉尘、松散块体、油污等杂质，同时将其润湿、喷毛，从而形成冲毛层101。
74.根据本实用新型第二方面再进一步的实施例，冲毛层101的粗糙度为2～5mm。由此，有利于最内一层纤维水泥层201与隧道衬砌水泥土1的表面粘结牢固。
75.根据本实用新型第二方面的一个实施例，短纤维增强水泥复合材料通过混合水、固体材料和短纤维制备得到；固体材料包括重量百分比50～70％的胶凝材料，重量百分比30～50％的石英砂，以及重量百分比1～2％的外加剂；短纤维包括体积百分比1～3％、纤维长度11～20mm的有机或无机纤维；水与胶凝材料的重量比范围值为0.15～0.45。该短纤维增强水泥基复合材料具有独特的高抗裂强度、高极限拉应变的性能。
76.根据本实用新型第二方面进一步的实施例，短纤维包括钢纤维、聚乙烯醇纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维中的一种或多种；胶凝材料包括普通或高强硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、粉煤灰、粉煤灰漂珠、硅灰、高炉矿渣粉中的多种。根据隧道衬砌形式、破坏状态、承载力提升要求不同，可针对性选择不同短纤维，胶凝材料的种类及重量百分比据此改变。当选用pva纤维，按照设计要求拌和高延性纤维水泥基复合材料(ecc)；当选用钢纤维，
按照设计要求拌和超高性能纤维水泥基复合材料(uhpc)；当选用pe纤维，按照设计要求拌和超高韧性纤维水泥基复合材料(uhdcc)；当选用玻璃纤维，按照设计要求拌和玻璃纤维水泥基复合材料(grc)。按照设计要求拌和并符合强度、延性、流动性要求的ecc、uhpc、uhdcc、grc，均属于纤维水泥。
77.根据本实用新型第二方面的一个实施例，纤维织物网3采用网束间距最小为20mm的连续纤维材料制成。该连续纤维材料包括碳纤维、玄武岩、玻璃纤维或其他无机纤维材料；根据隧道衬砌的主要受力方向，纤维编织网的双向可采用不同强度、不同种类的纤维材料。
78.根据本实用新型第二方面的一个实施例，纤维织物网3为经过树脂浸渍固化的柔性纤维增强复合材料编织网格，可以紧密贴附于弯曲的衬砌表面；具体固化方式为通过喷涂或真空导入等方法，使用耐高温树脂将双向连续纤维材料均匀浸渍，然后在0.1mpa～1mpa的压力下压制固化成型。
79.下面列举一个具体的例子来说明本实用新型的纤维织物网增强喷射纤维水泥的隧道加固结构1000及方法。
80.如图1至图3所示，在该例子中，被加固隧道混凝土为隧道衬砌混凝土，该加固结构包括设形成在原隧道衬砌混凝土表面上的冲毛层101、三层纤维水泥层201、二层层纤维织物网34、二层纤维水泥定位层，其中，最内一层纤维水泥层201与冲毛层101固定，每一内外相邻的两层纤维水泥层201之间设置有一层纤维织物网3。
81.该方法包括以下步骤：
82.s11:用高压水枪冲洗隧道衬砌混凝土表面，清除混凝土颗粒粉尘、松散块体、油污等杂质，同时将其润湿、喷毛，使衬砌表面粗糙度为2mm～5mm；
83.s12:采用喷射法，在待加固衬砌表面喷涂一层3～5mm的纤维水泥层201作为打底层，并用辊轴压实，保证打底层与衬砌的密贴性；
84.该例子中，纤维水泥选择极限延性达到1％以上的高延性纤维水泥基复合材料(ecc)，由p.o.42.5普通硅酸盐水泥、i级粉煤灰、石英砂、聚乙烯醇(pva)纤维、减水剂和水组成，其中石英砂为100目～200目，pva纤维抗拉强度1620mpa、弹性模量42.8gpa、直径0.039mm、长度12mm、密度1.2g/cm3，各组分的具体重量配合比为水泥：粉煤灰：砂：水：减水剂＝0.281:0.336:0.22:0.16：0.003，pva添加量为2％的体积百分数。
85.s13:延隧道环向或纵向铺设纤维增强复合材料柔性织物网和至少2mm的纤维水泥定位层，并用辊轴压实织物网，使其贴紧纤维水泥层201；
86.该例子中，纤维织物网3的横竖纱线均为2根12kt700的碳纤维纱编织而成，表面通过喷涂耐高温树脂将纱线均匀浸渍，然后在0.1mpa～1mpa的压力下压制固化成型。
87.s14:采用喷射法，在织物网上喷涂一层3～5mm的纤维水泥表面层，并用辊轴压实；
88.s15:依次重复步骤s13和s14后，保证表面光滑平整；在隧道运营条件下，自然养护2～4小时。
89.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或
者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
90.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。