预埋式球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板的制作方法

本发明涉及地下工程(含铁路、公路、江河水下、城市和海底隧道、地下油库、粮库、果菜库、停车场、城市地下公用管道、核电站防护墙、人防工程、竖井工程、隐蔽工程、桥梁支柱、水库堤坝等)重要基础设施的拱壁及内壁支承防护加固构件领域，具体为一种预埋式球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板。

背景技术：

目前，国内主要依据新奥法的基本原理进行隧道设计施工，特别对水下水道和城市地铁、地下管道工程，多是重点采用浅埋暗挖法设计施工，海底隧道则多是采用TBM法和钻爆法设计施工，其核心技术都是在施工中采用多种辅助技术措施先加固围岩土体，充分利用周边围岩的自承能力，开挖后及时支护、封闭成环，进行一次衬砌拱壁作为主体承载结构，然后作二次衬砌拱壁作为安全储备、装饰等，使其与围岩共同作用形成联合支护体系，是一种有效抑制围岩发生过大变形的配套技术，这是国内多年使用的传统施工方法，两次衬砌都是厚度有所不同的钢筋混凝土弧形管片，公路隧道则多是采用现场洞内支模一次浇筑钢筋混凝土。

过去由于我国没有引进盾构机挖掘施工，主要依靠人工钻爆法挖掘，施工进度比较缓慢，大跨距公路隧道施工需要满堂脚手架支模浇筑混凝土，为避免大跨距挖掘容易出现坍方危险，也常用倒洞法施工，不管哪种施工方法，拱壁衬砌都是采用钢筋混凝土结构，而衬砌拱壁的费用约占全部隧道投资的1/3到1/2，施工工艺较为复杂，施工周期长，建设费用较高。例如：厦门翔安6公里公路、海底隧道修建5年才完工，建设周期很长。

同时由于高强混凝土具有脆性大、延性差等缺点，抗压强度虽然较高，但其抗拉强度仅是其抗压强度的1/10，隧道拱壁衬砌一般选用C50级高强混凝土材料，尽管事先在混凝土弧板内增加钢筋网架提高强度，但也是抵抗不住外加荷载(如：地震作用力等)，使隧道发生局部垮坍。汶川在地震就使许多周边铁路、公路、隧道垮坍，垮坍点位达1000多处以上，堵塞救援通道，造成大量人员伤亡就是严重 教训。因此，设法提高各类隧道衬砌构件的结构强度和使用寿命是隧道工程建设所面临的重要研究课题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种预埋式球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，主要用于隧道施工中遇到地质结构断层、流砂、松软、黄土、高地应力特殊及不良地质地段拱壁的加强性、一次性衬砌拱壁支承防护体系，以解决传统钢筋混凝土衬砌拱壁存在的安全质量可靠性低，使用寿命低，施工效率低的问题。

本发明的技术方案是：

一种预埋式球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，该组合隧道壁板包括：球铁框架、钢筋网架组合件、钢筋混凝土构件，球铁框架一侧与钢筋网架组合件连接组合，组合后的球铁框架与钢筋网架组合件置于定形模板中充填混凝土经养生凝固，形成牢固结合的预埋式球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板。

所述的预埋式球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，预埋式球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板的轴向边框和径向边框上分别开设有连接孔，轴向边框上的连接孔为轴向连接孔，径向边框上的连接孔为径向连接孔；根据隧道要求的直径大小，预埋式球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板等分成单元组合隧道壁板，所述的单元组合隧道壁板之间通过径向连接孔组装连接形成一节整体组合隧道壁板，相邻的所述每节整体组合隧道壁板之间通过轴向连接孔连接拼装。

所述的预埋式球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，在预埋式球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板的外径部位与盾构机挖掘的围岩土体孔洞之间空隙通过砂浆注浆体捣实固定，形成由预埋式球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板一次性衬砌拱壁的支承防护结构体系。

所述的预埋式球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，球铁框架设有对称的两个框架外弧板、一个内弧板：闭口式内弧板或开口式内弧板、对称的两个框架纵向辐板、对称的两个轴向边框和对称的两个径向边框，内弧板位于球铁框架的内径部位中间，框架外弧板位于球铁框架的外径部位两侧，内弧板的两端分别通过框架纵向辐板与框架外弧板连接，轴向边框和径向边框分别为球铁框架的四边框，内弧板、框架纵向辐板、四边框之间形成内凸、外凹的结构，框架外弧板、框架纵向辐板与四边框之间形成内凹、外凸结构；两个框架纵向辐板之间设置辐板内横向筋板，四边框内侧设置四边框内横向筋板。

所述的预埋式球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，当球铁框架采用闭口式内 弧板时，通过框架外弧板、闭口式内弧板、框架纵向辐板、辐板内横向筋板、四边框内横向筋板贯穿到四边框之间，形成闭口式箱形球铁框架整体结构。

所述的预埋式球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，当球铁框架采用开口式内弧板时，开口式内弧板上开设通孔，开口式内弧板外侧设置倒“T”形开口式内弧板纵向筋板，通过框架外弧板、开口式内弧板、框架纵向辐板、辐板内横向筋板、四边框内横向筋板、开口式内弧板纵向筋板贯穿到四边框之间，形成开口式箱形球铁框架整体结构。

所述的预埋式球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，球铁框架的四边框和其连接的框架纵向辐板及内弧板露在外面，球铁框架的开口式内弧板纵向筋板、辐板内横向筋板、四边框内横向筋板及框架外弧板被混凝土包围在里面，形成立体交叉组合成一个整体共同承载的组合隧道壁板。

所述的预埋式球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，球铁框架外径部位边框与四边框内横向筋板交接处直接铸造带螺孔的固定支座，钢筋网架组合件的主筋直接通过螺栓压紧固定在球铁框架的固定支座和两侧框架纵向辐板内侧，形成与球铁框架完全牢固安装在一体的内支承钢筋网架组合件。

所述的预埋式球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，将球铁框架与钢筋网架组合件连接固定后，一起放入定形模板中浇筑混凝土凝固成形，经养生凝固成一块完整的一体预埋式球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，钢筋混凝土结构的横截面呈“T”形结构；钢筋网架组合件为与球铁框架外侧形状相配合的弧形结构，钢筋网架组合件的内径部位设有内凸形结构，形成“T”形钢筋网架组合件，所述内凸形结构对应伸入到球铁框架的筋板：开口式内弧板纵向筋板、辐板内横向筋板、四边框内横向筋板之间。

所述的预埋式球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，球铁框架与钢筋网架组合件的连接及充填混凝土的连接是弹性连接结构或刚性连接结构；单元组合隧道壁板之间、相邻两节整体组合隧道壁板之间的连接是弹性连接结构。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明采用预埋式球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，作为隧道施工建设材料结构上创新提高，仍可采用复合法施工，在地质坚硬地段仍使用传统的钢筋混凝土衬砌拱壁，只在地质不良地段、联络通道结合部、竖井工程、核电工程、军事工程等重要基础设施中，采用本发明能够确保隧道质量安全可靠性，最大限度降低地震危害，提高使用寿命达到120年。

2、本发明可配合高效盾构机边向前挖掘，边加固围岩土体，边安装组合隧道壁板，边注浆等效层固定。这样施工便捷，可根据隧道直径大小，在不搭建或少搭建脚手架的条件下，一环接一环地向前推进，这样施工进度要比衬砌钢筋混凝土拱壁提高工效3-5倍以上，实现了主体承载组合隧道壁板在隧道外面工厂化生产组合成单块隧道壁板，运到洞内拼接成环，形成连续化施工作业，缩短了洞内作用时间，大大节省了人工费用，缩短了建设周期。

3、本发明组合隧道壁板是在球铁框架与钢筋网架组合件安装在一起再放入定型木质模板中充填混凝土到凝固成形，形成主要承载球铁构件和钢筋网架组合件立体交叉布置并被混凝土所包围，使这两种结构材料一体成形，结合得更加牢固，结构行为更加合理，整体结构的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、抗震性能都大为提高，球铁构件的球铁用量相对减少，生产成本大为降低，在制造或施工中组装方便快捷，具有可操作性、实用性和经济性。

4、更为重要的是，本发明采用预埋式球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，将两种不同的结构材料通过组合形态和连接方式相互结合一个具有更高整体结构强度和刚度的管形(含马蹄形、椭圆形、拱门形、竖井用锥座形等)，隧道拱壁支护体系，使其更充分利用和发挥了球墨铸铁抗拉强度、伸长率、耐腐蚀性能都高，以及混凝土抗压强度性能强的优势，两种材料组合后的结构性能大大超过了原有两种材料各自力学性能和物理性能，其整体结构强度要比钢筋混凝土衬砌结构高出5-9倍(依据有限元分析)，确保隧道等各类地下工程安全质量可靠性，充分提高施工效率，是隧道工程建设的重大科技进步，这种预埋式球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板将成为确保各类地下和隧道工程质量的重要安保构件，并被广泛推广应用，具有重大的社会经济科学技术价值。

附图说明

图1为预埋式球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板与注浆等效层示意图。

图2(a)-图2(f)为预埋式球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板单元零件示意图。其中，图2(a)为主视图；图2(b)为图2(a)中内弧板闭口式球铁框架的B-B半剖视图(左半部分)和A向视图(右半部分)；图2(c)为图2(a)中的g-g剖视图(内弧板开口式球铁框架)；图2(d)为图2(b)或图2(c)中的E-E剖视图；图2(e)为图2(b)中的F-F剖视图；图2(f)为图2(c)中的F-F剖视图。

图3为内弧板开口式组合球铁框架示意图。

图4为内弧板闭口式组合球铁框架示意图。

图5为图1的C向视图。

图6为图1的D向视图。

图中，1球铁框架；2钢筋混凝土构件；3注浆体；4围岩土体；5轴向连接孔；6框架外弧板；7轴向边框；8框架纵向辐板；9闭口式内弧板；10径向连接孔；11开口式内弧板纵向筋板；12密封槽；13开口式内弧板；14径向边框；15固定支座；16辐板内横向筋板；17四边框内横向筋板；18钢筋网架组合件；19螺栓。

具体实施方式

如图1、图2(a)-图2(f)、图3、图4、图5、图6所示，本发明预埋式球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板主要包括：球铁框架1、钢筋网架组合件18、钢筋混凝土构件2，球铁框架1的一侧与钢筋网架组合件18连接组合，组合后的球铁框架1与钢筋网架组合件18置于定形模板中，充填混凝土养生凝固成钢筋混凝土构件2，形成牢固结合为预埋式球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板。

如图2(b)、图2(c)所示，预埋式球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板的四边框(轴向边框7和径向边框14)上分别开设有连接孔，轴向边框7上的连接孔为轴向连接孔5，径向边框14上的连接孔为径向连接孔10。根据隧道要求的直径大小，预埋式球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板等分成单元组合隧道壁板，所述的单元组合隧道壁板之间通过径向连接孔10组装连接形成一节整体组合隧道壁板，相邻的所述每节整体组合隧道壁板之间通过轴向连接孔5连接拼装；其中，球铁框架1与钢筋网架组合件18的连接及充填混凝土的连接是弹性连接结构或刚性连接结构。单元组合隧道壁板之间、相邻两节整体组合隧道壁板之间的连接是弹性连接结构，具有抵抗外加荷载的弹性变形的能力。在预埋式球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板的外径部位与盾构机挖掘的围岩土体4孔洞之间空隙通过砂浆注浆体3捣实固定，形成由预埋式球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板一次性衬砌拱壁的支承防护结构体系。

如图2(a)、图2(b)、图2(c)所示，球铁框架1设有对称的两个框架外弧板6、一个内弧板(闭口式内弧板9或开口式内弧板13)、对称的两个框架纵向辐板8、对称的两个轴向边框7和对称的两个径向边框14，内弧板位于球铁框架1的内径部位中间，框架外弧板6位于球铁框架1的外径部位两侧，内弧板的两端分别通过框架纵向辐板8与框架外弧板6连接，轴向边框7和径向边框14分别 为球铁框架1的四边框，内弧板、框架纵向辐板8、四边框之间形成内凸、外凹的结构，框架外弧板6、框架纵向辐板8与四边框之间形成内凹、外凸结构。两个框架纵向辐板8之间设置辐板内横向筋板16，四边框内侧设置四边框内横向筋板17。另外，四边框的外侧设置密封槽12。球铁框架1的材质选用高强韧性球墨铸铁QT600-9(T标)牌号，其抗拉强度为600MPa，屈服强度为420-450MPa，伸长率为9％，这与螺纹钢筋HRB335(20MnSi)的屈服强度为340MPa相匹配，提高整体结构强度和刚度。

如图2(b)、图2(d)、图2(e)所示，当球铁框架1采用闭口式内弧板9时，通过框架外弧板6、闭口式内弧板9、框架纵向辐板8、辐板内横向筋板16、四边框内横向筋板17贯穿到四边框之间，形成闭口式箱形球铁框架整体结构。

如图2(c)、图2(d)、图2(f)所示，当球铁框架1采用开口式内弧板13时，开口式内弧板13上开设通孔(如：长方形孔或正方形孔等)，开口式内弧板13外侧设置倒“T”形开口式内弧板纵向筋板11，通过框架外弧板6、开口式内弧板13、框架纵向辐板8、辐板内横向筋板16、四边框内横向筋板17、开口式内弧板纵向筋板11贯穿到四边框之间，形成开口式箱形球铁框架整体结构。

球铁框架1的四边框(轴向边框7、径向边框14)和其连接的框架纵向辐板8及内弧板(闭口式内弧板9、开口式内弧板14)露在外面，球铁框架1的主体大部分纵向筋板(如：开口式内弧板纵向筋板11)与横向筋板(辐板内横向筋板16、四边框内横向筋板17)及框架外弧板6全部被混凝土包围在里面，其他部位形状相同，形成立体交叉组合成一个整体共同承载的新型组合隧道壁板，完全可以避免两种结构材料构件的结合面与剪力流在纵向突变比较集中时，容易明显滑移的两层皮承载力降低的现象，其整体结构的强度和刚度大大提高。球铁框架1的构件分为内弧板闭口式球铁框架或内弧板开口式球铁框架，内弧板闭口式球铁框架见图2(b)，内弧板开口式球铁框架见图2(c)，其他结构形状尺寸均相同。内弧板开口式球铁框架的重量比内弧板开口式球铁框架的重量低。

如图3-图4所示，球铁框架1外径部位边框与四边框内横向筋板17交接处直接铸造出带螺孔的固定支座15，钢筋网架组合件18的主筋直接通过六方头螺栓19(材质为QT600-3)压紧固定在球铁框架1的固定支座15和两侧框架纵向辐板8内侧，形成与球铁框架1完全牢固安装在一体的高强度内支承钢筋网架组合件，固定支座15加工攻丝后用螺栓19压紧固定钢筋网架组合件18装配方便快捷，不受尺寸公差限制。同时，省掉了过去的内圈球铁壁板背板与外圈钢筋混凝 土弧板两弧面相吻合需要在钢筋混凝土弧板上预埋螺母组合件，要备用很多高精度定位金属模具或铸造预埋杆，由于铁液降温在上箱，最后充型不完整，容易产生铸造缺陷，以及强度较低的问题。

钢筋网架组合件18经抛丸除锈后，喷浸耐腐蚀防锈漆(如：石墨烯材料等)处理后制造成形，可防锈蚀百年，不会因受潮湿、盐水浸蚀产生锈蚀膨胀物，不会使钢筋本体强度逐渐降低，也不会对钢筋周围混凝土产生挤压破坏作用，不会使钢筋混凝土结构工程早期出现裂纹、降低使用寿命。将球铁框架1与钢筋网架组合件18连接固定后，一起放入定形模板中浇筑混凝土凝固成形，经养生凝固成一块完整的一体预埋式球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，钢筋混凝土结构的横截面呈“T”形结构，具有完全有效的、很高的承载能力。钢筋网架组合件18为与球铁框架1外侧形状相配合的弧形结构，钢筋网架组合件18的内径部位设有内凸形结构，形成“T”形钢筋网架组合件，所述内凸形结构对应伸入到球铁框架1的筋板(开口式内弧板纵向筋板11、辐板内横向筋板16、四边框内横向筋板17)之间。

大量公布的资料文献显示，汶川大地震造成18条国道公路，56座垮坍，垮坍点位达1000处以上，铁路隧道也有多座隧道垮坍，使行驶宝成铁路109号隧道中的机车牵引着载有500吨汽油的12节油罐车被震塌的大量石块砸坏漏油引起大火，触发了5节油罐车发生爆炸，所有油罐车的汽油全部燃尽，大多数油罐车被烧成扁平状，灾区所有救援通道被堵塞，伤亡极其惨重，损失巨大。而日本的大地震使福岛核电站防护墙，由于是早期建设结构是钢筋混凝土结构被震裂发生核泄漏，危害周围居民的性命安全，而被迫关停。所有国内外隧道建设的经验和事故表明，改进和提高隧道拱壁支承防护结构的承载能力和工程质量安全可靠性已经是刻不容缓的重大研究课题，势在必行。本发明研发的预埋式球铁框架-钢筋混凝土组合隧道壁板，正是适应隧道复合法施工，能在各种不良地质结构地段加强拱壁支承防护的最可靠安保结构件，可最大限度的降低地震危害和确保使用寿命达到120年以上。