一种用于钻爆法隧道的全断面装配式衬砌结构及施工方法与流程

本发明涉及地下工程领域，具体地，涉及一种用于钻爆法隧道的全断面装配式衬砌技术。

背景技术：

钻爆施工法具有施工场地要求低、组织灵活、工期易保证等特点，是铁路、公路、地铁隧道的主要施工方法。该工法通过钻孔、装药、爆破开挖岩土体，然后施做初期支护和二次衬砌。其中二次衬砌通常采用现场支模板浇筑混凝土的方式施工。在初期支护下进行现浇二次衬砌的施工过程中会出现钢筋绑扎不规范、混凝土浇筑养护质量差、拱顶混凝土浇筑过程中难填满等问题，产生混凝土开裂、掉块、仰拱开裂隆起、拱顶衬砌厚度不够、强度不足、渗水量大、甚至隧道塌方等施工病害，严重影响工程进度和工程造价。

经检索，中国专利申请号为201610013500.8，发明名称为一种暗挖隧道的装配式二次衬砌结构及其施工方法，该专利自述为：“其中的暗挖隧道的装配式二次衬砌结构包括：多环沿隧道延伸方向顺序排列的拼装结构；每一环拼装结构均包括多块拼装块；同一环拼装结构中的各相邻拼装块之间通过多个沿环向设置在所述拼装块边缘的连接装置连接；不同环拼装结构中的各相邻拼装块间通过多个沿隧道延伸方向设置在所述拼装块边缘的连接装置连接”。

上述专利虽然提出了一种装配式衬砌结构，但是该结构各拼装块尺寸设置不合理，管片采用等厚结构，混凝土使用量大，成本高。且由于该结构各衬砌拼装片之间尺寸差异很大，底部为拱形，不利于工厂预制、运输和现场拼装。此外，该二次衬砌在使用过程中会出现衬砌环的受力不均，局部出现应力集中，造成衬砌破坏。最后，各衬砌拼装片之间接头设计不合理，不能起到良好的防水作用。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷/之一，本发明的目的是提供一种用于钻爆法隧道的全断面装配式衬砌结构及其施工方法，用预制的全断面装配式衬砌结构代替现浇二次衬砌结构，克服了现有技术中存在的二次衬砌混凝土开裂、掉块、仰拱开裂隆起、拱顶衬砌厚度不够、渗水量大等缺点和不足，提高钻爆法隧道中二次衬砌结构的施工效率，降低施工成本，增强施工机械化程度。

根据本发明的一个方面，提供一种用于钻爆法隧道的全断面装配式衬砌结构，所述结构由多个单环全断面装配式衬砌结构沿隧道轴线方向连接组成，所述单环全断面装配式衬砌结构包括：功能层、装配式衬砌拱环、底座和水平底梁，所述功能层设置在装配式衬砌拱环外层，用于保温、传力和/或防水；所述装配式衬砌拱环的两端部连接于底座上，所述底座连接于水平底梁的两端部，构成一封闭的半圆拱形结构。

优选地，为便于工厂预制，将装配式衬砌拱环拆分，所述装配式衬砌拱环由七块衬砌块拼装而成，即：三块第一标准衬砌块A、一块第二标准衬砌块B、一块第一邻接衬砌块C、一块第二邻接衬砌块D和一块封顶衬砌块E，其中：

所述第一标准衬砌块A为预制弧形块，结构对称；

所述第二标准衬砌块B为预制弧形块，结构对称；

所述第一邻接衬砌块C为一端宽一端窄的偏楔形预制弧形块；

所述第二邻接衬砌块D为一端宽一端窄的偏楔形预制弧形块；

所述封顶衬砌块E为一端宽一端窄的楔形预制弧形块，结构对称；

所述封顶衬砌块E的一个端面与所述第一邻接衬砌块C的一个端面结构反对称；所述封顶衬砌块E的另一个端面与所述第二邻接衬砌块D的一个端面结构反对称；所述第一邻接衬砌块C的另一个端面与所述第一标准衬砌块A的端面结构反对称；所述第二邻接衬砌块D的另一个端面结构与所述第一标准衬砌块A的端面结构反对称；所述第一标准衬砌块A的端面与第二标准衬砌块B的端面结构反对称；

七块衬砌块相互拼接为半圆拱形结构。

更优选地，七块衬砌块拼装通过两种方式拼装成装配式衬砌拱环：

第一种拼装结构：依次拼装第一标准衬砌块A、第一标准衬砌块A、第一邻接衬砌块C、封顶衬砌块E、第二邻接衬砌块D、第一标准衬砌块A和第二标准衬砌块B；

第二种拼装结构：依次拼装第二标准衬砌块B、第一标准衬砌块A、第一邻接衬砌块C、封顶衬砌块E、第二邻接衬砌块D、第一标准衬砌块A和第一标准衬砌块A；

交替采用上述两种拼装结构的装配式衬砌拱环，实现装配式衬砌拱环沿隧道轴线方向错缝拼装，即沿隧道纵向没有通缝；单环全断面装配式衬砌结构各部分通过纵缝接头连接，相邻两环全断面装配式衬砌结构通过环缝接头连接。

更优选地，所述第一标准衬砌块A、第一邻接衬砌块C、第二邻接衬砌块D和封顶衬砌块E的圆心角均为33°57’10”，第二标准衬砌块B的圆心角为16°58’35”。该角度设置可保证衬砌块的大小合适，重量适中，便于工厂预制和现场拼装，且可实现前后管片的错缝拼装。

更优选地，为了节省材料和满足结构受力要求，七块衬砌块均为“凹形空心板”结构。进一步的，“凹形空心板”结构中部为长方形的凹槽，凹槽的厚度为衬砌块厚度的四分之一，凹槽的长和宽比衬砌块的长和宽小。纵缝连接螺栓孔、环缝连接螺栓孔和注浆孔设置在衬砌块厚的部分。该“凹形空心板”结构充分考虑了衬砌块的受力状态，减少了混凝土材料的使用量，有利于衬砌块的现场拼装。

更优选地，所述纵缝连接螺栓孔和环缝连接螺栓孔均为弯曲孔。

更优选地，所述注浆孔兼吊装孔，在隧道施工时，可通过注浆孔吊装衬砌结构进入隧道中进行拼装。进一步的，所述注浆孔内部设置注浆螺旋管、注浆管密封圈和注浆管塞。在所述衬砌结构拼装好后，通过该注浆孔向衬砌外注浆。

更优选地，所述纵缝接头是七块衬砌块的纵向接缝连接结构，连接螺栓通过纵缝连接螺栓孔穿过纵缝接头将七块衬砌块连接。进一步的，在所述纵缝接头预留间隙，用于填充厚丁腈软木橡胶衬垫、弹性密封垫、用于填充聚合物水泥。

更优选地，所述环缝接头是两环装配式衬砌拱环沿隧道轴线方向的环向接缝，连接螺栓通过环缝连接螺栓孔再穿过环缝接头将两环装配式衬砌拱环连接。在所述纵缝接头依次预留间隙，用于填充厚丁腈软木橡胶衬垫、弹性密封垫、聚合物水泥。在环缝接头中部设置楔形连接槽，即一个面设置楔形凸起，另一个面设置楔形凹槽，将后一环环缝接头的楔形凸起嵌入前一环的楔形凹槽中来连接前后两环装配式衬砌拱环。

更优选地，所述连接螺栓是弯曲螺栓，其弯曲半径等于纵缝连接螺栓孔和环缝连接螺栓孔的弯曲半径。

更优选地，七块衬砌块分别预制，底座和水平底梁整体预制。所述装配式衬砌拱环和底座水平底梁的预制是根据所述装配式衬砌拱环、底座和水平底梁的尺寸，预先在工厂或车间进行浇筑、养护而制成。

优选地，所述功能层，为装配式衬砌拱环与初期支护间的填充层，所述功能层中填充混凝土，起到保温、传力和防水效果，同时，该功能层的设置可取消传统钻爆法隧道的防水结构。

优选地，所述底座为两个结构对称的截面为梯形的长方体结构，其长度等于单环全断面装配式衬砌结构沿隧道轴线方向的长度。

优选地，所述底座和水平底梁沿隧道轴线方向布置，每环装配式衬砌拱环设置于两底座之间，与底座搭接。所述底座上部设置凹槽，装配式衬砌拱环可插入凹槽中。底座设置底座螺栓孔，用于底座和装配式衬砌拱环的连接。该底座和水平底梁结构有利于装配式衬砌环的固定和拼装，提高了全断面装配式衬砌结构的整体稳定性。

优选地，所述装配式衬砌拱环沿隧道轴线方向的长度，底座和水平底梁沿隧道轴线方向的长度，这两个长度相等。

根据本发明的第二方面，提供一种用于钻爆法隧道的全断面装配式衬砌结构的施工方法，包括：

在钻爆隧道初期支护施工完成后，将底座和水平底梁吊装置隧道内；

然后采用以下两种方式拼装装配式衬砌拱环：

第一种拼装结构：依次拼装第一标准衬砌块A、第一标准衬砌块A、第一邻接衬砌块C、封顶衬砌块E、第二邻接衬砌块D、第一标准衬砌块A和第二标准衬砌块B；

第二种拼装结构：依次拼装第二标准衬砌块B、第一标准衬砌块A、第一邻接衬砌块C、封顶衬砌块E、第二邻接衬砌块D、第一标准衬砌块A和第一标准衬砌块A；

交替采用上述两种拼装结构的装配式衬砌拱环，实现装配式衬砌拱环沿隧道轴线方向错缝拼装，即沿隧道纵向没有通缝；单环全断面装配式衬砌结构各部分通过纵缝接头连接，相邻两环全断面装配式衬砌结构通过环缝接头连接；

最后填充功能层。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明取消了传统钻爆隧道中的防水层，设置可起到保温、传力和防水效果的功能层，有效降低建造成本。

进一步的，本发明用预制构件代替现浇结构来建造二次衬砌，可保证施工质量，提高修建效率。

进一步的，本发明采用“凹形空心板”预制衬砌，充分考虑衬砌的受力状态，减小了混凝土的使用量，有效降低建造成本。

本发明克服了现有钻爆法现浇二次衬砌施工中产生的混凝土浇筑养护质量差、拱顶混凝土浇筑过程中难填满等问题，避免二次衬砌混凝土易开裂、掉块、仰拱开裂隆起、拱顶衬砌厚度不够、渗水量大等缺点和不足的出现。

本发明较现有的装配式衬砌结构更易于预制和拼装，接头设计更合理，受力更合理，防水效果更好；本发明可提高机械化水平，缓解劳动力压力。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例中用于钻爆法隧道的全断面装配式衬砌结构示意图；

图2为本发明一实施例中装配式衬砌拱环示意图，其中：(a)为第一种拼装结构，(b)为第二种拼装结构。

图3为本发明一实施例中装配式衬砌拱环拼装示意图；

图4为本发明一实施例中第一标准衬砌块A的示意图，其中：(a)平面图，(b)正视图，(c)侧视图；

图5为本发明一实施例中标准衬砌块B的示意图，其中：(a)平面图，(b)正视图，(c)侧视图；

图6为本发明一实施例中第一邻接衬砌块C的示意图，其中：(a)平面图，(b)正视图，(c)侧视图；

图7为本发明一实施例中第二邻接衬砌块D的示意图，其中：(a)平面图，(b)正视图，(c)侧视图；

图8为本发明一实施例中封顶衬砌块E的示意图，其中：(a)平面图，(b)正视图，(c)侧视图；

图9为本发明一实施例中装配式衬砌衬砌间的纵缝示意图；

图10为本发明一实施例中装配式衬砌衬砌间的环缝示意图；

图11为本发明一实施例中底座和水平底梁示意图，其中：(a)底座和水平底梁连接示意图，(b)为水平底梁示意图，(c)底座示意图；

图中：

0为功能层，1为装配式衬砌拱环，2为底座，3为水平底梁，4为环缝连接螺栓孔，5为纵缝连接螺栓孔，6为注浆孔兼吊装孔，7、8、9、10、11、12、14为预留间隙，13为楔形连接槽。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种用于钻爆法隧道的全断面装配式衬砌结构，由多个单环全断面装配式衬砌结构沿隧道轴线方向连接组成，单环全断面装配式衬砌结构沿隧道轴线方向的长度为2m。单环衬砌结构包括：功能层0、装配式衬砌拱环1、底座2、水平底梁3。所述功能层0设置在装配式衬砌拱环1外层，用于保温、传力和/或防水；所述装配式衬砌拱环1的两端部均连接于底座2上，所述底座2连接于水平底梁3的两端部，构成一封闭的半圆拱形结构。

所述功能层0为装配式衬砌拱环与初期支护间的填充层，在功能层0中填充混凝土，起到保温、传力和防水效果。

单环全断面装配式衬砌结构沿隧道轴线方向的长度为2m～5m。

如图2和图3所示，为便于工厂预制所述装配式衬砌拱环1，所述装配式衬砌拱环1拆分为七块衬砌块。具体的，所述装配式衬砌拱环1包括三块第一标准衬砌块A、一块标准衬砌块B、一块第一邻接衬砌块C、一块第二邻接衬砌块D和一块封顶衬砌块E。

所述第一标准衬砌块A为预制弧形块，结构对称；

所述第二标准衬砌块B为预制弧形块，结构对称；

所述第一邻接衬砌块C为一端宽一端窄的偏楔形预制弧形块；

所述第二邻接衬砌块D为一端宽一端窄的偏楔形预制弧形块；

所述封顶衬砌块E为一端宽一端窄的楔形预制弧形块，结构对称；

为了保证装配式衬砌拱环沿隧道轴线方向错缝拼装，即沿隧道纵向没有通缝，本实施例采用两种拼装结构，施工时交替拼装两种拼装结构的装配式衬砌拱环：

第一种拼装结构：依次拼装第一标准衬砌块A、第一标准衬砌块A、第一邻接衬砌块C、封顶衬砌块E、第二邻接衬砌块D、第一标准衬砌块A和标准衬砌块B；

第二种拼装结构：依次拼装标准衬砌块B、第一标准衬砌块A、第一邻接衬砌块C、封顶衬砌块E、第二邻接衬砌块D、第一标准衬砌块A和第一标准衬砌块A。

所述封顶衬砌块E的一个端面与所述第一邻接衬砌块C的一个端面结构反对称；所述封顶衬砌块E的另一个端面与所述第二邻接衬砌块D的一个端面结构反对称。所述第一邻接衬砌块C的另一个端面与所述第一标准衬砌块A的端面结构反对称；所述第二邻接衬砌块D的另一个端面结构与所述第一标准衬砌块A的端面结构反对称；所述第一标准衬砌块A的端面与标准衬砌块B的端面结构反对称；

七块衬砌块可相互拼接为半圆拱形结构。

七块衬砌块内径按照拟建隧道的设计尺寸确定，满足装配式环的断面大于隧道的建筑界限，对于双车道公路隧道，衬砌块的内径可取为6050mm。七块衬砌块沿隧道径向的厚度为300～500mm。

七块衬砌块为预制块，每块均设有环缝连接螺栓孔4、纵缝连接螺栓孔5、注浆孔兼吊装孔6。

在一实施例中，装配式衬砌拱环A、B、C、D和E分别预制，底座2和水平底梁3整体预制。装配式衬砌拱环1沿隧道轴线方向的长度与底座2和水平底梁3沿隧道轴线方向的长度相等。装配式衬砌拱环1、水平底梁3和底座2的配筋参见《钢筋混凝土设计规范》(GB50010-2010)。

所述装配式衬砌拱环1、底座2和水平底梁3的预制是根据所述装配式衬砌拱环1、底座2和水平底梁3的尺寸，预先在工厂或车间进行浇筑、养护而制成。

为了节省材料和满足结构受力要求，七块衬砌块均为“凹形空心板”结构，部分实施例中，“凹形空心板”结构的中部为长方形的凹槽，凹槽的厚度为七块衬砌块厚度的四分之一，凹槽的长和宽比七块衬砌块的长和宽分别小50～80mm。环缝连接螺栓孔4、纵缝连接螺栓孔5、注浆孔兼吊装孔6设置在七块衬砌块厚的部分。

如图4所示，在部分优选实施例中，所述第一标准衬砌块A为预制弧形混凝土块，圆心角为33°57’10”，径向厚度为400mm，内径为6050mm，沿隧道轴线方向长度为2m。在所述第一标准衬砌块A上设置四个环缝连接螺栓孔4、四个纵缝连接螺栓孔5、四个注浆孔兼吊装孔6。

如图5所示，在部分优选实施例中，所述标准衬砌块B为预制弧形混凝土块，圆心角为16°58’35”，径向厚度为400mm，内径为6050mm，沿隧道轴线方向长度为2m。在衬砌内侧设置两个环缝连接螺栓孔4、四个纵缝连接螺栓孔5、一个注浆孔兼吊装孔6。

如图6所示，在部分优选实施例中，所述第一邻接衬砌块C为一端宽一端窄的预制弧形混凝土块，圆心角为33°57’10”，径向厚度为400mm，内径为6050mm，沿隧道轴线方向长度为2m，宽边的弧长比窄边的弧长长200.016mm。在衬砌内侧设置四个环缝连接螺栓孔4、四个纵缝连接螺栓孔5、四个注浆孔兼吊装孔6。

如图7所示，在部分优选实施例中，所述第二邻接衬砌块D为一端宽一端窄的预制弧形混凝土块，圆心角为33°57’10”，径向厚度为400mm，内径为6050mm，沿隧道轴线方向长度为2m，宽边的弧长比窄边的弧长长200.016mm。在衬砌内侧设置四个环缝连接螺栓孔4、四个纵缝连接螺栓孔5、三个注浆孔兼吊装孔6。

如图8所示，在部分优选实施例中，所述封顶衬砌块E为一端宽一端窄的预制弧形混凝土块，圆心角为33°57’10”，径向厚度为400mm，内径为6050mm，沿隧道轴线方向长度为2m，宽边的弧长比窄边的弧长长200.016mm。在衬砌内侧设置四个环缝连接螺栓孔4、四个纵缝连接螺栓孔5、三个注浆孔兼吊装孔6。

在部分优选实施例中，所述纵缝连接螺栓孔和环缝连接螺栓孔均为弯曲孔，直径为36mm，曲率半径为400mm。

在部分优选实施例中，所述注浆孔兼吊装孔使用，在隧道施工时，可通过注浆孔吊装衬砌结构进入隧道中进行拼装。所述注浆孔的直径为64mm，内部设置注浆螺旋管、注浆管密封圈和注浆管塞。在所述衬砌结构拼装好后，通过该注浆孔向衬砌外注浆。

如图9所示，所述纵缝接头是所述装配式衬砌拱环七块衬砌的纵向接缝连接结构，连接螺栓通过纵缝连接螺栓孔穿过纵缝接头将两装配式衬砌拱环的衬砌连接。在部分优选实施例中，在所述纵缝接头依次预留40mm×4mm间隙7，用于设置长20mm的厚丁腈软木橡胶衬垫；预留105mm×20mm的间隙8，用于设置弹性密封垫；预留250mm×2mm的间隙9，用于设置丁腈软木橡胶衬垫；预留50mm×18mm的间隙10，用于填充聚合物水泥。

如图10所示，所述环缝接头是两环装配式衬砌拱环的环向接缝，连接螺栓通过环缝连接螺栓孔再穿过环缝接头将两环装配式衬砌拱环连接。在部分优选实施例中，在所述纵缝接头依次预留40mm×4mm间隙11，用于设置长20mm的厚丁腈软木橡胶衬垫；预留105mm×20mm的间隙12，用于设置弹性密封垫；在环缝接头中部设置长度为90mm楔形连接槽13，即一个面设置楔形凸起，另一个面设置楔形凹槽，并设置弹性密封垫；预留50mm×18mm的间隙14，用于填充聚合物水泥。

本实施例中，所述厚丁腈软木橡胶衬垫是一种隧道工程中常用防水材料，可以使衬砌接缝保持弹性状态并具有承压能力，保证衬砌接缝的防水效果，缓冲由于拼装时产生的过大局部应力。

本实施例中，所述弹性密封垫是用于隧道衬砌密封止水的材料，由多孔型三元乙丙橡胶与遇水膨胀橡胶复合而成。

本实施例中，所述聚合物水泥为采用阳离子氯丁胶乳液、普通硅酸盐水泥、砂和水配置。阳离子氯丁胶乳液、普通硅酸盐水泥、中砂和水的质量比为250:100:35:50。普通硅酸盐水泥的强度高于32.5级。砂含泥量小于1％，粒径小于3mm。阳离子氯丁胶乳液的比重超过1.085，含固量约50％。

本实施例中，所述连接螺栓是机械性能等级为5.8级的弯曲螺栓，直径为47.6mm，曲线段长度为640mm，曲率半径为400mm。

如图11所示，在部分优选实施例中，所述底座2和水平底梁3沿隧道轴线方向布置，每环装配式衬砌拱环1设置于两底座2之间，与底座2搭接长度为1m。

所述水平底梁3为钢筋混凝土梁，梁截面为30mm×40mm，长度为1031.76mm。所述水平底梁3的钢筋与两侧底座2钢筋搭接。

所述底座2为两个结构对称的截面为梯形的长方体结构，上部设置凹槽，用于装配式衬砌拱环插入，底座2沿隧道轴线方向的长度为2m，水平宽度为1.1m。底座2设置底座螺栓孔，用于底座2和装配式衬砌拱环1的连接。底座2螺栓孔距离底座侧边的距离为450mm。

本实施例中，所述底座2螺栓孔为弯曲孔，直径为36mm，曲率半径为400mm。

基于上述的全断面装配式衬砌结构，用于钻爆法隧道的全断面装配式衬砌结构的施工方法是：

在钻爆隧道初期支护施工完成后，将底座2和水平底梁3通过注浆孔吊装置隧道内；

然后拼装装配式衬砌拱环1：

对于形式1，先依次拼装一侧的第一标准衬砌块A、第一标准衬砌块A、第一邻接衬砌块C，再依次拼装另一侧的标准衬砌块B、第一标准衬砌块A、第二邻接衬砌块D，最后拼装封顶衬砌块E；

对于形式2，先依次拼装一侧的标准衬砌块B、第一标准衬砌块A、第一邻接衬砌块C，再依次拼装另一侧的第一标准衬砌块A、第一标准衬砌块A、第二邻接衬砌块D，最后拼装封顶衬砌块E；

交替采用上述两种拼装结构的装配式衬砌拱环1，实现装配式衬砌拱环沿隧道轴线方向错缝拼装，即沿隧道纵向没有通缝；单环全断面装配式衬砌结构各部分通过纵缝接头连接，相邻两环全断面装配式衬砌结构通过环缝接头连接；

最后填充功能层0。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。