本发明属于盾构管片加固技术领域，特别涉及一种预埋钢板抗横椭圆变形盾构隧道加固结构及施工方法，适用于易受到纵向挤压而产生横椭圆式变形的盾构管片结构加固，尤其是对受到大范围地面堆载或侧向基坑开挖影响的浅层盾构隧道以及对结构稳定性、安全性要求较高的管片结构。
背景技术：
由于具有绿色环保、机械化程度高、施工运营不受气候条件限制等优点，采用预制管片现场拼装的盾构隧道已成为当今城市轨道交通等市政基础设施的重要结构形式。但随着城市化的进一步发展，在地下盾构管线土层表面及周围进行的沿线诸多的城市化建设、其他隧道管线的建设和车站的施工等，都会对地铁隧道结构造成结构沉降与变形影响。其中，由于地面大范围的堆载或侧向深基坑开挖的影响，从而引起隧道结构产生横椭圆式变形破坏便是其中之一。地铁隧道发生横椭圆式的变形会引起管片出现裂缝、渗漏水，甚至管片断裂，衬砌剥落等整体结构式破坏，对地铁隧道的运营安全造成极大的威胁，因此如何加固隧道结构从而抵抗隧道发生横椭圆式变形已经受到了工程界的广泛关注。
现有的盾构隧道加固技术主要包括内张钢圈加固法、黏贴复合腔体加固法、芳纶布加固法、碳纤维布加固法、侧向注浆加固法等。其中，芳纶布加固法和碳纤维布加固法作为一种辅助型的管片加固手段仅适用于一些小变形的加固和修复，难以抵抗大变形结构的破坏。侧向注浆加固法工艺复杂，影响因素较多，施工不确定性较大。而内张钢圈加固法和黏贴复合腔体加固法虽然应用相对较多，但是施工操作复杂，耗时长，在实际工程中存在诸多不便。
综上所述，现有的隧道加固技术总体还处于探索阶段，施工工艺并非十分成熟，对防止盾构隧道横椭圆式变形的效果并不理想。另外，现有技术在实际的工程应用中往往存在着诸多的条件限制，施工操作复杂，加固耗时长，加固效果不稳定等问题，亟需通过改进技术来进行解决。
技术实现要素：
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种预埋钢板抗横椭圆变形盾构隧道加固结构及施工方法。
为实现上述技术目的，本发明采用了以下技术方案：这种预埋钢板抗横椭圆变形盾构隧道加固结构，包括管片、预埋钢板、连接钢板、锚筋、拉索、连接槽钢、液压千斤顶、临时注浆通道和壁外填筑固化土；管片内弧面设置预埋钢板，相邻预埋钢板之间设置连接钢板，连接钢板两端分别与预埋钢板连接固定；预埋钢板外侧等间距垂直焊接有锚筋，锚筋一端设在预埋钢板上，锚筋另一端连接固定在管片主筋上；预埋钢板上设置预埋连接装置，预埋连接装置包括内置螺孔、螺杆和外连接头，内置螺孔贯穿预埋钢板设于管片中，内置螺孔内设有螺杆，螺杆一端设有外连接头，外连接头露在预埋钢板内弧表面；外连接头包括牛腿状外连接头和拉环状外连接头，盾构隧道两侧腰部采用拉环状外连接头，两侧拉环之间设置预应力拉索，盾构隧道顶拱和底拱部位对称设置牛腿状外连接头，两个等高的牛腿状外连接头之间架设连接槽钢进行支撑，顶部的连接槽钢上设置液压千斤顶对顶部管片进行顶升；拉环状外接头上下紧靠的内置螺孔设置成临时注浆通道用于注浆填充壁外空隙形成壁外填筑固化土。
作为优选：所述预埋钢板紧贴管片内弧面，并分布于每一块管片正中央，并与管片长边相平行。
作为优选：所述连接钢板固定在相邻两块管片之间，两端分别与预埋钢板通过螺栓连接。
作为优选：所述预埋连接装置分布在预埋钢板中轴线上；内置螺孔由空心螺纹套构成；螺杆与外连接头为一整体。
作为优选：所述拉索两端连接在靠近盾构隧道水平直径的两个拉环状外连接头上并对其两侧的管片形成张拉固定。
作为优选：所述连接槽钢架设在靠近隧道顶部和底部零弯矩位置的牛腿状外连接头上。
这种预埋钢板抗横椭圆变形盾构隧道加固结构的施工方法，包括以下步骤：
1)预埋钢板的制作与加工：依据管片内弧面的弧度和长度对钢板进行裁剪，垂直于短边画出钢板平面的中轴线，沿着中轴线钻孔，并依次将空心螺纹套塞入并固定在孔洞内，空心螺纹套一端与预埋钢板表面平齐，另一端垂直露出表面；之后对预埋钢板进行弯曲加工，空心螺纹套与预埋钢板表面平齐的一面为内弧面，另一侧弯曲成外弧面；待预埋钢板制作加工完毕后，在空心螺纹套内塞入布料进行堵塞，并用胶带封闭两端洞口；
2)钢筋结构的焊接：按照管片的尺寸搭接好钢筋架，并将加工后的预埋钢板紧贴钢筋架内弧面布置，之后在预埋钢板外侧等间距焊接锚筋，锚筋另外一端与管片主筋进行焊接固定，将预埋钢板充分固定在钢筋架上；
3)管片的浇筑与养护：采用管片模具固定钢筋骨架，之后将管片砼倒入模具内部，整体振捣成型；浇砼后管片采用无压蒸养约6～8小时后拆模；拆模后采用吊具脱模，再经翻片机翻转后运至喷淋降温区进行喷淋降温，待管片温差与水池温差不大于20℃时，运到养护池进行养护；管片养护完毕即转至堆放场堆放，待达到龄期后运输到盾构施工现场使用；
4)焊接连接钢板：在管片主体拼接完成后，将相邻管片内弧面接缝附近的混凝土壁凿除一小部分，露出预埋钢板，在进行简单的清洗表面后，将连接槽钢固定在内嵌的预埋钢板上，表面与管片内弧面平齐，之后利用螺栓将连接钢板两端与预埋钢板进行连接固定，之后利用环氧树脂填补缝隙；
5)隧道结构内加固施工：待隧道通车运营后，遇到隧道结构需要进行加固时，利用已经预埋在管片内部的预埋钢板等部件进行快速加固；首先，选择最靠近水平直径的两个内置螺孔，将封口的胶带及内部塞入的布料取出，并对内置螺孔内部进行简单清洗，将拉环状外连接头通过螺杆旋进内置螺孔内，进行临时固定；接着在拉环状外连接头处选择紧靠的上下两个内置螺孔进行钻洞改装，在原本内置螺孔的基础上将其钻穿，形成临时注浆通道；之后在仰拱和底拱零弯矩点附近选择等高的两处内置螺孔，以同样的方式将牛腿状外连接头旋紧固定；之后在仰拱和底拱的两个等高牛腿状外连接头上架设连接槽钢进行硬支撑，在水平直径两端的拉环状外连接头之间拉设预应力拉索进行张拉固定；在顶拱处的连接槽钢上布置1～2个液压千斤顶对顶部管片进行顶升；在对管片进行水平张拉和竖向顶升后，对水平直径两端附近的管片及接缝进行注浆加固以防止管片出现反弹；
6)加固结构的拆卸回收：待隧道结构稳定之后，首先卸除水平拉设的预应力拉索，之后依次拆除液压千斤顶、连接槽钢，牛腿状外连接头和拉环状外连接头等构件进行整理回收；同时在使用过的内置螺孔处再次塞入布料并封闭孔口以防止异物进入堵塞孔道。
本发明的有益效果是：
1)管片结构预加固，承载抗变形能力强
钢板预先固定在管片内弧面，两者共同受力，结构刚度提高，同时管片之间搭接的连接钢板加强了接缝的连接强度，减少管片间的错动和变形。预埋钢板、连接钢板、锚筋和管片结构相互连接固定，形成一个整体，可有效提高隧道结构的环向承载能力，抵抗横椭圆式变形。
2)水平拉设预应力拉索，限制管片向外位移
隧道靠近水平直径两侧设置拉环状外连接头，拉环状外连接头一端与内弧面预埋钢板相互连接，一端露在管片内表面，两侧拉环之间可以连接预应力拉索，通过横向的相互牵引力来抵抗隧道因为纵向荷载而产生的水平两侧向外的变形。
3)顶部底部形成小拱形，增强纵向抗压能力
隧道顶部和底部零弯矩点处对称设置牛腿状外连接头，牛腿状外连接头一端与内弧面预埋钢板相互连接，一端露在管片内表面，等高的一对牛腿状外连接头之间架设连接槽钢，形成硬支撑。顶部、底部的预埋钢板和连接槽钢连接固定形成一个小拱形，强化抵抗纵向压缩变形的能力。另外可根据实际需要和隧道内管线的布置情况，酌情在连接槽钢上架设1-2个液压千斤顶。
4)操作便捷、施工速度快
管片内表面预留内置螺孔，灵活性强，可根据需要旋进安装不同形状的外连接头，用于拉索的张拉或连接槽钢的横向支撑。无需在隧道结构需要进行加固时再重新进行定位和钻洞，施工操作步骤简单，施工速度快，可应对隧道结构在短时间内的突然变形，实用性强。
5)经济效益好
由于本加固结构所使用的钢板和连接装置均在管片浇筑过程中提前预埋，在隧道加固时无需另外进行钻洞固定，不会对管片结构造成人为破坏。同时，在加固过程中施工操作简单，无需大型机械设备进入隧道施工，施工速度快，大大减少了工期，从而降低了施工成本。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是预埋连接装置细部结构示意图；
图3是相邻管片预埋钢板连接结构示意图。
附图标记说明：管片1；预埋钢板2；连接钢板3；锚筋4；内置螺孔5；螺杆6；牛腿状外连接头7；拉环状外连接头8；预应力拉索9；连接槽钢10；液压千斤顶11；临时注浆通道12；壁外填筑固化土13。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
所述的预埋钢板抗横椭圆变形盾构隧道加固结构，包括：管片1、预埋钢板2、连接钢板3、锚筋4、内置螺孔5、螺杆6、牛腿状外连接头7、拉环状外连接头8、预应力拉索9、连接槽钢10、液压千斤顶11、临时注浆通道12、壁外填筑固化土13。
如图1所示，预埋钢板2紧贴管片1内弧面，在预埋钢板2外侧每隔20cm布置一组锚筋4，锚筋4另一端与管片1主筋焊接，使得预埋钢板2充分紧贴固定在管片1内弧面上，形成一个受力整体；在预埋钢板2中轴线上每隔20cm布设一个内置螺孔5；隧道水平直径两端各取最靠近的一个内置螺孔5进行拉环状外连接头8和螺杆6的固定，并在拉环状外连接头8之间拉设预应力拉索9；在隧道顶部和底部零弯矩处两侧安装牛腿状外连接头7，用于支撑连接槽钢10，在隧道结构顶部和底部形成了两个小拱形结构，利于提高隧道的纵向承载能力；在顶拱部位的连接槽钢10上可根据隧道内部管线的分布情况布设1-2个液压千斤顶11，对管片1进行顶升；将拉环状外接头8上下紧靠的两个内置螺孔5钻洞改装形成临时注浆通道12，用于注浆填充壁外空隙形成壁外填筑固化土13，防止管片1再次向外反弹。
如图2所示，预埋钢板2上设置预埋连接装置，预埋连接装置由内置螺孔5、螺杆6、牛腿状外连接头7或拉环状外连接头8共同构成。其中内置螺孔5由一个内直径为20mm、长度为100mm的空心螺纹套构成，在管片1浇筑前预埋其中；螺杆6和外连接头为一体化设计，外连接头分为牛腿状外连接头7和拉环状外连接头8。外连接头可以通过螺纹旋转固定在管片1相应的内置螺孔5处，并可随时进行快速安装与拆卸。
如图3所示，紧贴管片1内弧面均设置了预埋钢板2，相邻的两块预埋钢板2通过连接钢板3进行螺栓连接固定，加强了管片接缝的连接强度，减少管片1间的错动和变形。
预埋钢板2的材料选用宽600mm，厚20mm的弧形钢板。连接钢板3的材料选用宽200mm，厚20mm弧形钢板。锚筋4材料选择直径8mm的钢筋。连接槽钢10材料选用型号为20a的槽钢。
所述的预埋钢板抗横椭圆变形盾构隧道加固结构，包括以下步骤：
1)预埋钢板2的制作与加工：依据管片1内弧面的弧度和长度对钢板进行裁剪，利用记号笔垂直于短边画出钢板平面的中轴线，沿着中轴线每隔20cm利用钻机钻孔，并依次将内直径为20mm的空心螺纹套塞入并固定在孔洞内，空心螺纹套一端与预埋钢板2表面平齐，另一端垂直露出表面。之后利用弯曲机械对预埋钢板2进行弯曲加工，空心螺纹套与预埋钢板2表面平齐的一面为内弧面，另一侧弯曲成外弧面。待预埋钢板2制作加工完毕后，在空心螺纹套内塞入布料进行堵塞，并用胶带封闭两端洞口。
2)钢筋结构的焊接：按照管片1的尺寸搭接好钢筋架，并将加工后的预埋钢板2紧贴钢筋架内弧面布置，之后在预埋钢板2外侧每隔20cm焊接一组直径为8mm的锚筋4，锚筋4另外一端与管片1主筋进行焊接固定，将预埋钢板2充分固定在钢筋架上。
3)管片1的浇筑与养护：采用管片1模具固定钢筋骨架，之后将管片砼倒入模具内部，利用附着式风动振捣器整体振捣成型。浇砼后管片1采用无压蒸养约6～8小时(含升温、降温时间)后可拆模。拆模后采用专用吊具(真空吸盘)脱模，再经翻片机翻转后运至喷淋降温区进行喷淋降温，待管片温差与水池温差不大于20℃时，运到养护池按规范要求进行养护。管片养护完毕即转至堆放场堆放，待达到28天龄期后运输到盾构施工现场使用。
4)焊接连接钢板3：在管片1主体拼接完成后，将相邻管片1内弧面接缝附近的混凝土壁凿除一小部分，露出预埋钢板2，在进行简单的清洗表面后，将连接槽钢3固定在内嵌的预埋钢板2上，表面与管片1内弧面平齐，之后利用螺栓将连接钢板3两端与预埋钢板2进行连接固定，之后利用环氧树脂填补缝隙。
5)隧道结构内加固施工：待隧道通车运营后，如遇到隧道结构需要进行加固时，可利用已经预埋在管片1内部的预埋钢板2等部件进行快速加固。首先，选择最靠近水平直径两端的一个内置螺孔5，将封口的胶带及内部塞入的布料取出，并对内置螺孔5内部进行简单清洗，确保内部无杂物后将拉环状外连接头8通过螺杆6旋进内置螺孔5内，进行临时固定。接着在拉环状外连接头8处选择紧靠的上下两个内置螺孔5进行钻洞改装，在原本内置螺孔5的基础上将其钻穿，形成临时注浆通道12。之后在仰拱和底拱零弯矩点附近选择等高的两处内置螺孔5，以同样的方式将牛腿状外连接头7旋紧固定。之后在仰拱和底拱的两个等高牛腿状外连接头7上架设连接槽钢10进行硬支撑，在水平直径两端的拉环状外连接头8之间拉设预应力拉索9进行张拉固定。如有必要且顶部管线分布允许的情况下，可在顶拱处的连接槽钢10上布置1-2个液压千斤顶11对顶部管片1进行顶升。在对管片1进行水平张拉和竖向顶升后，需要对水平直径两端附近的管片1及接缝进行注浆加固，防止管片1出现反弹。
6)加固结构的拆卸回收：待隧道结构稳定之后，首先卸除水平拉设的预应力拉索9，之后依次拆除液压千斤顶11、连接槽钢10，牛腿状外连接头7和拉环状外连接头8等构件进行及时的整理回收。同时，在使用过的内置螺孔5处再次塞入布料并封闭孔口，防止异物进入堵塞孔道，方便下次隧道固定使用。待所有材料和人员撤离后，即可恢复通车。