一种可施加预应力的隧道约束充填型管片衬砌结构及工艺的制作方法

本发明涉及隧道支护技术领域，尤其涉及一种可施加预应力的隧道约束充填型管片衬砌结构及工艺。

背景技术：

随着城市化进程的不断推进，城市人口数量急剧增加，造成交通拥堵、效率低下，严重制约了城市的健康发展，城市地铁因其巨大的优势，在城市建设与发展中有着无可替代的作用。而盾构法是城市地铁隧道施工的主要方法，衬砌管片是盾构施工中的主要支护构件。管片质量是保障隧道施工及运营安全的重要前提，随着我国正处于地铁建设的高峰阶段，对于高质量管片的需求量极大。

目前，我国采用的衬砌管片绝大多数为钢筋混凝土管片，钢筋混凝土管片的制作需要经过绑扎、吊装钢筋笼、模具清理、浇筑、蒸养及脱模等八个阶段，钢筋笼主要依赖工人手工绑扎，生产工艺复杂、精度低、劳动强度大，难以对管片质量进行精准控制，管片生产效率低下且极易产生质量缺陷问题。同时，在管片运输及运营过程中，常规的钢筋混凝土管片极易出现缺棱掉角、混凝土开裂破损现象，削弱了管片承载强度，甚至难以满足地铁隧道在修建及运营过程中的稳定控制要求。

技术实现要素：

针对常规钢筋混凝土管片出现的易产生开裂破坏、钢筋绑扎浇筑工艺复杂及劳动强度大、管片质量难以精准控制等问题，本发明提出一种可施加预应力的隧道约束充填型管片衬砌结构及工艺，可有效避免管片开裂破坏，提高管片承载强度，降低管片生产制作劳动强度，提升管片生产质量，还具有降低管片重量、避免管片腐蚀、环保高效等优势。

为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：

一种可施加预应力的隧道约束充填型管片衬砌结构，包括多个沿隧道环向设置的约束充填型管片单体，且相邻的约束充填型管片单体之间拼接相连；每个所述的约束充填型管片单体包括约束壳，所述的约束壳内部为充填体；所述的约束壳外弧表面侧与隧道围岩接触，内弧表面侧朝向隧道内部空间，约束壳外弧表面与内弧表面均匀间隔开设有多个相同位置的圆孔，沿外弧、内弧表面相同位置圆孔部位穿过安装有预应力锚栓；所述的预应力锚栓与约束壳内弧、外弧表面垂直，并施加有预应力，可对约束壳及内部充填体产生径向挤压，使预应力锚栓、约束壳、充填体三者共同形成复合承载结构，共同抵抗外部隧道围岩压力作用。

进一步的，位于每个约束壳的外弧、内弧表面中心部位的预应力锚栓杆体为中空状，待现场多个约束充填型管片单体拼接完成后，可利用中心部位的预应力锚栓进行管片衬砌壁后注浆，填充管片外弧表面与隧道围岩表面之间缝隙，使作用在管片衬砌外弧表面的围岩压力更均匀，避免产生应力集中现象。

进一步的，所述的中空状的预应力螺栓杆体在靠近约束壳内弧表面侧端部安装有止浆阀，当打开止浆阀时可通过中心部位的预应力锚栓外端部位进行注浆，待管片衬砌壁后注浆完成后，可将其关闭，避免产生注浆浆液外流现象。

进一步的，所述的约束壳及预应力锚栓杆体材质包括但不限于gfrp材料、钢材。

进一步的，所述的充填体通过在约束壳内部充填浇筑的方式进行制作，充填体材料包括但不限于混凝土、碎石+水泥浆液充填体。

进一步的，所述的约束壳制作方式包括但不限于模具直接浇筑成型、焊接拼装、机械连接组装方式。

进一步的，所述的多个约束充填型管片单体的拼接方式包括但不限于螺栓连接、插销式连接、榫连接方式，管片单体在隧道环向与轴向拼接接面处设有止水带。

进一步的，在所述的约束壳的沿隧道环向某一端部表面侧或沿隧道轴向某一端部表面侧设有一个开口；该开口与一个密封盖配合。

本发明还提供了一种可施加预应力的隧道约束充填型管片衬砌结构的具体加工及安装工艺，包括以下步骤：

步骤1：根据隧道断面尺寸及支护设计要求，加工制作管片单体约束壳，并在其沿隧道环向某一端部表面侧或沿隧道轴向某一端部表面侧做开口处理；

步骤2：沿约束壳外弧表面与内弧表面相同位置圆孔部位，安装预应力锚栓，并进行一次预紧；

步骤3：沿步骤1中约束壳的一侧开口部位，利用充填材料进行内部充填，形成充填体；

步骤4：待约束壳内部充填体凝固后，在其开口部位侧进行抹面找平处理，并利用相同约束壳材料制作的密封盖封闭该侧开口；

步骤5：对预应力锚栓，进行二次预紧，使其对约束壳及内部充填体产生有效径向挤压；

步骤6：重复上述步骤1～5，完成多个约束充填型管片单体的制作；

步骤7：将上述制作完好的多个管片单体移至工程现场，待隧道开挖后，拼接形成隧道约束充填型管片衬砌结构；

步骤8：利用约束充填型管片单体外弧、内弧表面中心部位的预应力锚栓进行管片衬砌壁后注浆；

步骤9：注浆完成后，关闭中心部位的预应力锚栓止浆阀，完成本发明该种隧道约束充填型管片衬砌结构的施作。

本发明的有益效果为：

1)本发明该种管片表面为约束壳，约束壳材质为钢材或gfrp等材料，具有较高抗拉强度，可对内部充填体进行套箍约束，有效解决常规钢筋混凝土管片易出现的开裂破坏等问题。

2)本发明利用约束壳及充填体，可充分发挥约束壳抗拉及充填体抗压的力学性能优势，实现两者力的共生；同时，借助预应力锚栓，施加预应力，可对约束壳及充填体进行径向挤压，可使三者形成复合型承载整体。与常规钢筋混凝土管片相比，可进一步提高管片衬砌的承载强度。

3)本发明所采用的约束壳及预应力锚栓可批量化直接生产，可严格控制各部分构件尺寸规格，在进行该种管片生产制作时，仅需拼装安装后即可浇筑，可解决常规钢筋混凝土管片生产制作过程人工绑扎钢筋笼引起的劳动强度大、工艺繁琐、钢筋制作及绑扎精度难以精准控制等不足，还可避免常规钢筋混凝土管片需模具浇筑等问题，可有效降低工人劳动强度，提升管片生产质量。

4)本发明充填体可直接利用隧道开挖渣石材料进行制作。具体的，比如可直接在约束壳内部采用“一次填充隧道开挖渣石、二次水泥浆液充注凝固”方式进行制作，可实现隧道开挖渣石的二次利用，高效环保，还可降低支护材料成本。

5)本发明该种管片约束壳材质为gfrp材料时，可有效降低管片整体重量，节约管片运输及安装成本，降低工人劳动强度消耗，还可有效避免管片腐蚀现象。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明实施例隧道约束充填型管片衬砌结构拼接完成后的横断面结构示意图；

图2为图1中a-a剖面的结构示意图；

图3为图1中4(b)处预应力锚栓部位的局部放大结构示意图；

图4为图1中4(c)处预应力锚栓部位的局部放大结构示意图；

其中：1-约束充填型管片单体；2-约束壳；3-充填体；4-预应力锚栓；5-止浆阀。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，常规钢筋混凝土管片出现的易产生开裂破坏、钢筋绑扎浇筑工艺复杂及劳动强度大、管片质量难以精准控制等问题，本发明提出一种可施加预应力的隧道约束充填型管片衬砌结构及工艺，可有效避免管片开裂破坏，提高管片承载强度，降低管片生产制作劳动强度，提升管片生产质量，还具有降低管片重量、避免管片腐蚀、环保高效等优势。以一种可施加预应力的gfrp材料隧道约束充填型管片衬砌结构的具体加工及安装工艺为例，下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种可施加预应力的gfrp材料隧道约束充填型管片衬砌结构，包括多个沿隧道环向设置的gfrp材料约束充填型管片单体1拼接而成。所述的gfrp材料约束充填型管片单体1包括约束壳2，约束壳2内部为充填体3。

所述的约束壳2外弧表面侧与隧道围岩接触，内弧表面侧朝向隧道内部空间，约束壳2外弧表面与内弧表面均匀间隔开设有多个相同位置的圆孔，沿外弧、内弧表面相同位置圆孔部位穿过安装有预应力锚栓4。所述的预应力锚栓4与约束壳2内弧、外弧表面垂直，并施加有预应力，可对约束壳2及内部充填体3产生径向挤压，使预应力锚栓4、约束壳2、充填体3三者共同形成复合承载结构，共同抵抗外部隧道围岩压力作用。

本发明利用约束壳及充填体，可充分发挥约束壳抗拉及充填体抗压的力学性能优势，实现两者力的共生；同时，借助预应力锚栓，施加预应力，可对约束壳及充填体进行径向挤压，可使三者形成复合型承载整体。与常规钢筋混凝土管片相比，可进一步提高管片衬砌的承载强度。

位于外弧、内弧表面中心部位的预应力锚栓4杆体为中空状，待现场多个约束充填型管片单体1拼接完成后，可利用中心部位的预应力锚栓4进行管片衬砌壁后注浆，填充管片外弧表面与隧道围岩表面之间缝隙，使作用在管片衬砌外弧表面的围岩压力更均匀，避免产生应力集中现象。具体的见附图1中的4(b)处的预应力锚栓杆体为中空结构，杆体的具体结构见图3；其他位置的(例如图1中的4(c)处)预应力锚栓杆体为实心结构，杆体的具体结构见图4；

进一步的，所述的约束壳2及预应力锚栓4杆体材质为gfrp材料，除此之外，约束壳2及预应力锚栓4杆体材质还可以为钢材等。本发明该种管片表面为约束壳，约束壳材质为钢材或gfrp等材料，具有较高抗拉强度，可对内部充填体进行套箍约束，有效解决常规钢筋混凝土管片易出现的开裂破坏等问题。

进一步的，所述的充填体3通过在约束壳2内部充填浇筑的方式进行制作，充填体3材料为混凝土，还可为碎石+水泥浆液充填体等。

进一步的，所述的约束壳2制作方式为模具直接浇筑成型，若约束壳2材料为钢材，还可通过焊接拼装、机械连接组装等方式进行制作。

进一步的，所述的多个约束充填型管片单体1现场拼接方式为螺栓连接，还可通过插销式连接、榫连接等方式进行连接，管片单体在隧道环向与轴向拼接接面处设有止水带。

进一步的，所述的约束充填型管片单体1外弧、内弧表面中心部位的预应力锚栓在靠近内弧表面侧安装有止浆阀5，当打开止浆阀5时可通过中心部位的预应力锚栓4外端部位进行注浆，待管片衬砌壁后注浆完成后，可将其关闭，避免产生注浆浆液外流现象。

进一步的，在所述的约束壳的沿隧道环向某一端部表面侧或沿隧道轴向某一端部表面侧设有一个开口；该开口与一个密封盖配合。

本发明还提供了一种可施加预应力的隧道约束充填型管片衬砌结构的具体加工及安装工艺，包括以下步骤：

步骤1：根据隧道断面尺寸及支护设计要求，加工制作管片单体约束壳2，并在其沿隧道环向某一端部表面侧或沿隧道轴向某一端部表面侧做开口处理；

步骤2：沿约束壳2外弧表面与内弧表面相同位置圆孔部位，安装预应力锚栓4，并进行一次预紧；

步骤3：沿步骤1中约束壳2的一侧开口部位，利用充填材料混凝土进行内部充填，形成充填体3；

步骤4：待约束壳2内部充填体3凝固后，在其开口部位侧进行抹面找平处理，并利用相同约束壳2材料制作的密封盖封闭该侧开口；

步骤5：对预应力锚栓4，进行二次预紧，使其对约束壳2及内部充填体3产生有效径向挤压；

步骤6：重复上述步骤1～5，完成多个约束充填型管片单体1的制作；

步骤7：将上述制作完好的多个管片单体移至工程现场，待隧道开挖后，拼接形成隧道约束充填型管片衬砌结构；

步骤8：利用约束充填型管片单体1外弧、内弧表面中心部位的预应力锚栓4进行管片衬砌壁后注浆；

步骤9：注浆完成后，关闭中心部位的预应力锚栓止浆阀5，完成本发明该种隧道约束充填型管片衬砌结构的施作。

上述施工工艺中采用的约束壳及预应力锚栓可批量化直接生产，可严格控制各部分构件尺寸规格，在进行该种管片生产制作时，仅需拼装安装后即可浇筑，可解决常规钢筋混凝土管片生产制作过程人工绑扎钢筋笼引起的劳动强度大、工艺繁琐、钢筋制作及绑扎精度难以精准控制等不足，还可避免常规钢筋混凝土管片需模具浇筑等问题，可有效降低工人劳动强度，提升管片生产质量。

上述充填体可直接利用隧道开挖渣石材料进行制作。具体的，比如可直接在约束壳内部采用“一次填充隧道开挖渣石、二次水泥浆液充注凝固”方式进行制作，可实现隧道开挖渣石的二次利用，高效环保，还可降低支护材料成本。

上述管片约束壳材质为gfrp材料时，可有效降低管片整体重量，节约管片运输及安装成本，降低工人劳动强度消耗，还可有效避免管片腐蚀现象。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。