一种用于矩形地下空间的装配式护壳衬砌结构及施作方法与流程

本发明涉及地下空间工程支护技术领域，尤其涉及一种用于矩形地下空间的装配式护壳衬砌结构及施作方法。

背景技术：

当前，随着我国城市化进程的不断推进，各种类型的城市地下空间工程，如地铁、管廊、地下管线等，在我国城市建设过程中获得了巨大的发展机遇。以城市地铁施工为例，盾构法是目前采用的一种最普遍的施工方法。传统的盾构隧道断面多为圆形，但与矩形断面隧道相比，却存在断面利用率低、土方开挖量大等不足。比如，针对上述问题，2016年12月上海隧道工程有限公司成功研发了世界最大类矩形全断面隧道掘进机“阳明号”盾构机，有效解决了双线隧道开挖过程中传统两条单线圆形断面方案的资源浪费现象，实现了地下空间资源的高效利用。此外，城市地铁车站、管廊结构断面也多为矩形。因此，在未来我国地下空间开发过程中，矩形断面的地下空间工程将会拥有更广阔的推广发展前景。

按照是否开挖地表，城市地下空间工程的施工方法主要包括明挖法与暗挖法两大类，按照地下工程支护衬砌结构是否现浇，可分为预制装配式与现浇整体式两大类。与现浇式地下结构相比，预制装配式地下结构施工速度快，在当前城市地下空间工程建设中也获得了巨大推广应用，如预制装配式管廊结构，盾构隧道管片等。同时，对于传统的地下工程衬砌支护结构，多采用钢筋混凝土式结构，此类地下结构的施作均需经过绑扎钢筋、立模板、浇筑养护、脱模等工序，钢筋绑扎主要依赖工人手工进行，且存在施工工艺复杂、绑扎精度低、劳动强度大等缺点。而且，传统的钢筋混凝土衬砌支护结构，还极易出现表面开裂、破损、掉块等现象，严重影响了地下工程衬砌施作质量，给地下工程建设带来风险与不利影响。此外，对于矩形断面的地下衬砌支护结构，还极易在矩形断面四个边角处产生应力集中现象，关于4个边角处的衬砌连接及处理是此类断面地下空间控制的一个难点，也对矩形断面形式的衬砌结构提出了更高设计要求。针对上述系列问题，本发明提出了一种用于矩形地下空间的装配式护壳衬砌结构及施作方法，可予以有效解决。

技术实现要素：

针对地下空间工程中存在的圆形断面空间利用率低、矩形断面衬砌结构易产生边角处应力集中、钢筋混凝土结构易开裂破损、施作工艺繁琐、劳动强度大、质量难以精准控制等问题，为实现地下空间的高效利用与安全施工，本发明提出了一种用于矩形地下空间的装配式护壳衬砌结构及施作方法，为预制装配式结构，可有效避免传统钢筋混凝土衬砌结构出现的开裂破坏问题，提高衬砌承载强度，保障矩形断面地下空间的安全与稳定施工，还可降低衬砌施作劳动强度，提升衬砌施作质量，同时具有降低结构自重、避免腐蚀及环保高效等优势。

为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：

一种用于矩形地下空间的装配式护壳衬砌结构，包括沿矩形断面地下空间顶部、底部及两侧部分别设置的护壳衬砌主体单元，所述的护壳衬砌主体单元在矩形断面地下空间四个边角处采用护壳衬砌角体单元进行拼接相连；每个所述的护壳衬砌主体单元包括护壳ⅰ，所述的护壳ⅰ内部为充注材料ⅰ；每个所述的护壳衬砌角体单元包括护壳ⅱ，所述的护壳ⅱ内部为充注材料ⅱ；所述的护壳ⅰ、护壳ⅱ的外圈表面侧与地层岩土体表面接触，内圈表面侧朝向矩形地下空间内部，护壳ⅰ与护壳ⅱ的外圈、内圈表面均匀间隔开设有多个相同位置的穿孔，沿外圈、内圈表面相同位置穿孔部位穿过安装有预应力锚栓；所述的预应力锚栓与护壳ⅰ、护壳ⅱ的内圈、外圈表面垂直，并施加有预应力，可对护壳ⅰ及内部充注材料ⅰ、护壳ⅱ及内部充注材料ⅱ产生径向挤压，使预应力锚栓分别与护壳ⅰ及充注材料ⅰ、护壳ⅱ及充注材料ⅱ共同形成复合承载结构，共同抵抗矩形地下空间周围岩土体压力作用。

进一步的，所述的护壳ⅰ、护壳ⅱ及预应力锚栓材质包括但不限于gfrp材料、钢材。

进一步的，所述的充注材料ⅰ、充注材料ⅱ通过分别在护壳ⅰ与护壳ⅱ内部充填浇筑的方式进行制作，充注材料ⅰ、充注材料ⅱ的材料包括但不限于混凝土、碎石+水泥浆液充注材料。

进一步的，所述的护壳ⅱ、充注材料ⅱ的材料强度分别大于护壳ⅰ、充注材料ⅰ的材料强度，以保证护壳衬砌角体单元的整体强度大于护壳衬砌主体单元，使矩形断面衬砌结构在四个边角处具有较高的局部承载强度，防止边角处由于应力集中现象而失效破坏。

进一步的，位于每个护壳衬砌主体单元的护壳ⅰ的外圈、内圈表面中心部位的预应力锚栓杆体为中空状，待现场多个护壳衬砌主体单元及护壳衬砌角体单元拼接完成后，可利用中心部位的预应力锚栓进行衬砌壁后注浆，填充衬砌外圈表面与地层岩土体表面之间缝隙，使作用在衬砌外圈表面的岩土体压力更均匀，避免产生应力集中现象，还可避免地下水侵入矩形地下空间内部。

进一步的，所述的中空状的预应力锚栓杆体在靠近护壳ⅰ的内圈表面侧端部安装有充注阀，当打开充注阀时可通过中心部位的预应力锚栓外端部位进行注浆，待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，所述的多个护壳衬砌主体单元与护壳衬砌角体单元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，各单元在沿矩形地下空间环向与轴向拼接接面处均设有止水带。

进一步的，所述的护壳ⅰ、护壳ⅱ的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，在所述的护壳ⅰ、护壳ⅱ的沿矩形地下空间环向某一端部表面侧或沿矩形地下空间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；所述的密封盖的材质分别与护壳ⅰ、护壳ⅱ的材质相同。

本发明还提供了一种用于矩形地下空间的装配式护壳衬砌结构的具体施作方法，包括以下步骤：

步骤1，预制施作阶段：

步骤（1-1），根据矩形地下空间断面尺寸、整体承载强度及边角处局部承载强度的设计要求，加工制作护壳ⅰ与护壳ⅱ，并分别在其沿矩形地下空间环向某一端部表面侧或沿矩形地下空间轴向某一端部表面侧做开口处理；

步骤（1-2），分别沿护壳ⅰ、护壳ⅱ的外圈表面与内圈表面相同位置穿孔部位，安装预应力锚栓，并进行一次预紧；

步骤（1-3），沿步骤（1-1）中护壳ⅰ与护壳ⅱ的一侧开口部位，分别利用充注材料ⅰ、充注材料ⅱ进行护壳ⅰ与护壳ⅱ内部的充注；

步骤（1-4），待护壳ⅰ与护壳ⅱ内部的充注材料ⅰ、充注材料ⅱ凝固后，在其开口部位侧进行抹面找平处理，并分别利用密封盖封闭该侧开口；

步骤（1-5），对护壳ⅰ与护壳ⅱ的预应力锚栓，分别进行二次预紧，施加预应力，使其对护壳ⅰ及内部充注材料ⅰ、护壳ⅱ及内部充注材料ⅱ分别产生有效径向挤压；

步骤（1-6），重复上述步骤（1-1）~（1-5），完成多个护壳衬砌主体单元与护壳衬砌角体单元的制作；

步骤2，现场拼装阶段：

将上述制作完好的多个护壳衬砌主体单元与护壳衬砌角体单元移至工程现场，若地下空间工程采用暗挖法施工，则待矩形地下空间暗挖岩土体开挖后，直接将其进行拼接相连；若地下空间工程采用明挖法施工，则待明挖岩土体开挖后将其拼接相连，并进行衬砌结构外部周围岩土体的回填与压实处理；

步骤3，壁后注浆阶段：

步骤（3-1），利用护壳衬砌主体单元外圈、内圈表面中心部位的预应力锚栓进行衬砌壁后注浆，填充衬砌外圈表面与周围岩土体之间缝隙；

步骤（3-2），注浆完成后，关闭中心部位的预应力锚栓的充注阀；

步骤4，待衬砌壁后注浆浆液凝固后，完成本发明该种衬砌结构的施作。

本发明的有益效果为：

1）本发明该种装配式护壳衬砌在矩形断面的地铁车站、地下综合管廊、地下管线、地下隧道等工程领域，均可应用，同时该种衬砌既可适用于明挖法施工地下空间，也可适用于暗挖法施工地下空间，因此本发明具有较广的适用范围；

2）本发明该种装配式护壳衬砌，为矩形地下空间工程开挖提供了一种有效的支护技术手段，保障了矩形地下空间的开挖安全与稳定施工，实现了地下空间的高效利用，同时也大大提高了地下空间工程的施工进度；

3）本发明该种衬砌结构中设置在四个边角处的护壳衬砌角体单元，利用具有较高强度的护壳与充注材料，可保证护壳衬砌角体单元承载强度大于护壳衬砌主体单元，避免矩形断面地下结构在四个边角处由于应力集中现象而出现局部破坏的问题；

4）本发明该种装配式护壳衬砌的护壳材质可为钢材或gfrp等材料，选材范围较广，同时此类材料抗拉强度较高，可对内部充注材料进行套箍约束，实现两者力的共生，呈现出较高承载强度，可避免传统钢筋混凝土结构表面开裂破坏现象，同时当材质为gfrp材料时，还可有效降低衬砌构件自重，节约运输及施作成本，避免现场遇水产生腐蚀；

5）本发明该种装配式护壳衬砌所采用的护壳、预应力锚栓等构件可批量化直接生产，可严格控制各部分构件尺寸规格，实现较优的地下空间断面成型效果，同时由于该种衬砌为预制装配式，还可解决传统钢筋混凝土结构施作过程中出现的钢筋绑扎精度低、施作质量差及偷工减料现象，有效提高地下衬砌结构的施作质量；

6）本发明该种装配式护壳衬砌所采用的充注材料可直接利用地下空间工程开挖渣石材料进行制作。具体的，比如可直接在护壳内部采用“一次填充开挖渣石、二次水泥浆液充注凝固”方式进行制作，可实现地下工程开挖渣石的二次利用，高效环保，还可降低支护材料成本。

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为本发明实施例矩形地下空间装配式护壳衬砌结构拼接完成后的横断面结构示意图；

图2为图1中c-c剖面的左视图；

图3为图1中7（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7（a）处预应力锚栓部位的局部放大结构示意图；

图5为图1中顶部护壳衬砌主体单元的横断面结构示意图；

图6为图1中左上角处护壳衬砌角体单元的横断面结构示意图；

图7为图1中左侧部护壳衬砌主体单元的横断面结构示意图；

其中：1-护壳衬砌主体单元；2-护壳衬砌角体单元；3-护壳ⅰ；4-充注材料ⅰ；5-护壳ⅱ；6-充注材料ⅱ；7-预应力锚栓；8-充注阀；9-岩土体；10-注浆充填层。

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，与矩形断面地下空间相比，圆形断面存在空间利用率低、土方开挖量大等不足，矩形断面地下空间应具有更广阔的应用前景，但矩形断面地下衬砌结构在四个边角处由于应力集中现象也易产生局部破坏。同时，传统的地下钢筋混凝土衬砌结构易出现开裂破坏，且存在钢筋绑扎浇筑工艺复杂及劳动强度大、施作质量难以精准控制等问题。针对上述问题，本发明提出了一种用于矩形地下空间的装配式护壳衬砌结构及施作方法，为预制装配式结构，可有效避免传统钢筋混凝土衬砌结构出现的开裂破坏问题，提高衬砌承载强度，保障矩形断面地下空间的安全与稳定施工，还可降低衬砌施作劳动强度，提升衬砌施作质量，同时具有降低结构自重、避免腐蚀及环保高效等优势。下面以一种用于矩形地下空间的gfrp材料的装配式护壳衬砌结构的具体结构及施作工艺为例，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，一种用于矩形地下空间的gfrp材料的装配式护壳衬砌结构，包括沿矩形断面地下空间顶部、底部及两侧部分别设置的护壳衬砌主体单元1，所述的护壳衬砌主体单元1在矩形断面地下空间四个边角处采用护壳衬砌角体单元2进行拼接相连；每个所述的护壳衬砌主体单元1包括护壳ⅰ3，所述的护壳ⅰ3内部为充注材料ⅰ4；每个所述的护壳衬砌角体单元2包括护壳ⅱ5，所述的护壳ⅱ5内部为充注材料ⅱ6。

所述的护壳ⅰ3、护壳ⅱ5的外圈表面侧与地层岩土体9表面接触，内圈表面侧朝向矩形地下空间内部，护壳ⅰ3与护壳ⅱ的5外圈、内圈表面均匀间隔开设有多个相同位置的穿孔，沿外圈、内圈表面相同位置穿孔部位穿过安装有预应力锚栓7；所述的预应力锚栓7与护壳ⅰ3、护壳ⅱ5的内圈、外圈表面垂直，并施加有预应力，可对护壳ⅰ3及内部充注材料ⅰ4、护壳ⅱ5及充注材料ⅱ6产生径向挤压，使预应力锚栓7分别与护壳ⅰ3及充注材料ⅰ4、护壳ⅱ5及充注材料ⅱ6共同形成复合承载结构，共同抵抗矩形地下空间周围岩土体9压力作用。

进一步的，所述的护壳ⅰ3、护壳ⅱ5及预应力锚栓7材质为gfrp材料，除此之外，护壳ⅰ3、护壳ⅱ5及预应力锚栓7杆体及配套螺母材质还可以为钢材等。所述的充注材料ⅰ4、充注材料ⅱ6通过分别在护壳ⅰ3与护壳ⅱ5内部充填浇筑的方式进行制作，充注材料ⅰ4、充注材料ⅱ6的材料为混凝土，还可为碎石+水泥浆液充注材料等。该种衬砌的护壳ⅰ3、护壳ⅱ5的材质为gfrp材料或钢材，具有较高抗拉强度，而其内部充注材料ⅰ4、充注材料ⅱ6的抗压强度较高，护壳ⅰ3、护壳ⅱ5可对内部充注材料ⅰ4、充注材料ⅱ6进行套箍约束，实现两者力的共生，具有较高承载强度，也可有效解决常规钢筋混凝土衬砌结构易出现的开裂破坏等问题；同时，借助预应力锚栓7，施加预应力，可对护壳ⅰ3、护壳ⅱ5及内部充注材料ⅰ4、充注材料ⅱ6进行径向挤压，可使三者形成复合型承载整体，与常规钢筋混凝土衬砌结构相比，可进一步提高衬砌的承载强度及矩形地下空间的安全稳定程度。此外，当上述构件材质为gfrp材料时，还可有效降低衬砌构件自重，节约运输及施作成本，避免现场遇水产生腐蚀。

进一步的，上述充注材料ⅰ4、充注材料ⅱ6若直接利用矩形地下空间开挖渣石材料进行制作时，可直接在护壳ⅰ3、护壳ⅱ5内部分别采用“一次填充开挖渣石、二次水泥浆液充注凝固”方式进行制作，可实现地下空间工程开挖渣石的二次利用，高效环保，还可降低支护材料成本。

进一步的，所述的护壳ⅱ5、充注材料ⅱ6的材料强度分别大于护壳ⅰ3、充注材料ⅰ4的材料强度，以保证护壳衬砌角体单元2的整体强度大于护壳衬砌主体单元1，使矩形断面衬砌结构在四个边角处具有较高的局部承载强度，防止边角处由于应力集中现象而失效破坏。

进一步的，位于每个护壳衬砌主体单元1的护壳ⅰ3的外圈、内圈表面中心部位的预应力锚栓7（b）杆体为中空状，待现场多个护壳衬砌主体单元1及护壳衬砌角体单元2拼接完成后，可利用中心部位的预应力锚栓7（b）进行衬砌壁后注浆，填充衬砌外圈表面与地层岩土体9表面之间缝隙，使作用在衬砌外圈表面的岩土体9压力更均匀，避免产生应力集中现象，还可避免地下水侵入矩形地下空间内部。具体的见附图1中的7（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7（a）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，所述的中空状的预应力锚栓7（b）杆体在靠近护壳ⅰ3的内圈表面侧端部安装有充注阀8，当打开充注阀8时可通过中心部位的预应力锚栓7（b）外端部位进行注浆，待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，所述的护壳ⅰ3、护壳ⅱ5的制作方式为模具直接浇筑成型，若护壳ⅰ3、护壳ⅱ5的材料为钢材，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，所述的多个护壳衬砌主体单元1与护壳衬砌角体单元2的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；同时，各单元在沿矩形地下空间环向与轴向拼接接面处均设有止水带，以防止地层中地下水侵入矩形地下空间内部空间。

进一步的，在所述的护壳ⅰ3、护壳ⅱ5的沿矩形地下空间环向某一端部表面侧或沿矩形地下空间轴向某一端部表面侧设有一个开口，可用于护壳ⅰ3、护壳ⅱ5内部充注材料ⅰ4与充注材料ⅱ6的充填浇筑；该开口与一个密封盖配合；所述的密封盖的材质分别与护壳ⅰ3、护壳ⅱ5的材质相同。

本发明还提供了一种用于矩形地下空间的装配式护壳衬砌结构的具体施作方法，包括以下步骤：

步骤1，预制施作阶段：

步骤（1-1），根据矩形地下空间断面尺寸、整体承载强度及边角处局部承载强度的设计要求，加工制作护壳ⅰ3与护壳ⅱ5，并分别在其沿矩形地下空间环向某一端部表面侧或沿矩形地下空间轴向某一端部表面侧做开口处理；

步骤（1-2），分别沿护壳ⅰ3、护壳ⅱ5的外圈表面与内圈表面相同位置穿孔部位，安装预应力锚栓7，并进行一次预紧；

步骤（1-3），沿步骤（1-1）中护壳ⅰ3与护壳ⅱ5的一侧开口部位，分别利用充注材料ⅰ4、充注材料ⅱ6进行护壳ⅰ3与护壳ⅱ5内部的充注；

步骤（1-4），待护壳ⅰ3与护壳ⅱ5内部的充注材料ⅰ4、充注材料ⅱ6凝固后，在其开口部位侧进行抹面找平处理，并分别利用密封盖封闭该侧开口；

步骤（1-5），对护壳ⅰ3与护壳ⅱ5的预应力锚栓7，分别进行二次预紧，施加预应力，使其对护壳ⅰ3及内部充注材料ⅰ4、护壳ⅱ5及内部充注材料ⅱ6分别产生有效径向挤压；

步骤（1-6），重复上述步骤（1-1）~（1-5），完成多个护壳衬砌主体单元1与护壳衬砌角体单元2的制作；

步骤2，现场拼装阶段：

将上述制作完好的多个护壳衬砌主体单元1与护壳衬砌角体单元2移至工程现场，若地下空间工程采用暗挖法施工，则待矩形地下空间暗挖岩土体9开挖后，直接将其进行拼接相连；若地下空间工程采用明挖法施工，则待明挖岩土体9开挖后将其拼接相连，并进行衬砌结构外部周围岩土体9的回填与压实处理；

步骤3，壁后注浆阶段：

步骤（3-1），利用护壳衬砌主体单元1外圈、内圈表面中心部位的预应力锚栓7（b）进行衬砌壁后注浆，填充衬砌外圈表面与周围岩土体9之间缝隙，形成衬砌壁后注浆充填层10；

步骤（3-2），注浆完成后，关闭中心部位的预应力锚栓7（b）的充注阀8；

步骤4，待衬砌壁后注浆浆液凝固后，完成本发明该种衬砌结构的施作。

上述施工工艺中采用的护壳ⅰ3、护壳ⅱ5及预应力锚栓7可批量化直接生产，可严格控制各部分构件尺寸规格，可严格控制各部分构件尺寸规格，实现较优的地下空间断面成型效果，同时在进行该种衬砌生产制作时，仅需拼装安装后即可浇筑，可解决常规钢筋混凝土衬砌结构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衬砌需模具浇筑等问题，可有效降低工人劳动强度，提升衬砌生产质量。

本发明该种装配式护壳衬砌在矩形断面的地铁车站、地下综合管廊、地下管线、地下隧道等工程领域，均可应用，同时该种衬砌既可适用于明挖法施工地下空间，也可适用于暗挖法施工地下空间，因此本发明具有较广的适用范围；同时，本发明该种装配式护壳衬砌，为矩形地下空间工程开挖提供了一种有效的支护技术手段，保障了矩形地下空间的开挖安全与稳定施工，实现了地下空间的高效利用，同时也大大提高了地下空间工程的施工进度。

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。