盾构隧洞钢筋混凝土内衬复合衬砌结构型式的构建方法与流程

本发明涉及基建工程技术领域，尤其是盾构隧洞钢筋混凝土内衬复合衬砌结构型式的构建方法。

背景技术：

当前大直径输水隧洞通常采用的型式有：盾构外衬+钢管内衬(内夹混凝土填充)；盾构外衬+钢筋混凝土内衬；盾构外衬+预应力钢筋混凝土内衬等数种型式。

其中，盾构外衬+钢管内衬(内夹混凝土填充)的衬砌型式虽然能够承担高内水压力，但是存在几个问题：1)钢管需要在隧洞内焊接施工不方便；2)由于混凝土硬化体积收缩，填充层较难填满；3)钢管内衬容易生长淡水壳菜，影响过水条件。

盾构外衬+钢筋混凝土内衬这种衬砌型式可以用于低压力输水，对于高内水压力，内衬混凝土易开裂，当裂缝较大时，水压力直接作用于盾构管片上容易破坏整个衬砌型式。

盾构外衬+预应力钢筋混凝土内衬这种结构型式可以用于承担高内水压力，但是工艺复杂，造价较高，且预应力会随着时间松弛，对于输水隧洞的耐久性不利。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种新型的盾构隧洞钢筋混凝土内衬复合衬砌结构型式的构建方法，以提高衬砌结构的抗弯刚度，同时增加衬砌承受内水压力。

本发明实施例提供了一种盾构隧洞钢筋混凝土内衬复合衬砌结构型式的构建方法，包括以下步骤：

对盾构管片进行植筋处理，或者，在盾构管片内预留连接钢筋位；

将连接钢筋与内衬钢筋混凝土的钢筋笼进行绑扎或焊接，形成剪切键；

对钢筋笼进行支模并浇筑混凝土，形成钢筋混凝土内衬；

通过剪切键构建盾构—混凝土内衬复合结构。

进一步，还包括以下步骤：

通过剪切键承受盾构—混凝土内衬复合结构的内水压力和外水土压力。

进一步，还包括以下步骤：

通过剪切键对盾构—混凝土内衬复合结构的截面高度进行提高。

进一步，通过剪切键限制外衬盾构管片的变形。

进一步，所述通过剪切键承受盾构—混凝土内衬复合结构的内水压力和外水土压力这一步骤，包括以下步骤：

根据lame公式，计算厚壁圆筒结构位移；

根据计算得到的厚壁圆筒结构位移，确定内衬钢筋混凝土与外衬盾构管片的径向变形结果。

进一步，所述通过剪切键对盾构—混凝土内衬复合结构的截面高度进行提高这一步骤，包括以下步骤：

根据盾构—混凝土内衬复合结构的受力特征，计算复合结构的抗弯刚度；

根据计算得到的抗弯刚度，确定剪切键对盾构—混凝土内衬复合结构的截面高度提高结果。

进一步，所述通过剪切键限制外衬盾构管片的变形这一步骤，包括以下步骤：

计算厚壁圆筒结构的环向应力；

根据计算得到的环向应力，确定外衬盾构管片的变形结果。

上述本发明实施例中的方案具有如下优点：本发明的实施例通过剪切键将外衬盾构管片与内衬钢筋混凝土管片连接在一起共同受力，可以提高衬砌结构的抗弯刚度，同时增加衬砌承受内水压力，本发明结构型式明确，施工方便，且具有较高的经济效益，可为大直径输水隧洞，尤其是高内水压力输水隧洞提供一种有效可行的结构型式。

附图说明

图1为本发明实施例的盾构隧洞钢筋混凝土内衬复合衬砌结构型式图；

图2是本发明实施例的盾构隧道结构弹性力学模型；

图3是本发明实施例的环向应力分布图；

图4是本发明实施例的围岩2gpa围岩条件下，内衬应力—水压力关系图；

图5是本发明实施例的围岩2gpa围岩条件下，径向位移—水压力关系图；

图6是本发明实施例的围岩3gpa围岩条件下，内衬应力—水压力关系图；

图7是本发明实施例的围岩3gpa围岩条件下，径向位移—水压力关系图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。

本发明实施例提供了一种盾构隧洞钢筋混凝土内衬复合衬砌结构型式的构建方法，包括以下步骤：

对盾构管片进行植筋处理，或者，在盾构管片内预留连接钢筋位；

将连接钢筋与内衬钢筋混凝土的钢筋笼进行绑扎或焊接，形成剪切键；

对钢筋笼进行支模并浇筑混凝土，形成钢筋混凝土内衬；

通过剪切键构建盾构—混凝土内衬复合结构。

进一步作为优选的实施方式，还包括以下步骤：

通过剪切键承受盾构—混凝土内衬复合结构的内水压力和外水土压力。

进一步作为优选的实施方式，还包括以下步骤：

通过剪切键对盾构—混凝土内衬复合结构的截面高度进行提高。

进一步作为优选的实施方式，通过剪切键限制外衬盾构管片的变形。

进一步作为优选的实施方式，所述通过剪切键承受盾构—混凝土内衬复合结构的内水压力和外水土压力这一步骤，包括以下步骤：

根据lame公式，计算厚壁圆筒结构位移；

根据计算得到的厚壁圆筒结构位移，确定内衬钢筋混凝土与外衬盾构管片的径向变形结果。

进一步作为优选的实施方式，所述通过剪切键对盾构—混凝土内衬复合结构的截面高度进行提高这一步骤，包括以下步骤：

根据盾构—混凝土内衬复合结构的受力特征，计算复合结构的抗弯刚度；

根据计算得到的抗弯刚度，确定剪切键对盾构—混凝土内衬复合结构的截面高度提高结果。

进一步作为优选的实施方式，所述通过剪切键限制外衬盾构管片的变形这一步骤，包括以下步骤：

计算厚壁圆筒结构的环向应力；

根据计算得到的环向应力，确定外衬盾构管片的变形结果。

下面结合说明书附图详细描述本发明的盾构隧洞钢筋混凝土内衬复合衬砌结构型式：

如图1所示，其中，附图1-3中的标记含义如下：1代表连接钢筋；2代表盾构管片；3代表钢筋混凝土内衬；4代表盾构钢筋；5代表内衬钢筋；6代表围岩；代表环向应力；p代表内水压力。

本发明的盾构隧洞钢筋混凝土内衬复合衬砌结构型式的构建方法为：

s1、对盾构管片2进行植筋或预留连接钢筋位；

s2、将连接钢筋1与内衬钢筋混凝土3的钢筋笼进行绑扎或焊接，形成剪切键；

s3、支模并浇筑混凝土，形成钢筋混凝土内衬3；

s4、利用连接钢筋1的连接作用(剪切键)形成盾构—混凝土内衬复合结构共同受力。

本发明的结构型式的优点在于：

(1)通剪切键的作用，盾构—混凝土内衬复合结构可共同承担内水压力及外水土压力，且保证径向变形协调；

具体的，盾构隧道结构弹性力学模型见图2所示，根据平面应变轴对称问题的lame解答，厚壁圆筒结构位移计算公式为：

式中：δr为圆环半径伸长量，μ为泊松比，e为材料弹性模量，r,r为分别为圆环内外径，ρ为计算位置处半径，p为内水压力。

根据计算结果，内衬钢筋混凝土与外衬盾构管片界面处ρ一致，故受荷载作用，两者变形协调。

(2)结构复合后截面受弯高度大于复合前受弯高度，故复合后抗弯刚度w2大于复合前抗弯刚度w1，增加了截面的抗弯刚度；

其中，所述截面抗弯刚度计算公式为：

式中：w为抗弯刚度，iz为截面惯性矩，y为截面上离中性轴最远的距离，b为截面宽度，h1,h2为盾构管片和内衬钢筋混凝土的厚度。

根据计算公式，结构的抗弯刚度与厚度的平方成正比，故新型复合结构的抗弯刚度要大于原结构，新型结构可以增加截面的抗弯特性。

(3)鉴于连接钢筋形成的剪切键作用，即使钢筋混凝土内衬开裂，内水外渗，剪切键也能限制外衬盾构管片的镜像变形，从而增加外衬盾构管片在高内水压力作用下的安全保障。

厚壁圆筒结构环向应力(见图3所示)，为：

式中：为截面环向应力，a,c为由边界条件和约束条件确定的常量，ρ为计算位置处半径。

从内到外，环向应力越来越小呈现出双曲线形态，当内水压力较小时，内衬钢筋混凝土未开裂，植筋仅起到了复合盾构管片和钢筋混凝土的作用；随着内水压力增大，内衬钢筋混凝土开裂，最不利状况下，全部内水压力直接作用于管片上，导致管片径向扩张，此时连接钢筋形成的剪切键会限制管片的变形，增加了盾构管片的安全储备。

下面以以混凝土内衬刚度折减计算案例对本发明的新型结构进行说明，计算中暂不考虑盾构管片与内衬混凝土的连接，以便查看内衬钢筋混凝土受内水压力的变形与受力状态，在此基础上把连接钢筋作为安全储备，从而可以更好的保证复合结构的安全。

开裂之前，钢筋混凝土内衬的弹性模量为30gpa，随着内水压力的增大钢筋混凝土逐渐开裂，内衬钢筋混凝土刚度逐渐降低，由于内衬钢筋的作用，钢筋混凝土刚度不会降低至0。分别计算内衬钢筋混凝土刚度降低至1/2，1/3，1/5，1/10，1/15时，内衬应力与内水压力的关系，围岩考虑2gpa，3gpa两种情况，计算结果见图4，图5，图6，图7所示。

从计算结果可以看出，随着开裂混凝土刚度的降低，内衬径向位移会逐渐增大，内衬应力逐渐降低，但是由于内衬钢筋(剪切键)的牵引作用，钢筋混凝土内衬仍然保留有一定的强度。此时，连接钢筋可以较好的将内衬与盾构管片连接为一个整体从而增强复合结构的强度与安全性。

综上所述，将钢筋植入盾构管片，钢筋出露部分与内衬钢筋笼焊接或绑扎在一起，随后浇注混凝土内衬，让钢筋混凝土内衬与外衬盾构隧洞联接在一起，形成复合结构。该新型结构的优点在于：1)两者可共同承受内水压力及外水土压力；2)增加了结构的抗弯刚度；3)鉴于钢筋的连接，即使钢筋混凝土内衬开裂，内水外渗，也能保证在高内水压力作用下外衬盾构管片的安全。本发明结构型式明确，施工方便，且具有较高的经济效益，可为高内水压力输水隧洞提供一种有效可行的结构型式。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。