一种铁路隧道的波纹钢板内衬拱脚结构的制作方法

本实用新型属于隧道衬砌病害波纹钢板内衬加固设计领域，具体涉及一种铁路隧道的波纹钢板内衬拱脚结构。

背景技术：

随着隧道运营使用时间的不断增长，在各种影响因素相互作用下隧道出现衬砌渗漏水、侵蚀、裂损等病害的情况逐年增多，影响隧道正常运营安全，必须及时处理整治。目前，波纹钢板内衬加固方法以其工厂预制施工质量可控、耐久性好、绿色环保、施工工期短、整体刚度大、抗弯承载能力高、可满足建筑限界与隧道净空要求等优点得到广泛使用。

当前波纹钢板内衬加固方法应用于铁路隧道衬砌病害整治设计时，受限于隧道二次衬砌与隧道附属结构电力电缆槽水平距离，波纹钢板内衬拱脚基础结构通过部分凿除靠近拱脚位置的二次衬砌来获得钢筋混凝土基础结构施作空间，并通过类似工程经验确定基础结构配筋。这种方法存在三个缺点，缺点一是通过部分凿除靠近拱脚位置的二次衬砌获得钢筋混凝土基础结构施作空间，对隧道衬砌受力产生不利影响，施工风险较大，施工周期较长；缺点二是波纹钢板内衬拱脚基础结构的外力荷载不明确，导致基础结构配筋的合理性很大程度上取决于工程师在类似工程下的工作经验，主观性较大，无法保证相关参数的准确性及经济性；缺点三是没有有效措施保证基础结构的侧向稳定性。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种铁路隧道的波纹钢板内衬拱脚结构，有效提高了拱脚基础结构的安全性和可靠性。

本实用新型是这样实现的：本实用新型提供一种铁路隧道的波纹钢板内衬拱脚结构，包括分别位于拱形波纹钢板内衬的两个拱脚处的拱脚基础结构以及若干锁脚锚杆，所述拱脚基础结构为钢筋混凝土结构，所述拱脚基础结构沿波纹钢板内衬纵向布置，波纹钢板内衬的拱脚与对应的拱脚基础结构固定，所述锁脚锚杆的一端插入到隧道壁的锚孔中，所述锁脚锚杆的另一端固定在拱脚基础结构内，若干锁脚锚杆沿波纹钢板内衬纵向分布。

锁脚锚杆端头与波纹钢板内衬的拱脚连接。

锁脚锚杆端头通过锚垫板、螺母构件与波纹钢板内衬拱脚连接，从而波纹钢板拱与锁脚锚杆共同受力，限制波纹钢板拱拱脚侧向变形。

波纹钢板内衬的拱脚通过预埋锚栓与对应的拱脚基础结构固定连接；所述波纹钢板内衬的拱脚设有接地法兰，位于拱脚基础结构内的预埋锚栓与波纹钢板内衬拱脚的接地法兰通过螺母固定连接。

所述锁脚锚杆安装方向向下倾斜。

所述拱脚基础结构包括混凝土结构以及位于混凝土结构内的钢筋骨架，所述钢筋骨架由纵向受力主筋与构造箍筋连接构成；所述构造箍筋为三角形箍筋。

分别位于拱形波纹钢板内衬的两个拱脚处的拱脚基础结构分别固定在隧道两侧基底上，所述拱脚基础结构位于隧道二次衬砌与基底上设有的电力电缆槽之间；拱脚基础结构通过植入钢筋与二次衬砌固定连接，所述植入钢筋一端位于隧道二次衬砌内，所述植入钢筋另一端位于拱脚基础结构内。

本实用新型提供一种铁路隧道的波纹钢板内衬拱脚结构优化设计方法，包括如下步骤：

s1：波纹钢板内衬拱脚基础结构几何尺寸设计；

s2：波纹钢板内衬拱脚基础结构外部荷载确定；

s3：波纹钢板内衬拱脚基础结构混凝土强度等级确定，为保证基础结构强度，采用高于二次衬砌混凝土强度等级的一个标号；

s4：波纹钢板内衬拱脚基础结构配筋设计；

s5：波纹钢板内衬拱脚基础结构锁脚锚杆设计，确定锁脚锚杆纵向间距d、每延米纵向根数n、直径d1及长度lr参数。

作为本实用新型的进一步改进，所述步骤s1中所述的波纹钢板内衬拱脚基础结构几何尺寸设计可按如下步骤确定：

s11：拱脚基础结构沿波纹钢板纵向布置长度等于隧道病害段整治长度；

s12：为保证波纹钢板内衬拱脚基础结构的强度、刚度及稳定性，需尽可能地增大基础结构的几何尺寸，考虑到隧道病害段长度较短，根据现场情况可占用隧道附属结构物电力电缆槽的一半空间位置，基座底部宽度b2为电缆槽竖向中心线与电缆槽底面水平线交点到二次衬砌结构最近水平距离，基于公式(1)、公式(2)可得到拱脚基础结构顶部宽度b1、高度h：

b1＝b-b3-b4(1)

h＝2(h1+h2)(2)

式中：b为电缆槽竖向中心线与基底顶面水平线交点到二次衬砌结构最近水平距离；b3为电缆槽盖板缝宽；b4为电缆槽盖板搭接宽度；h1为电缆槽净宽；h2为电缆槽盖板厚度。

作为本实用新型的进一步改进，所述步骤s2中所述的波纹钢板内衬拱脚基础结构外部荷载可按如下步骤确定：

s21：根据现场检测及调查结果，得到隧道病害段无损检测二次衬砌厚度表，选取二次衬砌受力最不利断面；

s22：根据步骤s21中确定的最不利断面，考虑最不利断面所处地层、水文地质、围岩级别、埋深及初期支护与二次衬砌荷载分配比例等因素，计算得到二次衬砌水平围岩压力；

s23：根据步骤s21确定的最不利断面、步骤s22中确定围岩压力及波纹钢板几何参数，建立含有破损二次衬砌、填充层、波纹钢板的二维平面应变复合数值计算模型，其中考虑破损二次衬砌与填充层、填充层与波纹钢板均为刚性连接，二次衬砌结构根据无损检测二次衬砌厚度结果采用全环分块不等厚梁单元模拟；填充层采用实体弹性单元模拟；波纹钢板结构采用等效梁单元模拟，根据抗弯刚度等效原则得到波纹钢板等效梁的梁高与密度；围岩与二次衬砌的相互作用采用弹簧单元模拟，两侧拱脚基础结构位置节点采用固定端模拟；

s24：根据步骤s23确定的复合数值计算模型，计算得到两侧拱脚基础结构固定节点所承受的最大水平反力fx、最大竖向反力fy与最大弯矩m。

作为本实用新型的进一步改进，所述步骤s4中所述的波纹钢板内衬拱脚基础结构配筋设计根据步骤s1确定的基础结构几何尺寸、步骤s24确定的外力荷载及步骤s3确定的混凝土强度等级进行钢筋混凝土结构承载能力极限状态和正常使用极限状态配筋设计，确定纵向受力主筋，并按构造要求配置构造箍筋。

作为本实用新型的进一步改进，所述步骤s5的波纹钢板内衬拱脚基础结构锁脚锚杆设计可按如下步骤确定：

s51：根据波纹钢板内衬纵向分块长度l1、锁脚锚杆纵向间距d，基于公式(3)可确定锁脚锚杆每延米纵向根数n：

n＝l1/d(3)

式中，d为锁脚锚杆纵向间距；

s52：基于公式(4)可确定每根锁脚锚杆的设计锚固力nr：

nr＝(k1×fx)/(n×cosθ)(4)

式中，k1为锚杆设计锚固力安全系数；fx为步骤s24中确定两侧拱脚基础结构节点所承受的最大水平反力；n为s51步骤中确定的锁脚锚杆每延米纵向根数，θ为锁脚锚杆与水平面的夹角；

s53：基于公式(5)确定锁脚锚杆直径d1：

式中，nr为步骤s52中确定每根锁脚锚杆的设计锚固力；σ为锚杆杆体的抗拉强度；

s54：基于公式(6)、公式(7)确定锁脚锚杆长度lr：

lr≥lr1+lr2+lr3(6)

式中：lr1为锁脚锚杆外露长度；lr2为锁脚锚杆有效长度；lr3为锁脚锚杆锚固长度；k2为锁脚锚杆长度安全系数；d1为步骤s53所确定的锁脚锚杆直径；d2为锁脚锚杆钻孔直径；fst为锁脚锚杆杆体设计抗拉强度；fcs为锁脚锚杆填充体与钢筋的粘结强度；fcr为锁脚锚杆填充体与围岩的粘结强度。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

效果(1)通过占用原隧道电力电缆槽的一半空间位置获得拱脚基础结构施作空间，避免了拱脚位置的二次衬砌凿除施工，降低了施工风险，节约了施工成本，缩短了作业时间，并根据现场实际需求，合理确定了拱脚基础结构的几何尺寸；

效果(2)是以隧道衬砌病害检测结果为依据，建立含有破损二次衬砌、填充层、波纹钢板的二维平面应变复合数值计算模型，并根据计算结果明确了拱脚基础结构的外部荷载，实现了基础结构配筋的量化设计，避免了传统方法的盲目性和随意性，有效提高了拱脚基础结构的安全性和可靠性。

效果(3)是以破损二次衬砌、填充层及波纹钢板整体承载的复合数值模型计算结果为基础，确定了基础结构锁脚锚杆所需承载力，实现基础结构锁脚锚杆参数的量化设计，有力保证了拱脚基础结构的侧向稳定性。

综上所述，本实用新型提供了一种铁路隧道的波纹钢板内衬拱脚基础结构设计方法，避免了原有二次衬砌凿除施工，有效降低了施工风险，节约了施工成本，缩短了作业时间，进一步明确了基础结构的外部荷载，实现了基础结构配筋和锁脚锚杆参数的定量化设计，整个设计流程量化清晰、实施便捷、安全可靠、本实用新型可广泛应用于隧道衬砌病害整治设计领域，经济适用，具有较大推广应用前景。

附图说明

图1为本实用新型的一种实施例的铁路隧道的波纹钢板内衬拱脚基础结构设计流程图；

图2为本实用新型的铁路隧道的波纹钢板内衬拱脚结构设计示意图；

图3为本实用新型的铁路隧道的波纹钢板内衬加固结构示意图；

图4为本实用新型的波纹钢板内衬与拱脚基础结构的连接示意图；

图5为本实用新型的锁脚锚杆与围岩的连接示意图；

图6为本实用新型的拱脚结构配筋图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1为二次衬砌，2为二次衬砌与波纹钢板之间填充层，3为波纹钢板内衬，31为接地法兰，4为拱脚基础结构，41为纵向受力主筋，42为构造箍筋，5为锁脚锚杆，6为原隧道电力电缆槽，7为压缩空间后的电力电缆槽，8为纵向受力主筋，9为构造箍筋，10为填充体，11为围岩，12为预埋锚栓，13为螺母，14为植入钢筋，b为电缆槽竖向中心线与基底顶面水平线交点到二次衬砌结构最近水平距离；b1为钢筋混凝土基座顶部宽度，b2为钢筋混凝土基座底部宽度；b3为电缆槽盖板缝宽，b4为电缆槽盖板搭接宽度；h为钢筋混凝土基座高度，h1为电缆槽净宽，h2为电缆槽盖板厚度，d1为锁脚锚杆直径，lr为锁脚锚杆长度，lr1为锚杆为外露长度，lr2为锚杆有效长度，lr3为锚固长度。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例对本实用新型方案做进一步说明。

实施例一

参见图1至图6，本实施例提供一种铁路隧道的波纹钢板内衬拱脚结构，本实用新型提供一种铁路隧道的波纹钢板内衬拱脚结构，包括分别位于拱形波纹钢板内衬的两个拱脚处的拱脚基础结构以及若干锁脚锚杆，所述拱脚基础结构为钢筋混凝土结构，所述拱脚基础结构沿波纹钢板内衬纵向布置，波纹钢板内衬的拱脚与对应的拱脚基础结构固定，所述锁脚锚杆的一端插入到隧道壁的锚孔中，所述锁脚锚杆的另一端固定在拱脚基础结构内，若干锁脚锚杆沿波纹钢板内衬纵向分布。

锁脚锚杆端头与波纹钢板内衬的拱脚连接。

锁脚锚杆端头通过锚垫板、螺母构件与波纹钢板内衬拱脚连接，从而波纹钢板拱与锁脚锚杆共同受力，限制波纹钢板拱拱脚侧向变形。

波纹钢板内衬的拱脚通过预埋锚栓与对应的拱脚基础结构固定连接；所述波纹钢板内衬3的拱脚设有接地法兰31，位于拱脚基础结构内的预埋锚栓12与波纹钢板内衬拱脚的接地法兰31通过螺母13固定连接。

所述锁脚锚杆安装方向向下倾斜。

所述拱脚基础结构包括混凝土结构以及位于混凝土结构内的钢筋骨架，所述钢筋骨架由纵向受力主筋41与构造箍筋42连接构成。

分别位于拱形波纹钢板内衬的两个拱脚处的拱脚基础结构分别固定在隧道两侧基底上，所述拱脚基础结构位于隧道二次衬砌与基底上设有的电力电缆槽之间；拱脚基础结构通过植入钢筋14与二次衬砌固定连接，所述植入钢筋一端位于隧道二次衬砌内，所述植入钢筋另一端位于拱脚基础结构内。

为保证拱脚基础结构与二次衬砌的有效连接及整体受力，在原二次衬砌混凝土表面进行表面凿毛处理，并植入直径为20mm的hrb400钢筋，植入端头带180度弯钩，植入深度为20cm，采用间距为0.3m梅花型布置，采用a级胶锚固。

实施例二

参见图1至图6，本实施例提供一种铁路隧道的波纹钢板内衬拱脚基础结构设计方法包括如下步骤：

s1：波纹钢板3内衬拱脚基础结构4几何尺寸设计；

s11：拱脚基础结构4沿波纹钢板3纵向布置长度等于隧道病害段整治长度；

s12：为保证波纹钢板3内衬拱脚基础结构4的强度、刚度及稳定性，需尽可能地增大基础结构的几何尺寸，考虑到隧道病害段长度较短，根据现场情况可占用隧道附属结构物电力电缆槽6的一半空间位置，基座底部宽度b2为隧道电力电缆槽6竖向中心线与隧道电力电缆槽6底面水平线交点到二次衬砌3结构最近水平距离，基于公式(1)、公式(2)可得到拱脚基础结构4顶部宽度b1、高度h：

b1＝b-b3-b4(1)

h＝2(h1+h2)(2)

式中：b为隧道电力电缆槽6竖向中心线与基底顶面水平线交点到二次衬砌3结构最近水平距离；b3为隧道电力电缆槽6盖板缝宽，一般取b3＝10mm；b4为隧道电力6电缆槽盖板搭接宽度，一般取b4＝70mm；h1为隧道电力电缆槽6净宽；h2为隧道电力电缆槽6盖板厚度，一般取h2＝80mm。

s2：波纹钢板3内衬拱脚基础结构4外部荷载确定；

s21：根据现场检测及调查结果，得到隧道病害段无损检测二次衬砌3厚度表，选取二次衬砌1受力最不利断面；

s22：根据步骤s21中确定的最不利断面，考虑最不利断面所处地层、水文地质、围岩级别、埋深及初期支护与二次衬砌1荷载分配比例等因素，计算得到二次衬砌1水平围岩压力；

s23：根据步骤s21确定的最不利断面、步骤s22中确定围岩压力及波纹钢板3几何参数，建立含有破损二次衬砌1、填充层2、波纹钢板3的二维平面应变复合数值计算模型，其中考虑破损二次衬砌1与填充层2、填充层2与波纹钢板3均为刚性连接，二次衬砌1结构根据无损检测二次衬砌1厚度结果采用全环分块不等厚梁单元模拟；填充层2采用实体弹性单元模拟；波纹钢板3结构采用等效梁单元模拟，根据抗弯刚度等效原则得到波纹钢板3等效梁的梁高与密度；围岩与二次衬砌1的相互作用采用弹簧单元模拟，两侧拱脚基础结构4位置节点采用固定端模拟；

s24：根据步骤s23确定的复合数值计算模型，计算得到两侧拱脚基础结构4固定节点所承受的最大水平反力fx、最大竖向反力fy与最大弯矩m。

s3：波纹钢板3内衬拱脚基础结构4混凝土强度等级确定，为保证基础结构强度，采用高于二次衬砌1混凝土强度等级的一个标号；

s4：波纹钢板3内衬拱脚基础结构4配筋设计，根据步骤s1确定的基础结构4几何尺寸、步骤s24确定的外部荷载及步骤s3确定的混凝土强度等级进行钢筋混凝土结构承载能力极限状态和正常使用极限状态配筋设计，确定纵向受力主筋8，并构造要求配置构造箍筋9。如本实用新型采用三角形箍筋，箍筋采用直径为12mm的hrb400钢筋,纵向间距为100mm。

s5：波纹钢板3内衬拱脚基础结构4锁脚锚杆5设计，确定锁脚锚杆5纵向间距d、每延米纵向根数n、直径d1及长度lr参数；

s51：根据波纹钢板内衬纵向分块长度l1、锁脚锚杆5纵向间距d，基于公式(3)可确定锁脚锚杆5每延米纵向根数n：

n＝l1/d(3)

式中，d为锁脚锚杆5纵向间距，一般取为0.3m～0.5m；

s52：基于公式(4)可确定每根锁脚锚杆5的设计锚固力nr：

nr＝(k1×fx)/(n×cosθ)(4)

式中，k1为锚杆设计锚固力安全系数，一般取为1.2～1.3；fx为步骤s24中确定两侧拱脚基础结构4节点所承受的最大水平反力；n为s51步骤中确定的锁脚锚杆5每延米纵向根数，θ为锁脚锚杆5与水平面的夹角，一般取为15°～20°；

s53：基于公式(5)确定锁脚锚杆5直径d1：

式中，nr为步骤s52中确定每根锁脚锚杆5的设计锚固力；σ为锚杆杆体的抗拉强度；

s54：基于公式(6)、公式(7)确定锁脚锚杆5长度lr：

lr≥lr1+lr2+lr3(6)

式中：lr1为锁脚锚杆5外露长度，一般取0.2m～0.3m；lr2为锁脚锚杆5有效长度；lr3为锁脚锚杆5锚固长度，一般取(0.5～0.6)m；k2为锁脚锚杆5长度安全系数，一般取1.3；d1为步骤s53所确定的锁脚锚杆5直径；d2为锁脚锚杆钻孔直径，取d2＝d1+25mm；fst为锁脚锚杆5杆体设计抗拉强度；fcs为锁脚锚杆填充体10与钢筋(锚杆杆体5)的粘结强度；fcr为锁脚锚杆5填充体与围岩11的粘结强度。

锁脚锚杆填充体一般为水泥砂浆，通过水泥砂浆实现锚杆杆体(即钢筋)与周边围岩的粘接。填充体是指水泥砂浆，锚杆杆体(即钢筋)与周边围岩之间就是通过水泥砂浆来连接，所以就有填充体与钢筋粘结面、填充体与围岩粘结面。fcs根据锚杆杆体材料、填充体材质确定；fcr可根据现场锚杆拉拔力实验确定。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。