基于玻璃纤维管片的隧道加固装置及其施工方法与流程

本发明属于隧道加固保护技术领域，尤其是涉及一种适用于既有运营地铁隧道的基于玻璃纤维管片的隧道加固装置及其施工方法。

背景技术：

近年来，随着我国城镇化的发展，地铁修建工程在各大城市如火如荼地进行。目前，我国已有19个城市地铁工程在建，约13个城市地铁工程正在规划中。然而，由于结构主应力和次应力、变形不协调、衬砌背部与土体存在空隙、不均匀沉降等原因，相当比例的既有运营盾构隧道衬砌存在变形过大的问题。以上海轨道交通8号线复兴路站－淮海路站区间隧道盾构掘进对已建隧道的影响为例，由于两隧道进行近距离施工，盾构掘进使已建隧道发生变形，已建隧道节接口也产生了不同程度的变形。盾构掘进影响范围内的已建隧道柔性接口基本上发生过不同程度的张开，张开宽度最大的达3mm。盾构掘进范围内的已建隧道刚性接口共190道，其中16道发生了局部张开，在隧道两端接近工作井部位及最大竖向变形处各有一道刚性接口附近的管节混凝土碎裂破损。

由于衬砌发生变形过大会破坏结构的美观，导致封顶块和邻接块脱开、接头张开量过大、环缝错台，管片接头损坏、衬砌钢筋锈蚀及结构混凝土腐蚀等多种耐久性不足的病害发生，进而破坏结构的完整性并降低它们的耐久性，从而隧道内渗漏水的情况增多，影响盾构隧道的安全和使用寿命。如果不及时对衬砌病害进行处理，则会进一步加大破坏，甚至会造成隧道坍塌，危害生命和财产安全。

因此，为了控制地铁隧道变形的发展，工程上目前大多采用钢管片加固、注浆加固和芳纶布加固相结合的方法。但钢管片加固运输和施工耗费大量人力资源，施工周期长，加固成本高，不方便施工，对隧道本身结构和形状影响较大，且钢管片防腐性较差，易损坏。而由于在软土地区加土层低强度、高压缩性、高灵敏度和流变性的特点，注浆加固施工不易控制，常常出现跑浆、漏浆和偏浆的情况，对隧道结构造成附加不良影响，反而加剧了衬砌病害的发生。为了控制隧道变形的发展，芳纶布被引进了隧道加固工程领域，从而起到了良好的限制隧道变形发展，修护隧道防水性能效果。

现今，随着各种优质纤维材料的面市，玻璃纤维材料作为一种性能优异的无机非金属材料，在混凝土加固工程中逐渐得到推崇。玻璃纤维材料是一种性能优异的无金属材料，种类繁多，优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性强、机械强度高、吸声性好，它是以玻璃球或废旧玻璃为原材料经高温熔制，拉丝，络纱，织布等工艺制作而成，每束纤维原丝都由数百根甚至千根单丝组成，有着广泛的发展前景。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术的不足，提供一种玻璃纤维管片加固既有运营地铁隧道的施工方法，其方法步骤简单，设计合理且施工简便、施工效果好，能对衬砌病害发生进行有效控制，周期短且成本低。

用于加固既有运营地铁隧道的加固装置，包括用于对隧道环向加固的玻璃纤维管环和用于纵向固定的纵向连接板；所述玻璃纤维管环包括由多个弧形支撑玻璃纤维板沿圆周方向拼装而成的支撑架和2个分别支撑在所述支撑架左右两侧底部的支撑架固定座；多个弧形支撑玻璃纤维板和两个支撑架固定座均布设在隧道的同一个横断面上，使加固玻璃纤维管环连接为一体。

所述玻璃纤维管环和/或纵向连接板由玻璃纤维制成，玻璃纤维的成分由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼、氧化镁和氧化钠组成，其中氧化钠0％～2％。

优选的，所述玻璃纤维的单丝直径在10-20um之间。

本发明所选用的玻璃纤维为无碱玻璃纤维(氧化钠0％～2％，属铝硼硅酸盐玻璃)，以石英砂、氧化铝和叶蜡石、石灰石、白云石、硼酸、纯碱、芒硝、萤石等为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造成的。玻璃纤维管片制作首先由池窑拉丝法就将叶腊石等原料在窑炉中熔制成玻璃溶液，排除气泡后经通路运送至多孔漏板，高速拉制成玻纤原丝，为保证强度，控制单丝直径在10-20um之间。因本发明中玻璃纤维管片断面大，韧性和延展性要求高，选用强伸性好、具有耐腐蚀性的丙纶与玻璃纤维结合制作玻璃纤维板材。经过玻璃纤维与丙纶混棉1:1.5开松，梳理机进行梳理，铺网机铺网，针刺机组针刺，半成品毡收卷，平板热压机压制成型，裁切成相应尺寸。利用数控卷板机卷成相应弧形，并添加环氧树脂将各块玻璃纤维板材粘结拼装成型，即为玻璃纤维管片。

优选的，弧形支撑玻璃纤维板由固定连接的弧形面板和弧形筋板组成，相邻两个弧形支撑玻璃纤维板之间通过弧形筋板上多个连接螺栓进行紧固连接，弧形面板上均开有多个供所述锚栓安装的锚栓安装孔，并通过锚栓固定在隧道内的管片环(该管片指的是混凝土预制管片，对于运营隧道是已经存在的)上。

优选的，所述支撑架固定座由水平面板和弧形筋板组成，水平面板和弧形筋板都是利用环氧树脂将各玻璃纤维板材粘结拼装成型，弧形支撑玻璃纤维板与支撑架固定座之间均通过弧形筋板上多个连接螺栓进行紧固连接，2个支撑架固定座通过水平面板上锚固螺栓分别支撑在隧道仰拱左右两侧上方。

优选的，所述纵向连接板由弧形面板和纵向弧形筋板组成，为了相邻两个玻璃纤维管环之间由多道纵向弧形筋板上多个连接螺栓进行紧固连接。

优选的，每一玻璃纤维管环包括1件小弧形支撑玻璃纤维板、4件大弧形支撑玻璃纤维板和2个支撑架固定座；每一弧形支撑玻璃纤维板包括1块弧形面板和4块弧形筋板；每一支撑架包括1块水平面板和3块弧形筋板；每一纵向连接板包括1块弧形面板和2块弧形筋板。

另外，本发明还提供了一种施工方法。

隧道加固装置加固既有运营地铁隧道的施工方法，采用玻璃纤维管环对既有运营地铁隧道管片进行环向加固，并通过纵向连接板结合成整体对隧道管片进行纵向的加固。

包括如下步骤：

步骤一、预制构件

利用玻璃纤维材料预制弧形面板、水平面板和弧形筋板，并在每个弧形筋板均开有多个分别供连接螺栓安装的螺栓安装孔，每个弧形或水平面板上均开有多个供所述锚栓安装的锚栓安装孔；

步骤二、管片环向加固

根据隧道管片通缝或者错缝的形式采用不同的加固位置进行安装弧形支撑玻璃纤维板和支撑架固定座，安装在管片内弧面；小弧形支撑玻璃纤维板安装在衬砌封顶块位置处，其余大弧形支撑玻璃纤维板按错开环缝的方式安装，与衬砌邻接块和标准块位置一致；弧形支撑玻璃纤维板环向间的弧形筋板采用螺栓连接拼装，弧形面板上用膨胀螺丝与管片进行固定；

两个支撑架固定座与弧形支撑玻璃纤维板之间也采用螺栓连接，又利用锚栓将其固定在隧道底部道床之上，使加固环连接为一体；

步骤三、管片纵向加固

根据隧道内管线的安装情况，采用对应5块弧形支撑玻璃纤维板中间位置处的5道玻璃纤维纵向连接板拉结，多道纵向连接板环采用弧形筋板上多个连接螺栓与弧形支撑玻璃纤维板进行紧固连接，纵向连接板弧形面板与衬砌之间采用安装前刷涂环氧树脂进行粘结，使环向加固与纵向加固形成整体。

优选的，步骤一中所述玻璃纤维管环整环由弧形面板、弧形筋板、支撑架固定座构成，之间用螺栓进行连接拼装，与管片通过膨胀螺栓进行锚固连接；所述玻璃纤维管环每一环沿圆周布置，每一弧形支撑玻璃纤维板均与衬砌相对位置对应划分为1件小弧形支撑玻璃纤维板和4件大弧形支撑玻璃纤维板，避开衬砌环缝布置；所述小弧形支撑玻璃纤维板长度要长于封顶块，其余多个所述大弧形支撑玻璃纤维板的结构和尺寸均相同。

优选的，骤一中所述每个玻璃纤维管环加固由1件小弧形支撑玻璃纤维板、4件大弧形支撑玻璃纤维板和2个支撑架固定座组成，弧形支撑玻璃纤维板在加固段的拱顶和左右两个侧墙上，两个所述支撑架固定座分别支撑在既有运营地铁隧道的仰拱左右两侧上方，多个所述弧形支撑玻璃纤维板和两个所述支撑架固定座均布设在既有运营地铁隧道的同一个隧道横断面上。

优选的，根据隧道管片通缝或者错缝的形式采用不同的加固位置进行安装弧形支撑玻璃纤维板和支撑架固定座，安装在管片内弧面，避开环缝。

下面对本发明做进一步的说明：

本发明公开了一种玻璃纤维材管片，其主要成分为二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼、氧化镁、氧化钠等。本发明所选用的玻璃纤维为无碱玻璃纤维(氧化钠0％～2％，属铝硼硅酸盐玻璃)，以石英砂、氧化铝和叶蜡石、石灰石、白云石、硼酸、纯碱、芒硝、萤石等为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造成的。玻璃纤维管片制作首先由池窑拉丝法就将叶腊石等原料在窑炉中熔制成玻璃溶液，排除气泡后经通路运送至多孔漏板，高速拉制成玻纤原丝，为保证强度，控制单丝直径在10-20um之间。因本发明中玻璃纤维管片断面大，韧性和延展性要求高，选用强伸性好、具有耐腐蚀性的丙纶与玻璃纤维结合制作玻璃纤维板材。经过玻璃纤维与丙纶混棉1:1.5开松，梳理机进行梳理，铺网机铺网，针刺机组针刺，半成品毡收卷，平板热压机压制成型，裁切成相应尺寸。利用数控卷板机卷成相应弧形，并添加环氧树脂将各块玻璃纤维板材粘结拼装成型，即为玻璃纤维管片。此类玻璃纤维管片具有绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高，生产工艺简单方便，生产效率高的特点。

既有运营地铁隧道加固利用由玻璃纤维制作的弧形面板、弧形筋板和支撑架固定座拼装组成的玻璃纤维管环，对既有运营隧道管片进行环向加固，并通过纵向连接板结合成整体对管片进行纵向的加固。

所述玻璃纤维管环包括多个所述不同大小的弧形支撑玻璃纤维板沿圆周方向拼装而成的支撑架和2个分别支撑在所述支撑架左右两侧底部的支撑架固定座。两个所述支撑架固定座分别支撑在既有运营地铁隧道的仰拱左右两侧上方，多个所述弧形支撑玻璃纤维板和两个所述支撑架固定座均布设在既有运营地铁隧道的同一个隧道横断面上，使加固玻璃纤维管环连接为一体，以达到环向整体受力状态。

所述既有运营地铁隧道的仰拱上设置有供钢轨铺装的混凝土平台，所述混凝土平台的上部左右两侧分别设置有一个排水沟。

所述支撑架固定座由水平面板和弧形筋板组成，两个所述支撑架固定座通过水平面板上锚固螺栓分别支撑在两个所述隧道底部道床之上(排水沟内)，多个所述弧形支撑玻璃纤维板的宽度均为500mm。

所述弧形支撑玻璃纤维板由所述弧形面板和所述弧形筋板组成，相邻两个所述弧形支撑玻璃纤维板之间以及所述弧形支撑玻璃纤维板与支撑架固定座之间均通过弧形筋板上多个连接螺栓进行紧固连接，每个所述弧形支撑玻璃纤维板均通过弧形面板上多个锚栓固定在既有运营地铁隧道内的管片环上，每个所述弧形支撑玻璃纤维板的弧形面板上均开有多个供所述锚栓安装的锚栓安装孔。

每个所述弧形支撑玻璃纤维板的左右两侧弧形筋板均开有多个分别供所述连接螺栓安装的纵向螺栓安装孔，环向两侧均开有多个分别供所述连接螺栓安装的环向螺栓安装孔；所述支撑架固定座的外侧弧形筋板开有多个供所述连接螺栓安装的环向螺栓安装孔。

所述纵向连接板由所述弧形面板和所述弧形筋板组成，相邻两个所述玻璃纤维管环之间由多道纵向连接板弧形筋板上多个连接螺栓进行紧固连接，所述纵向连接板只设置纵向弧形筋板，所述弧形筋板均开有多个分别供所述连接螺栓安装的纵向螺栓安装孔，所述纵向连接板的宽度均为500mm。

本发明的技术构思为：

步骤一、利用玻璃纤维材料预制加固所需构件。每一玻璃纤维管环包括1件小弧形支撑玻璃纤维板、4件大弧形支撑玻璃纤维板和2个支撑架固定座；每一弧形支撑玻璃纤维板包括1块弧形面板和4块弧形筋板；每一支撑架包括1块水平面板和3块弧形筋板。每一纵向连接板包括1块弧形面板和2块弧形筋板。每个所述弧形筋板均开有多个分别供所述连接螺栓安装的螺栓安装孔，每个所述弧形或水平面板上均开有多个供所述锚栓安装的锚栓安装孔。

步骤二、管片环向加固。根据隧道管片通缝或者错缝的形式采用不同的加固位置进行安装弧形支撑玻璃纤维板和支撑架固定座，安装在管片内弧面(避开环缝)，防止管片不均匀沉降使管片螺栓拉断。小弧形支撑玻璃纤维板安装在衬砌封顶块位置处，其余4件大弧形支撑玻璃纤维板按错开环缝的方式安装，与衬砌邻接块和标准块位置一致。5件弧形支撑玻璃纤维板环向间的弧形筋板采用热镀锌M18x8.8级螺栓连接拼装，弧形面板上选用直径18mm的膨胀螺丝与管片进行固定。

两个支撑架固定座与弧形支撑玻璃纤维板之间也采用3个M18x8.8级螺栓连接，又利用4个锚栓将其固定在隧道底部道床之上(水沟内)，使加固环连接为一体。

步骤三、管片纵向加固：根据隧道内管线的安装情况，采用对应5块弧形支撑玻璃纤维板中间位置处的5道玻璃纤维纵向连接板拉结(避开隧道内管线)，多道纵向连接板环采用弧形筋板上多个连接螺栓与弧形支撑玻璃纤维板进行紧固连接，纵向连接板弧形面板与衬砌之间采用安装前刷涂环氧树脂进行粘结，使环向加固与纵向加固形成整体，可使得出现沉降较大位置的管片的沉降在相邻的管片的拉结下能均匀沉降，以减少隧道管片出现变形较大及破坏的风险。

本发明的有益效果主要表现在：(1)、方法步骤简单、设计合理且施工运输简单方便，投入成本较低，实际工程操作实施性强；(2)、实际施工过程主要是既有运营地铁隧道玻璃纤维管环加固，通过该方法可以提高隧道的抗变形能力，减小隧道内部衬砌病害的发生，从而降低隧道发生事故的可能性，保证了行车安全和隧道使用寿命；(3)、实用价值高且使用效果好，相比现有既有运营地铁隧道钢环加固与地层注浆预加固的施工方法，缩短了施工工期，较大降低了施工成本，既可以加固错缝拼装管片、也可加固通缝拼装管片；(4)、玻璃纤维具有化学稳定性好、高强度、高模量、重量轻、尺寸稳定性好、定位性佳、防火、绝缘等优点，制作成的管环加固块少，运输施工方便、安全系数高、应用效能好，产品寿命长且不会对地铁列车的运营造成影响；(5)、适用面广，能有效适用于所有既有运营地铁隧道特别是富水软弱地层等易发生衬砌病害危险地层中隧道衬砌的保护及加固，保障了隧道结构的安全性。

附图说明

图1是本发明的方法流程框图。

图2是环向玻璃纤维管环加固状态图。

图3是通缝时纵向玻璃纤维连接板加固状态图。

图4是错缝时纵向玻璃纤维连接板加固状态图。

图5是小弧形支撑玻璃纤维板结构示意图。

图6是大弧形支撑玻璃纤维板结构示意图。

图7是支撑架固定座结构示意图。

图8是玻璃纤维纵向连接板结构示意图。

1—既有运营地铁隧道；2—管片；3—钢轨；4—混凝土平台；5—排水沟；6-1——弧形面板；6-2—环向弧形筋板；6-3—纵向弧形筋板；7-1—支撑架固定座；7-2—水平面板；8—纵向连接板；9-1—环向螺栓安装孔；9-2—纵向螺栓安装孔；9-3—锚栓安装孔；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图1所示的一种玻璃纤维管片加固既有运营地铁隧道的施工方法工艺流程。所述玻璃纤维管环包括多个所述不同大小的弧形支撑玻璃纤维板沿圆周方向拼装而成的支撑架和2个分别支撑在所述支撑架左右两侧底部的支撑架固定座7。两个所述支撑架固定座7分别支撑在既有运营地铁隧道1的仰拱左右两侧上方，多个所述弧形支撑玻璃纤维板和两个所述支撑架固定座7均布设在既有运营地铁隧道1的同一个隧道横断面上，使加固玻璃纤维管环连接为一体，以达到环向整体受力状态(以避开既有运营地铁隧道内衬砌环缝为原则进行)，详见图2。

所述既有运营地铁隧道1的仰拱上设置有供钢轨3铺装的混凝土平台4，所述混凝土平台4的上部左右两侧分别设置有一个排水沟5，两个所述支撑架固定座7分别支撑在两个所述排水沟5内。

多个所述玻璃纤维管环通过多道所述纵向连接板8紧固连接为一体，所述纵向连接板8沿隧道加固段的纵向长度方向布设且其长度不小于所述加固段的长度，多道所述纵向连接板8沿圆周方向由左至右布设，以避开既有运营地铁隧道内管线为原则进行。

实际加固时，可根据具体工程错缝或者通缝的需要，对所述玻璃纤维管环和纵向连接板8的数量以及布设位置进行相应调整，详见图3和图4。

具体过程如下：

1)施工准备阶段

玻璃纤维管环加固所需构件制作：结合图5、图6、图7和图8，所述玻璃纤维管环包括1件小弧形支撑玻璃纤维板、4件大弧形支撑玻璃纤维板和2个支撑架固定座8。多个所述弧形支撑玻璃纤维板和支撑架固定座的宽度均为500mm，小弧形支撑玻璃纤维板长度要长于封顶块，其余多个所述大弧形支撑玻璃纤维板的结构和尺寸均相同，长度按图2所示均分。实际加工时，可根据具体需要，对所述玻璃纤维管环构件的尺寸进行相应调整。

1件所述弧形支撑玻璃纤维板由由1块所述弧形面板6-1、2块所述环向弧形筋板6-2和2块所述纵向弧形筋板6-3组成，所述弧形面板6-1上选用直径18mm的膨胀螺丝与管片2进行固定，其中所述小弧形支撑玻璃纤维板有5个锚栓安装孔9-3，所述大弧形支撑玻璃纤维板有11个锚栓安装孔9-3；所述环向弧形筋板6-2之间采用热镀锌M18x8.8级螺栓连接拼装，侧边均设置3个螺栓孔9-1，纵向弧形筋板6-3小弧形支撑玻璃纤维板设置3个螺栓孔9-2，大弧形支撑玻璃纤维板设置5个螺栓孔9-2。

多个所述弧形面板6-1和弧形筋板6-2、6-3的厚度均为20mm，弧形筋板6-2、6-3高度均为60mm。所述支撑架固定7由水平面板7-2和环向弧形筋板6-2组成，两个所述支撑架固定座7通过水平面板7-2上4个锚固螺栓9-3分别支撑在两个所述隧道底部道床之上(排水沟5内)，侧边环向弧形筋板6-2设3个18mm螺栓孔9-1与所述相邻弧形支撑玻璃纤维板紧固连接。

所述纵向连接板8由所述弧形面板6-1和所述纵向弧形筋板6-3组成，相邻两个所述玻璃纤维管环之间由多道纵向连接板8纵向弧形筋板6-3上多个连接螺栓进行紧固连接，所述纵向连接板8只设置纵向弧形筋板6-3，所述纵向弧形筋板6-3均开有3个分别供所述连接螺栓安装的纵向螺栓安装孔9-2，所述纵向连接板8的宽度均为500mm，其长度不小于所述加固段的长度，一般沿圆周为5道纵向连接板8。所述纵向连接板的尺寸及布设位置参见图3、4两种衬砌情况，也可根据实际工程予以调整。

所述玻璃纤维管环加固所需构件的外径与既有运营地铁隧道1的隧道洞内径一致。构件成形后，进行打磨、去油脂、保证表面干净。加固材料需根据图纸要求加工成型，便于现场安装。

由于每日加固时间短，隧道内加固施工较困难，同时需在每日加固前将平台安装完成，施工完成后进行平台拆除，在加固期间施工平台需制作成简易、可拆卸平台，根据以往施工经验，采用建筑用门式脚手架进行隧道内平台制作，拆卸、安装便捷且安全。

2)隧道内材料运输阶段

开始构件安装工作，在可以进入区间隧道后先将小平板车放置于轨道上并用铁楔子固定好四个轮子，防止溜滑；然后搬运工人将小弧形支撑玻璃纤维板、大弧形支撑玻璃纤维板、支撑架固定座、纵向连接板、膨胀螺栓、环氧树脂及施工工具、建筑用门式脚手架搬运到小平板车上并固定好；再人工推送小平板车将材料等运送至施工作业区。

3)脚手架安装阶段

到达施工区域后，首先卸下门式脚手架，并开始脚手架拼装，拼装完成后，固定好四个轮脚同时加固好斜撑。

4)施工放样定位阶段

参见图2，按照之前的施工放样位置，根据放样在砼管片2上钻锚栓孔9-3。同时，进行环向支撑架固定座7的安装。环向支撑架固定座7利用4个锚栓将其固定在隧道底部道床之上(水沟5内)。

5)加固安装阶段

定位弧板安装好后，依次按照圆周方向从左至右的顺序首先进行环向加固，安装在管片内弧面(尽量避开环缝)，将大弧形支撑玻璃纤维板按照上面的孔与砼管片2进行紧固膨胀锚栓9-3，与环向支撑架固定座7之间禁锢螺栓9-1，然后安装至小弧形支撑玻璃纤维板，再至另一侧大弧形支撑玻璃纤维板。所述安装过程所有玻璃纤维板均先紧固管片多个锚栓9-3，再紧固相邻弧形支撑玻璃纤维板之间的多个螺栓9-1。最后使管片和玻璃纤维管环形成环向整体。管片环向加固参见图2。

根据隧道内管线的安装情况，采用5道玻璃纤维纵向连接板8拉结(避开隧道内管线)，5道纵向连接板环采用纵向弧形筋板6-3上多个连接螺栓9-2与弧形支撑玻璃纤维板上纵向弧形筋板6-3进行紧固连接，纵向连接板弧形面板6-1与衬砌管片2之间采用安装前刷涂环氧树脂进行粘结。管片纵向加固参见图3、图4

6)脚手架拆除阶段

每环安装完工后关闭电源，收起电源线，拆除脚手架放置于联络通道处、小平板车退出放置于风井楼梯边，检查施工工具，清理现场，准备退场。

7)场地清理及验收退场阶段

加固完成后，恢复所有设施，检查场地清理情况，小平板车和门式脚手架退场并验收。