轨道交通隧道用轻量化复合材料支护结构件及其安装方法
【专利摘要】本发明公开了一种轨道交通隧道用轻量化复合材料支护结构件及其安装方法。该结构件包含：固定在隧道管片内表面的衬砌加固带支座；黏贴于衬砌加固带支座之上的碳纤维复合型材衬砌加固带，该加固带内填充有水泥浆，以及水泥浆注入管接头，用于向碳纤维复合型材衬砌加固带内注入水泥浆；其中，该碳纤维复合型材衬砌加固带包含：外部支撑壳体，其为具有弹性的硬质碳纤维复合板；设置于外部支撑壳体空间内的软质碳纤维连接网；包覆于外部支撑壳体外部的柔软碳纤维编制带。本发明提供的结构件不侵入列车运行安全限界，有效地形成隧道衬砌叠层，在允许维护时间短的苛刻条件下，实现隧道的快速加固，并大幅提高隧道整体刚度和承载力，占用空间小。
【专利说明】轨道交通隧道用轻量化复合材料支护结构件及其安装方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种轨道交通隧道用轻量化复合材料支护结构件及其安装方法，属于建筑【技术领域】中新材料应用，同时也类属于新型复合材料【技术领域】。
【背景技术】
[0002]城市轨道交通隧道结构以单层管片组装为主，即完全以预制拼装管片经螺栓固定连接形成隧道结构主体。类似于几乎无约束下的多铰圆环结构，经过长期的地铁运行发现存在隧道变形的情况，特别是地铁线路的外部地面高层建筑增多时尤为严重，引起了人们对安全的极大关注。隧道外部岩土环境因新建工程而出现约束条件变化，其在后期运营荷载或外部作用下的变形因节点局部刚度强化而呈现不均匀特征。严重情况将影响列车的安全运行限界，造成重大事故。
[0003]CA1179515AUUS4465405提出了利用型钢与混凝土并用(不是复合材料)的支护方法。虽然可以形成较为安全的隧道支护结构，但较重和较大的构件运输困难，还会影响列车的安全运行限界。
[0004]CN2921279Y提出利用隧道内的结构重新浇铸衬砌层，这样的施工方法在维持列车运行的隧道内是不可行的，即使是利用“天窗”时间(地铁运营时间每天是固定的，如早5:30至晚11:30，随后在夜间留出轨道检查与维护的时间，业内称为“天窗”时间)也无法完成作业。
[0005]US20120009024A1提出利用钢板弯制成相互扣紧的支撑结构，维持隧道不再变形。这种方法可以形成较为坚固的隧道支撑结构，但钢板的耐腐蚀问题，和施工周期较长的问题无法在城市地铁隧道中解决。
[0006]另外，CN102536260A提出利用钢方管型材在工厂内预制成型，在隧道现场内组装，其内填充高强度混凝土增加刚度。问题是如何拟合已经变形的隧道管片拼装结构，方管型钢的支撑强度是否满足要求，还有方管型钢外部的复合材料层是否能够参与承载。如果方管型钢的尺寸太大，较重的构件运输困难，就会影响列车运行安全限界，还会影响已经敷设的电缆及消防管线的空间。关键是这种方法必须在隧道管片内侧钻孔，其施工期过长，无法提高工作效率以满足“天窗”时间。
[0007]CN103061780A提出利用芳纶布粘结在隧道管片内，待固化后再利用焊接成型的钢材作为支护层。在占用空间上该方法可以满足列车安全运行限界要求，而较重的构件运输和隧道管片内侧钻孔是不可避免的问题，还有钢材的防腐、施工时间较长等问题还是存在不足。
[0008]CN103775106A提出了利用钢筋混凝土重新筑起内衬层的支护结构，显然也无法适应城市轨道交通隧道对列车安全运行限界的要求，还增加了施工的难度，这种方法在维持运行隧道内施工是不允许的。
[0009]针对公共交通安全的必要条件，能否将复合材料编织带与钢筋混凝土构件通过特殊工艺组合形成一种新型土木工程结构形式不破坏管片结构的复合材料叠合衬砌，占用空间小，且能快速完成施工，成为亟需解决的难题。
【发明内容】
[0010]本发明的目的是提供一种复合结构，其能在不侵入列车运行安全限界的空间内有效结合后形成叠合衬砌支护结构，在允许加固时间短等苛刻条件下，实现隧道的快速加固，并大幅提高隧道整体刚度和承载力，占用空间小、不影响列车的安全运行限界。
[0011]为达到上述目的，本发明提供了一种轨道交通隧道用轻量化复合材料支护结构件，其包含:
固定在隧道管片内表面的衬砌加固带支座；
黏贴于衬砌加固带支座之上的碳纤维复合型材衬砌加固带，该加固带内填充有水泥浆，以及水泥浆注入管接头，该管接头安装在固定支座上，与碳纤维复合型材衬砌加固带的端部粘结，然后固定在隧道道床上，通过该水泥浆注入管接头能将水泥浆注入到所述的碳纤维复合型材衬砌加固带内；
其中，所述的碳纤维复合型材衬砌加固带包含:
外部支撑壳体，其为具有弹性的硬质碳纤维复合板，作为填充高强度水泥浆后维持整体形状的支撑结构；
设置于外部支撑壳体空间内的软质碳纤维连接网，以增加维持形状的稳定结构； 包覆于外部支撑壳体外部的柔软碳纤维编制带。
[0012]上述的轨道交通隧道用轻量化复合材料支护结构件，其中，所述的外部支撑壳体采用6~10mm厚的硬质弹性碳纤维复合板制成。
[0013]上述的轨道交通隧道用轻量化复合材料支护结构件，其中，所述的编制带的重量仅为相同结构钢材的1/10，能卷曲成卷便于运输，并易黏贴在隧道管片上。
[0014]上述的轨道交通隧道用轻量化复合材料支护结构件，其中，所述的编制带选择由聚丙烯腈纤维和T300型12k碳纤维束编织的软带。
[0015]上述的轨道交通隧道用轻量化复合材料支护结构件，其中，所述的结构件还包含:固定支座螺栓板，用于将衬砌加固带支座固定在隧道管片的道床上。
[0016]上述的轨道交通隧道用轻量化复合材料支护结构件，其中，所述的结构件还包含:预埋膨胀螺栓，用于辅助衬砌加固带支座与隧道管片的道床的固定，不需要在隧道管片内钻孔。
[0017]本发明还提供了一种根据上述的轨道交通隧道用轻量化复合材料支护结构件的安装方法，该方法包含如下步骤:
步骤1，临时移开隧道内的电缆及管线，并处理隔断的逃生平台，留出安装空间；
步骤2，将衬砌加固带支座固定在隧道管片内表面上；
步骤3，将预制的碳纤维复合型材衬砌加固带黏贴于所述的衬砌加固带支座上；
步骤4，通过水泥浆注入管接头向碳纤维复合型材衬砌加固带的外部支撑壳体内高压注入水泥浆，密封(优选采用螺栓盖密封)，待水泥浆固化后形成轨道交通隧道用轻量化复合材料支护结构件。
[0018]上述的安装方法，其中，在步骤2中，通过固定支座螺栓板将衬砌加固带支座固定在隧道管片的道床上。
[0019]上述的安装方法，其中，在步骤3中，所述黏贴是采用粘结胶黏贴，具体步骤是在清洗干燥的隧道管片内表面先涂上环氧基底漆，然后将环氧基的粘结胶边涂边黏贴碳纤维复合型材衬砌加固带。
[0020]本发明提供的轻量化复合材料的隧道支护方法及其构件，其主结构的碳纤维复合型材衬砌加固带，使用粘结胶黏贴在变形隧道管片内侧面上，无需固定螺栓和钻孔，经衬砌加固带支座上的管接头注入高强度水泥浆形成碳纤维编织材料与水泥的复合材料结构作为变形隧道衬砌加固的支撑结构。该结构是一种不连续的，分别独立的碳纤维复合型材衬砌加固带与高标号水泥浆的复合结构，在需要考虑隧道纵向支护的结构时也可以在隧道纵向相互连接。
[0021]本发明的柔软碳纤维编制带为由普通(聚丙烯腈纤维T300型)12k碳纤维束编织的软带，其内部靠近管片面和外层面均设有具备弹性的硬质碳纤维复合板，作为填充高强度水泥浆后维持整体形状的支撑结构，并且在编织过程中还设有内部连接网结构，增加维持形状的稳定结构。
[0022]本发明使用粘结胶黏贴碳纤维复合型材衬砌加固带，无需在变形隧道管片上钻固定螺栓孔，简化了施工方法。
[0023]所述衬砌加固带支座黏贴的碳纤维复合型材衬砌加固带端部粘结固定，从而具备良好的密封条件。
[0024]本发明提供的轨道交通隧道用轻量化复合材料支护结构件，为一种新型土木工程结构形式不破坏隧道管片结构。其衬砌部件在工厂化环境下制成，运至隧道内黏贴在管片内侧面上，注入高标号混凝土浆后形成复合材料构件，不侵入列车运行安全限界，有效地形成隧道衬砌叠层，在允许维护时间短的苛刻条件下，实现隧道的快速加固，并大幅提高隧道整体刚度和承载力，占用空间小。这样的隧道衬砌叠层加固方法及其构件其成本相对低，可以大幅度降低隧道维护费用。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为地铁隧道车辆安全运行限界示意。
[0026]图2为地铁隧道管片在外部不均匀载荷下的变形示意。
[0027]图3a为装配了本发明的轨道交通隧道用轻量化复合材料支护结构件的隧道管片的示意图。
[0028]图3b为图3a的A-A ’线的剖视图。
[0029]图4为本发明的卷曲的碳纤维复合型材衬砌加固带敷设方式示意图。
[0030]图5为本发明的碳纤维复合型材衬砌加固带的注入水泥浆过程示意图。
[0031]图6为本发明的碳纤维复合型材衬砌加固带的底部固定结构示意图。
【具体实施方式】
[0032]以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。
[0033]如图1所示，地铁隧道车辆安全运行限界3是不容侵入的，在隧道内还安装有供电接触网系统301，馈电电缆302，消防水管303，逃生平台304等设施。这些设施(供电接触网系统301，馈电电缆302，消防水管303)应在隧道维护工作前临时移开，留出碳纤维复合编织带4 (见图3)的黏贴安装空间。对于间断式逃生平台304按常规的隧道施工措施做出相应的处理。
[0034]隧道管片I包含顶部楔形管片101，上部两侧管片102，中部两侧管片103，下部道床管片104，道床105，如图1和图2所示。受外部泥土载荷变化引起的隧道管片I变形，不论是高层建筑还是其他地下设置建设，不会影响隧道管片I的自身形状，即:顶部楔形管片101，上部两侧管片102，中部两侧管片103，下部道床管片104，道床105等还是维持着原有的形状。变形发生在隧道管片连接的部位，造成隧道管片变形曲线2的形状变形。过大的变形会影响列车安全运行的限界，造成重大事故。因此，隧道衬砌加固的对象便是这些位置发生变化的隧道管片I。
[0035]本发明的一个实施例采用如图3a所示的布置实施衬砌支护，每环隧道管片内侧支撑四条碳纤维复合型材衬砌加固带4的黏贴位置，这样不会遮盖管片连接(管片连接是指管片与管片之间的圆周方向的连接)螺栓孔106，管片纵向连接(管片纵向连接是一环管片与另一环管片之间在隧道纵向的连接)螺栓孔107，为未来的维护留出条件，如图3b所示。连续黏贴在隧道管片内表面的碳纤维复合型材衬砌加固带4应与衬砌加固带支座401粘接在一起，以保证密封，然后采用预埋膨胀螺栓407固定在道床105上。
[0036]在黏贴碳纤维复合型材衬砌加固带4时，可按照如图4所示的方式，将卷曲的碳纤维复合型材衬砌加固带4放出足够的长度，边涂粘结胶5边黏贴至经清洗干净并吹干的变形隧道管片I的内表面。
[0037]如图5所示，所述的碳纤维复合型材衬砌加固带4包含:
外部支撑壳体403，其为具有弹性的硬质碳纤维复合板，作为填充高强度水泥浆后维持整体形状的支撑结构；
设置于外部支撑壳体空间内的软质碳纤维连接网404，以增加维持形状的稳定结构； 包覆于外部支撑壳体外部的柔软碳纤维编制带405。
[0038]如图5所示，所使用的碳纤维复合型材衬砌加固带4是在工厂内制造的，成卷运输至隧道维护现场，其与隧道管片粘结面、外支撑面均已经采用具备弹性和硬质的板条(优选采用6~10mm厚的硬质碳纤维复合板)，作为待填充高标号水泥浆后的形状维持支撑结构。该加固带4的内部在编织过程中便留出软质碳纤维连接网404，作为形成碳纤维与水泥浆复合材料的维持形状的拉筋。该碳纤维复合型材衬砌加固带4的外层是柔软碳纤维编制带405，起到包覆高强度水泥浆的作用。
[0039]如图6所示，碳纤维复合型材衬砌加固带4应粘结在衬砌加固带支座401上，留出水泥浆注入管接头402的位置空间，并保证在高压注入水泥浆时不得有外泄(填充水泥浆时会产生内部高压，因此要求碳纤维编织带应与支座之间粘结，并保证不得有泄漏)。衬砌加固带支座401应使用预埋膨胀螺栓407固定在道床105上，由此形成的碳纤维复合型材衬砌加固带4与高强度水泥浆形成的隧道管片衬砌叠层支撑结构待养护24小时后边可以起到隧道支护的作用。
[0040]综上所述，本发明提出的城市轨道交通变形隧道(或新建隧道预支护)方法及其结构是一种简便易行、成本低廉的施工方法，可以使用在已运行多年的隧道维护上，也可以在较短的“天窗”时间内实施临时支护，为未来地铁隧道的衬砌支护提供了可行的技术措施，解决了本发明确定的主题技术问题。
[0041]尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
【权利要求】
1.一种轨道交通隧道用轻量化复合材料支护结构件，其特征在于，其包含: 固定在隧道管片内表面的衬砌加固带支座(401)； 黏贴于衬砌加固带支座(401)之上的碳纤维复合型材衬砌加固带(4)，该碳纤维复合型材衬砌加固带(4)内填充有水泥浆(6);及 水泥浆注入管接头(402)，通过该水泥浆注入管接头(402)能将水泥浆注入到所述的碳纤维复合型材衬砌加固带(4)内； 其中，所述的碳纤维复合型材衬砌加固带(4)包含: 外部支撑壳体(403)，其为具有弹性的硬质碳纤维复合板； 设置于外部支撑壳体(403)空间内的软质碳纤维连接网(404)； 包覆于外部支撑壳体(403)外部的柔软碳纤维编制带(405)。
2.如权利要求1所述的轨道交通隧道用轻量化复合材料支护结构件，其特征在于，所述的碳纤维复合型材衬砌加固带(4)的重量仅为相同结构钢材的1/10，能卷曲成卷便于运输，并易黏贴在隧道管片上。
3.如权利要求1所述的轨道交通隧道用轻量化复合材料支护结构件，其特征在于，所述的外部支撑壳体(403)采用6~10mm厚的硬质弹性碳纤维复合板制成。
4.如权利要求1所述的轨道交通隧道用轻量化复合材料支护结构件，其特征在于，所述的柔软碳纤维编制带(405)为由聚丙烯腈纤维和T300型12k碳纤维束编织的软带。
5.如权利要求1所述的轨道交通隧道用轻量化复合材料支护结构件，其特征在于，所述的结构件还包含:固定支座螺栓板(406)，用于将衬砌加固带支座(401)固定在隧道管片的道床上。
6.如权利要求5所述的轨道交通隧道用轻量化复合材料支护结构件，其特征在于，所述的结构件还包含:预埋膨胀螺栓(407)，用于辅助衬砌加固带支座(401)与隧道管片的道床的固定。
7.一种根据权利要求1所述的轨道交通隧道用轻量化复合材料支护结构件的安装方法，其特征在于，该方法包含如下步骤: 步骤1，临时移开隧道内的电缆及管线，并处理隔断的逃生平台，留出安装空间； 步骤2，将衬砌加固带支座(401)固定在隧道管片内表面上； 步骤3，将预制的碳纤维复合型材衬砌加固带(4)黏贴于所述的衬砌加固带支座(401)上； 步骤4，通过水泥浆注入管接头(402)向碳纤维复合型材衬砌加固带(4)的外部支撑壳体(403)内高压注入水泥浆，密封，待水泥浆固化后形成轨道交通隧道用轻量化复合材料支护结构件。
8.如权利要求7所述的安装方法，其特征在于，在步骤2中，通过固定支座螺栓板(406 )将衬砌加固带支座(401)固定在隧道管片的道床上。
9.如权利要求7所述的安装方法，其特征在于，在步骤3中，所述黏贴是采用粘结胶黏贴，具体步骤是在清洗干燥的隧道管片内表面先涂上环氧基底漆，然后将含环氧基的粘结胶边涂边黏贴碳纤维复合型材衬砌加固带(4 )。
【文档编号】E21D11/00GK104453939SQ201510000691
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2015年1月4日 优先权日:2015年1月4日
【发明者】何大海, 莫凡, 张衍, 万敏, 宿文德 申请人:上海友德节能技术发展有限公司, 上海隧道工程有限公司