用于钻爆法隧道的装配式二次衬砌结构及复合式衬砌结构的制作方法

本发明涉及公路工程，尤其是隧道工程技术领域，尤其涉及一种用于钻爆法隧道的装配式二次衬砌结构及复合式衬砌结构。

背景技术：

随着交通经济的快速发展，我国公路隧道建设进入了黄金时期。在山岭重丘地区修建的公路隧道，基本采用钻爆法施工，并通常采用以锚杆、喷射混凝土及支护拱圈等组成的柔性初衬和钢筋混凝土刚性二衬组成的复合式衬砌。

传统复合式衬砌的钢筋混凝土二衬采用现浇的方式，为了保证其刚度和承载力，现浇的普通钢筋混凝土二衬厚度较大，从而导致隧道开挖量大、成本高，而且现场施工工艺复杂、施工速度慢、施工质量控制难度大。同时，在现浇的普通钢筋混凝土二衬施工过程中，初衬变形大，初衬脱落等危险状况时有发生，给现场施工带来了很大的安全隐患。此外，采用传统复合式衬砌的隧道，在运营过程中，衬砌结构变形大，开裂、漏水等问题突出，运营环境差，严重影响隧道运营的安全性、舒适性，运营成本高，社会不良影响大。

因此，亟需开发一种新型的二次衬砌结构，既能有效降低二衬的厚度、减小隧道开挖量、保证二衬的质量、提高施工效率，又能对初衬有一定的安全防护作用，同时能有效解决隧道在运营期的病害问题，提升隧道的安全性、舒适性和运营品质。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为解决上述技术问题，本发明的主要目的在于提供一种用于钻爆法隧道的装配式二次衬砌结构及复合式衬砌结构，以减小二次衬砌结构的厚度，减少隧道开挖量，同时实现二次衬砌结构的标准化设计、工业化预制、装配化施工，大幅降低工程施工期及运营期的安全风险，缩短施工工期，提升隧道的施工质量和运营品质。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种用于钻爆法隧道的装配式二次衬砌结构，包括：多个龙骨，相邻的所述龙骨之间具有间隔；以及多个管片环，设于相邻的所述龙骨之间；其中，所述多个龙骨与所述多个管片环沿所述隧道纵向拼接设置。

在一些实施例中，每个龙骨采用预制超高性能钢筋混凝土结构或钢-混凝土组合结构，其包括沿所述隧道环向拼接的3～5个龙骨段，龙骨的环向两侧为带榫的矩形截面。

在一些实施例中，相邻的两龙骨之间设有2～6个管片环，每个管片环包括沿所述隧道环向拼接的4～6块管片，其内表面与所述龙骨的内表面平齐；每个管片为弧形板，材质为超高性能钢筋混凝土，其包括管片主体结构及在所述管片主体结构顶面、沿所述隧道纵向设置的1～4道环向加劲肋。

在一些实施例中，所述龙骨沿隧道长度方向宽B1介于40～100cm之间，厚度H1介于30～50cm之间，B1和H1的取值随所述隧道行车道数量及围岩级别的增加而增大；

在一些实施例中，所述管片沿隧道长度方向宽B2介于2～4m之间；所述管片主体结构的厚度H2根据隧道车道数及围岩种类确定，确定原则如下：(I)对于双车道隧道，围岩级别I～V所对应的H2分别为：14～18cm、14～18cm、16～20cm、18～22cm、20～26cm，(II)对于三车道隧道，围岩级别I～V所对应的H2分别为：16～20cm、16～20cm、18～22cm、22～26cm、26～30cm；所述加劲肋的高度H3为H2的1/6～1/3倍，加劲肋的宽度B3为H3的1/2～3/2倍。

在一些实施例中，所述管片上设置有手孔、螺栓孔和注浆孔，其四周设置有榫并配置止水带，相邻的两管片之间以及相邻的管片与龙骨段之间的榫与止水带相互匹配。

在一些实施例中，每个管片环内的管片包括拼接段及合龙段；所述管片的相邻且拼接的合龙段和拼接段采用楔形弧形板，管片的其余拼接段采用矩形弧形板；相邻的合龙段与拼接段之间以及相邻的拼接段与拼接段之间形成拼接缝，每个管片环内任意两条拼接缝位于不同的高度，相邻管片环沿隧道长度方向的竖直平面呈180°对称。

在一些实施例中，所述的用于钻爆法隧道的装配式二次衬砌结构还包括：用于在沿隧道施工方向的最前端的两相邻龙骨之间的管片环连接之后，使最前端的龙骨沿隧道施工的反方向挤压与之相邻龙骨之间的管片环的侧向挤压装置；以及用于在所述挤压之后拧紧就位的螺栓；其中，所述侧向挤压装置包括作动器和反力支架。

根据本发明的另一方面，还提供了一种复合式衬砌结构，其包括所述的二次衬砌结构，还包括初衬结构及位于所述二次衬砌结构与初衬结构之间的粘结层。

在一些实施例中，所述粘结层的材质为水泥基填充料，所述二次衬砌结构的龙骨、管片环的顶面与所述初衬结构的内表面之间具有间隙，通过所述管片的注浆孔注射水泥基填充料填充所述间隙形成所述粘结层，由此所述龙骨、管片环以及初衬形成整体结构。

在一些实施例中，所述龙骨和管片环采用预制超高性能钢筋混凝土结构，其抗压强度≥150MPa、抗拉强度≥8MPa、抗弯强度≥40MPa、弹性模量≥40GPa、收缩≤300με、抗氯离子渗透系数≤0.02×10^-12m²/s；该超高性能混凝土包括多组分，各组分及其质量百分比分别为：水泥：25％～35％；硅灰：3％～10％；粉煤灰：0～10％；石英砂：25％～55％；石子：0～36％；钢纤维：2.0％～3.0％；PVA纤维：0.8％～1.2％；水：4.0％～8.0％；减水剂：0.36％～1.2％；其中，石英砂最大粒径1mm，石子最大粒径10mm；

所述粘结层采用的水泥基填充料选用C30～C60混凝土或LC30～LC60轻质混凝土，粘结层的强度介于初衬和管片环所用混凝土的强度之间，由此形成初衬、粘结层、管片环三者的强度过渡；所述水泥基填充料的收缩≤100με、初凝时间≥4h、终凝时间≤10h；水泥基填充料包括多组分，各组分及其质量百分比为：水泥30～40％；粉煤灰10～16％；硅灰3～8％，膨胀剂4～8％，水15～22％，砂20～30％；聚合物纤维体积掺量0.5％～1.5％。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明用于钻爆法隧道的装配式二次衬砌结构及复合式衬砌结构至少具有以下有益效果：

(1)本发明用于钻爆法隧道的装配式二次衬砌结构及复合式衬砌结构，采用多个龙骨以及位于龙骨之间多个管片环沿所述隧道纵向拼接而成，相较于传统复合式衬砌的钢筋混凝土二衬采用现浇的方式，减小了隧道开挖量大、成本降低，提升了隧道运营的安全性。

(2)本发明提供的用于钻爆法隧道的装配式超高性能混凝土二次衬砌结构，采用高强、高韧性、高耐久的超高性能混凝土龙骨和管片环，能够有效减小二次衬砌结构的厚度，减小隧道开挖截面尺寸，从而降低隧道开挖量；能够减轻龙骨和管片环的重量，提高其制作精度和抗冲击性能，降低其运输成本和施工过程中的损伤，缩短施工工期，提升施工质量；龙骨和管片环能够作为初衬和二衬之间浇筑混凝土的模板，避免了传统二衬结构的现场支模环节；而且，还能够提高二次衬砌结构的耐久性，减小运营期的开裂、漏水等病害问题。

(3)本发明提供的用于钻爆法隧道的装配式超高性能混凝土二次衬砌结构，管片环采用带肋管片，其具有提高提高结构刚度以及作为抗剪连接件增强带肋管片与初衬之间连接的双重功能；通过混凝土材料强度等级的优化设计，实现了初衬、粘结层、管片环三者的强度平稳过渡，从而使实现了复合式衬砌具有优异的结构性能。

(4)本发明提供的用于钻爆法隧道的装配式超高性能混凝土二次衬砌结构，超高性能混凝土龙骨和管片环采用标准化设计、工业化预制、装配化施工，能够大幅降低隧道工程施工期及运营期的安全风险，缩短施工工期，提升隧道的施工质量和运营品质，有效降低隧道的全生命周期成本。

附图说明

图1为依据本发明实施例用于钻爆法隧道的装配式超高性能混凝土二次衬砌结构的隧道结构断面示意图。

图2为依据本发明实施例用于钻爆法隧道的装配式超高性能混凝土二次衬砌结构的整体结构示意图。

图3为依据本发明实施例用于钻爆法隧道的装配式超高性能混凝土二次衬砌结构的龙骨结构示意图。

图4为依据本发明实施例用于钻爆法隧道的装配式超高性能混凝土二次衬砌结构的管片环示意图。

图5(a)、图5(b)、图5(c)为依据本发明实施例用于钻爆法隧道的装配式超高性能混凝土二次衬砌结构的带肋管片构造示意图。

图6为依据本发明实施例用于钻爆法隧道的装配式超高性能混凝土二次衬砌结构的管片环拼装示意图。

图7为依据本发明实施例用于钻爆法隧道的装配式超高性能混凝土二次衬砌结构的龙骨对管片环施加挤压顶紧的工作示意图(其中，图7中最左侧为二衬起始侧)。

附图标记说明：

1-龙骨、2-管片环、3-初衬、4-粘结层、5-榫、6-管片、7-管片主体结构、8-加劲肋、9-手孔、10-螺栓孔、11-注浆孔、12-止水带、13-拼接段、14-合龙段、15-拼接缝、16-作动器、17-反力支架、18-侧向挤压装置、19-山体。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

本发明提供了一种用于钻爆法隧道的装配式二次衬砌结构，包括：多个龙骨，相邻的所述龙骨之间具有间隔；以及多个管片环，设于所述相邻的龙骨之间；其中，所述多个龙骨与所述多个管片环沿所述隧道纵向拼接布置。相较于传统复合式衬砌的钢筋混凝土二衬采用现浇的方式，减小了隧道开挖量大、成本降低，提升了隧道运营的安全性。

具体的，所述龙骨和管片环采用高强、高韧性、高耐久的超高性能混凝土结构，减轻了龙骨和管片环的重量，提高其制作精度和抗冲击性能。

所述管片环可采用带肋管片，其具有提高结构刚度以及作为抗剪连接件增强带肋管片与初衬之间连接的双重功能。

相邻的两龙骨之间设有2～6个管片环，每个管片环包括沿所述隧道环向拼接的4～6块管片。所述管片环之间、管片环与龙骨之间、管片环内的管片之间均通过相互匹配的榫接和螺栓连接。本发明二次衬砌结构结构受力性能好、施工工效高、耐久性好、全生命周期成本低。

本发明还提供了一种复合式衬砌结构，其包括上述二次衬砌结构，还包括初衬结构及位于所述二次衬砌结构与初衬结构之间的粘结层。

具体的，所述粘结层的材质为水泥基填充料，所述二次衬砌结构的龙骨、管片环的顶面与所述初衬结构的内表面之间具有间隙，在螺栓拧紧就位之后，通过所述管片的注浆孔注射水泥基填充料填充间隙形成所述粘结层。

所述龙骨和管片环能够作为初衬和二衬之间浇筑混凝土的模板，避免了传统二衬结构的现场支模环节；而且，还能够提高二次衬砌结构的耐久性，减小运营期的开裂、漏水等病害问题。

下面结合附图详细介绍本发明的实施例。

实施一：

图1为用于钻爆法隧道的装配式超高性能混凝土二次衬砌结构的隧道结构断面示意图，图2为二次衬砌整体示意图，如图1和图2所示，为达到上述目的，本发明提供的一种用于钻爆法隧道的装配式超高性能混凝土二次衬砌结构，其采用标准化设计、工业化预制、装配化施工，且其可通过纵向间隔布置的龙骨1及相邻龙骨1间2～6个管片环2沿隧道纵向拼接而成，其与隧道初衬3的间隙填充水泥基填充料形成的粘结层4。

图3为用于钻爆法隧道的装配式超高性能混凝土二次衬砌结构的龙骨结构示意图，如图3所示，龙骨1为预制超高性能钢筋混凝土结构或钢-混凝土组合结构，其采用环向两侧带榫5的矩形截面，其沿隧道长度方向宽B1＝40～100cm、厚度H1＝30～50cm，B1、H1的取值随着隧道行车道数量、围岩级别的增加而提高；龙骨1沿隧道环向分为3～5段，现场拼装；龙骨1具有对隧道初衬3的过大变形提供支护和对相邻龙骨1间管片环2提供挤压顶紧的双重功能。

图4为用于钻爆法隧道的装配式超高性能混凝土二次衬砌结构的管片环示意图，图5(a)、图5(b)、图5(c)为用于钻爆法隧道的装配式超高性能混凝土二次衬砌结构的带肋管片构造示意图，如图4和图5所示，每个管片环2可通过4～6块预制超高性能钢筋混凝土管片6沿隧道环向拼装而成，其内表面与龙骨1的内表面平齐；管片6为弧形板，其下部为管片主体结构7，管片主体结构7的顶面沿隧道纵向设置1～4道环向加劲肋8，加劲肋8具有提高管片6的刚度以及作为抗剪连接件增强管片6与初衬3之间连接的双重功能。

管片6沿隧道长度方向宽B2为2～4m，其管片主体结构7的厚度H2根据隧道车道数、围岩种类确定：

对于双车道隧道，围岩级别I～V对应的H2分别：14～18cm、14～18cm、16～20cm、18～22cm、20～26cm；

对于三车道隧道，围岩级别I～V对应的H2分别为：16～20cm、16～20cm、18～22cm、22～26cm、26～30cm。

加劲肋8的高度H3为H2的1/6～1/3倍，加劲肋8的宽度B3为H3的1/2～3/2倍。

管片6设置手孔9、螺栓孔10、注浆孔11，其四周设置榫5并配置止水带12，相邻管片6之间以及相邻管片6与龙骨1段之间的榫5与止水带12相互匹配。

图6为用于钻爆法隧道的装配式超高性能混凝土二次衬砌结构的管片环拼装示意图，如图6所示，每个管片环2内的管片6均分为拼接段13、合龙段14两种类型，其中，合龙段14以及与其拼接的拼接段13采用楔形弧形板，其余拼接段13采用矩形弧形板；每个管片环2内部任意两条拼接缝15均不在同一高度，相邻管片环2沿隧道长度方向的竖直平面呈180°对称(图6中虚线为隧道中心线；沿管片环底部对称轴剖开，图6中最右侧管片实际与最左侧管片为整体)。

图7为用于钻爆法隧道的装配式超高性能混凝土二次衬砌结构的龙骨对管片环施加挤压顶紧的工作示意图，如图7所示(其中，图7中最左侧为二衬起始侧)，沿隧道施工方向的最前端两相邻龙骨1之间的管片环2连接之后，最前端的龙骨1通过侧向挤压装置18沿隧道施工的反方向挤压与之相邻龙骨1之间的管片环2，然后将螺栓拧紧就位；其中，所述侧向挤压装置18包括作动器16和反力支架17。可选的，所述反力支架17的支脚锚固于地面内。

龙骨1、管片环2的顶面与初衬3内表面之间的间隙为10～20cm，待螺栓拧紧就位之后，通过管片6的注浆孔11注射水泥基填充料填充间隙形成粘结层4，保证龙骨1、管片环2和初衬3形成整体结构，且龙骨1、管片环2兼做模板，无需增设模板。

龙骨1和管片环2采用的超高性能混凝土基于细观力学和最大密实度理论进行材料选型、颗粒级配优化和配合比设计，其抗压强度≥150MPa、抗拉强度≥8MPa、抗弯强度≥40MPa、弹性模量≥40GPa、收缩≤300με、抗氯离子渗透系数≤0.02×10^-12m²/s，工作性能优异，可实现自密实，采用蒸汽养护或常温养护，超高性能混凝土各组分质量百分比的一种优选配方为：水泥：25％～35％；硅灰：3％～10％；粉煤灰：0～10％；石英砂：25％～55％；石子：0～36％；钢纤维：2.0％～3.0％；PVA纤维：0.8％～1.2％；水：4.0％～8.0％；减水剂：0.36％～1.2％；其中，石英砂最大粒径1mm，石子最大粒径10mm。

粘结层4采用的水泥基填充料的强度等级选用C30～C60混凝土或LC30～LC60轻质混凝土，粘结层4的强度介于初衬3和管片环2所用混凝土的强度之间，通过混凝土材料强度等级的优化设计，实现了初衬3、粘结层4、管片环2三者的强度的平稳过渡，从而实现了复合式衬砌结构。该复合式衬砌结构包括所述二次衬砌结构，初衬结构，以及位于二次衬砌结构与初衬结构之间的粘结层。粘结层的材质为水泥基填充料，二次衬砌结构的龙骨、管片环的顶面与初衬结构的内表面之间具有间隙，在螺栓拧紧就位之后，通过管片的注浆孔注射水泥基填充料填充间隙形成粘结层。

水泥基填充料的收缩≤100με、初凝时间≥4h、终凝时间≤10h，流动性满足泵送要求，并添加抗裂用聚合物纤维，以聚丙烯或者聚乙烯醇纤维为佳；水泥基填充料各组分质量百分比的一种优选配方为：水泥30～40％；粉煤灰10～16％；硅灰3～8％，膨胀剂4～8％，水15～22％，砂20～30％；纤维体积掺量0.5％～1.5％。

实施二：

与前述实施例一不同的是，本发明在实施二中提供的二次衬砌结构，根据实际工程需要，管片环2中的管片6可以只包含管片主体结构7，不设置加劲肋8。其余结构同实施一，此处不再赘述。

另外，本领域技术人员应当可以理解的是，所述龙骨的个数，相邻龙骨之间管片环的个数、每个管片环所包括的管片的个数、加劲肋的个数等不限于上述实施例中的具体数量。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。