一种预应力钢纤维混凝土盾构隧道结构及其施工方法与流程

1.本发明涉及隧道工程技术领域，具体涉及一种预应力钢纤维混凝土盾构隧道结构及其施工方法。


背景技术：

2.盾构法隧道因其具有机械化程度高、作业速度快、现场湿作业少、节省人力成本等优势，在城市轨道交通、市政地下工程中被广泛应用。随着运行时间的增加，在常见的盾构隧道结构工程中，出现了盾构隧道结构渗漏、不均匀沉降、净空收敛不符合要求等诸多病害；尤其是处于淤泥质软土层的隧道，具有孔隙比大、含水量高、压缩性大、灵敏度高、抗剪强度低、渗透系数小、固结和次固结沉降变形时间长及流变形等不利条件，加之轨道交通安全保护区众多的近距离施工和列车长期运营振陷，结构病害更加严重和复杂。究其原因，除了在施工和运营期间的人为因素之外，产生病害的根本原因在于现有盾构隧道结构的特点。
3.目前比较先进的强刚度低配筋预应力盾构隧道结构，根据隧道结构所处的地层条件、隧道结构强度、刚度要求，在现有盾构法隧道管片内沿结构环向和纵向为盾构管片施加环向和纵向的预应力，以提高隧道结构的环向和纵向的整体刚度；能有效解决现有盾构隧道结构的刚度低、抗变形能力不足的缺陷，从根本上提高隧道结构的整体刚度、稳定性、承载能力、抗变形能力、防水能力，保证了结构安全。但该盾构隧道结构采用钢筋混凝土结构，依旧需使用大量的钢筋；其环向预应力构造对于减少环向的弯矩有一定的效果，但是弯矩的减小是从整体上进行的，不能对环向弯矩进行针对性的局部调整，因此，该盾构隧道结构依旧不够完美，尚存在改进的空间。


技术实现要素：

4.为此，本发明提供一种预应力钢纤维混凝土盾构隧道结构及其施工方法，以解决现有强刚度低配筋预应力盾构隧道结构的上述技术问题。
5.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.本发明的第一方面提供了一种预应力钢纤维混凝土盾构隧道结构，包括盾构管环和环向预应力构造，各盾构管环包括多片盾构管片，多片盾构管片通过环向预应力构造连接为一环形整体，通过所述环向预应力构造对各盾构管片施加环向预应力，所述环向预应力构造包括环向预埋于所述盾构管环内的环向波纹管，所述盾构管片由钢纤维混凝土浇筑成型，所述钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维所形成的一种多相复合材料。
7.进一步地，所述环向波纹管依盾构隧道的模拟弯矩和欲施加的环向预应力预埋于所述盾构管环内，按照如下公式实施：m1＝m0-pe；其中，m1为施加预应力后的实际弯矩，实际弯矩趋于0；m0为模拟弯矩；p为环向预应力；e为沿盾构管环法线方向、方向向内为正向的偏心距。
8.进一步地，当模拟弯矩为正弯矩时，所述环向波纹管预埋于所述盾构管环的厚度方向靠内的一侧；当模拟弯矩为负弯矩时，所述环向波纹管预埋于所述盾构管环的厚度方向靠外的一侧；当模拟弯矩为0时，所述环向波纹管预埋于所述盾构管环的厚度方向的中心。
9.进一步地，所述盾构管环内设有多个所述环向波纹管，多个所述环向波纹管沿所述盾构管环的长度方向间隔分布，一个所述环向波纹管内穿设有环向预应力构造的预应力钢绞线，其余所述环向波纹管为预留的空置管孔。
10.进一步地，所述盾构管环包括弧度相同的多片底部管片、多片连接管片和一片封顶管片，多片所述底部管片位于盾构隧道的底部，所述封顶管片位于盾构隧道的左侧或右侧，多片所述连接管片位于盾构隧道的剩余位置；其中，所述底部管片设有预留槽口。
11.本发明的第二方面提供了一种如本发明的第一方面所述的预应力钢纤维混凝土盾构隧道结构的施工方法，包括：
12.步骤s1，预制盾构管片；在模具内预设环向预应力构造的环向波纹管和纵向预应力构造的纵向波纹管，然后采用钢纤维混凝土浇筑形成所述盾构管片；各盾构管片内的环向波纹管在预埋时依照如下公式实施：m1＝m0-pe；其中，m1为施加预应力后的实际弯矩，实际弯矩趋于0，m0为盾构隧道的模拟弯矩，p为环向预应力；e为沿盾构管环法线方向、方向向内为正向的偏心距，当各盾构管片首尾相连形成盾构管环时，这些环向波纹管能够相连通形成环形贯通孔道；在多个盾构管片内预埋纵向预应力构造的纵向波纹管，当多个盾构管环纵向设置且相邻盾构管环的端面相贴时，这些纵向波纹管能够相连通形成线形贯通孔道；
13.步骤s2，组装盾构管环；沿盾构隧道结构的环向，将多片盾构管片首尾相连而形成盾构管环，环向预应力构造的预应力钢绞线贯穿环形贯通孔道后利用锚固齿块进行预应力张拉锚固，使构成同一盾构管环的多片盾构管片成为一个整体；
14.步骤s3，形成盾构隧道结构；多个盾构管环沿纵向铺设，纵向预应力构造的预应力钢绞线贯穿线形贯通孔道后利用锚固齿块进行预应力张拉锚固，使形成盾构隧道结构的多个盾构管环成为一个整体。
15.进一步地，各盾构管环内均设有多个所述环向波纹管，多个所述环向波纹管沿所述盾构管环的长度方向间隔分布，仅其中一个所述环向波纹管内穿设有环向预应力构造的预应力钢绞线并配合环向预应力构造的其余结构形成环向预应力构造，其余的环向波纹管为备用的预留空置管孔。
16.进一步地，构成同一盾构管环的盾构管片分为底部管片、封顶管片以及连接管片，所述底部管片设有预留槽口；在步骤s2或s3中，各盾构管环的底部管片均在盾构隧道的底部，各盾构管环的封顶管片交替出现在盾构隧道的左侧或右侧，连接管片位于盾构隧道的剩余位置。
17.本发明具有如下优点：
18.盾构管片采用钢纤维混凝土浇筑成型，为无钢筋钢纤维管片少钢筋钢纤维管片；盾构隧道结构的环向和纵向施加预应力，有效解决现有盾构隧道结构的刚度低、抗变形能力不足的缺陷；通过调整预应力筋的偏心距设置最大程度降低盾构隧道的管片内力，最大程度降低了管片配筋量；通过调整预应力的大小最大程度限制了接头的张开量及管片的裂
缝宽度；在管片上预留富裕的波纹管道，为后期预应力筋达到使用年限后的更换提供了做法；从根本上提高隧道结构的整体刚度、稳定性、耐久性、抗震性、承载能力、抗变形能力、防水能力，保证了结构安全，且受力合理，施工方便。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
20.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。
21.图1为本发明实施例1提供的一种预应力钢纤维混凝土盾构隧道结构的结构示意图；
22.图2为图1中侧视剖视图；
23.图3为本发明实施例2提供的一种预应力钢纤维混凝土盾构隧道结构的施工方法的流程图。
24.图中：1-底部管片，2-封顶管片，3-连接管片，4-环向波纹管，5-预应力筋，6-锚固齿块，7-预留槽口。
具体实施方式
25.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
27.一种预应力钢纤维混凝土盾构隧道结构及其施工方法，其是在对现有较为先进的强刚度低配筋预应力盾构隧道结构及其施工方法的改进，本技术盾构隧道管片采用钢纤维混凝土浇筑成型，其内可不铺设钢筋(无钢筋钢纤维管片)或仅铺设少量钢筋(少钢筋钢纤维管片)，依旧能够达到要求的强度指标；同时，在盾构隧道结构的环向和纵向施加预应力，有效解决现有盾构隧道结构的刚度低、抗变形能力不足的缺陷；同时，通过调整预应力筋的偏心距设置最大程度降低盾构隧道的管片内力，最大程度降低了管片配筋量；同时，通过调整预应力的大小最大程度限制了接头的张开量及管片的裂缝宽度；同时，在管片上预留富裕的波纹管道，为后期预应力筋达到使用年限后的更换提供了做法；同时，由于盾构隧道管片的拼装方式有通用环和标准环两种，为了使预应力的实施以及后期维护不受影响，预应力钢纤维混凝土盾构隧道结构推荐采用标准环拼装，此方法从根本上提高隧道结构的整体
刚度、稳定性、耐久性、抗震性、承载能力、抗变形能力、防水能力，保证了结构安全，且受力合理，施工方便。
28.如图1和2所示，实施例1提供了一种预应力钢纤维混凝土盾构隧道结构，其与强刚度低配筋预应力盾构隧道结构有很多相同的部分，例如包括盾构管环和环向预应力构造，各盾构管环包括多片盾构管片，多片盾构管片通过环向预应力构造连接为一环形整体，通过所述环向预应力构造对各盾构管片施加环向预应力，所述环向预应力构造包括环向预埋于所述盾构管环内的金属材质的环向波纹管4，相同部分不再赘述，下面仅对改进之处进行介绍。
29.所述盾构管片由钢纤维混凝土浇筑成型，所述钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维所形成的一种多相复合材料。这是钢纤维混凝土首次应用在盾构隧道结构中，可以大幅减少配筋甚至是不需要再做配筋，不仅节省钢筋用量、节省成本，而且节省配筋工序，节省人工，提高盾构管片的制造效率，一举多得。
30.所述环向波纹管4依盾构隧道的模拟弯矩和欲施加的环向预应力预埋于所述盾构管环内，按照如下公式实施：m1＝m0-pe；其中，m1为施加预应力后的实际弯矩，实际弯矩趋于0；m0为模拟弯矩；p为环向预应力；e为沿盾构管环法线方向、方向向内为正向的偏心距。一般的，当模拟弯矩为正弯矩时，所述环向波纹管4预埋于所述盾构管环的厚度方向靠内的一侧；当模拟弯矩为负弯矩时，所述环向波纹管4预埋于所述盾构管环的厚度方向靠外的一侧；当模拟弯矩为0时，所述环向波纹管4预埋于所述盾构管环的厚度方向的中心。通过上述方式预埋的环向波纹管4，可以调整预应力筋5(预应力钢绞线)的偏心距设置，从而能最大程度降低盾构隧道(盾构管环、盾构管片)的内力，有效提高隧道的强度，最大程度降低了管片配筋量，而且减少了隧道发生病害的几率。
31.所述盾构管环内设有多个所述环向波纹管4，多个所述环向波纹管4沿所述盾构管环的长度方向间隔分布，一个所述环向波纹管4内穿设有环向预应力构造的预应力钢绞线，其余所述环向波纹管4为预留的空置管孔。如此，在隧道使用了一定年份后，可以撤掉预应力筋5，再在其余一个环向波纹管4内穿设预应力筋5，再利用锚固齿块6固定，形成新的环向预应力构造。
32.盾构管片分为底部管片1、封顶管片2和连接管片3，所述盾构管环由弧度相同的多片底部管片1、多片连接管片3和一片封顶管片2组成，多片所述底部管片1位于盾构隧道的底部，所述封顶管片2位于盾构隧道的左侧或右侧，多片所述连接管片3位于盾构隧道的剩余位置；其中，所述底部管片1设有预留槽口7。此为标准环拼装方式，如此可以保证预应力的实施以及后期维护不受影响。
33.如图3所示，实施例2提供了一种如实施例1所述的预应力钢纤维混凝土盾构隧道结构的施工方法，包括以下步骤：
34.步骤s1，预制盾构管片。在模具内预设环向预应力构造的环向波纹管和纵向预应力构造的纵向波纹管，然后采用钢纤维混凝土浇筑形成所述盾构管片；各盾构管片内的环向波纹管在预埋时依照如下公式实施：m1＝m0-pe；其中，m1为施加预应力后的实际弯矩，实际弯矩趋于0，m0为盾构隧道的模拟弯矩，p为环向预应力；e为沿盾构管环法线方向、方向向内为正向的偏心距，当各盾构管片首尾相连形成盾构管环时，这些环向波纹管能够相连通形成环形贯通孔道；在多个盾构管片内预埋纵向预应力构造的纵向波纹管，当多个盾构管
环纵向设置且相邻盾构管环的端面相贴时，这些纵向波纹管能够相连通形成线形贯通孔道。
35.步骤s2，组装盾构管环。沿盾构隧道结构的环向，将多片盾构管片首尾相连而形成盾构管环，环向预应力构造的预应力钢绞线贯穿环形贯通孔道后利用锚固齿块进行预应力张拉锚固，使构成同一盾构管环的多片盾构管片成为一个整体。
36.步骤s3，形成盾构隧道结构。多个盾构管环沿纵向铺设，纵向预应力构造的预应力钢绞线贯穿线形贯通孔道后利用锚固齿块进行预应力张拉锚固，使形成盾构隧道结构的多个盾构管环成为一个整体。
37.其中，各盾构管环内均设有多个所述环向波纹管，多个所述环向波纹管沿所述盾构管环的长度方向间隔分布，仅其中一个所述环向波纹管内穿设有环向预应力构造的预应力钢绞线并配合环向预应力构造的其余结构形成环向预应力构造，其余的环向波纹管为备用的预留空置管孔。
38.其中，构成同一盾构管环的盾构管片分为底部管片、封顶管片以及连接管片，所述底部管片设有预留槽口；在步骤s2或s3中，各盾构管环的底部管片均在盾构隧道的底部，各盾构管环的封顶管片交替出现在盾构隧道的左侧或右侧，连接管片位于盾构隧道的剩余位置。
39.本发明具体实施方式提供的预应力钢纤维混凝土盾构隧道结构及其施工方法，其优点在于：
40.1、根据隧道结构所处的地层条件、隧道结构强度、刚度要求，在现有盾构法隧道管片内沿结构环向和纵向为盾构管片施加环向和纵向的预应力，以提高隧道结构的环向和纵向的整体刚度。
41.2、能有效解决现有盾构隧道结构的刚度低、抗变形能力不足的缺陷，从根本上提高隧道结构的整体刚度、稳定性、承载能力、抗变形能力、防水能力，保证了结构安全，且受力合理，施工方便。根本性规避了运营盾构隧道后期的各种病害，提高了基础设施的安全性。
42.3、大大减低了盾构管片钢筋使用量，降低工程造价。且省去了原盾构隧道管片间的连接钢筋，施工效率更好。
43.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。