马蹄形断面隧道大跨度明洞结构及建造方法

本发明属于道路交通，具体涉及一种用于马蹄形断面的隧道大跨度明洞结构及其建造方法，特别适用于高速铁路大跨度明洞隧道。

背景技术：

1、当高速铁路、高速公路以及城市地铁等交通线路在山岭地区或者城市敏感区域铺设时，因受地形和既有地面建筑物的影响而要穿越浅埋地层。而在浅埋地层中设置隧道时，为确保隧道修建的安全和减少施工对周围环境的影响，通常需要采用明洞的结构形式。目前国内外常用的修建明洞的方法是，在浅埋地段的岩土体中开挖基坑，并在开挖好的基坑内建造明洞。明洞结构则采用立模现浇混凝土的方式来进行浇筑。

2、采用传统的立模现浇混凝土的方法来修建隧道浅埋段的大跨度明洞时，主要存在的问题有：(1)大跨度明洞因跨度大，采用立模现浇混凝土施工工艺时的工序多、工期长，施工对周围环境的影响持续时间长。(2)由于大跨度明洞拱部混凝土采用现浇施工，明洞拱部混凝土施工质量不易保证，明洞拱部现浇的混凝土厚度和强度往往难以达到设计要求，因而会导致明洞拱顶部位的混凝土易发生开裂、渗漏水甚至掉块等现象，对高速铁路、高速公路以及城市地铁隧道中明洞的安全运营构成威胁。(3)采用现场立模浇筑混凝土的施工时，明洞结构在混凝土浇筑后需要一定的养护时间，而在养护期间混凝土不能承担荷载，导致修建明洞的时间长、效率低，且工程造价高；尤其是在高寒地区的冬季采用现浇混凝土来修建高速铁路大跨度明洞的难度更大，因而造价会更高。

3、此外，隧道明洞也有采用预制块装配式结构，其预制块通常采用平板型结构，平板型预制块之间的接触面为平面，拼装后预制块平面接头之间的荷载分布不均匀，易引起预制块接头部位混凝土的破损和开裂，致使拼装的隧道衬砌发生裂缝、渗漏水等，影响隧道衬砌结构的承载能力和耐久性。

4、因此，在山岭地区、城市敏感区域以及高寒地区建造高速铁路、高速公路以及地铁隧道期间，如何在线路中的浅埋地段快速修建大跨度明洞，提高明洞的工程质量和施工效率就成为隧道结构设计和建造中需要亟待解决的一个技术难题。

技术实现思路

1、针对上述的现有技术，本发明旨在提供一种马蹄形横断面的隧道大跨度明洞结构及其建造方法，以解决浅埋段隧道大跨度明洞修建效率低、现有预制明洞中平板型预制管片接触部位混凝土受压面压力传递不均匀而引起的混凝土开裂、拱部混凝土质量不易保证和防水困难等的技术问题。

2、为此，本发明所采用的技术方案为：一种马蹄形断面隧道大跨度明洞结构，包括由两个仰拱预制块、两个墙脚预制块、两个边墙预制块和一个拱顶预制块环向拼装而成的马蹄形断面的明洞主体，每个仰拱预制块的外侧均带有底座，两个墙脚预制块、两个边墙预制块和一个拱顶预制块的外侧均带有肋条，在肋条的两端分别设置有螺栓安装孔，七个预制块均是由钢筋混凝土预制而成的弧形壳状六面体，各预制块沿明洞环向上的厚度和沿明洞轴线方向上的宽度均相等；

3、每个预制块的一端头上设有一个半圆形凹槽和两个第一止水带安装槽，且半圆形凹槽设置在上下两个第一止水带安装槽之间；每个预制块的另一端头上设有一个半圆形凸台和两个第一止水带安装槽，且半圆形凸台设置在上下两个第一止水带安装槽之间；半圆形凹槽、第一止水带安装槽、半圆形凸台均沿各个预制块的对应端头在纵向上全长设置，环向上相邻预制块的端头通过半圆形凸台置于半圆形凹槽内实现拼接，且环向上相邻预制块的端头通过两个第一止水带安装槽对接形成的空间用于安装第一止水带；

4、每个预制块的正面上均设置有长条状圆台、销钉安装孔以及两个第二止水带安装槽，两个第二止水带安装槽设置在长条状圆台的上下两侧；每个预制块的背面上均设置有长条状凹槽、销钉安装孔以及第二止水带安装槽，两个第二止水带安装槽设置在长条状凹槽的上下两侧；且各个预制块正面上的长条状圆台与背面上的长条状凹槽的位置对应，从而实现纵向相邻预制块的拼接定位；第二止水带安装槽沿预制块弧长方向全长设置，纵向上相邻预制块的端头通过两个第二止水带安装槽对接形成的空间用于安装第二止水带，各个预制块正面上的销钉安装孔的孔位与背面上的销钉安装孔的孔位对应；

5、各预制块的内侧面和外侧面上均设置有贯穿预制块厚度的注浆孔兼吊装孔。

6、作为上述方案的优选，每个仰拱预制块的外侧面上均带有左右两个底座，每个预制块的正面均设置有左右两个长条状圆台，每个预制块的背面均设置有左右两个长条状凹槽，两个墙脚预制块、两个边墙预制块和一个拱顶预制块的外侧面上均带有前后两个肋条。

7、进一步优选为，所述肋条长度不小于预制块上两个长条状凹槽的中心线的距离。

8、进一步优选为，在每个墙脚预制块上设置有从内侧面贯穿到外侧面的排水盲管安装孔。

9、进一步优选为，在两个仰拱预制块的内侧面上部采用现浇钢筋混凝土方式设置明洞的底板。

10、进一步优选为，在底板内设置有中心排水沟、横向排水盲管、纵向排水盲管、电缆槽、侧排水沟，在中心排水沟、电缆槽和侧排水沟的上部设置有盖板，在底板的上部安装有钢轨。

11、进一步优选为，在拱顶预制块上设置有预埋紧固件和预埋钢板，并在预埋钢板上安装向列车供电的接触网。

12、同时，本发明还公开了一种马蹄形断面隧道大跨度明洞结构的建造方法，其特征在于，包括以下步骤：

13、s1：在待建明洞的地点开挖基坑，并在基坑内根据仰拱预制块底座的几何形状平整场地，同时在各预制块的第一止水带安装槽内粘贴遇水膨胀的第一止水带用于环向止水；先后吊放两个仰拱预制块，并使先后吊放的两个仰拱预制块通过端头的半圆形凸台和半圆形凹槽实现铰接；

14、s2：先后在已吊装就位的仰拱预制块的左、右两侧分别吊放墙脚预制块，使两个墙脚预制块与仰拱预制块分别通过端头的半圆形凸台和半圆形凹槽实现铰接；

15、s3：先后在已吊装就位的两个墙脚预制块的上方分别吊放边墙预制块，使两个边墙预制块分别与对应侧的墙脚预制块通过端头的半圆形凸台和半圆形凹槽实现铰接，并用钢丝绳将同侧的边墙预制块上的肋条下端的螺栓安装孔与墙脚预制块上的肋条上端的螺栓安装孔相连加以紧固，同时在同侧的仰拱预制块靠近下端头的吊装孔与边墙预制块的吊装孔之间设置侧向钢支撑，以防止边墙预制块向明洞一侧倾倒；最后在左右两个边墙预制块靠近上端头的吊装孔之间安装横向钢支撑，维持左右两个边墙预制块之间的稳定；

16、s4：吊装拱顶预制块，使拱顶预制块的两端与两侧的边墙预制块通过端头的半圆形凸台和半圆形凹槽实现铰接；拱顶预制块安装就位后，拆除钢丝绳、侧钢支撑和横向钢支撑，从而完成大跨度明洞环向上一圈共七个预制块的组装；

17、s5：在已拼装完成的环向上一圈明洞的各个预制块的背面或正面的第二止水带安装槽内粘贴遇水膨胀的第二止水带用于纵向止水，沿明洞轴线方向上重复上述步骤s1至s4，分别与已吊放的预制块相对应的位置处分别再依次吊放仰拱预制块、墙脚预制块、边墙预制块和拱顶预制块，后吊放的各预制块与先吊放的对应位置处的预制块通过长条状凹槽与长条状圆台实现相互铰接，同时在先吊放的预制块的销钉安装孔和后吊放的预制块的销钉安装孔内安装销钉，将对应的先后吊放的预制块在轴线方向上两两加以连接，完成所述预制块的纵向连接；此外在纵向相邻的墙脚预制块、边墙预制块和拱顶预制块的肋条两端的螺栓安装孔内，沿明洞轴线方向上安装螺杆和螺栓加以连接，确保在复杂地层和地质条件下明洞轴线上预制块之间的连接；

18、s6：重复步骤s5，沿明洞轴线方向上逐圈吊放和组装预制块，直至在明洞轴线方向上达到所设计和确定的明洞长度，并在明洞外侧的基坑内用土体回填，掩埋明洞，恢复地面；

19、s7：在组装完成的明洞仰拱预制块的内侧面上部以现浇钢筋混凝土方式施工明洞的底板，并在底板内设置中心排水沟、横向排水盲管、纵向排水盲管、电缆槽、侧排水沟，并在中心排水沟、电缆槽和侧排水沟上设置盖板，在底板的上部安装钢轨；

20、s8：在拱顶预制块的预埋钢板上安装向列车供电的接触网。

21、上述的马蹄形断面隧道大跨度明洞结构的建造方法，适用于跨度为15m且断面积为150m2的明洞，七个预制块沿明洞径向上的厚度为700mm，七个预制块沿明洞轴线方向上的宽度均为2m。

22、本发明的有益效果：

23、(1)与目前采用的隧道大跨度明洞立模整体现浇的修建方法相比，本发明采用预制块和特定的组装方式来建造大跨度明洞，能实现预制块的标准化、工业化生产，能够有效地保证预制块混凝土的厚度和强度等级满足设计要求，不仅能够消除采用整体现浇方式浇筑明洞时明洞拱部混凝土厚度和混凝土强度难以满足设计要求而引发的混凝土开裂、渗漏水和掉块等常见的质量问题，还可以显著地提高明洞建造的效率，有利于减少施工工期和降低工程造价；

24、与现有的大跨度明洞采用整体立模现浇的施工方法相比，本发明可实现高速铁路隧道大跨度明洞的标准化、工业化、机械化和智能化建造，能够提高高速铁路隧道大跨度明洞的建造效率，能消除采用传统立模现浇方法建造铁路隧道大跨度明洞时其拱部混凝土厚度和强度难以达到设计要求而引发的明洞开裂、渗漏水和掉块等的突出质量问题；

25、(2)本发明在墙脚预制块、边墙预制块和拱顶预制块的外侧面分别设置有肋条，与目前采用的常规平板型管片相比，在预制块外侧面设置的肋条可增强预制块因在其外侧面设置长条状凹槽后减弱的整体刚度，确保预制块的承载能力和安全性；同时肋条上的螺栓安装孔能在安装过程中用于固定钢丝绳，安装后用于安装螺杆和螺栓加以连接，增强明洞预制块纵向之间的连接和刚度；

26、(3)通过在预制块的两侧端头设置半圆形凹槽与半圆形凸台以实现环向相邻预制块之间的相互铰接，在预制块的正面和背面分别设置长条状圆台与长条状凹槽以实现纵向相邻预制块的拼接定位，不仅确保了前后和左右相邻预制块之间剪力的可靠传递，同时使预制块接头部位接触压力均匀分布，有利于提高预制块在凹凸铰接部位混凝土的承载能力，而且还容易实现明洞环向相邻预制块之间以及沿明洞轴线方向上相邻预制块之间的对位，有利于减少预制块端头在拼装时发生碰撞而破损现象，降低预制块组装时相互之间对位与安装的难度和现场人员的劳动强度；

27、(4)在各个预制块两侧端头、正面与背面上各全长设置有两道止水带安装槽，当七个预制块组装完成后可以实现明洞的环向和纵向各自两道防水构造，有利于减少和降低明洞在运营期混凝土预制块之间发生的渗漏水和腐蚀现象，有利于延长明洞的使用寿命；

28、(5)与目前明洞采用整体立模现浇混凝土和振捣与养护混凝土的施工工艺相比，采用预制块组装后的明洞即刻能够承受在明洞外部回填土体的压力与各种荷载，消除了明洞采用现浇混凝土在振捣与养护期间不能承载的缺点，可节约施工的工期，有利于降低明洞的工程造价；

29、(6)明洞底板可在明洞结构组装完成后进行设置或浇筑，与明洞采用现浇方式施工的工序相比，可减少施工期间浇筑明洞和浇筑底板之间的相互干扰，有利于保障明洞底板独立浇筑的质量符合设计要求；

30、(7)与目前在明洞拱顶部位采用现场打钻孔的方式来安装洞内列车供电接触网的方法相比，本发明在大跨度明洞的拱顶预制块上设置有预埋件，并通过预埋件可方便地安装向列车提供电能的接触网，能够降低在明洞内现场安装接触网的难度和劳动强度，有利于保障明洞内接触网安装的质量。