隧洞预应力混凝土衬砌结构及其施工程序

摘要

本发明涉及一种隧洞预应力混凝土衬砌结构及其施工程序。该结构的特点是将无粘结预应力钢绞线在衬砌混凝土浇筑前以双圈环绕的方式均匀布置在混凝土衬砌的外侧表面(靠近围岩表面)，锚具槽设置在衬砌底部内侧，待混凝土凝结硬化至设计龄期后，在锚具槽内实施锚索张拉锁定，然后回填锚具槽混凝土并进行养护，最后对锚索张拉形成的衬砌与围岩的间隙进行灌浆处理。本发明原理明确，施工简单，工程质量易于保证，与已建类似工程相比，可节省50％左右的混凝土、钢绞线和锚具等材料用量，并可显著减小隧洞开挖工程量，可显著降低工程造价。

说明书

技术领域

本发明涉及水工结构设计，特别涉及一种新型的隧洞预应力混凝土衬砌结构及其施工程序。

背景技术

在水力发电工程和输水工程中，有压隧洞是重要的水工建筑物。为防止压力水渗出可能导致的围岩变形、坍塌或输水损失，近年来国内有许多工程中都采用了环锚预应力混凝土衬砌的结构形式，如隔河沿水电站引水隧洞、天生桥水电站引水隧洞、小浪底排沙洞、南水北调工程跨黄隧洞、辽宁大伙房水库引水工程等。施工和运行结果表明，这种衬砌结构具有防渗效果好、施工速度快和建造成本低等诸多优点，但也存在结构设计不甚合理、施工难度较大等许多问题。在对已建工程进行深入调研和分析总结的基础上，本发明提出了一种隧洞预应力混凝土衬砌的新型结构型式。与已建工程相比，这种新型结构型式具有三个突出优点：①衬砌厚度减小约50％，锚索钢绞线用量减少约50％，隧洞岩石开挖量和混凝土浇筑量也随之减小，从而显著降低工程造价；②预应力锚索分布在衬砌混凝土外侧表面，便于施工安装且可使衬砌混凝土内预应力分布更为均匀；③锚具槽布置在混凝土衬砌底部，不仅便于锚索张拉和混凝土回填施工，更为重要的是为锚具槽回填混凝土回填提供水养护环境，使回填的膨胀混凝土凝结硬化后产生膨胀应力。从而保证回填混凝土与衬砌混凝土粘结和锚具保护的可靠性，显著减小预应力薄弱区范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的隧洞预应力混凝土衬砌结构及其施工程序，可以克服已有技术的缺点，施工简单，工程质量易于保证，与已建类似工程相比，可节省50％左右的混凝土、钢绞线和锚具等材料用量，并可显著减小隧洞开挖工程量，可显著降低工程造价。

本发明提供的一种新型隧洞预应力混凝土衬砌结构包括构造钢筋、无粘结钢绞线、混凝土衬砌和锚具槽；无粘结钢绞线以双圈环绕的方式布置在混凝土衬砌外侧，在位于混凝土衬砌底部内侧的锚具槽中锁定锚固。

所述的混凝土衬砌断面在锚具槽上方为圆环形，在锚具槽区域为近似卵形，锚具槽回填混凝土为膨胀混凝土，回填后采用水中养护方式。

所述的混凝土衬砌与常规混凝土衬砌相同，设计强度等级为C30～C50；混凝土衬砌厚度根据内水压力和施工要求经计算确定，为300～400mm；断面形状在大部分区域为圆环形，近似卵形区域的衬砌折算厚度稍大于圆环区域的衬砌厚度。

所述的无粘结钢绞线以双圈环绕均匀分布的方式绑扎固定在靠近围岩表面的构造钢筋上，进入锚具槽的钢绞线逐渐收缩为束状锚索，用夹片式锚具锁定。无粘结钢绞线用于为混凝土衬砌施加预压应力，沿隧洞轴线方向单位宽度内钢绞线的数量根据内水压力的大小、衬砌厚度和围岩地质条件经计算确定。

锚具槽是用于实施钢绞线张拉锚固的空间，位于混凝土衬砌底部内侧，浇筑衬砌混凝土时预留，张拉锁定后用膨胀混凝土回填密实。锚具槽尺寸根据张拉设备的尺寸经计算确定，锚具槽间距根据每束锚索的钢绞线分布宽度确定，通常情况下锚具槽间距为500～800mm。

构造钢筋为常规混凝土结构用钢筋，布置方法与常规环形混凝土结构相同，其作用是为衬砌混凝土浇筑和无粘结钢绞线绑扎定位提供支架。所述的锚具槽设置在混凝土衬砌底部内侧，实施锚索张拉时，相邻锚索的锚具移动方向相反。

本发明提出的隧洞预应力混凝土衬砌新型结构的施工程序为：

1)根据预应力混凝土衬砌的断面尺寸进行隧洞开挖和临时支护。

2)绑扎构造钢筋。

3)绑扎无粘结预应力钢绞线。

4)浇筑衬砌混凝土。

5)衬砌混凝土达到设计龄期后进行锚索张拉锁定。

6)锚具槽混凝土回填。

7)对锚具槽回填混凝土进行养护。

8)对锚索张拉形成的衬砌与混凝土的间隙进行灌浆处理。

本发明的优点和效果是：

与已建工程相比，本发明具有三个突出优点：①衬砌厚度减小约50％，锚索钢绞线和锚具用量减少约50％，隧洞岩石开挖量和混凝土浇筑量也随之减小，从而显著降低工程造价；②预应力锚索分布在衬砌混凝土外侧表面，便于施工安装且可使衬砌混凝土内预应力分布更为均匀；③锚具槽布置在混凝土衬砌底部，便于锚索张拉和混凝土回填施工，同时还可为锚具槽回填混凝土回填提供水养护环境，使回填的膨胀混凝土凝结硬化后产生膨胀应力。从而保证回填混凝土与衬砌混凝土粘结和锚具保护的可靠性，显著减小预应力薄弱区范围。

附图说明

图1是本发明混凝土衬砌结构断面示意图。

图2是本发明锚具槽平面位置示意图。

图3是本发明无粘结钢绞线在不同位置的布置示意图。a图1的I-I剖面，b图1的II-II剖面.

图4是本发明无粘结钢绞线双圈环绕方法示意图。

具体实施方式

本发明结合附图详细描述如下，但它们并不是对本发明作任何限制。

如图所示，1混凝土衬砌，2围岩表面，3内圈钢绞线，4锚具槽，5外圈钢绞线，6锚具，7环向构造钢筋，8轴向构造钢筋。混凝土衬砌内侧的尺寸由R1控制，外部由R2控制；混凝土衬砌底部内侧的尺寸由R1控制，外侧尺寸由R3控制。隧洞按设计尺寸开挖完成后，首先在围岩表面2环向绑扎构造钢筋7和轴向构造钢筋8，然后在构造钢筋上绑扎预应力内圈钢绞线3和外圈钢绞线5。钢绞线绑扎完成后，架设模板浇筑混凝土衬砌1。待混凝土衬砌1养护至设计龄期后，在锚具槽4内安装锚具6并实施张拉锚固，最后用膨胀混凝土回填锚具槽。

本发明提出的隧洞预应力混凝土衬砌结构的设计方法为：

1)根据隧洞的工作水头、围岩地质条件确定混凝土衬砌的断面尺寸。

2)根据设计预压应力值和混凝土衬砌断面尺寸，通过计算(最好是有限元计算，计算方法可参考天津大学学报39卷第八期的文章“环锚预应力混凝土衬砌三维有限元分析”)确定无粘结钢绞线的分布间距。

3)根据无粘结钢绞线的分布间距和锚具的锚孔数量，确定锚具槽间距。

4)根据拟用钢绞线张拉设备(通常是根据设计要求委托专业厂家制造)的尺寸确定锚具槽尺寸。

5)根据钢筋混凝土设计规范，确定构造钢筋的数量和布置方式。

隧洞通水运行时，在内水压力作用下，混凝土衬砌内将产生拉应力，当该拉应力大于混凝土的抗拉强度时，混凝土会产生开裂和渗漏，导致输水损失和围岩变形甚至破坏。本发明在衬砌外侧安装无粘结钢绞线，通过张拉钢绞线使混凝土衬砌产生预压应力来抵消内水压力。可以有效保证衬砌结构不裂不渗和安全运行。

应用实施例1

隧洞压力水头100m，隧洞衬砌外径R1＝3.3m，内径R2＝3.0m，底部混凝土衬砌外径R3＝3.1m，衬砌厚度0.3m，锚具槽间距0.52m，每束锚索的双圈环绕钢绞线4根，钢绞线分布间距0.065m，钢绞线抗拉强度为1860MPa，按设计强度的75％实施锚索张拉，衬砌混凝土内的最大预压应力为10MPa(锚具槽区域的衬砌混凝土)，其他区域的预压应力为5.0MPa，可使隧洞在最高水头运行期间，衬砌混凝土始终处于受压状态，不会出现开裂和渗漏。

应用实施例2

隧洞压力水头150m，隧洞衬砌外径R1＝3.6m，内径R2＝3.2m，底部混凝土衬砌外径R3＝3.3m，衬砌厚度0.4m，锚具槽间距0.60m，每束锚索的双圈环绕钢绞线6根，钢绞线分布间距0.05m，钢绞线抗拉强度为1860MPa，按设计强度的75％实施锚索张拉，衬砌混凝土内的最大预压应力为11MPa(锚具槽区域的衬砌混凝土)，其他区域的预压应力为6.0MPa，可使隧洞在最高水头运行期间，衬砌混凝土始终处于受压状态，不会出现开裂和渗漏。

应用实施例3

隧洞压力水头80m，隧洞衬砌外径R1＝3.3m，内径R2＝3.0m，底部混凝土衬砌外径R3＝3.1m，衬砌厚度0.3m，锚具槽间距0.60m，每束锚索的双圈环绕钢绞线3根，钢绞线分布间距0.10m，钢绞线抗拉强度为1860MPa，按设计强度的75％实施锚索张拉，衬砌混凝土内的最大预压应力为6.0MPa(锚具槽区域的衬砌混凝土)，其他区域的预压应力为4.0MPa，可使隧洞在最高水头运行期间，衬砌混凝土始终处于受压状态，不会出现开裂和渗漏。