一种预制钢—FRP复合波纹板隧道底部支护结构的施工方法

摘要

本发明公开了一种预制钢—FRP复合波纹板隧道底部支护结构的施工方法，底部整体支护结构由内嵌钢材的FRP复合波纹板以及钢格栅共同组成。内嵌钢材的FRP复合波纹板首先进行预制，内嵌钢材的FRP复合波纹板与钢格栅在现场拼装连接并浇筑混凝土。该构件与其上部初次衬砌间采用法兰连接，与上部二次衬砌间通过预留钢筋绑扎连接，沿隧道纵深方向相邻构件之间通过高强螺栓连接，在其与下部围岩间浇筑混凝土。支护结构使用内嵌钢材的FRP复合波纹板作为初次衬砌，而绑扎在波纹板上的钢格栅作为二次衬砌的骨架。该施工方法拼装速度快、安全性高、支护结构一次成型，并且材料强度高、弹性模量大、耐腐蚀性能好。

说明书

技术领域

本发明是一种后场预制永久性隧道底部支护结构，现场整体安装并浇筑的方法，具体是预制内嵌钢材的FRP复合波纹板，以及传统钢筋格栅，隧道底部开挖后，一次性施做隧道底部的初次衬砌和二次衬砌。

背景技术

在隧道施工过程中，由于工人施工水平参差不齐，对于超欠挖的危害认识不足，缺少相关的理论知识，因此经常出现隧道底部开挖量不足的现象，在浇筑过混凝土之后很难辨别隧道底部开挖量是否达到标准，这给隧道的安全性带来了隐患。使用预制的支护结构可以强制性要求开挖面与预制构件相契合，进而规避这类隐患。

由于传统支护结构是在隧道开挖后，现场绑扎钢格栅以及喷射混凝土，二次衬砌要在初次衬砌基础上进行施做，这使得隧道施工效率低，进程缓慢，而预制的钢格栅混凝土支护构件质量大，不方便运输。钢波纹板作为隧道支护结构的优点是强度高，延性好，后场预制构件，现场整体安装，施工效率快，安全性高，运输方便，因此可以将钢波纹板作为初次衬砌替代传统钢格栅。

初次衬砌与二次衬砌分别施做，使得施工速度缓慢。因此，使用钢波纹板作为初次衬砌，在钢波纹板内侧绑扎并固定钢格栅作为二次衬砌的骨架，现场拼装，并浇筑混凝土，预留隧道两侧二次衬砌的钢筋。隧道底部两层衬砌一次性施工完毕，加快了施工进程，保证了施工的质量和安全性。

隧道工程中的水文地质条件较为复杂，对钢材的锈蚀作用较为明显。纤维增强塑料(FRP)，FRP凭借强度高、质量轻、耐腐蚀等优点被广泛应用于地下结构等领域。但FRP具有价格高，弹性模量低，且破坏形式呈现脆性破坏等缺点，限制了其作为主要承载材料的应用。

将钢波纹板用FRP包裹，组合后的结构将综合钢材的高强度，高延性，高弹性模量及FRP的耐腐蚀性的特点，保证结构的力学性能的同时，满足了材料的长期使用条件。这种结构的使用将大幅度提高隧道支护结构的使用寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种预制隧道底部整体支护结构的施工方法，该支护结构使用内嵌钢材的FRP复合波纹板作为初次衬砌，而绑扎在波纹板上的钢格栅作为二次衬砌的骨架。该施工方法拼装速度快、安全性高、支护结构一次成型，并且材料强度高、弹性模量大、耐腐蚀性能好。

为了实现上述目的采用的技术方案是：一种预制隧道底部整体支护结构的施工方法，底部整体支护结构由内嵌钢材的FRP复合波纹板以及钢格栅共同组成。内嵌钢材的FRP复合波纹板首先进行预制，内嵌钢材的FRP复合波纹板与钢格栅在现场拼装连接并浇筑混凝土。该构件与其上部初次衬砌间采用法兰连接，与上部二次衬砌间通过预留钢筋绑扎连接，沿隧道纵深方向相邻构件之间通过高强螺栓连接，在其与下部围岩间浇筑混凝土。

预制隧道底部整体支护构件，现场整体安装的施工工艺如下。

S1预制钢—FRP复合波纹板。

根据隧道设计空间，确定隧道开挖面的大小，确定底部初期支护的形状和尺寸。根据对应的形状和尺寸，利用液压成形机预制钢波纹板材，在钢波纹板上预留一定数量的孔洞用来固定钢格栅以及自身连接。对钢波纹板进行表面去污和送纱处理。纤维浸胶和纤维集束后得到的胶凝材料与钢波纹板通过模具拉挤成型后黏附在钢波纹板表面，弯曲成型后得到钢—FRP复合波纹板。为增加与混凝土的粘结力，在波纹板的表面进行粘沙处理。

S2预制底部二次衬砌钢格栅。

根据具体工程需要，以及配合钢波纹板的形状预制底部二次衬砌所用的钢格栅，钢格栅两侧的预留钢筋用来与隧道两侧二次衬砌相连接。在钢波纹板预留孔洞处固定止水螺杆，通过焊接，将钢格栅固定在钢—FRP复合波纹板上。

S3隧道开挖前对围岩进行加固。

对围岩采用超前小导管注浆的方法，用以加固稳定性差的围岩。

S4上台阶法开挖隧道，布置隧道顶部以及两侧钢格栅。

采用上台阶法对隧道顶部以及隧道两侧进行开挖，并立即喷射混凝土稳定围岩。采用矿山法的钢格栅初次衬砌施做工艺，对围岩进行加固。将两侧钢格栅底部预留的钢筋，焊接在角钢上，用来与底部的支护结构相连。

S5预制构件的安放与连接。

按照上台阶法继续开挖隧道底部，保证开挖面的形状与尺寸与预制构件相吻合，并立即喷射混凝土。将预制构件安放在既定位置，钢—FRP复合波纹板与角钢通过高强螺栓连接。沿隧道纵深方向相邻的两个波纹板之间采用螺栓连接，在连接处布置一块波纹板作为覆板，通过高强螺栓将两侧的钢—FRP复合波纹板固定在覆板上。完成构件的安装与连接之后，壁后注浆用以填充和固定预制构件。

S6一次性浇筑混凝土作为隧道底部二次衬砌。

由于钢—FRP复合波纹板本身具有防水和耐久性强的特点，底部初次衬砌和二次衬砌间不布置防水层。在钢—FRP复合波纹内测直接浇筑混凝土，与绑扎在钢—FRP复合波纹板上的钢格栅共同组成隧道底部的二次衬砌。在浇筑混凝土时，预留两侧钢筋继续施做上部的二次衬砌。

S7布置隧道上部的防水层，继续施做隧道上部的二次衬砌并浇筑混凝土。

所述的钢—FRP复合波纹板由钢波纹板及FRP包覆层组成，FRP层表面湿粘矿物砂用以增强其与混凝土间粘结力。

所述的FRP层均由连续纤维(玄武岩纤维、玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维)和热固性树脂复合而成。

附图说明

图1是一种预制钢—FRP复合波纹隧道底部支护结构的正视图；

图2是钢—FRP复合波纹板之间的连接示意图；

图3是钢—FRP复合波纹板与钢筋格栅之间的连接示意图；

图4是钢—FRP复合波纹板材料示意图；

图5是预制钢—FRP复合波纹板隧道底部支护结构的结构的左视图。

具体实施方式

下面结合附图以及实例对本发明的技术方案进行详细的阐述。

如图1一所示，本实例提供一种预制隧道底部整体支护结构的施工方法。在整个初次衬砌结构中，初次衬砌的顶部以及两侧采用钢筋格栅1的形式。隧道上部围岩开挖后，施做钢筋格栅1并喷射混凝土3，养护成型。

上台阶法施工，完成对底部隧道开挖后，在既定位置布置钢—FRP复合波纹板2，完成底部钢—FRP复合波纹板2的连接，在钢—FRP复合波纹板与围岩之间灌注混凝土6，7为固定在钢—FRP复合波纹板内侧的钢格栅，连接固定之后浇筑混凝土8，作为隧道底部的二次衬砌，浇筑混凝土时要注意预留出部分钢筋用来绑扎上部二次衬砌的钢格栅。

如图2所示，隧道底部初期支护由钢—FRP复合波纹板2拼接而成，钢—FRP复合波纹板之间通过高强螺栓9连接(图2给出a—a截面图)，10为覆板。

如图3所示，上部钢筋格栅1与角钢11焊接相连；角钢11与底部钢—FRP复合波纹板2通过高强螺栓12连接。

如图4所示，内嵌钢材的FRP复合波纹板2由钢波纹板13和FRP层14通过拉挤热固化成型，FRP复合波纹板2的表面为粘沙15。

具体施工工艺如下。

S1预制钢—FRP复合波纹板。

根据隧道设计空间，确定隧道开挖面的大小，确定底部初期支护的形状和尺寸。根据对应的形状和尺寸，利用液压成形机预制钢波纹板材，在钢波纹板上预留一定数量的孔洞用来固定钢格栅以及自身连接。对钢波纹板进行表面去污和送纱处理。纤维浸胶和纤维集束后得到的胶凝材料与钢波纹板通过模具拉挤成型后黏附在钢波纹板表面，弯曲成型后得到钢—FRP复合波纹板。为增加与混凝土的粘结力需要做表面粘沙处理。

S2预制底部二次衬砌钢格栅。

根据具体工程需要，以及配合钢波纹板的形状预制底部二次衬砌所用的钢格栅，钢格栅两侧预留钢筋用来与隧道两侧二次衬砌相连接。在钢波纹板预留孔洞处固定止水螺杆，通过焊接，将钢格栅固定在钢—FRP复合波纹板上。

S3隧道开挖前对围岩进行加固。

对于围岩稳定差的工程，对围岩进行超前小导管注浆用以加强围岩稳定。

S4上台阶法开挖隧道，布置隧道顶部以及两侧钢格栅。

采用上台阶法对隧道顶部以及隧道两侧进行开挖，并立即喷射混凝土稳定围岩。采用传统矿山法的钢格栅初次衬砌施做工艺，对围岩进行加固。将两侧钢格栅底部预留的钢筋，焊接在角钢上，用来与底部支护结构相连。

S5预制构件的安放与连接。

按照上台阶法继续开挖隧道底部，保证开挖面的形状与尺寸与预制构件相吻合，并立即喷射混凝土。将预制构件安放在既定位置，钢—FRP复合波纹板与角钢通过高强螺栓连接。沿隧道纵深方向相邻的两个波纹板之间采用螺栓连接，在连接处布置一块波纹板作为覆板，通过高强螺栓将两侧的钢—FRP复合波纹板固定在覆板上。完成构件的安装与连接之后，壁后注浆用以填充和固定预制构件。

S6一次性浇筑混凝土作为隧道底部二次衬砌。

由于钢—FRP复合波纹板本身具有防水和耐久性强的特点，因此底部初次衬砌和二次衬砌间可以不布置防水层。在钢—FRP复合波纹内测直接浇筑混凝土，与绑扎在钢—FRP复合波纹板上的钢格栅共同组成隧道底部的二次衬砌。在浇筑混凝土时，预留两侧钢筋继续施做上部的二次衬砌。

S7布置隧道上部的防水层，继续施做隧道上部的二次衬砌并浇筑混凝土。

与传统衬砌施做方法相比，传统矿山法衬砌的施做是先完成初次衬砌之后再施做防水层，最后完成二次衬砌的施做。施工过程繁琐，施工周期较长，且绑扎钢格栅需要大量的人力物力，对工人施工水平要求较高。

本发明采用隧道底部支护结构整体施工，将初次衬砌与二次衬砌结合在一起，一次性施做完成。在对工人的技术和操作上要求较小，拼装快速、安全、便捷。预制材料均为钢材和FRP保护层，预制构件方便运输，可以实现批量生产和应用。在水文地质条件较为恶劣的环境下，钢材的锈蚀问题比较突出，FRP保护层可以有效地保护钢材，延长其使用年限。施工过程主要以拼装为主，施工进程加快，施工周期减少。预留钢筋可以做到不影响隧道上部二次衬砌的施做，由于底部支护结构的完成，可以为上部二次衬砌的施做提供良好的施工环境。