复合材料拉挤型材薄板的隧道加固结构及施工方法

摘要

本发明公开了一种复合材料拉挤型材薄板的隧道加固结构及施工方法，其中，该隧道加固结构包括薄板、端部锚杆和周向锚杆；薄板为纤维增强复合材料拉挤型材薄板，薄板通过胶粘层在隧道内衬周向上铺贴固定在隧道内衬的表面上；端部锚杆和周向锚杆将薄板锚固在隧道内衬的表面上，其中，端部锚杆在隧道内衬周向上分布在薄板两端处，周向锚杆在隧道内衬周向上分布在薄板两端处的端部锚杆之间。本发明能够大幅提高隧道结构的安全性、耐久性和承载能力，成本低，施工速度快。

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程隧道加固技术领域，尤其涉及一种复合材料拉挤型材薄板的隧道加固结构及施工方法。

背景技术

隧道穿越地层的地质构造通常复杂，稳定性差异较大。使用时间较长的隧道，会产生衬砌劣化和开裂等问题，进而产生渗水等次生问题，对隧道运营安全造成安全隐患。因此，一定使用年限的隧道大多需要维修加固，以恢复隧道结构安全性、耐久性及使用功能，满足正常运营要求，同时确保隧道装饰美观。

现有加固工艺包括表面裂缝处理和衬砌结构加固，表面裂缝处理一般采用高强度密封砂浆或者环氧树脂等涂料，衬砌结构加固钢板加固、碳纤维布粘贴加固、喷射纤维混凝土等工艺。上述工艺施工过程复杂，且钢板加固耐久性无法保证。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种复合材料拉挤型材薄板的隧道加固结构及施工方法，成本低，施工效率高，隧道结构的安全性、耐久性和承载能力能够大幅度地提高。

根据本发明第一方面实施例的复合材料拉挤型材薄板的隧道加固结构，包括：

薄板，所述薄板为纤维增强复合材料拉挤型材薄板，所述薄板通过胶粘层在隧道内衬周向上铺贴固定在所述隧道内衬的表面上；

端部锚杆和周向锚杆，所述端部锚杆和所述周向锚杆将所述薄板锚固在所述隧道内衬的表面上，其中，所述端部锚杆在所述隧道内衬周向上分布在所述薄板两端处，所述周向锚杆在所述隧道内衬周向上分布在所述薄板两端处的所述端部锚杆之间。

根据本发明第一方面实施例的复合材料拉挤型材薄板的隧道加固结构，充分利用复合材料拉挤型材薄板的轻质高强、耐久性好的优势，能够大幅提高隧道结构的安全性、耐久性和承载能力，成本低，施工速度快。

根据本发明第一方面的一个实施例，还包括端部拉索，所述端部拉索的两端分别对应地固定在所述薄板的两端上。

根据本发明第一方面进一步的实施例，所述端部拉索的两端分别有间距地位于相应的所述端部锚杆的下方。

根据本发明第一方面再进一步的实施例，所述间距不少于200mm。

根据本发明第一方面的一个实施例，所述隧道内衬上预钻有锚杆孔。

根据本发明第一方面的一个实施例，所述胶粘层的材料与所述薄板中的树脂材料为相同类别。

根据本发明第一方面的一个实施例，所述薄板为玻璃纤维树脂薄板、碳纤维树脂薄板、玄武岩纤维树脂薄板或芳纶纤维树脂薄板。

根据本发明第一方面的一个实施例，所述薄板为矩形板，所述薄板的厚度为4-6mm，所述薄板的宽度为0.5-1.5mm，所述薄板的长度依据隧道加固长度确定。

根据本发明第一方面的一个实施例，所述薄板的宽度和长度依据所述隧道内衬的横断面的几何形状和长度来确定；

所述薄板的厚度按照如下方式得到：

通过公式(1)计算所述薄板的设计厚度为d时的所述薄板预弯曲产生的最大边缘应变ε，其中，公式(1)为：

公式(1)中的ρ为所述隧道内衬的横断面最小曲率半径；

调整设计厚度d，使最大边缘应变ε小于极限拉应变的1/5，从而确定所述薄板的厚度。

根据本发明第一方面进一步的实施例，所述周向锚杆的数量按照如下方式确定：根据所述隧道内衬横断面的几何形状，计算所述薄板需要施加的端部力矩，然后确定所述周向锚杆的数量。

根据本发明第二方面实施例的复合材料拉挤型材薄板的隧道加固结构的施工方法，所述隧道加固结构为根据本发明第一方面任意一个实施例所述的复合材料拉挤型材薄板的隧道加固结构，所述施工方法包括如下步骤：

截取设计长度的所述薄板，对所述薄板施加力矩，使所述薄板预弯曲；

将所述端部拉索的两端临时固定在所述薄板的两端，所述端部拉索张紧；

在所述隧道内衬的表面涂抹胶粘剂，使得所述薄板贴在所述隧道内衬上，然后固定两端的所述端部锚杆，再固定顶部的所述周向锚杆，依次对称地固定其余的所述周向锚杆。

根据本发明第二方面实施例的复合材料拉挤型材薄板的隧道加固结构的施工方法，充分利用了复合材料拉挤型材薄板的轻质高强、耐久性好的优势，能够大幅提高隧道结构的安全性、耐久性和承载能力，成本低，施工速度快。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的第一方面实施例的复合材料拉挤型材薄板的隧道加固结构的示意图。

附图标记：

隧道加固结构1000

隧道内衬1 薄板2 端部锚杆3 周向锚杆4 胶粘层5 端部拉索6

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明第一方面提出了一种复合材料拉挤型材薄板的隧道加固结构。

下面结合图1来描述根据本发明实施例的第一方面实施例的复合材料拉挤型材薄板的隧道加固结构1000。

如图1所示，根据本发明第一方面实施例的复合材料拉挤型材薄板的隧道加固结构1000，包括薄板2、端部锚杆3和周向锚杆4。其中，薄板2为纤维增强复合材料拉挤型材薄板，薄板2通过胶粘层5在隧道内衬1周向上铺贴固定在隧道内衬1的表面上；端部锚杆3和周向锚杆4将薄板2锚固在隧道内衬1的表面上，其中，端部锚杆3在隧道内衬1周向上分布在薄板2两端处，周向锚杆4在隧道内衬1周向上分布在薄板2两端处的端部锚杆3之间。

具体地，薄板2为纤维增强复合材料拉挤型材薄板(简称复合材料拉挤型材薄板)，复合材料拉挤型材薄板2是一种通过拉挤工艺生产的复合材料型材制品，具有轻质、高强、耐腐等优点，拉挤成型工艺可实现连续成型易于自动化，适合大批量、连续化生产，生产效率高，操作技术和环境对制品质量影响都很小，成品率高，产品质量稳定；纤维含量高，受力性能好，纤维强度能得到充分发挥。采用拉挤成型工艺制成的复合材料拉挤型材薄板2纤维含量高、质量稳定，单向受力性能好，尺寸准确，综合成本较低，且可成卷运输，大幅降低运输难度。

薄板2通过胶粘层5在隧道内衬1周向上铺贴固定在隧道内衬1的表面上；也就是说，可以通过在隧道内衬1的表面上涂抹胶粘剂将薄板2贴固在隧道内衬1的表面上，在涂抹胶粘剂之前，要求隧道内衬1的表面清洁无泥土，有利于粘接牢固。

端部锚杆3和周向锚杆4将薄板2锚固在隧道内衬1的表面上，其中，端部锚杆3在隧道内衬1周向上分布在薄板2两端处，周向锚杆4在隧道内衬1周向上分布在薄板2两端处的端部锚杆3之间；也就是说，采用端部锚杆3和周向锚杆4将薄板2锚固在隧道内衬1的表面上，可以使薄板2更加牢固地贴合在隧道内衬1上；端部锚杆3分布在薄板2的两端处(如图1所示的左右两端)，可以将薄板2的两端牢固地固定在隧道内衬1的左右两端处，同时在施工过程中使得薄板2弯曲成接近于隧道内衬的断面形状，以便施工装配；周向锚杆4沿隧道内衬1周向上间隔开地，例如等间隔对称地分布在左右两端端部锚杆3之间，可以将薄板2左右两端之间的部位牢固地锚固在隧道内衬1的表面上，可以保证薄板完全贴合在隧道内衬1的表面上。

总体来说，薄板2主要是通过胶粘层5、端部锚杆3和周向锚杆4固定在隧道内衬1的表面上，施工速度快、质量高，还能够大幅提高隧道结构的安全性、耐久性和使用功能。

根据本发明第一方面实施例的复合材料拉挤型材薄板的隧道加固结构1000，充分利用复合材料拉挤型材薄板2的轻质高强、耐久性好的优势，能够大幅提高隧道结构的安全性、耐久性和承载能力，成本低，施工速度快。

根据本发明第一方面的一个实施例，还包括端部拉索6，端部拉索6的两端分别固定在薄板2的两端上。也就是说，在施工过程中，通过临时使用端部拉索6张紧薄板2，对薄板2的左右两端实施一定的力矩，使得薄板2预先弯曲成接近于隧道内衬1断面形状，以便将薄板2铺贴装配在隧道内衬1的表面上。端部拉索6在端部锚杆3、周向锚杆4施加后拆卸。

优选的，端部拉索6固定在薄板2的两端端部。

端部拉索6可以为传统钢索或筋材、碳纤维索或筋材、玻璃纤维索或筋材、玄武岩纤维索或筋材，以及芳纶纤维索或筋材等中的一种，可以根据实际需求进行选择。

根据本发明第一方面进一步的实施例，端部拉索6的两端分别有间距地位于相应的端部锚杆3的下方。也就是说，如图1所示，左端的端部锚杆3可以有间距地位于端部拉索6的左端上方，右端的端部锚杆3可以有间距地位于端部拉索6的右端上方，这样，在施工过程中，通过端部锚杆3对薄板2的两端实施一定的力矩，使得薄板2的两端牢固地锚固在隧道内衬1的表面上，同时使得薄板2弯曲成接近于隧道内衬1断面形状，以便将薄板2铺贴在隧道内衬1的表面上。

根据本发明第一方面进一步的实施例，间距不少于200mm。也就是说，如图1所示，左端的端部锚杆3与端部拉索6的左端之间的间距不少于200mm，右端的端部锚杆3与端部拉索6的右端之间的间距不少于200mm。由于端部锚杆3受力位置和端部拉索6受力位置会存在应力集中，并且均对隧道加固结构1000有削弱影响，因此，需要将间距设置成不少于200mm。

根据本发明第一方面的一个实施例，隧道内衬1上预钻有锚杆孔，这样，方便端部锚杆3和周向锚杆4的安装。

根据本发明第一方面的一个实施例，胶粘层5的材料与薄板2中的树脂材料为相同类别，以保证界面良好的粘接能力。

根据本发明第一方面的一个实施例，薄板2为玻璃纤维树脂薄板、碳纤维树脂薄板、玄武岩纤维树脂薄板或芳纶纤维树脂薄板。具体地，薄板2中的纤维可以为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维及芳纶纤维，树脂可以为环氧树脂、乙烯基树脂、聚酯树脂、不饱和树脂等。

根据本发明第一方面的一个实施例，薄板2为矩形板，薄板2的厚度为4-6mm，薄板2的宽度为0.5-1.5mm，薄板2的长度依据隧道加固长度确定，可以满足隧道加固结构1000的需求。

根据本发明第一方面的一个实施例，薄板2的宽度和长度依据隧道内衬1的横断面的几何形状和长度来确定；

薄板2的厚度按照如下方式得到：

通过公式(1)计算薄板2的设计厚度为d时的薄板2预弯曲产生的最大边缘应变ε，其中，公式(1)为：

公式(1)中的ρ为隧道内衬1的横断面最小曲率半径；

调整设计厚度d，使最大边缘应变ε小于极限拉应变的1/5，从而确定薄板2的厚度。

由此，可以选择合适尺寸的薄板2，有利保证隧道加固结构1000的强度。

根据本发明第一方面进一步的实施例，周向锚杆4的数量按照如下方式确定：根据隧道内衬1横断面的几何形状，计算薄板2需要施加的端部力矩，然后确定周向锚杆4的数量。

隧道内衬1以圆形横断面为例，其曲率半径为ρ，仅需在薄板2两端施加力矩即可使得薄板2变为圆弧形，所需施加的力矩按照公式(2)计算，公式(2)为：

公式(2)中，EI为薄板2的截面抗弯刚度，其中E为拉挤薄板2的弹性模量，I为拉挤条板的截面惯性矩。

其他横断面形状如抛物线、高次多项式曲线等均可按照材料力学方法计算，计算中将端部拉索6、端部锚杆3和周向锚杆4作为集中荷载，通过增加集中荷载的个数，使薄板2与隧道内衬1近似完全贴合，从而确定周向锚杆4数量。

由此，可以保证薄板2与隧道内衬1近似完全贴合，且可以保证隧道加固结构1000的强度。

本发明第二方面提出了一种复合材料拉挤型材薄板的隧道加固结构1000的施工方法。

根据本发明第二方面实施例的复合材料拉挤型材薄板的隧道加固结构1000的施工方法，隧道加固结构1000为根据本发明第一方面任意一个实施例的复合材料拉挤型材薄板的隧道加固结构1000，施工方法包括如下步骤：

截取设计长度的薄板2，对薄板2施加力矩，使薄板2预弯曲；

端部拉索6张紧，使得端部拉索6的两端临时固定在薄板2的两端；

在隧道内衬1的表面涂抹胶粘剂，使得薄板2贴在隧道内衬1上，然后固定两端的端部锚杆3，再固定顶部的周向锚杆4，依次对称地固定其余的周向锚杆4。

根据本发明第二方面实施例的复合材料拉挤型材薄板的隧道加固结构的施工方法，充分利用了复合材料拉挤型材薄板的轻质高强、耐久性好的优势，能够大幅提高隧道结构的安全性、耐久性和承载能力，成本低，施工速度快。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。