預應力混凝土襯砌隧洞結構及其圓環(huán)形扁千斤頂?shù)闹谱鞣椒?br> 【專利摘要】本實用新型涉及一種圓環(huán)形扁千斤頂，應用于預應力混凝土隧道，其具一圓環(huán)形本體，該圓環(huán)形本體設有能注入施壓介質的空腔；該圓環(huán)形本體為能借助施壓介質通過有限的徑向位移沿圓環(huán)徑向對襯砌混凝土外部施加均布的壓應力的中空圓環(huán)形壓力裝置。本實用新型所采用的圓環(huán)形扁千斤頂省去了現(xiàn)有技術中的預應力鋼材的使用，施工方便，而且提高了預應力度，混凝土襯砌層不會出現(xiàn)拉應力，從而防止縱向裂紋的出現(xiàn)和內(nèi)水外滲現(xiàn)象的發(fā)生。
【專利說明】預應力混凝土襯砌隧洞結構及其圓環(huán)形扁千斤頂
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種新型的預應力混凝土襯砌高壓隧洞結構及其圓環(huán)形扁千斤頂。
【背景技術】
[0002]在水力發(fā)電工程和輸水工程中，發(fā)電引水隧洞一般為有壓隧洞，其斷面多為圓形，因為所受的主要荷載為均勻內(nèi)水壓力，其受力條件較好。由于洞身是在巖體中開挖而成，且開挖后就破壞了巖體原有平衡狀態(tài)，導致巖體可能產(chǎn)生變形和崩塌，而且洞身還要承受內(nèi)外水壓力及圍巖壓力等作用。因此，現(xiàn)有的洞身一般要設置永久性的、有足夠強度和抗?jié)B性能的預應力混凝土襯砌以確保安全。
[0003]現(xiàn)有的預應力混凝土襯砌隧洞，一般是沿著襯砌層建立幾百噸甚至更大的環(huán)向預應力鋼材施加預應力。例如我國清江隔河巖凈內(nèi)徑9.5m,天生橋一級凈內(nèi)徑9.6m等，均為在襯砌層內(nèi)預埋波紋管、穿索、張拉、灌漿等有粘結鋼絞線襯砌隧洞。而在小浪底，其排沙隧洞，凈內(nèi)徑6.5m，則采用了一種無粘結鋼絞線，施工時不需預留孔道，其纏繞角達720°，在澆筑混凝土前，同普通鋼筋一樣，按照設計要求鋪設在模板內(nèi)，然后澆注混凝土，待混凝土達到一定強度后進行張拉、錨固、封堵端部。由于它不需要灌漿，因而簡化了施工工藝。即便如此，工程人員對錨具及整個無粘結錨固系的耐久性仍然存在一些疑慮。而且無論是有粘結鋼絞線襯砌隧洞，還是無粘結鋼絞線襯砌隧洞，都需要大量的鋼絞線作為支撐使用，但是受到現(xiàn)有技術的限制，鋼絞線的用量受到制約，因此其預應力也進一步受到限制，從而使抵抗隧洞內(nèi)縱向裂紋的能力不足，降低了整個結構的耐久性，而且其通常還需要設有非預應力鋼絞線，從而進一步的增加了建設的成本。
實用新型內(nèi)容
[0004]為了解決上述現(xiàn)有技術所存在的問題，發(fā)明人對以往預應力混凝土襯砌隧洞工程進行了總結，尋求更好的預應力技術，提出了新型預應力混凝土襯砌隧洞結構、圓環(huán)形扁千斤頂及高壓隧洞施工工藝。
[0005]本實用新型的構思在于，考慮到預應力混凝土襯砌隧洞和其他預應力混凝土結構不同，由于洞身是在巖體中開挖而成，因而可以充分發(fā)揮圍巖的作用，借助于圍巖傳遞預應力的反力，采用外加預應力法，可不用預應力鋼材，施工時，只需在襯砌混凝土和圍巖之間留出加力縫，并在加力縫中間安置圓環(huán)形扁千斤頂即可。這樣利用圓環(huán)形扁千斤頂沿隧洞混凝土襯砌層外部施加均勻外部壓力以代替有粘結或無粘結預應力鋼絞線施加預應力。
[0006]而實現(xiàn)這個設想的關鍵設備是本實用新型提供的一種圓環(huán)形扁千斤頂，它是一個用薄鋼板制成的中空圓環(huán)形壓力囊。能利用液壓通過有限的徑向位移對隧洞混凝土襯砌層外部施加均布壓應力。
[0007]本實用新型的一個目的是為了省去現(xiàn)有技術中的預應力鋼材的使用，從而降低作業(yè)成本。[0008]本實用新型的另一目的是增加襯砌的壓應力，使其抗拉能力增強提高整個隧洞的耐久性。
[0009]為了達到上述目的，本實用新型提供一種圓環(huán)形扁千斤頂，應用于預應力混凝土隧道，其具一圓環(huán)形本體，該圓環(huán)形本體設有能注入施壓介質的空腔；該圓環(huán)形本體能借助施壓介質通過有限的徑向位移沿圓環(huán)徑向對襯砌混凝土外部施加均布的壓應力的中空圓環(huán)形壓力裝置。
[0010]其中，該圓環(huán)形扁千斤頂?shù)沫h(huán)形本體橫斷面中間為矩形，該本體具有一個外環(huán)、一個內(nèi)環(huán)及兩個側邊，所述外環(huán)、內(nèi)環(huán)為對外部施加均布的壓應力的部位。
[0011]其中，該內(nèi)環(huán)鄰近兩個側邊的兩端分別設置有彈性變形部，較佳的，可另具有一個搭接部，使該彈性變形部與側邊通過搭焊連接，搭接部長度較佳為5_，并焊接在一起，且該搭接部位于側邊的上部。
[0012]為了達到上述目的，本實用新型還提供一種預應力混凝土襯砌隧洞結構，其包括:數(shù)個圓環(huán)形扁千斤頂，沿隧洞中心線縱向均勻地抵靠分布在隧洞的圍巖內(nèi)壁；混凝土襯砌層；其中，圓環(huán)形扁千斤頂位于圍巖與混凝土襯砌層之間。
[0013]其中，還包括數(shù)個水泥砂漿墊層，設置在所述圓環(huán)形扁千斤頂與該隧洞圍巖內(nèi)壁之間。
[0014]墊層較佳是與圓環(huán)形扁千斤頂同樣寬度。
[0015]其中，在所述各混凝土襯砌段之間設置環(huán)向伸縮縫，在該環(huán)向伸縮縫內(nèi)設置止水彈性體，所述止水彈性體為圓環(huán)狀結構且其橫斷面為矩形，并且內(nèi)部設有中空的止水腔，而且所述止水彈性體內(nèi)壁與混凝土襯砌層內(nèi)壁在同一平面。
[0016]其中，所述止水彈性體的材質為氯丁橡膠，該止水腔為2個或2個以上且互不連通。
[0017]其中，所述止水腔內(nèi)填充水泥漿。較佳的，所述止水腔為沿徑向排列，且較佳為圓形或矩形。
[0018]為了達到上述目的，本實用新型可應用于一種高壓隧洞施工工藝，其步驟包括:A、沿隧洞中心線縱向安裝數(shù)個圓環(huán)形扁千斤頂，并在各圓環(huán)形扁千斤頂之間的巖石表面涂脫模劑；B、澆注混凝土襯砌層；C、施加預應力:將壓力水泥漿壓入該圓環(huán)形扁千斤頂內(nèi)，并逐漸增加注漿壓力達到設計壓力，維持設計壓力，封閉所有出漿孔。
[0019]其中，在上述A步驟之前，用水泥砂漿沿隧洞內(nèi)壁做與所述圓環(huán)形扁千斤頂同樣寬度的水泥砂漿墊層，然后，在所述墊層上安裝所述圓環(huán)形扁千斤頂。
[0020]其中，為防止隧洞受溫度應力產(chǎn)生縱向裂紋，在上述C步驟中，首先用水介質注入該圓環(huán)形扁千斤頂內(nèi)施加壓力。
[0021]其中，為消除因圍巖塑性變形及混凝土徐變變形所產(chǎn)生的預應力損失，當水介質在該圓環(huán)形扁千斤頂內(nèi)的壓力達到設計壓力后，繼續(xù)加壓使水壓最終達到設計壓力的1.5倍以上后，再將水泥漿壓入該圓環(huán)形扁千斤頂內(nèi)替換水介質。
[0022]其中，在該混凝土襯砌層上設置數(shù)個環(huán)向伸縮縫，在該環(huán)向伸縮縫內(nèi)安置具有壓縮性的止水彈性體。
[0023]其中，在進行C步驟之后，用水泥漿充填所述混凝土襯砌層與圍巖之間的空隙，使之緊密結合，以改善傳力條件和減少滲漏。[0024]其中，在進行上述步驟之后，可進行固結灌漿。
[0025]本實用新型的有益技術效果在于，借助上述結構:
[0026]1、可充分發(fā)揮圍巖抗力作用，采用外加預應力法，本實用新型的圓環(huán)形扁千斤頂施加預應力，省去了現(xiàn)有技術中的預應力鋼材的使用，施工方便，不存在錨具、鋼材的銹蝕問題，更加安全可靠。
[0027]2、由于混凝土抗壓強度較高，因而可適當提高預應力度，施加較大的預應力，因而確保了在運行條件下，混凝土襯砌層3不會出現(xiàn)拉應力，從而防止縱向裂紋的出現(xiàn)，也就不會開裂，進而降低了內(nèi)水外滲現(xiàn)象的發(fā)生。
[0028]3、本實用新型中在混凝土襯砌層之間所采用的止水彈性體，進一步加強了隧洞的不透水性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為本實用新型厚壁圓筒承受內(nèi)水壓力時的應力狀態(tài)圖。
[0030]圖2為本實用新型厚壁圓筒承受外水壓力時的應力狀態(tài)圖。
[0031]圖3A為本實用新型圓環(huán)形扁千斤頂安裝于隧洞時的縱向剖視圖。
[0032]圖3B為本實用新型澆注混凝土襯砌層后的示意圖。
[0033]圖3C為本實用新型圓環(huán)形扁千斤頂內(nèi)部填充水泥漿施加預應力后的示意圖。
[0034]圖3D本實用新型安裝了止水彈性體的示意圖。
[0035]圖3E為本實用新型回填固結灌漿后的結構示意圖。
[0036]圖4為本實用新型氯丁橡膠止水彈性體的斷面示意圖。
[0037]圖5為本實用新型由多段圓弧構成的圓環(huán)形扁千斤頂?shù)目v向剖面圖。
[0038]圖5A為本實用新型由若干個標準圓弧段構成的圓環(huán)形扁千斤頂?shù)腁-A軸向視圖
[0039]圖5B為本圖5中B-B的剖面圖。
[0040]圖6為本實用新型各標準圓弧段之間的連接示意圖。
[0041]【主要元件符號說明】
[0042]1.隧洞101.隧洞中心線
[0043]102隧洞內(nèi)壁
[0044]2.砂漿找平層3.混凝土襯砌層
[0045]301.混凝土襯砌層內(nèi)壁4.壓力水泥漿
[0046]5.止水彈性體501.止水彈性體內(nèi)壁
[0047]6.回填灌漿區(qū)7.止水腔
[0048]701.第一止水腔702.第二止水腔
[0049]8.圓環(huán)形扁千斤頂801.彈性變形部
[0050]802.外環(huán)803.內(nèi)環(huán)
[0051]804.側邊805.空腔。
【具體實施方式】
[0052]下面結合附圖對本實用新型的新型預應力隧洞混凝土襯砌結構、圓環(huán)形扁千斤頂及高壓隧洞施工工藝的【具體實施方式】做進一步詳細說明。[0053]如圖5、圖5A、圖5B及圖6所示，為本實用新型所述的用于預應力混凝土襯砌隧洞結構的圓環(huán)形扁千斤頂8，其中，圖5A為本實用新型一具體實施例的圓環(huán)形扁千斤頂?shù)目v向視圖，于本實施例中，其是由鋼板制成圓環(huán)形扁千斤頂，該圓環(huán)形扁千斤頂8的本體設有一個外環(huán)802 個內(nèi)環(huán)803 ;及兩個側邊804，兩個側邊804與外環(huán)802及內(nèi)環(huán)803形成一個空腔805。由圖5B可以看出，其具一圓環(huán)形本體，該圓環(huán)形扁千斤頂本體的橫斷面為較扁的矩形，且該本體內(nèi)部具有可以能注入施壓介質的空腔，于本實施例中，施壓介質為水或者水泥漿，且該內(nèi)環(huán)或外環(huán)可借助施壓介質的壓力能沿圓環(huán)徑向變形以向外施力，本實用新型的主要目的在于，使該內(nèi)環(huán)可對隧洞混凝土襯砌層施加預應力，同時可借助外環(huán)向外即對巖石施加與該預應力相反的反作用力，從而實現(xiàn)由巖石提供反作用力。如圖所示，該本體具有一個外環(huán)、一個內(nèi)環(huán)及兩個側邊，由于內(nèi)環(huán)及外環(huán)是本實用新型的圓環(huán)形扁千斤頂?shù)氖┝γ?，而且較佳的，為了使施加于混凝土襯砌層上的力量效果更好，在該圓環(huán)形扁千斤頂8內(nèi)環(huán)側壁兩端均設置有彈性變形部801 (如圖5B所示)，于本實施例中，該彈性變形部801是設置為兩個可彈性變形的半圓，半圓弧之間為一平面，該彈性變形部801與側邊804相互搭接5mm并焊接在一起。當該圓環(huán)形扁千斤頂8內(nèi)部注入水或者水泥楽;時,該彈性變形部801將被拉伸與該圓環(huán)形扁千斤頂內(nèi)側壁相平(如圖3C)，從而使圓環(huán)形扁千斤頂8受到內(nèi)部試壓介質擠壓變形時，使其應力分布更滿足本實用新型的需求。
[0054]在實施例中，是可以實施為一個完整的環(huán)形本體。但是，由于通常隧洞的直徑非常之大，其整體制作及運輸顯然不便，因此，如圖所示，為了便于加工與運輸，較佳的，圓環(huán)形扁千斤頂可由數(shù)個標準圓弧段組成，并于各個圓弧段兩端各設有兩個連接接頭，各連接接頭的一端固定于圓弧段的端頭，另一端設有絲扣，以便相鄰的圓弧段之間可借助鋼管通過螺紋連接起來，并可于一個鋼管上設有注入水或水泥漿的連接管。
[0055]當本實用新型的圓環(huán)形扁千斤頂應用于預應力混凝土襯砌隧洞時，本實用新型所述的預應力混凝土襯砌隧洞結構包括有:數(shù)個圓環(huán)形扁千斤頂8，沿隧洞縱向均勻分布在隧洞I的內(nèi)壁。
[0056]由于隧洞內(nèi)壁比較粗糙平整度欠佳，較佳的，在圓環(huán)形扁千斤頂8與隧洞內(nèi)壁102之間設置數(shù)個砂漿找平層2，該砂漿找平層2寬度等于圓環(huán)形扁千斤頂8的寬度。
[0057]為了防止混凝土干縮或者由于溫度變化而產(chǎn)生的環(huán)向裂縫，較佳的，在混凝土襯砌層3上設置環(huán)向伸縮縫，在該環(huán)向伸縮縫內(nèi)設置止水彈性體5，該止水彈性體5的制作材料，較佳的，選擇氯丁橡膠。為了使該止水彈性體5具有一定的壓力從而使其與混凝土襯砌層3之間抵靠的更加緊密，可在該止水彈性體5內(nèi)部設有一道或多道止水腔7，且每個止水腔7均互不聯(lián)通，內(nèi)部可以根據(jù)需要填充壓力水泥漿，本實施例中以設置兩個止水腔7為例，靠近圍巖一側的止水腔先充填水泥漿作為第二止水腔702，靠近洞內(nèi)側的止水腔后充填水泥漿作為第一止水腔701，填充水泥漿后彈性體與混凝土層之間的抵靠更加緊密。
[0058]上述預應力混凝土襯砌隧洞結構的施工工藝包含以下步驟:
[0059]A、安裝圓環(huán)形扁千斤頂8:沿隧洞中心線101縱向按所要求的間距安裝數(shù)個圓環(huán)形扁千斤頂8。由于隧洞內(nèi)壁的平整度欠佳，為了保證有足夠強度的反作用力傳遞給圍巖，較佳的在安裝圓環(huán)形扁千斤頂8之前，先用水泥砂漿沿隧洞內(nèi)壁做與圓環(huán)形扁千斤頂8同樣寬度的墊層，從而找平并調(diào)整隧洞內(nèi)壁的圓度，使圓環(huán)形扁千斤頂8與隧洞內(nèi)壁抵靠的更加緊密。[0060]B、澆注混凝土襯砌層3:安裝模板前，先仔細檢查各圓環(huán)形扁千斤頂?shù)耐庑伟惭b是否牢固，混凝土的澆注方式不應使其位置改變，然后在模板內(nèi)澆注混凝土。模板內(nèi)澆注的混凝土必須使用密實、高性能優(yōu)質混凝土，以承受巨大的內(nèi)水壓力和滲漏。因此，對混凝土的級配和施工工藝均需進行嚴格細致的質量控制和檢驗。為了防止混凝土與粗糙巖石粘結，較佳的，在安裝模板之前，首先將各道圓環(huán)形扁千斤頂8之間的粗糙巖石開挖面涂刷一層脫模劑。
[0061]C、施加預應力:混凝土襯砌層拆模后，較佳的，首先用水介質注入圓環(huán)形扁千斤頂8內(nèi)施加一定值的設計壓力，以防隧洞受溫度應力產(chǎn)生縱向裂紋；待襯砌混凝土達到設計強度后，逐漸加大水壓力達到1.5倍設計壓力以上；最后再將水泥漿送入圓環(huán)形扁千斤頂8內(nèi)替換水介質，并逐漸增加注漿壓力達到設計壓力，維持設計壓力，封閉所有出漿孔直至水泥漿凝固為止。該步驟利用該圓環(huán)形扁千斤頂8內(nèi)液壓通過有限的環(huán)向位移對隧洞混凝土襯砌層3外部施加均布壓應力。如圖1-圖2所述，為彈性力學厚壁圓筒承受內(nèi)外均布荷載時的應力狀態(tài)。
[0062]內(nèi)水壓力時
【權利要求】
1.一種圓環(huán)形扁千斤頂，應用于預應力混凝土隧道，其特征在于，其具一圓環(huán)形本體，該圓環(huán)形本體設有能注入施壓介質的空腔；該圓環(huán)形本體為能借助施壓介質通過有限的徑向位移沿圓環(huán)徑向對襯砌混凝土外部施加均布的壓應力的中空圓環(huán)形壓力裝置。
2.如權利要求1所述的圓環(huán)形扁千斤頂，其特征在于，該圓環(huán)形扁千斤頂?shù)沫h(huán)形本體橫斷面為矩形，該本體具有一個外環(huán)、一個內(nèi)環(huán)及兩個側邊，所述外環(huán)、內(nèi)環(huán)為對外部施加均布的壓應力的抵靠部。
3.如權利要求2所述的圓環(huán)形扁千斤頂，其特征在于，該內(nèi)環(huán)鄰近兩個側邊的兩端分別設置有彈性變形部。
4.一種預應力混凝土襯砌隧洞結構，其特征在于，其包括: 數(shù)個圓環(huán)形扁千斤頂，沿隧洞中心線縱向均勻地抵靠分布在隧洞的圍巖內(nèi)壁； 混凝土襯砌層； 其中，圓環(huán)形扁千斤頂位于圍巖與混凝土襯砌層之間。
5.如權利要求4所述的一種預應力混凝土襯砌隧洞結構，其特征在于，還包括數(shù)個水泥砂漿墊層，設置在所述圓環(huán)形扁千斤頂與該隧洞圍巖內(nèi)壁之間。
6.如權利要求4所述的一種預應力混凝土襯砌隧洞結構，其特征在于，在所述混凝土襯砌層上還設置有環(huán)向伸縮縫，在所述環(huán)向伸縮縫內(nèi)設置止水彈性體，所述止水彈性體為環(huán)狀結構且其橫斷面為矩形，并且內(nèi)部設有中空的止水腔，而且所述止水彈性體內(nèi)壁與混凝土襯砌層內(nèi)壁在同一平面，所述止水腔內(nèi)填充有水泥漿。
7.如權利要求6所述的一種預應力混凝土襯砌隧洞結構，其特征在于，所述止水彈性體的材質為氯丁橡膠，該止水腔為2個或2個以上且互不連通。
8.如權利要求7所述的一種預應力混凝土襯砌隧洞結構，其特征在于，所述止水腔為沿徑向排列。
【文檔編號】E02B9/06GK203393687SQ201320372074
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年6月26日 優(yōu)先權日:2013年6月26日
【發(fā)明者】汪小剛, 魯一暉, 劉致彬, 黃昊, 岳躍真, 孫粵琳, 趙妍, 王榮魯, 張家宏, 李秀琳, 李萌, 楊偉才 申請人:中國水利水電科學研究院, 北京中水科海利工程技術有限公司