[发明专利]一种隧道预应力仰拱结构及其施工方法

权利要求书

1.一种隧道预应力仰拱结构，包括仰拱本体，其特征在于：所述仰拱本体内沿隧道轴线方向间隔设置有对仰拱本体施加预应力的预应力构件，所述预应力构件的固定端和张拉端分别与仰拱本体两侧的矮边墙连接。

2.根据权利要求1所述的隧道预应力仰拱结构，其特征在于：所述预应力构件布置在所述仰拱本体的中上部。

3.根据权利要求2所述的隧道预应力仰拱结构，其特征在于：所述预应力构件的张拉端穿过位于对应矮边墙内的张拉螺旋筋与锚垫板连接，并通过锚环和夹片固定；所述预应力构件的固定端穿过锚固螺旋筋与预埋在对应矮边墙内的承压板锚固连接。

4.根据权利要求3所述的隧道预应力仰拱结构，其特征在于：所述预应力构件为无粘结预应力筋。

5.根据权利要求4所述的隧道预应力仰拱结构，其特征在于：所述无粘结预应力筋由自内而外依次设置的钢绞线或钢筋束、涂料层以及外包层组成。

6.根据权利要求5所述的隧道预应力仰拱结构，其特征在于：所述张拉端涂刷有环氧树脂胶泥并用微膨胀细石混凝土封堵。

7.一种隧道预应力仰拱结构的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)仰拱开挖；

(2)在仰拱开挖面上施作初次支护；

(3)非预应力筋以及预应力筋铺放、绑扎：非预应力筋布置在仰拱本体的顶部和底部位置处，预应力筋布置在仰拱本体的中上部；

(4)仰拱模板安装：预应力筋的张拉端穿过张拉螺旋筋、锚垫板后从仰拱一侧的矮边墙模板穿出，预应力筋的固定端穿过锚固螺旋筋与设置在另一侧矮边墙模板内的承压板锚固连接；

(5)仰拱浇筑及脱模：矮边墙与仰拱本体一同支模浇筑；

(6)预应力筋张拉，采用张力设备对预应力筋进行张拉，对仰拱本体施加预应力。

8.根据权利要求7所述的施工方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤一、仰拱内力计算

利用有限元软件如Midas GTS NX对仰拱的内力进行分析，分析采用荷载结构法：首先画出隧道衬砌形状，将隧道衬砌划分为若干个网格，定义材料属性并将其赋予在相应的网格中，其次施加衬砌荷载，荷载包括垂直土压力和侧向土压力，垂直土压力的计算区分深埋和浅埋两种情况，深埋时按照太沙基理论计算，浅埋时按照全土柱计算，侧向土压力为侧向土压力系数与垂直土压力的乘积；最后施加约束和添加地基弹簧，计算工况，得到仰拱各个单元的内力-轴力N及弯矩M，选取代数值最大的的内力组合(N_S，M_S)作为设计内力，其中A₀表示仰拱截面换算面积，W₀表示换算截面抗裂验算边缘的弹性抵抗矩；

步骤二、确定预应力混凝土的预应力度

由于隧道仰拱结构对于线路的平顺性以及隧道整体结构都十分重要，在此按照一级预应力混凝土进行考虑，预应力度的取值范围为λ≥1；

步骤三、预应力钢筋的确定

根据初步计算得到的内力(N_S，M_S)、选择的预应力度λ，计算仰拱混凝土结构所需的有效预应力N_P，同时考虑预应力的损失，参考相关预应力混凝土设计规范计算所需预应力筋的面积；根据初步计算得到的预应力钢筋面积，选取合适截面面积的预应力筋，确定其数量，并根据配筋构造要求，确定其间距以及混凝土保护层厚度；

步骤四、非预应力钢筋的确定

在预应力筋面积确定的基础上，根据构件的承载能力要求，计算确定非预应力筋的面积；确定非预应力筋的面积后，选择合适截面面积的钢筋，确定钢筋数量，按照构造要求确定其间距及混凝土保护层厚度；将预应力筋和非预应力筋结合起来，进行混凝土结构配筋验算，根据验算结果进行适当的调整，得到最终的配筋和布置结果；

步骤五、仰拱开挖

隧道仰拱采用松动爆破配合挖掘机开挖。仰拱开挖要以设计值为准，并在施工过程中不断与设计值进行比较来控制开挖。

步骤六、初喷混凝土

开挖完成后检查待喷面尺寸、几何形状，清除喷射面内的松石、杂物，检查合格后，初喷混凝土；

步骤七、安装仰拱钢拱架

(1)钢拱架制作

钢拱架分节段在钢筋加工场加工制作，每节段长度根据图纸设计尺寸下料，对每节段进行标号，并注明安装位置；

(2)钢拱架安装

安装钢拱架时使仰拱钢拱架与左右矮边墙的钢拱架连接在一起，起到闭合成环作用；钢拱架榀与榀之间用纵向钢筋连接；钢拱架底部搁置混凝土垫块，待仰拱钢拱架施工完成后复喷混凝土至设计厚度；

步骤八、布筋

将下部非预应力筋、预应力筋及上部非预应力筋按照设计要求通过支架安装在复喷混凝土上，为充分发挥预应力构件的作用，将无粘结预应力筋放在仰拱构件的中上部；

步骤九、安装仰拱模板

仰拱衬砌模板采用弧形钢模板，安装模板前仔细检查模板刚度、尺寸、平整度，清除干净模板内侧的赃物，并涂刷脱模剂；预应力筋的张拉端穿过张拉螺旋筋、锚垫板后从仰拱一侧的矮边墙模板穿出，预应力筋的固定端穿过锚固螺旋筋与设置在另一侧矮边墙模板内的承压板锚固连接；

步骤十、浇筑混凝土及养护脱模

(1)浇筑混凝土

采用移动式栈桥作业，浇筑由仰拱中心向两侧对称浇筑，一次完成，混凝土采用机械振捣，边浇筑边振捣，振捣时快入慢出，振捣点均匀分布，并远离模板10cm～15cm，振捣至混凝土不冒气泡、不下沉、表面开始泛浆时为止，同一预应力筋范围内的混凝土应在较短的时间内完成浇筑；

(2)混凝土养护脱模

浇捣结束后,对混凝土进行养护，待混凝土强度达到设计强度70％进行脱模，脱模后进行洒水养护，对混凝土用土工布加以覆盖并保湿养护；

步骤十一、无粘结预应力筋的张拉。