[发明专利]一种隧道装配式预应力衬砌设计方法

说明书

一种隧道装配式预应力衬砌设计方法，包括勘算设计和分段式衬砌管片的制备及安装；勘算设计步骤如下：A：确定隧道内限界及衬砌内轮廓线；B:设定衬砌及仰拱厚度值；C：计算隧道内围岩的压力；D：计算衬砌内力及围岩承受全部荷载；E：计算应力；F：预应力钢筋布置；G：验算；分段式衬砌管片制备及安装中，工厂分片制造成一段多块管片并安装预应力筋；现场将若干块分段式衬砌管片之间拼装。本发明通过荷载‑结构法进行结构设计得到设计数据，并在工厂进行预制，现场安装后就可投入使用，提高了施工进度，且成品的预应力钢筋布置在受拉一侧，克服了预应力筋布置在同一侧时负弯的作用，使接头衔接紧密，减少了渗水、涌水几率，并保证了质量。

技术领域

本发明涉及隧道工程施工方法领域，特别是一种隧道装配式预应力衬砌设计方法。

背景技术

在目前地铁、公路、铁路等交通基础设施建设中，会遇到大量的隧道工程。为了保证隧道施工及运营安全，现阶段隧道二次衬砌是主要的支护手段之一，且常采用模板现浇施工，但是从施工质量和工程进度考虑，该方法存在以下缺点。

第一：目前，隧道衬砌结构分为初期支护和二次衬砌，初期支护就是喷射混凝土、锚杆、钢筋网、钢拱架等组成的支护，二次衬砌是在初期支护内侧采用模板现场浇筑的方法形成的一个钢筋混凝土拱圈。实际施工中，由于模板搭设复杂，施工进度缓慢，且浇筑后衬砌要发挥其功能，需要等混凝土达到设计强度，由于这个时间较长，因此会影响施工进度；浇筑后，其它进出隧道内的施工设备（包括车辆）有几率和模板下端支撑的钢结构等发生碰撞，进而导致支撑结构及模板等垮塌，造成浇筑后衬砌发生损坏，对施工安全造成影响；并且在二次衬砌混凝土的浇筑过程中，由于混凝土初期具有流动性，导致隧道顶部范围衬砌的混凝土不密实，容易形成孔洞，对二次衬砌质量造成不良的影响。

第二：在二次衬砌设计和施工中，只是根据衬砌的最不利截面配置了普通钢筋，衬砌的抗裂性考虑不足（如图4所示，混凝土结构中弯矩最大处截面就是最不利截面，配置钢筋的最主要作用就是为混凝土最不利截面受拉一侧提供抗拉能力，而混凝土一侧受拉的原因就是弯矩产生的拉力，就类似于一根木头架在两个石头上，木头中间弯矩最大，中间截面也就是木头的最不利截面，只有防止这个截面不断，其他截面才会不断；目前，很多混凝土结构都会在某些部位开裂，其原因就是由于采用的是普通钢筋、不能有效的防止混凝土开裂。以桥梁来举例，如果不配置钢筋，桥梁会在不利截面受拉侧出现开裂、甚至破坏，所以在设计中，常在混凝土的受拉一侧配置钢筋；然而仅配置普通钢筋，还是会出现混凝土开裂，导致许多桥梁和其他建筑都是带裂缝工作），具体体现在隧道工程中，由于二次衬砌混凝土结构局部开裂，就会发生渗水现象，导致钢筋锈蚀，甚至产生涌水对施工及后期运营带来影响，因上述原因，很多隧道在运营阶段发生的事故都是漏水造成的。

虽然现有的地铁和水利隧道中，也有采用预应力钢筋的二次衬砌，但是所有应用的预应力钢筋多为同一曲率布置，因此布置在受压一侧的预应力会对整体结构产生不利影响，导致每两段混凝土衬砌之间纵向接缝出现开口过大等问题，防水效果也受到影响（现有隧道预应力衬砌设计和施工中，如盾构隧道，均是按照同一个曲率布置的钢筋，也就是隧道衬砌怎么弯曲，预应力钢筋就怎么弯；由于预应力钢筋要布置在混凝土的受拉一侧施加预压力，但从隧道衬砌的弯矩图中（图4）可以看出隧道衬砌是时而内侧受拉，时而外侧受拉，这样，如果都按同一个方向布置预应力钢筋，那么在某些区域就会发生在受压区施加压力的情况，导致弯矩增大，受拉区拉力就更大，裂缝更大，此时预应力反而产生负作用；就像两块海绵叠在一起，在一侧挤压它，另外一侧就会接缝就会张开，由此导致渗水、涌水。）。

发明内容