隧洞預應力混凝土襯砌結構及其施工程序的製作方法
2023-05-04 05:36:46
專利名稱：隧洞預應力混凝土襯砌結構及其施工程序的製作方法
技術領域：
本發明涉及水工結構設計，特別涉及一種新型的隧洞預應力混凝土襯砌結構及其 施工程序。
背景技術：
在水力發電工程和輸水工程中，有壓隧洞是重要的水工建築物。為防止壓力水 滲出可能導致的圍巖變形、坍塌或輸水損失，近年來國內有許多工程中都採用了環錨預應 力混凝土襯砌的結構形式，如隔河沿水電站引水隧洞、天生橋水電站引水隧洞、小浪底排沙 洞、南水北調工程跨黃隧洞、遼寧大夥房水庫引水工程等。施工和運行結果表明，這種襯砌 結構具有防滲效果好、施工速度快和建造成本低等諸多優點，但也存在結構設計不甚合理、 施工難度較大等許多問題。在對已建工程進行深入調研和分析總結的基礎上，本發明提出 了一種隧洞預應力混凝土襯砌的新型結構型式。與已建工程相比，這種新型結構型式具有 三個突出優點①襯砌厚度減小約50%，錨索鋼絞線用量減少約50%，隧洞巖石開挖量和 混凝土澆築量也隨之減小，從而顯著降低工程造價；②預應力錨索分布在襯砌混凝土外側 表面，便於施工安裝且可使襯砌混凝土內預應力分布更為均勻；③錨具槽布置在混凝土襯 砌底部，不僅便於錨索張拉和混凝土回填施工，更為重要的是為錨具槽回填混凝土回填提 供水養護環境，使回填的膨脹混凝土凝結硬化後產生膨脹應力。從而保證回填混凝土與襯 砌混凝土粘結和錨具保護的可靠性，顯著減小預應力薄弱區範圍。
發明內容
本發明的目的在於提供一種新型的隧洞預應力混凝土襯砌結構及其施工程序，可 以克服已有技術的缺點，施工簡單，工程質量易於保證，與已建類似工程相比，可節省50% 左右的混凝土、鋼絞線和錨具等材料用量，並可顯著減小隧洞開挖工程量，可顯著降低工程 造價。本發明提供的一種新型隧洞預應力混凝土襯砌結構包括構造鋼筋、無粘結鋼絞 線、混凝土襯砌和錨具槽；無粘結鋼絞線以雙圈環繞的方式布置在混凝土襯砌外側，在位於 混凝土襯砌底部內側的錨具槽中鎖定錨固。所述的混凝土襯砌斷面在錨具槽上方為圓環形，在錨具槽區域為近似卵形，錨具 槽回填混凝土為膨脹混凝土，回填後採用水中養護方式。所述的混凝土襯砌與常規混凝土襯砌相同，設計強度等級為C30 C50 ；混凝土襯 砌厚度根據內水壓力和施工要求經計算確定，為300 400mm ；斷面形狀在大部分區域為圓 環形，近似卵形區域的襯砌折算厚度稍大於圓環區域的襯砌厚度。所述的無粘結鋼絞線以雙圈環繞均勻分布的方式綁紮固定在靠近圍巖表面的構 造鋼筋上，進入錨具槽的鋼絞線逐漸收縮為束狀錨索，用夾片式錨具鎖定。無粘結鋼絞線用 於為混凝土襯砌施加預壓應力，沿隧洞軸線方向單位寬度內鋼絞線的數量根據內水壓力的 大小、襯砌厚度和圍巖地質條件經計算確定。
錨具槽是用於實施鋼絞線張拉錨固的空間，位於混凝土襯砌底部內側，澆築襯砌 混凝土時預留，張拉鎖定後用膨脹混凝土回填密實。錨具槽尺寸根據張拉設備的尺寸經 計算確定，錨具槽間距根據每束錨索的鋼絞線分布寬度確定，通常情況下錨具槽間距為 500 800mm。構造鋼筋為常規混凝土結構用鋼筋，布置方法與常規環形混凝土結構相同，其作 用是為襯砌混凝土澆築和無粘結鋼絞線綁紮定位提供支架。所述的錨具槽設置在混凝土襯 砌底部內側，實施錨索張拉時，相鄰錨索的錨具移動方向相反。本發明提出的隧洞預應力混凝土襯砌新型結構的施工程序為1)根據預應力混凝土襯砌的斷面尺寸進行隧洞開挖和臨時支護。2)綁紮構造鋼筋。3)綁紮無粘結預應力鋼絞線。4)澆築襯砌混凝土。5)襯砌混凝土達到設計齡期後進行錨索張拉鎖定。6)錨具槽混凝土回填。7)對錨具槽回填混凝土進行養護。8)對錨索張拉形成的襯砌與混凝土的間隙進行灌漿處理。本發明的優點和效果是與已建工程相比，本發明具有三個突出優點①襯砌厚度減小約50%，錨索鋼絞 線和錨具用量減少約50%，隧洞巖石開挖量和混凝土澆築量也隨之減小，從而顯著降低工 程造價；②預應力錨索分布在襯砌混凝土外側表面，便於施工安裝且可使襯砌混凝土內預 應力分布更為均勻；③錨具槽布置在混凝土襯砌底部，便於錨索張拉和混凝土回填施工，同 時還可為錨具槽回填混凝土回填提供水養護環境，使回填的膨脹混凝土凝結硬化後產生膨 脹應力。從而保證回填混凝土與襯砌混凝土粘結和錨具保護的可靠性，顯著減小預應力薄 弱區範圍。
圖1是本發明混凝土襯砌結構斷面示意圖。圖2是本發明錨具槽平面位置示意圖。圖3是本發明無粘結鋼絞線在不同位置的布置示意圖。a圖1的1_1剖面，b圖1 的II-II剖面.圖4是本發明無粘結鋼絞線雙圈環繞方法示意圖。
具體實施例方式本發明結合附圖詳細描述如下，但它們並不是對本發明作任何限制。如圖所示，1混凝土襯砌，2圍巖表面，3內圈鋼絞線，4錨具槽，5外圈鋼絞線，6錨 具，7環向構造鋼筋，8軸向構造鋼筋。混凝土襯砌內側的尺寸由Rl控制，外部由R2控制； 混凝土襯砌底部內側的尺寸由Rl控制，外側尺寸由R3控制。隧洞按設計尺寸開挖完成後， 首先在圍巖表面2環向綁紮構造鋼筋7和軸向構造鋼筋8，然後在構造鋼筋上綁紮預應力內 圈鋼絞線3和外圈鋼絞線5。鋼絞線綁紮完成後，架設模板澆築混凝土襯砌1。待混凝土襯
4砌1養護至設計齡期後，在錨具槽4內安裝錨具6並實施張拉錨固，最後用膨脹混凝土回填 錨具槽。本發明提出的隧洞預應力混凝土襯砌結構的設計方法為1)根據隧洞的工作水頭、圍巖地質條件確定混凝土襯砌的斷面尺寸。2)根據設計預壓應力值和混凝土襯砌斷面尺寸，通過計算(最好是有限元計算， 計算方法可參考天津大學學報39卷第八期的文章「環錨預應力混凝土襯砌三維有限元分 析」)確定無粘結鋼絞線的分布間距。3)根據無粘結鋼絞線的分布間距和錨具的錨孔數量，確定錨具槽間距。4)根據擬用鋼絞線張拉設備(通常是根據設計要求委託專業廠家製造)的尺寸確 定錨具槽尺寸。5)根據鋼筋混凝土設計規範，確定構造鋼筋的數量和布置方式。隧洞通水運行時，在內水壓力作用下，混凝土襯砌內將產生拉應力，當該拉應力大 於混凝土的抗拉強度時，混凝土會產生開裂和滲漏，導致輸水損失和圍巖變形甚至破壞。本 發明在襯砌外側安裝無粘結鋼絞線，通過張拉鋼絞線使混凝土襯砌產生預壓應力來抵消內 水壓力。可以有效保證襯砌結構不裂不滲和安全運行。應用實施例1隧洞壓力水頭100m，隧洞襯砌外徑Rl = 3. 3m,內徑R2 = 3. Om,底部混凝土襯砌 外徑R3 = 3. lm，襯砌厚度0. 3m，錨具槽間距0. 52m，每束錨索的雙圈環繞鋼絞線4根，鋼絞 線分布間距0. 065m，鋼絞線抗拉強度為1860MPa，按設計強度的75%實施錨索張拉，襯砌 混凝土內的最大預壓應力為IOMPa(錨具槽區域的襯砌混凝土)，其他區域的預壓應力為
5.OMPa，可使隧洞在最高水頭運行期間，襯砌混凝土始終處於受壓狀態，不會出現開裂和滲 漏。應用實施例2隧洞壓力水頭150m，隧洞襯砌外徑Rl = 3. 6m,內徑R2 = 3. 2m,底部混凝土襯砌 外徑R3 = 3. 3m,襯砌厚度0. 4m,錨具槽間距0. 60m,每束錨索的雙圈環繞鋼絞線6根，鋼 絞線分布間距0. 05m，鋼絞線抗拉強度為1860MPa，按設計強度的75%實施錨索張拉，襯砌 混凝土內的最大預壓應力為IlMPa(錨具槽區域的襯砌混凝土)，其他區域的預壓應力為
6.OMPa,可使隧洞在最高水頭運行期間，襯砌混凝土始終處於受壓狀態，不會出現開裂和滲 漏。應用實施例3隧洞壓力水頭80m，隧洞襯砌外徑Rl = 3. 3m,內徑R2 = 3. Om,底部混凝土襯砌 外徑R3 = 3. Im,襯砌厚度0. 3m,錨具槽間距0. 60m,每束錨索的雙圈環繞鋼絞線3根，鋼 絞線分布間距0. 10m，鋼絞線抗拉強度為1860MPa，按設計強度的75%實施錨索張拉，襯砌 混凝土內的最大預壓應力為6. OMPa(錨具槽區域的襯砌混凝土)，其他區域的預壓應力為 4. OMPa,可使隧洞在最高水頭運行期間，襯砌混凝土始終處於受壓狀態，不會出現開裂和滲 漏。
權利要求
一種隧洞預應力混凝土襯砌結構，其特徵在於它包括構造鋼筋、無粘結鋼絞線、混凝土襯砌和錨具槽；無粘結鋼絞線以雙圈環繞的方式布置在混凝土襯砌外側，在位於混凝土襯砌底部內側的錨具槽中鎖定錨固。
2.根據權利要求1所述的隧洞預應力混凝土襯砌結構，其特徵在於所述的混凝土襯砌 斷面在錨具槽上方為圓環形，在錨具槽區域為近似卵形，錨具槽回填混凝土為膨脹混凝土， 回填後採用水中養護方式。
3.根據權利要求2所述的隧洞預應力混凝土襯砌結構，其特徵在於所述的混凝土襯砌 設計強度等級為C30 C50 ；混凝土襯砌厚度為300 400mm ；斷面形狀在大部分區域為圓 環形，近似卵形區域的襯砌折算厚度稍大於圓環區域的襯砌厚度。
4.根據權利要求1所述的隧洞預應力混凝土襯砌結構，其特徵在於所述的無粘結鋼絞 線以雙圈環繞均勻分布的方式綁紮固定在靠近圍巖表面的構造鋼筋上，進入錨具槽的鋼絞 線逐漸收縮為束狀錨索，用夾片式錨具鎖定。
5.根據權利要求1所述的隧洞預應力混凝土襯砌結構，其特徵在於所述的錨具槽間距 為 500 800mm。
6.根據權利要求1所述的隧洞預應力混凝土襯砌結構，其特徵在於所述的錨具槽設置 在混凝土襯砌底部內側，實施錨索張拉時，相鄰錨索的錨具移動方向相反。
7.一種權利要求1所述的隧洞預應力混凝土襯砌的施工程序，其特徵在於包括的步驟1)根據預應力混凝土襯砌的斷面尺寸進行隧洞開挖和臨時支護；2)綁紮構造鋼筋；3)綁紮無粘結預應力鋼絞線；4)澆築襯砌混凝土；5)襯砌混凝土達到設計齡期後進行錨索張拉鎖定；6)錨具槽混凝土回填；7)對錨具槽回填混凝土進行養護；8)對錨索張拉形成的襯砌與混凝土的間隙進行灌漿處理。
全文摘要
本發明涉及一種隧洞預應力混凝土襯砌結構及其施工程序。該結構的特點是將無粘結預應力鋼絞線在襯砌混凝土澆筑前以雙圈環繞的方式均勻布置在混凝土襯砌的外側表面(靠近圍巖表面)，錨具槽設置在襯砌底部內側，待混凝土凝結硬化至設計齡期後，在錨具槽內實施錨索張拉鎖定，然後回填錨具槽混凝土並進行養護，最後對錨索張拉形成的襯砌與圍巖的間隙進行灌漿處理。本發明原理明確，施工簡單，工程質量易於保證，與已建類似工程相比，可節省50％左右的混凝土、鋼絞線和錨具等材料用量，並可顯著減小隧洞開挖工程量，可顯著降低工程造價。
文檔編號E21D11/10GK101982643SQ201010505400
公開日2011年3月2日 申請日期2010年10月13日 優先權日2010年10月13日
發明者亢景付 申請人:天津大學