一种用于隧道加固的预制衬砌及其安装方法
技术领域
本发明涉及一种隧道加固修复施工领域，特别是一种用于隧道加固的预制衬砌及其安装方法。
背景技术
在隧道加固修复施工领域中，现有的隧道加固技术手段主要以加肋钢筋、锚杆、钢筋网、喷射混凝土形成一个“环形加固结构”，以补强裂损衬砌，基本步骤如下：
1)封闭隧道，清理衬砌表面既有装饰层、油污、浮尘杂质；
2)净空判断：依据净空断面测量数据及限界尺寸，对局部净空不足部分，适当凿除衬砌以保证喷混凝土覆盖后不侵限；
3)施作锚杆：根据设计间距在衬砌表明放线，确定锚杆位置；
4)衬砌凿毛：对衬砌表面进行凿毛处理；
5)布设加肋筋：沿锚杆环向布置多根加肋钢筋，通过奸钉固定于衬砌，并与锚杆焊接连接；
6)铺设钢筋网：在衬砌表面铺设一层钢筋网，并用钢筋奸钉固定于衬砌；
7)布设纵向筋：沿隧道拱、墙脚通长设置两根钢筋，与锚杆焊接固定；
8)铺设导水管：沿原衬砌环向布置PVC导水管：
9)喷混凝土:喷混凝土覆盖，养护28天后，隧道开始运营。
申请号201920330566.9的发明专利，提出了一种具有密封及注浆功能的内接式隧道衬砌板，其技术方案是：钢波纹板板片在波峰、波谷方向有弯曲弧度,弯曲弧度与隧道的内壁弯曲弧度相匹配,钢波纹板板片的四周垂直焊接连接法兰，相邻的钢波纹板板片的连接法兰通过连接螺栓相连接，密封垫放置在两个连接法兰之间进行密封，注浆管为三通管，注浆管的两个相对的长管放置在钢波纹板板片的波谷内，钢波纹板板片的波谷底面有注浆孔，注浆管的垂直管通过注浆孔进入隧道内。
申请号201410211078.8的发明专利，提供了一种既有隧道拱部衬砌严重开裂无净空加固体系，本加固方法预先凿除一层的既有混凝土衬砌的拱部铺设钢筋网，钢筋网内沿隧道纵向凿设多道既有衬砌凿槽，内嵌H型钢架，打设锚杆，锚杆端部通过锚杆垫板和连接螺栓固定在H型钢架上。锚杆之间间隔打孔预埋有用于在衬砌背后注浆填实空洞的拱部注浆管，H型钢架之间固定有W型钢带。对既有隧道拱部衬砌严重开裂部分的背后进行注浆处理，填实空洞，选用H型钢拱架及W型钢带配合钢筋网、锚杆、喷混凝土形成综合加固体系，对拱部严重开裂病害进行加固。
申请号201911021563.8的发明专利，提供了一种适用于衬砌厚度略欠、裂损中等的隧道网喷钢纤维砼隧道加固的方法，解决加固后抗压、抗弯、抗剪能力欠佳，衬砌结构承载能力弱，安全性差技术问题。本发明经过断面监测复测→衬砌凿毛→涂刷界面剂→锚栓锚固→挂设钢筋网→喷射作业→喷层整平→养护；同时还公开了一种隧道复测的方法，通过全站仪实测隧道断面附近任意点的三维坐标；反算出此点的设计桩号和中线偏距，计算出设计标高；再对实测数据加以计算、成图；将复测断面与原设计断面进行对比。
上述施工方法的主要缺点在于：施工过程中要封闭隧道，阻断车辆通行，施工步骤繁琐、周期长，严重影响隧道的正常运营。施工过程中，无论是开槽的过程，还是浇筑和养护混凝土的过程，耗时都比较长，导致施工工期长、对交通影响较久。安装钢拱架后还需要喷射混凝土填充拱架形成的网格，进一步增加了施工的难度和时间。
发明内容
针对以上不足，本发明提供了一种用于隧道加固的预制衬砌及其安装方法，通过在隧道原衬砌内侧安装超高性能混凝土预制衬砌，结构简单，安装方便，可以实现隧道正常运营的同时，完成对病害隧道快速加固补强施工。
本发明的技术方案为：
一种用于隧道加固的预制衬砌，安装于隧道原衬砌内侧，所述预制衬砌包括截面均为弧形的左预制衬砌和右预制衬砌，所述左预制衬砌和右预制衬砌关于隧道中轴线对称，并在隧道顶部对接，预制衬砌与隧道原衬砌之间为注浆层，所述左预制衬砌和右预制衬砌均由若干块宽度相同的子衬砌组成，所述子衬砌沿隧道延伸方向排列并相互连接，所述左预制衬砌和右预制衬砌对接处为齿形接头形对接，齿形接头为梯形结构，并位于每个子衬砌的顶部中间，每个齿形接头轴向开设有螺栓孔，以螺栓连接，所述预制衬砌的厚度H＝ΔDmin-T，其中D为稳定状态时的隧道原衬砌内侧轮廓，ΔDi为轮廓上任意点i与净空限界的距离，ΔDmin为ΔDi的最小值，T为施工预留误差和行车安全冗余量。
所述子衬砌的宽度为A，齿形接头梯形的顶边长度为C，高度为L，斜边倾角为Φ，梯形底边角到子衬砌侧边距离为B，所述A＝2×B+C+2×L/tanΦ。
通过计算，当预制衬砌的厚度H≥15cm时，取15cm，当预制衬砌的厚度H<15cm时，对预制衬砌的加固效果进行安全验算，并提高预制衬砌管片的配筋率和混凝土型号以满足安全性要求。
还包括预制底座，所述预制底座包括截面均为L型左预制底座和右预制底座，并沿隧道方向延伸，预制底座由若干块宽度相同的子底座连接构成，所述子底座的宽度与子衬砌的宽度相同；所述预制底座均匀间隔设置锚杆、升降调节螺栓和水平调节螺栓，所述锚杆一端横向穿过隧道原衬砌，另一端与升降调节螺栓焊接，所述升降调节螺栓底端竖直固定于预制底座底壁，顶端与预制衬砌相连接，所述水平调节螺栓由外向内穿过预制底座侧壁，顶端抵住预制衬砌内表面。
所述预制衬砌和预制底座均采用超高性能混凝土浇筑而成。
每个所述子衬砌的下部设有注浆孔，上部设有排气孔，所述注浆孔和排气孔均通向注浆层。
每个所述子衬砌的侧面，距离子衬砌内、外表面20mm位置处均设有防水凹槽，所述防水凹槽深5mm，宽10mm，防水凹槽内贴有吸水膨胀橡胶。
首块和尾块的所述子衬砌的上表面边缘上粘贴有密封橡胶，所述隧道原衬砌的相应位置上设有带密封凹槽的粘钢，所述密封凹槽的宽度略小于密封橡胶宽度，所述密封橡胶用于压入粘钢的密封凹槽，并将预制衬砌的两端缝隙封闭。
一种用于隧道加固的预制衬砌安装方法，包括以下步骤：
S1：清理隧道原衬砌；
S2：测量隧道变形量，获取隧道原衬砌内侧轮廓D，结合设计要求的净空限界，计算轮廓内侧任意点i与净空限界的距离ΔDi及其最小值ΔDmin；
S3：通过公式H＝ΔDmin-T，计算预制衬砌厚度H，其中T为施工预留误差和行车安全冗余量，通过计算，当H≥15cm时，取15cm，进入步骤S5，当H<15cm，进入步骤S4；
S4：对预制衬砌的加固效果进行安全验算，如果预制衬砌厚度不满足隧道加固要求，则提高预制衬砌管片的配筋率和混凝土型号，并重新验算，直至满足加固要求；
S5：计算预制底座中升降调节螺栓的位置，在隧道原衬砌的拱脚处相应位置打入锚杆；
S6：安装首块和尾块子衬砌，并将子衬砌上表面边缘上粘贴的密封橡胶与原衬砌粘钢凹槽压合在一起；
S7：封闭隧道左侧车道，安装左预制底座，将升降调节螺栓与锚杆自由端部焊接固定，将左预制衬砌放置在左预制底座中，左预制衬砌底端与升降调节螺栓连接固定，将水平调节螺栓穿过左预制底座侧壁，端部抵住左预制衬砌，调节左预制衬砌的高度和水平位置，安装完毕后，恢复左侧车道通行；
S8：封闭隧道右侧车道，安装右预制底座，将升降调节螺栓与锚杆自由端部焊接固定，将右预制衬砌放置在右预制底座中，右预制衬砌底端与升降调节螺栓连接固定，将水平调节螺栓穿过右预制底座侧壁，端部抵住右预制衬砌，调节右预制衬砌的高度和水平位置，安装完毕后，恢复右侧车道通行；
S9：检查首块和尾块子衬砌与原衬砌之间的密封性，以及子衬砌之间的密封性，满足要求后，进入步骤S10；
S10：打开子衬砌的排气孔，通过注浆孔对预制衬砌进行壁后注浆，直至注浆压力达到要求，对壁后注浆层密实度进行检查；
S11：将注浆孔和排气孔密封。
所述步骤S6具体为：采用AB组分环氧胶将一定宽度的密封橡胶粘贴在首块和尾块子衬砌的上表面边缘，在原衬砌的相应位置安装带有密封凹槽的粘钢，密封凹槽宽度略小于密封橡胶的宽度，在安装首块和尾块子衬砌时，给予一定的径向压力，使密封橡胶压入粘钢的密封凹槽中。
本发明的优点在于：
(1)每次施工只封闭施工区域下方的车道，其它车道仍可正常通行，不影响隧道正常运营。由于预制衬砌由若干块子衬砌组成，安装时分块安装，施工过程中只需要封闭施工区域对应的隧道，当车道对应的预制衬砌安装完成后，即可恢复车道通车，再封闭另一区域车道进行预制衬砌安装，直到所有的预制衬砌安装完毕；
(2)对隧道结构损伤小。无需在原隧道结构上开槽，也无需重新浇筑或喷射混凝土，减少了开槽、混凝土浇筑、养护等过程，减少了施工工序、降低施工难度，解决了现有加固方法对原衬砌结构造成二次损伤的技术难题；
(3)维修速度快，效率高。超高性能混凝土预制衬砌、预制底座等均为预制构件，在工厂加工完成，现场组装时，子衬砌间、预制衬砌与预制底座间均为螺栓连接，现场只需调节好位置，然后使用螺栓加固，即可快速完成连接，极大地减少了施工时间，解决了现有加固方法效率低、耗时长、对交通影响大的难题。
附图说明
图1为本发明隧道预制衬砌安装正视图；
图2为本发明子衬砌结构正视图；
图3为本发明子衬砌的左视图；
图4为本发明的预制衬砌和预制底座安装连接图；
图5为本发明的预制衬砌和预制底座连接部俯视图；
图6为C30混凝土衬砌和超高性能混凝土衬砌竖向位移变形对比云图；
图7为C30混凝土衬砌和超高性能混凝土衬砌水平位移变形对比云图；
图8为预制衬砌拼装完成俯视图和首尾块子衬砌密封橡胶位置。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
术语解释：
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隧道衬砌：为了防止围岩变形或坍塌，沿隧道洞身周边用钢筋混凝土等材料修建的永久性支护结构，多数情况下采用复合式衬砌，先进行初期支护，然后施加二次衬砌(简称二衬)即本申请所述的“原衬砌”。本发明的预制衬砌安装在二次衬砌内侧。
锚杆：是一种深入地层的受拉构件，它一端与工程构筑物连接，另一端深入地层中，整根锚杆分为自由段和锚固段，自由段是指将锚杆头处的拉力传至锚固体的区域，其功能是对锚杆施加预应力；锚固段是指水泥浆体将预应力筋与土层粘结的区域，其功能是将锚固体与土层的粘结摩擦作用增大，增加锚固体的承压作用，将自由段的拉力传至土体深处，可以用来固定土体表面的物体。
预制衬砌：采用高强抗渗混凝土，以确保可靠的承载性和防水性能，生产主要利用成品衬砌模具在密封浇灌混凝土后即可成型。
壁后注浆：对加固板和二衬之间的空隙进行补充注浆，填充之间的空隙，使二者紧密结合在一起。
隧道建筑限界：又称隧道净空，是指隧道内表面的最小必要距离，以提供界于车辆或运货或人行交通的最近通道和他们的表面间的空间。隧道的最小尺寸是由以下两者来确定，一是根据在隧道中建议的交通类型而确定的最小净空，二是其他要求的间距，比如通风管道和管线。
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参考图1和图2，本发明是一种用于隧道加固的预制衬砌，安装于隧道原衬砌10内侧，预制衬砌20包括截面均为弧形的左预制衬砌21和右预制衬砌22，左预制衬砌21和右预制衬砌22关于隧道中轴线对称，并在隧道顶部对接，预制衬砌20与隧道原衬砌10之间为注浆层30。在安装预制衬砌20时，需要为注浆层30预留空隙，安装结束后进行壁后注浆。在隧道延伸方向上，左预制衬砌21和右预制衬砌22均由若干块宽度相同的子衬砌200组成，子衬砌200沿隧道延伸方向排列并相互连接。
在子衬砌200的数量选择上，可根据受损病害隧道的长度而定，倾向于尽量减少子衬砌200的数量。如果长度较短，也可采用一块左预制衬砌21和一块右预制衬砌22进行安装，如果长度较长，可采用两块以上进行拼装。从隧道的受力方式分析，预制衬砌20分块太多，影响拼装完成后衬砌的整体刚度，不利于发挥超高性能混凝土预制衬砌的最佳承载力。同时，会增加现场拼装时间，影响施工效率，第三方面，如果拼缝太多，不利于防水，容易引发渗水漏水现象。
参考图3，左预制衬砌21和右预制衬砌22顶部对接处为交错式齿形接头形对接，齿形接头23为梯形结构，并位于每个子衬砌200的顶部中间，齿形接头23轴向开设有螺栓孔231，以螺栓纵向连接，使左预制衬彻21的子衬彻和右预制衬彻22的子衬彻200交错排列并相互倚靠。每个子衬砌200的下部设有注浆孔24，上部设有排气孔25，注浆孔24和排气孔25均通向预制衬砌20壁后的注浆层30。注浆孔24用于预制衬砌20安装完毕后，通过注浆孔24向预制衬砌20的壁后注浆，填充预制衬砌20和原衬彻10之间的空隙，使二者紧密结合在一起，排气孔25用于便于注浆中的空气排出。
为了保证预制衬砌20具有足够的加固效果，预制衬砌20的厚度H＝ΔDmin-T，其中D为稳定状态时的隧道原衬砌10内侧轮廓，ΔDi为轮廓上任意点i与净空限界的距离，ΔDmin为ΔDi的最小值，T为施工预留误差和行车安全冗余量。通过计算，当预制衬砌20的厚度H≥15cm时，取15cm，当预制衬砌20的厚度H<15cm时，需要对预制衬砌20的加固效果进行安全验算，看是否能满足要求，如果预制衬砌20的厚度不满足隧道加固要求，需要提高预制衬砌20管片的配筋率和混凝土型号，然后重新验算以满足安全性要求。
在计算子衬砌的尺寸上，设子衬砌200的宽度为A，齿形接头23梯形的顶边长度为C，高度为L，斜边倾角为φ，梯形底边角到子衬砌200侧边距离为B，需要满足A＝2×B+C+2×L/tanφ。
参考图4和图5，为了便于安装和固定，本发明的隧道预制衬彻20还包括预制底座40，预制底座40包括截面均为L型左预制底座和右预制底座，并沿隧道方向延伸，预制底座由40若干块宽度相同的子底座连接构成，子底座的宽度与子衬砌200的宽度相同，安装时一一对应。预制底座40均匀间隔设置锚杆41、升降调节螺栓42和水平调节螺栓43，锚杆41一端横向穿过隧道原衬砌10，另一端与升降调节螺栓42焊接，升降调节螺栓42底端竖直固定于预制底座40底壁中，顶端与预制衬砌20相连接，水平调节螺栓43由外向内穿过预制底座40侧壁，顶端抵住预制衬砌20内表面。通过旋转调节升降调节螺栓42和水平调节螺栓43，可以调节预制衬彻20的高度和水平位置，使所有的子衬彻200的高度相同，水平位置上弧形角度一致，整齐划一。
进一步地，本发明的预制衬砌20和预制底座40均采用内置钢筋网的超高性能混凝土浇筑而成。超高性能混凝土掺杂有钢纤维或复合纤维，具有很高的抗压强度和弹性模量，其抗压强度最高可达180Mpa，弹模最大达到55Gpa。而普通混凝土抗压强度普遍在20-40Mpa，弹性模量在14-41Gpa。
参考图6和图7，采用C30混凝土和超高性能混凝土作为直径15.6m公路隧道的衬砌材料进行数值模拟，可以发现：C30混凝土衬砌拱脚处的最大竖直位移为2.167mm，超高性能混凝土衬砌拱脚处竖直位移1.818mm，C30混凝土比超高性能混凝土衬砌竖向方向变形量大19.2％。C30混凝土衬砌最大水平位移为0.63mm，超高性能混凝土衬砌最大水平位移0.44mm，C30混凝土比超高性能混凝土衬砌水平方向变形量大43.2％。图6和图7中，上图均为C30混凝土衬砌的位移变形云图，下图均为超高性能混凝土衬砌的位移变形云图。
在自密性和防水性方面，超高性能混凝土具有良好的自密性和防水性：其采用最大堆积密度理论进行设计，孔隙率小于2％，抗渗能力强。同时在浇筑预制衬砌时，添加自修复胶囊，在后期使用中出现微裂纹后，在裂隙扩展时，自修复胶囊被撕裂，内部密封材料流出，发挥超强的粘结作用，填充微裂纹，实现自我修复，达到密闭防水效果。
在纵向上，每个子衬砌200首尾相连，为了使连接处密封防水，每个子衬砌200的侧面，距离子衬砌200内、外表面20mm位置处均设有防水凹槽26，防水凹槽26深5mm，宽10mm，防水凹槽26内贴有吸水膨胀橡胶，膨胀橡胶遇水膨胀，达到密封防水的效果。
参考图8，在预制衬砌20安装完毕后，需要通过注浆孔24进行壁后注浆，为了防止浆液从隧道两端的缝隙流出，需要对首块和尾块的子衬砌200的上表面边缘上粘贴密封橡胶27进行密封。因此，首块和尾块的子衬砌200的上表面边缘粘贴有三元乙丙橡胶，三元乙丙橡胶的厚度略大于预制衬砌20和原衬砌10之间的缝隙，隧道原衬砌10的相应位置上设有带密封凹槽的粘钢，密封凹槽的宽度略小于密封橡胶27宽度，安装时，将密封橡胶27压入粘钢的密封凹槽，将预制衬砌20的两端缝隙封闭。
本发明的预制衬彻20在混凝土搅拌站加工预制成，并养护至少28天，方可运输至施工现场进行拼接安装，本发明的隧道预制衬砌20的安装方法，包括以下步骤：
S1：清理隧道原衬砌10，清除原衬砌10混凝土表面的装饰层、油污、污尘杂质；
S2：测量隧道变形量，采取三维激光扫描设备获取隧道加固断面原衬砌10内侧信息，并给合历史检测数据，分析隧道变形发展历史，确定稳定状态时的隧道轮廓D，结合设计要求的净空限界，计算稳定状态时轮廓内侧任意点i与净空限界的距离ΔDi及其最小值ΔDmin；
S3：计算预制衬砌20尺寸，通过公式H＝ΔDmin-T，计算预制衬砌20厚度H，其中T为施工预留误差和行车安全冗余量，通过计算，当H≥15cm时，取15cm，进入步骤S5，当H<15cm，进入步骤S4；
S4：采用数值模拟或理论计算方法，对预制衬砌20的加固效果进行安全验算，看是否能满足要求，如果不能满足要求，如果预制衬砌20厚度不满足隧道加固要求，需要提高预制衬砌20管片的配筋率和混凝土型号，然后重新验算；
S5：计算预制底座40中升降调节螺栓42的位置，在隧道原衬砌10的拱脚处相应位置打入锚杆41；
S6：安装首块和尾块子衬砌200，并将其上表面边缘上粘贴的密封橡胶27与原衬砌10粘钢凹槽压合在一起，具体为：采用AB组分环氧胶将一定宽度的三元乙丙橡胶粘贴在首块和尾块子衬砌200的上表面边缘，三元乙丙橡胶的厚度略大于预制衬砌20和原衬砌10之间的缝隙；在原衬砌10的相应位置安装带有密封凹槽的粘钢，密封凹槽宽度略小于密封橡胶27的宽度，在安装首块和尾块子衬砌200时，给予一定的径向压力，使子衬砌200上的密封橡胶27压入粘钢的密封凹槽中；
S7：安装左预制衬砌21，具体为：封闭隧道左侧车道，安装左预制底座，将升降调节螺栓42与锚杆41自由端部焊接固定，将左预制衬砌21放置在左预制底座中，左预制衬砌21底端与升降调节螺栓42连接固定，将水平调节螺栓43穿过左预制底座侧壁，端部抵住左预制衬砌21，调节左预制衬砌21的高度和水平位置，安装完毕后，恢复左侧车道通行；
S8：安装右预制衬砌22，具体为：封闭隧道右侧车道，安装右预制底座，将升降调节螺栓42与锚杆41自由端部焊接固定，将右预制衬砌22放置在右预制底座中，右预制衬砌22底端与升降调节螺栓42连接固定，将水平调节螺栓43穿过右预制底座侧壁，端部抵住右预制衬砌22，调节右预制衬砌22的高度和水平位置，安装完毕后，恢复右侧车道通行；
S9：检查首块和尾块子衬砌200与原衬砌10之间的密封性，以及子衬砌200之间的密封性，满足要求后，进入步骤S10；
S10：打开子衬砌200的排气孔25，通过注浆孔24对预制衬砌20进行壁后注浆，检测壁后注浆压力，直至注浆压力达到要求后停止注浆，用超声波对壁后注浆层30密实度进行检查；
S11：将带有密封垫的螺栓安装到注浆孔24和排气孔25中，将其密封。
本发明对裂损或结构变形的隧道，通过左右两侧超高性能混凝土预制衬砌对衬砌结构进行加固补强，安装过程快速简便，不影响隧道正常运营。本发明适用于存在裂损、变形、厚度不足，渗漏水等病害或缺陷、但建筑限界仍存在一定富余的隧道，可以分车道进行施工，施工过程中只需要封闭相应的车道，不影响其余车道的正常通行。本发明采用直接在衬砌内侧安装预制超高性能混凝土预制衬砌，也不需要灌注或喷射混凝土，施工方法更为简便快捷，无需在原结构上开槽，直接通过锚杆和预留螺栓将超高性能混凝土预制衬砌安装在原衬砌内侧，在现场快速完成安装，施工手段便捷、用时短，可极大减少加固施工的难度和时间。
以上公开的仅为本发明的实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
