CN111997648A

CN111997648A - 一种内弧面带钢裙边的钢筋混凝土管片及防水方法

Info

Publication number: CN111997648A
Application number: CN202010885052.7A
Authority: CN
Inventors: 周希圣; 周明崴; 陆建梅
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-08-28
Filing date: 2020-08-28
Publication date: 2020-11-27

Abstract

传统盾构、顶管混凝土隧道的接头防水均通过安装橡胶止水带的形式，使用一定年限后因橡胶老化导致的隧道渗漏、破坏等极难修复。为此，本发明创新提出一种内弧面带钢裙边的钢筋混凝土管片及其防水方法，创新在隧道管片内弧面的四周，设置一定宽度和厚度的钢板裙边，经防锈蚀处理后，通过锚固筋或栓钉等与管片钢筋固定，与并管片或管节浇筑成整体。隧道衬砌拼装完成后，将相邻管片的钢裙边焊接，或在接缝裙边表面压接安装一道可更换的止水装置。这样，整个隧道结构接头部位不再成为使用年限的短板，可将百年使用年限升级至千年或更久，并具有造价低的特点。

Description

一种内弧面带钢裙边的钢筋混凝土管片及防水方法

技术领域

本发明属于隧道工程领域，是一种内弧面钢裙边-钢筋混凝土管片(节)结构物及其防水技术。

背景技术

盾构管片或混凝土顶管隧道的管节承担着抵抗土层压力、地下水压力以及一些特殊荷载的作用，常采用高强抗渗混凝土，以确保可靠的承载性和防水性能，但在特殊受力要求的部位，有时采用钢管片，又称复合管片，比如在隧道联络通道位置。为了满足接缝防水要求，在管片(节)接缝处设置了弹性橡胶密封垫和挡水条构成防水线，隧道断面的部分区域进行嵌缝防水，所有防水措施中，弹性橡胶密封垫为主要防水措施。

弹性密封垫由三元乙丙橡胶挤出硫化而成且在其顶面嵌入水膨胀橡胶，下部开有多个孔槽，可改善应力-应变特性，使接缝张开一定范围时，密封垫接触面的压应力变化较小，在满足水密要求的前提下减小应力，地铁弹性橡胶密封垫的厚度在16mm左右。

挡水条主要由遇水膨胀橡胶制作而成，一般厚度较薄，在2~4mm之间，起加强防水的作用，主要防水靠前面的弹性橡胶密封垫。

嵌缝防水是对密封垫防水的补充措施，即在管片(节)环缝和纵缝中沿管片内侧设置的嵌缝槽内，采用嵌缝止水材料填封密实而达到防水目的的一种接缝防水方法。嵌缝防水严格意义上说，不是堵水，而是引水，是将接缝渗漏水引导至规定位置，比如，上海地铁标准管片拱底86°，拱顶43°进行嵌缝施工。嵌缝材料种类繁多，一般用水膨胀腻子加封氯丁乳胶水泥的方式。

目前，对于普通隧道混凝土管片(节)的防水技术研究，集中体现在如下几方面：

(1)弹性密封垫的力学性能研究。借助数值分析与传统结构力学，将数值方法计算结果与常规计算结果进行对比，分析计算不同工况条件下，如不同埋深、不同压应力，以及不同安装状态下，弹性密封垫的变形特性、闭合压缩力、平均接触应力等特性参量，以获得密封垫在底部与管片槽口粘贴、密封垫顶部涂抹润滑剂及沾水等多种工作状态下的防水性能参数。

(2)弹性密封垫的断面设计及相关试验研究。针对不同直径、不同埋深的隧道或顶管，隧道管片(节)厚度存在差异，开展弹性橡胶密封垫与复合型橡胶密封垫的不同断面形式的适应性研究，构建单排孔型、多排孔型及复合型等多种断面形式，开孔形状、断面开槽数量、断面开孔率、密封垫橡胶材料硬度、密封垫拼装姿态(张开量、错位量)进行多因素关联的敏感度分析、断面设计及试验研究，以期形成较优的防水方案。

(3)盾构隧道或顶管密封垫防水能力及失效模式研究。通过工程类比、数值模拟、防水性能试验、结构构造等方法，研究不同直径、不同水压、以及不同曲率半径盾构隧道的接缝防水失效模式。研究表明，隧道管片或顶管管节结构不同张开量及错台量对于抵抗水压力的影响巨大，当管片（节）张开量超过6mm，错台超过10mm，浅埋深条件下即出现手孔渗漏、蹿水等失效模式。

(4)密封垫长期防水性能研究。研究建立弹性密封垫橡胶的老化系数模型，开展热氧加速老化试验，预测橡胶在不同温度和时间状态下的性能，进一步研究密封垫防水能力受服役时间和张开量的影响规律。研究表明，橡胶的拉伸强度在老化前期受拉断伸长率变化的影响迅速下降，后期主导因素转变为拉伸模量；老化系数随着时间的增加而持续下降，但下降速度逐渐减小,最终服役百年后的老化系数为0.364；密封垫耐水压折减系数随着张开量的减小而降低。

(5)隧道渗漏水整治综合技术研究。顶管或盾构隧道本身具有多缝、多孔的特点，极易因为施工不当等原因造成渗漏。目前，顶管或盾构隧道发生渗漏后，多通过结构背后回填灌浆，将空腔水变成裂隙水来进行治理。受隧道结构属性的限制，加上运营荷载的震动和扰动，渗漏水整治极为困难。

目前，盾构隧道设计使用年限一般不会超过100年，所有的钢筋混凝土结构、构造，包括弹性橡胶密封垫等在100年内可能没问题。但100年后，比如地铁隧道，我们花费巨资建成，其占据了城市地下最为重要的地下空间资源，如果到了该阶段，因为橡胶的老化，弹性橡胶密封垫失效，最为重要的防水线失去作用，我们治理将极为困难，并有可能导致隧道报废、停运等，细思极恐，其影响极为巨大。为此，如何在尽量减少工程造价的前提下，兼顾隧道施工、永久使用，将隧道管片(节)接缝位置的防水性能、使用寿命与管片结构本身的使用寿命等同设计，是隧道结构工程建设的难点，也是本发明着力解决的问题。

发明内容

本发明提出一种接缝同等使用年限的钢裙边-钢筋混凝土隧道管片(节)结构，其发明的主要内容包括如下几个主要方面：(1)在现有钢筋混凝土管片(节)结构的基础上，创新地提出了设置内弧面钢裙边的钢筋混凝土管片(节)结构，极大融合了钢筋混凝土管片造价低，钢管片接头永久防水易处理的特点；(2)创新将钢裙边借助锚固钢筋或栓钉等与钢筋混凝土管片(节)的主筋固定，整体制作。(3)创新构建出弹性橡胶密封垫+挡水条+止水钢板三道防水线，较普通盾构隧道区间增加了一道防水措施。(4)创新对钢板裙边-钢筋混凝土管片的裙边进行了防锈蚀处理。

上述各结构节约化布置，整体工厂化制作，在实现防水功能的同时，极大提高了管片(节)衬砌结构的服务年限，并实现本发明的目标。

本发明的有益效果：

（1）极大延长了隧道普通钢筋混凝土衬砌结构的使用年限

普通弹性橡胶垫服务一定年限后，将存在老化现象，加上安装过程可能导致的破坏，由于其安装位置在隧道管片接缝的中部靠外侧，无法进行更换，特别在其老化失效后，引发的隧道渗水涌砂，将进一步导致隧道的变形破坏。而混凝土、钢筋等的服务年限长，可服务1000年甚至10000年以上，采用内弧面钢裙边止水，整体材质基本相同，整个系统结构不存在短板，服务年限可达万年。

（2）防水性能强

安设钢板裙边后，对于不同直径、不同水压、以及不同曲率半径盾构隧道及顶管管节接缝的防水能力极强，能够充分适应隧道衬砌结构不同张开量及错台量，对于施工的容错性强；同时，钢板裙边与混凝土衬砌结构整体浇筑，结合面抗渗能力强，可适应超深地层、超高水压力等恶劣环境条件。

（3）使用材料省，造价低

仅仅在衬砌结构的内弧面设置了钢板裙边，对于10mm厚50~70mm的钢板，其重量大约仅与1根直径25~28mm的钢筋相当，外加适量的锚固钢筋或栓钉，整体用料非常节约，造价低。

（4）便于结构维护

隧道建成后，其运营维护条件非常严苛。以地铁区间隧道为例，其白天主要为行车时间，夜晚留给设备、轨道等的检修时间极短，同时，隧道内各类管线、监控、信号等设备众多，一旦隧道接缝渗漏，须进行注浆封堵，效果差，对隧道运营影响大。钢板裙边接缝焊接止水系统形成后，仅须每隔数十年进行一次加涂防腐涂料，即便焊缝有破坏，补焊加固特别容易，若采用不锈钢结构，接缝位置终身免维护，隧道若无外力破坏，终身免维修。

（5）提高了隧道结构的整体性

正常弹性橡胶密封垫、挡水条等防水措施，在结合面主要靠弹性变形压紧来挡水，而有一定厚度的钢板止水，其若通过焊接的形成整体，可以承受一定量的抗剪与抗拉应力，有一定的抵抗隧道变形的能力，隧道的整体性得到进一步的加强。

【具体实施方式】

可以通过如下几个核心步骤，实现本发明所述方法：

(1)裙边钢板加工。选择一定宽度和厚度的钢板，按照内弧面衬砌结构的尺寸，弯曲成形，焊接锚固钢筋或栓钉；若选用普通板材，须进行内表面防锈蚀处理。

钢裙边-钢筋混凝土隧道衬砌结构制作。将钢裙边的锚固筋或栓钉与混凝土管片的主筋进行焊接或锚固，浇筑混凝土，完成衬砌结构制作；

(3)按照正常盾构隧道或顶管工程的推进要求，在衬砌结构上安装弹性橡胶密封垫，橡胶挡水条等，最后完成管片(节)的拼装。

相邻衬砌结构焊接或安装止水设施。按设计要求对衬砌结构拼装完成后，对内弧面裙边钢板进行焊接，或在其上压接安装可更换的止水带。

焊缝区域的防锈蚀处理。相邻钢板裙边焊接完成后，应在内表面涂刷防腐涂料，以防长期运营锈蚀。

这样，将形成弹性橡胶密封垫、挡水条及止水钢板三重防水设施，并且内部的弹性橡胶密封垫、挡水条破坏或老化状态下，整条隧道的防水性能不受影响，从而实现接缝与管片(节)主体同使用寿命的目标，即便焊缝破坏，亦可补焊后很快修复，再辅以适当的维保措施，可服务1000年甚至10000年以上。

以一具体实例来说明本发明。

下面以创新构建地铁区间隧道的内弧面钢裙边-钢筋混凝土管片，并以焊接方式对相邻钢管片连接防水为例，进一步说明本发明。

裙边钢板加工。选择10mm厚，70mm左右的定型普通Q235B钢板，经卷板机压弯，制作成与管片内弧面直径一致的弯曲钢板；(附图1)

(2)对钢板表面进行镀锌防腐处理；

(3)按设计要求焊接锚固钢筋或栓钉，本处以钢筋为例，比如以Φ16@150在钢板中央布设一排钢筋，钢筋布设须避开手孔及其它定位要求；再对裙边钢板刷一层防腐油漆涂料(附图1、3、4、5、6)；

(4)钢裙边-钢筋混凝土盾构隧道管片结构制作。将带锚固筋(栓钉)的钢裙边构件与混凝土管片的主筋进行焊接或锚固，浇筑混凝土，完成管片(节)制作，养护达到强度后，运至现场；(附图2)

(5)按照正常盾构隧道的推进要求，在管片上安装弹性橡胶密封垫，遇水膨胀橡胶挡水条等，最后完成管片的拼装。

相邻管片焊接施工。管片按设计要求拼装完成后，对内弧面裙边钢板进行焊接，这样，形成了弹性橡胶密封垫、挡水条及止水钢板的三道防水线。

焊缝区域的防锈蚀处理。裙边焊接完成后，在内表面涂刷防锈蚀涂料，再进行后继其它管线、设备的安装调试。

总体上，通过设置内弧面裙边钢板，其增加的材料少，造价低，却使得隧道的防水性、整体性等得到极大提升，补齐了接头部位的橡胶老化短板，并将结构的使用寿命延长到与主体管片(节)材料相同，便于日常的围护、管理，具有极其重要的推广应用价值。

附图说明

本发明申请共附6张图片，其中图1是混凝土管片钢裙边结构立面图；图2是混凝土管片钢裙边结构平面图；图3是混凝土管片钢裙边结构1-1剖面图；图4是混凝土管片钢裙边结构2-2剖面图；图5是混凝土管片钢裙边结构3-3剖面图；图6是混凝土管片钢裙边结构4-4剖面图。附图中，

是钢板裙边；

是螺栓孔；

是注浆孔；

是手孔；

是锚固栓钉。

Claims

1.一种内弧面四周带钢板裙边的钢筋混凝土管片或顶管管节，将相邻管片、管节裙边焊接，或在接缝裙边表面增设压接安装一道可更换的止水带，与结构的弹性橡胶密封垫、遇水膨胀橡胶挡水条等一起形成隧道管片或顶管管节多重防水体系。

2.根据权利要求1所述的一种内弧面四周带钢板裙边的钢筋混凝土管片或顶管管节，其特征在于：

钢筋混凝土管片或顶管管节的钢板裙边，布置在管片或管节的内弧面四周，并按照相应衬砌结构的尺寸，通过钢板上焊接锚固钢筋或栓钉，并将锚固钢筋或栓钉等，与混凝土管片或管节的钢筋进行焊接或锚固，再进行整体浇筑形成一体化结构。

3.根据权利要求1所述的一种内弧面四周带钢板裙边的钢筋混凝土管片或顶管管节及其防水体系，其特征在于：

隧道管片或顶管管节内表面防水体系在隧道管片拼装或顶管推进完成后形成，通过相邻管片钢裙边焊接或上压止水设施，所使用的板材应具备防锈蚀能力或采用防锈蚀处理。