一种延长隧道钢筋混凝土衬砌使用寿命结构和方法技术

本发明专利技术公开一种延长隧道钢筋混凝土衬砌使用寿命结构和设计方法，具体为根据隧道混凝土衬砌内外侧性能劣化速度不同的机理，提出一种近期三层结构钢筋与远期预留内部结构补强空间结构和设计方法，在达到隧道设计使用年限后，利用未劣化的衬砌结构结合内侧远期补强衬砌形成整体，在远期满足隧道的使用要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及隧道结构设计领域，尤其涉及一种延长隧道钢筋混凝土衬砌使用寿命结构和方法。
技术介绍
隧道钢筋混凝土衬砌的劣化主要由外部侵蚀性水土侵蚀、混凝土中性化及其它因素所致。对于隧道衬砌，外侧一般为接触具有侵蚀性的岩土体、地下水，内部一般为碳化环境，相比之下外侧环境更为恶劣。因此，隧道衬砌结构的耐久性主要受外侧控制，即由外部地下水或围岩中的化学物质侵蚀或氯离子侵蚀导致混凝土或钢筋失效，所以结构设计时对外侧混凝土的保护层厚度、强度、密实性等提出了较高要求。混凝土衬砌结构配筋时一般设置外侧钢筋、内侧钢筋及其他辅助钢筋，而外侧钢筋的保护层厚度是混凝土衬砌耐久性的关键。现行的《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)和《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T 50476-2008)对设计使用年限50年、100年的混凝土结构钢筋保护层厚度进行了规定。现有技术条件下延长钢筋混凝土结构使用寿命的方法主要是改善混凝土的性能，提高其密实性，降低混凝土的渗透性系数；钢筋外表面刷特殊的保护层等措施减缓钢筋锈蚀。以上延长钢筋混凝土结构使用寿命的方法主要缺点在于对结构耐久性性能改善有限，且结构在超出使用年限后的远期结构可靠性有待长时间的结构实践验证。
技术实现思路
针对隧道钢筋混凝土衬砌结构达到其设计使用年限后，隧道衬砌外侧钢筋混凝土结构存在性能劣化的问题，本专利技术设计一种在隧道衬砌结构外侧劣化后，利用隧道衬砌结构中未劣化的部分，适当加以结构补强，来延长其使用寿命，并预先设计远期规划形成的隧道衬砌结构，保证在超出使用年限后的远期结构可靠性满足使用要求的延长隧道钢筋混凝土衬砌使用寿命结构和方法。本专利技术设计的延长隧道钢筋混凝土衬砌使用寿命方法，包括以下步骤：一)根据近期隧道结构的受力，设置隧道衬砌结构及衬砌钢筋：包括布设使用年限内的近期外侧受力钢筋、近期外侧分布钢筋、近期内侧受力钢筋、近
期内侧分布钢筋和近期拉筋；其中，近期外侧受力钢筋、近期内侧受力钢筋为环形，并沿隧道长度方向间隔设置；近期外侧分布钢筋、近期内侧分布钢筋沿隧道长度方设置，且在隧道环向均布；近期拉筋径向设置，连接近期外侧分布钢筋和近期内侧分布钢筋；二)根据近期的耐久性要求确定近期外侧受力钢筋的保护层厚度，其中近期为隧道的设计使用年限；三)根据远期隧道结构的受力特点，设置远期衬砌外侧钢筋设计：包括布设远期外侧受力钢筋、远期外侧分布钢筋、远期内侧受力钢筋、远期内侧分布钢筋和远期拉筋；并将远期外侧受力钢筋布置在近期外侧钢筋和近期内侧受力钢筋之间，且近期外侧受力钢筋和远期外侧受力钢筋的径向距离至少满足远期耐久性所对应的保护层厚度要求；其中，远期外侧受力钢筋、远期内侧受力钢筋为环形，并沿隧道长度方向间隔设置；远期外侧分布钢筋、远期内侧分布钢筋沿隧道长度方设置，且在隧道环向均布；远期拉筋径向设置，连接远期外侧分布钢筋和远期内侧分布钢筋；其中，远期为正常使用年限后需延长的使用年限；四)浇筑近期混凝土衬砌，在近期隧道内侧面内预留远期结构补强空间，保证远期隧道内净空面积能满足隧道的使用要求；五)达到近期使用年限或需要延长使用年限时，在隧道内侧布置远期内侧受力钢筋、远期内侧分布钢筋、远期拉筋，并将远期内侧受力钢筋通过远期拉筋与远期外侧受力钢筋连接为整体；然后在隧道洞内侧浇筑远期隧道内侧补强混凝土，形成满足远期使用要求的混凝土衬砌结构。优选的，所述远期拉筋与近期拉筋连接，并将远期内侧受力钢筋与远期外侧受力钢筋连接为整体。优选的，根据近期使用年限的水土荷载、围岩地质条件和隧道结构的受力及变形的计算结果布置近期内、外侧受力钢筋，近期内、外侧分布钢筋和近期拉筋。也就是说近期内外侧受力钢筋、近期内外侧分布钢筋和近期拉筋的布置是根据近期使用年限内隧道结构的受力要求计算得到，其计算方法可以应用现有常规方法。优选的，根据远期使用年限隧道结构的受力要求的计算结果布置远期内、外侧受力钢筋，远期内、外侧分布钢筋和远期拉筋。也就是说远期内外侧受力
钢筋、远期内外侧分布钢筋和远期拉筋的布置是根据远期使用期内隧道结构的受力要求计算得到，其计算方法与近期钢筋计算方法类似。本专利技术设计的延长隧道钢筋混凝土衬砌使用寿命结构，包括浇筑的混凝土，其特征在于：混凝土内设有：为环形、依次由隧道外侧向内侧且是沿隧道长度方向间隔布置的近期外侧受力钢筋、远期外侧受力钢筋、近期内侧受力钢筋、远期内侧受力钢筋；沿隧道长度方向设置且在隧道环向均布的近期外侧分布钢筋、近期内侧分布钢筋、远期外侧分布钢筋、远期内侧分布钢筋；连接近期外侧分布钢筋和近期内侧分布钢筋的近期拉筋；连接远期外侧分布钢筋和远期内侧分布钢筋的远期拉筋。优选的，所述远期拉筋与近期拉筋连接，并将远期内侧受力钢筋与近期外侧受力钢筋连接为整体。优选的，远期外侧受力钢筋沿隧道长度方向的间距大于近期外侧受力钢筋沿隧道长度方向的间距。本专利技术的有益效果是：在适当增加投资的前提下可以较大幅度的延长隧道钢筋混凝土衬砌的使用寿命，对地下工程结构进一步的发展有重要意义；适用于铁路隧道、地铁隧道和公路隧道。附图说明图1是本专利技术隧道近期(使用年限内)的衬砌结构纵断面示意图图2是本专利技术远期(隧道使用年限后)的衬砌结构纵断面示意图图3是本专利技术远期的衬砌结构横断面示意图图中：近期外侧受力钢筋1、近期外侧分布钢筋2、近期内侧受力钢筋3、近期内侧分布钢筋4、近期拉筋5、远期外侧受力钢筋6、远期外侧分布钢筋7、远期内侧受力钢筋8、远期内侧分布钢筋9、远期拉筋10、近期混凝土衬砌11、近期隧道内侧面12、远期隧道内侧面13、远期隧道内侧补强混凝土14。具体实施方式下面通过图1～图3以及列举本专利技术的一些可选实施例的方式，对本专利技术的技术方案(包括优选技术方案)做进一步的详细描述，本实施例内的任何技术特征以及任何技术方案均不限制本专利技术的保护范围。本专利技术提出将隧道的设计使用年限内称为近期(如50年、100年等)，将正常使用年限后需延长的使用年限称为远期，根据隧道近期、远期的结构特点，
本专利技术通过以下技术手段实现：一)根据近期隧道结构的受力，设置隧道衬砌结构及衬砌钢筋：包括布设使用年限内的近期外侧受力钢筋1、近期外侧分布钢筋2、近期内侧受力钢筋3、近期内侧分布钢筋4和近期拉筋5；其中，近期外侧受力钢筋1、近期内侧受力钢筋3为环形，并沿隧道长度方向间隔设置；近期外侧分布钢筋2、近期内侧分布钢筋4沿隧道长度方设置，且在隧道环向均布；近期拉筋5径向设置，连接近期外侧受力钢筋1和近期内侧受力钢筋3；近期外侧受力钢筋1、近期内侧受力钢筋3、近期外侧分布钢筋2、近期内侧分布钢筋4和近期拉筋5的布置应根据近期使用年限内隧道结构的受力要求计算得到，如图1所示；二)根据近期的耐久性要求确定近期外侧受力钢筋1的保护层厚度，其中近期为隧道的设计使用年限；三)根据远期隧道结构的受力特点，确定远期衬砌外侧钢筋设计：包括远期外侧受力钢筋6、远期外侧分布钢筋7、远期内侧受力钢筋8、远期内侧分布钢筋9和远期拉筋10；并将远期外侧受力钢筋6布置在近期外侧钢筋1和近期内侧受力钢筋3之间，且近期外侧受力钢筋1和远期外侧受力钢筋6的径向距离至少满足远期耐久性所对应的保护层厚度要求；其中，远期外侧受力钢筋6、远期内侧受力本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种延长隧道钢筋混凝土衬砌使用寿命方法，包括以下步骤：一)根据近期隧道结构的受力，设置隧道衬砌结构及衬砌钢筋：包括布设使用年限内的近期外侧受力钢筋、近期外侧分布钢筋、近期内侧受力钢筋、近期内侧分布钢筋和近期拉筋；其中，近期外侧受力钢筋、近期内侧受力钢筋为环形，并沿隧道长度方向间隔设置；近期外侧分布钢筋、近期内侧分布钢筋沿隧道长度方设置，且在隧道环向均布；近期拉筋径向设置，连接近期外侧分布钢筋和近期内侧分布钢筋；二)根据近期的耐久性要求确定近期外侧受力钢筋的保护层厚度，其中近期为隧道的设计使用年限；三)根据远期隧道结构的受力特点，设置远期衬砌外侧钢筋：包括布设远期外侧受力钢筋、远期外侧分布钢筋、远期内侧受力钢筋、远期内侧分布钢筋和远期拉筋；并将远期外侧受力钢筋布置在近期外侧钢筋和近期内侧受力钢筋之间，且近期外侧受力钢筋和远期外侧受力钢筋的径向距离至少满足远期耐久性所对应的保护层厚度要求；其中，远期外侧受力钢筋、远期内侧受力钢筋为环形，并沿隧道长度方向间隔设置；远期外侧分布钢筋、远期内侧分布钢筋沿隧道长度方设置，且在隧道环向均布；远期拉筋径向设置，连接远期外侧分布钢筋和远期内侧分布钢筋；其中，远期为正常使用年限后需延长的使用年限；四)浇筑近期混凝土衬砌，在近期隧道内侧面内预留远期结构补强空间，保证远期隧道内净空面积能满足隧道的使用要求；五)达到近期使用年限或需要延长使用年限时，在隧道内侧布置远期内侧受力钢筋、远期内侧分布钢筋、远期拉筋，并将远期内侧受力钢筋通过远期拉筋与远期外侧受力钢筋连接为整体；然后在隧道洞内侧浇筑远期隧道内侧补强混凝土，形成满足远期使用要求的混凝土衬砌结构。...

【技术特征摘要】
1.一种延长隧道钢筋混凝土衬砌使用寿命方法，包括以下步骤：一)根据近期隧道结构的受力，设置隧道衬砌结构及衬砌钢筋：包括布设使用年限内的近期外侧受力钢筋、近期外侧分布钢筋、近期内侧受力钢筋、近期内侧分布钢筋和近期拉筋；其中，近期外侧受力钢筋、近期内侧受力钢筋为环形，并沿隧道长度方向间隔设置；近期外侧分布钢筋、近期内侧分布钢筋沿隧道长度方设置，且在隧道环向均布；近期拉筋径向设置，连接近期外侧分布钢筋和近期内侧分布钢筋；二)根据近期的耐久性要求确定近期外侧受力钢筋的保护层厚度，其中近期为隧道的设计使用年限；三)根据远期隧道结构的受力特点，设置远期衬砌外侧钢筋：包括布设远期外侧受力钢筋、远期外侧分布钢筋、远期内侧受力钢筋、远期内侧分布钢筋和远期拉筋；并将远期外侧受力钢筋布置在近期外侧钢筋和近期内侧受力钢筋之间，且近期外侧受力钢筋和远期外侧受力钢筋的径向距离至少满足远期耐久性所对应的保护层厚度要求；其中，远期外侧受力钢筋、远期内侧受力钢筋为环形，并沿隧道长度方向间隔设置；远期外侧分布钢筋、远期内侧分布钢筋沿隧道长度方设置，且在隧道环向均布；远期拉筋径向设置，连接远期外侧分布钢筋和远期内侧分布钢筋；其中，远期为正常使用年限后需延长的使用年限；四)浇筑近期混凝土衬砌，在近期隧道内侧面内预留远期结构补强空间，保证远期隧道内净空面积能满足隧道的使用要求；五)达到近期使用年限或需要延长使用年限时，在隧道内侧布置远期内侧受力钢筋、远期内侧分布钢筋、远期拉筋，并将远期内侧受力钢筋通过远期拉筋与远期外侧受力钢筋连接为整体；然后在隧道洞...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖明清，邓朝辉，龙凡，
申请(专利权)人：中铁第四勘察设计院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42