本發(fā)明屬于隧道工程加固技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種pva-ecc套襯結(jié)構(gòu)及施工方法。

背景技術(shù)：

截至2015年底，我國大陸運(yùn)營鐵路隧道有13400座，總長超過13000km；運(yùn)營公路隧道14006座，總長12683.9km。我國隧道運(yùn)營總里程已居世界首位。隧道建設(shè)取得了巨大成就，但受限于施工及管理水平，有相當(dāng)比例運(yùn)營隧道都存在襯砌背后空洞、襯砌厚度不足、滲漏水以及襯砌開裂等質(zhì)量缺陷及病害，服役狀況堪憂。由于隧道缺陷、病害的隱蔽性，隧道病害發(fā)生的突然性，隧道病害整治干擾大等問題，致使隧道病害日趨嚴(yán)重，治理嚴(yán)重不足，已嚴(yán)重危及隧道運(yùn)營安全。

針對隧道病害問題，目前國內(nèi)外隧道工程者已開展了一些工作，對不同類型和嚴(yán)重程度的隧道病害，初步形成了“因地制宜、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理、高效安全、徹底整治”的病害整治原則和分類整治技術(shù)。隧道襯砌裂損、襯砌厚度不足是常見的襯砌病害問題，對于襯砌裂損嚴(yán)重和極嚴(yán)重、襯砌厚度不足1/2時，當(dāng)隧道內(nèi)凈空允許的情況，常采用套襯加固方法；當(dāng)隧道內(nèi)凈空受限的情況，常采用如w型鋼帶加固、嵌入鋼架加固等加固技術(shù)。但由于整治材料的耐久性不好，加固方法不合理等原因，一些隧道的整治效果不佳，病害易出現(xiàn)反復(fù)，如云南地區(qū)的小丫口隧道，由于混凝土界面間的連接問題、混凝土材料本身的脆性特點(diǎn)，采用混凝土套襯加固后，仍出現(xiàn)嚴(yán)重開裂掉塊，不得不拆除重建?？梢?，上述傳統(tǒng)的混凝土套襯加固技術(shù)還存在一些問題，如混凝土套襯加固易出現(xiàn)界面翹曲、剝離，不能有效抑制既有混凝土裂縫，而且，其柔性不足，若采用厚度較大的套襯，易受凈空限制，若采用較薄的套襯，易變現(xiàn)開裂，整治效果不理想。

因此，針對現(xiàn)有混凝土套襯加固技術(shù)存在的不足，亟需提供一種pva-ecc套襯結(jié)構(gòu)及施工方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種由pva-ecc（聚乙烯醇纖維增韌水泥基復(fù)合材料，polyvinylalcoholfiber-engineeredcementitiouscomposites，簡稱pva-ecc）構(gòu)成的結(jié)構(gòu)抗裂性能好、變形和承載能力強(qiáng)、與既有混凝土的粘結(jié)性能好，顯著提高隧道結(jié)構(gòu)加固效果的套襯加固結(jié)構(gòu)。

具體技術(shù)方案如下：在襯砌1內(nèi)側(cè)設(shè)置套襯結(jié)構(gòu)6，所述套襯結(jié)構(gòu)6包括凹槽4、鋼拱架5、pva-ecc套襯2和錨固連接筋3，所述襯砌1上開設(shè)凹槽4，所述凹槽4內(nèi)設(shè)置鋼拱架5，所述凹槽4和襯砌1內(nèi)側(cè)澆筑pva-ecc套襯2，所述襯砌1與pva-ecc套襯2之間設(shè)置錨固連接筋3。

進(jìn)一步的，所述凹槽4沿隧道縱向開設(shè)，縱向間距為1.0~2.0m，凹槽4深度的15~20cm，所述錨固連接筋3沿隧道環(huán)向和縱向呈梅花形布置，環(huán)向間距為0.5~1.0m，縱向間距為0.2~0.5m，采用φ22~32mm鋼筋或m18~m22高強(qiáng)化學(xué)錨栓。通過所述錨固連接筋3和所述凹槽4的設(shè)置加強(qiáng)了pva-ecc套襯2與既有襯砌1的協(xié)同受力變形能力，有效防止界面處的翹曲和剝落破壞。

進(jìn)一步的，所述鋼拱架5沿隧道縱向設(shè)置，嵌入切槽形成的凹槽4內(nèi)，縱向間距為1.0~2.0m，可根據(jù)需要采用i12~i20的工字型鋼拱架、h100~h175的h型鋼拱架、鋼筋格柵拱架或波形腹板工字型拱架等。

進(jìn)一步的，所述pva-ecc套襯2采用pva-ecc材料澆筑而成，所述pva-ecc材料的組分為水泥、粉煤灰、砂、水、減水劑和pva纖維，其中，按質(zhì)量比計，水泥：粉煤灰：砂：水：減水劑=1：（1.0~1.2）：（0.6~0.8）：（0.42~0.57）：（0.001~0.003）；以水泥、粉煤灰、砂和減水劑混合均勻后的總體積為基數(shù)，pva纖維的摻量為13~20kg/m³。

進(jìn)一步的，所述水泥為p.o.42.5硅酸鹽水泥，所述粉煤灰為一級粉煤灰，所述砂的粒徑在0.2mm~0.4mm，所述pva纖維的長度為12mm，直徑大于30μm，抗拉強(qiáng)度大于1200mpa，彈性模量大于30gpa，斷裂伸長率大于6%，所述減水劑為減水率40%以上的聚羧酸高效減水劑。

本發(fā)明所述pva-ecc套襯2厚度介于10~30cm，沿隧道環(huán)向各截面厚度相同，保持各連接處圓順。

本發(fā)明所述pva-ecc材料的制備方法為：將水泥、粉煤灰、砂按權(quán)利要求4的所述質(zhì)量比加入攪拌機(jī)攪拌均勻后，按權(quán)利要求4的所述質(zhì)量比加入pva纖維攪拌均勻，之后按權(quán)利要求4的所述質(zhì)量比再加入水、減水劑濕拌均勻即可得到高韌性pva-ecc材料。

其中上述pva-ecc套襯結(jié)構(gòu)的施工方法，具體施工步驟如下：

（1）套拱結(jié)構(gòu)施工前，對既有襯砌（1）進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)和滲漏水處理；

（2）采用切槽方法切出凹槽（4），在凹槽（4）內(nèi)放置鋼拱架，在兩個凹槽（4）之間的既有襯砌混凝土中鑿毛并植筋；

（3）立模，澆筑pva-ecc材料，養(yǎng)護(hù)3~5天后移除模板臺車，即得到pva-ecc套襯結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明是由高韌性pva-ecc套襯層、嵌入凹槽的鋼架增強(qiáng)pva-ecc層和連接既有襯砌和pva-ecc套襯層的錨固連接筋組合而成的套襯結(jié)構(gòu)，處于襯砌結(jié)構(gòu)受拉側(cè)，利用高抗拉強(qiáng)度和高韌性的pva-ecc材料，能有效提高其承載性能和抗裂性能，能很好地限制既有襯砌裂縫的發(fā)展，防止襯砌開裂和脆性破壞，利用凹槽和錨固連接筋的嵌固及粘結(jié)作用，能顯著提高pva-ecc套襯層和既有混凝土之間的整體性和粘結(jié)性能。本方法施工方便，能顯著提高隧道結(jié)構(gòu)的加固效果。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

（1）本發(fā)明中的凹槽設(shè)置和連接筋的植入，可增強(qiáng)既有襯砌和pva-ecc套襯的粘結(jié)性能，確保既有襯砌和套襯結(jié)構(gòu)協(xié)同受力變形、共同工作。

（2）本發(fā)明的高韌性pva-ecc材料的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到35mpa以上，極限拉伸應(yīng)變大于3%，是普通混凝土的300倍以上，具有和鋼材類似的塑性變形性能，在拉伸，彎曲和剪切荷載下具有應(yīng)變硬化、多縫開裂的特性，與鋼材的粘結(jié)性能好，具有高韌性、高耐久性、高耗能、抗震和抗變形能力好等特點(diǎn)。

（3）本發(fā)明采用的高韌性pva-ecc套襯層，厚度較薄，有利于節(jié)約材料和方便套襯布置。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的pva-ecc套襯結(jié)構(gòu)的橫斷面示意圖；

圖2為本發(fā)明的pva-ecc套襯結(jié)構(gòu)的縱斷面示意圖；

圖3為pva-ecc加固示意圖；

圖中各標(biāo)號表示：

1—襯砌；2—pva-ecc套襯；3—錨固連接筋；4—凹槽；5—鋼拱架；6—套襯結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步說明。但應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是，以下實(shí)施例只是示例性的，并不是為了限制本發(fā)明的應(yīng)用范圍。

實(shí)施例1：如圖1~2所示：一種pva-ecc套襯結(jié)構(gòu)，在襯砌1內(nèi)側(cè)設(shè)置套襯結(jié)構(gòu)6，所述套襯結(jié)構(gòu)6包括凹槽4、鋼拱架5、pva-ecc套襯2和錨固連接筋3，所述襯砌1上開設(shè)凹槽4，所述凹槽4內(nèi)設(shè)置鋼拱架5，所述凹槽4和襯砌1內(nèi)側(cè)澆筑pva-ecc套襯2，所述襯砌1與pva-ecc套襯2之間設(shè)置錨固連接筋3。

所述凹槽4沿隧道縱向開設(shè)，縱向間距為1.0~2.0m，凹槽4深度的15~20cm，如圖2所示，凹槽4呈內(nèi)窄外寬的梯形，凹槽4的縱向間距1.0m，深度15cm，梯形較長直邊的寬度為20cm，凹槽4也可設(shè)置為矩形等常用形狀。

所述錨固連接筋3沿隧道環(huán)向和縱向呈梅花形布置，環(huán)向間距為0.5~1.0m，縱向間距為0.2~0.5m，采用φ22~32mm鋼筋或m18~m22高強(qiáng)化學(xué)錨栓。通過所述錨固連接筋3和所述凹槽4的設(shè)置加強(qiáng)了pva-ecc套襯2與既有襯砌1的協(xié)同受力變形能力，有效防止界面處的翹曲和剝落破壞。本實(shí)施例中，錨固連接筋5采用φ22mm鋼筋，環(huán)向間距0.5m，縱向間距0.2m。

所述鋼拱架5沿隧道縱向設(shè)置，嵌入切槽形成的凹槽4內(nèi)，縱向間距為1.0~2.0m，可根據(jù)需要采用i12~i20的工字型鋼拱架、h100~h175的h型鋼拱架、鋼筋格柵拱架或波形腹板工字型拱架等。本實(shí)施例中，鋼拱架5采用i12工字型鋼拱架，縱向間距1.0m。

所述pva-ecc套襯2采用pva-ecc材料澆筑而成，所述pva-ecc材料的組分為水泥、粉煤灰、砂、水、減水劑和pva纖維，其中，按質(zhì)量比計，水泥：粉煤灰：砂：水：減水劑=1：（1.0~1.2）：（0.6~0.8）：（0.42~0.57）：（0.001~0.003）；以水泥、粉煤灰、砂和減水劑混合均勻后的總體積為基數(shù)，pva纖維的摻量為13~20kg/m3。

所述水泥為p.o.42.5硅酸鹽水泥，所述粉煤灰為一級粉煤灰，所述砂的粒徑在0.2mm~0.4mm，所述pva纖維的長度為12mm，直徑大于30μm，抗拉強(qiáng)度大于1200mpa，彈性模量大于30gpa，斷裂伸長率大于6%，所述減水劑為減水率40%以上的聚羧酸高效減水劑。

實(shí)施例2：本實(shí)施例中pva-ecc材料的組分按質(zhì)量百分比計為，水泥：粉煤灰：砂：水：減水劑=1:1.2:0.72:0.57:0.003；以水泥、粉煤灰、砂、減水劑混合均勻后的總體積為基數(shù)，pva纖維的摻量為20kg/m3。所用水泥為p.o.42.5硅酸鹽水泥；粉煤灰為一級粉煤灰；砂的粒徑為0.2mm~0.4mm；pva纖維為日本生產(chǎn)的纖維，長度為12mm，直徑為39μm，抗拉強(qiáng)度為1620mpa，彈性模量為42.8gpa，添加sika聚羧酸高效減水劑。

其中pva-ecc套襯2厚度介于10~30cm，根據(jù)隧道凈空限界和既有襯砌破損情況來綜合確定，沿隧道環(huán)向各截面厚度相同，保持各連接處圓順。如圖1~2所示的實(shí)施例中，pva-ecc套襯2厚度為10cm。

本發(fā)明所述pva-ecc套襯結(jié)構(gòu)6采用pva-ecc材料的攪拌方法為：將水泥、粉煤灰、砂按上述質(zhì)量比加入攪拌機(jī)攪拌均勻后，再加入pva纖維攪拌均勻，之后再加入水、減水劑濕拌均勻即可得到高韌性pva-ecc材料。

所述pva-ecc套襯結(jié)構(gòu)6采用pva-ecc材料的澆筑方法為：將上述pva-ecc拌合物采用常規(guī)的泵送工藝，利用襯砌模板臺車進(jìn)行澆筑，澆筑完成養(yǎng)護(hù)3~5天后移除模板臺車，即可得到pva-ecc套襯。

本發(fā)明所述的pva-ecc套襯結(jié)構(gòu)施工方法，具體施工步驟如下：

（1）套拱結(jié)構(gòu)施工前，對既有襯砌進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)和滲漏水處理；

（2）采用切槽方法切出凹槽，切口呈內(nèi)窄外寬的梯形狀，在凹槽內(nèi)放置鋼拱架，在兩個凹槽之間的既有襯砌混凝土中鑿毛并植筋；

（3）立模，澆筑pva-ecc材料，養(yǎng)護(hù)3~5天后移除模板臺車，即得到pva-ecc套襯結(jié)構(gòu)。

上述例子中pva-ecc材料的力學(xué)性能試驗(yàn)及結(jié)果如下：

（1）采用100mm×100mm×300mm的棱柱體試塊，按標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方法養(yǎng)護(hù)28d，進(jìn)行軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：pva-ecc材料抗壓強(qiáng)度平均值為40mpa，試塊在破壞過程中存在明顯的抗壓韌性。

（2）采用100mm×100mm×400mm的梁式試件，按標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方法養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：pva-ecc材料極限拉伸應(yīng)變達(dá)到3.2%，為普通混凝土極限拉伸應(yīng)變的300倍以上，在彎曲荷載下呈現(xiàn)出類似于鋼材的應(yīng)變硬化、多縫開裂的特性。

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，pva-ecc材料的極限拉伸應(yīng)變遠(yuǎn)高于普通素混凝土極限拉伸應(yīng)變，試件在受壓、受彎破壞時為延性破壞，表現(xiàn)出高韌性特征。

如圖3所示，對實(shí)施例的pva-ecc進(jìn)行加固板的數(shù)值模擬試驗(yàn)，其結(jié)果如下：

采用厚度40cm×寬度100cm×長度400cm的簡支板。計算兩種工況：沿板厚度方向，第一種加固方案為：上部30cm為c30混凝土，下部10cm為pva-ecc材料加固；第二種加固方案為：上部30cm為c30混凝土，下部10cm亦為c30混凝土加固。上覆均布荷載進(jìn)行全過程破壞模擬試驗(yàn)，數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果表明：采用pva-ecc材料加固與采用傳統(tǒng)混凝土加固相比，前者承載性能為后者的2.25倍；加載破壞時的跨中位移，前者為后者的39.3倍，破壞過程中表現(xiàn)為明顯的延性破壞。

以上數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的混凝土加固相比，采用pva-ecc加固后的承載性能和變形能力顯著提高。

上面結(jié)合圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作了詳細(xì)說明，但是本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各種變化。