[0001] 本实用新型属于隧道技术领域，具体涉及一种防治隧道底鼓变形的预制仰拱结构。

[0002] 隧道仰拱是为改善上部支护结构受力条件而设置在隧道底部的反向拱形结构，是隧道结构的主要组成部分之一，它一方面将隧道上部的地层压力通过隧道边墙结构或将路面上的荷载有效地传递到地下，而且还有效抵抗隧道下部地层传来的反力。如果可以在隧道中设置仰拱，可以大大提高隧道的整体稳定性。隧道穿越高地应力区、极软岩或富水膨胀土地层时极易发生仰拱底鼓变形，以膨胀土为例在隧道开挖、地下水变动以及施工扰动等因素影响下，势必引起弱胀缩性隧道围岩胀缩作用，胀缩力作用于隧道仰拱，可能会引起仰拱底鼓病害，尤其在运营阶段表现的更为突出。

[0003] 仰拱底鼓变形是仰拱主要的病害形式，底鼓变形破坏了仰拱与二次衬砌一同构成的隧道整体支护结构，对隧道施工和运营均产生了较大的危害。仰拱底鼓对隧道施工的主要危害有：仰拱底鼓往往伴随着隧道发生强烈变形或破坏，如二次衬砌开裂、掉块侵界等，严重危及人、物安全，影响施工车辆通行，威胁施工安全并造成工期滞后。仰拱底鼓对隧道运营的危害主要有:路面开裂破损、侵入限界、改变横坡倾角、给隧道渗漏水提供通道等，直接影响隧道的安全和使用寿命。为解决仰拱底鼓问题，本领域技术人员对隧道的设计方法和施工工艺开展了诸多研究与改进。

[0004] 中国专利CN202111011339.8提供了一种隧道装配式仰拱预制块结构，针对隧道施工时采用松动爆破配合人工开挖的方式。当遇到涌水、集中出水点时，首先进行排水，并喷射钢纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土。之后，进行钢拱架安装，并采用搭栈桥超前分段整幅全宽一次浇筑的方式，完成混凝土的浇筑、养护等工作。此类施工方式受限于钢拱架制作、安装以及混凝土的浇筑、养护等工作，使得仰拱施工整体周期被拉长，无法解决隧道施工快成环的目的，造成施工进度慢、施工质量问题。这样的施工方法存在进度滞后、质量难以保证、场地限制等缺点，所以传统的现浇仰拱型式越来越难以满足现代隧道施工需求。

[0005] 装配式结构已逐渐成为全新的发展方向，装配式结构相较于现浇混凝土结构有诸多优点：预制构件工厂化，预制构件机械化其质量得以很好控制；构件标准化程度多，可以实现构件通用化；施工机械化程度高，可以减少施工工序缩短施工时间，提高效率从而降低工程造价；施工占用场地小，对周围环境影响小，有益于环保，因此隧道支护结构预制化是未来隧道衬砌施工的主要趋势。

[0006] 目前方法存在以下问题：

[0007] （1）在高地应力区、极软岩和膨胀岩地区开展隧道工程建设，仰拱处大变形、鼓胀裂缝问题严重；

[0008] （2）衬砌结构采用现浇施工方法周期较长，无法满足快成环的目标，导致施工进度慢、污染大、施工质量差。

[0009] （3）隧道仰拱（包含仰拱填充层）膨胀力作用下一旦发生开裂，其发展将难以控制短时间内形成更大范围的底鼓且维修困难成本高。实用新型内容

[0010] 本实用新型提供了一种防治隧道底鼓变形的预制仰拱结构，目的在于提供一种全新的预制仰拱结构，提高隧道仰拱施工速度，并且降低隧道底鼓变形风险。

[0011] 为此，本实用新型采用如下技术方案：

[0012] 一种防治隧道底鼓变形的预制仰拱结构，其特征在于，预制仰拱包括沿隧道横向铺设的左预制块、右预制块和中心预制块；

[0013] 左预制块和右预制块的环向宽度为180 250cm，中心预制块的环向宽度为130~ ~190cm；各预制块的空腔部分将仰拱的厚度分成顶部厚度和底部厚度，底部厚度应大于顶部厚度，以保证结构安全和仰拱底部的变形协调性能，顶部厚度为20 40cm；底部厚度为30~ ~
40cm，顶部和底部厚度之和为设计仰拱厚度为50 80cm；左预制块、右预制块及中心预制块~
顶面的长度之和为隧道水平面的宽度为490 690cm，左预制块、右预制块及中心预制块沿隧~
道掘进方向的宽度相等为120 200cm；左预制块铺设于隧道基底左侧，右预制块铺设于隧道~
基底右侧，中心预制块铺设于左预制块和右预制块之间，左预制块、右预制块及中心预制块顶面的长度之和为隧道水平面的宽度；

[0014] 左预制块和右预制块的横断面为直角三角形，且三角形的斜边为与隧道贴合的弧形；中心预制块的横断面为矩形，中心预制块底面为与隧道贴合的弧形；左预制块、右预制块及中心预制块相互之间的接触面上分别设有预制装配式接头，各预制块分别通过预制装配式接头连接；

[0015] 左预制块的左侧上端设有外凸的预埋连接钢筋，用于连接二次衬砌；右预制块的左侧上端设有对应的预埋连接钢筋。

[0016] 进一步地，所述左预制块、右预制块顶部的外端沿宽度方向设有外凸的混凝土块，外凸的混凝土块上上浇筑固定预埋连接钢筋；二次衬砌的下端为对应的内凹混凝土块接口，内凹混凝土块浇筑固定有预埋连接钢筋。

[0017] 进一步地，所述左预制块后端面上设有若干定位孔，定位孔垂直后端面，定位孔底部固定有若干向外伸出的定位钢筋；左预制块的前端面上设有若干外凸的定位柱，定位柱与所述定位孔位置一一对应，定位柱前端固定有向前伸出的定位法兰，定位法兰的边缘上设有用于连接定位钢筋的孔洞；左预制块的右侧面上也设有定位孔及定位钢筋；

[0018] 右预制块上设有与左预制块对应的定位孔、定位钢筋、定位柱及定位法兰。

[0019] 进一步地，所述中心预制块的后端面上设有若干定位孔，定位孔内设有定位钢筋；中心预制块的前端面上设有对应的定位柱和定位法兰；中心预制块的左侧面和右侧面上分别设有定位柱和定位法兰，中心预制块的左侧面的定位柱与左预制块右侧面上的定位孔对应，中心预制块的右侧面的定位柱与右预制块左侧面上的定位孔对应。

[0020] 进一步地，所述左预制块、右预制块、中心预制块的中心为空腔状，空腔沿宽度方向贯穿预制块的前后两面。

[0021] 进一步地，所述左预制块、右预制块的混凝土材料组成和配比如下：硅酸盐水泥550 580份、粉煤灰230 260份、砂1000 1200份、硅灰40 60份、聚乙烯醇纤维50 83份、水150~ ~ ~ ~ ~
180份等，按比例配制而成。本实用新型的设计原理如下：
~

[0022] 本实用新型包括箱型装配式仰拱，其中预制仰拱沿横向包括三块，分别为左预制块、中心预制块和右预制块（其中左预制块和右预制块为轴对称形式），采用预制、拼装的方式与隧道二次衬砌连接。左预制块、中心预制块和右预制块主要由钢筋骨架浇筑纤维混凝土预制而成。采用的混凝土材料由水泥、粉煤灰、砂、矿物掺合料、聚乙烯醇纤维（PVA）和水按一定比例配制而成。其中，砂为天然河砂，水泥为P.O.42.5R普通硅酸盐水泥，粉煤灰为I级，PVA纤维的体积掺量为2%，纤维各项力学性能指标见表1，中心预制块中纤维混凝土特别掺入一种混凝土修复颗粒微，颗粒体积掺量小于2%，混凝土修复颗粒由颗粒外壁和包裹于颗粒外壁内部的颗粒液组成，颗粒外壁采用脲醛树脂，颗粒液为硅酸钠溶液。

[0023] 表1‑聚乙烯醇纤维性能指标

[0024] 纤维名称 长度/mm 直径/μm 抗拉强度/MPa 弹性模量/GPa 拉长率/(%) 密度/(g/cm3)PVA 12 39 1600 40 7 1.3

[0025] 隧道仰拱中心的中心预制块的上表面中心区域为结构底鼓裂缝极易发展区域，当构件上表面范围内出现裂缝后，会触发随机分布在混凝土内的自修复颗粒，颗粒外壁受力破裂后其内部的颗粒液受毛细作用沿裂缝流出填充裂缝，与混凝土中的未水化物质产生化学反映生成化物质将裂缝填充密实，在有效抑制裂缝发展的基础上，达到仰拱裂缝自我修复的目的。

[0026] 本实用新型的有益效果在于：

[0027] 1.一种能够有效防治隧道底鼓破坏的预制仰拱结构，仰拱结构采用预制施工吊运拼装方法，能有效缩短施工工期，达到隧道断面满足快成环的目标，且污染小、施工质量高；

[0028] 2.仰拱采用纤维混凝土材料，具有良好的变形协调特性，对由软弱围岩及膨胀岩胀缩等引发的不利变形能够进行有效吸收，进而达到控制仰拱的变形、裂缝发展的作用；

[0029] 3.本实用新型装配式仰拱中心预制块混凝土中掺入的微修复颗粒，可在仰拱中心处出现裂缝后受力破裂，内部液体渗出后填补裂缝，能够有效抑制和修复仰拱中心处的裂缝发展，在一定范围内限制和修复隧道底鼓破坏，以在短时间内达到限制仰拱中心处裂缝的发展的目的，一定程度上可避免在隧道运营期间拆换仰拱，降低维修成本；

[0030] 4.仰拱的三个仰拱构件通过“榫接+法兰盘接头固定+混凝土注浆填充”工艺，可保证仰拱结构的整体刚度性能，提高仰拱施工效率，达到隧道快速成环目的，使围岩荷载快速、均匀分布，限制围岩收缩变形，提高施工质量与结构强度。

[0036] 下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

[0037] 如图1所示，一种防治隧道底鼓变形的预制仰拱结构，预制仰拱包括沿隧道基底环向铺设的左预制块1、右预制块2和中心预制块3。

[0038] 左预制块1铺设于隧道基底左侧，右预制块2铺设于隧道基底右侧，中心预制块3铺设于左预制块1和右预制块2之间，左预制块1、右预制块2及中心预制块3顶面的长度之和为隧道水平面的宽度，左预制块1、右预制块2及中心预制块3沿隧道掘进方向的宽度相等且根据设计要求确定。

[0039] 如图2和3所示，左预制块1和右预制块2的横断面为直角三角形，且三角形的斜边为与隧道贴合的弧形；中心预制块3的横断面为矩形，中心预制块3底面为与隧道贴合的弧形；左预制块1、右预制块2及中心预制块3相互之间的接触面上分别设有预制装配式接头，各预制块分别通过预制装配式接头连接；

[0040] 左预制块1的左侧上端设有外凸的预埋连接钢筋6，用于连接二次衬砌；右预制块2的左侧上端设有对应的预埋连接钢筋6。

[0041] 左预制块1后端面上设有若干定位孔4，定位孔4垂直后端面，定位孔4底部固定有若干向外伸出的定位钢筋7；左预制块1的前端面上设有若干外凸的定位柱5，定位柱5与所述定位孔4位置一一对应，定位柱5前端固定有向前伸出的定位法兰8，定位法兰8的边缘上设有用于连接定位钢筋7的孔洞9；左预制块1的右侧面上也设有定位孔4及定位钢筋7。

[0042] 右预制块2上设有与左预制块1对应的定位孔4、定位钢筋7、定位柱5及定位法兰8。

[0043] 中心预制块3的后端面上设有若干定位孔4，定位孔4内设有定位钢筋7；中心预制块3的前端面上设有对应的定位柱5和定位法兰8；中心预制块3的左侧面和右侧面上分别设有定位柱5和定位法兰8，中心预制块3的左侧面的定位柱5与左预制块1右侧面上的定位孔4对应，中心预制块3的右侧面的定位柱5与右预制块2左侧面上的定位孔4对应。

[0044] 左预制块1、右预制块2、中心预制块3的中心为空腔状，空腔沿宽度方向贯穿预制块的前后两面。

[0045] 本实用新型的施工方法如下：

[0046] 仰拱构件具体连接方式为：环向左预制块1与中心预制块3拼装连接，中心预制块3与右预制块2拼装连接，左预制块1和右预制块2分别与其上方的现浇二次衬砌连接；环向连接时各构件与上一环的预制构件通过预留接口连接；左预制块1在与中心预制块3的拼接处预留孔，孔底埋设有定位钢筋7；中心预制块3与左预制块1的拼接处预制有混凝土定位柱5，柱端头处预埋有定位法兰8；左预制块1与中心预制块3的在对应孔柱位置对接，左预制块1孔内的定位钢筋7与中心预制块3定位法兰8的孔对接；中心预制块3与右预制块2的连接方式同上；纵向连接方式与环向一致。

[0047] 构件拼接处施工缝通过混凝土浆液填充；仰拱左预制块1、中心预制块3、右预制块2连接完成共同组成箱型预制仰拱，仰拱左右两端预留凸型钢筋接头。接头处预埋钢筋架，与其上方的现浇二次衬砌预设的凹型接头对接后，采用现浇混凝土连接。可在完成环向连接后进行纵向连接，亦可视围岩状态先进行预制构件纵向拼接。