一种基于SMA筋与FRP网格的隧道裂损衬砌加固方法

一种基于sma筋与frp网格的隧道裂损衬砌加固方法
技术领域
1.本发明涉及隧道裂损衬砌加固技术领域，尤其涉及一种基于形状记忆合金sma筋与纤维增强复合材料frp网格的隧道裂损衬砌加固方法。

背景技术：

2.隧道开挖后，坑道周围地层原有平衡遭到破坏，引起坑道变形或崩塌。为了保护围岩的稳定性，确保行车安全，隧道必须有足够强度的支护结构即隧道衬砌。
3.隧道衬砌是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。在不同的围岩中可采用不同的衬砌形式。
4.然而，隧道因其运营环境复杂，在经过一段时间的运营后，隧道衬砌结构容易出现各种病害问题。其中衬砌裂损与渗漏水是最常见的病害类型。
5.目前针对隧道衬砌裂损的常用修复与加固方法包括套拱加固、粘钢板、粘贴纤维布等。相关研究和工程实践表明：上述常规加固方法虽然能够解决裂损衬砌刚度和承载力不足的问题，但渗漏水病害将导致隧道衬砌长期处于潮湿环境下，常规加固方法难以满足隧道衬砌的长寿命服役需求，且其施工周期通常较长，难以满足隧道工程的快速加固需求。
6.此外，由于隧道衬砌多为曲面结构，难以通过张拉设备对加固材料施加预应力，现有的隧道衬砌加固法基本为被动加固法，存在应力滞后、不能减小与闭合裂缝等弊端。
7.为解决既有隧道加固方法存在的问题，有必要提出一种针对隧道裂损衬砌的长寿命、快速、主动加固方法。

技术实现要素：

8.发明目的：针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种基于形状记忆合金sma筋与纤维增强复合材料frp网格的隧道裂损衬砌加固方法，通过对铁基sma筋进行热激励产生的回复应力，对隧道裂损部位施加预应力实现主动加固并达到闭合裂缝的目的；在此基础上，利用frp网格和地聚物砂浆进行进一步的加固，提高了裂损部位的承载能力和耐久稳定性，实现隧道裂损衬砌的长寿命、快速主动加固，解决了原有加固方法难以满足隧道工程长期安全服役和快速加固的问题。
9.技术方案：本发明基于形状记忆合金sma筋与纤维增强复合材料frp网格的隧道裂损衬砌加固方法包括以下步骤：
10.(1)开槽：对隧道裂损衬砌清理后开设凹槽；
11.(2)张拉并嵌入sma筋：将sma筋安装在反力张拉系统中，对sma筋张拉并达到预变形后，再将sma筋放置到凹槽中，调整至sma筋的中心线与凹槽的中心线重合；
12.(3)将地聚物砂浆注入凹槽内并进行抹平处理，再进行养护；
13.(4)激励sma筋：当地聚物砂浆固化后，将直流电流正负极与sma筋的两端连接，并在sma筋的两端安装温度传感器，通电激励sma筋至预设温度；通过sma筋的回复应力对隧道裂损衬砌施加预应力，闭合衬砌上的裂缝；
14.(5)安装并固定frp网格：在处理后的隧道衬砌表面固定frp网格，选定frp网格的网眼中心位置钻孔，放置锚垫并将锚垫的孔洞与钻孔对齐，将螺栓打入孔洞内至设定深度，直至螺栓的底部切口张开固定在衬砌混凝土中，套上螺帽；
15.(6)在frp网格表面喷涂地聚物砂浆至设定厚度，待地聚物砂浆固化后，拧紧螺帽，锚固frp网格，使用地聚物砂浆覆盖锚固位置，完成加固。
16.步骤(1)中开设凹槽的方向与隧道的裂缝方向垂直；开设凹槽的深度小于混凝土保护层的厚度。
17.步骤(2)中的sma筋为铁基形状记忆合金材料制成的棒状或绞线筋材。
18.步骤(4)中，sma筋的数量n由隧道裂缝处的主拉应力σ
t
确定，即n
×
σ
p
＞＞σ
t
，其中n代表sma筋的数量，σ
p
为sma筋热激励后作用在隧道混凝土衬砌上的预加力，σ
t
为隧道混凝土衬砌局部裂缝处的主拉应力。
19.预加力σ
p
与sma筋热激励后产生的永久回复应力σc、裂缝闭合带来的预应力损失σ1、黏结材料弹性压缩带来的预应力损失σ2的关系式为σ
p
＝σ
c-σ
1-σ2；
20.其中σ1＝e
p
×
w/l，w为隧道混凝土衬砌局部裂缝处裂缝宽度，l为所用sma筋的预变形长度，e
p
为sma筋的弹性模量；
21.σ2＝e
p
×
εc，εc为sma筋的预加力引起的黏结材料弹性压缩应变；预变形长度l＝l
x
×
ε
x
，其中l
x
为所用单根sma筋的长度，ε
x
为sma筋的预应变。
22.步骤(2)中单根sma筋的长度l
x
》(w
×ep
)/(σ
c-e
p
×
ε
c-σ
t
/n)/ε
x
，其中，w为隧道混凝土衬砌局部裂缝处裂缝宽度，e
p
为sma筋的弹性模量，σc为sma筋热激励后产生的永久回复应力，εc为sma筋的预加力引起的黏结材料弹性压缩应变，σ
t
为隧道混凝土衬砌局部裂缝处的主拉应力，n为sma筋的数量，ε
x
为sma筋的预应变。
23.步骤(2)中，每个凹槽中放置一根sma筋。
24.步骤(5)中，frp网格为碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维与环氧树脂基体复合而成的网格状纤维增强复合材料。
25.frp网格的厚度为1-5mm，网格间距为5-10cm。
26.步骤(3)和步骤(6)中的地聚物砂浆为偏高岭土-矿渣复合胶凝体系通过碱溶液激发获得的无机胶凝材料。
27.工作原理：本发明采用铁基sam筋材,基于sma筋和frp网格的隧道组合式加固的方法，通过对铁基sma筋进行热激励产生的回复应力，对隧道裂损部位，即衬砌开裂部位施加预应力，减少或闭合原有裂缝，克服了原有的加固方法难以对曲面衬砌施加预应力的缺陷，实现了主动加固并达到闭合裂缝的目的；并在此基础上，利用frp网格-地聚物砂浆进行进一步的加固。
28.本发明的加固方法首先对已有裂缝进行闭合或减少处理，采用高强与耐腐蚀的frp网格及具有耐久、耐高温与快速固化特性的地聚物砂浆，并充分利用了frp网格的高强、耐腐蚀和双向受力特性，以及地聚物砂浆良好的耐久性、耐高温和黏结性能，改善隧道裂损衬砌的受力状态，提升了裂损部位的承载能力和耐久稳定性，实现隧道裂损衬砌的长寿命、快速和主动加固。
29.有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
30.(1)本发明通过对铁基sma筋热激励而产生的永久回复应力，来对隧道裂损部位施
加预应力，闭合已有裂缝，改善裂损部位的受力状态，克服现有的加固方法难以对曲面衬砌施加预应力的缺陷，实现主动加固。
31.(2)本发明充分利用了frp网格高强、耐腐蚀性能和双向受力性能并发挥了地聚物砂浆的耐高温和固化快的特点，有效提升了承载力和耐久性，实现了隧道裂损衬砌的长寿命、快速与主动加固。
32.(3)本发明所采用的铁基sma筋材成本相对较低，降低了成本。
附图说明
33.图1是本发明基于sma筋与frp网格的隧道裂损衬砌加固方法流程图；
34.图2是本发明的隧道裂损衬砌三维结构示意图；
35.图3是本发明加固的隧道截面图；
36.图4是本发明采用frp网格加固隧道衬砌的裂损部位的三维结构示意图；
37.图5是本发明对隧道裂损衬砌加固时所采用的锚固件示意图。
具体实施方式
38.实施例
39.如图1至图5所示，本发明基于sma筋与frp网格的隧道裂损衬砌加固方法，在一段隧道衬砌内壁进行加固，包括以下步骤：
40.(1)开槽：对隧道衬砌1的裂缝2进行清理，在混凝土保护层的允许范围内开设凹槽4，并对凹槽4内的杂物进行清理；
41.(2)张拉并嵌入sma筋3：将sma筋3在反力张拉系统中进行张拉，使得sma筋3的中心与反力张拉系统的千斤顶拉杆位于同一水平线上，对sma筋张拉并达到预变形后，再将sma筋3放置到凹槽4中，调整至sma筋3的中心线与凹槽4的中心线重合；
42.(3)在凹槽4内注入地聚物砂浆6并养护：将提前配置好的地聚物砂浆6注入凹槽4内至与原结构相平，并进行抹平处理，再进行常温养护；
43.(4)激励sma筋3：当地聚物砂浆6养护到预期强度固化后，将直流电流正负极和铜质夹头与sma筋3的两端连接，并在sma筋3的两端安装热电偶温度传感器，通电并通过电阻加热sma筋到预设温度160℃时停止；即通电激励sma筋3至160℃，通过sma筋3的回复应力对隧道衬砌裂损部位施加预应力，闭合衬砌上的裂缝2；
44.(5)安装并固定frp网格5：对隧道衬砌表面进行凿毛处理，在处理后的隧道衬砌表面固定frp网格5，根据设计要求选定几处frp网格5的网眼中心位置钻孔，并吹掉孔内浮灰，放置锚垫8并将锚垫8的孔洞与钻孔对齐，将螺栓10打入孔洞内至设定深度，直至螺栓10的底部切口张开并锚固在衬砌的混凝土中，套上螺帽11；
45.(6)喷涂地聚物砂浆6并锚固frp网格5：在frp网格5上表面喷涂地聚物砂浆6至设定厚度，表面抹平，待地聚物砂浆6固化后拧紧螺帽11，锚固frp网格5，使用地聚物砂浆6覆盖锚固位置，完成加固。
46.其中，步骤(1)中开设凹槽4的方向与隧道的裂缝方向垂直；开设凹槽4的深度小于混凝土保护层的厚度；凹槽4的宽度大于sma筋的直径。
47.步骤(2)中选用的sma筋3为铁基形状记忆合金材料制成的棒状筋材，该sma筋3的
相变温度为160℃～240℃。
48.步骤(4)中，sma筋3的数量n由隧道裂缝处的主拉应力σ
t
确定，即n
×
σ
p
＞＞σ
t
，其中n代表sma筋的数量，σ
p
为sma筋(3)热激励后作用在隧道混凝土衬砌上的预加力，σ
t
为隧道混凝土衬砌局部裂缝处的主拉应力。
49.预加力σ
p
与sma筋3热激励后产生的永久回复应力σc、裂缝闭合带来的预应力损失σ1、黏结材料弹性压缩带来的预应力损失σ2的关系式为σ
p
＝σ
c-σ
1-σ2；
50.其中σ1＝e
p
×
w/l，w为隧道混凝土衬砌局部裂缝处裂缝宽度，l为所用sma筋3的预变形长度，e
p
为sma筋的弹性模量；
51.σ2＝e
p
×
εc，εc为sma筋3的预加力引起的黏结材料弹性压缩应变；预变形长度l＝l
x
×
ε
x
，其中l
x
为所用单根sma筋的长度，ε
x
为sma筋的预应变。
52.步骤(2)中，单根sma筋的长度l
x
》(w
×ep
)/(σ
c-e
p
×
ε
c-σ
t
/n)/ε
x
；以确保sma筋3产生足够的预应力；其中，w为隧道混凝土衬砌局部裂缝处裂缝宽度，e
p
为sma筋的弹性模量，σc为sma筋3热激励后产生的永久回复应力，εc为sma筋3的预加力引起的黏结材料弹性压缩应变，σ
t
为隧道混凝土衬砌局部裂缝处的主拉应力，n为sma筋3的数量，ε
x
为sma筋的预应变。
53.步骤(2)中，每个凹槽4中放置一根sma筋3。
54.步骤(5)中，frp网格5为碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维与环氧树脂基体复合而成的网格状纤维增强复合材料；本实施例中，frp网格5的厚度为1-5mm，网格间距为5-10cm。
55.步骤(5)中，frp网格5的锚固件包括锚垫8、螺栓10和螺帽11，锚垫8是中间带孔洞且能内嵌于网格网眼中起固定作用的垫片，螺栓10的底部带有若干切口，螺帽11与螺栓大小配套。
56.地聚物水泥砂浆6为偏高岭土-矿渣复合胶凝体系通过碱溶液激发获得的无机胶凝材料，地聚物砂浆固化强度高于50mpa，且在两小时内达到强度的70％以上，具有固化快、强度高、耐高温的特性。
57.由上可知道，本发明基于sma筋和frp网格的隧道组合式加固的方法，通过对铁基sma筋进行热激励产生的回复应力，对隧道裂损部位施加预应力实现主动加固并达到闭合裂缝的目的，并在此基础上，利用frp网格和地聚物砂浆进行进一步的加固，实现隧道裂损衬砌的长寿命、快速和主动加固。

技术特征：

1.一种基于形状记忆合金sma筋与纤维增强复合材料frp网格的隧道裂损衬砌加固方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)开槽：对隧道裂损衬砌清理后开设凹槽(4)；(2)张拉并嵌入sma筋(3)：将sma筋(3)安装在反力张拉系统中，对sma筋(3)张拉并达到预变形后，再将sma筋(3)放置到凹槽(4)中，调整至sma筋(3)的中心线与凹槽(4)的中心线重合；(3)将地聚物砂浆(6)注入凹槽(4)内并进行抹平处理，再进行养护；(4)激励sma筋(3)：当地聚物砂浆(6)固化后，将直流电流正负极与sma筋(3)的两端连接，并在sma筋(3)的两端安装温度传感器，通电激励sma筋(3)至预设温度；通过sma筋(3)的回复应力对隧道裂损衬砌施加预应力，闭合衬砌上的裂缝(2)；(5)安装并固定frp网格(5)：在处理后的隧道衬砌表面固定frp网格(5)，选定frp网格(5)的网眼中心位置钻孔，放置锚垫(8)并将锚垫(8)的孔洞与钻孔对齐，将螺栓(10)打入孔洞内至设定深度，直至螺栓(10)的底部切口张开固定在衬砌混凝土中，套上螺帽(11)；(6)在frp网格(5)表面喷涂地聚物砂浆(6)至设定厚度，待地聚物砂浆(6)固化后，拧紧螺帽(11)，锚固frp网格(5)，使用地聚物砂浆(6)覆盖锚固位置，完成加固。2.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金sma筋与纤维增强复合材料frp网格的隧道裂损衬砌加固方法，其特征在于：步骤(1)中开设凹槽(4)的方向与隧道的裂缝方向垂直；开设凹槽(4)的深度小于混凝土保护层的厚度。3.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金sma筋与纤维增强复合材料frp网格的隧道裂损衬砌加固方法，其特征在于：步骤(2)中的sma筋(3)为铁基形状记忆合金材料制成的棒状或绞线筋材。4.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金sma筋与纤维增强复合材料frp网格的隧道裂损衬砌加固方法，其特征在于：步骤(4)中，所述sma筋(3)的数量n由隧道裂缝处的主拉应力σ
t
确定，即n
×
σ
p
＞＞σ
t
，其中n代表sma筋的数量，σ
p
为sma筋(3)热激励后作用在隧道混凝土衬砌上的预加力，σ
t
为隧道混凝土衬砌局部裂缝处的主拉应力。5.根据权利要求4所述的基于形状记忆合金sma筋与纤维增强复合材料frp网格的隧道裂损衬砌加固方法，其特征在于：所述预加力σ
p
与sma筋(3)热激励后产生的永久回复应力σ
c
、裂缝闭合带来的预应力损失σ1、黏结材料弹性压缩带来的预应力损失σ2的关系式为σ
p
＝σ
c-σ
1-σ2；其中σ1＝e
p
×
w/l，w为隧道混凝土衬砌局部裂缝处裂缝宽度，l为所用sma筋(3)的预变形长度，e
p
为sma筋的弹性模量；σ2＝e
p
×
ε
c
，ε
c
为sma筋(3)的预加力引起的黏结材料弹性压缩应变；预变形长度l＝l
x
×
ε
x
，其中l
x
为所用单根sma筋的长度，ε
x
为sma筋的预应变。6.根据权利要求5所述的基于形状记忆合金sma筋与纤维增强复合材料frp网格的隧道裂损衬砌加固方法，其特征在于：步骤(2)中单根sma筋的长度l
x
>(w
×
e
p
)/(σ
c-e
p
×
ε
c-σ
t
/n)/ε
x
，其中，w为隧道混凝土衬砌局部裂缝处裂缝宽度，e
p
为sma筋的弹性模量，σ
c
为sma筋(3)热激励后产生的永久回复应力，ε
c
为sma筋(3)的预加力引起的黏结材料弹性压缩应变，σ
t
为隧道混凝土衬砌局部裂缝处的主拉应力，n为sma筋(3)的数量，ε
x
为sma筋的预应变。7.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金sma筋与纤维增强复合材料frp网格的隧道
裂损衬砌加固方法，其特征在于：步骤(2)中每个凹槽(4)中放置一根sma筋(3)。8.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金sma筋与纤维增强复合材料frp网格的隧道裂损衬砌加固方法，其特征在于：步骤(5)中frp网格(5)为碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维与环氧树脂基体复合而成的网格状纤维增强复合材料。9.根据权利要求8所述的基于形状记忆合金sma筋与纤维增强复合材料frp网格的隧道裂损衬砌加固方法，其特征在于：所述frp网格(5)的厚度为1-5mm，网格间距为5-10cm。10.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金sma筋与纤维增强复合材料frp网格的隧道裂损衬砌加固方法，其特征在于：所述步骤(3)和步骤(6)中的地聚物砂浆(6)为偏高岭土-矿渣复合胶凝体系通过碱溶液激发获得的无机胶凝材料。

技术总结

本发明公开了一种基于形状记忆合金SMA筋与纤维增强复合材料FRP网格的隧道裂损衬砌加固方法，包括以下步骤：(1)对隧道裂损衬砌在保护层范围内开槽；(2)将SMA筋预先拉伸并嵌入槽中；(3)在槽中注入地聚物砂浆；(4)待地聚物砂浆固化后，通电激励SMA筋至预设温度，通过SMA筋的回复应力对隧道裂损衬砌施加预压应力，闭合衬砌上的裂缝；(5)在衬砌表面安装固定FRP网格；(6)在FRP网格上喷涂地聚物砂浆，固化后锚固FRP网格，完成加固。本发明通过对铁基SMA筋进行热激励而产生回复应力，对衬砌开裂部位施加预应力来减少或闭合原有裂缝，克服现有加固方法难以对曲面衬砌施加预应力的缺陷，改善隧道裂损衬砌的受力状态，实现隧道裂损衬砌的长寿命、快速与主动加固。快速与主动加固。快速与主动加固。