地下结构嵌入式快速修补方法及其构造

技术领域

本发明涉及地下工程施工技术领域，具体涉及一种地下结构嵌入式快速修补方法及其构造。

背景技术

作为典型的地下工程，城轨交通一般走行于城市核心区或，周边构筑物密集且环境较为敏感。近年来，城轨交通沿线的开发与建设强度空前，城轨交通也带动了沿线的发展。因此，在城轨交通建设与运营过程中，遭受外部作用而导致衬砌结构破损的情况越来越普遍，引起了业界广泛重视。

现有的地下工程衬砌结构在遭受外部作业破损时，为了最大程度减小对运营的影响，一般需要进行临时修补处理以尽快恢复正常运营，随后在天窗期再进行永久修复或补强处理。目前，对于衬砌结构局部破损的修补，一般采用植筋方式将钢筋网与既有结构进行连接，随后再进行混凝土的浇筑施工，避免新浇筑的混凝土出现掉落风险。但植筋对既有衬砌结构存在进一步扰动或破坏的风险，尤其是在衬砌结构被外部作业严重损伤的前提下，实际工程中经常会出现破损轮廓处由于植筋施工而导致破损部位进一步扩大，不但影响衬砌结构修补时效与质量，而且会加剧衬砌结构的变形或坍塌风险，亟需做出改变。

在现有衬砌结构植筋工艺水平无法得到有效提升的前提下，结合目前的衬砌结构修补工艺，在钢筋网需要与既有结构有效连接的前提下，对既有衬砌结构的损伤无法避免。因此，亟需设计新的衬砌结构破损部位钢筋网连接工艺，尤其当既有结构存在一定质量缺陷隐患，安全余量较小的情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种地下结构嵌入式快速修补方法及其构造，以解决以植筋为主的钢筋连接或恢复工艺对衬砌结构的损伤问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

地下结构嵌入式快速修补构造，所述修补构造包括嵌入式钢筋网和钢套筒；

所述嵌入式钢筋网包括纵向钢筋和横向的压力钢筋；

所述钢套筒内设置有处于压缩状态的钢弹簧，所述钢弹簧的底部设置有传力钢筋；

所述钢套筒位于相交的所述纵向钢筋和所述压力钢筋的交点处，垂直于衬砌结构破损区域长轴方向并位于所述纵向钢筋和所述压力钢筋之间；

所述钢套筒的顶部通过双向挂钩与所述纵向钢筋连接，所述传力钢筋的底端连接到所述压力钢筋。

进一步地，所述纵向钢筋包括位于所述嵌入式钢筋网中间的中部纵筋以及位于所述中部纵筋两侧对称布置的侧部纵筋；

所述压力钢筋位于所述中部纵筋两侧并交错布置，所述压力钢筋与所述侧部纵筋相交并连接；

所述钢套筒的顶部通过双向挂钩与所述中部纵筋连接。

进一步地，所述压力钢筋与所述侧部纵筋的相交处通过扎丝连接。

进一步地，所述钢套筒包括顶板、底板和四个侧板；

所述双向挂钩连接到所述顶板的顶面，所述钢弹簧的顶部连接到所述顶板的底面；

所述底板上设置有通孔，所述传力钢筋穿过所述通孔。

进一步地，所述钢弹簧的底部连接到刻度板的顶面，所述传力钢筋穿过所述钢套筒的底部连接到所述刻度板的底面。

进一步地，所述钢套筒内的两侧设置有档条，所述档条上方的所述钢套筒的筒壁上设置有进出通道并插入销钉；

所述销钉插入所述钢套筒的长度大于两侧的所述档条之间的距离，所述刻度板的宽度小于两侧的所述档条之间的距离。

进一步地，所述档条下方的所述钢套筒的筒壁上设置有开槽并嵌入具有刻度线的玻璃面板。

另一方面，提供地下结构嵌入式快速修补方法，所述修补方法基于所述的地下结构嵌入式快速修补构造实施，包括：

组装钢套筒，内置钢弹簧，压缩钢弹簧直至刻度板位于档条上方后插入销钉；

根据衬砌结构的破损区域面积大小与破碎轮廓形状尺寸，设计嵌入式钢筋网的整体轮廓；

利用扎丝连接侧部纵筋和压力钢筋；

将钢套筒安装到中部纵筋与压力钢筋之间，将嵌入式钢筋网整体嵌入衬砌结构的破损区域；

拔出销钉，钢弹簧释放压力推动传力钢筋，向压力钢筋施压，嵌入式钢筋网的边缘与破损区域的破碎边界有效机械咬合；

在破碎边界范围内立模并灌注微膨胀混凝土，待混凝土凝固后即完成地下结构的快速修补。

进一步地，所述方法还包括：

在衬砌结构的破损区域内自外向内设置多层嵌入式钢筋网，整体灌注微膨胀混凝土。

进一步地，所述方法还包括：

预先在钢套筒的玻璃面板上，根据钢弹簧的压力与位移关系标定刻度线。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明提供了一种地下结构嵌入式快速修补方法及其构造，在衬砌结构破损范围内嵌入钢筋网，钢筋网四周轮廓与结构破损边界基本吻合，并略微放大一些以确保放入的钢筋网呈现外鼓挤压状态，通过其中心两侧交错布置的水平向压力钢筋与结构破损边界处的压力连接，进一步将钢筋网有效固定在结构破损区域，随后在破损边界范围内浇筑微膨胀混凝土，完成衬砌结构的快速修复。构造简单、工艺便捷、修补效果可控且显著。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。

图1是被破坏的衬砌结构平面示意图。

图2是衬砌结构破损处的嵌入式钢筋网平面图。

图3是衬砌结构破损处的嵌入式钢筋网断面图。

图4是伸缩套筒构造图(钢弹簧最大压缩状态-最大压力)。

图5是伸缩套筒构造图(钢弹簧自由释放状态-零压力)。

图中标识为：

1-衬砌结构，2-破损区域，3-破碎轮廓，4-嵌入式钢筋网，41-纵向钢筋，42-压力钢筋，43-钢套筒与钢筋网连接节点，5-破碎边界，6-微膨胀混凝土，7-双向挂钩，8-钢套筒，9-钢弹簧，10-销钉，11-刻度板，12-档条，13-刻度线，14-玻璃面板，15-传力钢筋。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中间”、“上”、“下”、“纵向”、“横向”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“设置”等应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

具体实施方式中，将图1中从上到下的方向定义为纵向，将与之垂直的方向定义为横向，将垂直于衬砌结构1定义为径向。

如图1，在地下工程中，既有衬砌结构1受外部作业影响，在某一部位形成破损甚至被击穿，形成了贯穿的破损区域2，并在其四周形成破碎轮廓3。本发明提供了一种地下结构嵌入式快速修补构造，采用新型的钢筋网挂设方式修补破损区域2，具备简单的操作流程与可靠的连接固定效果。

所述修补构造包括嵌入式钢筋网4和钢套筒8。

如图2和图3，嵌入式钢筋网4包括纵向钢筋41和横向的压力钢筋42。纵向钢筋41包括位于中间的中部纵筋和位于中部纵筋两侧对称布置的侧部纵筋。压力钢筋42位于中部纵筋两侧并交错布置，压力钢筋42与侧部纵筋相交并采用扎丝连接，压力钢筋42可横向自由活动(扎丝起到固定位置但不限定移动的作用)。嵌入式钢筋网4的自然轮廓外形与破损边界5基本吻合，整体尺寸略大，以利于在破损边界5处形成一定的挤压力。

如图4和图5，钢套筒8整体呈扁平立方体形式，厚度与钢弹簧9直径匹配，长度与钢弹簧9自然伸缩状态下的最大尺寸匹配，包括顶板、底板和四个侧板。钢套筒8内设置有处于压缩状态的钢弹簧9，钢弹簧9的顶部连接到顶板的底面，钢弹簧9的底部连接有传力钢筋15。底板上设置有通孔，压力钢筋42穿过通孔。钢套筒8位于相交的中部钢筋和压力钢筋42的交点处，即图2中的钢套筒与钢筋网连接节点43，垂直于衬砌结构1破损区域2长轴方向并位于纵向钢筋41和压力钢筋42之间。钢套筒8的顶部通过双向挂钩7与中部钢筋连接，传力钢筋15的底端与压力钢筋42焊接。双向挂钩7连接到钢套筒8顶板的顶面。

另外，钢套筒8内还设置有刻度板11。钢弹簧9的底部连接到刻度板11的顶面，传力钢筋15穿过钢套筒8的底部连接到刻度板11的底面。钢套筒8内的两侧设置有档条12，档条12上方的钢套筒8的筒壁上设置有进出通道并插入销钉10。销钉10插入钢套筒8的长度大于两侧的档条12之间的距离，刻度板11的宽度小于两侧的档条12之间的距离。刻度板11初始竖向位移由销钉10卡位，销钉10通过钢套筒8内部设置的档条12进行固定。档条12下方的钢套筒8的筒壁上设置有开槽并嵌入具有刻度线13的玻璃面板14。具体地，在钢套筒8正反两面均可设置玻璃面板14，玻璃面板14宽度略小于钢套筒8宽度，在玻璃面板14设置压力的刻度线13，刻度线13需提前基于弹簧伸缩长度进行标定。钢弹簧9处于最大伸长状态时，刻度板11正好位于钢套筒8底部，此时对应的刻度线13压力为零。

在钢弹簧9弹力作用下，压力钢筋42与衬砌结构1破损轮廓3之间可得到有效的咬合接触，再加上嵌入式钢筋网4轮廓受挤压而形成的整体外凸挤压效果，可确保嵌入式钢筋网4有效嵌固于衬砌结构1破损区域2，进而实现了嵌入式钢筋网4与衬砌结构1之间“机械锚固、有效嵌固”的连接目的，随后在此基础上及时浇筑微膨胀混凝土6，实现破损部位快速修复的目的。由于压力钢筋42与破损边界5之间的“咬合力”可通过钢弹簧9的反向弹力对其大小进行有效调节，因此在衬砌结构1厚度相对较小、破损轮廓3相对光滑时，钢弹簧9的反向弹力需要相对大些；反之如果衬砌结构1相对较厚、破损轮廓3相对粗糙，则此时钢弹簧9的反向弹力可相对小些，并可在衬砌厚度方向布置多层嵌入式钢筋网4。

上述结构中，钢套筒8、钢弹簧9、销钉10、档条12以及刻度板11等均可采用Q235钢材，衬砌结构1与微膨胀混凝土6等采用C35或更高等级的砼，嵌入式钢筋网4、纵向钢筋41、压力钢筋42、传力钢筋15等可采用普通HRB335钢筋，玻璃面板14可考虑高强度有机玻璃。

另一方面，本发明提供了一种地下结构嵌入式快速修补方法，基于上述地下结构嵌入式快速修补构造实施，包括：

步骤一：组装钢套筒8，内置钢弹簧9，压缩钢弹簧9直至刻度板11位于档条12上方后插入销钉10。此时，钢弹簧9为初始状态，即呈最大压缩状态，钢弹簧9压力释放后对应压力钢筋42的荷载最大。

具体地，根据钢套筒8的整体偏平矩形构造特点，针对性制作6块钢板，分别为正反两面、左右两侧面与上下两面，顶板、底板和四个侧板。根据钢弹簧7最大压缩状态下的整体长度，在钢套筒8两内侧壁上响应位置焊接档条12，并在一侧面上进行开口处理，开口处宽度与销钉10厚度相匹配。根据档条12位置，将正反两面钢板中下部掏空处理，掏空区域宽度比钢板宽度小，随后将带有刻度标识的玻璃面板14嵌入正反两面钢板掏空区域，刻度标识提前根据弹簧压力与位移关系进行标定。根据钢套筒8空间尺寸，将五块钢板进行焊接，预留底部开口，形成底部开口的一个空间矩形钢结构立方体。将钢弹簧9底部与刻度板11进行焊接，将刻度板11底部与传力钢筋15焊接，随后将钢弹簧9由下而上放入钢套筒8内部，并在钢弹簧9达到最大压缩状态下插入销钉10。将钢套筒8底部采用钢板封堵，底部钢板中间预留孔洞确保传力钢筋15可自由穿过。根据要求制作可两个方向受力的双向挂钩7，在钢套筒8顶部焊接双向挂钩7，随后将双向挂钩7与嵌入式钢筋网4中间的纵向钢筋41机械连接，在连接部位形成特定的连接节点，并将钢套筒8底部伸出的传力钢筋15与钢筋网中的压力钢筋42焊接，焊接时应确保压力钢筋42另一端顶紧衬砌结构1破损边界3。

步骤二：根据衬砌结构1的破损区域2面积大小与破碎轮廓3形状尺寸，设计嵌入式钢筋网4的整体轮廓，确保其轮廓宽度尺寸略大于破碎轮廓3，一般中间部位最大宽度处嵌入式钢筋网4尺寸可按略大于破损轮廓3按1-3cm考虑。

步骤三：嵌入式钢筋网4由纵向钢筋41与左右交替布置的压力钢筋42通过扎丝绑扎成型，扎丝仅起到固定压力钢筋4-2位置的作用，同时需确保压力钢筋42在扎丝孔内水平向穿行，嵌入式钢筋网4的压力钢筋42与中部纵筋不直接连接，在连接节点处预留钢套筒8安装空间，在中间最大宽度尺寸处，纵向钢筋41的水平间距可按3-5cm考虑，压力钢筋42的竖向间距可按2-4cm考虑，且沿嵌入式钢筋网4纵向左右交错布置，钢筋直径可按10-16mm考虑。

步骤四：将钢套筒8安装到中部纵筋与压力钢筋42之间，将制作好的嵌入式钢筋网4整体嵌入衬砌结构1破损区域2，嵌入式钢筋网4整体呈现一定压力作用下的外凸挤压状态。

步骤五：拔出销钉10，钢弹簧9释放压力推动传力钢筋15，向压力钢筋42施压，嵌入式钢筋网4的边缘与破损区域2的破碎边界5有效机械咬合。

步骤六：在破碎边界5范围内灌注微膨胀混凝土6，完成地下结构的快速修补。

嵌入式钢筋网4被嵌入破损区域2后呈现一定外鼓挤压状态，有利于嵌入式钢筋网4与破损轮廓3之间的整体咬合接触。同时，嵌入式钢筋网4可在衬砌结构1厚度方向布置一层或多层，根据衬砌结构1厚度灵活设置，一般衬砌结构1厚度在300mm以内时可考虑设置一层，厚度每增加100mm可考虑增设一层嵌入式钢筋网4，多层嵌入式钢筋网4整体灌注微膨胀混凝土6。

方法实施过程中需注意：

1、根据破损区域2面积与破损轮廓3形状尺寸进行嵌入式钢筋网4设计时，其整体外形可能为圆形、椭圆形甚至长方形，应据此及时调整钢筋间距与直径；

2、钢套筒8底部传力钢筋15传递出来的水平压力大小，一般不小于10kN，具体可根据破损区域2面积大小与破碎轮廓3侧壁光滑程度综合确定；

3、为加强嵌入式钢筋网4与破碎轮廓3之间的咬合力，需将钢筋网宽度尺寸略微放大，确保放入破损区域2后有明显的整体嵌入效应，并呈现外凸挤压状态，因此需要根据破损区域2具体情况提前确定外凸宽度方向与中部钢筋位置；

4、钢套筒8的大小需要与嵌入式钢筋网4及纵向钢筋41间距匹配。

本发明的结构具有以下特点和优势：

1)本发明基于“机械锚固、有效嵌固”的理念，通过整体挤压嵌入、压力钢筋与破碎边界的机械锚固的联合作用，将钢筋网有效嵌固于衬砌结构破损区域，由于钢筋网是根据破损形状与轮廓大小进行预制，因此现场工作较简单、便捷，可在第一时间进行钢筋网的嵌入与微膨胀混凝土的浇筑，对于需要尽快恢复正常运营的市政工程而言，可大大减少局部破损对正常运营的不利影响；

2)一般而言，受外部作用导致衬砌结构局部破碎或掉块后，破碎边界处衬砌结构普遍较为敏感，如果进一步采用植筋处理，则可能进一步增加破损边界处衬砌结构的不稳定状态，甚至导致破碎区域进一步扩大，结构裂缝与衬砌掉块现象进一步发展，甚至可能影响衬砌结构的整体稳定性，如局部坍塌险情。本发明采用嵌入式钢筋网，规避了衬砌破损边界处常规的植筋施工，最大程度减小了对已破损衬砌结构的扰动，可最大程度保证既有破损衬砌结构自身的承载能力与稳定性；

3)钢筋网的数量，可根据衬砌结构的厚度与破损区域大小综合考虑，一般情况下，如果衬砌结构厚度在300以内时可考虑设置一层，厚度每增加100mm可考虑增设一层钢筋网；工艺简单、施工简便，具有较高的经济效益和社会效益，在轨道交通、铁路项目等涉及的结构工程中有广泛的应用前景。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。