基于预制UHPC构件和磷酸镁水泥的盾构快速修复方法

基于预制uhpc构件和磷酸镁水泥的盾构快速修复方法
技术领域
1.本技术属于盾构隧道管片修复技术领域，具体涉及一种基于预制uhpc构件和磷酸镁水泥的盾构快速修复方法。


背景技术：

2.随着城市地铁的大规模建设，盾构法因其具有施工速度快、安全、对周围环境影响小等特点，已被广泛应用于地铁隧道建设中。
3.作为盾构隧道的永久衬砌结构，盾构管片长期承受着土层压力、地下水压力等复杂荷载作用，现有盾构隧道管片一般由钢筋和普通混凝土组成，而普通混凝土抗拉强度低，在复杂服役环境中易开裂、破损，以至于其耐久性不满足盾构隧道服役要求，因此，为保证盾构隧道的长期服役，亟需在其损害后进行快速修复。
4.目前，现有盾构管片若发生严重破损，其修复技术均属于隧道管片内贴钢板环加固法。根据隧道尺寸以及裂缝等病害来确定所需加固钢板环的尺寸及厚度，然后在工厂对钢板进行放样加工；在将要修复的管片找平之后，将其与临近管片的环纵缝以及手孔进行封堵；再将钢板环通过膨胀螺栓与盾构管片进行固定，并且封堵钢板环与管片四周边缘之间的缝隙；然后通过钢板环上预留的注浆孔将起粘结作用的刚性环氧树脂注入钢板环与管片之间的间隙；最后将相邻钢板环的纵缝和环缝进行焊接连接来实现盾构管片的修复。为保证钢板环的耐久性，常需要在钢板环表面喷涂防腐材料。
5.采用内贴钢板环加固法，虽能够提升破损管片的整体刚度，延长管片的使用寿命，但钢的内部晶体组织对温度非常敏感，钢板环通常在450℃～650℃时失去承载能力，并发生较大形变而达到正常使用极限状态；曲形钢板环加工困难大、成本高；并且，地下环境潮湿，环氧树脂易老化，导致钢板环与管片之间的粘结强度降低甚至消失，无法达到长期修复的目的；环氧树脂是有机材料，作为钢板环与管片两种无机材料之间的粘结剂，由于有机材料与无机材料之间的粘结强度低，粘结效果差，界面易剥离，修复收益低。
6.由于内贴钢板环加固法存在曲形钢板不耐火、加工成本高、地下环境中环氧树脂易老化以及无机材料之间的环氧树脂粘结强度低的关键可行性问题，现有修复技术工序成本高、收益低，难以广泛应用于实际盾构隧道中。


技术实现要素：

7.本技术实施例的目的是提供一种基于预制uhpc构件和磷酸镁水泥的盾构快速修复方法，其在提高管片整体刚度的同时兼顾耐久性问题，能克服现有隧道管片内贴钢板环加固方法存在的曲形钢板不耐火、加工成本高、地下潮湿环境中环氧树脂易老化以及用于无机材料之间的环氧树脂粘结剂粘结强度低的关键可行性问题，从而可以解决背景技术中涉及的至少一个技术问题。
8.为了解决上述技术问题，本技术是这样实现的：本技术实施例提供了一种基于预制uhpc构件和磷酸镁水泥的盾构快速修复方法，
包括：步骤s1：清理待修复的盾构管片，然后进行打磨处理；步骤s2：对待修复的盾构管片和与其临近的盾构管片的环缝、纵缝以及手孔进行封堵；步骤s3：考虑隧道变形对整体形状的影响，精确制备预制uhpc构件；步骤s4：从隧道底部开始拼装预制uhpc构件，并连接预制uhpc构件和管片混凝土；步骤s5：将预制uhpc构件通过错位互锚方式连接，实现预制uhpc构件的整体连接；步骤s6：封堵预制uhpc构件边缘与管片之间的缝隙，向预制uhpc构件和管片混凝土之间的间隙注入磷酸镁水泥，完成待修复盾构管片的修复。
9.可选的，在步骤s4中，使用化学锚栓连接预制uhpc构件和管片混凝土。
10.可选的，在步骤s5中，用与制备预制uhpc构件相同的uhpc浇筑相邻预制uhpc构件的接缝以实现预制uhpc构件的整体连接。
11.可选的，在步骤s6中，用磷酸镁水泥封堵预制uhpc构件边缘与管片之间的缝隙。
12.可选的，所述预制uhpc构件包括组合纤维、水泥基材料、玄武岩细骨料、钢筋网、水以及外加剂，其中，水泥基材料：水：组合纤维：玄武岩细骨料：外加剂的质量比为1.0：0.16：0.15：1.0：0.02，水胶比为0.16，钢筋网的配筋率为3%~5%。
13.可选的，所述水泥基材料包括水泥、丙类粉煤灰以及硅灰，其中，所述水泥的质量分数为50%~80%，所述粉煤灰的质量分数为10%~40%，所述硅灰的质量分数为10%~40%。
14.可选的，所述外加剂包括减水剂和消泡剂，所述减水剂和消泡剂的掺量分别为所述水泥基材料质量的2%和0.2%。
15.可选的，所述组合纤维包括短切竹纤维、切断钢棉以及采用乙烯基/呋喃树脂进行表面处理的硫酸钙晶须，所述短切竹纤维和硫酸钙晶须的直径为0.1~1mm，长度为10~30mm；所述短切竹纤维掺入的体积为所述预制uhpc构件体积的1.2%；所述硫酸钙晶须和切断钢棉掺入的体积为所述预制uhpc构件体积的2%，且所述硫酸钙晶须与所述切断钢棉的质量比例为1：2。
16.可选的，所述玄武岩细骨料的细度模数控制在1.6~2.2，粒径为0.15~4.75mm，砂胶比为1.0。
17.本技术具有如下技术效果：1）由于竹纤维的极限抗拉强度可达2000mpa，是植物纤维中强度最高的，使得uhpc构件有较高的抗拉强度；同时竹纤维在高温状态下碳化分解可以为高温状态下uhpc内部水蒸气提供释放通道，避免高温爆裂问题；因此采用竹纤维替代目前耐高温uhpc中的聚丙烯纤维，可以在兼顾高强度的同时提升水泥基材料的绿色低碳属性；2）通过采用硫酸钙晶须替代钢纤维，可以避免钢纤维在高温熔融态的变形和表面镀铜层的破坏，减少高温后的强度损失；另外，通过增加切断钢棉，提升了uhpc的裂缝控制能力，实现多裂缝扩展，提升预制uhpc构件的延性；3）通过采用预制uhpc构件，通过高温蒸汽养护的方式避免现浇uhpc加固施工过程中可能出现的干燥收缩开裂和后期的徐变问题；采用玄武岩骨料提升uhpc的弹性模量，同时采用内置钢筋网提升构件刚度，实现预制uhpc构件与钢板强度和刚度等效；同时预制uhpc构件采用浇筑加工，避免了曲面钢板加工困难的问题；
4）采用磷酸镁水泥粘接预制uhpc构件和既有混凝土结构，磷酸镁水泥具有水化速率快、粘结强度高的优点，粘结强度可在2小时内达到5mpa，满足地铁盾构隧道快速施工的需要。
附图说明
18.图1是本技术实施例1提供的基于预制uhpc构件和磷酸镁水泥修复盾构隧道横断面示意图；图2是本技术实施例1提供的基于预制uhpc和磷酸镁水泥的盾构管片修复示意图；图3是沿图2中a-a线的剖视图。
19.图4是预制uhpc构件的错位互锚连接。
具体实施方式
20.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
21.本技术的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
22.下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本技术实施例提供的基于预制uhpc构件和磷酸镁水泥的盾构快速修复方法进行详细地说明。
23.本技术实施例提供了一种基于预制uhpc构件和磷酸镁水泥的盾构快速修复方法，包括：步骤s1：清理待修复的盾构管片，然后进行打磨处理；具体的，清理待修复的盾构管片内表面的油污和泥沙。
24.步骤s2：对待修复的盾构管片和与其临近的盾构管片的环缝、纵缝以及手孔进行封堵；具体的，采用磷酸镁水泥进行封堵。
25.步骤s3：考虑隧道变形对整体形状的影响，精确制备预制uhpc构件；步骤s4：从隧道底部开始拼装预制uhpc构件，并连接预制uhpc构件和管片混凝土；具体的，使用化学锚栓连接预制uhpc构件和管片混凝土。
26.步骤s5：将预制uhpc构件通过错位互锚方式连接，实现预制uhpc构件的整体连接；具体的，用与制备预制uhpc构件相同的uhpc浇筑相邻预制uhpc构件的接缝以实现预制uhpc构件的整体连接。
27.所述预制uhpc构件包括组合纤维、水泥基材料、玄武岩细骨料、钢筋网、水以及外加剂，其中，水泥基材料：水：组合纤维：玄武岩细骨料：外加剂的质量比为1.0：0.16：0.15：
1.0：0.02，水胶比为0.16，钢筋网的配筋率为3%~5%，需要说明的是，水胶比即为水的质量与所述水泥基材料的质量比。
28.所述水泥基材料包括水泥、丙类粉煤灰以及硅灰，其中，所述水泥的质量分数为50%~80%，所述粉煤灰的质量分数为10%~40%，所述硅灰的质量分数为10%~40%。
29.所述外加剂包括减水剂和消泡剂，所述减水剂和消泡剂的掺量分别为所述水泥基材料质量的2%和0.2%。
30.所述组合纤维包括短切竹纤维、切断钢棉以及采用乙烯基/呋喃树脂进行表面处理的硫酸钙晶须，所述短切竹纤维和硫酸钙晶须的直径为0.1~1mm，长度为10~30mm；所述短切竹纤维掺入的体积为所述预制uhpc构件体积的1.2%；所述硫酸钙晶须和切断钢棉掺入的体积为所述预制uhpc构件体积的2%，且所述硫酸钙晶须与所述切断钢棉的质量比例为1：2。
31.所述玄武岩细骨料的细度模数控制在1.6~2.2，粒径为0.15~4.75mm，砂胶比为1.0，需要说明的是，砂胶比即为玄武岩细骨料与水泥基材料的质量比。
32.步骤s6：封堵预制uhpc构件边缘与管片之间的缝隙，向预制uhpc构件和管片混凝土之间的间隙注入磷酸镁水泥，完成待修复盾构管片的修复。
33.具体的，用磷酸镁水泥封堵预制uhpc构件边缘与管片之间的缝隙。
34.下面以具体实施例1对本技术提供的基于预制uhpc构件和磷酸镁水泥的盾构快速修复方法进行详细说明。
35.请参阅图1所示，本发明提供一种基于预制uhpc构件和磷酸镁水泥的盾构隧道快速修复方法，该快速修复方法需要配套化学锚栓钻孔钻机、拼装台车以及注浆机械臂，以实现预制uhpc构件和磷酸镁水泥快速修复隧道盾构管片，具体步骤如下：步骤1：清理将待修复的盾构管片1内表面的油污和泥沙，然后进行打磨处理；步骤2：将待修复的盾构管片1与其临近管片的环缝、纵缝以及手孔用磷酸镁水泥6进行封堵；步骤3：根据预制uhpc构件2上预留的化学锚栓孔，用化学锚栓钻孔钻机在管片混凝土打孔；预制uhpc构件2的拼装施工采用隧道拼装台车进行，从隧道底部一侧开始逐块拼装预制uhpc构件2，当完成一块预制uhpc构件2对应的混凝土打孔施工时，立即用化学锚栓3连接预制uhpc构件2与管片混凝土；步骤4：利用预制uhpc构件上预留出的箍筋4，将预制uhpc构件通过错位互锚方式连接，用与制备预制uhpc构件相同的uhpc 9浇筑相邻预制uhpc构件的接缝，以实现预制uhpc构件的整体连接，如图4所示；步骤5：封堵预制uhpc构件边缘与管片之间的缝隙，采用注浆机械臂通过预制uhpc构件2上预留的注浆孔7进行预制uhpc构件2与管片混凝土之间的磷酸镁水泥6的填充，最后达到对管片出现的裂缝5快速修复的目的，如图2和3所示。
36.具体的，预制uhpc构件的配筋率为4%，钢筋选用hrb400。
37.所述短切竹纤维和采用乙烯基/呋喃树脂进行表面处理的硫酸钙晶须的直径为0.1~1mm，长度为10~30mm；短切竹纤维掺入的体积为所述预制uhpc构件体积的1.2%；采用乙烯基/呋喃树脂进行表面处理的硫酸钙晶须和切断钢棉掺入的体积为所述预制uhpc构件体积的2%，其中硫酸钙晶须与切断钢棉的质量比例为1：2。
38.所述水泥基材料中各质量占比为水泥50%，丙类粉煤灰40%，硅灰10%。
39.所述减水剂和消泡剂的掺量分别为所述水泥基材料质量的2%和0.2%。
40.所述玄武岩细骨料的细度模数控制在1.6~2.2，粒径为0.15~4.75mm，砂胶比为1.0。
41.所述预制uhpc构件2的厚度为30mm，环宽1.3m，水胶比0.16，具体配合比如下：水泥：744.2 ，丙类粉煤灰：453.2，硅灰：103.6，玄武岩细骨料：1250.8，减水剂：24.3，消泡剂：1.82，短切竹纤维：3.7，采用乙烯基/呋喃树脂进行表面处理的硫酸钙晶须：64.2，切断钢棉：128.4，水：211.78。
42.本技术具有如下技术效果：1）由于竹纤维的极限抗拉强度可达2000mpa，是植物纤维中强度最高的，使得uhpc构件有较高的抗拉强度；同时竹纤维在高温状态下碳化分解可以为高温状态下uhpc内部水蒸气提供释放通道，避免高温爆裂问题；因此采用竹纤维替代目前耐高温uhpc中的聚丙烯纤维，可以在兼顾高强度的同时提升水泥基材料的绿色低碳属性；2）通过采用硫酸钙晶须替代钢纤维，可以避免钢纤维在高温熔融态的变形和表面镀铜层的破坏，减少高温后的强度损失；另外，通过增加切断钢棉，提升了uhpc的裂缝控制能力，实现多裂缝扩展，提升预制uhpc构件的延性；3）通过采用预制uhpc构件，通过高温蒸汽养护的方式避免现浇uhpc加固施工过程中可能出现的干燥收缩开裂和后期的徐变问题；采用玄武岩骨料提升uhpc的弹性模量，同时采用内置钢筋网提升构件刚度，实现预制uhpc构件与钢板强度和刚度等效；同时预制uhpc构件采用浇筑加工，避免了曲面钢板加工困难的问题；4）采用磷酸镁水泥粘接预制uhpc构件和既有混凝土结构，磷酸镁水泥具有水化速率快、粘结强度高的优点，粘结强度可在2小时内达到5mpa，满足地铁盾构隧道快速施工的需要。
43.上面结合附图对本技术的实施例进行了描述，但是本技术并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本技术的启示下，在不脱离本技术宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本技术的保护之内。

技术特征：
1.一种基于预制uhpc构件和磷酸镁水泥的盾构快速修复方法，其特征在于，包括：步骤s1：清理待修复的盾构管片，然后进行打磨处理；步骤s2：对待修复的盾构管片和与其临近的盾构管片的环缝、纵缝以及手孔进行封堵；步骤s3：考虑隧道变形对整体形状的影响，精确制备预制uhpc构件；步骤s4：从隧道底部开始拼装预制uhpc构件，并连接预制uhpc构件和管片混凝土；步骤s5：将预制uhpc构件通过错位互锚方式连接，实现预制uhpc构件的整体连接；步骤s6：封堵预制uhpc构件边缘与管片之间的缝隙，向预制uhpc构件和管片混凝土之间的间隙注入磷酸镁水泥，完成待修复盾构管片的修复。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤s4中，使用化学锚栓连接预制uhpc构件和管片混凝土。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤s5中，用与制备预制uhpc构件相同的uhpc浇筑相邻预制uhpc构件的接缝以实现预制uhpc构件的整体连接。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预制uhpc构件包括组合纤维、水泥基材料、玄武岩细骨料、钢筋网、水以及外加剂，其中，水泥基材料：水：组合纤维：玄武岩细骨料：外加剂的质量比为1.0：0.16：0.15：1.0：0.02，水胶比为0.16，钢筋网的配筋率为3%~5%。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述水泥基材料包括水泥、丙类粉煤灰以及硅灰，其中，所述水泥的质量分数为50%~80%，所述粉煤灰的质量分数为10%~40%，所述硅灰的质量分数为10%~40%。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述外加剂包括减水剂和消泡剂，所述减水剂和消泡剂的掺量分别为所述水泥基材料质量的2%和0.2%。7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述组合纤维包括短切竹纤维、切断钢棉以及采用乙烯基/呋喃树脂进行表面处理的硫酸钙晶须，所述短切竹纤维和硫酸钙晶须的直径为0.1~1mm，长度为10~30mm；所述短切竹纤维掺入的体积为所述预制uhpc构件体积的1.2%；所述硫酸钙晶须和切断钢棉掺入的体积为所述预制uhpc构件体积的2%，且所述硫酸钙晶须与所述切断钢棉的质量比例为1：2。8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述玄武岩细骨料的细度模数控制在1.6~2.2，粒径为0.15~4.75mm，砂胶比为1.0。

技术总结
本申请公开了一种基于预制UHPC构件和磷酸镁水泥的盾构快速修复方法，包括：清理待修复的盾构管片，然后进行打磨处理；对待修复的盾构管片和与其临近的盾构管片的环缝、纵缝以及手孔进行封堵；考虑隧道变形对整体形状的影响，精确制备预制UHPC构件；从隧道底部开始拼装预制UHPC构件，并连接预制UHPC构件和管片混凝土；将预制UHPC构件通过错位互锚方式连接，实现预制UHPC构件的整体连接；封堵预制UHPC构件边缘与管片之间的缝隙，向预制UHPC构件和管片混凝土之间的间隙注入磷酸镁水泥，完成待修复盾构管片的修复。本申请在提高管片整体刚度的同时兼顾耐久性问题。的同时兼顾耐久性问题。的同时兼顾耐久性问题。


技术研发人员：郭帅成 全教中 陈仁朋 张超 邓鹏 程红战 周琳林
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：2023.06.09
技术公布日：2023/7/18