[发明专利]一种功能梯度盾构隧道衬砌结构及制备方法

权利要求书

1.一种功能梯度盾构隧道衬砌结构，其特征在于：利用模具按设计尺寸要求将衬砌结构沿径向分为内外两层同轴等厚度圆环，沿环向等角度分为8块大扇形区域，整个盾构隧道衬砌结构总共被划分为中心对称的16块小扇形区域；依据衬砌外围所受不均匀围压特征，确定出衬砌结构内部弹性模量分布，根据衬砌结构内部弹性模量分布情况在16块小扇形区域内按编号Ⅰ-Ⅳ沿环形对应方式填充不同强度的普通混凝土，编号越大区域所对应的混凝土强度越高，弹性模量越大，各区域混凝土强度大小为Ⅰ＜Ⅱ＜Ⅲ＜Ⅳ，以此形成弹性模量梯度变化的隧道盾构衬砌结构，整个衬砌结构的混凝土弹性模量沿径向内侧圆环小于外侧圆环，从而使沿环向自衬砌结构顶部和底部两侧区域向中间区域的弹性模量逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的功能梯度盾构隧道衬砌结构，其特征在于：所述的模具包括外侧圆形钢模板(1)、中间圆形钢模板(2)、内侧圆形钢模板(3)和径向钢模板(4)，中间圆形钢模板(2)位于外侧圆形钢模板(1)和内侧圆形钢模板(3)之间，径向钢模板(4)为16块。

3.根据权利要求1所述的功能梯度盾构隧道衬砌结构，其特征在于：所述衬砌结构沿径向分为内外两层同轴等厚度圆环的每层厚度均为150mm，总厚度300mm，圆环长度为1200mm。

4.根据权利要求1所述的功能梯度盾构隧道衬砌结构，其特征在于：所述的编号Ⅰ-Ⅳ类区域中编号Ⅰ类区域使用的混凝土标号为C55，弹性模量为35.5GPa；编号Ⅱ类区域使用的混凝土标号为C60，弹性模量为36GPa；编号Ⅲ类区域使用的混凝土标号为C65，弹性模量为36.5GPa；编号Ⅳ类区域使用的混凝土标号为C70，弹性模量为37GPa。

5.根据权利要求1～4任意项所述功能梯度盾构隧道衬砌结构的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步：预备符合尺寸设计要求的一块外侧圆形钢模板(1)、一块中间圆形钢模板(2)、一块内侧圆形钢模板(3)、以及内部用于分隔各区域的16块径向钢模板(4)；

第二步：将16块径向钢模板(4)沿环向按45°角度对称焊接在中间圆形钢模板(2)内外两侧，形成8块大扇形区域整体模板；

第三步：将内侧圆形钢模板(3)置于中间圆形钢模板(2)中心，外圆周顶靠住径向钢模板(4)，将外侧圆形钢模板(1)置于中间圆形钢模板(2)外侧，内圆周顶靠住径向钢模板(4)，形成中心对称的16块小扇形区域，按上下撇捺左右对16块小扇形区域进行编号Ⅰ-Ⅳ，上下四块小扇形区域编号分层由内而外对称编号为Ⅰ、Ⅱ，撇捺四块小扇形区域编号分层由内而外对称编号为Ⅱ、Ⅲ，左右四块小扇形区域编号分层由内而外对称编号为Ⅲ、Ⅳ，并在16块小扇形区域内涂上润滑剂便于后期脱模；

第四步：将制备好的C55、C60、C65、C70四种混凝土向模板之间分层区域按照区域编号分别浇筑对应编号Ⅰ-Ⅳ类区域的混凝土，Ⅰ区域对应C55混凝土，Ⅱ区域对应C60混凝土，Ⅲ区域对应C65混凝土，Ⅳ区域对应C70混凝土；

第五步：向对应区域按照区域编号分别浇筑对应编号Ⅰ-Ⅳ类区域的混凝土至圆环设计长度1200mm，并充分振捣，使混凝土分布均匀；外侧圆形钢模板(1)

第六步：编号Ⅰ-Ⅳ类区域内的混凝土达到初凝状态之前，从衬砌结构横断面上方，用垂直提拉器械，缓慢将第二步中焊接形成的8块大扇形区域整体模板垂直向上提升，从混凝土材料中抽离，同时保持内侧圆形钢模板(3)和外侧圆形钢模板(1)不动，将焊接的整体模板与各区域混凝土逐渐分离，使各区域不同强度的混凝土直接接触；提升模板过程中应注意保持缓慢、垂直、匀速，保证衬砌成型质量；

第七步：根据混凝土结构设计规范的养护要求，将浇筑好的功能梯度地铁隧道衬砌结构放置在20±3℃的温度和相对湿度在90％以上的潮湿空气中养护28天，待混凝土强度达到设计要求时，将外侧圆形钢模板(1)和内侧圆形钢模板(3)拆除。