基于相變調溫噴射混凝土的隧道防凍保溫結構及施工方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于相變調溫噴射混凝土的隧道防凍保溫結構及施工方法，包括隧道壁上由外到內外依次布設的隧道初襯、防水板、隧道二襯和防火板，所述隧道初襯由噴射混凝土和相變膠囊組成，所述隧道二襯的混凝土中含有多孔輕骨料，在隧道二襯和防水板之間夾設有加熱裝置。本發(fā)明將多孔輕骨料、相變材料和主動供熱技術相結合，解決了隧道圍巖地下水上融下凍的問題，徹底根除了隧道凍害；利用相變材料的儲能調溫的作用及多孔輕骨料的保溫性能，節(jié)省了購置與運行費用；且多孔輕骨料、相變材料直接摻入混凝土中，無需增加隧道開挖半徑，節(jié)省了建造成本。
【專利說明】
基于相變調溫噴射混凝土的隧道防凍保溫結構及施工方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種寒區(qū)隧道的保溫結構，具體涉及一種基于相變調溫噴射混凝土的隧道防凍保溫結構及施工方法。
【背景技術】
[0002]現(xiàn)有技術中，為預防寒區(qū)隧道凍害，會在隧道二襯內表面鋪設一定厚度保溫層，保溫層厚度與洞內氣溫和隧道圍巖地溫有關，通常取4?8cm。然而在工程應用中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的保溫層存在著如下的缺點與不足:
[0003]①保溫材料造價高，大大增加了隧道的建造成本，以5cm厚的聚氨酯保溫材料為例，每平米造價約為300元，縱向每延米約為6000元；
[0004]②服役性能逐年下降，在洞內潮濕環(huán)境、隧道滲漏水和洞內氣溫反復變化作用下，保溫材料的隔熱性逐年變差，直至失效，需要逐年檢修，更換頻繁；
[0005]③隧道洞內氣溫和圍巖地溫在時間和空間上存在差異，聚氨酯保溫層作為固體保溫材料，無法滿足同一斷面不同高度處的隧道襯砌背后圍巖凍結和融化同步性。在春融期，隧道頂部圍巖先融化，而拱腳處圍巖后融化，導致隧道襯砌背后的地下水無法排入到縱向排水溝內，容易造成隧道襯砌表面滲漏、掛冰及路面結冰等病害;在凍結期，隧道底部圍巖先凍結、頂部圍巖后凍結，隧道上方的地下水無法排入縱向排水溝內，同樣造成隧道襯砌表面滲漏、掛冰及路面結冰等病害；
[0006]④鋪著聚氨酯保溫材料占用隧道空間，為了滿足隧道建筑限界要求，需要擴大隧道圍巖開挖尺寸，導致工程建造成本增加和延長工期，并且對隧道圍巖穩(wěn)定性不利。

【發(fā)明內容】

[0007]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于相變調溫噴射混凝土的隧道防凍保溫結構及施工方法。
[0008]技術方案:為解決上述技術問題，本發(fā)明提供的基于相變調溫噴射混凝土的隧道防凍保溫結構，包括隧道壁上由外到內外依次布設的隧道初襯、防水板、隧道二襯和防火板，所述隧道初襯由噴射混凝土和相變膠囊組成，所述隧道二襯的混凝土中含有多孔輕骨料，在隧道二襯和防水板之間夾設有加熱裝置。
[0009]作為優(yōu)選，所述隧道二襯的混凝土在環(huán)向上由多個區(qū)域組成，相鄰區(qū)域的二襯混凝土的熱物性均不相同；位于頂部區(qū)域的二襯混凝土多孔輕骨料含量最高，從頂部區(qū)域至拱腳區(qū)域輕骨料的含量依次降低。
[0010]作為優(yōu)選，所述隧道初襯拱頂區(qū)域的噴射混凝土中相變膠囊相變溫度不高于-3°C，拱腰區(qū)域、邊墻區(qū)域和拱腳區(qū)域的噴射混凝土中的相變膠囊的相變溫度不低于5°C。
[0011]作為優(yōu)選，每個域的隧道二襯混凝土內預埋塑料管，在隧道軸線方向預埋的塑料管呈水平單U型布置，塑料管內鋪設有供熱裝置。
[0012]作為優(yōu)選，每個區(qū)域的隧道二襯與防水板之間安裝溫度傳感器，用于檢測地下水的溫度，智能控制供熱裝置的開啟時機和運行時間。
[0013]該溫度傳感器也可以安裝在每個區(qū)域的噴射混凝土中。
[0014]該結構的施工方法如下:
[0015]在隧道施工時依次布設隧道初襯、防水板、隧道二襯和防火板，所述隧道初襯的噴射混凝土中含有相變膠囊，所述隧道二襯的混凝土中含有多孔輕骨料，在隧道二襯和防水板之間鋪設加熱裝置；
[0016]其中，隧道二襯混凝土在環(huán)向上有多個區(qū)域組成，相鄰區(qū)域的隧道二襯混凝土的熱物性均不相同；位于頂部區(qū)域的隧道二襯混凝土多孔輕骨料含量最高，從頂部區(qū)域至拱腳區(qū)域輕骨料的含量依次降低；
[0017]在隧道拱頂區(qū)域噴射混凝土中添加相變溫度不高于-3°C的相變膠囊，拱腰區(qū)域、邊墻區(qū)域和拱腳區(qū)域的噴射混凝土中添加相變溫度不低于5°C的相變膠囊；
[0018]在每個區(qū)域的隧道二襯混凝土內預埋塑料管，在隧道軸線方向預埋的塑料管呈水平單U型布置，塑料管內鋪設供熱裝置；
[0019]在每個區(qū)域的隧道二襯與防水板之間安裝溫度傳感器，檢測地下水的溫度，智能控制供熱裝置的開啟時機和運行時間。
[0020]該結構的運行方法如下:
[0021]在入冬時期，以隧道二襯與防水板之間的監(jiān)測溫度(TC為控制指標，從拱腳至拱腰區(qū)域依次開啟加熱裝置，待拱頂區(qū)域的地下水全部凍結后，關閉拱腰區(qū)域的供熱裝置;待拱腰區(qū)域的地下水全部凍結后，關閉拱腳區(qū)域的供熱裝置，最終實現(xiàn)隧道全斷面由上至下依次凍結，形成封閉的天然止水屏障；
[0022]在春融時期，先加熱隧道拱腳區(qū)域，隨后依次從下至上實現(xiàn)全斷面融化。
[0023]發(fā)明原理:
[0024]相變材料具有在一定溫度范圍內改變其物理狀態(tài)的能力。以固-液相變?yōu)槔?，在加熱到熔化溫度時，就產生從固態(tài)到液態(tài)的相變，熔化的過程中，相變材料吸收并儲存大量的潛熱；當相變材料冷卻時，儲存的熱量在一定的溫度范圍內要散發(fā)到環(huán)境中去，進行從液態(tài)到固態(tài)的逆相變。在這兩種相變過程中，所儲存或釋放的能量稱為相變潛熱。物理狀態(tài)發(fā)生變化時，材料自身的溫度在相變完成前幾乎維持不變，形成一個寬的溫度平臺，雖然溫度不變，但吸收或釋放的潛熱卻相當大。
[0025]利用相變材料的蓄能和調溫功能，結合主動加熱技術實現(xiàn)隧道的防凍保暖。將隧道二襯劃分成多個區(qū)域，在每個區(qū)域內添加多孔輕骨料，并安裝加熱裝置，在噴射Ui混凝土中添加相變材料。添加多孔輕骨料可以提高隧道襯砌結構的保溫性能，解決了入冬期和春融期洞內氣溫正負溫周期波動導致的隧道圍巖地下水反復凍融問題;利用相變材料和加熱裝置聯(lián)合儲熱供熱，通過主動控制各區(qū)域的溫度解決隧道圍巖地下水下凍上融的問題。在入冬時期，待二襯與防水板之間的監(jiān)測溫度出現(xiàn)負溫后，從拱腳至拱腰區(qū)域依次開啟供熱裝置，待拱頂區(qū)域的地下水全部凍結后，關閉拱腳區(qū)域的供熱裝置，最終實現(xiàn)隧道全斷面由上至下依次凍結，形成封閉的天然止水屏障。在春融期，拱腳區(qū)域的二襯混凝土輕骨料最少，導熱性最好，而拱頂區(qū)域保溫性最好。拱腳區(qū)域的圍巖地下水最先融化，隨后邊墻至拱頂依次融化，實現(xiàn)隧道圍巖地下水的上凍下融。
[0026]有益效果:本發(fā)明將多孔輕骨料、相變材料和主動供熱技術相結合，解決了隧道圍巖地下水上融下凍的問題，徹底根除了隧道凍害。
[0027]利用相變材料存儲加熱裝置產生的熱量，可起到儲能調溫的作用，節(jié)省了運行費用，延長了加熱裝置的使用壽命。
[0028]通過在隧道襯砌結構內摻加多孔輕骨料提高其保溫性能，可替代傳統(tǒng)的聚氨酯保溫材料，節(jié)省了材料購置費用。多孔輕骨料、相變材料直接摻入混凝土中，無需增加隧道開挖半徑，節(jié)省了建造成本。
[0029]除了上面所述的本發(fā)明解決的技術問題、構成技術方案的技術特征以及由這些技術方案的技術特征所帶來的優(yōu)點外，本發(fā)明的基于相變調溫噴射混凝土的隧道防凍保溫結構及施工方法所能解決的其他技術問題、技術方案中包含的其他技術特征以及這些技術特征帶來的優(yōu)點，將結合附圖做出進一步詳細的說明。
【附圖說明】
[0030]圖1是本發(fā)明實施例1的基于相變調溫噴射混凝土的隧道防凍保溫結構的斷面圖；
[0031]圖2是圖1中隧道電加熱線布置的展開圖；
[0032]圖3是本發(fā)明實施例2結構示意圖；
[0033]圖中:隧道初襯I，防水板2，隧道二襯3，防火板4，塑料管5，溫度傳感器6，輕骨料7，
第一相變膠囊8，第二相變膠囊9。
【具體實施方式】
[0034]實施例1:
[0035]本實施的基于相變調溫噴射混凝土的隧道防凍保溫結構如圖1所示，包括隧道由內到外依次布設的防火板4、隧道二襯3、防水板2和隧道初襯I，其中隧道初襯I的噴射混凝土中含有第一相變膠囊8和第二相變膠囊9，隧道二襯3的混凝土中含有多孔輕骨料7，隧道二襯3和防水板2之間夾設有塑料管5加熱裝置;多孔輕骨料7、第一相變膠囊8和第二相變膠囊9是在施工時直接摻入相應的混凝土中。
[0036]隧道二襯3在環(huán)向上由多個區(qū)域組成，如圖中1、I1、II1、IV、V五個區(qū)域，相鄰區(qū)域的隧道二襯3的熱物性均不相同；位于頂部區(qū)域的隧道二襯3的混凝土中多孔的輕骨料7含量最高，從頂部區(qū)域至拱腳區(qū)域輕骨料7的含量依次降低;第一相變膠囊8添加在在隧道拱頂區(qū)域的噴射混凝土中，相變溫度不高于_3°C。第二相變膠囊9添加在拱腰區(qū)域、邊墻區(qū)域和拱腳區(qū)域的噴射混凝土中，相變溫度不低于5°C。溫度傳感器6安裝在在每個區(qū)域的隧道二襯3與防水板2之間，用于檢測地下水的溫度，智能控制供熱裝置的開啟時機和運行時間。
[0037]塑料管5內鋪設有供熱裝置，其敷設方式如圖2所示，預埋在每個區(qū)域的二襯混凝土中，在隧道軸線方向呈水平單U型布置。
[0038]使用時，在入冬時期，以二襯與防水板之間的監(jiān)測溫度(TC為控制指標，從拱腳至拱腰區(qū)域依次開啟加熱裝置，待拱頂區(qū)域的地下水全部凍結后，關閉拱腰區(qū)域的供熱裝置；待拱腰區(qū)域的地下水全部凍結后，關閉拱腳區(qū)域的供熱裝置，最終實現(xiàn)隧道全斷面由上至下依次凍結，形成封閉的天然止水屏障。在春融時期，先加熱隧道拱腳區(qū)域，隨后依次從下至上實現(xiàn)全斷面融化。
[0039]實施例2
[0040]本實施例是在實施例1基礎上的一種變形，如圖3所示，與實施例1的主要區(qū)別之處在于，將溫度傳感器6布置在每個區(qū)域的噴射混凝土中。其余隧道初襯I，防水板2，隧道二襯3，防火板4，塑料管5，輕骨料7，第一相變膠囊8，第二相變膠囊9的布置方式與實施例1相同。
[0041]實施時，注意事項如下:
[0042]①選擇合適的復合相變材料，根據不同相變溫度的需要制備摻有不同種類相變材料和不同含量多孔輕骨料的混凝土；
[0043]②在防水板和二襯之間合理預埋塑料管，確保管內電加熱線可以較為簡便的更換和檢查。
[0044]③合理布置溫度傳感器，對電加熱線進行及時的智能溫度控制，提高隧道防凍害的效率和能源的利用率。
[0045]④保證隧道的安全性和穩(wěn)定性。
[0046]以上結合附圖對本發(fā)明的實施方式做出詳細說明，但本發(fā)明不局限于所描述的實施方式。對本領域的普通技術人員而言，在本發(fā)明的原理和技術思想的范圍內，對這些實施方式進行多種變化、修改、替換和變形仍落入本發(fā)明的保護范圍內。
【主權項】
1.一種基于相變調溫噴射混凝土的隧道防凍保溫結構，包括隧道洞壁由外到內依次布設的隧道初襯、防水板、隧道二襯和防火板，其特征在于:所述隧道初襯由噴射混凝土和相變膠囊組成，所述隧道二襯的混凝土中含有多孔輕骨料，在隧道二襯和防水板之間夾設有加熱裝置。2.根據權利要求1所述的基于相變調溫噴射混凝土的隧道防凍保溫結構，其特征在于:所述隧道二襯的混凝土在環(huán)向上由多個區(qū)域組成，相鄰區(qū)域的二襯混凝土的熱物性均不相同；位于頂部區(qū)域的二襯混凝土多孔輕骨料含量最高，從頂部區(qū)域至拱腳區(qū)域輕骨料的含量依次降低。3.根據權利要求2所述的基于相變調溫噴射混凝土的隧道防凍保溫結構，其特征在于:所述隧道初襯拱頂區(qū)域的噴射混凝土中相變膠囊相變溫度不高于_3°C，拱腰區(qū)域、邊墻區(qū)域和拱腳區(qū)域的噴射混凝土中的相變膠囊的相變溫度不低于5°C。4.根據權利要求3所述的基于相變調溫噴射混凝土的隧道防凍保溫結構，其特征在于:每個域的隧道二襯混凝土內預埋塑料管，在隧道軸線方向預埋的塑料管呈水平單U型布置，塑料管內鋪設有供熱裝置。5.根據權利要求4所述的基于相變調溫噴射混凝土的隧道防凍保溫結構，其特征在于:每個區(qū)域的隧道二襯與防水板之間安裝溫度傳感器，用于檢測地下水的溫度，智能控制供熱裝置的開啟時機和運行時間。6.一種基于相變調溫噴射混凝土的隧道防凍保溫結構的施工方法，其特征在于: 在隧道施工時依次布設隧道初襯、防水板、隧道二襯和防火板，所述隧道初襯的噴射混凝土中含有相變膠囊，所述隧道二襯的混凝土中含有多孔輕骨料，在隧道二襯和防水板之間鋪設加熱裝置； 其中，隧道二襯混凝土在環(huán)向上有多個區(qū)域組成，相鄰區(qū)域的隧道二襯混凝土的熱物性均不相同；位于頂部區(qū)域的隧道二襯混凝土多孔輕骨料含量最高，從頂部區(qū)域至拱腳區(qū)域輕骨料的含量依次降低； 在隧道拱頂區(qū)域噴射混凝土中添加相變溫度不高于-3°C的相變膠囊，拱腰區(qū)域、邊墻區(qū)域和拱腳區(qū)域的噴射混凝土中添加相變溫度不低于5°C的相變膠囊； 在每個區(qū)域的隧道二襯混凝土內預埋塑料管，在隧道軸線方向預埋的塑料管呈水平單U型布置，塑料管內鋪設供熱裝置； 在每個區(qū)域的隧道二襯與防水板之間安裝溫度傳感器，檢測地下水的溫度，智能控制供熱裝置的開啟時機和運行時間。7.一種基于相變調溫噴射混凝土的隧道防凍保溫結構的運行方法，其特征在于: 在入冬時期，以隧道二襯與防水板之間的監(jiān)測溫度(TC為控制指標，從拱腳至拱腰區(qū)域依次開啟加熱裝置，待拱頂區(qū)域的地下水全部凍結后，關閉拱腰區(qū)域的供熱裝置;待拱腰區(qū)域的地下水全部凍結后，關閉拱腳區(qū)域的供熱裝置，最終實現(xiàn)隧道全斷面由上至下依次凍結，形成封閉的天然止水屏障； 在春融時期，先加熱隧道拱腳區(qū)域，隨后依次從下至上實現(xiàn)全斷面融化。
【文檔編號】E21D11/38GK106089263SQ201610406653
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月12日
【發(fā)明人】張國柱, 高源 , 劉松玉
【申請人】東南大學