一种寒区隧道防冻保温系统及防冻保温施工方法
技术领域
本发明属于隧道工程灾害防治技术领域,涉及一种寒区隧道防冻保温系统及防冻保温施工方法。
背景技术
近年来,随着我国交通建设事业的不断发展,高速公路隧道所面临的气象水文、地质地貌、围岩类型等情况越来越复杂,渗漏水病害已成为公路隧道所面临的最主要问题之一。在渗漏水的长期作用下,隧道衬砌结构会发生侵蚀破坏,造成路面积水,恶化行车环境,同时,渗漏水将影响隧道内机电、通风、照明等设备的安全性及使用性能。尤其在运营年限较久的寒区隧道,在反复冻融循环作用下,隧道防水材料长期性能急剧下降,导致渗漏水极易透过防水层进入衬砌中,促使混凝土衬砌风化、剥蚀,造成结构破坏;而对于衬砌背后的排水系统,则极易因结冰、冻胀、冻裂等原因而产生排水性能下降,导致衬砌背后排水不畅,渗漏水从衬砌薄弱地方渗出,进行而引发边墙挂冰、路面结冰、衬砌冻胀开裂等病害,严重威胁到行车安全。
现有寒区隧道病害处治方法主要有围岩注浆、埋设导水管、表面喷涂保温材料等措施。在寒区隧道中使用围岩注浆,其浆液渗透系数、凝结时间、扩散半径等因素极易受低温的影响,防水效果并不理想,且围岩注浆作业工期较长、成本较高;埋设导水管仅用于寒区隧道施工缝渗漏水处治方面,而对于隧道衬砌大面积渗水、慢渗情况的适用性较差,且由于导水管埋设深度一般较浅,极易发生结冰堵塞;表面喷涂保温材料方法受喷涂厚度、材料性能等方面的限制,其保温效果并不理想,且工程费用较高。总之,从防治效果、经济效益等方面综合考虑,现有寒区隧道防冻保温技术已不能适应隧道工程建设的发展。
发明内容
本发明针对现有寒区隧道防冻保温技术中存在的问题,提供一种针对性强、结构设计合理、施工简便、可操作性强以及工程造价低的寒区隧道防冻保温系统及防冻保温施工方法。
本发明的目的是通过以下技术手段实现的:
一种寒区隧道防冻保温系统,其特征在于:所述寒区隧道防冻保温系统包括铝膜、轻骨料保温混凝土、钢波纹板、排水装置、铝膜固定装置以及加热装置;所述铝膜整体呈弓形并与寒区隧道的二次衬砌的外侧相匹配;所述铝膜通过铝膜固定装置固定在寒区隧道的二次衬砌上;所述铝膜与寒区隧道的二次衬砌之间设置有间隙;所述铝膜与寒区隧道的二次衬砌之间所形成的间隙的底部连接有带有承接口的排水装置;所述铝膜与寒区隧道的二次衬砌之间设置有间隙的宽度小于或等于排水装置的承接口的宽度;所述铝膜的外侧设置有钢波纹板;所述钢波纹板与铝膜之间填充有轻骨料保温混凝土;所述加热装置埋设在钢波纹板与铝膜之间的轻骨料保温混凝土中。
作为优选,本发明所采用的铝膜固定装置包括铝合金龙骨架、轻质纤维水泥砂浆以及自攻螺丝;所述铝合金龙骨架整体呈U型;所述铝合金龙骨架的开口面向寒区隧道的二次衬砌,并通过自攻螺丝与寒区隧道的二次衬砌固定;所述铝膜与铝合金龙骨架固定;所述铝合金龙骨架与寒区隧道的二次衬砌之间填充有轻质纤维水泥砂浆。
作为优选,本发明所采用的轻质纤维水泥砂浆由快硬水泥、玻璃纤维和珍珠岩按照质量比是快硬水泥:玻璃纤维:珍珠岩=1:0.1:0.5的配比组成,所述轻质纤维水泥砂浆的3d龄期时的抗压强度应不小于25Mpa。
作为优选,本发明所采用的加热装置包括PVC管以及设置在PVC管内部的电加热带;所述PVC管预埋在钢波纹板与铝膜之间的轻骨料保温混凝土中;所述PVC管的下端埋至排水装置上,所述PVC管的上端从寒区隧道拱肩部位处弯出钢波纹板。
作为优选,本发明所采用的电加热带包括电热丝、玻璃纤维绝缘层、硅橡胶绝缘层以及金属母线;所述金属母线与电热丝相连;所述玻璃纤维绝缘层环绕设置在电热丝外部;所述硅橡胶绝缘层设置在玻璃纤维绝缘层外部。
作为优选,本发明所采用的电加热带的输出功率不小于50W/m,最高维持温度为110℃,最高承受温度为135℃。
作为优选,本发明所采用的排水装置包括铝合金集水槽、竖向排水管、纵向排水管、横向排水管以及中心排水沟;所述铝合金集水槽是整体呈U型的承接口;所述铝合金集水槽依次通过竖向排水管、纵向排水管以及横向排水管与中心排水沟相贯通;所述铝合金集水槽与铝膜和寒区隧道的二次衬砌之间所形成的间隙的底部相对接;所述铝膜与寒区隧道的二次衬砌之间设置有间隙的宽度小于或等于铝合金集水槽的宽度。
作为优选,本发明所采用的铝膜是整体结构或分体结构;所述铝膜的厚度不大于0.3mm;所述铝膜是分体结构时,所述铝膜由多片铝膜叠加支撑;所述每片铝膜的幅宽是1~3m;所述钢波纹板是Q235-A热轧钢板,所述钢波纹板的厚度不大于1.2mm,所述钢波纹板的波峰高度为18mm。
一种基于如前所述的寒区隧道防冻保温系统的寒区隧道防冻保温施工方法,其特征在于:所述寒区隧道防冻保温施工方法包括以下步骤:
1)对于在役寒区隧道,拆除隧道上部的照明设施以及电缆,凿除隧道原有电缆沟,清除碎渣,平整基底,浇筑混凝土基座,基座厚度为30cm,宽度为1.2m;对于新建寒区隧道,在二次衬砌施作前浇注混凝土基座;
2)根据寒区隧道断面情况弯制铝合金龙骨架,所述铝合金龙骨架呈环形布设,相邻两个铝合金龙骨架之间的纵向间距为1.0m,铝合金龙骨架上端自拱顶起,下端设置在混凝土基座上,环向间隔50cm在铝合金龙骨架两侧用自攻螺丝将铝合金龙骨架固定在寒区隧道二次衬砌上;所述铝合金龙骨架整体呈U型,所述铝合金龙骨架的凹槽内用轻质纤维水泥砂浆进行填充,所述轻质纤维水泥砂浆由快硬水泥、玻璃纤维和珍珠岩按照质量比是快硬水泥:玻璃纤维:珍珠岩=1:0.1:0.5的配比组成,轻质纤维水泥砂浆的3d龄期时的抗压强度应不小于25MPa;
3)从铝膜卷上裁剪铝膜片,铝膜的厚度是0.3mm,幅宽是1~3m,在铝膜片上标出横向中线,将该中线与隧道拱顶中线重合,自拱顶起向两侧铺设铝膜,铝膜与寒区隧道二次衬砌之间留置有间隙,两片铝膜压茬10cm,接茬位置应与铝合金龙骨架位置重合,环向间隔30cm布设一个自攻螺丝将铝膜固定在铝合金龙骨架上;
4)在铝膜与寒区隧道二次衬砌之间所形成的间隙的底部设置铝合金集水槽,所述铝合金集水槽横截面尺寸应为5cm×10cm;在铝合金集水槽下端混凝土基座上每隔10m钻设一直径为55mm的孔,插入Φ50PVC管作为竖向排水管,竖向排水管下端接入纵向排水管中;
5)利用螺栓对钢波纹板进行环向拼装成型后,再进行纵向连接,其拱脚部位坐落于混凝土基座上;在钢波纹板与铝膜间预埋PVC管,该管下端埋至纵向排水管,上端自寒区隧道拱肩部位处弯出钢波纹板;
6)利用人造陶粒、轻砂、硅酸盐水泥、水、减水剂按质量比是3:2.5:1.3:1:0.03的配比配制轻骨料保温混凝土,其干表观密度应小于1950kg/m3,导热系数小于0.84w/m·k;利用注浆管将其填充入钢波纹板与铝膜间;轻骨料保温混凝土填充应自拱脚开始,逐步向上填充,在填充过程中应采用表面振动器在钢波纹板上进行振实;
7)在PVC管内插入电加热带。
作为优选,本发明所采用的步骤5)中还包括对成型的钢波纹板进行防锈处理,所述防锈处理的方式是在钢波纹板的外壁涂刷RPA型薄层防锈油。
本发明的优点是:
本发明提供了一种寒区隧道防冻保温系统及防冻保温施工方法,该防冻保温系统利用铝合金龙骨架和轻质纤维水泥砂浆在原隧道衬砌表面敷设铝膜,在铝膜下部设置铝合金集水槽、竖向排水管,从而将铝膜与二衬之间的渗漏水集中导排至中心排水沟;并通过在钢波纹板与铝膜之间填充轻骨料保温混凝土,形成保温层;在预埋PVC管中插入电加热带,作为辅助措施对隧道起到保温作用。具体而言,本发明具有以下优点:
1、利用铝合金龙骨架和轻质纤维水泥砂浆在原隧道衬砌表面敷设铝膜,铝膜与隧道衬砌之间的间隙可作为渗漏水排水通道,又可作为气垫层起到隔热保温的效果,且利用铝合金龙骨架与轻质纤维水泥砂浆将铝膜与隧道衬砌间的空气层分割成小区块,避免了空气对流换热,解决了传统离壁式保温结构隔热效果差的缺陷。
2、在铝膜下部设置铝合金集水槽、竖向排水管,将渗漏水导入纵向排水管、横向排水管及中心排水沟,充分利用了原有隧道防排水系统,施工简便、环保节能、低碳高效。
3、钢波纹板可进行工厂化集中生产,质量易控制,且其可现场拼装,施工方便快捷;其结构力学性能较好,荷载分布均匀,具有一定的抗变形能力;在养护过程中,钢波纹板局部拆卸操作较为方便,赋予该系统以可维护功能。
4、轻骨料保温混凝土具有轻质、高强、保温、耐火等优点,且其材料成本较低、施工方法简单、保温效果良好。
5、利用电加热带作为辅助措施,在隧道内气温较低或洞口段可根据需要对其进行加热,赋予了该系统以主动加热功能,且该设施环保、节能、施工维修方便。
采用本发明可有效解决现有寒区隧道冻害问题,结构简单、施工方便、适用性强、环保节能,且成本较低,具有较好的社会经济效益。
附图说明
图1为本发明所提供的寒区隧道防冻保温系统的横断面图;
图2为本发明所采用的轻骨料保温混凝土、PVC管、电加热带的结构示意图;
图3为本发明所采用的寒区隧道防冻保温系统的纵断面图;
图4为本发明所采用的铝合金龙骨架及轻质纤维水泥砂浆的结构示意图;
图5为本发明所采用的铝合金集水槽、竖向排水管及纵向排水管的结构示意图;
图6为本发明所采用的电加热带的结构示意图;
附图标记说明如下:
1-二次衬砌;2-混凝土基座;3-铝膜;4-轻骨料保温混凝土;5-钢波纹板;6-PVC管;7-铝合金集水槽;8-竖向排水管;9-纵向排水管;10-横向排水管;11-中心排水沟;12-铝合金龙骨;13-轻质纤维水泥砂浆;14-自攻螺丝;15-电加热带;16-电热丝;17-玻璃纤维绝缘层;18-硅橡胶绝缘层;19-金属母线。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明的结构及其施工方法做进一步的详细说明:
参见图1、图2、图3、图4、图5,一种寒区隧道防冻保温系统主要由混凝土基座2、铝膜3、轻骨料保温混凝土4、钢波纹板5、PVC管6、铝合金集水槽7、竖向排水管8、纵向排水管9、横向排水管10、中心排水沟11、铝合金龙骨架12、轻质纤维水泥砂浆13、自攻螺丝14、电加热带15等组成。
参见图3以及图4,铝膜3设置在隧道二次衬砌1外侧,利用铝合金龙骨架12及轻质纤维水泥砂浆13与隧道二次衬砌1外侧进行固定;钢波纹板5设置在铝膜3外侧,钢波纹板5与铝膜3的间隙用轻骨料保温混凝土4进行充填;PVC管6预埋在钢波纹板5与铝膜3之间的轻骨料保温混凝土4中;电加热带15设置在PVC管6内;铝膜3下端连接铝合金集水槽7,铝合金集水槽7下端连接竖向排水管8,将渗漏水导入纵向排水管9中,铝膜3和隧道二次衬砌1外侧之间的宽度小于或等于铝合金集水槽7的开口的长度。
参见图6,电加热带15由电热丝16、玻璃纤维绝缘层17、硅橡胶绝缘层18、金属母线19组成;其中,金属母线与电热丝相连;玻璃纤维绝缘层环绕设置在电热丝外部;硅橡胶绝缘层设置在玻璃纤维绝缘层外部。
铝膜3厚度为0.3mm,幅宽为1~3m,可根据实际情况而定。
铝合金龙骨架12应按隧道断面情况进行弯制,呈环形布设,纵向间距为1.0m,其凹槽内用轻质纤维水泥砂浆13进行填充。
轻质纤维水泥砂浆13由快硬水泥(快硬硅酸盐水泥的简称)、玻璃纤维和珍珠岩按照质量比是快硬水泥:玻璃纤维:珍珠岩=1:0.1:0.5的配比混合均匀而得,其3d龄期时的抗压强度应不小于25MPa。
铝合金集水槽7设置在铝膜3下端,其横截面尺寸应为5cm×10cm;在铝合金集水槽7下端每隔10m设置一根Φ50PVC竖向排水管8,竖向排水管8下端连接纵向排水管9。
钢波纹板5为Q235-A热轧钢板,其厚度为1.2mm,波峰高度为18mm,其利用螺栓进行环向拼装成型后,再进行纵向连接。
电加热带15包括电热丝16、玻璃纤维绝缘层17、硅橡胶绝缘层18、金属母线19,其输出功率应不小于50W/m,最高维持温度为110℃,最高承受温度为135℃。
本发明还提供了一种基于寒区隧道防冻保温系统的施工方法,其步骤是:
A、对于在役寒区隧道,拆除隧道上部的照明设施以及电缆,凿除隧道原有电缆沟,清除碎渣,平整基底,浇筑混凝土基座2,混凝土基座2的厚度为30cm,宽度为1.2m;对于新建寒区隧道,在二次衬砌施作前浇注混凝土基座;
B、铝合金龙骨架12应按隧道断面情况进行弯制,呈环形布设,纵向间距为1.0m,其上端自拱顶起,下端坐落在混凝土基座2上,环向间隔50cm在铝合金龙骨架12两侧用自攻螺丝将其固定在二次衬砌1上;铝合金龙骨架12凹槽内用轻质纤维水泥砂浆13进行填充,轻质纤维水泥砂浆13由快硬水泥、玻璃纤维和珍珠岩按照质量比是快硬水泥:玻璃纤维:珍珠岩=1:0.1:0.5的配比混合均匀而得,其3d龄期时的抗压强度应不小于25MPa。
C、从铝膜卷上裁剪铝膜片3,其厚度为0.3mm,幅宽可选1~3m,在铝膜片3上标出横向中线,将该中线与隧道拱顶中线重合,自拱顶起向两侧铺设铝膜3,两片铝膜3压茬10cm,接茬位置应与铝合金龙骨架12位置重合,环向间隔30cm布设一个自攻螺丝14将铝膜3固定在铝合金龙骨架12上。
D、在铝膜3下端设置铝合金集水槽7,其横截面尺寸应为5cm×10cm;在铝合金集水槽7下端混凝土基座2上每隔10m钻设一直径为55mm的孔,插入Φ50PVC管作为竖向排水管8,竖向排水管8下端接入纵向排水管9中。
E、利用螺栓对钢波纹板5进行环向拼装成型后,再进行纵向连接,其拱脚部位坐落于混凝土基座2上;在钢波纹板5与铝膜3间预埋PVC管6,该管下端埋至纵向排水管9,上端自隧道拱肩部位处弯出钢波纹板5,以便必要时在PVC管内插入电加热带对隧道进行加热。
F、利用人造陶粒、轻砂、硅酸盐水泥、水、减水剂按质量比是3:2.5:1.3:1:0.03的配比配制轻骨料保温混凝土(将各原料搅拌混合均匀即得轻骨料保温混凝土),其干表观密度应小于1950kg/m3,导热系数小于0.84w/m·k;利用注浆管将其填充入钢波纹板5与铝膜3间;轻骨料保温混凝土4填充应自拱脚开始,逐步向上填充,在填充过程中应采用表面振动器在钢波纹板5上进行振实。
G、中心排水沟11上方楔形体内回填轻骨料保温混凝土4;在PVC管6内插入电加热带15;在钢波纹板5外壁涂刷两遍RPA型薄层防锈油。
由图1、图2、图3可知,铝膜与隧道衬砌之间的间隙可作为渗漏水排水通道,又可作为气垫层起到隔热保温的效果,且利用铝合金龙骨架与轻质纤维水泥砂浆将铝膜与隧道衬砌间的空气层分割成小区块,避免了空气对流换热,解决了传统离壁式保温结构隔热效果差的缺陷。钢波纹板可进行工厂化集中生产,质量易控制,且其可现场拼装,施工方便快捷;其结构力学性能较好,荷载分布均匀,具有一定的抗变形能力;在养护过程中,钢波纹板局部拆卸操作较为方便,赋予该系统以可维护功能。轻骨料保温混凝土具有轻质、高强、保温、耐火等优点,且其材料成本较低、施工方法简单、保温效果良好。由图5可知,在铝膜下部设置铝合金集水槽、竖向排水管,将渗漏水导入纵向排水管、横向排水管及中心排水沟,充分利用了原有隧道防排水系统,施工简便、环保节能、低碳高效。采用本发明可有效解决现有寒区隧道冻害问题,结构简单、施工方便、适用性强、环保节能,且成本较低,具有较好的社会经济效益。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照最佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。