CN105065039A - 一种高地温隧道围岩灌浆隔热方法 - Google Patents

一种高地温隧道围岩灌浆隔热方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高地温隧道围岩灌浆隔热方法，属于隧道及地下工程领域。本发明包括以下步骤，根据地质条件确定灌浆区域，分别定义损伤区和挠动区的半径为d1和d2，进行损伤区灌浆浆料配合比设计得到满足损伤区性能要求的灌浆浆料；进行挠动区灌浆浆料配合比设计得到满足挠动区性能要求的灌浆浆料；隧道开挖后，在开挖变形之前进行初期支护，并按照一定间距采用自上而下分段灌浆法钻孔并清孔，分段安置灌浆塞；支护后围岩变形稳定时，采用自上而下分段灌浆法进行分段灌浆，在挠动区灌浆完毕后取出灌浆塞，再进行损伤区的灌浆；在挠动区外侧喷射一层聚氨酯树脂硬质泡沫；灌浆完成后封孔。

Description

一种高地温隧道围岩灌浆隔热方法
技术领域
本发明属于隧道及地下工程领域，尤其与一种高地温隧道围岩灌浆隔热方法有关。
背景技术
许多工程项目例如深埋隧道、水电站修建、资源开采和深部国防工程等都会面临高地温的困境，高地温会对隧道工程产生各种不利的的影响及危害。高温会影响隧道支护结构的物理力学性质，会影响初砌和二砌的结构稳定性，降低衬砌结构体系的承载能力和耐久性。高温围岩通过隧道掌子面向隧洞内释放能量，会导致隧道施工的困难。现今国内对高地温隧道衬砌支护结构只要是从支护结构内部来开展思路，一般在初砌和二砌之间填充隔热材料来降低隧道内部温度，但是这样并不能阻止热量向隧道内部进行传递。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的旨在提供一种降低隧道内侧温度、可以提升隧道整体结构稳定性和耐久性的高地温隧道围岩灌浆隔热的方法。
为此，本发明采用以下技术方案：一种高地温隧道围岩灌浆隔热方法，其特征是，包括以下步骤：
1)根据地质条件确定灌浆区域，分别定义损伤区和挠动区的半径为d1和d2，
d2＝3R0
其中R0为隧道半径，σ0为初始地应力，σa为内压力，C、分别为岩体的粘聚力和岩体的内摩擦角；
2)进行损伤区灌浆浆料配合比设计得到满足损伤区性能要求的灌浆浆料；
3)进行挠动区灌浆浆料配合比设计得到满足挠动区性能要求的灌浆浆料；
4)隧道开挖后，在开挖变形之前进行初期支护，并按照一定间距采用自上而下分段灌浆法钻孔并清孔，分段安置灌浆塞；
5)支护后围岩变形稳定时，采用自上而下分段灌浆法进行分段灌浆，在挠动区灌浆完毕后取出灌浆塞，再进行损伤区的灌浆；
6)在挠动区外侧喷射一层聚氨酯树脂硬质泡沫；
7)灌浆完成后封孔。
使用本发明可以达到以下有益效果：1)本发明能够适用于高地温地热环境，在高地温地热环境下，能将热量隔绝在隔热层以外，能有效降低隧道内部温度。
2)针对岩体开挖后形成的损伤区和挠动区，选用不同的灌浆料配比进行灌浆，在起到隔热作用的同时，针对不同区域岩土体性质不同，能很好的强化围岩，提高围岩强度。
3)水泥使用的是硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥复配而制成，这不仅保留了硅酸盐水泥后期强度高的特点，还改善了硅酸盐水泥凝结时间慢、前期强度不足的缺陷，并且加入硫铝酸盐水泥使得胶凝材料的成本降低。
4)超细玻璃纤维棉能提供良好的隔热性，并且掺入到损伤区灌浆料中能够提高围岩弹性模量，改善其力学性能。
5)玻化微珠是一种新型无机轻质绝热材料，导热系数为0.028—0.048W/m﹒K，具有优异的绝热性能。
6)挠动区灌浆料选用矿渣和粉煤灰混合，两者均为导热系数低的材料，能够达到隔热的要求，浆料能在填补岩体缝隙同时提高围岩强度，使用的原材料都是工业废弃材料，具有很好的经济效应。
7)聚氨酯树脂具有良好的耐老化性、硬度低、弹性好、耐水、防菌等优点，能够用来做防渗和裂缝堵漏等工作，其导热系数为0.032W/m﹒K，在挠动区灌浆料外侧喷射聚氨酯树脂能够很好的封闭内部灌浆料并且起到隔热的效果。
具体实施方式
实施例：高地温隧道围岩灌浆隔热方法包括以下步骤：
1)根据地质条件确定灌浆区域，确定损伤区和挠动区的半径d1和d2：
d2＝3R0，
其中R0为隧道半径，σ0为初始地应力，σa为内压力，C、分别为岩体的粘聚力和岩体的内摩擦角；
2)进行损伤区灌浆浆料配合比设计，得到满足性能要求的灌浆浆料；
3)进行挠动区灌浆浆料配合比设计，得到满足性能要求的灌浆浆料；
4)根据得到的配合比生产配制出满足各项指标要求且性能稳定的灌浆浆料；
5)隧道开挖后，在开挖变形之前进行初期支护，并按照一定间距采用自上而下分段灌浆法钻孔并清孔，分段安置灌浆塞；
6)支护后围岩变形稳定时，采用自上而下分段灌浆法进行分段灌浆，在挠动区灌浆完毕后取出灌浆塞，再进行损伤区的灌浆；
7)在挠动区外侧喷射一层聚氨酯树脂硬质泡沫；
8)灌浆完成后封孔。
进一步的，损伤区灌浆浆料原料配比为：硫铝酸盐水泥：普通硅酸盐水泥：砂：超细玻璃纤维棉:聚羧酸高效减水剂:水＝50：350：600:10～50:5～10:140，消泡剂每1kg浆料内加入0.1g，玻化微珠在浆料混合后每200～220kg配1m3。
进一步的，使用的消泡剂为水泥专用消泡剂，主要由聚醚与脂肪醇反应后经疏水分散配置而成。
进一步的，挠动区灌浆浆料原料为矿渣粉60％～75％，粉煤灰15％～25％，碱性激活剂5％～10％，超细玻璃纤维棉掺量为1％～5％，水灰比为0.4～0.5，玻化微珠在浆料混合后每200～220kg配1m3。
进一步的，损伤区灌浆的区域为(d1,d1+1.0)，挠动区灌浆的区域为(d2,d2+0.5)。
进一步的，聚氨酯树脂喷射厚度为5～10cm。
进一步的，所述的高地温隧道指的是隧道内部岩温大于50℃，若岩温在50℃～60℃范围内，可以适当减少灌浆范围或者只在损伤区内灌浆。
进一步的，关于隧道围岩损伤区灌浆料制备方法，包括以下步骤：
(1)准备原材料，并检验所有原材料的质量；
(2)按照比例将放置好的水泥、砂、超细玻璃纤维棉、玻化微珠、聚羧酸高效减水剂、消泡剂掺入强制式搅拌机进行搅拌，以合适的速率进行匀速搅拌1～2min；
(3)加入12％～14％的水进行混合搅拌3～5min，即制得灌浆料。
进一步的，关于隧道围岩挠动区灌浆料制备方法，包括以下步骤：
(1)准备原材料，并检验所有原材料的质量；
(2)按照如下的质量百分比准备灌浆料的成分：矿渣粉60％～75％、粉煤灰15％～25％、碱性激活剂5％～10％、超细玻璃纤维棉1％～5％，玻化微珠每200～220kg配1m3。将全部成分掺入强制式搅拌机进行搅拌，以合适的速率进行匀速搅拌1～2min；
(3)按照水灰比0.4～0.5的比例加水混合搅拌3～5min，即制得灌浆料。
对所制得的灌浆料进行高地温状态的模拟，将灌浆料喷射在岩土体上，喷射厚度为0.5m，将一侧置于高地温地热环境，模拟温度分别为50℃、60℃、80℃、100℃，同时伴有地热水，测试其隔热效果。
测试得到灌浆料的导热系数为0.22W/m﹒K，远离高地温一侧温度基本无变化，靠近高地温一侧温度随地热温度升高而逐渐升高但幅度很小。
本发明所提及的隧道灌浆方法提供了一种新的隧道灌浆方案，针对不同岩层使用不同比例的配比，灌浆形成的隔热圈能够将热量隔离在隧道外侧，能够广泛应用于高地温地热地带的隧道隔热降温工程中。和普通的灌浆料相比，本发明的灌浆料具有较好的隔热性能，能够有效的降低隧道内部温度，有利于隧道等工程的正常推进。此外挠动区的灌浆料的胶凝材料选用矿渣和粉煤灰混合，有效的利用了工业废料，节约成本，具有一定的发展前景。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种高地温隧道围岩灌浆隔热方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)根据地质条件确定灌浆区域，分别定义损伤区和挠动区的半径为d1和d2，
d2＝3R0
其中R0为隧道半径，σ0为初始地应力，σa为内压力，C、分别为岩体的粘聚力和岩体的内摩擦角；
2)进行损伤区灌浆浆料配合比设计得到满足损伤区性能要求的灌浆浆料；
3)进行挠动区灌浆浆料配合比设计得到满足挠动区性能要求的灌浆浆料；
4)隧道开挖后，在开挖变形之前进行初期支护，并按照一定间距采用自上而下分段灌浆法钻孔并清孔，分段安置灌浆塞；
5)支护后围岩变形稳定时，采用自上而下分段灌浆法进行分段灌浆，在挠动区灌浆完毕后取出灌浆塞，再进行损伤区的灌浆；
6)在挠动区外侧喷射一层聚氨酯树脂硬质泡沫；
7)灌浆完成后封孔。
2.根据权利要求1所述的一种高地温隧道围岩灌浆隔热方法，其特征在于：所述的损伤区灌浆浆料制备包括以下步骤：
(1)准备原材料，按照如下的质量百分比准备灌浆料的成分：硫铝酸盐水泥：普通硅酸盐水泥：砂：超细玻璃纤维棉:聚羧酸高效减水剂:水＝50：350：600:10～50:5～10:140；
(2)加入以每1kg浆料0.1g的消泡剂，玻化微珠在浆料混合后每200～220kg配1m3，以合适的速率进行匀速搅拌1～2min；
(3)加入占总质量比例的12％～14％的水进行混合搅拌3～5min，即制得灌浆料。
3.根据权利要求1所述的一种高地温隧道围岩灌浆隔热方法，其特征在于：所述的挠动区灌浆浆料制备包括以下步骤：
(1)准备原材料，按照如下的质量百分比准备灌浆料的成分：矿渣粉60％～75％、粉煤灰15％～25％、碱性激活剂5％～10％、超细玻璃纤维棉1％～5％，玻化微珠每200～220kg配1m3；
(2)将全部成分掺入强制式搅拌机进行搅拌，以合适的速率进行匀速搅拌1～2min；
(3)按照水灰比0.4～0.5的比例加水混合搅拌3～5min，即制得灌浆料。
4.根据权利要求2所述的一种高地温隧道围岩灌浆隔热方法，其特征在于：所述的消泡剂由聚醚与脂肪醇反应后经疏水分散配置而成。
5.根据权利要求1所述的一种高地温隧道围岩灌浆隔热方法，其特征在于：损伤区灌浆的区域为(d1,d1+1.0)，在挠动区灌浆的区域为(d2,d2+0.5)。
6.根据权利要求1所述的一种高地温隧道围岩灌浆隔热方法，其特征在于：所述聚氨酯树脂喷射厚度为5～10cm。
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