CN106089264B - 基于相变调温混凝土的隧道防冻保温结构及施工和运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相变调温混凝土的隧道防冻保温结构及施工方法，包括隧道洞壁上由外到内依次布设的隧道初衬、防水板、隧道二衬和防火板，所述隧道二衬的混凝土中含有多孔轻骨料和相变胶囊，在隧道二衬和防水板之间夹设有加热装置。本发明将多孔轻骨料、相变材料和主动供热技术相结合，解决了隧道围岩地下水上融下冻的问题，彻底根除了隧道冻害；利用相变材料的储能调温的作用及多孔轻骨料的保温性能，节省了购置与运行费用；且多孔轻骨料、相变材料直接掺入混凝土中，无需增加隧道开挖半径，节省了建造成本。

Description

基于相变调温混凝土的隧道防冻保温结构及施工和运行方法

技术领域

本发明涉及一种寒区隧道的保温结构，具体涉及一种基于相变调温混凝土的隧道防冻保温结构及施工和运行方法。

背景技术

现有技术中，为预防寒区隧道冻害，会在隧道二衬内表面铺设一定厚度保温层，保温层厚度与洞内气温和隧道围岩地温有关，通常取4~8cm。然而在工程应用中发现，现有的保温层存在着如下的缺点与不足：

保温材料造价高，大大增加了隧道的建造成本，以5cm厚的聚氨酯保温材料为例，每平米造价约为300元，纵向每延米约为6000元；

服役性能逐年下降，在洞内潮湿环境、隧道渗漏水和洞内气温反复变化作用下，保温材料的隔热性逐年变差，直至失效，需要逐年检修，更换频繁；

隧道洞内气温和围岩地温在时间和空间上存在差异，聚氨酯保温层作为固体保温材料，无法满足同一断面不同高度处的隧道衬砌背后围岩冻结和融化同步性。在春融期，隧道顶部围岩先融化，而拱脚处围岩后融化，导致隧道衬砌背后的地下水无法排入到纵向排水沟内，容易造成隧道衬砌表面渗漏、挂冰及路面结冰等病害；在冻结期，隧道底部围岩先冻结、顶部围岩后冻结，隧道上方的地下水无法排入纵向排水沟内，同样造成隧道衬砌表面渗漏、挂冰及路面结冰等病害；

④铺着聚氨酯保温材料占用隧道空间，为了满足隧道建筑限界要求，需要扩大隧道围岩开挖尺寸，导致工程建造成本增加和延长工期，并且对隧道围岩稳定性不利。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于相变调温混凝土的隧道防冻保温结构及施工方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的基于相变调温混凝土的隧道防冻保温结构，所述隧道二衬的混凝土中含有多孔轻骨料和相变胶囊，在隧道二衬和防水板之间夹设有加热装置。

作为优选，所述隧道二衬的混凝土在环向上由多个区域组成，相邻区域的二衬混凝土的热物性均不相同；位于顶部区域的二衬混凝土多孔轻骨料含量最高，从顶部区域至拱脚区域轻骨料的含量依次降低。

作为优选，拱顶区域的隧道二衬中相变胶囊相变温度不高于-3℃，拱腰区域、边墙区域和拱脚区域的隧道二衬中的相变胶囊的相变温度不低于5℃。

作为优选，每个区域的隧道二衬混凝土内预埋塑料管，在隧道轴线方向预埋的塑料管呈水平单U型布置，塑料管内铺设有供热装置。

作为优选，每个区域的隧道二衬与防水板之间安装温度传感器，用于检测地下水的温度，智能控制供热装置的开启时机和运行时间。

该结构的施工方法如下：

在隧道施工时依次布设隧道初衬、防水板、隧道二衬和防火板，所述隧道二衬的混凝土中含有多孔轻骨料和相变胶囊，在隧道二衬和防水板之间铺设加热装置；

其中，隧道二衬混凝土在环向上有多个区域组成，相邻区域的隧道二衬混凝土的热物性均不相同；位于顶部区域的隧道二衬混凝土多孔轻骨料含量最高，从顶部区域至拱脚区域轻骨料的含量依次降低；

在隧道拱顶区域隧道二衬中添加相变温度不高于-3℃的相变胶囊，拱腰区域、边墙区域和拱脚区域的隧道二衬中添加相变温度不低于5℃的相变胶囊；

在每个区域的隧道二衬混凝土内预埋塑料管，在隧道轴线方向预埋的塑料管呈水平单U型布置，塑料管内铺设供热装置；

在每个区域的隧道二衬与防水板之间安装温度传感器，检测地下水的温度，智能控制供热装置的开启时机和运行时间。

该结构的运行方法如下：

在入冬时期，以隧道二衬与防水板之间的监测温度0℃为控制指标，从拱脚至拱腰区域依次开启加热装置，待拱顶区域的地下水全部冻结后，关闭拱腰区域的供热装置；待拱腰区域的地下水全部冻结后，关闭拱脚区域的供热装置，最终实现隧道全断面由上至下依次冻结，形成封闭的天然止水屏障；

在春融时期，先加热隧道拱脚区域，随后依次从下至上实现全断面融化。

发明原理：

相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力。以固－液相变为例，在加热到熔化温度时，就产生从固态到液态的相变，熔化的过程中，相变材料吸收并储存大量的潜热；当相变材料冷却时，储存的热量在一定的温度范围内要散发到环境中去，进行从液态到固态的逆相变。在这两种相变过程中，所储存或释放的能量称为相变潜热。物理状态发生变化时，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，形成一个宽的温度平台，虽然温度不变，但吸收或释放的潜热却相当大。

利用相变材料的蓄能和调温功能，结合主动加热技术实现隧道的防冻保暖。将隧道二衬划分成多个区域，在每个区域内添加多孔轻骨料和相变材料，并安装加热装置。添加多孔轻骨料可以提高隧道衬砌结构的保温性能，解决了入冬期和春融期洞内气温正负温周期波动导致的隧道围岩地下水反复冻融问题；利用相变材料和加热装置联合储热供热，通过主动控制各区域的温度解决隧道围岩地下水下冻上融的问题。在入冬时期，待二衬与防水板之间的监测温度出现负温后，从拱脚至拱腰区域依次开启供热装置，待拱顶区域的地下水全部冻结后，关闭拱脚区域的供热装置，最终实现隧道全断面由上至下依次冻结，形成封闭的天然止水屏障。在春融期，拱脚区域的二衬混凝土轻骨料最少，导热性最好，而拱顶区域保温性最好。拱脚区域的围岩地下水最先融化，随后边墙至拱顶依次融化，实现隧道围岩地下水的上冻下融。

有益效果：本发明将多孔轻骨料、相变材料和主动供热技术相结合，解决了隧道围岩地下水上融下冻的问题，彻底根除了隧道冻害。

利用相变材料存储加热装置产生的热量，可起到储能调温的作用，节省了运行费用，延长了加热装置的使用寿命。

通过在隧道衬砌结构内掺加多孔轻骨料提高其保温性能，可替代传统的聚氨酯保温材料，节省了材料购置费用。多孔轻骨料、相变材料直接掺入混凝土中，无需增加隧道开挖半径，节省了建造成本。

除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的基于相变调温混凝土的隧道防冻保温结构及施工方法所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明实施例的基于相变调温混凝土的隧道防冻保温结构的断面图；

图2是图1中隧道电加热线布置的展开图；

图中：隧道初衬1，防水板2，隧道二衬3，防火板4，塑料管5，温度传感器6，轻骨料7，第一相变胶囊8，第二相变胶囊9。

具体实施方式

实施例：

本实施的基于相变调温混凝土的隧道防冻保温结构如图1所示，包括隧道由内到外依次布设的防火板4、隧道二衬3、防水板2和隧道初衬1，其中隧道二衬3的混凝土中含有多孔轻骨料7、第一相变胶囊8和第二相变胶囊9，多孔轻骨料7 、第一相变胶囊8和第二相变胶囊9是在施工时直接掺入相应的混凝土中。

隧道二衬3在环向上由多个区域组成，如图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五个区域，相邻区域的隧道二衬3的热物性均不相同；位于顶部区域的隧道二衬3的混凝土中多孔的轻骨料7含量最高，从顶部区域至拱脚区域轻骨料7的含量依次降低；第一相变胶囊8添加在在隧道拱顶区域隧道二衬3的混凝土中，相变温度不高于-3℃。第二相变胶囊9添加在拱腰区域、边墙区域和拱脚区域的隧道二衬3中，相变温度不低于5℃。温度传感器6安装在在每个区域的隧道二衬3与防水板2之间，用于检测地下水的温度，智能控制供热装置的开启时机和运行时间。

塑料管5内铺设有供热装置，其敷设方式如图2所示，预埋在每个区域的二衬混凝土中，在隧道轴线方向呈水平单U型布置。

使用时，在入冬时期，以二衬与防水板之间的监测温度0℃为控制指标，从拱脚至拱腰区域依次开启加热装置，待拱顶区域的地下水全部冻结后，关闭拱腰区域的供热装置；待拱腰区域的地下水全部冻结后，关闭拱脚区域的供热装置，最终实现隧道全断面由上至下依次冻结，形成封闭的天然止水屏障。在春融时期，先加热隧道拱脚区域，随后依次从下至上实现全断面融化。

实施时，注意事项如下：

选择合适的复合相变材料，根据不同相变温度的需要制备掺有不同种类相变材料和不同含量多孔轻骨料的混凝土；

②在防水板和二衬之间合理预埋塑料管，确保管内电加热线可以较为简便的更换和检查。

③合理布置温度传感器，对电加热线进行及时的智能温度控制，提高隧道防冻害的效率和能源的利用率。

④保证隧道的安全性和稳定性。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于相变调温混凝土的隧道防冻保温结构，包括隧道洞壁由外到内依次布设的隧道初衬、防水板、隧道二衬和防火板，其特征在于：所述隧道二衬的混凝土中含有多孔轻骨料和相变胶囊，在隧道二衬和防水板之间夹设有加热装置；所述隧道二衬的混凝土在环向上由多个区域组成，相邻区域的二衬混凝土的热物性均不相同；位于顶部区域的二衬混凝土多孔轻骨料含量最高，从顶部区域至拱脚区域轻骨料的含量依次降低；拱顶区域的隧道二衬中相变胶囊相变温度不高于-3℃，拱腰区域、边墙区域和拱脚区域的隧道二衬中的相变胶囊的相变温度不低于5℃。

2.根据权利要求1所述的基于相变调温混凝土的隧道防冻保温结构，其特征在于：每个区域的隧道二衬混凝土内预埋塑料管，在隧道轴线方向预埋的塑料管呈水平单U型布置，塑料管内铺设有供热装置。

3.根据权利要求2所述的基于相变调温混凝土的隧道防冻保温结构，其特征在于：每个区域的隧道二衬与防水板之间安装温度传感器，用于检测地下水的温度，智能控制供热装置的开启时机和运行时间。

4.根据权利要求1所述的基于相变调温混凝土的隧道防冻保温结构的施工方法，其特征在于：

在隧道施工时依次布设隧道初衬、防水板、隧道二衬和防火板，所述隧道二衬的混凝土中含有多孔轻骨料和相变胶囊，在隧道二衬和防水板之间铺设加热装置；

其中，隧道二衬混凝土在环向上有多个区域组成，相邻区域的隧道二衬混凝土的热物性均不相同；位于顶部区域的隧道二衬混凝土多孔轻骨料含量最高，从顶部区域至拱脚区域轻骨料的含量依次降低；

在隧道拱顶区域隧道二衬中添加相变温度不高于-3℃的相变胶囊，拱腰区域、边墙区域和拱脚区域的隧道二衬中添加相变温度不低于5℃的相变胶囊；

在每个区域的隧道二衬混凝土内预埋塑料管，在隧道轴线方向预埋的塑料管呈水平单U型布置，塑料管内铺设供热装置；

在每个区域的隧道二衬与防水板之间安装温度传感器，检测地下水的温度，智能控制供热装置的开启时机和运行时间。

5.根据权利要求1所述的基于相变调温混凝土的隧道防冻保温结构的运行方法，其特征在于：

在入冬时期，以隧道二衬与防水板之间的监测温度0℃为控制指标，从拱脚至拱腰区域依次开启加热装置，待拱顶区域的地下水全部冻结后，关闭拱腰区域的供热装置；待拱腰区域的地下水全部冻结后，关闭拱脚区域的供热装置，最终实现隧道全断面由上至下依次冻结，形成封闭的天然止水屏障；

在春融时期，先加热隧道拱脚区域，随后依次从下至上实现全断面融化。