CN107587881A - 一种用于多年冻土隧道的复合式衬砌结构及施工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于多年冻土公路隧道复合式衬砌技术，采用三层衬砌，二层防水、二层保温技术，有效解决了多年冻土区修建高等级长大公路隧道冻融破坏的技术难题。其衬砌结构为：支护结构下依次是一次衬砌结构、防水保温层、二次衬砌结构和保温防火层，衬砌工艺主要包括：一次模筑低温早强混凝土；防水层施工；隔热层施工；二次衬砌钢筋混凝土；洞内装饰。此衬砌技术对比传统隧道衬砌技术，能够将二衬以内人为因素造成的气温变化与永久冻土层隔离开，保证了衬砌背面水能及时排走，避免了冻胀的发生，使用材料、机械简单，易操作施工，避免了后期工程质量问题的发生，减少了发生隧道安全事故机率，同时保障了工期进度。
Description
技术领域
本发明涉及高海拔多年冻土﹙Ⅴ、Ⅵ级冻土围岩﹚隧道的复合式衬砌施工方法，属于隧道施工技术领域。
背景技术
多年冻土地区具有气候严寒、日温差大。岩石风化严重，岩石裂隙发育等特点。因此隧道防冻问题是多年冻土地区修建隧道最大的技术难题，冻害作为隧道的主要病害，可使隧道衬砌结构因冻胀而开裂、剥落甚至失稳，洞顶吊冰柱，边墙挂冰溜，路面变冰湖，洞口处热熔滑塌，这些均会对安全行车产生严重影响，大大增加运营管理难度的养护费用，造成很大的经济损失，甚至导致隧道报废。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：多年冻土区隧道的修建改变了围岩的温度条件，使衬砌背后的冻土形成一个冻融交替的融化圈，会对衬砌产生冻胀、融沉等破坏作用，因为加强冻土区隧道衬砌结构是防治冻害不可缺少的措施之一。本发明提供一种多年冻土公路隧道复合式衬砌结构施工方法，以克服现有技术难解决的多年冻土隧道所存在的冻融、冻胀造成的衬砌结构遭受破坏，排水系统的失效，从而影响隧道结构稳定、耐久及运营安全。
本发明的技术方案是：
一种用于多年冻土隧道的复合式衬砌结构，包括隧道内的支护结构，支护结构下依次是一次衬砌结构、防水保温层、二次衬砌结构和保温防火层。
防水保温层由无纺土工布、防水板、聚氨酯隔热板和无纺土工布四层结构组成。
保温防火层通过膨胀螺栓和二次衬砌结构连接，膨胀螺栓一端安装在二次衬砌结构中，一端连接U形连接件, U形连接件固定在龙骨两侧，纤维增强板固定在龙骨上，纤维增强板和二次衬砌结构之间的形成的空腔中填充保温板。
一种用于多年冻土隧道的复合式衬砌施工工艺,包括以下步骤:
一、采用CRD法进行开挖和初期支护，向支护型钢上喷射低温早强钢纤维混凝土，形成支护结构；
二、浇注一衬仰拱及在支护结构表面模筑低温早强混凝土，形成一次衬砌结构；
三、在衬砌结构表面按照顺序敷设无纺土工布、防水板、聚氨酯隔热板和无纺土工布，形成防水保温层；
四、环向施工缝间设置遇水膨胀止水条，沉降伸缩中间设置橡胶止水带，注浆后预留孔槽采用快封水泥处理；
五、仰拱浇注回填及二次衬砌，在仰拱一衬及模筑一衬混凝土达到周期强度后，首先进行仰拱二衬的钢筋绑扎，然后开始浇注钢筋混凝土仰拱，待混凝土强度达到周期强度后，使用片石混凝土进行仰拱回填，形成洞底回填层；进行拱墙钢筋绑扎及焊接，模板台车全断面支模，在防水保温层表面浇筑二次衬砌钢筋混凝土，形成二次衬砌结构；
六、在二次衬砌结构表面安装保温防火层。
在步骤一中，施工前先采用跟管管棚超前预支护，节长3m或6m，环向间距40cm，外插角1～3度；注入1：1水泥浆，注浆压力0.5～1MPa。
在实施步骤二前，进行基面清洁和排水系统施作。
在步骤六中，保温防火层的安装步骤如下：
1、 在隧道二次衬砌表面测位、放线、打眼，并安设膨胀螺栓；
2、将U形连接件固定在膨胀螺栓端头，U形连接件与膨胀螺栓垂直；
3、先用保温板将U形连接件填实后，再将龙骨用自攻钉固定在U形连接件上构成龙骨框架，龙骨延展方向同隧道纵深方向一致；
4、将保温板镶嵌在龙骨框架内；
5、用自攻钉将纤维增强板固定在龙骨框架上；
6、用专用腻子及网带将纤维增强板之间缝隙密封后并打磨平整。
本发明的有益效果：
本发明一种用于多年冻土公路隧道的复合式衬砌技术，采用三层衬砌，二层防水、二层保温技术，有效解决了多年冻土区修建高等级长大公路隧道冻融破坏的技术难题。此衬砌技术对比传统隧道衬砌技术，能够将二衬以内人为因素造成的气温变化与永久冻土层隔离开，保证了衬砌背面水能及时排走，避免了冻胀的发生，使用材料、机械简单，易操作施工，避免了后期工程质量问题的发生，节省资金投入，每道工序顺利施做，减少了发生隧道安全事故机率，同时保障了工期进度。
附图说明：
图1为本发明的主视图。
图2为本发明衬砌结构的断面结构示意图。
图3为保温防火层施工示意图。
图4为保温防火层平面示意图。
图5为保温防火层安装I-I剖面图。
具体实施方式
本发明具体实施方式：
复合衬砌结构：支护结构1下依次是一次衬砌结构2、防水保温层3、二次衬砌结构4和保温防火层5。
防水保温层3由无纺土工布3-1、防水板3-2、聚氨酯隔热板3-3和无纺土工布3-1四层结构组成。
保温防火层5通过膨胀螺栓5-7和二次衬砌结构4连接，膨胀螺栓5-7一端安装在二次衬砌结构4中，一端连接U形连接件5-3, U形连接件5-3固定在龙骨5-4两侧，纤维增强板5-2固定在龙骨5-4上，纤维增强板5-2和二次衬砌结构4之间的形成的空腔中填充保温板5-1。
具体施工工艺如下：
首先在多年冻土隧道施工前先采用跟管管棚超前预支护，即：节长3m、6m，环向间距40cm，外插角1～3度；注入1：1水泥浆，注浆压力0.5～1MPa。然后隧道采用CRD法开挖。复合衬砌包括以下步骤：
步骤一、导洞上半断面开挖与初期支护： 1）开挖：开挖时针对冻土层采用反铲挖掘机配合破碎锤开挖，在反铲挖掘机开挖前，先采用破碎锤破除松动冻土层，再采用反铲挖掘机开挖。
2）初期支护:开挖后，立即进行上半断面初期支护，即安装导洞型钢1-2。上下断面分界处打设2根锁脚锚杆，挂设钢筋网片1-3，喷射30cm厚的低温早强钢纤维混凝土1-1。采用低温早强钢纤维混凝土能够有效的减少单方混凝土水泥用量，同时降低水泥的水化热。早强成分能够加速水泥水化，提高混凝土早期强度，使混凝土与钢纤维共同作用抵抗冻融破坏的影响。在混凝土中掺入防冻剂，使配成的混凝土在规定的低温条件下，不仅不会遭到破坏，而且能通过一段较长时间的低温硬化，使强度继续增长到能抵抗冰冻作用的抗冻临界强度。待转入正常温度养护后，强度能迅速增长到设计强度，具有早强、耐低温、耐久性好的特点。喷射作业采用湿喷工艺施工，分段、分块先墙后拱、自下而上的顺序进行；喷射作业时，喷嘴作反复缓慢的螺旋形运动，螺旋直径约20～30cm，以保证混凝土喷射密实。同时掌握风压、水压及喷射距离，减少混凝土的回弹量。
重复上述步骤一中1）开挖和2）初期支护完成导洞下半断面开挖与初期支护。
重复上述步骤一中1）开挖和2）初期支护完成主洞上半断面开挖与初期支护：
重复上述步骤一中1）开挖和2）初期支护完成主洞下半断面开挖与初期支护：
步骤二、浇注一衬仰拱及模筑一衬混凝土：在全断面初期支护施工完之后，清理仰拱基底虚碴、积水及其他杂物，采用高压风水对基面进行冲洗，保证基面洁净后方可关模浇筑仰拱一衬低温早强混凝土的施作；进行初期支护断面净空测量和初支背后脱空检查处理后，铺设纵向HPE排水管，环向半圆排水管，纵环向排水管三通连接导入边墙排水沟内再通过横向导水管导入中心排水沟内，最终排入仰拱下方的横导洞进入防寒泄水洞排出洞外。排水系统施作完毕后一衬6m台车就位，关端头模，泵送低温早强混凝土入模，插入式振捣器振捣密实，混凝土入模温度控制在+5~+8℃，尽量减少影响围岩融化圈。模筑混凝土达到混凝土设计强度的70%以上，利用预埋的注浆管向初支背后压注水泥浆，回填支护与围岩间的空隙密实，避免冻害隐患。
步骤三、防水保温材料安装：一衬仰拱之后铺设保温层，拱墙一衬之后先后顺序敷设无纺土工布3-1、防水板3-2、聚氨酯隔热板3-3、无纺土工布3-1。
防冻必先治水，做好防排水设计，确保围岩裂隙水能顺畅的排出隧道。若衬砌后围岩中的水能顺利地排出，就能减少围岩冻胀造成隧道衬砌破坏和衬砌结构本身冻胀破坏发生的机会，为此，考虑使用无纺布加EVA防水板加无纺布，防水板3-2幅宽4～6m，防水层施工时应对先施作的土工布3-1进行详尽的检查，确保无损无裂，固定牢靠，防水板3-2采用无钉铺挂工艺，且土工布3-1和防水板3-2必须有一定的疏松度。
步骤四、“三缝”防水层施工：
在明（洞）暗（洞）交接位置、衬砌类型变化位置及冻土段洞身每隔20m间距设置一道变形沉降缝、缝宽2cm，全断面设中埋式橡胶止水带和带注浆管膨胀止水条，并用沥青码絮填缝。中埋式橡胶止水带安装工艺：1）沿二次衬砌设计轴心在挡头模板上按1.0m间距钻孔；2）将加工成型的钢筋由待浇注混凝土一侧穿出，内侧卡紧止水带的一半，另一半止水带平贴在挡头模板上；3）待二次衬砌混凝土浇筑并凝固后拆除挡头模板，将靠近接缝处止水带拉直，然而弯曲钢筋另一端固定止水带，模筑下一环二次衬砌。注浆管膨胀止水条安装工艺：1）检查施工缝表面，进行凿毛处理。先浇筑的混凝土基面必须充分凿毛、清洗干净、排除杂物。 2）带注浆管膨胀止水条预留槽安装，检测全断面注浆管的材质、性能、规格必须符合设计要求，且无裂缝和无堵塞，敷设应牢固、横平竖直、弧线圆顺、表面平齐、无扭曲。 3）注浆管用铁钉固定在混凝土施工缝上表面，每隔5～6m两端各引出一根不小于150mm的注浆导管于混凝土表面。4）二衬混凝土浇筑时，用插入式振捣器从捣固窗口加强振捣施工缝侧混凝土。
步骤五、仰拱浇注回填及二次衬砌：
1）首先仰拱二衬的钢筋绑扎，左右两端纵向钢筋预留钢筋搭接长度。
2）仰拱浇注及回填。仰拱与仰拱回填不得同时浇筑，待仰拱混凝土终凝后使用片石混凝土进行仰拱回填，仰拱回填混凝土的厚度及表面高程必须符合设计要求，仰拱回填混凝土强度达到5MPa方可行人，强度达到70%强度后方可通行车辆。
3）拱墙钢筋绑扎及焊接，安装过程中采取措施防止刺穿防水板等措施。
4）利用整体式台车拱墙一次衬砌成型，一次浇筑长度为12m。混凝土采用集中搅拌站拌合，罐车运输混凝土，HBT60输送泵泵送入模，插入式振捣器配合台车附着式振捣器振捣密实。二次衬砌距离掌子面不宜大于设计规定。混凝土达到周期强度后最后拆模养护。
步骤六、保温装饰施工：
1) 首先检查隧道二次衬砌表面是否平整、以及是否存在空洞、蜂窝或深裂缝等问题。如有以上问题应预先处理解决，之后再继续下一步工序。
2) 在隧道二次衬砌结构4表面测位、放线、打眼，并安设膨胀螺栓5-7。沿隧道环向的间距是以一块面板为单位；螺栓杆外露于隧道二次衬砌表面的长度为20mm。
3) 将U形连接件5-3固定在螺栓杆端头，U形连接件5-3与膨胀螺栓5-7垂直，不可出现松动。
4) 先用保温板5-1将U形连接件5-3下部填实后，再将龙骨5-4用自攻钉5-5固定在U形连接件5-3上。龙骨5-4延展方向同隧道纵深方向一致。龙骨5-4加长时，必须使用接长件连接。
5) 将保温板5-1镶嵌在龙骨框架内，保温板间必须连接紧密。
6) 用自攻钉5-5将纤维增强板5-2固定在龙骨框架上。自攻钉的间距为200mm。板与板相接时，留2－3mm伸缩缝。整个施工面延隧道纵深每隔30m，留一个25mm宽伸缩缝5-6。要求整个施工面随隧道拱成自然弧形且平整牢固。
7) 用专用腻子及网带将纤维增强板之间缝隙密封后并打磨平整。要求板缝处封闭完全，平整。
Claims (7)
1.一种用于多年冻土隧道的复合式衬砌结构，包括隧道内的支护结构（1），其特征在于： 支护结构（1）下依次是一次衬砌结构（2）、防水保温层（3）、二次衬砌结构（4）和保温防火层（5）。
2.根据权利要求1所述用于多年冻土隧道的复合式衬砌结构，其特征在于：防水保温层（3）由无纺土工布（3-1）、防水板（3-2）、聚氨酯隔热板（3-3）和无纺土工布（3-1）四层结构组成。
3.根据权利要求1所述用于多年冻土隧道的复合式衬砌结构，其特征在于：保温防火层（5）通过膨胀螺栓（5-7）和二次衬砌结构（4）连接，膨胀螺栓（5-7）一端安装在二次衬砌结构（4）中，一端连接U形连接件(5-3), U形连接件(5-3)固定在龙骨（5-4）两侧，纤维增强板（5-2）固定在龙骨（5-4）上，纤维增强板（5-2）和二次衬砌结构（4）之间的形成的空腔中填充保温板（5-1）。
4.一种用于多年冻土隧道的复合式衬砌施工工艺，其特征在于包括以下步骤：一、采用CRD法进行开挖和初期支护，向支护型钢上喷射低温早强钢纤维混凝土，形成支护结构（1）；
二、浇注一衬仰拱及在支护结构（1）表面模筑低温早强混凝土，形成一次衬砌结构（2）；
三、在衬砌结构（2）表面按照顺序敷设无纺土工布（3-1）、防水板（3-2）、聚氨酯隔热板（3-3）和无纺土工布（3-1），形成防水保温层（3）；
四、环向施工缝间设置遇水膨胀止水条，沉降伸缩中间设置橡胶止水带，注浆后预留孔槽采用快封水泥处理；
五、仰拱浇注回填及二次衬砌，在仰拱一衬及模筑一衬混凝土达到周期强度后，首先进行仰拱二衬的钢筋绑扎，然后开始浇注钢筋混凝土仰拱，待混凝土强度达到周期强度后，使用片石混凝土进行仰拱回填，形成洞底回填层（7）；进行拱墙钢筋绑扎及焊接，模板台车全断面支模，在防水保温层（3）表面浇筑二次衬砌钢筋混凝土，形成二次衬砌结构（4）；
六、在二次衬砌结构（4）表面安装保温防火层（5）。
5.根据权利要求4所述用于多年冻土隧道的复合式衬砌施工工艺，其特征在于：在步骤一中，施工前先采用跟管管棚超前预支护，节长3m或6m，环向间距40cm，外插角1～3度；注入1：1水泥浆，注浆压力0.5～1MPa。
6.根据权利要求4所述用于多年冻土隧道的复合式衬砌施工工艺，其特征在于：在实施步骤二前，进行基面清洁和排水系统施作。
7.根据权利要求4所述用于多年冻土隧道的复合式衬砌施工工艺，其特征在于在步骤六中，保温防火层（5）的安装步骤如下：
1、 在隧道二次衬砌表面测位、放线、打眼，并安设膨胀螺栓（5-7）；
2、将U形连接件(5-3)固定在膨胀螺栓（5-7）端头，U形连接件(5-3)与膨胀螺栓（5-7）垂直；
3、先用保温板（5-1）将U形连接件(5-3)填实后，再将龙骨（5-4）用自攻钉（5-5）固定在U形连接件(5-3)上构成龙骨框架，龙骨（5-4）延展方向同隧道纵深方向一致；
4、将保温板（5-1）镶嵌在龙骨框架内；
5、用自攻钉（5-5）将纤维增强板（5-2）固定在龙骨框架上；
6、用专用腻子及网带将纤维增强板（5-2）之间缝隙密封后并打磨平整。
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