CN108316952A - 高寒地区隧道保温防排水系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了高寒地区隧道保温防排水系统，包括隧道拱墙、隧道仰拱和仰拱填充层，还包括拱墙防排水系统和隧道内部排水系统，拱墙防排水系统包括自粘式防水板、环向盲管和拱脚纵向透水管，隧道内部排水系统包括中心排水管、检查井、拱底纵向透水管、单向保温排水管和侧沟；隧道拱墙以及隧道仰拱内均设有VIP保温防水板。本发明通过隧道仰拱的初期支护和二次衬砌之间设全覆盖VIP保温防水板，在保证透水管内温度的前提下，将深埋中心水沟提升为浅埋，既提升了隧道施工的安全性，又极大降低了施工量；在新的设计方案中，隧道拱墙内同样采用了VIP保温防排水材料，使隧道内的防排水能力与效率都能得到极大的提升。
Description
技术领域
本发明涉及铁路隧道排水技术领域，具体涉及一种高寒地区隧道保温防排水系统。
背景技术
如图1和图2所示，展示的是现行寒区铁路隧道设计方案采用深埋中心水沟设计方案：
其拱墙以EVA防水板和土工布进行防水，环向盲沟设置于隧道初期支护外，距隧道衬砌内缘1.2m、宽0.4m的沟槽内，环向盲沟纵向间距按6～12m；隧道均设置贯通的双侧保温水沟，保温水沟设置双层盖板，双层盖板之间填充聚氨酯保温材料；隧道均设置贯通的中心深埋水沟引排隧道地下水，中心深埋水沟置于冻结线以下，深度至仰拱下1m；无砟道床中心深埋水沟检查井间距50m左右考虑，置于线路中间，井内设置双层盖板，盖板与井壁连接处设置橡胶垫圈，确保密封，两层盖板之间采用聚氨酯型材填充；有砟道床中心深埋水沟检查井间距一般为30m一处，结合小避车洞设置在隧道侧壁；纵向盲沟在衬砌两侧边墙处各设一道，背衬聚氨酯保温板；中心深埋水沟通过隧底排水横沟与环、纵向盲管连通。
在施工过程中，现行设计方案逐渐显现了一些问题，主要如下：
(1)工程安全存在隐患。根据现行的设计方案，隧底仰拱底部以下挖掘深度为2m，在有横沟位置需要横断面整体开挖，实践证明，在同一类围岩中，挖掘跨度越大，围岩的稳定性就越差，因此，深埋中心水沟的开挖对隧道围岩扰动较大，影响隧道主体稳定，不仅在施工过程中易出现坍塌等事故，还会对隧道建成之后的稳定性造成影响。(2)工程量大，施工困难。在现行设计方案中，深埋中心水沟基坑的开挖和横沟断面整体开挖极大的增加了工程量，不仅开挖时挖掘大量土方，安装中心水沟和横沟后的基坑以及超挖部分的回填、由此造成的运输等问题都使得开挖工程越发庞大；而环向盲沟基槽需要开挖至隧道初期支护外深度1.2米，存在施工难度较大，现有常规设备难使用，人工开挖较慢，效果差，盲管安设后沟槽回填轻质保温混凝土施工质量较难控制等问题。
(3)进度缓慢，费时耗力。从现场施工情况来看，由于深埋中心水沟方案工程量大，使得隧道整体工程推进缓慢，月掘进量最快只有40m，这对于每年有四个月休工期的寒区工程来说过于缓慢。而由工期拉长所造成的成本增加也使工程造价大幅提升。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种高寒地区隧道保温防排水系统，其解决了现行寒区铁路隧道的防排水及保温方式存在的工程隐患、工程量大、施工困难、进度缓慢和费时耗力的缺陷。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
高寒地区隧道保温防排水系统，包括隧道拱墙和隧道仰拱，以及位于隧道仰拱上端的仰拱填充层，还包括拱墙防排水系统和隧道内部排水系统，所述拱墙防排水系统包括铺挂在隧道拱墙的初期支护和二次衬砌之间的自粘式防水板和环向盲管，以及设在隧道拱墙的两侧底端的拱脚纵向透水管，所述隧道内部排水系统包括纵向铺设在仰拱填充层内的中心排水管和检查井，以及两根平行设在隧道仰拱下方的拱底纵向透水管，以及两根连通检查井和拱底纵向透水管的单向保温排水管，以及铺设于隧道仰拱两侧边的侧沟，所述检查井间隔设置且与中心排水管连通；
所述隧道拱墙的初期支护和二次衬砌之间以及隧道仰拱的初期支护和二次衬砌之间均设有VIP(Vacuum Insulation Panel：真空绝热板)保温防水板。
进一步改进在于，所述隧道拱墙的初期支护和二次衬砌之间的VIP保温防水板一面通过自粘布与环向盲管外的自粘土工布粘接，用于对环向盲管进行保温，另一面通过自粘布与自粘式防水板粘接，安装方便。
进一步改进在于，在所述隧道拱墙拱脚处的自粘式防水板内引出有第一横向导水管，所述第一横向导水管连通至两个侧沟并由两个侧沟连通至中心排水管；两根拱脚纵向透水管均引出有第二横向导水管，两根第二横向导水管分别连通至同侧的拱底纵向透水管。
进一步改进在于，所述隧道仰拱的下方铺设有保温固定座，所述保温固定座由从下往上依次铺设的C20混凝土管座、碎石过滤层、第一保温混凝土层、VIP保温层和第二保温混凝土层组成，
所述拱底纵向透水管铺设在C20混凝土管座和碎石过滤层之间。
进一步改进在于，所述第一保温混凝土层厚度为30mm，所述VIP保温层厚度为20mm，所述第二保温混凝土层厚度为30mm。
进一步改进在于，所述中心排水管为内径600mm的双壁波纹管，且在中心排水管的外表面覆有VIP保温层，VIP保温层厚度为20mm。
进一步改进在于，所述第一横向导水管和第二横向导水管均为内径100mm的双壁波纹管，且在第一横向导水管和第二横向导水管的外表面均覆有VIP保温层，VIP保温层厚度为10mm。
进一步改进在于，所述检查井为预制保温塑料检查井。
进一步改进在于，所述侧沟的顶端设有纤维增强复合材料保温盖板，且在隧道进出口处的侧沟内铺设有电伴热加热面板。
进一步改进在于，所述拱底纵向透水管为直径200mm、外包过滤层的打孔双壁波纹管，所述单向保温排水管的直径为100mm。
本发明的有益效果是：通过隧道仰拱和仰供填充层之间设全覆盖VIP保温防水板，在保证透水管内温度的前提下，将深埋中心水沟提升为浅埋，全覆盖真空绝热板的存在使仰供下排水管上移，既提升了隧道施工的安全性，又极大降低了施工量；在新的设计方案中，隧道拱墙内同样采用了VIP保温防排水材料，对环向盲管和拱底纵向透水管进行保温，使隧道内的防排水能力与效率都能得到极大的提升。
另外，中心排水管、拱侧纵向排水管、拱底纵向排水管和侧沟同时进行排水，有效提升了隧道的排水效率，且通过横管将隧道拱墙内的积水引至排水管内，提升了拱墙的防排水性能，且拱底纵向透水管与仰拱填充层内检查井以单向保温排水管连通，有利于泄压和疏通检查拱底纵向透水管。
附图说明
图1为现行寒区隧道防排水深埋检查井断面图；
图2为现行寒区隧道防排水深埋中心水沟断面图；
图3为本发明的结构示意图；
图4为图3中A部分的放大图；
图5为图3中B部分的放大图；
其中，1-隧道拱墙，2-隧道仰拱，3-仰拱填充层，4-自粘式防水板，5-环向盲管，6-拱脚纵向透水管，7-中心排水管，8-检查井，9-拱底纵向透水管，10-单向保温排水管，11-侧沟，12-VIP保温防水板，13-自粘布，14-第一横向导水管，15-第二横向导水管，16-C20混凝土管座，17-碎石过滤层，18-第一保温混凝土层，19-VIP保温层，20-第二保温混凝土层，21-纤维增强复合材料保温盖板。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和图示，进一步阐述本发明。
结合图3至图5所示，一种高寒地区隧道保温防排水系统的实施例结构，其包括隧道拱墙1和隧道仰拱2，以及位于隧道仰拱2上端的仰拱填充层3。另外，还包括拱墙防排水系统和隧道内部排水系统，其中拱墙防排水系统包括铺挂在隧道拱墙1的初期支护和二次衬砌之间的自粘式防水板4和环向盲管5，以及设在隧道拱墙1的两侧底端的拱脚纵向透水管6，隧道内部排水系统包括纵向铺设在仰拱填充层3内的中心排水管7和检查井8，以及两根平行设在隧道仰拱2下方的拱底纵向透水管9，以及两根连通检查井8和拱底纵向透水管9的单向保温排水管10，以及铺设于隧道仰拱2两侧边的侧沟11，检查井8间隔设置且与中心排水管7连通；隧道拱墙1的初期支护和二次衬砌之间以及隧道仰拱2的初期支护和二次衬砌之间均设有VIP保温防水板12。
其中，隧道拱墙1的初期支护和二次衬砌之间的VIP保温防水板12一面通过自粘布13与环向盲管5粘接，另一面与自粘式防水板4粘接。
另外，在隧道拱墙1拱脚处的自粘式防水板4内引出有第一横向导水管14，第一横向导水管14连通至两个侧沟11并由两个侧沟11连通至中心排水管7；两根拱脚纵向透水管6均引出有第二横向导水管15，两根第二横向导水管15分别连通至同侧的拱底纵向透水管9。第一横向导水管14和第二横向导水管15均为内径100mm的双壁波纹管，且在第一横向导水管14和第二横向导水管15的外表面均覆有VIP保温层(图中未示出)。
特别的，隧道仰拱2的下方铺设有保温固定座，保温固定座由从下往上依次铺设的C20混凝土管座16、碎石过滤层17、第一保温混凝土层18、VIP保温层19和第二保温混凝土层20组成，拱底纵向透水管9铺设在C20混凝土管座16和碎石过滤层17之间。第一保温混凝土层18厚度为30mm，VIP保温层19厚度为20mm，第二保温混凝土层20厚度为30mm。
特别的，中心排水管7为内径600mm的双壁波纹管，且在中心排水管7的外表面覆有VIP保温层(图中未示出)。检查井8为预制保温塑料检查井。侧沟11的顶端设有纤维增强复合材料保温盖板21，且在隧道进出口处的侧沟11内铺设有电伴热加热面板(图中未示出，用于提供热源)。拱底纵向透水管9为直径200mm、外包过滤层的打孔双壁波纹管，单向保温排水管10的直径为100mm。
为了满足工程实际应用的要求，以原方案做比较，新设计方案中仰拱下排水管处的热阻值应该不小于原设计方案中的热阻值，才能保证修改后的设计安全可靠。
根据围护结构热阻的计算公式，单层结构热阻：
R＝δ/λ，
式中：δ-材料层厚度(m)；λ-材料导热系数[W/(m.K)]。
原设计方案排水管顶部深度处的热阻：
不同类别的冻土导热系数可参考下表：
结合实际工程主要采用的含碎石的土壤回填，导热系数最少在1.95W/(m.K)以上，为了确保修改后的设计安全可靠，采用最小的粉末状土壤导热系数1.65W/(m.K)计算。由原设计方案可知排水管顶部距离隧道拱底的深度为1.71m。因此原设计方案排水管顶部深度处的热阻R原设计＝1.71/1.65＝1.0364(m2.K)/W。
修改后的方案排水管顶部深度处热阻：
修改后采用VIP材料作为保温层，VIP的导热系数在0.006W/(m.K)以下，取0.006W/(m.K)计算，结合VIP保温施工时的热桥影响，参照《STP超薄绝热板外墙外保温工程技术导则》(JD 14-013-2010)的规定，真空绝热板导热系数的修正系数取1.4，当采用15mm厚的VIP保温时，RVIP＝0.015/(0.006×1.4)＝1.786(m2.K)/W，当采用20mm厚的VIP保温时，RVIP＝0.02/(0.006×1.4)＝2.381(m2.K)/W，两种情形下的热阻均明显大于原设计方案下深埋排水管顶部热阻，即可以保证仰供下的温度高于原设计方案中深埋中心水沟处的温度。
为了进一步保证排水管在实际运营中的安全性，排水管正上方的保温结构主体不变，只将聚氨酯泡沫保温层替换为20mm厚的VIP，此时真空绝热板保温热阻大于原聚氨酯泡沫的保温热阻，具体为RVIP＝3.333(m2.K)/W和RPu＝0.07/0.025＝2.8(m2.K)/W，即可以保证新方案中浅埋中心排水沟的排水优于原设计方案。
另外，由于隧道中心排水管处收集的水流主要来自山体之中，研究表明山体中的恒温层温度为3.4℃左右，因此选取水流初始温度为3.4℃。由取典型新疆地区富蕴县及阿勒泰市气象资料可知，根据文献，冻土介质的温度为地下0.5～1.5m处的冻土在最冷月的平均温度，一般选取区间在-6～0℃，取值-6℃。混凝土的导热系数取1.58W/(m.K)，再由变更后的设计方案可知中心排水管所有管道均在0.8m以下，管道埋深取值0.8m，保温层导热系数选取0.025W/(m.K)，VIP保温时导热系数为0.006W/(m.K)，修正系数取1.4，研究表明，输水管道只要保证地温在-4～-5℃时的土层中不停流动，就不会发生结冰冻害，因此选取保温层表面温度为-4℃。根据热平衡原理建立中心排水管道热平衡方程：
进一步简化得：
式中：
ts-管道中水的温度，℃；
t0-冻土温度(混凝土温度)，℃；
tw-保温层外表面的温度，℃；
λ-保温层导热系数，W/(m.K)；
λd-混凝土导热系数，W/(m.K)；
D-管道外径，m；
h-管道埋设深度，m；
x-保温层厚度，m。
(1)对于管径600mm的中心排水管，用VIP保温材料对其保温：
ts-取值3.4，管道中水的温度，℃；
t0-取值-6，冻土温度(混凝土温度)，℃；
tw-取值-4，保温层外表面的温度，℃；
λ-取值0.006，修正系数取1.4，保温层导热系数，W/(m.K)；
λd-取值1.58，混凝土导热系数，W/(m.K)；
D-取值0.6，管道外径，m；
h-取值0.8，管道埋设深度，m；
计算得到x＝0.00985m
即保温层厚度为0.985cm时，即可使中心排水管内流水不发生结冰冻害，达到保温效果。
(2)对于管径10cm的中心排水管，用VIP保温材料对其保温：
ts-取值3.4，管道中水的温度，℃；
t0-取值-6，冻土温度(混凝土温度)，℃；
tw-取值-4，保温层外表面的温度，℃；
λ-取值0.006，修正系数取1.4，保温层导热系数，W/(m.K)；
λd-取值1.58，混凝土导热系数，W/(m.K)；
D-取值0.1，管道外径，m；
h-取值0.8，管道埋设深度，m；
计算得到x＝0.00346m
即保温层厚度为0.346cm时，即可使横向导水管内流水不发生结冰冻害，达到保温效果。
由于寒区管道的保温效果受所排水体温度变化、隧道中空气流动、冻土区温度波动及地热辐射等多方面因素的影响，如研究表明长隧道洞内150米以后侧水沟温度一般比洞口温度高3～6摄氏度。隧道洞口和洞中的温度梯度也影响排水管保温层的厚度设计。因此在实际应用时，理想计算的厚度只能作为参考，为了保证管内流水不受结冰冻害，在实际应用中，对于60cm的中心管可设计外包厚度为2cm的VIP保温层，对于10cm的横向导水管可设计外包厚度为1cm的VIP保温层。
另外，由于VIP保温材料主要由芯材和阻隔封装膜组成，而芯材主要成分为无机二氧化硅，该材料性质稳定，不受温度、湿度的影响。而膜材主要由PP、PET、Al组成，Al层为金属，复合在塑料高分子膜中间，安全稳定，而高分子部分膜材与隧道用防水板等塑料材质性质基本一致，因此VIP保温材料的使用寿命可以匹配整个隧道工程的寿命。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。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 (10)
1.高寒地区隧道保温防排水系统，包括隧道拱墙(1)和隧道仰拱(2)，以及位于隧道仰拱(2)上端的仰拱填充层(3)，其特征在于：还包括拱墙防排水系统和隧道内部排水系统，所述拱墙防排水系统包括铺挂在隧道拱墙(1)的初期支护和二次衬砌之间的自粘式防水板(4)和环向盲管(5)，以及设在隧道拱墙(1)的两侧底端的拱脚纵向透水管(6)，所述隧道内部排水系统包括纵向铺设在仰拱填充层(3)内的中心排水管(7)和检查井(8)，以及两根平行设在隧道仰拱(2)下方的拱底纵向透水管(9)，以及两根连通检查井(8)和拱底纵向透水管(9)的单向保温排水管(10)，以及铺设于隧道仰拱(2)两侧边的侧沟(11)，所述检查井(8)间隔设置且与中心排水管(7)连通；
所述隧道拱墙(1)的初期支护和二次衬砌之间以及隧道仰拱(2)的初期支护和二次衬砌之间均设有VIP保温防水板(12)。
2.根据权利要求1所述的高寒地区隧道保温防排水系统，其特征在于：所述隧道拱墙(1)的初期支护和二次衬砌之间的VIP保温防水板(12)一面通过自粘布(13)与环向盲管(5)粘接，另一面与自粘式防水板(4)粘接。
3.根据权利要求1所述的高寒地区隧道保温防排水系统，其特征在于：在所述隧道拱墙(1)拱脚处的自粘式防水板(4)内引出有第一横向导水管(14)，所述第一横向导水管(14)连通至两个侧沟(11)并由两个侧沟(11)连通至中心排水管(7)；两根拱脚纵向透水管(6)均引出有第二横向导水管(15)，两根第二横向导水管(15)分别连通至同侧的拱底纵向透水管(9)。
4.根据权利要求3所述的高寒地区隧道保温防排水系统，其特征在于：所述第一横向导水管(14)和第二横向导水管(15)均为内径100mm的双壁波纹管，且在第一横向导水管(14)和第二横向导水管(15)的外表面均覆有VIP保温层。
5.根据权利要求1所述的高寒地区隧道保温防排水系统，其特征在于：所述隧道仰拱(2)的下方铺设有保温固定座，所述保温固定座由从下往上依次铺设的C20混凝土管座(16)、碎石过滤层(17)、第一保温混凝土层(18)、VIP保温层(19)和第二保温混凝土层(20)组成，
所述拱底纵向透水管(9)铺设在C20混凝土管座(16)和碎石过滤层(17)之间。
6.根据权利要求5所述的高寒地区隧道保温防排水系统，其特征在于：所述第一保温混凝土层(18)厚度为30mm，所述VIP保温层(19)厚度为20mm，所述第二保温混凝土层(20)厚度为30mm。
7.根据权利要求1所述的高寒地区隧道保温防排水系统，其特征在于：所述中心排水管(7)为内径600mm的双壁波纹管，且在中心排水管(7)的外表面覆有VIP保温层。
8.根据权利要求1所述的高寒地区隧道保温防排水系统，其特征在于：所述检查井(8)为预制保温塑料检查井。
9.根据权利要求1所述的高寒地区隧道保温防排水系统，其特征在于：所述侧沟(11)的顶端设有纤维增强复合材料保温盖板(21)，且在隧道进出口处的侧沟(11)内铺设有电伴热加热面板。
10.根据权利要求1所述的高寒地区隧道保温防排水系统，其特征在于：所述拱底纵向透水管(9)为直径200mm、外包过滤层的打孔双壁波纹管，所述单向保温排水管(10)的直径为100mm。
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