CN109162742B - 一种多年冻土地区的隧道工程防冻结构 - Google Patents
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Abstract
一种多年冻土地区的隧道工程防冻结构，包括多根防冻管和多根冷热交换管。所述多根防冻管呈拱形横向设于隧道衬砌结构中，且位于初步支护与防水层之间，所述多根防冻管沿隧道纵向排布，且相邻的两根所述防冻管之间设有间距。所述多根冷热交换管沿隧道横断面呈放射状分布，一端与所述多根防冻管靠近所述防水层的一侧相连通，另一端穿过围岩融化圈伸入深部冻土区。所述多根防冻管和所述多根冷热交换管均为封闭结构，内部均装有用于冷热交换的媒介。该多年冻土地区的隧道工程防冻结构能够快速地实现深部冻土区和围岩融化圈之间的冷热交换，使得围岩的冰融化现象得到改善，围岩能够保持冻结状态，以解决多年冻土地区隧道工程的病害问题。
Description
技术领域
本发明涉及隧道工程技术领域，具体而言，涉及一种多年冻土地区的隧道工程防冻结构。
背景技术
大量的工程实践表明，在多年冻土区修筑公路或铁路隧道存在施工期间的冻融难题。隧道穿过多年冻土区，因施工扰动导致多年冻土在施工作业面冻土中的冰融化，在施工开挖阶段，因施工要求以及施工机械等产生的热量导致在隧道开挖附近的围岩冻土中冰的融化，在隧道二次衬砌等施工完成后，在靠近初步衬砌至深部冻土之间将会存在一个冻土融化圈，在冻土地区围岩深部与冻融圈之间冷热传递较慢，在隧道完工后这一部分冻土融化圈将会产生冻胀从而破坏隧道。
为了将多年冻土隧道病害控制在工程运营允许的范围之内，目前国内外对多年冻土区隧道工程基本是采用“防止融化”的原则进行设计，尽量减少对冻土围岩的影响。这些措施虽然对解决多年冻土区隧道工程病害起到部分作用，但是对工程进度，以及成本过高且对整个隧道保持一个冻结的情况不能完全保证。且这些措施常只在比较特殊区段才采用，不适于普遍采用。如何预防多年冻土隧道的病害问题，至今仍然是一个难以解决的世界性难题。
因此，亟待提出一种多年冻土地区的隧道工程防冻结构，以解决上述的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多年冻土地区的隧道工程防冻结构，能够快速地实现深部冻土区和围岩融化圈之间的冷热交换，使得围岩的冰融化现象得到改善，围岩能够保持冻结状态，以解决多年冻土地区隧道工程的病害问题。
本发明的实施例是这样实现的：
本发明实施例提供一种多年冻土地区的隧道工程防冻结构，包括多根防冻管和多根冷热交换管。所述多根防冻管呈拱形横向设于隧道衬砌结构中，且位于初步支护与防水层之间，所述多根防冻管沿隧道纵向排布，且相邻的两根所述防冻管之间设有间距。所述多根冷热交换管沿隧道横断面呈放射状分布，一端与所述多根防冻管靠近所述防水层的一侧相连通，另一端穿过围岩融化圈伸入深部冻土区。所述多根防冻管和所述多根冷热交换管均为封闭结构，内部均装有用于冷热交换的媒介。
可选地，在本发明较佳的实施例中，所述媒介为液氮、液氨或二氧化碳。
可选地，在本发明较佳的实施例中，所述多根防冻管的直径和所述多根冷热交换管的直径相等。
可选地，在本发明较佳的实施例中，所述多根防冻管的直径范围为10cm～15cm。
可选地，在本发明较佳的实施例中，所述相邻的两根防冻管沿隧道纵向的间距范围为3m～6m。
可选地，在本发明较佳的实施例中，连通于同一根所述防冻管的所述多根冷热交换管的数量大于或等于5根。
可选地，在本发明较佳的实施例中，所述多根冷热交换管的长度大于或等于8m。
可选地，在本发明较佳的实施例中，所述多根防冻管均为无缝钢管，所述多根冷热交换管均为碳素无缝钢管。
可选地，在本发明较佳的实施例中，所述多根防冻管外部均设有定位件。
可选地，在本发明较佳的实施例中，所述定位件为定位钢筋，定位钢筋设于所述多根防冻管两侧。
本发明实施例的有益效果包括：
本多年冻土地区的隧道工程防冻结构通过多根冷热交换管和防冻管中装有的、用于冷热交换的媒介的流动，能够快速地实现深部冻土区和围岩融化圈之间的冷热交换，使得深部冻土区和围岩融化圈在较短的时间内达到冷热平衡，进而使得围岩的冰融化现象得到改善，围岩能够保持冻结状态，以解决多年冻土地区隧道工程的病害问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的多年冻土地区的隧道工程防冻结构的立面示意图；
图2为图1中A处的局部放大图；
图3为图1的平面示意图；
图4为图1中定位件的安装示意图；
图5为图4的截面示意图；
图6为图1中冷热交换管的截面示意图；
图7为图6中冷热交换管的安装截面图。
图标：1-多年冻土地区的隧道工程防冻结构；10-防冻管；11-冷热交换管；12-定位件；2-初步支护；3-防水层；4-二次衬砌；5-深部冻土区；6-围岩融化圈；7-混凝土。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请结合参照图1至图3，本实施例提供一种多年冻土地区的隧道工程防冻结构1，包括多根防冻管10和多根冷热交换管11。
多根防冻管10呈拱形横向设于隧道衬砌结构中，且位于初步支护2与防水层3之间，多根防冻管10沿隧道纵向排布，且相邻的两根防冻管10之间设有间距。
需要说明的是，防冻管10位于初步支护2与防水层3之间，相对于防冻管10位于防水层3与二次衬砌4之间，不仅会更容易施工，而且可以使得冷热交换管11与防冻管10相连通时不需要穿过防水层3(只需要穿过初步支护2)，从而避免了漏水现象的发生。
多根冷热交换管11沿隧道横断面呈放射状分布，一端与多根防冻管10靠近防水层3的一侧相连通，另一端穿过围岩融化圈6伸入深部冻土区5。
需要说明的是，冷热交换管11沿隧道横断面分布时，与防冻管10处在同一横断面，以使得冷热交换管11在该横断面上的受力更加均匀，施工更加方便。
还需要说明的是，冷热交换管11将深部冻土区5的寒冷快速地传递至围岩融化圈6，相对于围岩的自身传递，增加了冷热交换管11的传递方式可以使冷热交换的效率加快，从而能够起到快速稳定围岩的作用。
多根防冻管10和多根冷热交换管11均为封闭结构，内部均装有用于冷热交换的媒介。
需要说明的是，防冻管10和冷热交换管11各相邻节段相连通处及端部必须保持良好的整体性和密封性，以使得冷热交换过程可以长期持续进行，从而使得多年冻土地区的隧道工程防冻结构1的有效期更加持久。
如上所述，多年冻土地区的隧道工程防冻结构1通过多根冷热交换管11和防冻管10中装有的、用于冷热交换的媒介的流动，能够快速地实现深部冻土区5和围岩融化圈6之间的冷热交换，使得深部冻土区5和围岩融化圈6在较短的时间内达到冷热平衡，进而使得围岩的冰融化现象得到改善，围岩能够保持冻结状态，以解决多年冻土地区隧道工程的病害问题。
可选地，媒介为液氮、液氨或二氧化碳。
需要说明的是，媒介的作用是快速地传导以进行冷热交换。其中，空气相对于其他媒介来说导热太低，而液氮、液氨、二氧化碳较容易在较低温气化，从而实现快速导热。采用液氮等作为媒介时，多年冻土地区的隧道工程防冻结构1的建筑成本和使用成本都低于采用其他的防冻措施的成本，并且抑制冻胀的效果较好，能够适用于多年冻土地区隧道工程的任何区段，具有普遍的实用意义。
为了便于施工，多根防冻管10的直径和多根冷热交换管11的直径相等。
可选地，多根防冻管10的直径范围为10cm～15cm。例如，直径可以为10cm、12cm或15cm等。
需要说明的是，防冻管10直径过大时，会增加防冻管10所处的隧道壁厚，增加施工成本；防冻管10直径过小时，冷热交换的效果受到影响，无法有效改善围岩的冰融化现象。
还需要说明的是，冷热交换管11直径过大时，施工难度增加，施工成本增加；冷热交换管11直径过小时，冷热交换效果会大打折扣，无法解决多年冻土地区隧道工程的病害问题。
可选地，相邻的两根防冻管10沿隧道纵向的间距范围为3m～6m。例如，间距可以为3m、5m或6m等。
需要说明的是，当间距过小时，容易造成材料的浪费，增加非必要的施工成本；当间距过大时，在相邻的两根防冻管10的中间部位可能会出现围岩融化区，进而造成冻胀灾害。
还需要说明的是，多根防冻管10可以等间距设置，也可以灵活调节间距设置。当部分隧道位置冻胀灾害较严重时，可以灵活的将防冻管10排步较密集，即适当减小间距的大小；当部分隧道位置冻胀灾害较轻微时，可以灵活的将防冻管10排布较稀疏，即适当增加间距的大小。
为了围岩融化圈6能够快速达到稳定的冻结状态，对于同一横断面来说，冷热交换管11的数量不能过低，数量较低的话围岩融化圈6制冷效果较差。因此，连通于同一根防冻管10的冷热交换管11的数量大于或等于5根。同样的，冷热交换管11的数量也可以根据具体横断面的冻胀灾害情况灵活增加。
为了使得冷热交换管11伸入深部冻土区5，将深部冻土区5的冷源更多地传递到围岩融化圈6，多根冷热交换管11的长度大于或等于8m。
优选地，多根防冻管10均为无缝钢管，多根冷热交换管11均为碳素无缝钢管。其中，由于冷热交换管11所处的环境相对于防冻管10较差，所以冷热交换管11的材料为耐腐蚀的碳素无缝钢管。
优选地，多根防冻管10外部均设有定位件12，以与防冻管10共同承受外部载荷。请再结合参照图4和图5，在本实施例中，定位件12为定位钢筋，定位钢筋设于多根防冻管10两侧。
具体施工过程包括以下步骤：
S100.隧道开挖完成后，施做冷热交换管11预留孔洞，清理干净预留孔残渣，插入冷热交换管11，并在冷热交换管11周围注入混凝土7(请再结合参照图6和图7)；
S200.施做初步支护2；
S300.沿隧道纵向依次埋设防冻管10，相邻的两根防冻管10之间设有间距，将防冻管10与冷热交换管11相连通；
S400.在防冻管10施做完成后，用定位筋定位和加固；
S500.施做防水层3，防冻管10位于初步支护2与防水层3之间；
S600.施做二次衬砌4。
综上所述，多年冻土地区的隧道工程防冻结构1通过防冻管10和冷热交换管11的连通，将围岩融化圈6的热源与深部冻土区5的冷源相互传递，使得围岩融化圈6与深部冻土区5形成冷热交换的自我调节。与围岩的自身传递相比，增加了冷热交换管11的传递方式可以使冷热交换的效率加快，从而能够起到快速稳定围岩的作用。选取适当的媒介，在冷热交换的过程中吸热、放热，更进一步地提高冷热交换的效率，有效地抑制多年冻土地区隧道工程的冻胀灾害。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种多年冻土地区的隧道工程防冻结构，其特征在于，包括：
多根防冻管，呈拱形横向设于隧道衬砌结构中，且位于初期支护与防水层之间，所述多根防冻管沿隧道纵向排布，且相邻的两根所述防冻管之间设有间距；以及
多根冷热交换管，沿隧道横断面呈放射状分布，一端与所述多根防冻管靠近所述防水层的一侧相连通，另一端穿过围岩融化圈伸入深部冻土区，
所述多根防冻管和所述多根冷热交换管均为封闭结构，内部均装有用于冷热交换的媒介；
所述媒介为液氮、液氨或二氧化碳；
所述多根防冻管的直径和所述多根冷热交换管的直径相等；
所述多根防冻管的直径范围为10cm～15cm；
所述相邻的两根防冻管沿隧道纵向的间距范围为3m～6m；
连通于同一根所述防冻管的所述多根冷热交换管的数量大于或等于5根；
所述多根冷热交换管的长度大于或等于8m。
2.根据权利要求1所述的多年冻土地区的隧道工程防冻结构，其特征在于，所述多根防冻管均为无缝钢管，所述多根冷热交换管均为碳素无缝钢管。
3.根据权利要求1所述的多年冻土地区的隧道工程防冻结构，其特征在于，所述多根防冻管外部均设有定位件。
4.根据权利要求3所述的多年冻土地区的隧道工程防冻结构，其特征在于，所述定位件为定位钢筋，定位钢筋设于所述多根防冻管两侧。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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