CN112664234A - 一种高地温公路隧道隔热支护结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高地温公路隧道隔热支护结构及施工方法，包括围岩、初期支护、隔热层、防水层和二次衬砌，所述初期支护由钢纤维混凝土覆盖于围岩表面，隔热层采用硬质聚氨酯隔热材料喷涂于初期支护表面，防水层采用无纺布和耐热防水卷材铺设在隔热层表面，二次衬砌模筑于防水层外侧。本发明通过合理改善喷射混凝土耐久性能，机械化喷涂隔热材料，提升防水卷材耐热性，有效解决高地温恶劣条件引起喷射混凝土耐久性差、作业环境温度高以及二次衬砌开裂等问题，为高地温公路隧道可持续运营提供良好的环境条件。

Description

一种高地温公路隧道隔热支护结构及施工方法

技术领域

本发明涉及一种高地温公路隧道隔热支护结构，属于隧道工程衬砌结构技术领域。

背景技术

随着我国公路建设的迅猛发展，公路隧道的数量日益增多，建设过程中不可避免会穿越高地热地层，因此，高地温病害也逐渐成为公路隧道建设的一大难题。衬砌结构混凝土硬化过程中受高温影响，水化热释放受阻，导致混凝土力学性能下降，进而引起衬砌结构承载能力；二次衬砌结构内外侧温度差异较大，极易产生温度应力导致二衬混凝土开裂，影响二衬结构运营阶段安全性，无法满足设计使用年限。此外，未采取有效的隔热措施减少或阻断热量传输，对运营阶段的人员检查、维修以及设备正常运行带来极大困难。因此，高地热公路隧道隔热支护结构的研究极为重要。

目前对于隧道隔热支护结构已经有了部分创新型研究，在现有技术中，公开号为CN202073573U的实用新型专利公开的一种高地温隧道抗防热衬砌结构，它包括围岩、初期支护和二次衬砌，初期支护覆盖于围岩表面，二次衬砌砌筑于初期支护以内，所述初期支护由喷射陶粒混凝土形成，在初期支护以内还设置有隔热层和防排水隔热复合层，该隔热层由模筑陶粒混凝土形成。然而其隔热层采用隔热板进行拼接，施工工艺较复杂，现场实施极为困难；且隔热板与初期支护喷射混凝土之间存在空洞，紧贴较难；未提及拼接缝如何处理，隔热效果较难保证。公开号为CN108561162A的发明专利公开了一种超高温隧道支护结构及使用方法，它包括初期支护结构和二次衬砌结构，其关键技术是在初喷层和复喷层之间埋置水循环管道，在复喷层和二次衬砌结构之间设置耐高温防水板和挤塑聚苯板，耐高温防水板表面粘贴挤塑聚苯板。其施工方法包括混凝土初喷，在初喷层表面布设水循环管道，复喷，铺设耐高温防水板和挤塑聚苯板，浇筑二次衬砌结构。其技术方案通过内置循环水管实现降温，但是在支护应力条件下，循环水管的一旦破坏将造成混凝土侵蚀、隔热层材料失效、结构渗流水等危害。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种高地温公路隧道隔热支护结构及其施工方法，通过喷涂硬质聚氨酯封闭初期支护，进而减少或阻断热量传输至二次衬砌，保证二次衬砌混凝土在高地温环境下承载能力不降低，具有良好的抗热、耐热性能；避免二次衬砌混凝土因温度应力影响出现开裂，确保隧道衬砌结构耐久性。从而解决高地温状态下公路隧道洞内施工环境较高和运营阶段隧道支护结构安全性问题。

本发明是这样实现的：

一种高地温公路隧道隔热支护结构，包括围岩、初期支护、隔热层、防水层和二次衬砌，前述的初期支护由钢纤维混凝土覆盖于围岩表面，隔热层采用硬质聚氨酯隔热材料喷涂于初期支护表面，防水层采用无纺布和耐热防水卷材铺设在隔热层表面，二次衬砌模筑于防水层外侧。

进一步的，前述的初期支护为钢纤维混凝土。

进一步的，前述的隔热层是按照1:1的质量比混合异氰酸酯和聚氨酯硬泡组合聚醚制成混合料，通过聚氨酯喷涂机将混合料喷涂于初期支护表面，发泡形成隔热结构层。

进一步的，前述的防水层是由热熔衬垫及射钉将无纺布固定于隔热层表面，并将耐热防水卷材紧贴无纺布构成的。

该高地温公路隧道支护结构的施工方法，其特征在于包括以下步骤：

1)隧道开挖完成后，先对围岩进行喷雾降温，再喷射钢纤维混凝土，厚度为10～12cm，形成初期支护；

2)聚氨酯喷涂机通过提料泵抽取异氰酸酯和聚氨酯硬泡组合聚醚，并将两种原料按照1:1比例进行混合，通过空气压缩机增压，由喷枪将涂料瞬间雾化后喷涂于初期支护表面，硬质聚氨酯发泡后厚度控制为5～10cm左右；墙脚至起拱线范围内的喷涂由移动式聚氨酯喷涂设备进行施作；起拱线至拱肩范围内的喷涂由移动升降平台进行施作；拱肩至拱顶范围内的喷涂由卡车装载脚手架进行施作；

3)采用简易作业台车将无纺布固定到预定位置，用热熔衬贴及射钉钉入喷射混凝土，将无纺布固定在硬质聚氨酯隔热层表面；

4)先用简易作业台车将耐热防水卷材固定到预定位置，用手动电热熔接器加热，将防水卷材焊接在固定无纺布的钻用热熔衬垫上，组成防水层。

5)二次衬砌浇筑完毕后7d内采用压力喷雾器喷洒对混凝土进行养护。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

首先，本发明开挖完成后进行喷雾，有效降低围岩表面温度，改善施工环境；提高养护湿度，保证喷射混凝土的凝结强度和力学性能。并且采用钢纤维喷射混凝土，显著改善混凝土抗拉、抗弯及抗疲劳性能，保证初期支护结构安全性和耐久性。

其次，本发明采用导热系数低(≤0.024w/(m.k))、热阻值高的硬质聚氨酯进行喷涂，对初期支护形成全封闭覆盖，有效隔绝或减少热量传输。硬质聚氨酯连续致密的表皮和互联壁闭孔，具有良好的不透水性，形成防水的第一重屏障。超强的自黏性能(无需任何中间黏结材料)，与喷射混凝土黏结牢固，相较于常用的隔热板拼接施工，不仅可以避免隔热层与喷射混凝土之间存在空洞，还可避免形成拼接缝等无法密闭的施工缝，充分发挥隔热防水抗渗作用。

第三，本发明采用硬质聚氨酯喷涂施工结合三种不同高度的作业平台进行施工，且前后作业面错开10～20m，可避免工作面冲突，整体机械化喷涂施工，自动配料、质量均一、施工快、周期短。而且，本发明采用耐热防水卷材不仅具有较高的耐热度，较好的耐老化性能，还与硬质聚氨酯隔热层形成双重防水的安全屏障，延长高地温公路隧道使用寿命。

第四，本发明二衬衬砌浇筑完毕后采用压力喷雾器喷洒养护混凝土，保证混凝土在高温环境下的养护湿度，能有效防止混凝土在高温环境下产生开裂等现象，保证二衬混凝土的终凝强度。

综上前述的，本发明通过合理改善喷射混凝土耐久性能，机械化喷涂隔热材料，提升防水卷材耐热性，有效解决高地温恶劣条件引起喷射混凝土耐久性差、作业环境温度高以及二次衬砌开裂等问题，为高地温公路隧道可持续运营提供良好的环境条件。

附图说明

图1是本发明高地温隧道隔热层结构示意图；

图2是本发明高地温隧道隔热层喷涂方案示意图；

图3是本发明移动式硬质聚氨酯喷涂设备示意图；

图4是本发明移动升降平台喷涂示意图；

图5是本发明卡车装载脚手架喷涂示意图。

附图中的标记为：1-围岩；2-初期支护；3-隔热层；4-防水层；5-二次衬砌；6-移动式硬质聚氨酯喷涂设备；61-空气压缩机；62-聚氨酯喷涂机；63-固定架；64-螺栓；7-移动升降平台；8-卡车装载脚手架。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

本发明的一种高地温公路隧道隔热支护结构，如图1所示，该支护结构主要包括围岩1、初期支护2、隔热层3、防水层4和二次衬砌5，其中，初期支护2由CF25钢纤维混凝土覆盖于围岩1表面，隔热层3采用硬质聚氨酯隔热材料喷涂于初期支护2表面，再铺设无纺布和II型聚酯胎APP防水卷材作为防水层4，二次衬砌5模筑于初期支护2以内。

具体实施时，初期支护2采用CF25钢纤维混凝土施作于围岩1表面。在普通混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维，显著改善混凝土抗拉、抗弯及抗疲劳性能，有效应对高地温环境对喷射混凝土的性能影响，保证结构安全性和耐久性。

如图1、图2和图4所示，提料泵按照1:1配比(质量比)抽取异氰酸酯和聚氨酯硬泡组合聚醚，通过聚氨酯喷涂机62将混合料喷涂于初期支护2表面，发泡形成5cm厚的硬质聚氨酯隔热层3。将盛放异氰酸酯和聚氨酯硬泡组合聚醚的铁桶通过固定架63固定在空气压缩机61上，并通过螺栓64连接空气压缩机61和聚氨酯喷涂机62，实现单人移动喷涂设备，节省人力和操作时间。隔热层3所采用的硬质聚氨酯泡沫隔热性能卓越，导热系数低(≤0.024w/(m.k))、热阻值高，可有效隔绝或减少热量由初期支护传输至二次衬砌，可有效避免二次衬砌混凝土因温度应力出现开裂，确保隧道衬砌结构耐久性。硬质聚氨酯泡沫连续致密的表皮和近于100％的高强度互联壁闭孔，具有理想的不透水性。采用喷涂法施工实现防水隔热层连续无接缝，对初期支护形成全封闭隔热防水，隔热防水抗渗性能优异。超强的自黏性能(无需任何中间黏结材料),与喷射混凝土黏结牢固，避免空洞的形成；整体机械化喷涂施工，自动配料、质量均一、施工快、周期短。

防水层4由热熔衬垫及射钉将无纺布固定于隔热层表面，并将II型聚酯胎APP防水卷材紧贴无纺布。II型聚酯胎APP防水卷材具有较高的耐热度，较好的耐老化性能，与硬质聚氨酯隔热层形成双重防水的安全屏障，确保高地温公路隧道设计使用年限。

具体的，该高地温公路隧道隔热支护结构的施工方法，包括以下步骤：

1)如图1所示，隧道开挖完成后，进行喷雾，再喷涂CF25钢纤维混凝土，厚度为10～12cm，形成初期支护2。

2)如图2-5所示，聚氨酯喷涂机62通过提料泵抽取异氰酸酯和聚氨酯硬泡组合聚醚，并将两种原料按照1:1比例进行混合，通过空气压缩机61增压，由喷枪将涂料瞬间雾化后喷涂于初期支护表面，硬质聚氨酯发泡后厚度控制为5cm左右。墙脚至起拱线范围内的喷涂可由移动式聚氨酯喷涂设备6进行施作；起拱线至拱肩范围内的喷涂可由移动升降平台7进行施作；拱肩至拱顶范围内的喷涂可由卡车装载脚手架8进行施作。前后喷涂作业面可错开10～20m，流水线作业、互不干扰、施工快、周期短。

3)采用简易作业台车将无纺布固定到预定位置，用专用热熔衬贴及射钉钉入喷射混凝土，将无纺布固定在硬质聚氨酯隔热层3表面。

4)先用简易作业台车将II型聚酯胎APP防水卷材固定到预定位置，用手动电热熔接器加热，将防水卷材焊接在固定无纺布的钻用热熔衬垫上。

5)浇筑二次衬砌5结构。浇筑完毕后7d内对混凝土进行养护，当气温较高时需缩短跟进时间。养护工作采用喷洒养护，用压力喷雾器喷洒养护混凝土，喷洒时来回均匀湿润混凝土，以混凝土表面有明水为宜。当岩温介于45-60℃，相对湿度为55％；岩温介于60-80℃，相对湿度为75％；岩温高于80℃，相对湿度为95％。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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 (5)

1.一种高地温公路隧道隔热支护结构，包括围岩(1)、初期支护(2)、隔热层(3)、防水层(4)和二次衬砌(5)，其特征在于：所述初期支护(2)由钢纤维混凝土覆盖于围岩(1)表面，隔热层(3)采用硬质聚氨酯隔热材料喷涂于初期支护(2)表面，防水层(4)采用无纺布和耐热防水卷材铺设在隔热层(3)表面，二次衬砌(5)模筑于防水层(4)外侧。

2.根据权利要求1所述的高地温公路隧道隔热支护结构，其特征在于：所述初期支护为钢纤维混凝土。

3.根据权利要求1所述的高地温公路隧道隔热支护结构，其特征在于：所述隔热层(3)是按照1:1的质量比混合异氰酸酯和聚氨酯硬泡组合聚醚制成混合料，通过聚氨酯喷涂机(62)将混合料喷涂于初期支护(2)表面，发泡形成隔热结构层。

4.根据权利要求1所述的高地温公路隧道隔热支护结构，其特征在于：所述防水层(4)是由热熔衬垫及射钉将无纺布固定于隔热层(3)表面，并将耐高温防水卷材紧贴无纺布构成的。

5.一种如权利要求1～4中任一项所述的高地温公路隧道支护结构的施工方法，其特征在于包括以下步骤：

1)隧道开挖完成后，先对围岩进行喷雾降温，再喷涂钢纤维混凝土，厚度为10～12cm，形成初期支护(2)；

2)聚氨酯喷涂机(62)通过提料泵抽取异氰酸酯和聚氨酯硬泡组合聚醚，并将两种原料按照1:1比例进行混合，通过空气压缩机(61)增压，由喷枪将涂料瞬间雾化后喷涂于初期支护表面，硬质聚氨酯发泡后厚度控制为5cm左右；墙脚至起拱线范围内的喷涂由移动式聚氨酯喷涂设备(6)进行施作；起拱线至拱肩范围内的喷涂由移动升降平台(7)进行施作；拱肩至拱顶范围内的喷涂由卡车(8)装载脚手架进行施作；

3)采用简易作业台车将无纺布固定到预定位置，用热熔衬贴及射钉钉入喷射混凝土，将无纺布固定在硬质聚氨酯隔热层(3)表面；

4)先用简易作业台车将耐高温防水卷材固定到预定位置，用手动电热熔接器加热，将防水卷材焊接在固定无纺布的专用热熔衬垫上，组成防水层(4)；

5)浇筑二次衬砌，浇筑完毕后采用压力喷雾器喷洒对混凝土进行养护。

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