CN112727494A - 一种高地温公路隧道隔热、散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、散热支护结构及施工方法，包括围岩和其表面的隔热层，所述隔热层是通过喷涂硬质聚氨酯隔热材料封闭围岩表面形成的；在所述隔热层上设有初期支护，所述初期支护为喷射钢纤维混凝土覆盖隔热层表面形成的；在初期支护上铺设有无纺布和耐热防水卷材构成的防水层，在防水层上设有二次衬砌，二次衬砌内布置通风散热结构。本发明通过直接喷涂硬质聚氨酯隔热材料封闭围岩，从源头上阻断或减少热量传输至初期支护；通过二次衬砌通风散热结构，实现二次衬砌内高温气体与洞内常温气体交换，将热量疏导出衬砌结构，克服温度应力对二次衬砌混凝土的不利影响，提高隧道衬砌结构耐久性。

Description

一种高地温公路隧道隔热、散热支护结构及施工方法

技术领域

本发明属于隧道衬砌结构技术领域，具体涉及一种高地温公路隧道隔热、散热支护结构及施工方法。

背景技术

隧道工程的建设需求不断增多，不可避免会穿越高地热地层，而高地温问题也逐渐成为亟待解决的重大问题。衬砌结构在高温环境下，混凝土硬化过程中水化热不易散发，不利于混凝土凝结，进而混凝土力学性能降低，无法充分发挥承载作用；二次衬砌结构内外侧温度分布不均，所引起的温度应力导致二衬混凝土开裂，影响二衬结构耐久性，无法满足使用寿命。此外，未采取有效的隔热措施减少或阻断热量传输，施工阶段人员和机械无法承受高温环境作业，运营阶段机电设备效率低下，故障频发；未采取有效的散热措施，运营阶段衬砌结构承载能力无法保证。因此，高地热公路隧道隔热、散热支护结构的研究极为重要。

目前对于隧道隔热、散热支护结构已经有了部分创新型研究，公开号为CN104594921A的发明公开了一种高地温隧道隔热散热衬砌结构，它包括多孔泡沫混凝土、少孔泡沫混凝土、锚杆、环向管道、纵向管道、散热片。然而通风散热管道设置于隔热泡沫混凝土中，并依靠温差传热和烟囱效散热，效率低下降温效果不明显。公开号为CN110145345A的发明专利公开了一种超高地温隧道通风散热支护结构及使用方法，它包括包括初期支护结构、防水层结构、隔热层结构、二次衬砌结构、通风散热结构、结构温度量测系统和横向连接管，所述的初期支护结构包括初喷结构、复喷结构，所述通风散热结构位于初喷结构内，所述的横向连接管将通风散热结构与隧道内气体交换系统相连。然而隔热层夹杂于初期支护与二次衬砌之间，未对初期支护发挥隔热作用，通风散热结构的环向中空钢架开孔较难且与纵向中空钢架焊接难度较大。

发明内容

本发明旨在提供一种高地温公路隧道隔热、散热支护结构，秉承“热源封堵，内部散热”理念，通过直接喷涂硬质聚氨酯隔热材料封闭围岩，从源头上阻断或减少热量传输至初期支护，保证初期支护及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；通过二次衬砌通风散热结构，实现二次衬砌内高温气体与洞内常温气体交换，将热量疏导出衬砌结构，克服温度应力对二次衬砌混凝土的不利影响，提高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。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种高地温公路隧道隔热、散热支护结构，包括围岩和其表面的隔热层，所述隔热层是通过喷涂硬质聚氨酯隔热材料封闭围岩表面形成的；在所述隔热层上设有初期支护，所述初期支护为喷射钢纤维混凝土覆盖隔热层表面形成的；在初期支护上铺设有无纺布和耐热防水卷材构成的防水层，在防水层上设有二次衬砌，二次衬砌内布置通风散热结构。

进一步的，所述隔热层由聚氨酯硬泡组合聚醚酯和异氰酸按照1:1质量比混合，通过喷浆机械手将混合料喷涂于围岩表面，发泡形成。

进一步的，所述防水层采用无纺布固定于初期支护表面，再采用耐高温防水卷材紧贴无纺布。

进一步的，所述通风散热结构是将二次衬砌钢筋替换为钢管，采用焊接钢管接头连接钢管，使其组成通风管道，按照梅花形预留通风口并安装空压机和抽气泵，实现气体交换。

该高地温公路隧道隔热、散热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，并按照1:1比例混合聚氨酯硬泡组合聚醚和异氰酸酯，通过喷浆机械手喷涂硬质聚氨酯混合料封闭围岩；2)喷射钢纤维混凝土，形成初期支护；3)将无纺布固定在初期支护表面，耐高温防水卷材紧贴无纺布，组成防水层；4)以钢管焊接方式连接二次衬砌钢管，并按照梅花形预留出风口，浇筑二次衬砌结构，安装空压机和抽气泵组成通风散热结构。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)开挖完成后进行喷雾，不仅有效降低围岩表面温度，还可降尘改善施工环境。

(2)采用的硬质聚氨酯导热系数低(≤0.024w/(m.k))、热阻值高，远远优于传统隔热材料，采用喷涂方式对围岩形成全封闭，可在源头上有效隔绝或减少热量传输。硬质聚氨酯具有连续致密的表皮和100％强度的互联闭孔，具有良好的抗渗性，起到隧道防水的第一道屏障作用。相比于传统隔热板拼接施工，硬质聚氨酯优秀的自粘性能(无需任何中间黏结材料)，可实现紧贴围岩表面，且初期支护喷射混凝土覆盖隔热层，避免隔热层与初期支护之间出现空洞，避免形成拼接缝等无法密闭的施工缝，充分发挥隔热防水渗漏作用。

(3)突破常规隔热层布置方式，直接采用隔热材料喷涂于围岩表面，形成无缝隙、无空腔连续隔热层，有别于在初期支护和二次衬砌之间铺设隔热层，可直接封堵热源，阻断或减少热量传输至初期支护。保证初期支护在高地温环境下承载能力不降低，使二次衬砌能够有更多的安全储备。

(4)硬质聚氨酯喷涂采用喷浆机械手施工，保证喷头与岩壁保持最佳喷射距离和最佳喷射角度；遥控器远程操控，避免喷涂工人处于有害环境中，危害人体健康；整体机械化喷涂施工，自动配料、质量均一、效率高。

(5)初期支护喷射混凝土掺入钢纤维，大幅度提升混凝土抗拉、抗弯及耐热性能，保证初期支护在高地温环境下的安全性和耐久性。

(6)耐高温防水卷材具有良好耐热性能和抗老化性能，高温环境下防水效果优异，与硬质聚氨酯隔热层共同承担防水功能，形成双重安全屏障，确保高地温公路隧道设计使用年限。

(7)二次衬砌内设置通风散热结构，采用接头焊接方式连接环向和纵向钢管，形成通风散热管道；采用空压机和抽气泵连接梅花形布置的预留通风口，实现二次衬砌内高温气体与隧道内空气交换，将衬砌结构内部热量释放出去，避免二次衬砌混凝土因温度应力影响出现开裂，从而确保隧道衬砌结构耐久性。即便运营阶段二次衬砌通风散热结构出现破损开裂，依旧发挥气体散热作用，避免出现混凝土腐蚀、结构渗流水以及隔热层失效等水循环散热方法存在的固有隐患。

(8)综上所述，本发明秉承“热源封堵，内部散热”理念，突破常规隔热层布置方案，直接采用喷涂硬质聚氨酯进行围岩全封闭，合理改善喷射混凝土耐久性能，提升防水卷材耐热性，释放二次衬砌内部热量。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条件。

附图说明

图1是本发明高地温隧道隔热、散热层结构示意图；

图2是本发明高地温隧道隔热层喷浆机械手示意图；

图3是本发明高地温隧道通风散热管道示意图；

图4是四通接头结构示意图；

图5是五通接头结构示意图；

图6是六通接头结构示意图；

图7是本发明抽气泵和空压机示意图。

附图标记说明：1-围岩；2-隔热层；3-初期支护；4-防水层；5-二次衬砌；6-喷浆机械手；7-空气压缩机；8-抽气泵。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1：一种高地温公路隧道隔热、散热支护结构，如图1所示，包括围岩1、隔热层2、初期支护3、防水层4和二次衬砌5，隔热层2采用喷涂硬质聚氨酯隔热材料封闭围岩1表面，初期支护3由CF25钢纤维混凝土组成，初期支护3以内设置无纺布和II型聚酯胎APP防水卷材组成的防水层4，将二次衬砌5钢筋替换为钢管，与空压机和抽气泵相连，组成通风散热结构。

如图1和图2所示，具体实施时，按照1:1(质量比)的比例，将聚氨酯硬质泡沫组合聚醚和异氰酸酯混合，用喷涂机械手6将混合物喷涂在围岩1表面，发泡形成的硬质聚氨酯保温层2厚度控制在5～10cm。将盛放异氰酸酯和聚氨酯硬泡组合聚醚的铁桶固定在喷浆机械手6上，实现整体机械化喷涂施工，自动配料、质量均一、效率高，节省人力和操作时间。采用喷浆机械手6喷涂保证喷头与岩壁保持最佳喷射距离和最佳喷射角度，可实现远程超控，操作工人不必呼吸现场有害气体，确保工人健康。隔热层2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,远优于传统隔热材料。采用直接喷涂硬质聚氨酯泡沫封闭围岩的隔热方式，突破现有高地温隧道隔热层布置方式，有别于与夹心式、双层式、贴壁式和离壁式隔热方案。从源头上可有效隔绝或减少热量由围岩传输至初期支护，保证初期支护及二次衬砌5混凝土在高地温环境下承载能力不降低，进而避免二次衬砌5混凝土因温度应力出现开裂，保证了隧道衬砌结构耐久性。硬质聚氨酯泡沫具有连续致密的表皮和近于100％的高强度互联壁闭孔，具有理想的抗渗性。采用喷涂法整体施工形成无缝隙、无空腔连续隔热层，对围岩形成全封闭隔热防水，隔热防水抗渗性能优异。优秀的自粘性能(无需任何中间黏结材料)，可实现紧贴围岩表面，避免空洞的形成。

初期支护3采用CF25钢纤维混凝土覆盖隔热层2。在普通混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维，有效阻碍混凝土微裂缝扩张和宏观裂缝形成，大幅度提升混凝土抗拉、抗弯及耐热性能，有效应对高温环境对喷射混凝土性能的影响，从而保证结构安全性和耐久性。

防水层4采用II型聚酯胎APP防水卷材紧贴无纺布。II型聚酯胎APP防水卷材具有良好耐热性能和抗老化性能，与硬质聚氨酯隔热层共同承担防水功能，形成双重安全屏障，延长高地温公路隧道使用寿命。

如图3所示，二次衬砌5钢筋替换为钢管，采用接头焊接方式连接纵向和环向管道，组成通风散热通道。秉承释放二次衬砌5内部热量的理念，按照梅花形布置预留通风口，实现二次衬砌5内部高温气体与隧道内常温气体流通。为提升空气交换效率，边墙部位通风口与空压机连接，将隧道内常温空气压入二次衬砌5钢管；拱部通风口连接抽气泵，将二次衬砌5高温气体排出。实现洞内气体与二次衬砌5内气体循环。

该高地温公路隧道隔热、散热支护结构的施工方法，包括以下步骤：

1)如图1、2所示，隧道开挖完成后，对围岩1进行喷雾降温，通过提料泵按照1:1比例抽取异氰酸酯和聚氨酯硬泡组合聚醚进行混合，由喷浆机械手将涂料瞬间雾化后喷涂于围岩1表面。先喷平低洼处，再从下至上顺序分层、往复喷射，发泡后厚度控制为5～10cm左右。保温层喷施后应按要求检查保温层厚度，并按检验批要求进行质量检验做检验记录。对于保温层厚度严重超标处可用手锯将过厚处修平。

2)再喷射CF25钢纤维混凝土，厚度为10～12cm，形成初期支护3。

3)如图1所示，采用射钉从上至下将无纺布和热熔衬贴固定在初期支护3表面。

4)如图1所示，将II型聚酯胎APP防水卷材熔焊在专用热熔衬垫上，紧贴初期支护3。

5)如图3和图4所示，采用钢管接头将二次衬砌5环向钢管焊接连接，形成散热通风渠道；按照梅花形布置预留通风口，浇筑二次衬砌5。边墙部位通风口连接空压机，拱部通风口连接抽气泵，实现气体交换。

当然，以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高地温公路隧道隔热、散热支护结构，其特征在于：包括围岩(1)和其表面的隔热层(2)，所述隔热层(2)是通过喷涂硬质聚氨酯隔热材料封闭围岩(1)表面形成的；在所述隔热层(2)上设有初期支护(3)，所述初期支护(2)为喷射钢纤维混凝土覆盖隔热层(2)表面形成的；在初期支护(3)上铺设有无纺布和耐热防水卷材构成的防水层(4)，在防水层(4)上设有二次衬砌(5)，二次衬砌(5)内布置通风散热结构。

2.根据权利要求1所述的高地温公路隧道隔热、散热支护结构，其特征在于：所述隔热层(2)由聚氨酯硬泡组合聚醚酯和异氰酸按照1:1质量比混合，通过喷浆机械手将混合料喷涂于围岩(1)表面，发泡形成。

3.根据权利要求1所述的高地温公路隧道隔热、散热支护结构，其特征在于：所述防水层(4)采用无纺布固定于初期支护(3)表面，再采用耐高温防水卷材紧贴无纺布。

4.根据权利要求1所述的高地温公路隧道隔热、散热支护结构，其特征在于：所述通风散热结构是将二次衬砌(5)钢筋替换为钢管，采用焊接钢管接头连接钢管，使其组成通风管道，按照梅花形预留通风口并安装空压机和抽气泵，实现气体交换。

5.一种如权利要求1～4中任一项所述的高地温公路隧道隔热、散热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(1)进行喷雾降温，并按照1:1比例混合聚氨酯硬泡组合聚醚和异氰酸酯，通过喷浆机械手喷涂硬质聚氨酯混合料封闭围岩(1)；

2)喷射钢纤维混凝土，形成初期支护(3)；

3)将无纺布固定在初期支护(3)表面，耐高温防水卷材紧贴无纺布，组成防水层(4)；

4)以钢管焊接方式连接二次衬砌(5)钢管，并按照梅花形预留出风口，浇筑二次衬砌(5)结构，安装空压机和抽气泵组成通风散热结构。

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