CN114033421A - 一种防冻胀破坏的隧道支护系统及施工方法 - Google Patents

一种防冻胀破坏的隧道支护系统及施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种防冻胀破坏的隧道支护系统，该系统包括防冻支护系统、储气加热室、储气加压室、太阳能发电板和控制器。防冻支护系统包括数根注浆锚管以及从外到内依次紧贴隧道内壁设置的初期支护、防水防护层、缓冲气囊、保温防护层、二次衬砌和沿隧道进深方向均布的数个单向排气阀；注浆锚管与缓冲气囊、储气加热室相连；缓冲气囊内设温度传感器；储气加热室内设加热线圈，并与储气加压室相连；储气加压室内设加压装置；温度传感器与加热线圈、加压装置相连；控制器与加热线圈、加压装置、太阳能发电板、温度传感器相连。同时，本发明还公开了该防护系统的施工方法。本发明集主动防护与被动防护于一体，节能环保，经济实用。

Description

一种防冻胀破坏的隧道支护系统及施工方法
技术领域
本发明涉及隧道工程技术领域，尤其涉及一种防冻胀破坏的隧道支护系统及施工方法。
背景技术
近年来，随着我国基础设施建设不断加速，越来越多的高速公路、高速铁路被规划、建设。公路或铁路建设不可避免地穿越高山、高原和高纬度等严寒地区，这类地区的寒冷环境常会造成隧道支护结构屈服、衬砌开裂、围岩破裂及拱顶和边墙挂冰等冻胀破坏现象。这些由高寒环境引起的灾害为公路或铁路隧道的建设和运营提出了巨大的挑战。
目前，国内针对高寒地区隧道保温防冻胀破坏现象进行的研究主要集中在两方面。一是设置保温材料层被动保温防冻胀措施，具体包括在隧道内壁铺设保温板或空气气囊、利用空气动力学结构改变隧道内冷空气的流动方向，从而形成空气幕，减少冷空气入侵，这类措施的主要作用是延缓隧道衬砌和围岩温度降低速度，减小冻胀量，虽然短时间内减灾效果较好，但时间跨度较大时，效果往往不佳。二是利用外部热源加热隧道内传热层的主动防冻胀技术，具体措施是利用地热源加热铺设在隧道内壁传热层或利用电加热电阻丝发热来消除冻胀，然而这类措施除建造成本较高外，还需要消耗大量的能源。因此有必要提出一种低成本、低能耗的防冻胀破坏的隧道支护结构，能够消除高寒地区隧道冻胀破坏，以期为提高严寒气候环境下隧道安全性和耐冻性提供帮助。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种实用性强、成本低、低能耗的防冻胀破坏的隧道支护系统。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供该防冻胀破坏的隧道支护系统的施工方法。
为解决上述问题，本发明所述的一种防冻胀破坏的隧道支护系统，其特征在于：该系统包括防冻支护系统、储气加热室、储气加压室、太阳能发电板和控制器；所述防冻支护系统包括均布在隧道围岩内上的数根注浆锚管以及从外到内依次紧贴隧道内壁设置的初期支护、防水防护层、缓冲气囊、保温防护层、二次衬砌和沿隧道进深方向均布的数个单向排气阀；所述注浆锚管分别与所述缓冲气囊、所述储气加热室相连；所述缓冲气囊内设有温度传感器；所述储气加热室内设有加热线圈，该储气加热室与所述储气加压室相连；所述储气加压室内设有加压装置；所述温度传感器分别与所述加热线圈、所述加压装置相连；所述控制器分别与所述加热线圈、所述加压装置、所述太阳能发电板、所述温度传感器相连。
所述注浆锚管包括均布有数个注浆孔的注浆锚管体；所述注浆锚管体内设有呈U型的所述导气管，该导气管一端通过温敏单向气阀与所述储气加热室相连，另一端依次穿过所述初期支护、所述防水防护层与所述缓冲气囊连通。
所述温敏单向气阀接通控制温度为25℃~35℃，其进气端连接所述储气加热室，排气端连接所述导气管。
所述储气加热室通过压敏单向气阀与所述储气加压室相连，该压敏单向气阀接通控制气压为0.5~0.7MPa，其进气端连接所述储气加压室，排气端连接所述储气加热室。
所述单向排气阀的进气端与所述缓冲气囊接通，排气端与隧道内部连通，且该单向排气阀的接通控制气压为0.3~0.5MPa。
所述缓冲气囊处于工作状态时其内部的气压为0.3~0.5MPa。
所述加压装置上设有单向进气阀。
所述控制器分别通过供电线与所述加热线圈、所述加压装置、所述太阳能发电板、所述温度传感器相连。
如上所述的一种防冻胀破坏的隧道支护系统的施工方法，包括以下步骤：
⑴开挖隧道及安装注浆锚管：
依据设计图纸，在工厂预制注浆锚管体，并在注浆锚管体上钻设呈梅花状布置的注浆孔；在注浆锚管体内壁固定U型导气管，并在注浆锚管体的锚固端预留长度为0.5~1m的导气管；根据隧道断面设计图，开挖隧道，每开挖1~2m，立即安装注浆锚管并利用锚具锚固；
⑵施作衬砌：
按照设计要求，及时施作初期支护；根据隧道断面尺寸及轮廓弧度，预制防水防护层、缓冲气囊和保温防护层，隧道每钻进5~10m，从外到内，按照防水防护层、缓冲气囊、保温防护层和二次衬砌的顺序依次紧贴布置，并在缓冲气囊中设置温度传感器并引出导线；同时将从注浆锚管引出的导气管与缓冲气囊连通，并利用单向排气阀将缓冲气囊与隧道内部连通；
⑶安装太阳能发电板：
在隧道外光照充足的空旷场地，安装太阳能发电板，并引出供电线与控制器接通；
⑷安装储气加压室及储气加热室：
利用导气管和温敏单向气阀将带有加热线圈的储气加热室连通，并在加热线圈上预接供电线；通过压敏单向气阀将储气加热室和带有加压装置的储气加压室连通，并为加压装置引出供电线；
⑸接通控制器：
将温度传感器预留的导线、加热线圈和加压装置预留的供电线分别与控制器接通即可。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明利用太阳能发电板提供的电力促使该系统长效、持久地将具有一定压力、一定温度的空气导入缓冲气囊和注浆锚管，缓解了冷季由于低温作用造成的隧道围岩和衬砌结构冻胀破坏，起到了主动防冻的作用。
2、本发明通过单向排气阀将缓冲气囊与隧道内部连通，当缓冲气囊内部气压达到单向排气阀工作气压时，将缓冲气囊内部的温度高于外部温度的空气排出，在隧道横断面上形成若干层空气幕，空气幕减少了侵入隧道冷空气的量，为隧道防冻胀破坏起到了辅助作用。
3、本发明采用太阳能发点供热的方式为隧道防冻胀破坏发挥了关键作用，节能环保。
4、本发明中设置在初期支护和二次衬砌之间的缓冲气囊，除了具有保温防冻的作用，还可以充分吸收和分散地震产生的冲击荷载，提高了隧道结构的抗震能力。
5、本发明中的保温防护层除了可以保护缓冲气囊不被破坏外，还可以发挥保温作用，防止缓冲气囊内暖空气的热量损失，起到了被动防冻的作用。
6、本发明集主动防护与被动防护于一体，节能环保，经济实用，且成本低、能耗低。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明支护系统的横断面结构示意图。
图2为本发明中复合保温系统示意图。
图3为本发明支护系统的A-A剖视图。
图4为本发明中注浆锚管内部结构示意图。
图中：1-注浆锚管、2-初期支护、3-防水防护层、4-缓冲气囊、5-保温防护层、6-二次衬砌、7-储气加热室、8-温敏单向气阀、9-储气加压室、10-加压装置、11-加热线圈、12-压敏单向气阀、13-单向进气阀、14-太阳能发电板、15-单向排气阀、16-温度传感器、17-供电线、18-导气管、19-控制器、20-注浆锚管体、21-注浆孔。
具体实施方式
如图1~4所示，一种防冻胀破坏的隧道支护系统，该系统包括防冻支护系统、储气加热室7、储气加压室9、太阳能发电板14和控制器19。
防冻支护系统包括均布在隧道围岩内上的数根注浆锚管1以及从外到内依次紧贴隧道内壁设置的初期支护2、防水防护层3、缓冲气囊4、保温防护层5、二次衬砌6和沿隧道进深方向均布的数个单向排气阀15；注浆锚管1分别与缓冲气囊4、储气加热室7相连；缓冲气囊4内设有温度传感器16；储气加热室7内设有加热线圈11，该储气加热室7与储气加压室9相连；储气加压室9内设有加压装置10；温度传感器16分别与加热线圈11、加压装置10相连；控制器19分别与加热线圈11、加压装置10、太阳能发电板14、温度传感器16相连。
其中：注浆锚管1包括均布有数个注浆孔21的注浆锚管体20；注浆锚管体20内设有呈U型的导气管18，该导气管18一端通过温敏单向气阀8与储气加热室7相连，另一端依次穿过初期支护2、防水防护层3与缓冲气囊4连通。
温敏单向气阀8是根据所处环境的温度控制阀门开闭的单向气阀，其接通控制温度为25℃~35℃，其进气端连接储气加热室7，排气端连接导气管18。
储气加热室7通过压敏单向气阀12与储气加压室9相连，该压敏单向气阀12是根据感知到的气压大小控制开闭的单向气阀，其接通控制气压为0.5~0.7MPa，其进气端连接储气加压室9，排气端连接储气加热室7。
单向排气阀15的进气端与缓冲气囊4接通，排气端与隧道内部连通，且该单向排气阀15的接通控制气压为0.3~0.5MPa。
缓冲气囊4处于工作状态时其内部的气压为0.3~0.5MPa。
加压装置10上设有单向进气阀13。
控制器19分别通过供电线17与加热线圈11、加压装置10、太阳能发电板14、温度传感器16相连。
加压装置10可以通过自身压力传感器将储气加压室9内部的压力信息反馈给控制器19。
加热线圈11可以通过其自身温度传感器将储气加热室7内部的温度信息反馈给控制器19。
控制器19通过温度传感器16控制加热线圈11和加压装置10的工作状态。
【工作原理】
在冷季，当温度降低到0℃以下时，设置在缓冲气囊4中的温度传感器16将感知到的温度信号反馈给控制器19，控制器19发出指令，储气加压室9和储气加热室7启动工作，将源源不断的热空气送入缓冲气囊4和注浆锚管1中，促使隧道围岩及衬砌结构保持正温，防止发生冻胀破坏。同时，通过设置在缓冲气囊4内侧的保温防护层5可以有效防止缓冲气囊4内暖空气的热量损失，进一步发挥了防冻作用。
当缓冲气囊4中的气压达到单向排气阀15的工作气压时，通过单向排气阀15将缓冲气囊4中的暖空气排出，在隧道横断面形成空气幕，减少侵入隧道冷空气的量，为隧道防冻胀破坏起到了辅助作用。
该防冻胀破坏的隧道支护系统的施工方法，包括以下步骤：
⑴开挖隧道及安装注浆锚管1：
依据设计图纸，在工厂预制注浆锚管体20，并在注浆锚管体20上钻设呈梅花状布置的注浆孔21；在注浆锚管体20内壁固定U型导气管18，并在注浆锚管体20的锚固端预留长度为0.5~1m的导气管18；根据隧道断面设计图，开挖隧道，每开挖1~2m，立即安装注浆锚管1并利用锚具锚固；
⑵施作衬砌：
按照设计要求，及时施作初期支护2；根据隧道断面尺寸及轮廓弧度，预制防水防护层2、缓冲气囊4和保温防护层5，隧道每钻进5~10m，从外到内，按照防水防护层3、缓冲气囊4、保温防护层5和二次衬砌6的顺序依次紧贴布置，并在缓冲气囊4中设置温度传感器16并引出导线；同时将从注浆锚管1引出的导气管18与缓冲气囊4连通，并利用单向排气阀15将缓冲气囊4与隧道内部连通；
⑶安装太阳能发电板14：
在隧道外光照充足的空旷场地，朝向合适的方位及角度安装太阳能发电板14，并引出供电线17与控制器19接通；
⑷安装储气加压室9及储气加热室7：
利用导气管18和温敏单向气阀8将带有加热线圈11的储气加热室7连通，并在加热线圈11上预接供电线17；通过压敏单向气阀12将储气加热室7和带有加压装置10的储气加压室9连通，并为加压装置10引出供电线17；
⑸接通控制器19：
将温度传感器16预留的导线、加热线圈11和加压装置10预留的供电线17分别与控制器19接通即可。

Claims (9)

1.一种防冻胀破坏的隧道支护系统，其特征在于：该系统包括防冻支护系统、储气加热室（7）、储气加压室（9）、太阳能发电板（14）和控制器（19）；所述防冻支护系统包括均布在隧道围岩内上的数根注浆锚管（1）以及从外到内依次紧贴隧道内壁设置的初期支护（2）、防水防护层（3）、缓冲气囊（4）、保温防护层（5）、二次衬砌（6）和沿隧道进深方向均布的数个单向排气阀（15）；所述注浆锚管（1）分别与所述缓冲气囊（4）、所述储气加热室（7）相连；所述缓冲气囊（4）内设有温度传感器（16）；所述储气加热室（7）内设有加热线圈（11），该储气加热室（7）与所述储气加压室（9）相连；所述储气加压室（9）内设有加压装置（10）；所述温度传感器（16）分别与所述加热线圈（11）、所述加压装置（10）相连；所述控制器（19）分别与所述加热线圈（11）、所述加压装置（10）、所述太阳能发电板（14）、所述温度传感器（16）相连。
2.如权利要求1所述的一种防冻胀破坏的隧道支护系统，其特征在于：所述注浆锚管（1）包括均布有数个注浆孔（21）的注浆锚管体（20）；所述注浆锚管体（20）内设有呈U型的所述导气管（18），该导气管（18）一端通过温敏单向气阀（8）与所述储气加热室（7）相连，另一端依次穿过所述初期支护（2）、所述防水防护层（3）与所述缓冲气囊（4）连通。
3.如权利要求2所述的一种防冻胀破坏的隧道支护系统，其特征在于：所述温敏单向气阀（8）接通控制温度为25℃~35℃，其进气端连接所述储气加热室（7），排气端连接所述导气管（18）。
4.如权利要求1所述的一种防冻胀破坏的隧道支护系统，其特征在于：所述储气加热室（7）通过压敏单向气阀（12）与所述储气加压室（9）相连，该压敏单向气阀（12）接通控制气压为0.5~0.7MPa，其进气端连接所述储气加压室（9），排气端连接所述储气加热室（7）。
5.如权利要求1所述的一种防冻胀破坏的隧道支护系统，其特征在于：所述单向排气阀（15）的进气端与所述缓冲气囊（4）接通，排气端与隧道内部连通，且该单向排气阀（15）的接通控制气压为0.3~0.5MPa。
6.如权利要求1所述的一种防冻胀破坏的隧道支护系统，其特征在于：所述缓冲气囊（4）处于工作状态时其内部的气压为0.3~0.5MPa。
7.如权利要求1所述的一种防冻胀破坏的隧道支护系统，其特征在于：所述加压装置（10）上设有单向进气阀（13）。
8.如权利要求1所述的一种防冻胀破坏的隧道支护系统，其特征在于： 所述控制器（19）分别通过供电线（17）与所述加热线圈（11）、所述加压装置（10）、所述太阳能发电板（14）、所述温度传感器（16）相连。
9.如权利要求1所述的一种防冻胀破坏的隧道支护系统的施工方法，包括以下步骤：
⑴开挖隧道及安装注浆锚管（1）：
依据设计图纸，在工厂预制注浆锚管体（20），并在注浆锚管体（20）上钻设呈梅花状布置的注浆孔（21）；在注浆锚管体（20）内壁固定U型导气管（18），并在注浆锚管体（20）的锚固端预留长度为0.5~1m的导气管（18）；根据隧道断面设计图，开挖隧道，每开挖1~2m，立即安装注浆锚管（1）并利用锚具锚固；
⑵施作衬砌：
按照设计要求，及时施作初期支护（2）；根据隧道断面尺寸及轮廓弧度，预制防水防护层（2）、缓冲气囊（4）和保温防护层（5），隧道每钻进5~10m，从外到内，按照防水防护层（3）、缓冲气囊（4）、保温防护层（5）和二次衬砌（6）的顺序依次紧贴布置，并在缓冲气囊（4）中设置温度传感器（16）并引出导线；同时将从注浆锚管（1）引出的导气管（18）与缓冲气囊（4）连通，并利用单向排气阀（15）将缓冲气囊（4）与隧道内部连通；
⑶安装太阳能发电板（14）：
在隧道外光照充足的空旷场地，安装太阳能发电板（14），并引出供电线（17）与控制器（19）接通；
⑷安装储气加压室（9）及储气加热室（7）：
利用导气管（18）和温敏单向气阀（8）将带有加热线圈（11）的储气加热室（7）连通，并在加热线圈（11）上预接供电线（17）；通过压敏单向气阀（12）将储气加热室（7）和带有加压装置（10）的储气加压室（9）连通，并为加压装置（10）引出供电线（17）；
⑸接通控制器（19）：
将温度传感器（16）预留的导线、加热线圈（11）和加压装置（10）预留的供电线（17）分别与控制器（19）接通即可。
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