专利名称：用热棒群对多年冻土区隧道浅埋段进行主动热防护的方法
技术领域：
本发明属于多年冻土区隧道热防护技术领域，涉及ー种促进多年冻土区隧道浅埋段围岩回冻以及在洞周围岩中快速形成冻土隔水帷幕来保证隧道浅埋段结构安全的热防护技术，特别涉及ー种用热棒群对多年冻土区隧道浅埋段进行主动热防护的方法；该方法的防护效果可以实现自动监測。
背景技术：
近年来，在西部大开发的背景下，作为国民经济基础性、先导性产业的交通事业得到了全面发展，我国在青藏高原多年冻土区隧道修筑技术方面也取得了初歩成就。“十二五”期间，随着国家“五纵五横”交通网络工程的建设，西部交通事业也将得到更为迅猛的发展。总结前期经验，进行技术创新，进ー步提高多年冻土区隧道建设水平是摆在广大工程技术人员面前的ー项重要任务。冻土特殊的物理力学性质以及围岩冻融作用、冻胀カ等因素的存在，给多年冻土区隧道结构的可靠性提出了更高的要求。特别在洞ロ浅埋段(一般指隧道埋深小于2倍洞径的区段)，由于隧道结构所处环境温度主要受大气温度影响，变化幅度大，同时施工造成的热融圈(围岩活动层)接近或与多年冻土上限重叠，冻结层上水易向洞周汇集，因此该段隧道极易出现衬砌开裂、漏水、挂冰等冻融破坏现象。国内已建成的多年冻土区隧道工程，在洞ロ浅埋段防护方面除加强支护结构外，其余基本都采用与非浅埋段相同的措施，即在初期支护与二次衬砌(或二次衬砌表面)之间设置保温板作为隔热层，依靠调整“热阻”进行“被动”热防护。防护效果监测也采取与其他洞身段相同的方法，即通过在洞周径向钻孔，孔内埋设元件进行监測。目前普遍采用的多年冻土隧道洞ロ浅埋段围岩防护及其效果监测技术主要存在如下问题:
I)加强支护结构强度方面:在提高隧道支护结构强度的同时，也给隧道围岩发生冻胀时提供了更大的抗力，支护结构受到的冻胀カ也随之增加，因此其防护效果相对不明显。同时，加强支护一般需要扩大开挖断面，増加的工程费用较高，经济性较差。2)设置隔热保温层方面:在隧道初期支护与二次衬砌(或二次衬砌表面)之间设置隔热保温层，可以提高隧道支护结构层的“热阻”，減少隧道围岩与隧道内环境之间的热交换，对减弱隧道围岩的冻融活动有积极意义。但也存在一些问题，如隔热层对围岩热融圈的回冻有阻滞作用，同时减缓了热融圈内围岩寒季时的冻结速度，易在支护结构外侧形成层状、网状结构冻土，产生一定程度的“分凝冻胀”，加剧围岩的冻胀程度。3)防护效果监测技术方面:目前普遍采用的洞内监测技术比较成熟，但也有ー些不足之处，如元件埋设等作业必须与隧道施工同时进行，不可避免地会给隧道开挖、支护等工作造成一定的干扰；隧道开挖作业时容易破坏监测设备；监测设备预埋管件穿过隧道防水板处易出现渗漏水问题；埋入围岩的监测器件损坏后无法修复；监测设备必须设置于隧道限界与衬砌之间有限的空间处，安装、维护不方便等。
发明内容
本发明提供了一种通过在隧道顶部地表设置热棒群，用该热棒群对多年冻土区隧道浅埋段进行主动热防护的方法，促进隧道洞口浅埋段回冻以及在隧道围岩中快速形成冻土隔水帷幕，利用“主动”降温原理(与隔热、保温等被动措施相比，热棒工作时可主动将围岩中的热量源源不断地抽吸出来散发在大气中)对隧道浅埋段结构进行热防护，提高隧道防护的可靠性及经济性，并自动监测防护效果。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是:一种用热棒群对多年冻土区隧道浅埋段进行主动热防护的方法，利用热棒的“主动”降温特性，促进隧道浅埋段热融圈围岩回冻以及在隧道围岩中快速形成冻土防渗帷幕，对隧道浅埋段结构进行热防护，提高隧道防护的可靠性及经济性，该主动防护方法具体为:
步骤1:收集隧址区的气象资料，结合工程地质勘察资料，查明隧道浅埋段围岩的基本热物理参数、多年冻土类型、上限深度、地温年平均变化深度和年平均地温；
步骤2:确定热棒群埋设深度、位置、范围及平面布置形式
1)热棒群埋设深度· 在隧道浅埋段对应的洞顶地表放出隧道中线，在隧道中线上按2 5m间距逐点测出地表高程，结合隧道施工图纸中的设计高程按下式计算出隧道中线上确定的每个点对应的隧道拱顶外缘的实际埋深:
隧道拱顶外缘的实际埋深=实测出的该点地表高程一隧道设计高程一隧道净高一支护结构层厚度；
2)热棒群的埋设位置、范围:
沿隧道纵向:热棒群的埋设范围从仰坡刷坡线后3 5m开始，至隧道拱顶外缘实际埋深达到下式的计算值时终止，
隧道拱顶外缘实际深度=2X该处多年冻土上限深度+隧道热融圈的厚度；
沿隧道横向:位于热棒群边界的热棒的蒸发段棒体与隧道支护结构之间的最小水平距离为0.5 1.0m ;其余位置的热棒蒸发段底端与隧道支护结构之间的距离为0.5 1.0m ;
3)热棒群的平面布置形式
相邻两行横向设置的热棒组中、位于不同行的相邻的三个热棒形成一个等边三角形，该等边三角形的边长为相邻两根热棒之间的间距，
相邻两根热棒之间的间距采用以下方法得到:根据步骤I搜集的资料，采用修正的傅里叶方程计算出单根热棒在隧址区的传热影响半径r:
权利要求
1.一种用热棒群对多年冻土区隧道浅埋段进行主动热防护的方法，利用热棒的“主动”降温特性，促进隧道浅埋段热融圈围岩回冻以及在隧道围岩中快速形成冻土防渗帷幕，对隧道浅埋段结构进行热防护，提高隧道防护的可靠性及经济性，其特征在于，该主动防护方法具体为: 步骤1:收集隧址区的气象资料，结合工程地质勘察资料，查明隧道浅埋段围岩的基本热物理參数、多年冻土类型、上限深度、地温年平均变化深度和年平均地温； 步骤2:确定热棒群埋设深度、位置、范围及平面布置形式 1)热棒群埋设深度 在隧道浅埋段对应的洞顶地表放出隧道中线，在隧道中线上按2 5m间距逐点测出地表高程，结合隧道施工图纸中的设计高程按下式计算出隧道中线上确定的每个点对应的隧道拱顶外缘的实际埋深: 隧道拱顶外缘的实际埋深=实测出的该点地表高程一隧道设计高程一隧道净高ー支护结构层厚度； 2)热棒群的埋设位置、范围: 沿隧道纵向:热棒群的埋设范围从仰坡刷坡线后3 5m开始，至隧道拱顶外缘实际埋深达到下式的计算值时终止， 隧道拱顶外缘实际深度=2X该处多年冻土上限深度+隧道热融圈的厚度； 沿隧道横向:位于热棒群边界的热棒的蒸发段棒体与隧道支护结构之间的最小水平距离为0.5 1.0m ;其余位置的热棒蒸发段底端与隧道支护结构之间的距离为0.5 1.0m ; 3)热棒群的平面布置形式 相邻两行横向设置的热棒组中、位于不同行的相邻的三个热棒形成一个等边三角形，该等边三角形的边长为相邻两根热棒之间的间距， 相邻两根热棒之间的间距采用以下方法得到:根据步骤I搜集的资料，采用修正的傅里叶方程计算出单根热棒在隧址区的传热影响半径r:
2.根据权利要求1所述的用热棒群对多年冻土区隧道浅埋段进行主动热防护的方法，其特征在于，该主动热防护方法中采用自动监测系统实时监控热棒群的工作效果，该自动监测系统的设置及埋设方法为:沿隧道纵向、在热棒群的中间位置及埋深最大位置分别设置第一监测断面和第二监测断面，第一监测断面上并排布置多个第一监测点，多个第一监测点位于同一热棒组中相邻两个热棒之间，多个第一监测点位于两端的两个第一监测点中的一个第一监测点与相邻热棒之间的距离为0.3 0.5m，相邻两个第一监测点之间的距离为0.3 0.5m，该多个第一监测点中位于两端的两个第一监测点之间的距离不小于相邻两个热棒间距的一半；第二检测断面上并排布置多个第二监测点，多个第二监测点位于同一热棒组中相邻两个热棒之间，多个第二监测点位于两端的两个第二监测点中的一个第二监测点与相邻热棒之间的距离为0.3 0.5m，相邻两个第二监测点之间的距离为0.3 0.5m，该多个第二监测点中位于两端的两个第二监测点之间的距离不小于相邻两个热棒间距的一半；每个监测点处埋设地温监测管；地温监测管使用直径40 50mm的桶形的镀锌钢管，地温监测管底端的埋设深度超出监测点周边埋设最深热棒的底端0.5 1.0m，其上部管口高出地表15 30cm ;地温监测管埋设完成后，在地温监测管内安装测温线，通过数据线连接测温线和自动数据采集仪，自动数据采集仪与隧道交通信号设施共用电源，自动数据采集仪与无线发射模块相连接，无线发射模块与数据接收模块信号连接，数据接收模块与数据处理终端相连接。
3.根据权利要求2所述的用热棒群对多年冻土区隧道浅埋段进行主动热防护的方法，其特征在于，在第一监测断面上设置一处对比监测点，对比监测点与热棒群边界之间的距离为10 15m。
4.根据权利要求2所述的用热棒群对多年冻土区隧道浅埋段进行主动热防护的方法，其特征在于，采用经过筛选及反复老化后长期稳定性指标优于0.0020C /a的NTC热敏电阻，热敏电阻经过逐支标定及参数采集后，用导线按间距30 50cm进行串联组装、塑料封套，形成测温线。
5.根据权利要求1所述的用热棒群对多年冻土区隧道浅埋段进行主动热防护的方法，其特征在于，所述步骤4中采用小循环钻进、干钻安装热棒的钻孔，该钻孔孔径比热棒蒸发段直径大15 20cm， 实际钻进深度比设计深度深10 20cm。
全文摘要
一种用热棒群对多年冻土区隧道浅埋段进行主动热防护的方法，收集隧址区的气象资料，结合工程地质勘察资料，查明隧道浅埋段围岩的基本热物理参数、多年冻土类型、上限深度、地温年平均变化深度和年平均地温；确定热棒群的埋设范围和埋设深度，按等边三角形设置热棒，按埋设深度确定热棒长度；采用钻孔插入法埋设热棒，利用热棒可主动将围岩中的热量抽吸出来散发到大气中的“主动”降温特性，促进隧道浅埋段热融圈围岩回冻以及在隧道围岩中快速形成冻土防渗帷幕，对隧道浅埋段结构进行热防护。本防护方法可加快隧道浅埋段围岩热融圈回冻，缩短冻融循环期；解决了隧道浅埋段围岩回冻周期长、防排水系统易失效、支护结构出现冻融破坏等问题。
文档编号E02D19/14GK103114600SQ20131006754
公开日2013年5月22日 申请日期2013年3月4日 优先权日2013年3月4日
发明者刘锟, 纳启财, 杨永鹏, 马清祥, 李奋, 陈红伟, 蔡汉成, 马学元, 朱兆荣, 熊治文, 韩龙武, 赵相卿, 程佳, 唐彩梅, 牛东兴, 李勇 申请人:中铁西北科学研究院有限公司