一种减小寒区隧道衬砌冻胀力的结构系统的制作方法

文档序号:5396644阅读:169来源:国知局
一种减小寒区隧道衬砌冻胀力的结构系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了“一种减小寒区隧道衬砌冻胀力的结构系统”,属于寒区隧道工程抗冻害领域。构造设计为:由内侧到外侧依次包括隧道初衬混凝土、复合土工布防水层、缓冲层和二次衬砌;所述缓冲层由聚乙烯泡沫塑料衬垫和纤维增强泡沫混凝土组成;所述聚乙烯泡沫塑料衬垫铺设并固定于防水层表面,并使二者紧密粘合;在聚乙烯泡沫塑料衬垫外侧浇筑纤维增强泡沫混凝土。当地下水冻结成冰后,缓冲层结构可发挥保温作用,缓解地下水的冻结;当地下水冻结后,缓冲层通过自身的变形,对施加在二次衬砌结构上的冻胀力起到缓冲作用,从而减小二衬的受力和变形,防止开裂,达到避免隧道结构冻害的目的。
【专利说明】 一种减小寒区隧道衬砌冻胀力的结构系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及寒区隧道工程抗冻害领域。
【背景技术】
[0002]目前我国寒区隧道冻害现象十分严重,常常引发交通事故,并造成隧道结构的损坏甚至报废,因此寒区隧道洞口段冻害是亟需解决的问题。引起寒区隧道洞口段冻害的重要原因之一是围岩及地下水引起的冻胀力作用于衬砌结构,造成衬砌开裂失效。
[0003]现有的寒区隧道防冻技术,主要包括加热法、防寒门及隔热法三种,其中解决冻胀力问题的主要方法是铺设隔热保温层结构。但在多年冻土区,当年积算冷度的绝对值大于年积算热度时,仍然无法阻止冻结层的形成;另一方面,由于隔热材料的强度及弹性模量较低,当初衬受压变形时,隔热保温层会受压破坏,从而失去防冻保温功能。而且,由于隧道施工时难以达到光面爆破效果,初衬混凝土与二衬结构之间难免存在孔隙或空洞,在反复冻融循环作用下,隔热保温防冻技术很难消除或降低因地下水冻结而产生的冻胀力,因此难以保证其耐久性及长期服役性能,也无法阻止因冻胀力而引发的冻害。

【发明内容】

[0004]为了解决寒区隧道因冻胀力而引发的冻害问题,本发明提出一种可以减小寒区隧道衬砌所受冻胀力的缓冲系统设计,通过加设一种兼具保温和减小冻胀力功能的柔性结构,该结构铺设于隧道初期支护(即隧道初衬混凝土)与二次衬砌之间,与已有的防水层共同发挥作用。当地下水冻结成冰后,缓冲层结构可发挥保温作用,缓解地下水的冻结;当地下水冻结后,缓冲层通过自身的变形,对施加在二次衬砌结构上的冻胀力起到缓冲作用,从而减小二衬的受力和变形,防止开裂,达到避免隧道结构冻害的目的。
[0005]本发明给出的方法技术方案是:
一种减小寒区隧道衬砌冻胀力的结构系统,其特征在于,由内侧到外侧依次包括隧道初衬混凝土、复合土工布防水层、缓冲层和二次衬砌;所述缓冲层由聚乙烯泡沫塑料衬垫和纤维增强泡沫混凝土组成;所述聚乙烯泡沫塑料衬垫铺设并固定于防水层表面,并使二者紧密粘合;在聚乙烯泡沫塑料衬垫外侧浇筑纤维增强泡沫混凝土。
[0006]基于上述系统结构技术方案,由于聚乙烯泡沫塑料衬垫与纤维增强泡沫混凝土相当于构成了一种新型的缓冲层结构,一方面,组成缓冲层的材料具有一定的保温性能,可以缓解地下水的冻结;另一方面,由于缓冲层是一种柔性结构,当其背后的地下水冻结成冰后,缓冲层自身可以具有一定的强度,并可产生弹性变形,从而有效吸收冻胀力,减小围岩对二衬混凝土的压力,防止二衬结构的过大变形和开裂。
[0007]根据理论计算及现场实测结果,隧道冻胀力最大不超过5MPa,故本发明提出的缓冲层至少可吸收60%_80%的冻胀力;从抵抗变形角度,在冻胀力及围岩压力作用下,缓冲层最大变形值不超过其厚度的15%。本发明针对寒区隧道围岩的不同的工程地质条件和围岩级别,应对缓冲层参数进行调整。对于V级及以下围岩,由于其破碎程度高,节理裂隙发育,且受冻融循环作用明显,冻融圈深度大,因此此段隧道衬砌所受冻胀力最大,也是最容易产生冻害的区域。在此段范围内,采用加强缓冲层参数,当初衬混凝土基面及防水层铺设完毕后,再其表面满铺6cm厚的聚乙烯泡沫塑料衬垫;同时,其泡沫混凝土采用高强度纤维增强泡沫混凝土,层厚10cm,其中水泥:水:砂的配比为1000:620:1000,并按每1000g水泥中含聚丙烯纤维0.5g、松香发泡剂0.25g的配比制作。在IV级围岩段,围岩压力及冻胀力相对较小,故采用4cm厚的聚乙烯泡沫塑料衬垫;泡沫混凝土层厚8cm,其中水泥:水:砂的配比为1000:680:1000,并按每1000g水泥中含聚丙烯纤维2g、松香发泡剂0.25g的配比制作。
[0008]本发明提出的结构系统,具有如下优点:提出采用柔性结构减小二衬所受冻胀力的新理念,可以避免二衬结构在冻胀力作用下的变形开裂。从施工与运营成本角度,本发明提出的缓冲层结构,兼具缓冲与保温双重效果,可取代传统的加热法、防寒门及防冻保温结构等传统保温层,大大节省投资;此外,本发明提出的缓冲层结构,无需后期养护与维修费用,且在保证施工质量的情况下,可长期使用。从材料性能角度,本发明提出的缓冲层结构中的衬垫层具有较大的抗拉强度与断裂伸长率,可发生一定的弹性变形,且纤维增强泡沫混凝土具有较高的抗压强度和弹性模量,可以保证在冻胀力作用下不损坏;此外,如泡沫混凝土内部存在孔隙,可形成不流动的空气隔热体,对二衬结构具有一定的保温作用。
【专利附图】

【附图说明】 [0009]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明:
图1为本发明的寒区隧道缓冲层结构示意图。
[0010]图2为缓冲层的各层结构示意图。
[0011]图中:I围岩;2初衬混凝土 ;3复合土工布防水层;4缓冲层;5 二衬混凝土 ;41聚乙烯泡沫塑料衬垫;42纤维增强泡沫混凝土。
【具体实施方式】
[0012]以下结合附图对本发明技术方案作一进步介绍。
[0013]如图1、图2所示,本发明减小寒区隧道衬砌冻胀力的结构系统,其特征在于,由内侧到外侧依次包括隧道初衬混凝土 2、复合土工布防水层3、缓冲层4和二次衬砌5。所述缓冲层4由聚乙烯泡沫塑料衬垫41和纤维增强泡沫混凝土 42组成。所述聚乙烯泡沫塑料衬垫41铺设并固定于防水层3表面,并使二者紧密粘合。在聚乙烯泡沫塑料衬垫41外侧浇筑纤维增强泡沫混凝土 42。
[0014]整个结构系统施工工艺大致为:隧道开挖成型后,施做初衬混凝土 2,在对其进行基面处理后,铺设防水层3。然后将抗拉强度>0.4MPa、断裂伸长率>100%的聚乙烯泡沫塑料衬垫41铺设并固定于防水层3表面,并使二者紧密粘合,以防止背后积存大范围的水体。然后在其外侧浇筑纤维增强泡沫混凝土 42,在其水灰比控制在0.60-0.70,且聚丙烯纤维掺量控制在0.05%~0.25%范围内时,其抗压强度可达5~8MPa,弹性模量为可达if 15GPa,约为《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)中衬砌混凝土强度的1/3~1/2及弹模的1/3~1/2。浇筑纤维增强泡沫混凝土 42制备属于本领域公知常识,为常规技术。
[0015]本发明的具体实施方案如下:
(I)在隧道开挖完成后,进行初期支护,包括钢筋网、锚杆、钢拱架,施做初衬混凝土。[0016](2)对初衬混凝土进行基面处理。
[0017](3)在初衬喷射混凝土基面处理完成后,采用螺钉锚固的方法铺设3cm厚的针刺无纺布与PE膜复合土工布,作为防水层。
[0018](4)在洞顶处开始向两侧下垂铺设聚乙烯泡沫塑料衬垫,并采用膨胀螺栓、塑料垫片等将其固定在防水层与初衬混凝土上,使其与防水层紧密粘合。其中塑料垫片采用间距IOOcm的梅花型布置。
[0019](5)在衬垫施工完成后,按不同围岩级别浇筑纤维增强泡沫混凝土,待其养护完成后烧筑二衬混凝土。
【权利要求】
1.一种减小寒区隧道衬砌冻胀力的结构系统,其特征在于,由内侧到外侧依次包括隧道初衬混凝土、复合土工布防水层、缓冲层和二次衬砌;所述缓冲层由聚乙烯泡沫塑料衬垫和纤维增强泡沫混凝土组成;所述聚乙烯泡沫塑料衬垫铺设并固定于防水层表面,并使二者紧密粘合;在聚乙烯泡沫塑料衬垫外侧浇筑纤维增强泡沫混凝土。
【文档编号】E21D11/00GK103541740SQ201310525587
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月31日 优先权日:2013年10月31日
【发明者】沈世伟, 夏才初, 李志厚, 王海舟, 卞跃威, 黄继辉, 房锐, 姜睿 申请人:同济大学, 云南省交通规划设计研究院
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