一种寒区硬岩隧道防冻胀结构及其施工方法
【专利摘要】本发明涉及一种寒区硬岩隧道防冻胀结构及其施工方法，防冻胀结构包括对隧道进行支护的初衬，所述初衬内侧设有冻胀吸收板，所述冻胀吸收板内侧设有二衬，所述冻胀吸收板上设有若干开口朝向围岩且底部封闭的凹槽，所述凹槽用以吸收隧道围岩存水空间内冻结产生的冰对二衬的冻胀作用。冻胀吸收板独特的结构设计，能够吸收隧道围岩孔洞内冻结产生的冰对二衬的冻胀作用，能有效避免积水冻胀现象对二衬所造成的危害。
【专利说明】
一种寒区硬岩隧道防冻胀结构及其施工方法
技术领域
[0001]本发明属于隧道施工技术领域，尤其涉及一种寒区硬岩隧道防冻胀结构及其施工方法。
【背景技术】
[0002]在寒区修建的隧道都不同程度地遭受冻害，威胁隧道的正常运营。冻害导致隧道破坏的形式有:隧道衬砌结构部分被推出，甚至隧道整体塌陷；隧道衬砌产生大面积剥落、裂缝;隧道拱部和侧墙发生冻结形成冰柱和壁冰，到夏季可能导致融解漏水，甚至涌水等。对已建成的寒区隧道的调查显示，在日本北海道和我国东北地区发生严重冻害现象的隧道中80%以上是岩质隧道。
[0003]修建在非冻胀性围岩中的高寒地区隧道，岩石本身无冻胀或者冻胀很小以致可以忽略不计。在这类隧道中，衬砌的冻胀压力主要是由衬背后局部积存的水体冻胀引起的。由于岩石隧道开挖面不规则，因此在施工过程中，没有做到初衬与二衬之间的紧密贴合，而在初衬与二衬之间留下局部存水空间。由于混凝土浇注工艺方面的原因和混凝土在水化过程中自生体积变形的原因，这种空间是普遍存在的。
[0004]从围岩中渗入到该存水空间中的水体，在低温下冻胀会引起隧道二衬结构的破坏，这种现象被称为积水冻胀。积水冻胀现象在拱顶部位更为明显，严重损害工程质量。但在以往的隧道工程建设中，积水冻胀现象并未引起工程界的重视，亦未有针对性的重点预防积水冻胀结构的设计。
[0005]此外，在硬质围岩中，往往围岩中的含水量较少，不需要设置有导水构造的防水板，仅仅使用平面结构的防水板就可以起到相应的防水效果，因此以往防冻胀结构的施工中，很少有对防水板的构造进行改进。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种寒区硬岩隧道防冻胀结构及其施工方法。
[0007]为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0008]—种寒区硬岩隧道防冻胀结构，包括对隧道进行支护的初衬，所述初衬内侧设有冻胀吸收板，所述冻胀吸收板内侧设有二衬，所述冻胀吸收板的板体上设有若干开口朝向围岩且底部封闭的凹槽，所述凹槽用以吸收隧道围岩存水空间内冻结产生的冰对二衬的冻胀作用。
[0009]当围岩中的水分渗入到初衬内侧的积水空间，并在积水空间发生积水冻胀时，冻胀吸收板朝向围岩的凹槽会为结冻的水体提供膨胀的空间，进而吸收隧道围岩孔洞内冻结产生的冰对二衬的冻胀作用。
[0010]所述凹槽呈圆台形，所述凹槽开口端的直径大于底部封闭端的直径。
[0011]所述凹槽侧壁的深度为2-5cmo
[0012]所述凹槽沿所述冻胀吸收板的板体均匀布置。
[0013]相邻所述凹槽的间距小于所述凹槽开口端的直径。冻胀吸收板凹槽开口的面积远远大于板体的面积，为水冻成冰的这一过程中所产生的冻胀提供了足够的空间，可以充分保护二衬不受积水冻胀的侵害。
[0014]所述冻胀吸收板板体部分与所述凹槽开口端的连接处为弧形结构，在边角处的水分冻结成冰时，往往会发生应力集中。将连接部位设计为弧形结构，可以避免应力集中所造成的连接部位的损坏，保证施工质量。
[0015]所述冻胀吸收板为塑料板，所述冻胀吸收板与隧道底部排水沟连通。平时冻胀吸收板与初衬之间不会存在积水，水流会顺着冻胀吸收板从隧道底部排水沟排出，所以冻胀都是发生在初衬内。在不设置冻胀吸收板时，当冻胀达到一定程度后，会发生朝向二衬的冻胀作用，进而对二衬造成损坏。设置了冻胀吸收板后，冻胀吸收板的凹槽为冻胀提供了空间，避免积水冻胀对二衬的直接作用。
[0016]所述冻胀吸收板与所述初衬之间铺设防冻缓冲层，所述防冻缓冲层的材料采用泡沫混凝土。防冻缓冲层的存在可以对二衬起到进一步的保温作用。此外，泡沫混凝土是一种多孔结构，具有导热系数低的特点，是理想的无机防寒保温材料，能有效的避免冻胀破坏。
[0017]所述泡沫混凝土中添加增稠剂，所述增稠剂由下述组分的原料按重量配比制成:硅粉:60-100份;膨润土: 40-70份;有机高分子粘结剂:0.3-1份。所述增稠剂的重量占泡沫混凝土中水泥重量的8%-15%。使用这个比例的增稠剂，可以使泡沫混凝土的性能达到最佳。
[0018]为了保证现场施工质量，特研制了现浇泡沫混凝土专用增稠剂，使得现场泡沫混凝土孔隙均匀，一次性浇筑高度达Im以上，实现了所浇筑的泡沫混凝土保温性能好的功效。
[0019]所述有机高分子粘结剂为:聚丙烯酸、羟丙甲基纤维素、黄原胶或聚丙烯酰胺。
[0020]一种寒区硬岩隧道防冻胀结构的施工方法，包括以下步骤:
[0021]步骤1:在隧道围岩的表面施做初衬；
[0022]步骤2:在初衬内侧喷射泡沫混凝土，形成防冻缓冲层；
[0023]步骤3:在初衬的内侧不留缝隙的铺设带有凹槽结构的冻胀吸收板，所述冻胀吸收板凹槽的开口端朝向隧道围岩；
[0024]步骤4:在所述冻胀吸收板的内侧施做二衬。
[0025]本发明的有益效果是:
[0026]冻胀吸收板独特的结构设计，能够吸收隧道围岩孔洞内冻结产生的冰对二衬的冻胀作用，能有效避免积水冻胀现象对二衬所造成的危害。
[0027]在不设置冻胀吸收板时，当冻胀达到一定程度后，会发生朝向二衬的冻胀作用，进而对二衬造成损坏。设置了冻胀吸收板后，当围岩中的水分渗入到初衬内侧的积水空间，并在积水空间发生积水冻胀时，冻胀吸收板朝向围岩的凹槽会为结冻的水体提供膨胀的空间，进而吸收隧道围岩孔洞内冻结产生的冰对二衬的冻胀作用。
【附图说明】
[0028]图1是本发明的结构示意图；
[0029]图2为图1中A处的局部放大示意图。
[0030]图中:1.围岩，2.初衬，3.二衬，4.冻胀吸收板，5.凹槽开口端，6.板体。
【具体实施方式】
[0031 ]下面将结合附图对本发明进行详细说明。
[0032]实施例1:
[0033]—种寒区硬岩隧道防冻胀结构，在围岩I的内侧，设有对隧道进行支护的初衬2，初衬2内侧设有冻胀吸收板4，冻胀吸收板4内侧设有二衬3，冻胀吸收板4上设有若干开口朝向围岩I且底部封闭的凹槽，凹槽用以吸收隧道围岩I存水空间内冻结产生的冰对二衬3的冻胀作用。
[0034]凹槽呈圆台形，凹槽开口端5的直径大于底部封闭端的直径。凹槽沿冻胀吸收板4的板体均匀布置。
[0035]相邻凹槽的间距小于凹槽开口端5的直径。冻胀吸收板4凹槽开口的面积远远大于板体的面积，为水冻成冰的这一过程中所产生的冻胀提供了足够的空间，可以充分保护二衬3不受积水冻胀的侵害。
[0036]板体6部分与凹槽开口端5的连接处为弧形结构。
[0037]冻胀吸收板4为塑料板。
[0038]冻胀吸收板4与初衬2之间铺设防冻缓冲层，防冻缓冲层的材料采用泡沫混凝土。
[0039]—种寒区硬岩隧道防冻胀结构的施工方法，包括以下步骤:
[0040]步骤1:在隧道围岩I的表面施做初衬2;
[0041]步骤2:在初衬2内侧喷射泡沫混凝土，形成防冻缓冲层，该泡沫混凝土中添加下述实施例中给出的增稠剂；
[0042]步骤3:在初衬2的内侧不留缝隙的铺设带有凹槽结构的冻胀吸收板4，冻胀吸收板凹槽的开口端朝向隧道围岩I;
[0043]步骤4:在冻胀吸收板4的内侧施做二衬3。
[0044]实施例2:
[0045]在泡沫混凝土中添加的增稠剂的配方为:硅粉:60份;膨润土:70份;黄原胶:I份，制备时，按照上述成分及重量百分比称取后，在常温下将其放入容器进行搅拌、均匀即可。增稠剂在使用时，按照增稠剂的重量占泡沫混凝土中水泥重量的8%进行掺加。
[0046]实施例3:
[0047]在泡沫混凝土中添加的增稠剂的配方为:硅粉:100份;膨润土:40份;聚丙烯酰胺:
0.3份，制备时，按照上述成分及重量百分比称取后，在常温下将其放入容器进行搅拌、均匀即可。增稠剂在使用时，按照增稠剂的重量占泡沫混凝土中水泥重量的10%进行掺加。
[0048]实施例4:
[0049]在泡沫混凝土中添加的增稠剂的配方为:硅粉:70份;膨润土:50份;羟丙甲基纤维素:0.3份，制备时，按照上述成分及重量百分比称取后，在常温下将其放入容器进行搅拌、均匀即可。增稠剂在使用时，按照增稠剂的重量占泡沫混凝土中水泥重量的12%进行掺加。
[0050]实施例5:
[0051]在泡沫混凝土中添加的增稠剂的配方为:硅粉:80份;膨润土:50份;聚丙烯酸:0.5份，制备时，按照上述成分及重量百分比称取后，在常温下将其放入容器进行搅拌、均匀即可。增稠剂在使用时，按照增稠剂的重量占泡沫混凝土中水泥重量的13%进行掺加。
[0052]实施例6:
[0053]在泡沫混凝土中添加的增稠剂的配方为:硅粉:60份;膨润土:60份；聚丙烯酰胺:
0.5份，制备时，按照上述成分及重量百分比称取后，在常温下将其放入容器进行搅拌、均匀即可。
[0054]增稠剂在使用时，按照增稠剂的重量占泡沫混凝土中水泥重量的15%进行掺加。
[0055]对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。
【主权项】
1.一种寒区硬岩隧道防冻胀结构，其特征在于:包括对隧道进行支护的初衬，所述初衬内侧设有冻胀吸收板，所述冻胀吸收板内侧设有二衬，所述冻胀吸收板上设有若干开口朝向围岩且底部封闭的凹槽，所述凹槽用以吸收隧道围岩存水空间内冻结产生的冰对二衬的冻胀作用。2.根据权利要求1所述的一种寒区硬岩隧道防冻胀结构，其特征在于:所述凹槽呈圆台形，所述凹槽开口端的直径大于底部封闭端的直径。3.根据权利要求2所述的一种寒区硬岩隧道防冻胀结构，其特征在于:所述凹槽沿所述冻胀吸收板的板体均匀布置。4.根据权利要求3所述的一种寒区硬岩隧道防冻胀结构，其特征在于:相邻所述凹槽的间距小于所述凹槽开口端的直径。5.根据权利要求1所述的一种寒区硬岩隧道防冻胀结构，其特征在于:所述冻胀吸收板板体部分与所述凹槽开口端的连接处为弧形结构。6.根据权利要求1所述的一种寒区硬岩隧道防冻胀结构，其特征在于:所述冻胀吸收板为塑料板，所述冻胀吸收板与隧道底部排水沟连通。7.根据权利要求1-6任一所述的一种寒区硬岩隧道防冻胀结构，其特征在于:所述冻胀吸收板与所述初衬之间铺设防冻缓冲层，所述防冻缓冲层的材料采用泡沫混凝土。8.根据权利要求7所述的一种寒区硬岩隧道防冻胀结构，其特征在于:所述泡沫混凝土中添加增稠剂，所述增稠剂由下述组分的原料按重量配比制成:硅粉:60-100份;膨润土:40-70份;有机高分子粘结剂:0.3-1份;所述增稠剂的重量占泡沫混凝土中水泥重量的8%-15%。9.根据权利要求8所述的一种寒区硬岩隧道防冻胀结构，其特征在于:所述有机高分子粘结剂为:聚丙烯酸、羟丙甲基纤维素、黄原胶或聚丙烯酰胺的一种或几种的混合。10.—种寒区硬岩隧道防冻胀结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤: 一种寒区硬岩隧道防冻胀结构的施工方法，包括以下步骤: 步骤I:在隧道围岩的表面施做初衬； 步骤2:在初衬内侧喷射泡沫混凝土，形成防冻缓冲层，该泡沫混凝土中添加下述实施例中给出的增稠剂； 步骤3:在初衬的内侧不留缝隙的铺设带有凹槽结构的冻胀吸收板4，冻胀吸收板凹槽的开口端朝向隧道围岩； 步骤4:在冻胀吸收板的内侧施做二衬。
【文档编号】E21D11/38GK106050274SQ201610375426
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】谭贤君, 陈卫忠, 杨典森, 杨建平, 于洪丹
【申请人】中国科学院武汉岩土力学研究所