一种季节冻土区交通隧道自保温防冻衬砌结构

本发明属于寒区隧道防冻保温技术领域，涉及一种季节冻土区交通隧道自保温防冻衬砌结构。

背景技术：

季节性冻土区隧道贯通后在寒冷季节由于冷空气的流动将会带走大量的热量使隧道排水系统结冰瘫痪，冻融循环作用使围岩强度降低。

目前寒区隧道的防冻措施主要有：供热法、保温隔热层法和防寒门法等。其中保温隔热层因其工程投资小，适用性较强，满足保温隔热要求而被广泛使用；铺设保温隔热材料的方式主要有两种：第一种是在初期支护与二次衬砌之间铺设，如图1所示；第二种是在初期支护与二次衬砌之间以及二次衬砌表面铺设，如图2所示。而传统的保温结构存在以下问题，第一种由于保温材料的可燃性和施工安装过程的复杂性需要对保温材料采取特殊的防火和饰面处理；保温材料覆盖在衬砌表面当衬砌开裂等病害难以发现，不能及时治理。第二种保温隔热层材料的可燃性使它二次衬砌钢筋焊接时易引发火灾；二次衬砌振捣时容易使已施工好的保温材料脱落；保温隔热层在隧道结构内部破坏失效后不易维修和处理；保温材料安装在初期支护和二次衬砌之间由于荷载和水的存在容易使保温材料吸水和变形使保温隔热效果变差甚至破坏失效。且两种衬砌结构都需铺设保温层，隧道开挖断面增大并增加一道施工工序延长了施工时间。

技术实现要素：

为了解决现有技术的问题，本发明实施提供了一种季节冻土区交通隧道自保温防冻衬砌结构。所述技术方案如下：

提供了一种季节冻土区交通隧道自保温防冻衬砌结构，包括：初期支护、防水层以及二次衬砌；围岩密贴初期支护；所述初期支护和二次衬砌之间设置防水层；所述二次衬砌由气凝胶混凝土构成；

其中，所述气凝胶混凝土由疏水的气凝胶颗粒、超细水泥、硅灰、高强轻细集料、天然水、聚丙烯腈纤维、高效减水剂以及消泡剂混合搅拌得到。

进一步地，气凝胶混凝土的制备工艺为：先将高效减水剂和消泡剂加入天然水混合均匀得到混合液体，然后将超细水泥、高强轻细集料、硅灰、气凝胶颗粒、聚丙烯腈纤维人工混合均匀，形成混合干料；最后将混合液体分两次加入制得的均匀混合干料中，第一次加入混合液体时进行人工搅拌，润湿干料防止气凝胶灰飞，第二次加入混合液体时用搅拌机拌合，搅拌速度宜先慢后快。

进一步地，所述气凝胶颗粒为二氧化硅气凝胶颗粒，气凝胶颗粒粒径在5mm以内。

进一步地，所述硅灰掺量不超过超细水泥质量的10％。

进一步地，所述超细水泥浆体积占比大于40％，气凝胶颗粒体积占比小于60％。

进一步地，所述聚丙烯腈纤维掺量为1.5kg/m³。

进一步地，所述气凝胶混凝土的导热系数根据所述二次衬砌的厚度等效热阻计算。

进一步地，所述气凝胶混凝土的导热系数不大于0.15w/(m·k)，所述气凝胶混凝土的厚度为40～60cm。

本发明实施提供的技术方案带来的有益效果是：

1、本发明所公开的季节冻土区交通隧道自保温防冻衬砌结构，气凝胶混凝土较低的导热系数使得浇筑的二次衬砌既能充当承重结构又兼具一定的保温隔热性能。相当于把传统防冻保温结构由原来的承重防护结构(二次衬砌)和保温结构(保温层)简化为一层气凝胶混凝土二次衬砌。整个隧道防冻衬砌结构的设计更简单，施工更方便，降低了施工成本，提高了施工效率。

2、本发明所公开的季节冻土区交通隧道自保温防冻衬砌结构，把气凝胶混凝土所做的二次衬砌来替代传统的保温层加二次衬砌的结构，减少了一道施工工序，便于施工，节约了施工时间，提高了施工效率。传统铺设保温层需要搭设骨架把保温材料每块拼装上去，而气凝胶混凝土具有易塑性，所组成的保温结构完整性更好，也没有传统防冻结构中保温材料容易脱落的缺点，因此具有更好的完整性，保温效果更好。

3、本发明所公开的季节冻土区交通隧道自保温防冻衬砌结构，由于无传统保温材料铺设，可直观观察到隧道衬砌的状况，便于维护与修复。

4、本发明所公开的季节冻土区交通隧道自保温防冻衬砌结构所采用的气凝胶混凝土是a级不燃材料无毒无污染，具有更高的安全性，气凝胶混凝土拥有良好的保温性能也有良好的和易性；而传统衬砌结构所采用的保温材料可燃会放出有毒气体，且铺设保温层会增加隧道开挖面积，增加材料使用，施工成本高。

5、本发明所公开的季节冻土区交通隧道自保温防冻衬砌结构，气凝胶混凝土中各配方的相互协调能够克服气凝胶在搅拌过程中灰飞和上浮的缺点，节约施工材料。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统二次衬砌表面直接铺设隔热层的隧道防冻衬砌结构横断面图；

图2为传统初期支护与二次衬砌之间以及二次衬砌表面铺设隔热层的隧道防冻衬砌结构横断面图；

图3为本发明季节冻土区交通隧道自保温防冻衬砌结构横断面图；

图4为本发明季节冻土区交通隧道自保温防冻衬砌结构中气凝胶混凝土的制备流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

目前寒区隧道防冻措施中最主要的保温隔热材料法的方式主要有两种：如图1所示第一种是在二次衬砌表面铺设隔热层；如图2所示第二种是在初期支护与二次衬砌之间以及二次衬砌表面铺设保温层。

如图3所示的季节冻土区交通隧道自保温防冻衬砌结构，该防冻衬砌结构铺设在寒区隧道围岩1表面上，该防冻衬砌结构由隧道初期支护2防水层3以及气凝胶混凝土4组成。该防冻衬砌结构由洞内至里依次是气凝胶混凝土4防水层3以及初期支护2。初期支护2为常规的喷射混凝土，而气凝胶混凝土4是用掺有聚丙烯腈纤维的气凝胶混凝土所浇筑的二次衬砌，用来分担一部分荷载同时可阻止洞内冷空气向隧道围岩内部的冻结，防止排水管结冰堵塞。

气凝胶混凝土4具有普通混凝土的承重能力同时也和传统保温材料一样具备一定的保温隔热性能。其结构工作原理是：当隧道贯通后，冷季时由于围岩温度大于洞内空气温度，热量由高向低进行传递，同时洞内空气流动加快了围岩和衬砌与洞内空气的对流换热带走了大部分热量从而使衬砌背后的地下水冻结，排水系统不能正常排水。而气凝胶混凝土导热系数比普通混凝土小很多，会阻止洞内冷空气向围岩的冻结，使衬砌背后围岩处于正温状态，如式(1)所示。

φ＝-λagradt(1)

公式(1)中：φ为通过某一截面的热流量；λ为材料的导热系数；gradt为温度梯度。

本发明中气凝胶混凝土的制备可以通过以下技术方案来实现：

气凝胶混凝土由疏水的气凝胶颗粒、超细水泥、硅灰、高强轻细集料、天然水、聚丙烯腈纤维、高效减水剂以及消泡剂按一定的比例搅拌得到的分布均匀的混凝土。其生产步骤包括：

步骤一：将高效减水剂和消泡剂加入部分天然水中均匀混合，然后将超细水泥、高强轻细集料、硅灰、疏水的气凝胶颗粒、聚丙烯腈纤维用人工混合均匀，形成混合干料，其中气凝胶颗粒为二氧化硅气凝胶颗粒，硅灰掺量不超过超细水泥质量的10％。

步骤二：将部分天然水加入步骤一制得的均匀混合干料中通过人工搅拌，然后将剩余的水倒入里面用搅拌机拌合均匀，搅拌速度先慢后快。

二氧化硅气凝胶具有其他材料无法比拟的保温隔热效果，被称为超级保温材料，在混凝土掺入二氧化硅气凝胶得到的二氧化硅混凝土能极大减小其导热系数，使之具备良好的保温隔热性能。聚丙烯腈纤维能增强气凝胶混凝土的力学性能以及进一步降低混凝土的导热系数。加入高效减水剂增强该混凝土的和易性，加入消泡剂避免在搅拌过程中产生大气泡对混凝土的力学性能产生不利。该气凝胶混凝土的制备工艺能够减少气凝胶的灰飞和上浮，极大提高气凝胶混凝土的保温性能；该结构能提高寒区隧道施工效率，降低成本并方便维护。

进一步的，在搅拌过程中，为了防止气凝胶颗粒孔隙结构坍塌失去其原有特性，采用疏水的气凝胶颗粒，其颗粒粒径在5mm以内。

进一步的，为了保证混凝土的和易性以及防止气凝胶颗粒上浮，步骤一中的高效减水剂和消泡剂掺量根据实际效果决定其掺量。硅灰掺量不超过超细水泥质量的10％。

进一步的，为了保证该混凝土的强度和保温性能，步骤一中超细水泥浆体积占比大于40％，气凝胶颗粒体积占比小于60％，聚丙烯腈纤维掺量为1.5kg/m³。

进一步的，为了防止超细水泥、硅灰和气凝胶颗粒在搅拌过程灰飞，采用先加一部分天然水进行人工预拌再放入搅拌机中先慢搅再快搅的方式制备混凝土。

实施例以拉脊山隧道为例。在冷季，隧道中的空气是流动的，隧道内空气温度低于岩层，在强迫对流换热下衬砌背后围岩会向洞内释放热量，而气凝胶混凝土结构具有一定的隔热保温作用，可使衬砌背后排水系统的温度在0℃以上，水能正常排出。拉脊山隧道长5530m，极端最高温28.7℃，极端最低温-37℃，隧道进口最大冻土深度为1.60m，隧道进出口500m采用c45防水钢筋混凝土厚度为55cm，并且在二次衬砌表面铺设了10cm的聚酚醛保温材料。如果用等衬砌厚度的气凝胶混凝土代替原设计保温层和二次衬砌只需气凝胶混凝土的导热系数不大于原组合结构的导热系数即可，即不大于0.15w/(m·k)。

公式(2)中：ra气凝胶混凝土的热阻；δa为气凝胶混凝土厚度；a为隧道环向面积；λa为气凝胶混凝土导热系数；δ1为二衬厚度；λ1为二衬导热系数取2.56w/(m·k)；δ2为保温层厚度；λ2为保温层导热系数取0.03w/(m·k)。

该气凝胶混凝土制备方法，其原料包括：超细水泥、高强轻细集料、高效减水剂、消泡剂、硅灰、聚丙烯腈纤维、水和气凝胶颗粒。其生产步骤包括：

步骤一：将水与外加剂(高效减水剂和消泡剂)混合均匀得到混合液体，其中外加剂的掺量根据实际效果决定。将气凝胶、超细水泥、硅灰、高强轻细集料和聚丙烯纤维均匀混合得到混合集料。水泥浆体积占比大于40％，气凝胶颗粒体积占比小于60％，聚丙烯腈纤维掺量为1.5kg/m³，硅灰掺量不超过水泥质量的10％。

步骤二：把步骤一所得的混合液部分加入混合集料中进行手工预拌，防止干料灰飞。然后进行机拌，边搅拌边往混合集料里面倒入混合液，先慢搅8min然后快速搅拌1min。这种搅拌方式能在很大程度上减少各种轻质材料的灰飞，防止气凝胶颗粒破碎，同时得到的混凝土混合均匀和易性好。

本发明通过消泡剂、超细水泥、高强轻细集料、高效减水剂、水、硅灰和聚丙烯腈纤维生产纤维气凝胶混凝土，引入气凝胶这种新材料，通过合理的搅拌方式减少材料灰飞和保证气凝胶颗粒的混合均匀，所形成的气凝胶混凝土能改善普通混凝土的保温性能。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。