基于相變調(diào)溫混凝土的隧道防凍保溫結(jié)構(gòu)及施工方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于相變調(diào)溫混凝土的隧道防凍保溫結(jié)構(gòu)及施工方法，包括隧道洞壁上由外到內(nèi)依次布設(shè)的隧道初襯、防水板、隧道二襯和防火板，所述隧道二襯的混凝土中含有多孔輕骨料和相變膠囊，在隧道二襯和防水板之間夾設(shè)有加熱裝置。本發(fā)明將多孔輕骨料、相變材料和主動(dòng)供熱技術(shù)相結(jié)合，解決了隧道圍巖地下水上融下凍的問題，徹底根除了隧道凍害；利用相變材料的儲(chǔ)能調(diào)溫的作用及多孔輕骨料的保溫性能，節(jié)省了購(gòu)置與運(yùn)行費(fèi)用；且多孔輕骨料、相變材料直接摻入混凝土中，無(wú)需增加隧道開挖半徑，節(jié)省了建造成本。
【專利說明】
基于相變調(diào)溫混凝土的隧道防凍保溫結(jié)構(gòu)及施工方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種寒區(qū)隧道的保溫結(jié)構(gòu)，具體涉及一種基于相變調(diào)溫混凝土的隧道防凍保溫結(jié)構(gòu)及施工方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]現(xiàn)有技術(shù)中，為預(yù)防寒區(qū)隧道凍害，會(huì)在隧道二襯內(nèi)表面鋪設(shè)一定厚度保溫層，保溫層厚度與洞內(nèi)氣溫和隧道圍巖地溫有關(guān)，通常取4?8cm。然而在工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的保溫層存在著如下的缺點(diǎn)與不足:
[0003]①保溫材料造價(jià)高，大大增加了隧道的建造成本，以5cm厚的聚氨酯保溫材料為例，每平米造價(jià)約為300元，縱向每延米約為6000元；
[0004]②服役性能逐年下降，在洞內(nèi)潮濕環(huán)境、隧道滲漏水和洞內(nèi)氣溫反復(fù)變化作用下， 保溫材料的隔熱性逐年變差，直至失效，需要逐年檢修，更換頻繁；
[0005]③隧道洞內(nèi)氣溫和圍巖地溫在時(shí)間和空間上存在差異，聚氨酯保溫層作為固體保溫材料，無(wú)法滿足同一斷面不同高度處的隧道襯砌背后圍巖凍結(jié)和融化同步性。在春融期， 隧道頂部圍巖先融化，而拱腳處圍巖后融化，導(dǎo)致隧道襯砌背后的地下水無(wú)法排入到縱向排水溝內(nèi)，容易造成隧道襯砌表面滲漏、掛冰及路面結(jié)冰等病害;在凍結(jié)期，隧道底部圍巖先凍結(jié)、頂部圍巖后凍結(jié)，隧道上方的地下水無(wú)法排入縱向排水溝內(nèi)，同樣造成隧道襯砌表面滲漏、掛冰及路面結(jié)冰等病害；
[0006]④鋪著聚氨酯保溫材料占用隧道空間，為了滿足隧道建筑限界要求，需要擴(kuò)大隧道圍巖開挖尺寸，導(dǎo)致工程建造成本增加和延長(zhǎng)工期，并且對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性不利。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于相變調(diào)溫混凝土的隧道防凍保溫結(jié)構(gòu)及施工方法。
[0008]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的基于相變調(diào)溫混凝土的隧道防凍保溫結(jié)構(gòu)，所述隧道二襯的混凝土中含有多孔輕骨料和相變膠囊，在隧道二襯和防水板之間夾設(shè)有加熱裝置。
[0009]作為優(yōu)選，所述隧道二襯的混凝土在環(huán)向上由多個(gè)區(qū)域組成，相鄰區(qū)域的二襯混凝土的熱物性均不相同；位于頂部區(qū)域的二襯混凝土多孔輕骨料含量最高，從頂部區(qū)域至拱腳區(qū)域輕骨料的含量依次降低。
[0010]作為優(yōu)選，拱頂區(qū)域的述隧道二襯中相變膠囊相變溫度不高于_3°C，拱腰區(qū)域、邊墻區(qū)域和拱腳區(qū)域的述隧道二襯中的相變膠囊的相變溫度不低于5°C。
[0011]作為優(yōu)選，每個(gè)域的隧道二襯混凝土內(nèi)預(yù)埋塑料管，在隧道軸線方向預(yù)埋的塑料管呈水平單U型布置，塑料管內(nèi)鋪設(shè)有供熱裝置。
[0012]作為優(yōu)選，每個(gè)區(qū)域的隧道二襯與防水板之間安裝溫度傳感器，用于檢測(cè)地下水的溫度，智能控制供熱裝置的開啟時(shí)機(jī)和運(yùn)行時(shí)間。
[0013]該結(jié)構(gòu)的施工方法如下:
[0014]在隧道施工時(shí)依次布設(shè)隧道初襯、防水板、隧道二襯和防火板，所述隧道二襯的混凝土中含有多孔輕骨料和相變膠囊，在隧道二襯和防水板之間鋪設(shè)加熱裝置；
[0015]其中，隧道二襯混凝土在環(huán)向上有多個(gè)區(qū)域組成，相鄰區(qū)域的隧道二襯混凝土的熱物性均不相同；位于頂部區(qū)域的隧道二襯混凝土多孔輕骨料含量最高，從頂部區(qū)域至拱腳區(qū)域輕骨料的含量依次降低；
[0016]在隧道拱頂區(qū)域隧道二襯中添加相變溫度不高于-3°C的相變膠囊，拱腰區(qū)域、邊墻區(qū)域和拱腳區(qū)域的隧道二襯中添加相變溫度不低于5°C的相變膠囊；
[0017]在每個(gè)區(qū)域的隧道二襯混凝土內(nèi)預(yù)埋塑料管，在隧道軸線方向預(yù)埋的塑料管呈水平單U型布置，塑料管內(nèi)鋪設(shè)供熱裝置；
[0018]在每個(gè)區(qū)域的隧道二襯與防水板之間安裝溫度傳感器，檢測(cè)地下水的溫度，智能控制供熱裝置的開啟時(shí)機(jī)和運(yùn)行時(shí)間。
[0019]該結(jié)構(gòu)的運(yùn)行方法如下:
[0020]在入冬時(shí)期，以隧道二襯與防水板之間的監(jiān)測(cè)溫度0°C為控制指標(biāo)，從拱腳至拱腰區(qū)域依次開啟加熱裝置，待拱頂區(qū)域的地下水全部?jī)鼋Y(jié)后，關(guān)閉拱腰區(qū)域的供熱裝置;待拱腰區(qū)域的地下水全部?jī)鼋Y(jié)后，關(guān)閉拱腳區(qū)域的供熱裝置，最終實(shí)現(xiàn)隧道全斷面由上至下依次凍結(jié)，形成封閉的天然止水屏障；
[0021]在春融時(shí)期，先加熱隧道拱腳區(qū)域，隨后依次從下至上實(shí)現(xiàn)全斷面融化。[〇〇22] 發(fā)明原理:
[0023]相變材料具有在一定溫度范圍內(nèi)改變其物理狀態(tài)的能力。以固-液相變?yōu)槔诩訜岬饺刍瘻囟葧r(shí)，就產(chǎn)生從固態(tài)到液態(tài)的相變，熔化的過程中，相變材料吸收并儲(chǔ)存大量的潛熱；當(dāng)相變材料冷卻時(shí)，儲(chǔ)存的熱量在一定的溫度范圍內(nèi)要散發(fā)到環(huán)境中去，進(jìn)行從液態(tài)到固態(tài)的逆相變。在這兩種相變過程中，所儲(chǔ)存或釋放的能量稱為相變潛熱。物理狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，材料自身的溫度在相變完成前幾乎維持不變，形成一個(gè)寬的溫度平臺(tái)，雖然溫度不變，但吸收或釋放的潛熱卻相當(dāng)大。
[0024]利用相變材料的蓄能和調(diào)溫功能，結(jié)合主動(dòng)加熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道的防凍保暖。將隧道二襯劃分成多個(gè)區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域內(nèi)添加多孔輕骨料和相變材料，并安裝加熱裝置。添加多孔輕骨料可以提高隧道襯砌結(jié)構(gòu)的保溫性能，解決了入冬期和春融期洞內(nèi)氣溫正負(fù)溫周期波動(dòng)導(dǎo)致的隧道圍巖地下水反復(fù)凍融問題;利用相變材料和加熱裝置聯(lián)合儲(chǔ)熱供熱，通過主動(dòng)控制各區(qū)域的溫度解決隧道圍巖地下水下凍上融的問題。在入冬時(shí)期，待二襯與防水板之間的監(jiān)測(cè)溫度出現(xiàn)負(fù)溫后，從拱腳至拱腰區(qū)域依次開啟供熱裝置，待拱頂區(qū)域的地下水全部?jī)鼋Y(jié)后，關(guān)閉拱腳區(qū)域的供熱裝置，最終實(shí)現(xiàn)隧道全斷面由上至下依次凍結(jié)，形成封閉的天然止水屏障。在春融期，拱腳區(qū)域的二襯混凝土輕骨料最少，導(dǎo)熱性最好，而拱頂區(qū)域保溫性最好。拱腳區(qū)域的圍巖地下水最先融化，隨后邊墻至拱頂依次融化，實(shí)現(xiàn)隧道圍巖地下水的上凍下融。
[0025]有益效果:本發(fā)明將多孔輕骨料、相變材料和主動(dòng)供熱技術(shù)相結(jié)合，解決了隧道圍巖地下水上融下凍的問題，徹底根除了隧道凍害。
[0026]利用相變材料存儲(chǔ)加熱裝置產(chǎn)生的熱量，可起到儲(chǔ)能調(diào)溫的作用，節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用，延長(zhǎng)了加熱裝置的使用壽命。
[0027]通過在隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)摻加多孔輕骨料提高其保溫性能，可替代傳統(tǒng)的聚氨酯保溫材料，節(jié)省了材料購(gòu)置費(fèi)用。多孔輕骨料、相變材料直接摻入混凝土中，無(wú)需增加隧道開挖半徑，節(jié)省了建造成本。
[0028]除了上面所述的本發(fā)明解決的技術(shù)問題、構(gòu)成技術(shù)方案的技術(shù)特征以及由這些技術(shù)方案的技術(shù)特征所帶來的優(yōu)點(diǎn)外，本發(fā)明的基于相變調(diào)溫混凝土的隧道防凍保溫結(jié)構(gòu)及施工方法所能解決的其他技術(shù)問題、技術(shù)方案中包含的其他技術(shù)特征以及這些技術(shù)特征帶來的優(yōu)點(diǎn)，將結(jié)合附圖做出進(jìn)一步詳細(xì)的說明?！靖綀D說明】[〇〇29]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的基于相變調(diào)溫混凝土的隧道防凍保溫結(jié)構(gòu)的斷面圖；
[0030]圖2是圖1中隧道電加熱線布置的展開圖；[0031 ]圖中:隧道初襯1，防水板2，隧道二襯3，防火板4，塑料管5，溫度傳感器6，輕骨料7，第一相變膠囊8，第二相變膠囊9?！揪唧w實(shí)施方式】 [〇〇32] 實(shí)施例:[〇〇33]本實(shí)施的基于相變調(diào)溫混凝土的隧道防凍保溫結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括隧道由內(nèi)到外依次布設(shè)的防火板4、隧道二襯3、防水板2和隧道初襯1，其中隧道二襯3的混凝土中含有多孔輕骨料7、第一相變膠囊8和第二相變膠囊9，多孔輕骨料7、第一相變膠囊8和第二相變膠囊9是在施工時(shí)直接摻入相應(yīng)的混凝土中。[〇〇34] 隧道二襯3在環(huán)向上由多個(gè)區(qū)域組成，如圖中1、I1、II1、IV、V五個(gè)區(qū)域，相鄰區(qū)域的隧道二襯3的熱物性均不相同；位于頂部區(qū)域的隧道二襯3的混凝土中多孔的輕骨料7含量最高，從頂部區(qū)域至拱腳區(qū)域輕骨料7的含量依次降低;第一相變膠囊8添加在在隧道拱頂區(qū)域隧道二襯3的混凝土中，相變溫度不高于-3°C。第二相變膠囊9添加在拱腰區(qū)域、邊墻區(qū)域和拱腳區(qū)域的隧道二襯3中，相變溫度不低于5°C。溫度傳感器6安裝在在每個(gè)區(qū)域的隧道二襯3與防水板2之間，用于檢測(cè)地下水的溫度，智能控制供熱裝置的開啟時(shí)機(jī)和運(yùn)行時(shí)間。
[0035]塑料管5內(nèi)鋪設(shè)有供熱裝置，其敷設(shè)方式如圖2所示，預(yù)埋在每個(gè)區(qū)域的二襯混凝土中，在隧道軸線方向呈水平單U型布置。
[0036]使用時(shí)，在入冬時(shí)期，以二襯與防水板之間的監(jiān)測(cè)溫度0°C為控制指標(biāo)，從拱腳至拱腰區(qū)域依次開啟加熱裝置，待拱頂區(qū)域的地下水全部?jī)鼋Y(jié)后，關(guān)閉拱腰區(qū)域的供熱裝置； 待拱腰區(qū)域的地下水全部?jī)鼋Y(jié)后，關(guān)閉拱腳區(qū)域的供熱裝置，最終實(shí)現(xiàn)隧道全斷面由上至下依次凍結(jié)，形成封閉的天然止水屏障。在春融時(shí)期，先加熱隧道拱腳區(qū)域，隨后依次從下至上實(shí)現(xiàn)全斷面融化。[〇〇37] 實(shí)施時(shí)，注意事項(xiàng)如下:
[0038]①選擇合適的復(fù)合相變材料，根據(jù)不同相變溫度的需要制備摻有不同種類相變材料和不同含量多孔輕骨料的混凝土；
[0039]②在防水板和二襯之間合理預(yù)埋塑料管，確保管內(nèi)電加熱線可以較為簡(jiǎn)便的更換和檢查。
[0040]③合理布置溫度傳感器，對(duì)電加熱線進(jìn)行及時(shí)的智能溫度控制，提高隧道防凍害的效率和能源的利用率。
[0041]④保證隧道的安全性和穩(wěn)定性。
[0042]以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式做出詳細(xì)說明，但本發(fā)明不局限于所描述的實(shí)施方式。對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，在本發(fā)明的原理和技術(shù)思想的范圍內(nèi)，對(duì)這些實(shí)施方式進(jìn)行多種變化、修改、替換和變形仍落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于相變調(diào)溫混凝土的隧道防凍保溫結(jié)構(gòu)，包括隧道洞壁由外到內(nèi)依次布設(shè)的 隧道初襯、防水板、隧道二襯和防火板，其特征在于:所述隧道二襯的混凝土中含有多孔輕 骨料和相變膠囊，在隧道二襯和防水板之間夾設(shè)有加熱裝置。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于相變調(diào)溫混凝土的隧道防凍保溫結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述 隧道二襯的混凝土在環(huán)向上由多個(gè)區(qū)域組成，相鄰區(qū)域的二襯混凝土的熱物性均不相同； 位于頂部區(qū)域的二襯混凝土多孔輕骨料含量最高，從頂部區(qū)域至拱腳區(qū)域輕骨料的含量依 次降低。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于相變調(diào)溫混凝土的隧道防凍保溫結(jié)構(gòu)，其特征在于:拱頂 區(qū)域的述隧道二襯中相變膠囊相變溫度不高于_3°C，拱腰區(qū)域、邊墻區(qū)域和拱腳區(qū)域的述 隧道二襯中的相變膠囊的相變溫度不低于5°C。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于相變調(diào)溫混凝土的隧道防凍保溫結(jié)構(gòu)，其特征在于:每個(gè) 域的隧道二襯混凝土內(nèi)預(yù)埋塑料管，在隧道軸線方向預(yù)埋的塑料管呈水平單U型布置，塑料 管內(nèi)鋪設(shè)有供熱裝置。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于相變調(diào)溫混凝土的隧道防凍保溫結(jié)構(gòu)，其特征在于:每個(gè) 區(qū)域的隧道二襯與防水板之間安裝溫度傳感器，用于檢測(cè)地下水的溫度，智能控制供熱裝 置的開啟時(shí)機(jī)和運(yùn)行時(shí)間。6.—種基于相變調(diào)溫混凝土的隧道防凍保溫結(jié)構(gòu)的施工方法，其特征在于:在隧道施工時(shí)依次布設(shè)隧道初襯、防水板、隧道二襯和防火板，所述隧道二襯的混凝土 中含有多孔輕骨料和相變膠囊，在隧道二襯和防水板之間鋪設(shè)加熱裝置；其中，隧道二襯混凝土在環(huán)向上有多個(gè)區(qū)域組成，相鄰區(qū)域的隧道二襯混凝土的熱物 性均不相同；位于頂部區(qū)域的隧道二襯混凝土多孔輕骨料含量最高，從頂部區(qū)域至拱腳區(qū) 域輕骨料的含量依次降低；在隧道拱頂區(qū)域隧道二襯中添加相變溫度不高于_3°C的相變膠囊，拱腰區(qū)域、邊墻區(qū) 域和拱腳區(qū)域的隧道二襯中添加相變溫度不低于5°C的相變膠囊；在每個(gè)區(qū)域的隧道二襯混凝土內(nèi)預(yù)埋塑料管，在隧道軸線方向預(yù)埋的塑料管呈水平單 U型布置，塑料管內(nèi)鋪設(shè)供熱裝置；在每個(gè)區(qū)域的隧道二襯與防水板之間安裝溫度傳感器，檢測(cè)地下水的溫度，智能控制 供熱裝置的開啟時(shí)機(jī)和運(yùn)行時(shí)間。7.—種基于相變調(diào)溫混凝土的隧道防凍保溫結(jié)構(gòu)的運(yùn)行方法，其特征在于:在入冬時(shí)期，以隧道二襯與防水板之間的監(jiān)測(cè)溫度〇°C為控制指標(biāo)，從拱腳至拱腰區(qū)域 依次開啟加熱裝置，待拱頂區(qū)域的地下水全部?jī)鼋Y(jié)后，關(guān)閉拱腰區(qū)域的供熱裝置;待拱腰區(qū) 域的地下水全部?jī)鼋Y(jié)后，關(guān)閉拱腳區(qū)域的供熱裝置，最終實(shí)現(xiàn)隧道全斷面由上至下依次凍 結(jié)，形成封閉的天然止水屏障；在春融時(shí)期，先加熱隧道拱腳區(qū)域，隨后依次從下至上實(shí)現(xiàn)全斷面融化。
【文檔編號(hào)】E21F5/00GK106089264SQ201610410100
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月12日
【發(fā)明人】張國(guó)柱, 高源 , 劉松玉
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)