高寒冻融富水环境隧道止水防冻结构及施工方法
技术领域
本发明涉及一种高寒冻融富水环境隧道止水防冻结构及施工方法。
背景技术
随着我国经济建设的不断发展，交通运输行业的快速拓展，地面交通压力日趋严峻，加之地下空间工程技术研发的不断进步，势必带动整个地下轨道交通工程大量兴建，隧道工程建设带来前所未有的巨大挑战。由于城市地下轨道交通工程一般埋深较浅，在开挖中常遇见复杂的地质情况，特别是富水地质结构，隧道的防渗水能力研究成为关键技术难题，然而在冻土地区隧道工程中冻胀与融沉等病害问题日渐突出，尤其是围岩中水向隧道中渗流，到达冬季气温下降隧道内尚未排除的水冻结，伴随有冻胀破坏现象，这在冬季寒冷的东北地区较为常见，因此，封堵围岩中水向隧道中渗流是关键。
现阶段对于隧道内水的渗流与冻胀融沉问题的解决尚未提出一种长久可靠的结构形式，常规的隧道止水方案一般采用一次衬砌与二次衬砌之间布置一层防水材料，当遇见渗水量大及富水地层涌水严重时，这一层防水材料显得相对较为薄弱。但对于运行期隧道的渗水问题，则通常采用封堵渗水，造成封堵部位积水及其附近渗水的不良状况，导致更大的渗流。传统的结构形式止水功效相对较差，未能及时封堵水向隧道内渗流，增加了冻土区隧道工程的冻胀融沉发生的概率。针对现有的冻土区隧道建设中存在的渗水与冻害问题采取的解决措施，往往发生反复，尚不能长久有效得到彻底解决及存在的不足，提出一种结构合理、施工简单、高效长久、价格低廉、绿色环保的隧道止水与防冻的结构形式。
发明内容
本发明的目的为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种高寒冻融富水环境隧道止水防冻结构及施工方法，在高寒冻融富水环境下，施工期具有止水功效，运行期能够防控的冻胀与融沉冻害。
基于上述目的，本发明采用如下技术方案为：一种高寒冻融富水环境隧道止水防冻结构，其特征在于：由围岩从内向外依次包括一次衬砌层、防冻缓冲层、冻胀吸收板、胶凝混合物止水层、防水层、保温隔热层、砂浆粘结层和二次衬砌层。
如上所述的高寒冻融富水环境隧道止水防冻结构的施工方法，步骤如下：
(1)一次衬砌层：在围岩内侧施工喷涂混凝土；
(2)防冻缓冲层：在一次初衬层内侧喷射泡沫混凝土，形成防冻缓冲层；
(3)冻胀吸收板：铺设橡胶塑料板作为冻胀吸收板；
(4)胶凝混合物止水层：在冻胀吸收板内侧施工胶凝混合物止水层；
(5)在胶凝混合物层内侧铺设防水层；
(6)在防水层内侧均铺设保温隔热层；
(7)在保温隔热层与二次衬砌层之间铺设砂浆粘结层作为两者的粘结层；
(8)施工二次衬砌层：二次衬砌层采用浇筑施工多孔轻骨料混凝土，在二次衬砌层的拱顶和两侧提前预埋排水装置和供热装置。
其中，步骤5胶凝混合物的原料按重量配比如下：生石灰68-86份、粉煤灰2-7份、水泥5-8份、高炉水渣粉4-9份、矿物基类胶凝材料3-8份；首先将原料拌合均匀，然后经过碱基激活处理，再进行研磨，把其转变成粉末状胶凝材料，粒度范围为350-550目，采用的激发剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙或氢氧化锂。
其中，步骤8，在二次衬砌层内侧设有防火板。
本发明技术方案的原理如下：一次衬砌层作用在于保证隧道在施工过程中安全性，有效加固岩体，防止围岩的变形与崩坍，可作为临时衬砌或承载衬砌。防冻缓冲层、冻胀吸收板对富水地区冬季渗水隧道冻胀具有良好的吸收与缓解作用。胶凝混合物止水层的作用分为两个阶段，第一阶段为施工期，密实的胶凝混合物止水层，不仅吸收大量围岩渗水，而且封堵围岩中水向隧道中渗流，结合胶凝混合物止水层外防水层的止水作用，达到施工止水的目的；第二阶段为运行期，胶凝混合物与水、空气中二氧化碳发生化学反应，形成硬化胶凝物，体积微膨胀，转变成轻质、密实且强度高的硬化胶凝物层，不仅可靠封堵围岩中水向隧道中渗流，及防控对二次衬砌和保温隔热层产生冻胀破坏作用，而且硬化胶凝物层又具有较大的受力支撑作用，因此避免隧道运行冻害。防水层作用：由于施工期因胶凝混合物尚未形成硬化胶凝物而可能出现渗流现象，因此，在胶凝混合物层外加一层防水层，主要起施工期止水作用。保温隔热层有两方面作用：一是隔离胶凝混合物层与二次衬砌，避免因胶凝混合物形成硬化胶凝物体积微膨胀而对二次衬砌产生附加应力；二是在胶凝混合物层未完全形成硬化胶凝物层之前的初冻期，起短时防冻作用。砂浆粘结层用于把二次衬砌层与保温隔热层粘结在一起，具有很好的粘结性，可防止脱落。二次衬砌层作用在于保证隧道在运行过程中净空与结构本身的安全性，加固支护，为此而设置的永久性衬砌结构，与一次衬砌层共同组成复合式衬砌。二次衬砌层中预埋的排水装置主要用于排除多余的水分，防止发生冬季冻胀现象。供热装置用于调解温度，防止隧道温度过低，保持热平衡。设置的防火板防止供热装置出现不良情况，有效杜绝火灾产生。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：该结构可实现富水环境隧道施工期止水功效，运行期防控冻胀与融沉冻害，具有保温调温的功能，在荷载和温度变化时依然维持隧道的热平衡，避免隧道发生冻害，可长久保证高寒冻土区隧道结构的功能性与稳定性，具有高效而长久的止水与防冻保温效果，适合于多类土质的富水区隧道工程，如冻土、膨胀土、黄土等工程建设中，特别对于高寒冻融富水复杂环境的隧道工程的病害问题具有重要实用价值，可推广到铁路、公路的施工技术中。
附图说明
图1为本发明防冻结构示意图；
图中：1、一次衬砌层；2、防冻缓冲层；3、冻胀吸收板；4、胶凝混合物止水层；5、防水层；6、保温隔热层；7、砂浆粘结层；8、二次衬砌层。
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，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，下面将对本发明实施方式作进一步地详细说明，但本发明的保护范围不限于下述实施例。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例1
一种高寒冻融富水环境隧道止水防冻结构，其特征在于：由围岩从内向外依次为一次衬砌层、防冻缓冲层、冻胀吸收板、胶凝混合物止水层、防水层、保温隔热层、砂浆粘结层和二次衬砌层。
施工方法，其特征在于，步骤如下：
首先，在围岩一侧施工一次衬砌，首先喷锚支护，岩面初喷厚3-4cm混凝土，拱部设置中空锚杆，边墙设置砂浆锚杆，挂设钢筋网，支钢架，再喷混凝土，需达到设计厚度；
接着，在一次初衬层内侧喷射泡沫混凝土，形成防冻缓冲层，再铺设橡胶塑料板作为冻胀吸收板。
接着，在冻胀吸收板一侧施工胶凝混合物止水层，支模，填筑胶凝混合物，养护，待强度达到75％，拆模；胶凝混合物按如下重量份的原料配比而成：生石灰68-86份、粉煤灰2-7份、水泥5-8份、高炉水渣粉4-9份、矿物基类胶凝材料3-8份，首先把生石灰、粉煤灰、水泥、高炉水渣粉、矿物基类胶凝材料各料拌合均匀，碱基激活处理，经过超细研磨，把其转变成粉末状胶凝材料，粒度范围控制在350-550目；其中，粉煤灰为一级粉煤灰；水泥为硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和磷酸盐水泥中一种或多种；矿物基类胶凝材料为石英、斜长石、角闪石、角长石、黑云母、辉石、滑石和锆石中一种或多种，采用的激发剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙或氢氧化锂。
接着，在胶凝混合物止水层一侧铺设防水层，防水层为复合防水板、EVA防水板、HDPE防水板、自粘橡胶沥青防水卷材中一种或几种复合而成。复合防水板有一布一膜、两布一膜形式，一布一膜为一层土工布一层塑料膜复合而成，两布一膜为上下两层土工布，中间夹一层塑料膜复合而成；自粘橡胶沥青防水卷材也可贴合于EVA防水板共同使用；EVA防水板用水泥钉固定，布设间距1.5-2m，根据实际情况可适当加密。
接着，在防水层一侧铺设保温隔热层，保温隔热层为发泡水泥、聚氨脂建筑保温材料(EPS聚苯板)、挤塑式聚苯乙烯隔热保温板(XPS保温板)、聚苯乙烯泡沫板(苯板)中一种或几种复合而成。
接着，把砂浆粘结层设置在保温隔热层与二次衬砌层之间，作为两者的粘结层，防止脱落。
最后，施工二次衬砌，排水装置、供热装置、防火板安装，台车定位，模板安装，导管安装，泵送混凝土，浇筑混凝土，振捣，拆模养护。二次衬砌层为多孔轻骨料混凝土，在二次衬砌混凝土中提前预埋排水装置，在其中铺设供热装置，外侧设有防火板。供热装置为热棒、电加热丝一种或几种，水平U型布置。热棒为无芯重力金属管，外径89mm，管内灌充液态氨，电加热丝为S形。排水装置为塑料排水管和透水软管，在拱顶与两侧布设环形透水软管，透水软管采用直径50mm、100mm中一种或两种，拱顶布设直径50mm环形透水软管，两侧布设直径100mm环形透水软管，拱底沿轴向布设塑料排水管，间隔4-7cm。
