專利名稱：用熱棒群對(duì)多年凍土區(qū)隧道淺埋段進(jìn)行主動(dòng)熱防護(hù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多年凍土區(qū)隧道熱防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，涉及ー種促進(jìn)多年凍土區(qū)隧道淺埋段圍巖回凍以及在洞周圍巖中快速形成凍土隔水帷幕來(lái)保證隧道淺埋段結(jié)構(gòu)安全的熱防護(hù)技術(shù)，特別涉及ー種用熱棒群對(duì)多年凍土區(qū)隧道淺埋段進(jìn)行主動(dòng)熱防護(hù)的方法；該方法的防護(hù)效果可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，在西部大開(kāi)發(fā)的背景下，作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)的交通事業(yè)得到了全面發(fā)展，我國(guó)在青藏高原多年凍土區(qū)隧道修筑技術(shù)方面也取得了初歩成就。“十二五”期間，隨著國(guó)家“五縱五橫”交通網(wǎng)絡(luò)工程的建設(shè)，西部交通事業(yè)也將得到更為迅猛的發(fā)展?？偨Y(jié)前期經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，進(jìn)ー步提高多年凍土區(qū)隧道建設(shè)水平是擺在廣大工程技術(shù)人員面前的ー項(xiàng)重要任務(wù)。凍土特殊的物理力學(xué)性質(zhì)以及圍巖凍融作用、凍脹カ等因素的存在，給多年凍土區(qū)隧道結(jié)構(gòu)的可靠性提出了更高的要求。特別在洞ロ淺埋段(一般指隧道埋深小于2倍洞徑的區(qū)段)，由于隧道結(jié)構(gòu)所處環(huán)境溫度主要受大氣溫度影響，變化幅度大，同時(shí)施工造成的熱融圈(圍巖活動(dòng)層)接近或與多年凍土上限重疊，凍結(jié)層上水易向洞周匯集，因此該段隧道極易出現(xiàn)襯砌開(kāi)裂、漏水、掛冰等凍融破壞現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)已建成的多年凍土區(qū)隧道工程，在洞ロ淺埋段防護(hù)方面除加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)外，其余基本都采用與非淺埋段相同的措施，即在初期支護(hù)與二次襯砌(或二次襯砌表面)之間設(shè)置保溫板作為隔熱層，依靠調(diào)整“熱阻”進(jìn)行“被動(dòng)”熱防護(hù)。防護(hù)效果監(jiān)測(cè)也采取與其他洞身段相同的方法，即通過(guò)在洞周徑向鉆孔，孔內(nèi)埋設(shè)元件進(jìn)行監(jiān)測(cè)。目前普遍采用的多年凍土隧道洞ロ淺埋段圍巖防護(hù)及其效果監(jiān)測(cè)技術(shù)主要存在如下問(wèn)題:
I)加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面:在提高隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，也給隧道圍巖發(fā)生凍脹時(shí)提供了更大的抗力，支護(hù)結(jié)構(gòu)受到的凍脹カ也隨之增加，因此其防護(hù)效果相對(duì)不明顯。同時(shí)，加強(qiáng)支護(hù)一般需要擴(kuò)大開(kāi)挖斷面，増加的工程費(fèi)用較高，經(jīng)濟(jì)性較差。2)設(shè)置隔熱保溫層方面:在隧道初期支護(hù)與二次襯砌(或二次襯砌表面)之間設(shè)置隔熱保溫層，可以提高隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)層的“熱阻”，減少隧道圍巖與隧道內(nèi)環(huán)境之間的熱交換，對(duì)減弱隧道圍巖的凍融活動(dòng)有積極意義。但也存在一些問(wèn)題，如隔熱層對(duì)圍巖熱融圈的回凍有阻滯作用，同時(shí)減緩了熱融圈內(nèi)圍巖寒季時(shí)的凍結(jié)速度，易在支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)形成層狀、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)凍土，產(chǎn)生一定程度的“分凝凍脹”，加劇圍巖的凍脹程度。3)防護(hù)效果監(jiān)測(cè)技術(shù)方面:目前普遍采用的洞內(nèi)監(jiān)測(cè)技術(shù)比較成熟，但也有ー些不足之處，如元件埋設(shè)等作業(yè)必須與隧道施工同時(shí)進(jìn)行，不可避免地會(huì)給隧道開(kāi)挖、支護(hù)等工作造成一定的干擾；隧道開(kāi)挖作業(yè)時(shí)容易破壞監(jiān)測(cè)設(shè)備；監(jiān)測(cè)設(shè)備預(yù)埋管件穿過(guò)隧道防水板處易出現(xiàn)滲漏水問(wèn)題；埋入圍巖的監(jiān)測(cè)器件損壞后無(wú)法修復(fù)；監(jiān)測(cè)設(shè)備必須設(shè)置于隧道限界與襯砌之間有限的空間處，安裝、維護(hù)不方便等。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種通過(guò)在隧道頂部地表設(shè)置熱棒群，用該熱棒群對(duì)多年凍土區(qū)隧道淺埋段進(jìn)行主動(dòng)熱防護(hù)的方法，促進(jìn)隧道洞口淺埋段回凍以及在隧道圍巖中快速形成凍土隔水帷幕，利用“主動(dòng)”降溫原理(與隔熱、保溫等被動(dòng)措施相比，熱棒工作時(shí)可主動(dòng)將圍巖中的熱量源源不斷地抽吸出來(lái)散發(fā)在大氣中)對(duì)隧道淺埋段結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱防護(hù)，提高隧道防護(hù)的可靠性及經(jīng)濟(jì)性，并自動(dòng)監(jiān)測(cè)防護(hù)效果。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種用熱棒群對(duì)多年凍土區(qū)隧道淺埋段進(jìn)行主動(dòng)熱防護(hù)的方法，利用熱棒的“主動(dòng)”降溫特性，促進(jìn)隧道淺埋段熱融圈圍巖回凍以及在隧道圍巖中快速形成凍土防滲帷幕，對(duì)隧道淺埋段結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱防護(hù)，提高隧道防護(hù)的可靠性及經(jīng)濟(jì)性，該主動(dòng)防護(hù)方法具體為:
步驟1:收集隧址區(qū)的氣象資料，結(jié)合工程地質(zhì)勘察資料，查明隧道淺埋段圍巖的基本熱物理參數(shù)、多年凍土類型、上限深度、地溫年平均變化深度和年平均地溫；
步驟2:確定熱棒群埋設(shè)深度、位置、范圍及平面布置形式
1)熱棒群埋設(shè)深度· 在隧道淺埋段對(duì)應(yīng)的洞頂?shù)乇矸懦鏊淼乐芯€，在隧道中線上按2 5m間距逐點(diǎn)測(cè)出地表高程，結(jié)合隧道施工圖紙中的設(shè)計(jì)高程按下式計(jì)算出隧道中線上確定的每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的隧道拱頂外緣的實(shí)際埋深:
隧道拱頂外緣的實(shí)際埋深=實(shí)測(cè)出的該點(diǎn)地表高程一隧道設(shè)計(jì)高程一隧道凈高一支護(hù)結(jié)構(gòu)層厚度；
2)熱棒群的埋設(shè)位置、范圍:
沿隧道縱向:熱棒群的埋設(shè)范圍從仰坡刷坡線后3 5m開(kāi)始，至隧道拱頂外緣實(shí)際埋深達(dá)到下式的計(jì)算值時(shí)終止，
隧道拱頂外緣實(shí)際深度=2X該處多年凍土上限深度+隧道熱融圈的厚度；
沿隧道橫向:位于熱棒群邊界的熱棒的蒸發(fā)段棒體與隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的最小水平距離為0.5 1.0m ;其余位置的熱棒蒸發(fā)段底端與隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的距離為0.5 1.0m ;
3)熱棒群的平面布置形式
相鄰兩行橫向設(shè)置的熱棒組中、位于不同行的相鄰的三個(gè)熱棒形成一個(gè)等邊三角形，該等邊三角形的邊長(zhǎng)為相鄰兩根熱棒之間的間距，
相鄰兩根熱棒之間的間距采用以下方法得到:根據(jù)步驟I搜集的資料，采用修正的傅里葉方程計(jì)算出單根熱棒在隧址區(qū)的傳熱影響半徑r:
權(quán)利要求
1.一種用熱棒群對(duì)多年凍土區(qū)隧道淺埋段進(jìn)行主動(dòng)熱防護(hù)的方法，利用熱棒的“主動(dòng)”降溫特性，促進(jìn)隧道淺埋段熱融圈圍巖回凍以及在隧道圍巖中快速形成凍土防滲帷幕，對(duì)隧道淺埋段結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱防護(hù)，提高隧道防護(hù)的可靠性及經(jīng)濟(jì)性，其特征在于，該主動(dòng)防護(hù)方法具體為: 步驟1:收集隧址區(qū)的氣象資料，結(jié)合工程地質(zhì)勘察資料，查明隧道淺埋段圍巖的基本熱物理參數(shù)、多年凍土類型、上限深度、地溫年平均變化深度和年平均地溫； 步驟2:確定熱棒群埋設(shè)深度、位置、范圍及平面布置形式 1)熱棒群埋設(shè)深度 在隧道淺埋段對(duì)應(yīng)的洞頂?shù)乇矸懦鏊淼乐芯€，在隧道中線上按2 5m間距逐點(diǎn)測(cè)出地表高程，結(jié)合隧道施工圖紙中的設(shè)計(jì)高程按下式計(jì)算出隧道中線上確定的每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的隧道拱頂外緣的實(shí)際埋深: 隧道拱頂外緣的實(shí)際埋深=實(shí)測(cè)出的該點(diǎn)地表高程一隧道設(shè)計(jì)高程一隧道凈高ー支護(hù)結(jié)構(gòu)層厚度； 2)熱棒群的埋設(shè)位置、范圍: 沿隧道縱向:熱棒群的埋設(shè)范圍從仰坡刷坡線后3 5m開(kāi)始，至隧道拱頂外緣實(shí)際埋深達(dá)到下式的計(jì)算值時(shí)終止， 隧道拱頂外緣實(shí)際深度=2X該處多年凍土上限深度+隧道熱融圈的厚度； 沿隧道橫向:位于熱棒群邊界的熱棒的蒸發(fā)段棒體與隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的最小水平距離為0.5 1.0m ;其余位置的熱棒蒸發(fā)段底端與隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的距離為0.5 1.0m ; 3)熱棒群的平面布置形式 相鄰兩行橫向設(shè)置的熱棒組中、位于不同行的相鄰的三個(gè)熱棒形成一個(gè)等邊三角形，該等邊三角形的邊長(zhǎng)為相鄰兩根熱棒之間的間距， 相鄰兩根熱棒之間的間距采用以下方法得到:根據(jù)步驟I搜集的資料，采用修正的傅里葉方程計(jì)算出單根熱棒在隧址區(qū)的傳熱影響半徑r:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用熱棒群對(duì)多年凍土區(qū)隧道淺埋段進(jìn)行主動(dòng)熱防護(hù)的方法，其特征在于，該主動(dòng)熱防護(hù)方法中采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)岚羧旱墓ぷ餍Ч?，該自?dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)置及埋設(shè)方法為:沿隧道縱向、在熱棒群的中間位置及埋深最大位置分別設(shè)置第一監(jiān)測(cè)斷面和第二監(jiān)測(cè)斷面，第一監(jiān)測(cè)斷面上并排布置多個(gè)第一監(jiān)測(cè)點(diǎn)，多個(gè)第一監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于同一熱棒組中相鄰兩個(gè)熱棒之間，多個(gè)第一監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于兩端的兩個(gè)第一監(jiān)測(cè)點(diǎn)中的一個(gè)第一監(jiān)測(cè)點(diǎn)與相鄰熱棒之間的距離為0.3 0.5m，相鄰兩個(gè)第一監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離為0.3 0.5m，該多個(gè)第一監(jiān)測(cè)點(diǎn)中位于兩端的兩個(gè)第一監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離不小于相鄰兩個(gè)熱棒間距的一半；第二檢測(cè)斷面上并排布置多個(gè)第二監(jiān)測(cè)點(diǎn)，多個(gè)第二監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于同一熱棒組中相鄰兩個(gè)熱棒之間，多個(gè)第二監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于兩端的兩個(gè)第二監(jiān)測(cè)點(diǎn)中的一個(gè)第二監(jiān)測(cè)點(diǎn)與相鄰熱棒之間的距離為0.3 0.5m，相鄰兩個(gè)第二監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離為0.3 0.5m，該多個(gè)第二監(jiān)測(cè)點(diǎn)中位于兩端的兩個(gè)第二監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離不小于相鄰兩個(gè)熱棒間距的一半；每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處埋設(shè)地溫監(jiān)測(cè)管；地溫監(jiān)測(cè)管使用直徑40 50mm的桶形的鍍鋅鋼管，地溫監(jiān)測(cè)管底端的埋設(shè)深度超出監(jiān)測(cè)點(diǎn)周邊埋設(shè)最深熱棒的底端0.5 1.0m，其上部管口高出地表15 30cm ;地溫監(jiān)測(cè)管埋設(shè)完成后，在地溫監(jiān)測(cè)管內(nèi)安裝測(cè)溫線，通過(guò)數(shù)據(jù)線連接測(cè)溫線和自動(dòng)數(shù)據(jù)采集儀，自動(dòng)數(shù)據(jù)采集儀與隧道交通信號(hào)設(shè)施共用電源，自動(dòng)數(shù)據(jù)采集儀與無(wú)線發(fā)射模塊相連接，無(wú)線發(fā)射模塊與數(shù)據(jù)接收模塊信號(hào)連接，數(shù)據(jù)接收模塊與數(shù)據(jù)處理終端相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用熱棒群對(duì)多年凍土區(qū)隧道淺埋段進(jìn)行主動(dòng)熱防護(hù)的方法，其特征在于，在第一監(jiān)測(cè)斷面上設(shè)置一處對(duì)比監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)比監(jiān)測(cè)點(diǎn)與熱棒群邊界之間的距離為10 15m。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用熱棒群對(duì)多年凍土區(qū)隧道淺埋段進(jìn)行主動(dòng)熱防護(hù)的方法，其特征在于，采用經(jīng)過(guò)篩選及反復(fù)老化后長(zhǎng)期穩(wěn)定性指標(biāo)優(yōu)于0.0020C /a的NTC熱敏電阻，熱敏電阻經(jīng)過(guò)逐支標(biāo)定及參數(shù)采集后，用導(dǎo)線按間距30 50cm進(jìn)行串聯(lián)組裝、塑料封套，形成測(cè)溫線。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用熱棒群對(duì)多年凍土區(qū)隧道淺埋段進(jìn)行主動(dòng)熱防護(hù)的方法，其特征在于，所述步驟4中采用小循環(huán)鉆進(jìn)、干鉆安裝熱棒的鉆孔，該鉆孔孔徑比熱棒蒸發(fā)段直徑大15 20cm， 實(shí)際鉆進(jìn)深度比設(shè)計(jì)深度深10 20cm。
全文摘要
一種用熱棒群對(duì)多年凍土區(qū)隧道淺埋段進(jìn)行主動(dòng)熱防護(hù)的方法，收集隧址區(qū)的氣象資料，結(jié)合工程地質(zhì)勘察資料，查明隧道淺埋段圍巖的基本熱物理參數(shù)、多年凍土類型、上限深度、地溫年平均變化深度和年平均地溫；確定熱棒群的埋設(shè)范圍和埋設(shè)深度，按等邊三角形設(shè)置熱棒，按埋設(shè)深度確定熱棒長(zhǎng)度；采用鉆孔插入法埋設(shè)熱棒，利用熱棒可主動(dòng)將圍巖中的熱量抽吸出來(lái)散發(fā)到大氣中的“主動(dòng)”降溫特性，促進(jìn)隧道淺埋段熱融圈圍巖回凍以及在隧道圍巖中快速形成凍土防滲帷幕，對(duì)隧道淺埋段結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱防護(hù)。本防護(hù)方法可加快隧道淺埋段圍巖熱融圈回凍，縮短凍融循環(huán)期；解決了隧道淺埋段圍巖回凍周期長(zhǎng)、防排水系統(tǒng)易失效、支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)凍融破壞等問(wèn)題。
文檔編號(hào)E02D19/14GK103114600SQ20131006754
公開(kāi)日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2013年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月4日
發(fā)明者劉錕, 納啟財(cái), 楊永鵬, 馬清祥, 李?yuàn)^, 陳紅偉, 蔡漢成, 馬學(xué)元, 朱兆榮, 熊治文, 韓龍武, 趙相卿, 程佳, 唐彩梅, 牛東興, 李勇 申請(qǐng)人:中鐵西北科學(xué)研究院有限公司