[發明專利]用熱棒群對多年凍土區隧道淺埋段進行主動熱防護的方法

有效

• 申請號: 201310067546.4
• 申請日: 2013-03-04
• 公開（公告）號: CN103114600A
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 發明（設計）人: 劉錕;納啟財;楊永鵬;馬清祥;李奮;陳紅偉;蔡漢成;馬學元;朱兆榮;熊治文;韓龍武;趙相卿;程佳;唐彩梅;牛東興;李勇
• 申請（專利權）人: 中鐵西北科學研究院有限公司
• 主分類號: E02D19/14
• 分類號: E02D19/14;E21F17/00
• 代理公司: 甘肅省知識產權事務中心 62100
• 代理人: 李琪

技術領域

本發明屬于多年凍土區隧道熱防護技術領域，涉及一種促進多年凍土區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保證隧道淺埋段結構安全的熱防護技術，特別涉及一種用熱棒群對多年凍土區隧道淺埋段進行主動熱防護的方法；該方法的防護效果可以實現自動監測。?

背景技術

近年來，在西部大開發的背景下，作為國民經濟基礎性、先導性產業的交通事業得到了全面發展，我國在青藏高原多年凍土區隧道修筑技術方面也取得了初步成就?！笆濉逼陂g，隨著國家“五縱五橫”交通網絡工程的建設，西部交通事業也將得到更為迅猛的發展。總結前期經驗，進行技術創新，進一步提高多年凍土區隧道建設水平是擺在廣大工程技術人員面前的一項重要任務。

凍土特殊的物理力學性質以及圍巖凍融作用、凍脹力等因素的存在，給多年凍土區隧道結構的可靠性提出了更高的要求。特別在洞口淺埋段（一般指隧道埋深小于2倍洞徑的區段），由于隧道結構所處環境溫度主要受大氣溫度影響，變化幅度大，同時施工造成的熱融圈（圍巖活動層）接近或與多年凍土上限重疊，凍結層上水易向洞周匯集，因此該段隧道極易出現襯砌開裂、漏水、掛冰等凍融破壞現象。國內已建成的多年凍土區隧道工程，在洞口淺埋段防護方面除加強支護結構外，其余基本都采用與非淺埋段相同的措施，即在初期支護與二次襯砌（或二次襯砌表面）之間設置保溫板作為隔熱層，依靠調整“熱阻”進行“被動”熱防護。防護效果監測也采取與其他洞身段相同的方法，即通過在洞周徑向鉆孔，孔內埋設元件進行監測。

目前普遍采用的多年凍土隧道洞口淺埋段圍巖防護及其效果監測技術主要存在如下問題：

1）加強支護結構強度方面：在提高隧道支護結構強度的同時，也給隧道圍巖發生凍脹時提供了更大的抗力，支護結構受到的凍脹力也隨之增加，因此其防護效果相對不明顯。同時，加強支護一般需要擴大開挖斷面，增加的工程費用較高，經濟性較差。

2）設置隔熱保溫層方面：在隧道初期支護與二次襯砌（或二次襯砌表面）之間設置隔熱保溫層，可以提高隧道支護結構層的“熱阻”，減少隧道圍巖與隧道內環境之間的熱交換，對減弱隧道圍巖的凍融活動有積極意義。但也存在一些問題，如隔熱層對圍巖熱融圈的回凍有阻滯作用，同時減緩了熱融圈內圍巖寒季時的凍結速度，易在支護結構外側形成層狀、網狀結構凍土，產生一定程度的“分凝凍脹”，加劇圍巖的凍脹程度。

3）防護效果監測技術方面：目前普遍采用的洞內監測技術比較成熟，但也有一些不足之處，如元件埋設等作業必須與隧道施工同時進行，不可避免地會給隧道開挖、支護等工作造成一定的干擾；隧道開挖作業時容易破壞監測設備；監測設備預埋管件穿過隧道防水板處易出現滲漏水問題；埋入圍巖的監測器件損壞后無法修復；監測設備必須設置于隧道限界與襯砌之間有限的空間處，安裝、維護不方便等。?

發明內容

本發明提供了一種通過在隧道頂部地表設置熱棒群，用該熱棒群對多年凍土區隧道淺埋段進行主動熱防護的方法，促進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”降溫原理（與隔熱、保溫等被動措施相比，熱棒工作時可主動將圍巖中的熱量源源不斷地抽吸出來散發在大氣中）對隧道淺埋段結構進行熱防護，提高隧道防護的可靠性及經濟性，并自動監測防護效果。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案是：一種用熱棒群對多年凍土區隧道淺埋段進行主動熱防護的方法，利用熱棒的“主動”降溫特性，促進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，對隧道淺埋段結構進行熱防護，提高隧道防護的可靠性及經濟性，該主動防護方法具體為：?

步驟1：收集隧址區的氣象資料，結合工程地質勘察資料，查明隧道淺埋段圍巖的基本熱物理參數、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：確定熱棒群埋設深度、位置、范圍及平面布置形式

1）熱棒群埋設深度

在隧道淺埋段對應的洞頂地表放出隧道中線，在隧道中線上按2～5m間距逐點測出地表高程，結合隧道施工圖紙中的設計高程按下式計算出隧道中線上確定的每個點對應的隧道拱頂外緣的實際埋深：

隧道拱頂外緣的實際埋深=實測出的該點地表高程－隧道設計高程－隧道凈高－支護結構層厚度；

2）熱棒群的埋設位置、范圍：

沿隧道縱向：熱棒群的埋設范圍從仰坡刷坡線后3～5m開始，至隧道拱頂外緣實際埋深達到下式的計算值時終止，

隧道拱頂外緣實際深度=?2×該處多年凍土上限深度+隧道熱融圈的厚度；?