一种用于超高地温隧道通风散热支护结构及使用方法技术

一种用于超高地温隧道通风散热支护结构，包括初期支护结构、防水层结构、隔热层结构、二次衬砌结构、通风散热结构、结构温度量测系统和横向连接管，所述的初期支护结构包括初喷结构、复喷结构，所述通风散热结构位于初喷结构内，所述的横向连接管将通风散热结构与隧道内气体交换系统相连。本发明专利技术在初期支护结构内设置通风散热结构，通过分等级式循环通风，实现通风散热结构内部高温气体与隧道内常温气体的空气交换，达到良好散热效果，克服高地温对支护结构的不利影响，提高长期高温作用下隧道支护结构的整体耐久性。本发明专利技术还提供一种用于超高地温隧道通风散热支护结构的使用方法。

A ventilation and heat dissipation support structure for super-high ground temperature tunnel and its application method

【技术实现步骤摘要】
一种用于超高地温隧道通风散热支护结构及使用方法
本专利技术属于隧道支护结构
，具体涉及一种超高地温隧道通风散热支护结构。本专利技术还涉及一种用于超高地温隧道通风散热支护结构的使用方法。
技术介绍
随着国家交通建设的大力发展，隧道工程及相关地下工程逐渐向长大深方向发展，高地温病害也逐步成为了隧道工程面临的一大难题。比如我国川藏铁路桑珠岭隧道施工中出现了89℃的高地温；云南高黎贡山铁路隧道施工中最高地温达到了60℃；新疆某水电站引水隧洞高地温地段掌子面实测最高环境温度达67℃，钻孔最高温度达82℃。超高地温的存在会对隧道工程施工建设及建成运营产生一系列不利影响。一方面，超高温会影响隧道支护结构物理力学参数，且隧道结构内外侧温度的不均匀分布会使得结构产生较大的温度应力，最终导致隧道结构承载能力和耐久性的大幅降低。另一方面，过高的环境温度会导致洞内机具机械工作条件恶化、工作效率降低，易使洞内设备故障频发，大幅提高运营成本。因此，为有效控制超高地温环境对隧道结构及其内部设备的不良影响，对于超高地温隧道结构散热隔热的研究尤为重要。目前，对于隧道散热隔热支护结构已有部分结构性创新：申请号201810218511.9公开了一种超高温隧道支护结构及使用方法，通过内置循环水管实现降温，但是在支护应力条件下，循环水管的一旦破坏将直接导致降温系统及隔热层的失效，且难以评价支护结构散热降温效果；专利号201510092058.8公开了一种高地温隧道隔热散热衬砌结构，但其施工包含部件较多，施工工艺复杂，现场实施较为麻烦，且仅采用自然通风散热，面临超高地温时散热降温效果难以保证；专利号201110148520.3公开的高地温隧道抗防热衬砌结构，单纯采用防热及抗热措施，未采取支护结构散热功能，支护结构长期安全性性难以保障。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是克服现有技术存在的不足，提供一种具有良好散热功能、施工便捷、可分级调控、具备结构温度评价功能的超高地温隧道支护结构，以解决超高地温条件下隧道结构安全性、耐久性能以及洞内作业环境温度过高等实际问题。其技术方案如下：包括初期支护结构、防水层结构、隔热层结构、二次衬砌结构，所述的初期支护结构包括初喷结构、复喷结构，所述的初喷结构施做于围岩表面，所述的复喷结构全面覆盖初喷结构，所述的防水层结构全面覆盖复喷结构，所述的隔热层结构铺设于防水层结构表面，所述的二次衬砌结构浇筑于隔热层结构表面，还包括通风散热结构、结构温度量测系统和横向连接管，所述通风散热结构位于初期支护结构内，所述的横向连接管将通风散热结构与隧道内气体交换系统相连。优选的，所述的通风散热结构包括环向中空钢架、纵向中空钢架，所述的环向中空钢架沿隧道纵向方向等间距设置于初喷结构表面，所述的纵向中空钢架设置于边墙处用于连接相邻的环向中空钢架，所述的环向中空钢架与纵向中空钢架采用焊接方式连接，形成密封的通风散热管道。优选的，所述的环向中空钢架选用双腹板H型钢。优选的，所述的气体交换系统包括送气泵、抽气泵，所述的送气泵和抽气泵通过横向连接管与通风散热结构相连，并实现气体交换。优选的，所述的结构温度量测系统包括初期支护结构温度测试探头、二次衬砌结构温度测试探头、送气口温度测试探头、出气口温度测试探头、测试引线、数据收集仪器，所述的初期支护结构温度测试探头设置于复喷结构内，所述的二次衬砌结构温度测试探头设置于二次衬砌结构内，所述的送气口温度测试探头设置于连接送气泵的横向连接管内，所述的出气口温度测试探头设置于连接抽气泵的横向连接管内，所述的测试引线用于数据收集仪器与初期支护结构温度测试探头、二次衬砌结构温度测试探头、送气口温度测试探头、出气口温度测试探头之间的数据连接。优选的，所述结构温度量测系统用于测量初期支护结构、二次衬砌结构、送气口和出气口温度，实现通风等级的划分和气体交换系统对应的工作状态的制定。一种用于超高地温隧道通风散热支护结构的使用方法，包括以下步骤：1）隧道完成开挖后，施做初期支护结构的初喷结构；2）在初喷结构表面装设通风散热结构，布设初期支护结构温度测试探头及测试引线，预留横向连接管接口；3）施做初期支护结构的复喷结构，全面覆盖包裹通风散热结构；4）在复喷结构表面铺设防水层结构；5）在防水层结构表面铺设隔热层结构；6）布设二次衬砌结构温度测试探头及测试引线，浇筑二次衬砌结构；7）插设横向连接管，并连接气体交换系统；8）布设送气口温度测试探头、出气口温度测试探头及测试引线；9）根据在时间间隔T内结构温度量测系统的定期测试数据，划分通风等级和制定气体交换系统对应的工作状态。优选的，步骤9）分为：①当初期支护结构测试温度T0小于正常温度T1时，送气泵（71）与抽气泵（72）可无需工作，或低风量运作；②当初期支护结构测试温度T0大于正常温度T1，且小于预警温度T2时，送气泵（71）与抽气泵（72）的通风总量V依据式1进行计算：式1式中：T为温度测试时间间隔；S为初期支护结构轮廓线周长；L为气泵纵向设置间距；T0为初期支护结构测试温度；T1为正常温度；α为综合换热系数；c为空气质量比热容；ρ为空气密度；t2为出气口空气测试温度；t1为送气口空气测试温度；③当初期支护结构测试温度T0大于预警温度T2，且小于危险温度T3时，送气泵（71）与抽气泵（72）的通风总量V依据式2进行计算：式2式中：c1为混凝土材料体积比热容；d为初期支护结构厚度；④当初期支护结构测试温度T0大于危险温度T3时，送气泵（71）与抽气泵（72）的通风总量V依据式3进行计算：式3式中：η为通风量放大系数。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效益：1、通过横向连接管将通风散热结构与隧道内气体交换系统相连，以通风降温方法，实现通风散热结构内部高温气体与隧道内常温气体的空气交换，进而降低支护结构内部温度。上述方法具有良好的散热效果，且高温气体的后续处理便捷，无需增加其他处理系统。同时，即便隧道运营后通风散热结构存在破损开裂，气体散热方法仍具有较好的散热效果，且不会出现混凝土侵蚀、隔热层材料失效、结构渗流水等水循环散热方法存在的固有隐患。2、选用双腹板H型钢的环向中空钢架，不仅在其内部提供了通风散热通道，用于环向中空钢架自身以及其周围混凝土结构的降温，而且翼缘板的存在能够增加环向中空钢架与支护结构的接触面积，提升冷却效率，此外环向中空钢架便于施工安装，且能够与初期支护结构协同受力，有效提高初期支护结构的整体刚度与承载能力，利于隧道稳定。3、设置在二衬结构外侧的隔热层结构，具备良好的隔热功能，能够进一步降低高岩温对于二次衬砌结构的不良影响，保障二次衬砌结构安全性。4、在隧道初期支护结构、二次衬砌结构等典型位置布置温度测试探头，通过测试引线传导，能够在数据采集仪器上实时了解隧道支护结构温度分布，为降温效果的评价提供数据支撑。同时，根据温度场的不同温度等级，可调整气体交换系统的工作状态，在尽可能降温成本的前提下，确保将支护结构温度降至合理范围。综上所述，本专利技术是在确保降温效果的前提下，提出了一种施工便捷、可分级调控、具备支护结构温度实时评价功能的新型隧道支护结构，能够有效控制超高地温所带来的结构不利影响，防止隧道内部环境作业温度过高情况的出现，保证隧道衬砌结构的整体耐久性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于超高地温隧道通风散热支护结构，包括初期支护结构（1）、防水层结构（3）、隔热层结构（4）、二次衬砌结构（5），所述的初期支护结构（1）包括初喷结构（11）、复喷结构（12），所述的初喷结构（11）施做于围岩表面，所述的复喷结构（12）全面覆盖初喷结构（11），所述的防水层结构（3）全面覆盖复喷结构（12），所述的隔热层结构（4）铺设于防水层结构（3）表面，所述的二次衬砌结构（5）浇筑于隔热层结构（4）表面，其特征在于，还包括通风散热结构（2）、结构温度量测系统（8）和横向连接管（6），所述通风散热结构（2）位于初期支护结构（1）内，所述的横向连接管（6）将通风散热结构（2）与隧道内气体交换系统（7）相连。

【技术特征摘要】
1.一种用于超高地温隧道通风散热支护结构，包括初期支护结构（1）、防水层结构（3）、隔热层结构（4）、二次衬砌结构（5），所述的初期支护结构（1）包括初喷结构（11）、复喷结构（12），所述的初喷结构（11）施做于围岩表面，所述的复喷结构（12）全面覆盖初喷结构（11），所述的防水层结构（3）全面覆盖复喷结构（12），所述的隔热层结构（4）铺设于防水层结构（3）表面，所述的二次衬砌结构（5）浇筑于隔热层结构（4）表面，其特征在于，还包括通风散热结构（2）、结构温度量测系统（8）和横向连接管（6），所述通风散热结构（2）位于初期支护结构（1）内，所述的横向连接管（6）将通风散热结构（2）与隧道内气体交换系统（7）相连。2.根据权利要求1所述的一种用于超高地温隧道通风散热支护结构，其特征在于：所述的通风散热结构（2）包括环向中空钢架（21）、纵向中空钢架（22），所述的环向中空钢架（21）沿隧道纵向方向等间距设置于初喷结构（11）表面，所述的纵向中空钢架（22）设置于边墙处用于连接相邻的环向中空钢架（21），所述的环向中空钢架（21）与纵向中空钢架（22）采用焊接方式连接，形成通风散热管道。3.根据权利要求2所述的一种用于超高地温隧道通风散热支护结构，其特征在于：所述的环向中空钢架（21）选用双腹板H型钢。4.根据权利要求1至3任一项所述的一种用于超高地温隧道通风散热支护结构，其特征在于：所述的气体交换系统（7）包括送气泵（71）、抽气泵（72），所述的送气泵（71）和抽气泵（72）通过横向连接管（6）与通风散热结构（2）相连，并实现气体交换。5.根据权利要求4所述的一种用于超高地温隧道通风散热支护结构，其特征在于：所述的结构温度量测系统（8）包括初期支护结构温度测试探头（81）、二次衬砌结构温度测试探头（82）、送气口温度测试探头（83）、出气口温度测试探头（84）、测试引线（85）、数据收集仪器（86），所述的初期支护结构温度测试探头（81）设置于复喷结构（12）内，所述的二次衬砌结构温度测试探头（82）设置于二次衬砌结构（5）内，所述的送气口温度测试探头（83）设置于连接送气泵（71）的横向连接管（6）内，所述的出气口温度测试探头（84）设置于连接抽气泵（72）的横向连接管（6）内，所述的测试引线（85）用于数据收集仪器（86）与初期支护结构温度测试探头...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹振兴，朱胥仁，彭学军，吴彪，陈佐林，陈彬，李一萍，阳军生，王薇，李林毅，刘守花，杨俊峰，杨曾，汤宇，李传书，苗永旺，
申请(专利权)人：中铁五局集团第一工程有限责任公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43