一种寒区隧道竖井井口段的支护体系及防冻融破坏方法与流程

本发明属于土木工程中隧道施工，尤其涉及一种考虑地层冻融效应的寒冷地区隧道竖井井口段支护体系以及防冻融破坏方法。

背景技术：

1、近些年，在公路、铁路的建设过程中需要在高寒山区修筑大量山岭超特长隧道，而这种类型的隧道有很大比例采用竖井作为重要施工通道与运营通风的主要风道，而竖井建设面临着夏天温度升高土层消融、冬天温度降低土层冻结等问题，严重影响结构安全并且增加了运营成本。

2、目前隧道竖井采用双层钢筋混凝土衬砌结构。隧道竖井衬砌中的混凝土是由沙浆及粗骨料组成的毛细孔多孔体，在拌制时为了达到必要的易和性，拌合水的加入总多于水泥的水化水，多余的水便以游离水的形式滞留于混凝土中形成连通的毛细孔，并占有一定的体积这种自由活动水的存在是导致混凝土遭受冻融损坏的主要原因。由于水遇冷结冰会发生体积膨胀引起混凝土内部抗拉抗压结构强度的破坏，当混凝土处于保水状态时毛细孔中的水结冰胶凝孔中的水就处于过冷状态，因为混凝土孔隙中的冰点随孔径的减小而降低。混凝土饱和状态的混凝土受冻时其毛细孔壁同时承受膨胀压力和渗透压力，当两种压力超过混凝土的抗拉压力强度时，此时混凝土会裂开。寒冷地区的隧道竖井经过年复一年冻融循环，混凝土损伤不断扩大。就位于高海拔高寒多年冻土地区而言，竖井井口段围岩在温度的影响下会对竖井衬砌造成伤害，而造成竖井结构稳定性的破坏，进而威胁到整个工程的安全性。

3、当寒冷地区夏季地层消融时如图1所示，土体体积减小带来向下的负摩阻力，从而增加了竖井衬砌结构的负荷。承受该负摩阻力的衬砌由于围岩和衬砌的相对位移产生的附加应力是向下的，这种摩擦力把衬砌向下拖拽会使竖井衬砌结构内部应力增大进而发生破坏。而冬季该地区土体冻结又会使围岩体积膨胀如图2所示，向内挤压衬砌，衬砌在围岩的挤压下容易产生破裂。且由于围岩与衬砌结构产生相对位移，围岩将一向上摩擦力作用在衬砌结构上，有极大可能使衬砌结构强度大大降低，因此隧道竖井在围岩冻融效应下产生的损坏屡见不鲜。

4、申请号为“202021245019.x”的中国专利“一种用于严寒地区高速铁路隧道的保温防冻结构”，公开了一种用于严寒地区高速铁路隧道的保温防冻结构，包括初期支护，多根波纹钢管，波纹钢管均凹折为半圆形，且与初期支护的横断面的形状相一致，均紧贴于初期支护内壁，且沿隧道纵向并列排布；这种保温防冻结构能够减少和缓解围岩及二衬冻胀变形，防止保温板及隧道结构发生脱落。

5、申请号为“202311231693.0”的中国专利“一种新型隧道减隔震结构”，公开了一种新型隧道减隔震结构，包括围岩加固层；设置在所述围岩加固层内侧的初期支护层；设置在所述初期支护层内侧的减隔震层，所述减隔震层包括钢混复合结构；设置在所述减隔震层内侧的防水层；以及设置在所述防水层内侧的二次衬砌。其中减隔震层采用钢波纹板和弹性垫层形成钢混复合结构件，充分利用了钢波纹板和弹性垫层的特点。钢波纹板强度高、变形自适应能力强，弹性垫层能吸收部分地震动变形和能量，两者结合使用，极大提高了隧道的减隔震能力。

6、上述两件专利只是针对隧道工程中的保温或减振的需求，采用波纹钢管对变形进行减小和缓解，并没有分析寒区隧道竖井进口段在围岩冻结和冻融时对二次衬砌产生的破坏机理，并提出相应的解决措施。

7、综上，亟需一种考虑地层冻融效应的寒冷地区隧道竖井井口段支护体系以及防冻融破坏方法，以期有效克服竖井井口段围岩在温度变化时对竖井衬砌造成的伤害。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种考虑地层冻融效应的寒冷地区隧道竖井井口段支护体系，能够有效减小高寒地区竖井井口段地层在温度的影响下产生的形变对竖井结构造成的影响。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种寒区隧道竖井井口段的支护体系，包括由外向内层叠设置在竖井井口段的减阻保护构件、自适应支护结构和防水保温构件；

4、所述的减阻保护构件包括竖向设置的不锈钢板圆筒和支撑在不锈钢板圆筒下方的若干只弹簧基座，所述的不锈钢板圆筒紧贴围岩设置，不锈钢板圆筒的内表面和外表面均涂覆有黄油润滑脂；

5、所述的自适应支护结构为波纹钢板卷制的筒体结构，紧贴在减阻保护构件外层的黄油润滑脂设置；

6、所述的防水保温构件包括由外向内层叠设置的无纺土工织物、防水板和防冻材料，无纺土工织物紧贴自适应支护结构设置；防水保温构件的内层喷涂有钢筋混凝土二次衬砌。

7、上述寒区隧道竖井井口段的支护体系中，所述的不锈钢板圆筒的筒壁为与自适应波纹钢板波纹相匹配的波浪形结构。

8、上述寒区隧道竖井井口段的支护体系中，所述波纹钢板厚度在10-30mm。

9、上述寒区隧道竖井井口段的支护体系中，不锈钢板圆筒的钢板厚度在3-6mm。

10、上述寒区隧道竖井井口段的支护体系中，所述弹簧基座包括上底板、下底板和设置在上底板和下底板之间的若干只弹簧，所述的上底板上设置有固定不锈钢板圆筒的夹板。

11、上述寒区隧道竖井井口段的支护体系中，不锈钢板通过螺栓固定在夹板上。

12、上述寒区隧道竖井井口段的支护体系中，所述的弹簧基座固定在隧道竖井井口段下方的竖井正常段初期支护上。

13、上述寒区隧道竖井井口段的支护体系中，竖井的周向均布设置有4-8只弹簧基座。

14、上述寒区隧道竖井井口段的支护体系中，所述的防冻材料由聚酚醛防冻材料，所述的防水板为eva防水板。

15、一种寒区隧道竖井井口段的防冻融破坏方法，其特点在于：

16、(1)围岩冻结时：

17、井口段的围岩向内向上膨胀，减阻保护构件的黄油润滑脂减小围岩施加给衬砌的摩擦力，并通过不锈钢板圆筒将向上的摩擦力转移给下方的弹簧基座；自适应支护结构的波纹钢板筒体转移分散向内的水平挤压力，减小对二次衬砌破坏；

18、(2)围岩融沉时：

19、井口段的围岩向外向下收缩，减阻保护构件的黄油润滑脂减小围岩施加给衬砌的摩擦力，并通过不锈钢板圆筒将向下的摩擦力转移给下方的弹簧基座，减小二次衬砌内部应力损坏。

20、本发明具有以下有益效果：

21、1、本发明提出了一种用于寒区隧道竖井井口的支护体系，能够将围岩由于温度变化而产生的对衬砌结构的大部分应力转移分散，有效防止了或减小了寒区地层冻结和地层融沉两种情况下围岩对竖井衬砌的损伤。应用时，减阻保护构件的不锈钢板圆筒可将温度变化时井口段围岩施加给衬砌的向上或向下的摩擦力转移至支撑的弹簧基座上；而自适应支护结构的波纹钢板筒体自身转移分散围岩对二次衬砌向内的挤压力，从而有效减小了温度变化时围岩对支护结构的影响。

22、2、本发明的减阻保护构件中不锈钢板圆筒的内外均涂覆有黄油润滑脂，可以减小围岩施加给衬砌的摩擦力，同时减阻保护构件中不锈钢板和黄油润滑脂可以起到将自适应支护结构与围岩隔离起来的作用，让波纹钢板筒体在服役期间不会遭到腐蚀而强度降低，延长自适应支护结构的使用寿命。

23、3、本发明防水保温构件的eva防水板可有效防止围岩中的水分渗入衬砌结构，显著防止衬砌结构从内部冻融损坏；防冻材料可以有效防止内部结构由于温度剧烈变化而发生大形变。