隧道防水減震隔熱一體化關(guān)鍵技術(shù)研究

王復(fù)明，郭成超，孫 博，王浩然，關(guān) 歡，劉建友，霍建勛，答子虔

(1.中山大學(xué)土木工程學(xué)院,廣州 510275; 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031; 3.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055; 4.中國(guó)鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司,北京 100038)

引言

隨著西部大開(kāi)發(fā)和“一帶一路”倡議的實(shí)施,穿越強(qiáng)震區(qū)、富水環(huán)境及高低溫帶的交通隧道大量涌現(xiàn)[1],如雅康高速新二郎山隧道穿越?；藬嗔褞2],玉磨鐵路甘莊隧道穿越富水炭質(zhì)千枚巖層狀地層[3],拉林鐵路桑珠嶺隧道探孔溫度高達(dá)89.5 ℃等[4]。當(dāng)隧道路段經(jīng)過(guò)高烈度地震帶、裂隙發(fā)育巖體、高寒區(qū)地帶、高溫水熱活動(dòng)帶、地?zé)岙惓^(qū)等不良地質(zhì)段時(shí),運(yùn)營(yíng)期內(nèi)極易發(fā)生隧道襯砌裂損坍塌、滲漏水、結(jié)構(gòu)凍脹破壞等病害,進(jìn)一步嚴(yán)重影響交通質(zhì)量,危及隧道內(nèi)行車(chē)安全并縮短維護(hù)周期和使用壽命[5-7]。因此,如何保證強(qiáng)震區(qū)、富水環(huán)境及高低溫帶隧道的安全性和穩(wěn)定性,預(yù)防運(yùn)營(yíng)期隧道震害、水災(zāi)害、凍害熱害對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響是當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)難題。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多采用理論分析、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法僅分別從減震、防水和保溫隔熱單方面提出針對(duì)穿越高烈度、富水區(qū)、高低溫帶交通隧道的災(zāi)變機(jī)理與治理措施[8-13],但在實(shí)際建設(shè)中,西部地區(qū)地質(zhì)極端多變,如西部某高原鐵路面臨高地震烈度、高地應(yīng)力、高水壓和大規(guī)模涌突水、高寒高地溫等復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境,多種致災(zāi)因子可能在某一區(qū)段和某個(gè)時(shí)段并存或并發(fā),單一的災(zāi)害防控技術(shù)顯然無(wú)法滿足隧道建設(shè)需求,而目前對(duì)于考慮復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境作用下隧道震害、水害及凍熱害防治的一體化研究較為欠缺[4]。

近年來(lái),高聚物注漿技術(shù)在隧道、公路、橋梁、大壩等基礎(chǔ)設(shè)施的加固和維修中得到了大量應(yīng)用[14-16],但傳統(tǒng)的高聚物材料存在工藝復(fù)雜、穩(wěn)定性差、防水加固效果難以保證等缺點(diǎn)[17],為此,研究團(tuán)隊(duì)以異氰酸酯和多元醇為基料研發(fā)一種新型非水反應(yīng)類(lèi)高聚物噴涂材料,該材料具有安全環(huán)保、反應(yīng)迅速且可調(diào)節(jié)、柔韌性良好、抗?jié)B防水、耐久性好等一系列特點(diǎn),綜合性能優(yōu)良[18]。

研究團(tuán)隊(duì)基于新型高聚物材料在隧道減震隔震、防水阻滲、高低溫保溫隔熱以及高聚物噴涂施工關(guān)鍵技術(shù)方面所取得的一系列研究成果,在此基礎(chǔ)上形成適用于運(yùn)行和在建隧道的防水減震保溫隔熱技術(shù)體系,并開(kāi)展隧道防水減震隔熱一體化技術(shù)示范工程,相關(guān)研究成果可為高烈度、富水環(huán)境及高低溫帶隧道安全設(shè)計(jì)施工提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 隧道防水阻滲技術(shù)研究

已有工程實(shí)踐表明,嚴(yán)重的隧道滲漏水和突涌水已影響到隧道安全運(yùn)營(yíng)。高聚物材料本身具有優(yōu)異的防水特性,高聚物材料及注漿技術(shù)在隧道工程的突涌水和滲漏水等水災(zāi)害的處治中得到了成功的運(yùn)用[19]?；诟呔畚锊牧狭己玫姆浪匦?隧道高聚物減震層和保溫隔熱層噴涂施工后可代替原防水板,起到防水的作用。

1.1 高聚物材料防水性能研究

防水性能測(cè)試依據(jù)GB 50404—2017《硬泡聚氨酯保溫防水工程技術(shù)規(guī)范》,試樣采用現(xiàn)場(chǎng)取樣,直徑為150 mm,厚15 mm(±0.2 mm)的圓餅形試件,每一樣品準(zhǔn)備3個(gè)試樣進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)前,試樣在溫度(23±2) ℃、相對(duì)濕度45%～55%的環(huán)境中放置48 h進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)。試驗(yàn)結(jié)果顯示(圖1):40,60,80 ℃下高聚物噴涂材料均可在0.2 MPa水壓力下保壓2 h以上,滿足規(guī)范中0.2 MPa水壓力下保壓30 min的要求,證明該材料防水性能良好。材料的起始滲透壓力p與溫度呈負(fù)指數(shù)關(guān)系,當(dāng)溫度高于60 ℃后降低幅度減緩,說(shuō)明噴涂型高聚物材料在高溫下抗?jié)B性能的適應(yīng)性良好。

圖1 不同溫度下高聚物材料抗?jié)B性能Fig.1 Permeability resistance of polymer materials at different temperatures

1.2 高聚物材料抗?jié)B等級(jí)測(cè)試

為得到新型高聚物材料的抗?jié)B等級(jí),參照水工混凝土的滲透評(píng)價(jià)方法,針對(duì)不同密度高聚物試件進(jìn)行滲透性能測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明,高聚物材料的抗?jié)B性能隨高聚物材料密度的增大而提高。當(dāng)高聚物材料密度達(dá)到0.6 g/cm3時(shí),其起始滲水壓力達(dá)到1 MPa,即可以承受100 m的水頭。按水工混凝土抗?jié)B等級(jí)劃分方法,抗?jié)B等級(jí)相當(dāng)于10級(jí)。不同密度高聚物材料滲透起始?jí)毫χ等绫?所示。

表1 不同密度高聚物材料滲透起始?jí)毫χ礣able 1 Initial pressure values of permeability for polymer materials with different densities

水利工程防滲帷幕注漿時(shí),高聚物材料的密度不低于0.2 g/cm3,其起始滲水壓力可達(dá)到0.55 MPa,即可以承受55 m的水頭壓力。另外,可以根據(jù)不同工程的實(shí)際需要,控制注漿量,可調(diào)節(jié)高聚物材料密度,完成不同工程的抗?jié)B需求。

1.3 高聚物材料抗水壓性能試驗(yàn)

針對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)期高溫有壓熱水在高聚物防水層與初次襯砌間的滲流問(wèn)題,設(shè)計(jì)水熱耦合下噴涂型高聚物材料抗水壓性能試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行初步探索,如圖2所示,結(jié)果發(fā)現(xiàn),極粗糙混凝土表面下終止水壓力較光滑表面下終止水壓力提升37.5%,說(shuō)明粗糙的初次襯砌表面可有效阻止有壓熱水的層間流動(dòng),進(jìn)而控制有壓水的竄流。

圖2 混凝土板內(nèi)滲流水壓分布Fig.2 Distribution of seepage water pressure in concrete slabs

2 隧道減震隔震技術(shù)研究

目前隧道抗、減震措施主要包括改變襯砌剛度、注漿加固、設(shè)置減震層、變形縫等[20-21],圍巖和襯砌間設(shè)置柔性減震層是隧道較為常見(jiàn)的減隔震措施。但我國(guó)西部隧址區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜,現(xiàn)有減震材料存在耐久性差、強(qiáng)度低等突出問(wèn)題,且缺乏成熟的施工工藝[22]。因此,針對(duì)新型高聚物材料進(jìn)行力學(xué)與減震性能測(cè)試,并進(jìn)行隧道減震數(shù)值分析,為后續(xù)隧道防水減震隔熱一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù),這里僅考慮高聚物減震層作為巖土和隧道結(jié)構(gòu)間的減震層結(jié)構(gòu),盾構(gòu)法和鉆爆法施工隧道結(jié)構(gòu)的減隔震機(jī)理基本一致,因此,這里借用基于高聚物減震層的盾構(gòu)隧道研究成果予以說(shuō)明。

2.1 高聚物材料力學(xué)特性試驗(yàn)

基于掃描電鏡(SEM)和GDS-RCA共振柱系統(tǒng),研究動(dòng)剪應(yīng)變、圍壓和密度對(duì)高聚物噴涂材料動(dòng)力特性的耦合影響規(guī)律和機(jī)理。結(jié)果表明,高聚物材料存在大量孔隙,屬于泡孔結(jié)構(gòu)材料,不同密度材料的泡孔形狀與胞體間隙不一致,有利于材料的耗能減震。研究結(jié)果表明:隨著動(dòng)剪應(yīng)變的增大,高聚物噴涂材料的動(dòng)剪切模量呈線性減小,阻尼比增速先快后慢;同密度條件下,圍壓越大,高聚物噴涂材料的動(dòng)剪切模量越大,阻尼比越小;動(dòng)剪應(yīng)變、圍壓和密度對(duì)該材料的動(dòng)剪切模量耦合影響效應(yīng)顯著,圍壓和密度對(duì)其阻尼比耦合影響效應(yīng)顯著,同時(shí)給出動(dòng)剪切模量與密度的函數(shù)關(guān)系式(圖3),適用于工程實(shí)際中快速計(jì)算不同圍壓條件下由不同密度高聚物構(gòu)成的減震隔振層的動(dòng)剪切模量[23-24]。

圖3 高聚物噴涂材料力學(xué)性能試驗(yàn)Fig.3 Mechanical property test of polymer spraying materials

2.2 高聚物材料減震性能試驗(yàn)

為進(jìn)一步研究基于高聚物減隔震層包裹的隧道在地震作用下圍巖和襯砌管片不同位置加速度、應(yīng)力應(yīng)變和位移的變化規(guī)律及地震動(dòng)力響應(yīng),揭示高聚物材料的減隔震機(jī)理,開(kāi)展隧道高聚物減震材料振動(dòng)臺(tái)和離心機(jī)物理模型試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:采用外包高聚物隔震層的隧道復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu),管節(jié)張開(kāi)量平均減小36%以上,且全斷面包裹形式優(yōu)于半斷面包裹形式,如圖4所示,進(jìn)一步驗(yàn)證了高聚物減震層的減震效果[25-26]。

圖4 離心機(jī)物理模型試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Centrifuge physical model test results

2.3 隧道減震數(shù)值分析

為進(jìn)一步分析隧道結(jié)構(gòu)減震隔震效果,針對(duì)高聚物材料鋪設(shè)形式與位置,基于有限元計(jì)算軟件ABAQUS采用無(wú)限元邊界,建立多個(gè)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型來(lái)研究有無(wú)隔震層、不同密度、厚度與動(dòng)態(tài)彈性模量隔震層隧道襯砌結(jié)構(gòu)的抗震性能,對(duì)比不同工況下襯砌結(jié)構(gòu)的拉伸應(yīng)力,如圖5所示。結(jié)果顯示,施加高聚物減震層后,隧道隔震性能顯著提升。隔震層密度、厚度、動(dòng)態(tài)彈性模量是隧道隔震效果的決定因素,隔震層密度越低,厚度越厚,動(dòng)態(tài)彈性模量越小,隔震效果越好[27]。

圖5 隧道減震數(shù)值分析結(jié)果Fig.5 Numerical analysis results of tunnel vibration reduction

3 隧道保溫隔熱技術(shù)研究

高地溫主要致災(zāi)形式包括導(dǎo)致隧道內(nèi)部濕熱環(huán)境、加劇隧道圍巖變形與破壞和誘發(fā)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)失效[28]。目前,高低溫隧道主要通過(guò)物理降溫、通風(fēng)調(diào)熱、隔熱襯砌等技術(shù)降低隧道熱害[29-31]。長(zhǎng)久來(lái)看,襯砌結(jié)構(gòu)在高地溫隧道災(zāi)害防控中具有重要作用,其不僅能提高圍巖穩(wěn)定性,而且能夠隔水隔熱,有效調(diào)控隧道內(nèi)熱濕環(huán)境[29]。因此,研究新型高聚物材料的隔熱性能,并在此基礎(chǔ)上提出適用于高低溫環(huán)境的隧道襯砌結(jié)構(gòu)。

3.1 高聚物材料保溫性能試驗(yàn)

為測(cè)試新型高聚物材料隔熱性能,團(tuán)隊(duì)基于中山大學(xué)試驗(yàn)室的Hot Disk 2500S進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定試驗(yàn),揭示環(huán)境溫度、材料密度和厚度對(duì)高聚物導(dǎo)熱系數(shù)的影響規(guī)律,如表2、表3所示。同時(shí)開(kāi)展高聚物掃描電鏡試驗(yàn),從微觀角度分析高聚物材料的孔隙特征及其對(duì)保溫性能的影響[32],如圖6所示。

表2 不同材料密度高聚物導(dǎo)熱系數(shù)(T=20 ℃)Table 2 Thermal conductivity of polymers with different material densities (T=20 ℃)

表3 不同厚度密度高聚物導(dǎo)熱系數(shù)(T=20 ℃,ρ=0.07 g/cm3)Table 3 Thermal conductivity of polymers with different thicknesses and densities (T=20 ℃,ρ=0.07 g/cm3)

圖6 不同密度下高聚物材料的微觀結(jié)構(gòu)Fig.6 Microstructure of polymer materials with different densities

試驗(yàn)結(jié)果表明,高聚物的閉孔結(jié)構(gòu)使其具有極高的阻隔水蒸氣性能。-40～10 ℃和20～90 ℃兩階段,隨溫度升高,高聚物泡孔內(nèi)外出現(xiàn)溫度差,氣體及材料固體分子熱運(yùn)動(dòng)加速,導(dǎo)熱系數(shù)升高,且溫度越高,氣體分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)越劇烈,導(dǎo)熱系數(shù)升高越快。在溫度較低時(shí),高聚物導(dǎo)熱系數(shù)隨密度增大而呈現(xiàn)增大趨勢(shì),密度每增加1 g/cm3,導(dǎo)熱系數(shù)增大0.170 9 W/(m·K)。溫度較高時(shí),高聚物導(dǎo)熱系數(shù)隨密度增大而呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)。高聚物導(dǎo)熱系數(shù)隨厚度增大而基本不變。

3.2 隧道保溫?cái)?shù)值分析

為進(jìn)一步分析隧道結(jié)構(gòu)保溫隔熱效果,針對(duì)有無(wú)隔熱層、不同厚度隔熱層與不同導(dǎo)熱系數(shù)等工況,對(duì)隧道隔熱效果進(jìn)行數(shù)值分析。結(jié)果表明,隔熱層能夠有效阻隔熱量的傳遞(圖7),不同厚度隔熱層對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)分布半徑相差較大,初步結(jié)論是隨隔熱層厚度的增加,溫度場(chǎng)分布半徑有減小的趨勢(shì);隨著導(dǎo)熱系數(shù)的增大,隧道二襯內(nèi)外側(cè)溫度均有所增加,且均表現(xiàn)為初期較快,后續(xù)趨于平緩,導(dǎo)熱系數(shù)區(qū)分與之前相同,導(dǎo)熱系數(shù)越小,隧道二襯自身溫度越低,能夠有效改善二襯受力[32]。

圖7 隧道結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化Fig.7 Temperature field of tunnel structure changes over time

以新疆G580線和田至康西瓦公路隧道為算例,將隧道進(jìn)口處斷面作為分析斷面,針對(duì)隧道洞口段保溫層保溫效果、隧道多年凍土段圍巖徑向溫度場(chǎng)分布特征與隧道保溫層厚度進(jìn)行數(shù)值分析。結(jié)果表明,寒區(qū)隧道洞口段,合理設(shè)置保溫層可以有效地減小隧道凍融范圍,減少凍害,保溫層表面鋪設(shè)可以對(duì)圍巖起到明顯的保溫作用。

4 隧道防水減震隔熱一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

基于新型高聚物材料,針對(duì)高烈度、富水環(huán)境及高低溫帶隧道防水減震保溫需求,提出山嶺隧道“圍巖-初襯-高聚物-二襯”復(fù)合式襯砌支護(hù)體系,如圖8所示。復(fù)合式襯砌由初期支護(hù)與二次襯砌組成,Ⅴ、Ⅳ級(jí)圍巖、洞口加強(qiáng)段及斷層破碎帶等軟弱圍巖地段在初期支護(hù)和二次襯砌之間設(shè)置高聚物緩沖層,代替原防水板達(dá)到以減震為主兼顧防水隔熱的目的。復(fù)合式襯砌分為全斷面和半斷面高聚物噴涂包裹。

圖8 全斷面、半斷面高聚物噴涂復(fù)合式襯砌示意Fig.8 Schematic diagram of full section and half section polymer spraying composite lining

復(fù)合式襯砌初期支護(hù)以噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼拱架為主要支護(hù)手段,Ⅴ、Ⅳ級(jí)圍巖、洞口加強(qiáng)段及斷層破碎帶等軟弱圍巖地段輔以超前管棚、超前小導(dǎo)管或超前錨桿等預(yù)支護(hù)措施;二次襯砌均采用模筑混凝土,整體式模板臺(tái)車(chē)澆筑。

5 隧道高聚物噴涂施工關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)研究

為研究新型高聚物材料的現(xiàn)場(chǎng)噴涂效果,采用大直徑混凝土管道近似模擬隧道內(nèi)襯曲面結(jié)構(gòu)進(jìn)行高聚物噴涂試驗(yàn),針對(duì)噴涂施工的全過(guò)程工序進(jìn)行操作和測(cè)試,包括基面預(yù)處理、噴涂設(shè)備壓力控制、噴嘴運(yùn)動(dòng)參數(shù)調(diào)整、噴涂質(zhì)量檢查及修補(bǔ)等項(xiàng)目。研究噴涂高聚物過(guò)程中壓力、物料的初始溫度、走槍速度、噴涂距離、噴涂角度等工藝參數(shù)對(duì)涂層性能的影響,給出了最佳噴涂工藝參數(shù)范圍[33]。

5.1 試驗(yàn)基本情況

噴涂試驗(yàn)采用的設(shè)備體系主要包括原料儲(chǔ)存運(yùn)輸處理系統(tǒng)、原料輸送系統(tǒng)、計(jì)量泵送及加熱系統(tǒng)、送料管系統(tǒng)以及噴槍等5部分。試驗(yàn)流程和順序如下:先通過(guò)改變?cè)撟禹?xiàng)目(噴涂壓力、物料初始溫度等)的試驗(yàn)參數(shù),隨后進(jìn)行噴涂操作,并以最終是否會(huì)對(duì)噴涂隔震層的質(zhì)量產(chǎn)生影響為試驗(yàn)結(jié)束準(zhǔn)則,最后進(jìn)行該子項(xiàng)目技術(shù)參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的定型,在此子項(xiàng)目技術(shù)參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,開(kāi)展下一子項(xiàng)目(噴槍運(yùn)動(dòng)參數(shù))試驗(yàn)的研究工作。

5.2 噴涂效果影響因素分析

高聚物噴涂試驗(yàn)結(jié)果表明:①環(huán)境因素方面,高聚物發(fā)泡受溫度的影響很大,發(fā)泡依靠熱量而進(jìn)行,如果沒(méi)有熱量,體系中的發(fā)泡劑就無(wú)法蒸發(fā),從而無(wú)法生成泡沫塑料,此外,風(fēng)速過(guò)大,將會(huì)吹走霧化顆粒,增加原料損耗;②噴涂壓力方面,噴涂壓力與高聚物擴(kuò)散半徑成正比,此外,噴涂壓力越大,霧化效果越好,但是當(dāng)壓力過(guò)大,濺料程度越重;③物料初始溫度方面,起始溫度越高,涂層脫粘時(shí)間越小;④?chē)姌屵\(yùn)動(dòng)參數(shù)方面,走槍速度越大,覆蓋層均勻性更差,單次噴涂層厚度越低。噴射距離對(duì)噴涂效果影響顯著,噴射距離較小時(shí)由于噴槍壓力較大,物料出槍時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的飛濺現(xiàn)象,造成噴涂層的不均勻,噴射距離較大時(shí)由于受到物料的自重和風(fēng)速的影響,霧狀物料成拋物線噴灑在基面上,噴射效果亦不佳。當(dāng)噴嘴與基面不垂直時(shí),將會(huì)造成噴涂表面質(zhì)量不均、厚度較難控制等問(wèn)題,因此以噴嘴垂直隧道基面為宜,最佳噴涂工藝參數(shù)如表4所示。

表4 噴涂工藝參數(shù)合理取值范圍Table 4 Reasonable range of spraying process parameters

5.3 高聚物層噴涂工序研究

根據(jù)表4提供的噴涂工藝參數(shù),進(jìn)行高聚物層在隧道模型上的整體噴涂施工工序研究。研究表明,最優(yōu)噴涂工序?yàn)?①將聚合物漿液噴涂到目標(biāo)表面上,形成第一層,厚度約為1 cm;②繼續(xù)噴涂到第一層上以立即形成厚度低于20 mm的第二層;③重復(fù)步驟②,直到總厚度的平均值達(dá)到高聚物層的設(shè)計(jì)厚度。噴涂過(guò)程與效果如圖9所示[33]。

圖9 高聚物層噴涂過(guò)程與效果Fig.9 Spraying process and effect of polymer layer

6 隧道防水減震隔熱一體化技術(shù)示范

為進(jìn)一步論證新型高聚物材料防水減震隔熱性能與實(shí)際應(yīng)用效果,在崇禮鐵路隧道3號(hào)斜井進(jìn)洞口約90 m處進(jìn)行高聚物噴涂現(xiàn)場(chǎng)施工,并布設(shè)監(jiān)測(cè)裝置。隧址區(qū)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變,基本地震動(dòng)峰值加速度為0.10g,抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度,節(jié)理、裂隙發(fā)育地段以及巖性接觸帶水量較豐富,地處嚴(yán)寒地區(qū),冬季寒冷且漫長(zhǎng),凍結(jié)期較長(zhǎng)。

6.1 實(shí)施方案

整個(gè)高聚物噴涂作業(yè)工程參考GB 50404—2017《硬泡聚氨酯保溫防水工程技術(shù)規(guī)范》。高聚物噴涂的基本流程包括以下幾部分:基層處理→檢測(cè)基層含水率、環(huán)境溫濕度及風(fēng)速檢測(cè)→配制涂刷高聚物封閉底涂→設(shè)備安裝調(diào)試及試噴→高聚物正式噴涂→檢測(cè)硬泡高聚物質(zhì)量→修整泡沫高聚物→噴涂水泥砂漿→清洗噴涂機(jī)等?，F(xiàn)場(chǎng)使用專(zhuān)用噴涂設(shè)備在隧道基層上連續(xù)多遍噴涂發(fā)泡高聚物后形成無(wú)接縫硬質(zhì)泡沫體,隧道基層上噴涂硬泡高聚物形成高閉孔率、具有防水減震保溫一體化功能的構(gòu)造層。具體噴涂過(guò)程與效果如圖10所示。

圖10 隧道防水減震保溫隔熱一體化噴涂效果Fig.10 Integrated spraying effect of waterproof, shock-absorbing, thermal insulation and insulation in tunnels

6.2 結(jié)果分析

由于隧址區(qū)屬于低烈度地震帶,并且僅是對(duì)上述工藝的驗(yàn)證和示范,監(jiān)測(cè)期內(nèi)隧道未發(fā)生地震災(zāi)害與滲水事故,因此不作減震防水對(duì)比分析。保溫方面,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明,未設(shè)置隔溫層時(shí),在距襯砌至深處圍巖0～258 cm范圍內(nèi)溫度基本在0 ℃以上。一周溫度變化范圍不大,隨著冬季冷空氣的進(jìn)入,圍巖溫度整體逐漸降低。從溫度關(guān)系看,線長(zhǎng)越長(zhǎng)(埋入圍巖越深)所測(cè)得的溫度值就越高。當(dāng)外界大氣溫度較低時(shí),由淺至深,溫度差值分布明顯。距襯砌表面50 cm內(nèi)溫度變化幅度最為劇烈;距襯砌表面200 cm處圍巖溫度變化較為平緩。同時(shí)混凝土的導(dǎo)熱性要比圍巖差,即混凝土相對(duì)于圍巖具有較高的抗凍性。

如表5所示,在無(wú)保溫層測(cè)試斷面處,溫度隨著隧道洞外氣溫的劇烈變化而變化;鋪設(shè)防凍保溫層后,斷面圍巖溫度變化較為平緩,同時(shí),距襯砌表面100 cm后圍巖溫度隨時(shí)間變化更為平緩,表明高聚物保溫層可以達(dá)到隔絕隧道內(nèi)冷空氣向圍巖傳遞的目的。

表5 有無(wú)保溫層距襯砌表面不同距離圍巖溫度Table 5 Temperature of surrounding rock with or without insulation layer at different distances from the lining surface

7 結(jié)論與展望

受復(fù)雜賦存環(huán)境的影響,隧道震害、隧道水災(zāi)害、隧道熱害和隧道凍害變成制約西部地區(qū)隧道工程安全建設(shè)的重大難題。為此,以“隧道防水減震隔熱一體化關(guān)鍵技術(shù)”為研究核心,從新型高聚物材料研發(fā)入手,圍繞防水減震保溫性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程施工參數(shù)優(yōu)化與示范應(yīng)用等開(kāi)展相關(guān)研究與思考,結(jié)論如下。

(1)在現(xiàn)有高聚物材料基礎(chǔ)上,研發(fā)韌性高粘非水反應(yīng)高聚物材料,建立基于高聚物材料的隧道結(jié)構(gòu)防水減震隔熱的作用模型與分析方法,基于材料力學(xué)、減震、防水、隔熱相關(guān)測(cè)定試驗(yàn),證明新型高聚物材料良好的隔震防滲阻熱特性。

(2)結(jié)合數(shù)值分析,基于隧道高聚物減震材料振動(dòng)臺(tái)和離心機(jī)模型試驗(yàn),驗(yàn)證高聚物層的減震保溫效果,提出隧道“圍巖-初襯-高聚物-二襯”復(fù)合式襯砌支護(hù)體系。

(3)基于隧道高聚物防水減震隔熱層噴涂施工物理模型試驗(yàn),研究環(huán)境因素、噴涂壓力、噴槍運(yùn)動(dòng)參數(shù)等因素對(duì)涂層性能的影響,并以實(shí)際工程為依托,開(kāi)展隧道高聚物防水減震隔熱層現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)示范,進(jìn)行隧道防水-減震-隔熱功能的一體化應(yīng)用,并進(jìn)一步論證高聚物材料的保溫效果。

目前,西部地區(qū)交通隧道現(xiàn)已分階段陸續(xù)開(kāi)工建設(shè),相關(guān)研究成果可進(jìn)一步研究并應(yīng)用于高烈度地震區(qū)、富水環(huán)境區(qū)、高溫高寒區(qū)等具有典型致災(zāi)因子的隧道施工建設(shè)中,提升我國(guó)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下隧道建養(yǎng)水平。然而,研究成果尚未進(jìn)行大量應(yīng)用,缺乏施工經(jīng)驗(yàn)與進(jìn)一步效果論證,且隨著后續(xù)西部艱險(xiǎn)地區(qū)交通隧道全面建設(shè),或?qū)⒚媾R更多未知的、復(fù)雜的工程科學(xué)難題。因此,更加細(xì)致與深入地研究工作有必要進(jìn)一步開(kāi)展與推進(jìn),現(xiàn)有的研究思路和成果還需在后續(xù)工程應(yīng)用中不斷完善和細(xì)化。