详情

摘要

软弱围岩隧道冻结初期支护结构及施工方法，属于隧道支护结构技术领域，拱架的上下翼缘内部涂有绝缘层；制冷装置由N型半导体、P型半导体和金属垫片构成，将金属垫片错落粘贴在拱架上，并在金属垫片交叉位置上交替焊接N型半导体和P型半导体联结成电偶对；散热装置由连通管、散热器、通风管和抽风管组成，隧道开挖后安装带有制冷装置的拱架，将散热器布设于拱架内侧，相邻拱架用连通管连接；通风管插入拱架上引至隧道洞口，抽风管套入通风管，直流电源与制冷装置相连；本发明在不单独施做制冷系统，不影响拱架作用的情况下，不但可以在隧道软弱段周边围岩上形成冻土壳，隔水和控制隧道变形，增加隧道通风改善施工环境。

权利要求

1.软弱围岩隧道冻结初期支护结构，包括拱架（1）、制冷装置（2）、散热装置（3）和直流电源（4），其特征在于拱架（1）是由上翼缘（6）和下翼缘（7）内部涂有绝缘层（8）的弧形工字钢通过法兰（5）连接形成的闭合环；制冷装置（2）由N型半导体（9）、P型半导体（10）和金属垫片（11）组成，从拱架（1）下翼缘（7）开始沿环向将金属垫片（11）通过胶水错落粘贴在涂有绝缘层（8）的上翼缘（6）和下翼缘（7）上，直至最后粘贴在下翼缘（7）处在金属垫片（11）和第一次粘贴在下翼缘（7）的金属垫片（11）最接近时停止 ，按照金属垫片（11）安装的顺序，在下翼缘（7）和上翼缘（6）金属垫片（11）交叉位置交替焊接N型半导体（9）和P型半导体（10）形成串联的电偶对；散热装置（3）由连通管（12）、散热器（13）、通风管（14）和抽风管（15）组成，连通管（12）是两端带有内螺纹，外部涂有隔热层（16）的圆形钢管，散热器（13）是由矩形槽（17）和散热片（18）组成，矩形槽（17）外部涂有隔热层（16），两端分别带有与连通管（12）相匹配的外螺纹，散热片（18）平行于矩形槽（17）长边均匀布设于矩形槽（17）内，将散热器（13）沿拱架（1）环向均匀布设，槽口焊接于下翼缘（7）外侧，用连通管（12）将相邻拱架（1）的散热器（13）相连接，通风管（14）是由标准节（19）拼接而成，标准节（19）为直径与连通管（12）相同的圆形钢管，两端分别带有内螺纹和外螺纹，通风管（14）插入距隧道洞口最近的散热器（13）并引至隧道洞口（23），抽风管（15）为L形钢管，短边带有内螺纹，长边焊接有雨帽（20），抽风管（15）短边套入通风管（14）；直流电源（4）为隧道洞口仰坡上的太阳能光伏板，利用开关（21）和导线（22）将拱架（1）下翼缘（7）的第一个N型半导体（9）金属垫片（11）和下翼缘（7）最后一个P型半导体（10）金属垫片（11）分别连接在直流电源（4）的正、负极上，形成闭合通路。

2.根据权利要求1所述的软弱围岩隧道冻结初期支护结构，其特征在于：所述的法兰（5）在与工字钢焊接处的上翼缘（6）和下翼缘（7）内侧留有可供金属垫片（11）穿过的矩形孔（24），孔壁内侧涂有绝缘层（8）。

3.根据权利要求1所述的软弱围岩隧道冻结初期支护结构，其特征在于：所述的矩形槽（17）长度与拱架（1）的下翼缘（7）宽度相同。

4.根据权利要求1所述的软弱围岩隧道冻结初期支护结构，其特征在于：所述的散热片（18）为薄壁钢片，厚度和宽度分别与矩形槽（17）的壁厚和深度相同。

5.根据权利要求1所述的软弱围岩隧道冻结初期支护结构，其特征在于：所述的抽风管（15）直径和壁厚与通风管（14）相同。

6.根据权利要求1所述的软弱围岩隧道冻结初期支护结构，其特征在于：所述的雨帽（20）的顶面伞状铁片，伞状铁片下部焊接有两根钢筋支架。

7.软弱围岩隧道冻结初期支护结构的施工方法，其特征在于，其步骤为：（1）预制拱架（1）：根据选择的隧道开挖工法在加工厂预制环形工字钢和连接法兰（5），并连接形成拱架（1）；（2）制冷装置（2）制作和安装：根据隧道围岩情况和拱架（1）的尺寸预制金属垫片（11）、N型半导体和P型半导体，从拱架（1）下翼缘（7）开始沿环向将金属垫片（11）通过胶水错落粘贴在涂有绝缘层（8）的上翼缘（6）和下翼缘（7）上，直至最后粘贴在下翼缘（7）处在金属垫片（11）和第一次粘贴在下翼缘（7）的金属垫片（11）最接近时停止，按照金属垫片（11）安装的顺序，在下翼缘（7）和上翼缘（6）金属垫片（11）交叉位置交替焊接N型半导体（9）和P型半导体（10）形成串联的电偶对；（3）散热装置（3）制作和安装：根据软弱围岩距隧道洞口的长度、制冷装置（2）的电偶对数目、拱架（1）的尺寸和设计间距预制连通管（12）、抽风管（15）、矩形槽（17）、散热片（18）、标准节（19）和雨帽（20），将散热片（18）插入矩形槽（17）内固定形成散热器（13），依据预设的散热器（13）位置在隧道洞口固定并拼接标准节（19）至软弱围岩处形成固定的通风管（14），将抽风管（15）安装在隧道洞口通风管（14）上，使抽风管（15）的长边朝上，并在长边末端焊接雨帽（20）；（4）直流电源（4）的制作和安装：根据制冷装置（2）的电偶对数目，在隧道洞口（23）安装能够提供足够电量的太阳能光伏板作为直流电源（4），安装开关（21）并将导线（22）引至隧道软弱围岩处；（5）第一排拱架（1）安装：在法兰（5）处将拱架（1）拆分，软弱围岩进行第一步开挖，并将拆分后的相应部位拱架（1）安装至隧道开挖处，在拱架（1）相应位置安装散热器（13），并与通风管（14）相连，拱架（1）间喷射混凝土后；隧道进行第二步开挖，将相应部位的拱架（1）与已安装拱架（1）通过法兰（5）连接并在新架设拱架（1）上安装散热器（13），拱架（1）间喷射混凝土；按上述步骤直至拱架（1）封闭成环后分别将直流电源（4）的正极连接在拱架（1）下翼缘（7）第一个N型半导体（9）金属垫片（11）上，负极连接拱架（1）下翼缘（7）最后一个P型半导体（10）金属垫片（11）上，补喷混凝土，闭合开关（21）接通电源；（6）第二排拱架（1）安装：待第一排拱架（1）附近软弱围岩冻结后，断开开关（21），按照（5）的步骤安装第二排拱架（1），并利用连通管（12）将相邻拱架（1）的散热器（13）相连，与第一排拱架（1）并联，闭合开关（21）接通电源；（7）重复步骤（6）的安装步骤进行后续拱架的安装，直至隧道完全穿越软弱围岩段。

说明书

软弱围岩隧道冻结初期支护结构及施工方法

技术领域

[0001]本发明属于隧道工程支护结构技术领域，具体涉及软弱围岩隧道冻结初期支护结构技术，特别适用于穿越软弱围岩的公路和铁路隧道。

背景技术

[0002]近年来高速公路、铁路等大型交通基础设施在西部山区开工建设，地形和地质情况极端复杂的隧道工程项目数量不断增多。软弱围岩是极端复杂地质条件中最为常见的工程地质条件之一，在西部山区隧道建设中穿越软弱围岩的隧道工程日趋增多。然而软弱围岩隧道的修筑一直以来是世界性的难题。大量的工程实践表明，在软弱围岩区建设隧道时，极易出现渗水、大变形、整体位移等问题，严重时出现侵占隧道净空、大面积塌方等情况，时刻威胁隧道施工人员的安全，同时大面积换拱和处理塌方成倍的增加了隧道的工程造价，延误工期，更甚者引发线路改道和隧址废弃等更为严重的问题。

[0003]为了防止在软弱围岩区段施工隧道时的大变形、塌方、整体位移和渗水等工程问题，在隧道建设过程中主要从减轻施工扰动、增加衬砌强度和提高周边围岩承载能力等三个方面来保障隧道施工的安全。然而，减轻施工扰动和增加衬砌强度无法解决隧道渗水，围岩承载力低不宜形成承载拱的根源问题，注浆法和冻结法是提高围岩承载能力，解决隧道渗水较为有效的方法，但采用注浆法时有异物进入土壤，噪音大，对环境污染严重已逐渐不能满足未来工程建设发展的趋势，传统的冻结法施工是是在富水土层内打入钢管，利用液氮的循环使土层冻结，形成坚硬的冻土壳，在隧道施工前需要单独安装调试冻结系统，需要开挖的周边土体完全冻结后隧道施工仍然需要按照传统的隧道施工步骤进行施工，并且隧道施工完成后冻结系统构件拆卸困难，其施工周期长，造价高昂，通常仅应用地铁，煤矿和城市地下管线的施工。因此，我们迫切需要一种施工工序简单，在不污染环境情况下能提高隧道周边围岩承载能力的软弱围岩隧道支护结构，来改善软弱围岩特性，控制软弱围岩隧道大变形、整体位移的来解决上述问题。

发明内容

[0004]针对上述软弱围岩隧道施工方法的不足，基于保护环境，改善软弱围岩特性，降低工程造价，节约资源的原则，提供一种软弱围岩隧道冻结初期支护结构及施工方法，解决传统软弱围岩隧道施工方法工序复杂，造价高昂，对周边环境污染严重以及无法改善软弱围岩特性，有效控制隧道大变形、整体位移等缺点，从而减少软弱围岩区隧道施工时材料和人力资源的浪费，降低工程造价，提高隧道施工的安全。

[0005]本发明是软弱围岩隧道冻结初期支护结构及施工方法，软弱围岩隧道冻结初期支护结构，包括拱架、制冷装置、散热装置和直流电源；拱架是由上翼缘和下翼缘内部涂有绝缘层的弧形工字钢通过法兰连接形成的闭合环；制冷装置由N型半导体、P型半导体和金属垫片组成，从拱架下翼缘开始沿环向将金属垫片通过胶水错落粘贴在涂有绝缘层的上翼缘和下翼缘上，直至最后粘贴在下翼缘处在金属垫片和第一次粘贴在下翼缘的金属垫片最接近时停止，按照金属垫片安装的顺序，在下翼缘和上翼缘金属垫片交叉位置交替焊接N型半导体和P型半导体形成串联的电偶对；散热装置由连通管、散热器、通风管和抽风管组成，连通管是两端带有内螺纹，外部涂有隔热层的圆形钢管，散热器是由矩形槽和散热片组成，矩形槽外部涂有隔热层，两端分别带有与连通管相匹配的外螺纹，散热片平行于矩形槽长边均匀布设于矩形槽内，将散热器沿拱架环向均匀布设，槽口焊接于下翼缘外侧，用连通管将相邻拱架的散热器相连接，通风管是由标准节拼接而成，标准节为直径与连通管相同的圆形钢管，两端分别带有内螺纹和外螺纹，通风管插入距隧道洞口最近的散热器并引至隧道洞口，抽风管为L形钢管，短边带有内螺纹，长边焊接有雨帽，抽风管短边套入通风管；直流电源为隧道洞口仰坡上的太阳能光伏板，利用开关和导线将拱架下翼缘的第一个N型半导体金属垫片和下翼缘最后一个P型半导体金属垫片分别连接在直流电源的正、负极上，形成闭合通路。

[0006]本发明的软弱围岩隧道初期支护结构的施工方法，其步骤为：

[0007]（1）预制拱架：根据选择的隧道开挖工法在加工厂预制环形工字钢和连接法兰，并连接形成拱架；

[0008]（2）制冷装置制作和安装：根据隧道围岩情况和拱架的尺寸预制金属垫片、N型半导体和P型半导体，从拱架下翼缘开始沿环向将金属垫片通过胶水错落粘贴在涂有绝缘层的上翼缘和下翼缘上，直至最后粘贴在下翼缘处在金属垫片和第一次粘贴在下翼缘的金属垫片最接近时停止，按照金属垫片安装的顺序，在下翼缘和上翼缘金属垫片交叉位置交替焊接N型半导体和P型半导体形成串联的电偶对；

[0009]（3）散热装置制作和安装：根据软弱围岩距隧道洞口的长度、制冷装置的电偶对数目、拱架的尺寸和设计间距预制连通管、抽风管、矩形槽、散热片、标准节和雨帽，将散热片插入矩形槽内固定形成散热器，依据预设的散热器位置在隧道洞口固定并拼接标准节至软弱围岩处形成固定的通风管，将抽风管安装在隧道洞口通风管上，使抽风管的长边朝上，并在长边末端焊接雨帽；

[0010]（4）直流电源的制作和安装：根据制冷装置的电偶对数目，在隧道洞口安装能够提供足够电量的太阳能光伏板作为直流电源，安装开关并将导线引至隧道软弱围岩处；

[0011]（5）第一排拱架安装：在法兰处将拱架拆分，软弱围岩进行第一步开挖，并将拆分后的相应部位拱架安装至隧道开挖处，在拱架相应位置安装散热器，并与通风管相连，拱架间喷射混凝土后，隧道进行第二步开挖，将相应部位的拱架与已安装拱架通过法兰连接并在新架设拱架上安装散热器，拱架间喷射混凝土，按上述步骤直至拱架封闭成环后分别将直流电源的正极连接在拱架下翼缘第一个N型半导体金属垫片上，负极连接拱架下翼缘最后一个P型半导体金属垫片上，补喷混凝土，闭合开关接通电源；

[0012]（6）第二排拱架安装：待第一排拱架（1）附近软弱围岩冻结后，断开开关，按照的步骤安装第二排拱架，并利用连通管将相邻拱架的散热器相连，与第一排拱架并联，闭合开关接通电源；

[0013]（7）重复步骤（6）的安装步骤进行后续拱架的安装，直至隧道完全穿越软弱围岩段。

[0014]本发明的有益效果：本发明充分利用钢拱架的形状和结构特点，将半导体制冷、散热技术和烟囱效应原理引入隧道初期支护结构，构造出一种具有主动冻结功能的软弱围岩隧道初期支护结构，其优点为：（1）利用拱架上下翼缘和腹板间的空间安装半导体制冷装置，在不改变拱架原有功能的的情况下增加制冷功能，不污染隧道周边环境和增加施工工序的同时，可在隧道拱架外圈周边形成坚硬的冻土壳，提高围岩的自承能力和隔水效果，解决软弱围岩隧道的不收敛变形和塌方等问题，防止隧道开挖过程中的突水突泥灾害和后期二次衬砌的渗漏水问题；（2）将隧道作为天然的进风通道，将散热器、连通管、通风管和抽风管相互连接作为排风通道，加速隧道施工掌子面空气的流通，同时带走散热器内制冷过程中产生的热量，提升了制冷装置的制冷能力，清洁隧道内的空气优化了施工人员的工作环境；（3）利用连通管代替隧道拱架间的连接筋，在通风的同时对拱架起到连接作用，降低施工成本，减少施工工序；（4）本发明结构简单，施工方便，利用太阳能清洁能源作为动力，保护环境，减小了资源的消耗。

附图说明

[0015]图1是本发明结构的空间示意图；图2是本发明结构的剖面图；图3是法兰示意图；图4是散热器示意图；图5是通风管示意图；图6是抽风管示意图；图7是连通管示意图；图8是标准节示意图；附图标记说明：拱架1、制冷装置2、散热装置3、直流电源4、法兰5、上翼缘6、下翼缘7、绝缘层8、N型半导体9、P型半导体10、金属垫片11、连通管12、散热器13、通风管14、抽风管15、隔热层16、矩形槽17、散热片18、标准节19、雨帽20、开关21、导线22、隧道洞口23、矩形孔24。

具体实施方式

[0016]下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明，所举实例只用于解释本发明，并非用于限制本发明。在本发明原理内，所做的修改、等同替换和改进都属于本发明的保护范围。

[0017]本发明的工作原理是：（1）冻结支护原理：利用太阳能光伏板将光能转化为电能作为直流电源，直流电源的正负极和拱架内N型半导体和P型半导体形成的串联的电偶对相接，在电流作用下使N型半导体内低能级电荷向高能级P型半导体流动并从外界吸收热量形成冷面，从而冻结拱架外周边软弱围岩，在不影响环境和初期支护结构功能的同时提高了软弱围岩的物理力学参数，并形成坚硬的冻土壳隔水防渗；（2）加速对流散热原理：拱架的下翼缘处在电流作用下使高能级P型半导体电荷向低能级N型半导体流动释放热量形成热面，拱架下翼缘放热使散热器内的空气和散热片温度上升，在热压作用下热空气经散热器、连通管和通风管向抽风管加速流动，外界空气从隧道洞口流入形成对流，在带走散热器内热空气的同时加速隧道掌子面的空气流通。

[0018]如图1 图8所示，软弱围岩隧道冻结初期支护结构及施工方法包括拱架1、制冷装置2、散热装置3和直流电源4；拱架1是由上翼缘6和下翼缘7内部涂有绝缘层8的弧形工字钢通过法兰5连接形成的闭合环；制冷装置2由N型半导体9、P型半导体10和金属垫片11组成，从拱架1下翼缘7开始沿环向将金属垫片11通过胶水错落粘贴在涂有绝缘层8的上翼缘6和下翼缘7上，直至最后粘贴在下翼缘7处在金属垫片11和第一次粘贴在下翼缘7的金属垫片11最接近时停至，按照金属垫片11安装的顺序，在下翼缘7和上翼缘6金属垫片11交叉位置交替焊接N型半导体9和P型半导体10形成串联的电偶对；散热装置3由连通管12、散热器13、通风管14和抽风管15组成，连通管12是两端带有内螺纹，外部涂有隔热层16的圆形钢管，散热器13是由矩形槽17和散热片18组成，矩形槽17外部涂有隔热层16，两端分别带有与连通管12相匹配的外螺纹，散热片18平行于矩形槽17长边均匀布设于矩形槽17内，将散热器13沿拱架1环向均匀布设，槽口焊接于下翼缘7外侧，用连通管12将相邻拱架1的散热器13相连接，通风管14是由标准节19拼接而成，标准节19为直径与连通管12相同的圆形钢管，两端分别带有内螺纹和外螺纹，通风管14插入距隧道洞口最近的散热器13并引至隧道洞口23，抽风管15为L形钢管，短边带有内螺纹，长边焊接有雨帽20，抽风管15短边套入通风管14；直流电源4为隧道洞口仰坡上的太阳能光伏板，利用开关21和导线22将拱架1下翼缘7的第一个N型半导体9金属垫片11和下翼缘7最后一个P型半导体10金属垫片11分别连接在直流电源4的正、负极上，形成闭合通路。

[0019]如图1、图2和图3所示，法兰5在与工字钢焊接处的上翼缘6和下翼缘7内侧留有可供金属垫片11穿过的矩形孔24，孔壁内侧涂有绝缘层8。

[0020]如图1、图2和图4所示，矩形槽17的长度与拱架1的下翼缘7宽度相同。

[0021]如图2和图4所示，散热片18为薄壁钢片，厚度和宽度分别与矩形槽17的壁厚和深度相同。

[0022]如图1和图6所示，抽风管15直径和壁厚与通风管14相同，短边长度为0.5-1.0m，长边长度为1.0-2.0m。

[0023]如图1和图6所示，雨帽20为顶面为伞状铁片，顶面下部焊接有两根0.2-0.4m长的钢筋支架；

[0024]本发明施工顺序宜采用分步法施工，其步骤为：

[0025]（1）预制拱架1：根据选择的隧道开挖工法在加工厂预制环形工字钢和连接法兰5，并连接形成拱架1；

[0026]（2）制冷装置2制作和安装：根据隧道围岩情况和拱架1的尺寸预制金属垫片11、N型半导体和P型半导体，从拱架1下翼缘7开始沿环向将金属垫片11通过胶水错落粘贴在涂有绝缘层8的上翼缘6和下翼缘7上，直至最后粘贴在下翼缘7处在金属垫片11和第一次粘贴在下翼缘7的金属垫片11最接近时停止，按照金属垫片11安装的顺序，在下翼缘7和上翼缘6金属垫片11交叉位置交替焊接N型半导体9和P型半导体10形成串联的电偶对；；

[0027]（3）散热装置3制作和安装：根据软弱围岩距隧道洞口的长度、制冷装置2的电偶对数目、拱架1的尺寸和设计间距预制连通管12、抽风管15、矩形槽17、散热片18、标准节19和雨帽20，将散热片18插入矩形槽17内固定形成散热器13，依据预设的散热器13位置在隧道洞口固定并拼接标准节19至软弱围岩处形成固定的通风管14，将抽风管15安装在隧道洞口通风管14上，使抽风管15的长边朝上，并在长边末端焊接雨帽20；

[0028]（4）直流电源4的制作和安装：根据制冷装置2的电偶对数目，在隧道洞口23安装能够提供足够电量的太阳能光伏板作为直流电源4，安装开关21并将导线22引至隧道软弱围岩处；

[0029]（5）第一排拱架1安装：在法兰5处将拱架1拆分，软弱围岩进行第一步开挖，并将拆分后的相应部位拱架1安装至隧道开挖处，在拱架1相应位置安装散热器13，并与通风管14相连，拱架1间喷射混凝土后，隧道进行第二步开挖，将相应部位的拱架1与已安装拱架1通过法兰5连接并在新架设拱架1上安装散热器13，拱架1间喷射混凝土，按上述步骤直至拱架1封闭成环后分别将直流电源4的正极连接在拱架1下翼缘7第一个N型半导体9金属垫片11上，负极连接拱架1下翼缘7最后一个P型半导体10金属垫片11上，补喷混凝土，闭合开关21接通电源；

[0030]（6）第二排拱架1安装：待第一排拱架1附近软弱围岩冻结后，断开开关21，按照5的步骤安装第二排拱架1，并利用连通管12将相邻拱架1的散热器13相连，与第一排拱架1并联，闭合开关21接通电源；

[0031]（7）重复（6）的安装步骤进行后续拱架的安装，直至隧道完全穿越软弱围岩段。