一种可控制膨胀岩隧道底鼓变形的袖阀式负压吸湿系统技术方案

本发明专利技术公开了一种可控制膨胀岩隧道底鼓变形的袖阀式负压吸湿系统，包括袖阀式注浆管、负压吸湿装置、控制系统；袖阀式注浆管打入于仰拱围岩中，袖阀式注浆管的管壁上密布有出浆孔，管内浇筑有吸湿性浆液，吸湿性浆液由出浆孔流出并渗入围岩缝隙中；袖阀式注浆管的内壁上埋设有多个湿度传感器，各湿度传感器沿袖阀式注浆管的长度方向间隔分布，袖阀式注浆管内还预埋有用于测量应变的光纤传感器；负压吸湿装置包括负压罐、负压传感器、真空泵和排水管道，所述负压罐可拆卸密封连接于袖阀式注浆管的顶端控制系统包括控制器和显示器，所述控制器分别与湿度传感器、光纤传感器和负压传感器信号连接。器信号连接。器信号连接。

【技术实现步骤摘要】
一种可控制膨胀岩隧道底鼓变形的袖阀式负压吸湿系统


[0001]本专利技术属于隧道
，具体涉及一种可控制膨胀岩隧道底鼓变形的袖阀式负压吸湿系统。

技术介绍

[0002]公路隧道及铁路隧道变形由多方面原因造成，主要原因有膨胀性围岩、挤压性围岩、地震、地下水压力、临近边坡活动、断层错动和流水冲刷等。在地下水富集的泥岩隧道，隧道衬砌变形与底鼓变形的根本原因在于水岩作用导致围岩力学性质劣化，这种现象在膨胀岩隧道中尤为明显。为防止隧道变形，一般将隧道设计为四心圆马蹄形，并在围岩中注浆来增加整体性。
[0003]袖阀式注浆管注浆工艺是目前比较先进的注浆工艺，能定深、定量、分序、分段、间歇并重复注浆，适应性强，能达到较好的防渗效果。该工艺使用的注浆工具为
ꢀ“
袖阀式注浆管”，袖阀式注浆管为内径50~60mm，为一次性的塑料管。注浆段为带射浆孔的花管，花管每隔50cm钻一组射浆孔，射浆孔呈梅花形布设，孔外包裹有5~8cm长的橡皮袖阀。袖阀式注浆管注浆法具有以下特点：（1）根据不同地层的物理力学参数，可选择不同注浆参数进行注浆作业；（2）浆液主要以渗透和劈裂形式填充地连墙接头管连接处的缝隙中，可起到较好的填充缝隙和固结的效果。
[0004]目前该方法存在的问题是在含水量较高的仰拱围岩区域，没有较好的排水手段。注浆的目的在于增加围岩整体性，但地下水富集区域围岩中孔隙水的存在会使混凝土压裂，导致混凝土强度丧失。通过导水纤维，湿度传感器可有效监测围岩含水率状态的可行性。
[0005]导水纤维内具有细小孔隙，这和土体的三相性类似。按Fredlund等人分析，图1中A
∗
点称为进气值，即当吸力增大到一定值时，空气开始进入土体中。B
∗
点称为残余含水率，当土中含水率低到该值以后吸力会随含水率的微小变化而剧烈地增大。
[0006]土水特征曲线的数学表达式曾被一些学者所研究，Fredlund等对这类表达式进行过汇总和归类。用统计分析理论导出的公式认为可以适用于所有的土类，其式如下：过汇总和归类。用统计分析理论导出的公式认为可以适用于所有的土类，其式如下：式中：a为拟合参数，c为粘聚力，为体积含水量，为基质吸力，为饱和含
水量，为残余含水量所对应的基质吸力。
[0007]由此可得到两种材料饱和含水率与当前含水率下的基质吸力，当浆液与岩土体中的基质吸力达到平衡时，说明水分不再迁移，通过预埋在袖阀式注浆管中的湿度传感器，可以推导出围岩中的含水率分布。
[0008]根据修正的达西定律亦即白金汉
‑
达西定律，非饱和土体中水分流动所应满足的运动方程可以表示如下V为渗流速度，K为非饱和渗透系数，p为空隙负压，r
w
为水的容重，z为重力势能。
[0009]由此可推断出，空隙负压越大，渗流速度越快，当真空泵工作时，孔隙水将流向负压较大处。

技术实现思路

[0010]本专利技术提供了一种可控制膨胀岩隧道底鼓变形的袖阀式负压吸湿系统，目的在于对含水量较高的仰拱围岩区域进行吸湿排水，以提高围岩区域混凝土的抗压强度。
[0011]为此，本专利技术采用如下技术方案：一种可控制膨胀岩隧道底鼓变形的袖阀式负压吸湿系统，包括袖阀式注浆管、负压吸湿装置和控制系统；所述袖阀式注浆管打入于仰拱围岩中，袖阀式注浆管的管壁上密布有出浆孔，管内浇筑有吸湿性浆液，吸湿性浆液由出浆孔流出并渗入围岩缝隙中；袖阀式注浆管的内壁上埋设有多个湿度传感器，各湿度传感器沿袖阀式注浆管的长度方向间隔分布，袖阀式注浆管内还预埋有用于测量应变的光纤传感器；所述负压吸湿装置包括负压罐、负压传感器、真空泵和排水管道，所述负压罐可拆卸密封连接于袖阀式注浆管的顶端，负压传感器设于负压罐内；负压罐上还设有出口，出口通过管道连接真空泵入口，真空泵的出口连接排水管道；所述控制系统包括控制器、储存器和显示器，所述控制器分别与湿度传感器、光纤传感器和负压传感器信号连接；所述负压吸湿系统的工作步骤如下：1）设置含水率阈值：在控制系统中设置围岩含水率阈值和应变阈值，含水率或应变超过设定的阈值时开启真空泵进行吸湿；2）绘制含水率分布图和变形量云图：通过各袖阀式注浆管的位置数据和袖阀式注浆管内各湿度传感器位置数据及检测的湿度值，绘制围岩区域的含水率三维分布图；通过各袖阀式注浆管的位置数据和袖阀式注浆管内光纤传感器检测的应变值，绘制围岩区域的三维变形量云图；通过云图划定含水率高和变形量大的区域，提高所述区域内袖阀式注浆管相连的真空泵工作功率；3）设置负压罐的负压等级：湿度传感器检测的含水率超过步骤1）设置的含水率阈值、或光纤传感器检测的应变值超过步骤1）设置的应变阈值时，依据实际检测值与阈值的比值，设置对应的负压罐负压等级，负压等级越高真空度越高；含水率实际检测值与阈值的
比值越大，对应的负压等级越高；应变检出值与阈值的比值越大，对应的负压等级越高。
[0012]进一步地，所述吸湿性浆液中添加有玻璃纤维材料和超吸水纤维材料。
[0013]进一步地，所述玻璃纤维材料以叶腊石、石英砂、石灰石、白云石、硼钙石和硼镁石为原料，经高温熔制、拉丝获得。
[0014]进一步地，所述超吸水纤维材料包括三(2
‑
羟乙基)异氰尿酸酯、3
‑
氨基己二酸和羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇、二硫化二异丙基黄原酸酯和水溶性致孔剂，制成皮层纺丝原液得到的超吸水纤维。
[0015]本专利技术的工作原理如下：围岩中的水分迁移可以认为是由于非饱和土体的毛细管压力水头（负压水头）引起的，其表达式可写为：（1）式（1）中：为入渗速度，a为岩土体粘滞系数，为负压水头，y为纤维材料底部位置水头，为流速的量纲。
[0016]由上式可知，当时，可以发生负压吸湿现象。
[0017]隧道开挖后，仰拱下方超吸水纤维的水头可用公式（2）计算：（2）式（2）中：为单位土体含水量，h为仰拱底部到下方超吸水纤维的最下方端部的相对高度；由（1）式与袖阀式注浆管内径，可得到负压的大致范围，即
‑
12kpa~
‑
24kpa。数值为含水率约20%的条件下计算得到，根据实际工程中的含水率，该数值也会随之变化。
[0018]本专利技术的玻璃纤维为无碱玻璃纤维，制备原料包括：叶腊石（SiO2,AlO3,CaO,Fe2O3,TiO2等）；68%左右石英砂（SiO2）;11%左右石灰石（CaO3）：12%左右白云石（CaMg(CO)）；9.8%左右硼钙石（Ca(H2O)[B2BO4(OH)3]）；0.3%硼镁石（Mg2[B2O4(OH)](OH)）。
[0019]无碱玻璃纤维：配置好后的成分及其含量为:SiO258~60%、CaO22~25%、Mg0：2~3.5%、Al2O3：12%~18%；R20：0.2~0.8%及SO3:0.1~0.4%，其中，R20为Na20和K2。具体制备过程可参考无碱超细玻璃纤维配方的制作技术。
[0020]超吸水纤维材料各成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可控制膨胀岩隧道底鼓变形的袖阀式负压吸湿系统，其特征在于，包括袖阀式注浆管、负压吸湿装置和控制系统；所述袖阀式注浆管打入于仰拱围岩中，袖阀式注浆管的管壁上密布有出浆孔，管内浇筑有吸湿性浆液，吸湿性浆液由出浆孔流出并渗入围岩缝隙中；袖阀式注浆管的内壁上埋设有多个湿度传感器，各湿度传感器沿袖阀式注浆管的长度方向间隔分布，袖阀式注浆管内还预埋有用于测量应变的光纤传感器；所述负压吸湿装置包括负压罐、负压传感器、真空泵和排水管道，所述负压罐可拆卸密封连接于袖阀式注浆管的顶端，负压传感器设于负压罐内；负压罐上还设有出口，出口通过管道连接真空泵入口，真空泵的出口连接排水管道；所述控制系统包括控制器、储存器和显示器，所述控制器分别与湿度传感器、光纤传感器和负压传感器信号连接；所述负压吸湿系统的工作步骤如下：1）设置含水率阈值：在控制系统中设置围岩含水率阈值和应变阈值，含水率或应变超过设定的阈值时开启真...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴红刚，周威扬，孔庆祥，王翔，袁荣涛，李永强，康万鹏，赵忠虎，张俊德，杨波，朱兆荣，牌立芳，程飞，尹威江，杨景川，张良峰，黄强斌，余和广，李在胜，侯仰庆，
申请(专利权)人：中铁一局集团第四工程有限公司，
类型：发明
国别省市：