本發(fā)明涉及一種水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)，特別適用于高地溫地區(qū)高壓水工隧洞的襯砌結(jié)構(gòu)，屬于水利水電工程技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)背景

在高地溫(巖體初始溫度高于30攝氏度)地區(qū)興建的高壓(工作水頭大于等于100米)水工隧洞在首次通水運(yùn)行時(shí)，水溫較低而巖體溫度相對(duì)較高，襯砌的內(nèi)外壁出現(xiàn)內(nèi)冷外熱的溫度梯度，而溫度梯度將引起襯砌出現(xiàn)環(huán)向拉應(yīng)力；此外，較高的內(nèi)水壓力同樣使得襯砌出現(xiàn)環(huán)向拉應(yīng)力。在溫度梯度和內(nèi)水壓力所產(chǎn)生的環(huán)向拉應(yīng)力的迭加作用下，采用現(xiàn)行《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》所推薦的混凝土或鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)因抗拉性能有限難以避免出現(xiàn)襯砌結(jié)構(gòu)嚴(yán)重開裂的問題，襯砌嚴(yán)重開裂將導(dǎo)致襯砌的防止?jié)B漏與分擔(dān)內(nèi)水壓力和圍巖壓力的功用降低或喪失，造成內(nèi)水外滲、圍巖失穩(wěn)等影響工程的安全運(yùn)行的不利后果。

玄武巖纖維材料由廣泛分布的玄武巖制備而成，具有良好的抗拉性能，抗拉強(qiáng)度一般為3000～4800MPa，且具有耐腐蝕性能好、成本低廉的特點(diǎn)，其單位造價(jià)遠(yuǎn)低于碳纖維材料以及鋼板，與碳纖維材料以及鋼板增強(qiáng)的鋼筋混凝土襯砌相比，玄武巖纖維網(wǎng)格增強(qiáng)鋼筋混凝土襯砌在工程造價(jià)上明顯較低。

純聚脲涂層致密、連續(xù)、無任何催化劑、無噴涂厚度限制，具有良好的隔水、耐水、耐老化、耐腐蝕、耐交變溫度、耐疲勞沖擊、耐磨性能，還具有高抗拉強(qiáng)度與高伸長率的特性。因此，對(duì)于高地溫條件下的水工高壓隧洞，初期襯砌的外壁表面噴涂聚脲彈性體隔水層，可有效阻絕當(dāng)二次襯砌出現(xiàn)貫穿裂縫時(shí)低溫高壓水與高溫圍巖的直接接觸，從而降低熱對(duì)流，避免圍巖水力劈裂破壞，進(jìn)一步保障了高地溫水工高壓隧洞的襯砌結(jié)構(gòu)安全與圍巖穩(wěn)定性。

公開號(hào)為CN101481930B的發(fā)明專利公開了一種纖維編制網(wǎng)復(fù)合鋼筋混凝土的建筑結(jié)構(gòu)及其制備方法，該發(fā)明是通過在混凝土初凝之前，將精細(xì)混凝土和纖維編制網(wǎng)澆注在結(jié)構(gòu)受張拉區(qū)的外側(cè)的方式，達(dá)到有效控制裂縫、解決混凝土開裂、鋼筋腐蝕的問題的目的。該發(fā)明對(duì)于結(jié)構(gòu)受拉區(qū)處于結(jié)構(gòu)下部或結(jié)構(gòu)受拉區(qū)處于一個(gè)曲面上的情況，在施工上是難以實(shí)現(xiàn)的，且不適用于高地溫地區(qū)高壓水工隧洞。

公開號(hào)為CN104695980A的發(fā)明專利公開了一種用于高埋深、高地溫、高地應(yīng)力巖爆地區(qū)的發(fā)電引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)，該發(fā)明在巖壁內(nèi)側(cè)固定有一層隔熱材料，通過混凝土襯砌上的兩條榫式永久應(yīng)力釋放縫釋放襯砌應(yīng)力。但是，該發(fā)明不適用于高地應(yīng)力、高內(nèi)水壓力條件。這是因?yàn)?，一般的隔熱材料因?yàn)槎嗫滋匦酝W(xué)強(qiáng)度很低，在高地應(yīng)力或高內(nèi)水壓荷載作用下將導(dǎo)致隔熱材料壓縮變形破壞與水力劈裂破壞，從而導(dǎo)致隔熱效果不佳；此外，該發(fā)明所用的榫式永久應(yīng)力釋放縫難以解決在溫度驟降作用下襯砌內(nèi)壁表層因局部溫度應(yīng)力過大而開裂的問題以及內(nèi)壁表層開裂后因水力剝落而掉渣掉塊等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)本發(fā)明要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明目的在于提供一種適用于高地溫地區(qū)高內(nèi)水壓力條件下運(yùn)行工作的水工隧洞的襯砌結(jié)構(gòu)，旨在解決當(dāng)前廣泛采用的混凝土或鋼筋混凝土材料的襯砌結(jié)構(gòu)在高地溫與高內(nèi)水壓力荷載聯(lián)合作用下嚴(yán)重開裂并危及圍巖穩(wěn)定的問題。

(二)本發(fā)明的技術(shù)方案

用于高地溫高壓水工隧洞的玄武巖纖維網(wǎng)格增強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)，從隧洞圍巖表面往隧洞洞壁依次為初期襯砌、隔水層和二次襯砌，

所述初期襯砌為鋼筋混凝土層；

所述隔水層包括初期襯砌外壁表面的混凝土封閉底漆層和混凝土封閉底漆層外表面的聚脲彈性體層；

所述二次襯砌為內(nèi)部埋設(shè)有玄武巖纖維網(wǎng)格的鋼筋混凝土層。

進(jìn)一步的，所述的混凝土封閉底漆層厚度不超過0.1mm。

進(jìn)一步的，所述的聚脲彈性體層厚度為3-7mm。

進(jìn)一步的，所述的玄武巖纖維網(wǎng)格配網(wǎng)于二次襯砌內(nèi)壁表層，保護(hù)層厚度為5-10mm，網(wǎng)孔尺寸介于5-30mm之間。

進(jìn)一步的，所述的玄武巖纖維網(wǎng)格由玄武巖纖維編織，或由玄武巖纖維與以下任意一種纖維混合編織：碳纖維、芳綸纖維、耐堿玻璃纖維、超高分子量聚乙烯纖維和PBO纖維。

進(jìn)一步的，所述的玄武巖纖維網(wǎng)格通過限位支撐件與二次襯砌中的環(huán)向受力鋼筋固定。

進(jìn)一步的，所述的限位支撐件為“L”型短鋼筋，一端固定環(huán)向鋼筋上，另一端綁扎固定玄武巖纖維網(wǎng)格。

進(jìn)一步的，所述的限位支撐件在單個(gè)橫斷面上的數(shù)量不低于16個(gè)，限位支撐件數(shù)量隨洞徑的增大而加密，隨玄武巖纖維網(wǎng)格剛度的降低而加密，所述的限位支撐件在洞軸線方向上的密度取決于實(shí)際固定效果。

進(jìn)一步的，所述的混凝土封閉底漆層為100％固含量的環(huán)氧或聚氨酯類涂料。

進(jìn)一步的，所述的聚脲彈性體層為純聚脲材料。

(三)本發(fā)明的有益效果

1.本發(fā)明利用高抗拉強(qiáng)度、耐腐蝕的玄武巖纖維對(duì)鋼筋混凝土二次襯砌進(jìn)行增強(qiáng)，可有效提高襯砌結(jié)構(gòu)的裂縫控制能力、承載能力、抗水力剝落能力與耐久性。

2.本發(fā)明利用隔水性能良好的純聚脲彈性體作為二次襯砌與圍巖之間的隔水層，當(dāng)二次襯砌一旦出現(xiàn)貫穿性裂縫時(shí)，可有效阻斷高溫圍巖與低溫高壓水的直接接觸，從而降低熱對(duì)流，避免圍巖水力劈裂破壞，有利于提高襯砌結(jié)構(gòu)的可靠性與耐久性。

3.本發(fā)明的施工實(shí)現(xiàn)更為簡單，工程造價(jià)低，可以克服內(nèi)層為鋼板的組合式襯砌結(jié)構(gòu)或預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的施工難度大、工程造價(jià)高等局限性問題。

4.與碳纖維或纖維編制網(wǎng)增強(qiáng)混凝土相比較，本發(fā)明無需配制精細(xì)混凝土，結(jié)構(gòu)形式簡單，造價(jià)低，對(duì)于結(jié)構(gòu)受拉區(qū)處于結(jié)構(gòu)下部或結(jié)構(gòu)受拉區(qū)處于一個(gè)曲面上的情況，施工難度小，結(jié)構(gòu)不分層，整體性好。

5.本發(fā)明的襯砌結(jié)構(gòu)具有較好的抗裂、限裂、抗沖刷、抗水力剝落、抗?jié)B隔水等能力，適用于高地溫地區(qū)的高壓水工隧洞。

6.具有抗拉承載力高、形式簡單、施工方便等特點(diǎn)，可以解決高地溫地區(qū)高壓水工隧洞采用混凝土或鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)時(shí)，因抗拉承載力有限，在水工隧洞運(yùn)行時(shí)高地溫梯度與高內(nèi)水壓力聯(lián)合作用下襯砌結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生貫穿性張拉裂縫，進(jìn)而導(dǎo)致造成內(nèi)水外滲、危及圍巖穩(wěn)定性進(jìn)而威脅水工隧洞運(yùn)行安全的問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明用于高地溫地區(qū)高壓水工隧洞的玄武巖纖維網(wǎng)格增強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)的橫斷面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明用于高地溫地區(qū)高壓水工隧洞的玄武巖纖維網(wǎng)格增強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)的橫斷面局部結(jié)構(gòu)放大圖；

圖3為本發(fā)明用于高地溫地區(qū)高壓水工隧洞的玄武巖纖維網(wǎng)格增強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)的限位支撐件固定示意圖。

附圖中的標(biāo)注：1.初期襯砌、2隔水層、2a.混凝土封閉底漆層、2b.聚脲彈性體層、3.二次襯砌、3a.環(huán)向鋼筋、3b.玄武巖纖維網(wǎng)格、3c.限位支撐件、4.圍巖開挖面。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖和具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

實(shí)施例1

用于高地溫高壓水工隧洞的玄武巖纖維網(wǎng)格增強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)，從隧洞圍巖表面往隧洞洞壁依次為初期襯砌、隔水層和二次襯砌，

所述初期襯砌為鋼筋混凝土層；

所述隔水層包括初期襯砌外壁表面的混凝土封閉底漆層和混凝土封閉底漆層外表面的聚脲彈性體層；

所述二次襯砌為內(nèi)部埋設(shè)有玄武巖纖維網(wǎng)格的鋼筋混凝土層。

所述的玄武巖纖維網(wǎng)格通過限位支撐件與二次襯砌中的環(huán)向受力鋼筋固定。

實(shí)施例2

用于高地溫高壓水工隧洞的玄武巖纖維網(wǎng)格增強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)，從隧洞圍巖表面往隧洞洞壁依次為初期襯砌1、隔水層2和二次襯砌3，

所述的初期襯砌1為噴混凝土初期襯砌，由噴混凝土與鋼筋網(wǎng)組成；

所述的隔水層2為聚脲彈性體隔水噴層，由初期襯砌外壁表面的輥涂混凝土封閉底漆層2a與噴涂聚脲彈性體2b組成；

所述的二次襯砌3為玄武巖纖維網(wǎng)格增強(qiáng)鋼筋混凝土二次襯砌，由環(huán)向鋼筋3a、二次襯砌內(nèi)壁表層配網(wǎng)的玄武巖纖維網(wǎng)格3b、限位支撐件3c與支模澆筑的混凝土3d組成。

其中，所述的噴混凝土初期襯砌為常規(guī)混凝土或纖維混凝土材料，厚度約為5-15cm，需全面覆蓋圍巖，并滿足洞室表面的平整要求。

其中，所述的噴混凝土初期襯砌中布設(shè)了鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)嵌在噴射混凝土層中。

其中，所述的噴混凝土初期襯砌外壁表面在底漆輥涂前需進(jìn)行底材處理，表面雜質(zhì)在底漆輥涂前需酌情選用高壓水沖洗、真空吸塵、化學(xué)清理、噴砂清理及拋丸處理等方式徹底清除，表面缺陷在底漆輥涂前需用膩?zhàn)宇惒牧贤耆扪a(bǔ)。混凝土表面底材處理并噴涂封閉底漆，可大幅提高聚脲的噴涂質(zhì)量與使用壽命，進(jìn)而保障聚脲噴層不出現(xiàn)針孔、鼓包、黏結(jié)強(qiáng)度降低等工程問題。

其中，所述的混凝土封閉底漆層2a為聚脲在混凝土結(jié)構(gòu)上專用的封閉底漆；所述的混凝土封閉底漆層2a為100％固含量的低黏度且強(qiáng)滲透性的環(huán)氧或聚氨酯類涂料；所述的混凝土封閉底漆層2a具有可帶濕施工、低粘度、強(qiáng)滲透性、與水親和性好、粘結(jié)力強(qiáng)、抗拉強(qiáng)度高及斷裂伸長率大等特點(diǎn)。

其中，所述的混凝土封閉底漆層2a由人工輥涂方式涂刷于噴混凝土初期襯砌外壁的表面，厚度不超過0.1mm，輥涂時(shí)需用力在噴混凝土初期襯砌外壁表面反復(fù)拉動(dòng)，或轉(zhuǎn)圈揉涂，輥涂后需仔細(xì)檢查，不能有漏涂處。

其中，所述的混凝土封閉底漆層2a在表干后2～48h內(nèi)必需噴涂聚脲材料，若超過48h需重新輥涂一遍封閉底漆才可噴涂聚脲材料。

其中，所述的聚脲彈性體隔水噴層2b為純聚脲材料，需滿足《噴涂聚脲防水涂料》(GB/T23446-2009)中Ⅱ型噴涂聚脲防水涂料的標(biāo)準(zhǔn)；所述的聚脲彈性體隔水噴層2b由純聚脲材料噴涂而成；所述的聚脲彈性體隔水噴層2b需采用專用噴涂設(shè)備施工噴涂，厚度為3-7mm。

其中，所述的玄武巖纖維網(wǎng)格增強(qiáng)鋼筋混凝土二次襯砌為支模澆筑的玄武巖纖維網(wǎng)格3b增強(qiáng)鋼筋混凝土，厚度約為400-600mm。

其中，所述的玄武巖纖維網(wǎng)格增強(qiáng)鋼筋混凝土二次襯砌中布設(shè)了雙層環(huán)向鋼筋3a與單層玄武巖纖維網(wǎng)格3b。

其中，所述的玄武巖纖維網(wǎng)格3b為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料網(wǎng)格，是纖維網(wǎng)格與基體材料(樹脂等)按一定比例固化所得的剛性或半剛性的高性能復(fù)合材料；所述的玄武巖纖維網(wǎng)格3b由玄武巖纖維編織，或由玄武巖纖維與以下任意一種纖維混合編織：碳纖維、芳綸纖維、耐堿玻璃纖維、超高分子量聚乙烯纖維和PBO纖維。

其中，所述的玄武巖纖維網(wǎng)格3b配網(wǎng)于二次襯砌3內(nèi)壁表層，保護(hù)層厚度為5-10mm，經(jīng)向或緯向纖維需與環(huán)向張拉方向保持一致，網(wǎng)孔尺寸介于5-30mm之間；所述的玄武巖纖維網(wǎng)格3b通過限位支撐件3c與環(huán)向鋼筋3a固定。

其中，所述的限位支撐件3c為“L”型短鋼筋，一端焊接于環(huán)向鋼筋3a，另一端綁扎固定玄武巖纖維網(wǎng)格3b?！癓”型短鋼筋第一臂的端頭固定在環(huán)向鋼筋3a上，使第一臂垂直與環(huán)向鋼筋3a，而第二臂平行與環(huán)向鋼筋3a所在面，將玄武巖纖維網(wǎng)格3b綁扎固定在第二臂上。

所述的限位支撐件3c在單個(gè)橫斷面上的數(shù)量不低于16個(gè)，數(shù)量取決于洞徑尺寸、網(wǎng)格剛度、實(shí)際固定效果等因素，限位支撐件數(shù)量隨洞徑的增大而加密，隨玄武巖纖維網(wǎng)格剛度的降低而加密，所述的限位支撐件在洞軸線方向上的密度取決于實(shí)際固定效果。

通過室內(nèi)大比尺襯砌結(jié)構(gòu)水工模型試驗(yàn)證實(shí)，在滿足原型工作水頭小于等于500m、巖體溫度與水流溫度差小于等于90攝氏度以下時(shí)，本發(fā)明襯砌結(jié)構(gòu)拉裂縫貫穿時(shí)所對(duì)應(yīng)的環(huán)向極限承載拉力約為常規(guī)鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的2～4倍。

在所述初期襯砌與二次襯砌中，包括鋼筋配置、鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度以及混凝土強(qiáng)度等級(jí)在內(nèi)的設(shè)計(jì)參數(shù)都是按照水利水電的設(shè)計(jì)規(guī)范確定。