一种可控制膨胀岩隧道底鼓变形的袖阀式负压吸湿系统

技术领域

本发明属于隧道技术领域，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。

背景技术

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。

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。

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。

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。

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：

式中：a为拟合参数，c为粘聚力，

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。

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

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。

发明内容

本发明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。

为此，本发明采用如下技术方案：

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。

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。

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。

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。

本发明的工作原理如下：

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：

由上式可知，当

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：

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。

本发明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（SiO

无碱玻璃纤维：配置好后的成分及其含量为:SiO

超吸水纤维材料各成分来源于：一次性医用手套内胆加工用超吸水纤维材料及其制造方法。具体过程为：

(1)向乙醇中加入三(2-羟乙基)异氰尿酸酯和3-氨基己二酸，并滴加浓硫酸，加热搅拌反应，反应结束后经蒸馏回收乙醇，蒸馏剩余物即为产物；

(2)向水中加入步骤(1)所得产物和羧甲基纤维素钠，加热搅拌，抽真空脱泡，得到芯层纺丝原液；

(3)向水中加入聚乙烯醇、二硫化二异丙基黄原酸酯和水溶性致孔剂，加热搅拌，抽真空脱泡，得到皮层纺丝原液；

(4)将步骤(2)所得芯层纺丝原液和将步骤(3)所得皮层纺丝原液分别经增压泵、预过滤器和计量泵送至皮芯型复合喷丝板的皮层入口和芯层入口，经皮芯型复合喷丝板挤出的原液经过干纺甬道，利用热空气使水分挥发，水洗除去水溶性致孔剂，并经导出、牵伸、卷绕，得到超吸水纤维材料。

本发明吸湿性浆液不限于本方案列举出的配方，只要具有导水作用的注浆材料都适用于本方法。材料包括植物纤维原浆、动物纤维原浆和化学纤维原浆，如天然的栓皮栎树皮制成的植物纤维原浆以及蓄水渗膜导水化学纤维原浆等。

1.本发明在围岩中安装袖阀式注浆管和负压吸湿装置，可促使围岩中的水分快速排出，使仰拱围岩的含水率处于较低的水平，围岩处于相对稳定状态，以提高围岩区域混凝土的抗压强度,有效降低围岩含水率过高而引发的隧道仰拱破坏的风险；

2.该系统可长期监控调整围岩含水率，当围岩含水率升高并触发阈值时，负压吸湿装置自动启动进行吸湿排湿，使仰拱围岩的含水率长期处于较低的水平，以延长隧道寿命；

3.该系统还可长期监测隧道围岩的应变状态，当隧道某处应变较大时，可及时发现问题点，便于快速维修处理。

附图说明

图1是本发明控制系统的工作原理图；

图2是本发明袖阀式注浆管的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

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至少3个湿度传感器，湿度传感器沿袖阀式注浆管的长度方向间隔分布，湿度传感器监测围岩含水率，从而推算出围岩的膨胀量。袖阀式注浆管内还预埋有光纤传感器，用于监测袖阀式注浆管的变形量。

负压吸湿装置包括负压罐、负压传感器、真空泵和排水管道，负压罐可拆卸密封连接于袖阀式注浆管的顶端，负压罐上连接有用于检测负压罐内气压值的负压传感器；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。为了产生负压时浆液倒流，袖阀式注浆管的顶端还包裹有半透膜。

控制系统包括控制器和显示器，控制器分别与湿度传感器、光纤传感器、负压传感器及真空泵信号连接；控制器通过湿度传感器和光纤传感器检测的数据，调整真空泵的功率，从而调整负压罐内的负压值，从而调整吸湿速率。显示器用于显示湿度传感器、光纤传感器、负压传感器的监测数据。

为了提高浆液的吸湿速率，本发明的吸湿性浆液中添加有玻璃纤维材料和超吸水纤维材料。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。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。

本方案的实施方式如下：

1）以锚杆长度为3m，外径20mm，内径15mm为例，在锚杆中布设湿度传感器和光纤传感器；划定锚杆安装区域，将锚杆打入围岩中，将注浆管穿入锚杆内。

2）普通浆液放置于浆液储罐内，玻璃纤维材料和超吸水纤维材料料放置于吸湿料储罐内；浆液储罐和吸湿料储罐上分别连接输浆管，将输浆管与注浆管连接，启动高压泵，将普通浆液与吸湿料按比例注入注浆管中；浆液注满锚杆，缓慢拔出注浆管，使混合浆液充满围岩。

3）使锚杆中的浆液初凝，撕去脱模层。

4）在运营期，通过显示器读取湿度传感器、光纤传感器的数据；根据湿度传感器和光纤传感器数值变化，人工控制开启或关闭真空泵，将围岩中的水通过排水管道排向外部。

5）通过在控制系统中输入湿度传感器、光纤传感器的阈值，对应调整真空泵的功率，从而实现智能控制膨胀岩隧道围岩变形。通过湿度传感器，可推算出围岩中含水率分布，通过光纤传感器，可推断围岩变形量，并将含水率分布和围岩变形量数据显示在显示器上。当变形量较大或含水率超过阈值后，控制真空泵对变形较大部位进行负压吸湿。控制器将膨胀变形情况传递给显示器，便于工作人员人为控制吸湿功率以及吸湿部位：

以一隧道仰拱截面为例，该截面设置有三个袖阀式注浆管及配套的负压吸湿装置，规定含水率为20%时达到阈值，变形为0~2cm时在云图上显示为绿色，变形为2~5cm时在云图上显示为黄色，变形在5cm以上时在云图上显示为红色，该阶段变形量接近阈值。

当某一处含水率超过20%后，膨胀变形显示单元上将会显示围岩的含水率分布及变形情况，这时，可以人工判断所需吸湿的袖阀式注浆管及吸湿量。若此时变形量为4cm，则膨胀变形显示单元上出现黄色区域后，将会根据含水量及变形量确定所需吸湿的袖阀式注浆管及吸湿量直至云图上变形量为绿色。