一种隧道用嵌入式电热保温缓冲盾构管片结构

本发明涉及隧道衬砌防冻保温，具体涉及一种隧道用嵌入式电热保温缓冲盾构管片结构。

背景技术：

1、寒区与高原盾构隧道长期运营时，围岩热量会通过衬砌结构不断向隧道内部扩散；对于高含水围岩，热量散失会导致孔隙水冻结、体积膨胀，进而产生冻胀压力，诱发管片开裂、接缝错台、渗漏水增加以及衬砌耐久性下降等问题。

2、现有寒区与高原隧道保温方案中，已有在管片外表面设置隔热层、保温层或局部加热层的技术启示。但盾构管片外弧面处于盾尾刷、管外注浆体和围岩共同作用的狭小施工空间内，简单外贴保温层通常只解决热量传递问题，难以同时满足不增加外轮廓、抵抗注浆扰动、防止边缘窜浆以及缓冲冻胀力的要求。

3、进一步地，围岩冻结并非单纯温度问题；即使通过加热延缓冻结，高含水围岩在极端低温或长期运行工况下仍可能产生剩余冻胀位移和冻胀压力。如果保温结构缺少可压缩缓冲能力，冻胀力仍会直接传递至盾构管片本体，导致管片受力不利；如果单纯增加缓冲层厚度，又会影响盾尾通过、管片拼装和注浆密实度。

4、因此，需要一种能够在较小嵌入空间内集成主动保温和缓冲减载功能的盾构管片结构，使其既能通过石墨烯电热层主动补偿围岩侧热量散失，又能通过缓冲层吸收剩余冻胀位移，并通过注浆通道、电线引入通道和密封加强结构保证施工及长期服役可靠性。

技术实现思路

1、针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种隧道用嵌入式电热保温缓冲盾构管片结构，以解决现有外贴式保温或加热结构功能单一、占用空间大、易受注浆扰动、边缘窜浆、层间剥离以及难以缓冲冻胀力的问题。

2、为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

3、提供一种隧道用嵌入式电热保温缓冲盾构管片结构，其包括盾构管片本体，盾构管片本体的外弧面设置有安装凹槽，安装凹槽内嵌设有复合功能模块，复合功能模块由内至外依次包括防水粘结绝缘层、石墨烯电热层、缓冲层和外防护层；盾构管片本体和复合功能模块上分别设置有若干第一通孔和若干第二通孔，若干第一通孔分别与若干第二通孔对接并形成若干注浆通道，且第二通孔内设置有与第一通孔密封对接的刚性注浆套筒。

4、进一步地，安装凹槽深度为10~40mm，且不大于盾构管片本体厚度的八分之一；复合功能模块总厚度为7.5~35.5mm，外防护层的外表面与盾构管片本体的外弧面齐平或低于盾构管片外弧面0~5mm。

5、进一步地，防水粘结绝缘层的厚度为1~4mm；石墨烯电热层的厚度为0.5~1.5mm；缓冲层的厚度为5~25mm；外防护层厚度为1~5mm。

6、进一步地，安装凹槽的底面和侧壁经粗化处理并涂覆界面底涂、偶联剂或粘结促进剂，防水粘结绝缘层的四周弯折延伸，并与安装凹槽的侧壁密封接触，安装凹槽的槽口周缘设置有周向密封带、压边密封层、台阶限位结构或倒扣锁边结构。

7、进一步地，石墨烯电热层为片状石墨烯电热膜、石墨烯电热涂层或石墨烯复合柔性电热片中的一种或多种，石墨烯电热层分区拼接，且相邻分区之间设有用于降低注浆冲击和局部鼓包风险的密封分隔带。

8、进一步地，缓冲层采用闭孔泡沫橡胶、三元乙丙橡胶、硅橡胶泡沫、交联聚乙烯泡沫、聚氨酯弹性泡沫中的一种或多种复合形成。

9、进一步地，外防护层采用耐磨防水膜、喷涂型聚脲层、柔性防护涂层或纤维增强防护层中的一种或多种形成。

10、进一步地，刚性注浆套筒的外侧端设置有弧形钢板，且缓冲层上设置有用于嵌设弧形钢板的避让槽。

11、进一步地，盾构管片本体上设置有用于将石墨烯电热层的连接电线接入隧道内部的电线引入通道。

12、进一步地，本方案还包括温度监测与控制单元，温度监测与控制单元包括温度传感器和与其电连接的供电控制装置，温度传感器布设于盾构管片本体内、盾构管片本体外侧以及石墨烯电热层上。

13、本发明的有益效果为：

14、1.本方案将防水粘结绝缘层、石墨烯电热层、缓冲层和外防护层集成为复合功能模块，复合功能模块在安装凹槽的有限厚度空间内同时形成主动发热保温结构和可压缩缓冲结构，兼顾主动热量补偿和冻胀力减载双重功能，一方面减少冻胀发生的概率和程度，另一方面削弱已发生冻胀的破坏效应，形成双重防护体系，有效避免管片开裂、接缝错台、渗漏水增加以及衬砌耐久性下降等冻害问题，显著延长盾构隧道的安全运营寿命。

15、2.本方案复合功能模块整体嵌装于安装凹槽内，嵌入后其外表面与盾构管片本体外弧面齐平或轻微低于其外弧面，在增加保温缓冲功能的同时不改变管片的外轮廓尺寸，有效减少对盾尾通过、管片拼装和管外注浆的影响，尤其适用于盾尾刷与围岩之间施工空间极为有限的盾构隧道工程。

16、3.本方案通过合理分配各层厚度，在极小嵌入空间内实现了主动加热与被动缓冲的最佳性能平衡；缓冲层在小厚度嵌入空间内为围岩冻胀位移预留了充足的可压缩变形量，确保在极端冻胀工况下仍能有效发挥缓冲作用。

17、4.本方案的供电控制装置可根据围岩温度、管片内外表面温度或季节工况调节石墨烯电热层的启停与功率输出，从而实现“按需加热”，避免持续全功率加热造成的能源浪费，显著降低盾构隧道长期运营的能耗成本。

18、5.本方案通过石墨烯电热层向围岩侧主动补偿热量散失，通过主动发热从根本上抑制围岩孔隙水冻结，从源头降低冻胀风险；石墨烯电热材料电热转换效率高、发热均匀、柔性好、寿命长，石墨烯电热层采用分区拼接铺设形式，相邻分区之间设有密封分隔带，从而有效降低注浆冲击和局部鼓包风险，避免整体功能失效，提高系统冗余度和可靠性；本方案的缓冲层采用闭孔泡沫橡胶、三元乙丙橡胶、硅橡胶泡沫、交联聚乙烯泡沫或聚氨酯弹性泡沫等弹性材料，在围岩冻胀压力作用下可发生可恢复压缩变形，从而有效削减外部冻胀力向盾构管片本体的传递。

19、6.本方案通过刚性注浆套筒与第一通孔的密封对接，使浆液经注浆通道和刚性注浆套筒进入盾构管片本体背后区域的同时，防止浆液侵入复合功能模块与盾构管片本体的连接界面；通过刚性注浆套筒外侧端的弧形钢板形成局部刚性加强区，用于承受注浆压力并避免缓冲层和石墨烯电热层因受压集中而损伤，从而在保留壁后注浆和补浆功能的同时，有效保护了石墨烯电热层和缓冲层的结构完整性。

1.一种隧道用嵌入式电热保温缓冲盾构管片结构，其特征在于，包括盾构管片本体，所述盾构管片本体的外弧面设置有安装凹槽，所述安装凹槽内嵌设有复合功能模块，所述复合功能模块由内至外依次包括防水粘结绝缘层、石墨烯电热层、缓冲层和外防护层；所述盾构管片本体和复合功能模块上分别设置有若干第一通孔和若干第二通孔，若干所述第一通孔分别与若干第二通孔对接并形成若干注浆通道，且第二通孔内设置有与第一通孔密封对接的刚性注浆套筒。

2.根据权利要求1所述的隧道用嵌入式电热保温缓冲盾构管片，其特征在于，所述安装凹槽深度为10~40mm，且不大于盾构管片本体厚度的八分之一；所述复合功能模块总厚度为7.5~35.5mm，所述外防护层的外表面与盾构管片本体的外弧面齐平或低于盾构管片外弧面0~5mm。

3.根据权利要求1所述的一种隧道用嵌入式电热保温缓冲盾构管片，其特征在于，所述防水粘结绝缘层的厚度为1~4mm；所述石墨烯电热层的厚度为0.5~1.5mm；所述缓冲层的厚度为5~25mm；所述外防护层厚度为1~5mm。

4.根据权利要求1所述的隧道用嵌入式电热保温缓冲盾构管片，其特征在于，所述安装凹槽的底面和侧壁经粗化处理并涂覆界面底涂、偶联剂或粘结促进剂，

5.根据权利要求1所述的隧道用嵌入式电热保温缓冲盾构管片，其特征在于，所述石墨烯电热层为片状石墨烯电热膜、石墨烯电热涂层或石墨烯复合柔性电热片中的一种或多种，所述石墨烯电热层分区拼接，且相邻分区之间设有用于降低注浆冲击和局部鼓包风险的密封分隔带。

6.根据权利要求1所述的隧道用嵌入式电热保温缓冲盾构管片，其特征在于，所述缓冲层采用闭孔泡沫橡胶、三元乙丙橡胶、硅橡胶泡沫、交联聚乙烯泡沫、聚氨酯弹性泡沫中的一种或多种复合形成。

7.根据权利要求1所述的隧道用嵌入式电热保温缓冲盾构管片，其特征在于，所述外防护层采用耐磨防水膜、喷涂型聚脲层、柔性防护涂层或纤维增强防护层中的一种或多种形成。

8.根据权利要求1所述的隧道用嵌入式电热保温缓冲盾构管片，其特征在于，所述刚性注浆套筒的两端均设置有弧形钢板，且缓冲层和防水粘结绝缘层上设置有用于嵌设弧形钢板的避让槽。

9.根据权利要求1所述的隧道用嵌入式电热保温缓冲盾构管片，其特征在于，所述盾构管片本体上设置有用于将石墨烯电热层的连接电线接入隧道内部的电线引入通道。

10.根据权利要求1所述的隧道用嵌入式电热保温缓冲盾构管片，其特征在于，还包括温度监测与控制单元，所述温度监测与控制单元包括温度传感器和与其电连接的供电控制装置，所述温度传感器布设于盾构管片本体内、盾构管片本体外侧以及石墨烯电热层上。