本发明涉及隧道工程，具体涉及一种喷射3d打印隧道高防水混凝土衬砌结构及其施工方法。
背景技术：
1、隧道衬砌在地下工程中起到重要的保护作用，而衬砌材料的性能直接关系到隧道的耐久性和安全性。传统隧道衬砌材料在一些特殊地质条件下，如高水位、强腐蚀性土壤等，可能受到水分侵蚀、抗渗性差、抗裂性能不足等问题的困扰，从而导致隧道结构的损坏和维修成本的增加。
2、专利cn109626914a公开了一种硬岩隧道防水型单层衬砌的材料及其制备方法，采用聚烯烃纤维、硅灰剂及普通硅酸盐52.5水泥制备一种纤维喷射混凝土材料，但其中水泥标号较高且用量较大(980-1020份)，容易造成喷射混凝土材料产生收缩开裂。因此需要研发一种具有包括超疏水、高抗渗和高强度的多功能混凝土，从而提高复杂地形条件下隧道衬砌结构的适应性。
3、现代隧道建设逐渐面临着“高地应力、多环境耦合、高/低温”等复杂环境，急需智能建造方法解决该问题。喷射3d打印是在既有喷射混凝土工艺的基础上，通过机械臂数字化控制进行精细智能建造。此外，为了解决传统隧道衬砌材料的缺陷，本发明提出了一种专为隧道衬砌设计的喷射3d打印隧道高防水混凝土衬砌结构，采用三层分层设计，即超疏水混凝土、高抗渗混凝土和强韧混凝土。这一创新设计旨在通过在喷射3d打印过程中合理配置各层的材料，在满足各层功能性的前提下实现喷射3d打印，做到“阻-隔”型防水要求，并提高隧道衬砌材料的整体性能，以应对不同的地质和工程环境。
技术实现思路
1、本发明的目的是，提供一种喷射3d打印隧道高防水混凝土衬砌结构及其施工方法。优化现有的功能梯度结构，在提高隧道衬砌材料的整体性能的同时，满足隧道衬砌材料对于高疏水、高抗渗以及高韧性强度的综合需求，且各层材料均能满足喷射3d打印要求。
2、为实现上述目的，本发明的技术方案是：
3、第一方面，本技术提供了一种喷射3d打印隧道高防水混凝土衬砌结构，以隧道围岩面为基底，依次包括第一超疏水混凝土层(1)、第二高抗渗混凝土层(2)、第三强韧混凝土层(3)三个功能区，相邻功能区之间设有功能结构过渡区，且三层功能区皆通过喷射3d打印工艺制造形成，其中：
4、所述的第一超疏水混凝土层(1)按质量份计，包括：硅酸盐水泥550～1000份、粉煤灰10～50份、粘度改性剂2～20份、35wt.％聚丙烯酸水溶液15～300份、水150～300份、防水剂cm-dps15～300份；硅酸盐水泥、粉煤灰组成干料组分；由聚丙烯酸溶液、粘度改性剂、水、防水剂cm-dps混合组成液料组分；
5、所述的第二高抗渗混凝土层(2)按质量份计，包括：硅酸盐水泥300～400份、粉煤灰0～50份、矿渣粉100～150份、砂600～700份、碎石1100～1250份、水150～170份、粘度改性剂2～8份、改性外加剂17～20份、硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂60～65份；所述改性外加剂由纳米二氧化硅、纳米石墨炔、木质素磺酸钠按质量比(5～8):(10～12):(3.4～4.5)制得；
6、所述的第三强韧混凝土层(3)按质量份计，包括：水150～200份、硅酸盐水泥200～250份、粗骨料200～250份、细骨料350～400份、多级纤维25～45份、粘度改性剂2～4份、混合液体减水剂30～60份、液体无碱速凝剂30～50份；所述混合液体减水剂为聚羧酸类高性能减水剂、木质素磺酸钠按质量比6:(2～6)组成的混合物；
7、所述多级纤维为钢纤维与玻璃纤维的混合物，其中钢纤维：玻璃纤维的体积比例为1:(0.4～1.2)，钢纤维为涂层改性的平直形钢纤维，直径为0.4～0.5mm，长度为15～20mm，抗拉强度大于1000mpa，钢纤维采用的涂层材料为镀铜；玻璃纤维：直径为50-100μm，长度6～15mm，抗拉强度大于600mpa；
8、三个功能区干料组分和液料组分一起通过喷射3d打印获得，其中三个功能区中粘度改性剂的具体使用掺量使混凝土的静态屈服应力为300～600pa，动态屈服应力为300～550pa；
9、所述的功能结构过渡区为纤维增强塑料筋锚固强化过渡区，在每层喷射3d打印混凝土表面铺设并粘贴柔性纤维增强塑料网格布，柔性纤维增强塑料网格布上按点阵形状分布纤维增强塑料筋，形成纤维增强塑料筋锚固强化过渡区，其中纤维增强塑料筋与纤维增强塑料网格布相粘接为一整体结构。
10、进一步地，所述第一超疏水混凝土层(1)：水泥、粉煤灰的质量比为1:0.0013，聚丙烯酸溶液、水、防水剂cm-dps的质量比为(0.2～10):1:(0.2～1)；第一超疏水混凝土层(1)、第二高抗渗混凝土层(2)、第三强韧混凝土层(3)的静态屈服应力呈逐渐增大趋势，动态屈服应力呈逐渐减小趋势；
11、第一超疏水混凝土层(1)中，粘度改性剂的使用掺量使混凝土的静态屈服应力为300～400pa，动态屈服应力为400～550pa；
12、第二高抗渗混凝土层(2)中，粘度改性剂的使用掺量使混凝土的静态屈服应力为400～500pa，动态屈服应力为360～400pa；
13、第三强韧混凝土层(3)中，粘度改性剂的使用掺量使混凝土的静态屈服应力为500～550pa，动态屈服应力为340～360pa；
14、上述中数据重合交点以左开右闭形式进行取值，且在上述应力范围内，各功能区应力满足上述的变化趋势。
15、第三强韧混凝土层(3)中所述液体无碱速凝剂为无氟型，ph值大于4.0，且其中碱含量及氟元素的当量含量均小于0.05wt％；第三强韧混凝土层还加入有结构改性料60-80份，结构改性料为酚醛环氧树脂与硅烷偶联剂按重量比2﹕1混合均匀获得；
16、所述的纤维增强塑料筋外表面为螺纹构造，直径10mm～30mm，长度20mm～40m，两相邻纤维增强塑料筋之间的间距为:50mm～90mm。
17、进一步地，在隧道围岩面的表层设置排水沟，所述排水沟为树脂混凝土排水沟。
18、进一步地，所述排水沟在富水地区设置尺寸外径240mm、壁厚20mm，非富水地区设置尺寸外径200mm，壁厚15mm。
19、第二方面，本技术还提供了所述的喷射3d打印隧道高防水混凝土衬砌结构的施工方法，其特征在于，所述施工方法包括以下步骤：
20、s1在隧道内侧岩层表面设置排水沟；将第一超疏水混凝土层的干料组分与液料组分混合搅拌不少于30分钟，形成超疏水聚合物水泥砂浆；
21、s2将湿喷台车上的喷枪组装于喷射3d打印机械臂末端，设置第一超疏水混凝土层、第二层高抗渗混凝土及第三层强韧混凝土喷涂路径为渐进式路线，喷涂角度以垂直于围岩曲面为基准，喷涂距离为喷枪口与打印混凝土层间的距离，详细喷射打印参数见下表；
22、
23、s3设置完喷射打印参数后，在隧道内侧及排水沟表面喷射打印超疏水聚合物水泥砂浆，形成第一超疏水混凝土层；
24、在第一超疏水混凝土层表面铺设并粘贴柔性纤维增强塑料网格布，柔性纤维增强塑料网格布上按点阵形状分布纤维增强塑料筋，形成纤维增强塑料筋锚固强化过渡区；
25、s4将硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣粉、砂、碎石搅拌混合均匀，再加入改性外加剂、膨胀剂，在搅拌状态下加入水和粘度改性剂，得到高抗渗混凝土的混合砂浆；调整打印参数：包含喷涂路径、喷涂角度、喷涂风压、喷涂距离、喷涂速率，在功能结构过渡区表面继续喷射打印高抗渗混凝土的混合砂浆，形成第二高抗渗混凝层；
26、s5在第二高抗渗混凝土层表面铺设并粘贴柔性纤维增强塑料网格布，柔性纤维增强塑料网格布上按点阵形状分布纤维增强塑料筋，形成纤维增强塑料筋锚固强化过渡区；
27、s6将细骨料、粗骨料以及钢纤维搅拌混合均匀，再依次加入硅酸盐水泥、水、粘度改性剂、玻璃纤维以及混合液体减水剂搅拌均匀，打印前加入液体无碱速凝剂搅拌均匀，得到强韧混凝土的混合砂浆，调整打印参数：包含喷涂路径、喷涂角度、喷涂风压、喷涂距离、喷涂速率，在步骤s5处理后的纤维增强塑料筋锚固强化过渡区上继续喷射打印强韧混凝土的混合砂浆，形成第三强韧混凝土层，至此完成喷射3d打印隧道高防水混凝土衬砌结构的施工。
28、与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
29、1、本发明有效将功能不同的混凝土层喷射打印成功能梯度的复合稳定结构，在充分发挥各梯度层材料性能优势的同时，整体稳定性良好，用于隧道衬砌材料不仅能应对各种在特殊地质条件下的环境侵蚀，而且可大大降低隧道的维养成本，实现长期经济效率与社会效益协同提升。
30、2、本发明中第一超疏水混凝土层具有非常优良的拒水性能，其配方保证了其喷射3d打印性能，添加的粘度改性剂提高了混凝土的静态、动态屈服应力，降低了混凝土的收缩变形，且依靠聚合物乳液与水泥之间的化学反应使其具有更小的气孔、更致密的结构，同时作为梯度结构的第一层结构，有着有更高的抗变形能。第二抗渗混凝土层采用一定比例的纳米二氧化硅、纳米石墨炔、木质素磺酸钠复配改性外加剂，形成较好的空间网络结构，更利于提升混凝土抗渗性以及强度。而且，结合硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂，更利于空间结构形成，进一步提高混凝土层的性能。第三强韧混凝土层采用在混凝土中加入多级纤维，在混合纤维均匀乱向分布的作用下实现混凝土材料韧性提升及微裂缝生长控制，利用材料组成中的粗骨料、细骨料及混合液体减水剂，并在无氟无碱速凝剂的共同作用下能迅速实现喷射混凝土小时强度发展。三层功能区均能在满足相应功能性要求(疏水性、抗渗性、强韧性)的前提下满足喷射3d打印要求，各功能区通过粘度改性剂来调整静态应力和动态应力，并呈现梯度变化，显著增强了衬砌结构的整体性。
31、3、本发明的三层功能区之间设有的功能结构过渡区使用纤维增强塑料筋锚固，在提高韧性与强度的同时，增大了喷射混凝土的接触面，进而提高了不同功能层混凝土之间的粘聚力，提高了混凝土结构的整体强度，可以更有效地防治开裂，并且进一步提升了混凝土整体性。
32、6、本发明中疏水层通过在混凝土中引入超疏水组分，改善混凝土的亲水性能，结合在表层设置排水沟，可有效将围岩渗出水排在衬砌结构外侧；抗渗层添加改性外加剂、膨胀剂和微细掺合料(粉煤灰和矿渣粉)，构建致密结构来提高混凝土的抗渗性，防止水分进一步渗透到衬砌结构内部；强韧层通过添加多级纤维来优化打印混凝土的强度和韧性，以保障疏水层和抗渗层防水功能的稳定性，并作为衬砌结构的主要承载部分。三层结构以及功能结构过渡区形成了多功能梯度防水结构，各层之间协同作用，基于喷射3d打印设备完善多种混凝土的功能梯度分布，可解决隧道中超欠挖引起的衬砌结构平整性和整体性差的问题，实现了利用喷射3d逐层打印进行的精细化智能建造的目的，极大促进隧道建设的智能建造。
1.一种喷射3d打印隧道高防水混凝土衬砌结构，其特征在于，以隧道围岩面为基底，依次包括第一超疏水混凝土层(1)、第二高抗渗混凝土层(2)、第三强韧混凝土层(3)三个功能区，相邻功能区之间设有功能结构过渡区，且三层功能区皆通过喷射3d打印工艺制造形成，其中：
2.根据权利要求1所述的喷射3d打印隧道高防水混凝土衬砌结构，其特征在于，所述第一超疏水混凝土层(1)：水泥、粉煤灰的质量比为1:0.0013，聚丙烯酸溶液、水、防水剂cm-dps的质量比为(0.2～10):1:(0.2～1)；第一超疏水混凝土层(1)、第二高抗渗混凝土层(2)、第三强韧混凝土层(3)的静态屈服应力呈逐渐增大趋势，动态屈服应力呈逐渐减小趋势；
3.根据权利要求1所述的喷射3d打印隧道高防水混凝土衬砌结构，其特征在于，在隧道围岩面的表层设置排水沟，所述排水沟为树脂混凝土排水沟。
4.根据权利要求3所述的喷射3d打印隧道高防水混凝土衬砌结构，其特征在于，所述排水沟在富水地区设置尺寸外径240mm、壁厚20mm，非富水地区设置尺寸外径200mm，壁厚15mm。
5.一种权利要求1-4任一所述的喷射3d打印隧道高防水混凝土衬砌结构的施工方法，其特征在于，所述施工方法包括以下步骤：
