李 靖，李鴻博

(1.武昌理工學(xué)院 城市建設(shè)學(xué)院， 湖北 武漢 430223；2.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司， 湖北 武漢 430052)

青海省道西久公路拉脊山隧道為雙向四車道隧道，設(shè)計速度80 km/h，隧道總長5530 m。隧道區(qū)極端最高溫28.7℃，極端最低溫-37℃，隧道進口最大凍土深度為1.60 m，如此高海拔的特長公路隧道在我國尚不多見。

在嚴寒地區(qū)凍融環(huán)境下由于溫度變化會導(dǎo)致隧道襯砌背后排水系統(tǒng)凍結(jié)，發(fā)生隧道圍巖、襯砌結(jié)構(gòu)脹裂等凍害現(xiàn)象。設(shè)計時如果沒有充分考慮凍融環(huán)境對隧道排水系統(tǒng)及襯砌結(jié)構(gòu)的不利影響，在隧道建成后可能發(fā)生嚴重后果，甚至導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)體系癱瘓。因此在隧道設(shè)計過程中防寒保溫措施的設(shè)計尤為重要[1]。

1 凍融處理措施

嚴寒地區(qū)凍融環(huán)境下的隧道防寒保溫設(shè)計主要從抗凍和防凍兩方面采取相關(guān)措施。抗凍設(shè)計通過加強隧道襯砌結(jié)構(gòu)強度來抵抗凍脹力，主要有提高混凝土標(biāo)號、增加二次襯砌厚度并采用鋼筋混凝土等措施。防凍設(shè)計主要是以預(yù)防為主，采取一定的措施保護隧道襯砌結(jié)構(gòu)及排水系統(tǒng)，使得隧道排水系統(tǒng)在低溫環(huán)境下不發(fā)生凍結(jié)，從而降低隧道發(fā)生凍害的可能性。

目前世界上使用的隧道防凍措施主要有：在洞口設(shè)置防寒保溫門，防止隧道外冷空氣進入隧道內(nèi)；在隧道內(nèi)鋪設(shè)保溫材料法(可設(shè)置在二次襯砌外表面和內(nèi)表面)；通過一定裝置給排水系統(tǒng)供熱防止排水系統(tǒng)凍結(jié)等[2]。其中最常見和有效的方法是在隧道內(nèi)鋪設(shè)保溫材料。

2 隧道凍融圈影響因素數(shù)值分析

2.1 計算模型

根據(jù)工程概況，本次計算選取隧道出口段典型斷面為研究對象，該地段圍巖為第四系碎石土，含少量地下水。隧道初期支護厚度為25 cm，二次襯砌采用鋼筋混凝土，厚度考慮為45 cm，隧道除仰拱外，均在二次襯砌表面設(shè)置保溫層。計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型橫斷面示意圖

取對稱半斷面進行分析，其中隧道內(nèi)表面(BCD)及模型上表面(AG)與大氣環(huán)境相通。材料物理參數(shù)見表1。

表1 主要計算物理參數(shù)取值

為便于研究[3～7]，分析過程中作如下簡化假定： (1) 巖體為飽和狀態(tài)，為均質(zhì)、各向同性孔隙介質(zhì)；(2) 巖體中的孔隙率(裂隙率)保持不變，整個過程中不考慮巖體中水分的流失，只考慮水變?yōu)楸霓D(zhuǎn)換。

低溫巖(土)體凍融區(qū)滿足熱傳導(dǎo)問題的微分方程和Darcy滲透方程。利用含相變低溫巖體水熱耦合模型對隧道周圍巖體凍融進行分析[8]。

2.2 計算分析

2.2.1隧道周圍溫度場分布規(guī)律

選取幾個典型的點加以分析說明，即：隧道保溫層外表面溫度(A點)、保溫層與襯砌接觸層溫度(B點)和襯砌與圍巖接觸點溫度(C點)。隧道在環(huán)境溫度變化過程中溫度分布規(guī)律如圖2所示。在極端最高溫28.7℃，極端最低溫-37℃的條件下，經(jīng)過5 cm厚的保溫層后，B點的溫度的變化范圍從環(huán)境溫度28.7℃～-37℃(A點代表環(huán)境溫度)變化到了10℃～-10℃左右，變化范圍明顯減小，說明保溫層很好地發(fā)揮了其隔熱保溫效果。

圖2 斷面Ⅰ典型點溫度變化

2.2.2不同保溫材料的凍融圈變化規(guī)律

保溫層對減小凍融圈的影響有非常明顯的作用。下面從保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)的差異性來分析其對隧道凍融區(qū)的影響?？紤]到目前隧道內(nèi)用的保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)一般為0.025～0.03之間(見表2所示)，我們選取三個典型的導(dǎo)熱系數(shù)值作趨勢分析，它們分別是0.025 、0.027和0.03。

表2 寒區(qū)隧道主要保溫材料

分別取三個不同的導(dǎo)熱系數(shù)時，隧道不同部位的凍深如圖3所示。

圖3 保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)與凍深的關(guān)系

從圖中可以看到，拱頂和拱腰兩個位置反映的保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)與凍深的關(guān)系規(guī)律相當(dāng)一致：隨著保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的增加，凍深也呈線性增加，保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)每增加0.001，凍深就相應(yīng)增加約12%。

2.2.3不同保溫層厚度對凍融圈變化規(guī)律

保溫材料的保溫效果不僅受到保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響，保溫層厚度的大小也直接影響保溫效果。圖4為分別選擇三種不同的保溫層厚度(5 cm、7 cm和10 cm)所得到的凍融情況的結(jié)果。

圖4 保溫層厚度與凍深的關(guān)系

可以看到，拱頂和拱腰兩個位置反映的保溫材料厚度與凍深的關(guān)系規(guī)律也基本一致：隨著保溫材料厚度的增加，凍深也呈線性減少，保溫層厚度每增加1 cm，凍深就相應(yīng)的減少約10%。

2.2.4不同圍巖孔隙度對凍融圈變化規(guī)律

圍巖的孔隙度會影響到巖體的導(dǎo)熱系數(shù)等一系列熱力學(xué)和滲流力學(xué)參數(shù)，所以，研究圍巖凍融圈的大小有必要把圍巖的孔隙度考慮進來。圖5為分別選擇三個不同的圍巖孔隙度(0.12、0.24和0.38)所得到的凍融情況的結(jié)果。

圖5 圍巖孔隙度與凍深的關(guān)系

可以看到，三個位置反映的圍巖孔隙度與凍深的關(guān)系規(guī)大致為：圍巖孔隙度越小，即越密實，凍深范圍越大。

2.3 結(jié)論分析

(1)對于明顯會產(chǎn)生凍害的高寒地區(qū)隧道，僅僅采用抗凍措施是不夠的，必須采取防凍和抗凍相結(jié)合的綜合措施。防凍措施中設(shè)置保溫層的作用效果明顯，即使在隧道表面只敷設(shè)很薄的隔熱保溫層，隧道的凍融圈就會大大減小。

(2)對于較長的寒區(qū)隧道，隧道洞口一定長度范圍內(nèi)，由于外界冷空氣的影響，最容易引發(fā)凍害。因此主要需在隧道洞口段采取一定的保溫措施。

(3)保溫材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)大小對其保溫效果有很大的影響。隨著保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的增加，凍深也呈線性增加。

(4)保溫材料的厚度選擇應(yīng)根據(jù)各隧道的具體環(huán)境確定。對于本隧道而言，當(dāng)保溫層厚度達到10 cm時，圍巖的凍融區(qū)域已經(jīng)很小了。

(5)單從熱傳導(dǎo)的角度考慮，應(yīng)用注漿法來防凍，是與初衷背道而馳的。雖然注漿法能有效消除或減少襯砌背后的局部存水，但是該方案影響到巖體的導(dǎo)熱系數(shù)等一系列熱力學(xué)和滲流力學(xué)參數(shù)，因此應(yīng)慎用。

(6)在高海拔地區(qū)修建隧道，即使鋪設(shè)保溫層避免圍巖的凍融，但襯砌卻不可避免的處于凍融狀態(tài)，因此混凝土的抗凍性及凍融耐久性至關(guān)重要。

3 隧道防寒保溫設(shè)計

由于嚴寒氣候會導(dǎo)致隧道襯砌背后的排水管、中心排水溝、檢查井凍結(jié)，使隧道圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)脹裂，并出現(xiàn)路面結(jié)冰等凍害，因此必須采取相應(yīng)的防寒保溫措施。依據(jù)該原則同時結(jié)合隧址氣溫資料，可通過經(jīng)驗公式初步測算保溫長度，同時參考類似工程項目的成功經(jīng)驗，待隧道初步貫通后還可根據(jù)實際測量溫度資料進行調(diào)整[9]。

在設(shè)計中隧道防、排水應(yīng)遵循“以排為主，防、排、截、堵相結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則，使隧道洞內(nèi)外形成完整暢通的防排水系統(tǒng)，避免襯砌滴水、路面滲水、洞內(nèi)結(jié)冰、圍巖凍脹等病害，保證隧道建成后達到洞內(nèi)基本干燥，結(jié)構(gòu)和設(shè)備正常使用及行車安全的要求。

3.1 隧道抗凍措施

(1)設(shè)計將隧道按照離洞口的距離遠近劃分為三個區(qū)域，分別采用C45、C35、C25防水混凝土，在離洞口較近的區(qū)域提高混凝土的標(biāo)號，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，確保隧道結(jié)構(gòu)在較長時間內(nèi)的安全性。

(2)隧道洞口保溫設(shè)計范圍內(nèi)每隔20 m設(shè)置一道沉降縫，且沉降縫及施工縫沿襯砌全環(huán)設(shè)置，防止襯砌由于溫度應(yīng)力引起開裂。

3.2 隧道防凍措施

3.2.1防排水措施

(1)隧道保溫設(shè)計范圍內(nèi)在襯砌仰拱下設(shè)置中心排水溝，保證中心水溝埋置深度在最大凍土深度以下，深埋中心水溝與正常中心水溝通過保溫型檢查井連接。

圖6 加強環(huán)向排水帶示意圖

(3)隧道保溫設(shè)計范圍內(nèi)對墻腳處環(huán)向排水管、縱向排水管、橫向排水管的接頭處采用土工布包裹，防止泥沙堵管，避免襯砌環(huán)向排水管、縱向排水管、橫向排水管的冰凍堵水，使隧道排水系統(tǒng)陷入癱瘓，危害洞身圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)。

(4)隧道保溫設(shè)計范圍內(nèi)隧道中心排水溝間距每250 m設(shè)一處中心檢查井，井口用混凝土封閉，井內(nèi)設(shè)保溫隔層，保證中心檢查井的正常使用；在隧道中心水溝的進出口處設(shè)掩埋式保溫出水口，保證隧道排水系統(tǒng)的通暢。

3.2.2保溫層

在隧道保溫設(shè)計范圍設(shè)置隧道防寒保溫層，采用保溫材料在二次襯砌表面全斷面鋪設(shè)，保溫材料選用聚酚醛材料，厚度10 cm。主要材料技術(shù)參數(shù)如表3。

表3 保溫材料主要技術(shù)參數(shù)

4 結(jié) 論

(1)對于明顯會產(chǎn)生凍害的高寒地區(qū)隧道，需要采取抗凍和防凍相結(jié)合的防寒保溫措施。采用防寒保溫設(shè)計的長度可根據(jù)計算和參考類似工程確定，待隧道初步貫通后還可根據(jù)實際測量溫度資料進行調(diào)整，本隧道對隧道洞口500 m范圍內(nèi)進行防寒保溫設(shè)計。

(2)隧道抗凍措施可采取提高混凝土標(biāo)號和采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式來實現(xiàn)。同時襯砌應(yīng)全環(huán)設(shè)置沉降縫。

(3)隧道防寒保溫段應(yīng)做好防排水設(shè)計，保證隧道排水系統(tǒng)通暢。如采用深埋水溝，加強排水能力、防止隧道襯砌出現(xiàn)滲漏等。

(4)隧道內(nèi)設(shè)置保溫層的作用效果明顯，能有效控制隧道的凍融圈的范圍。保溫材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)大小和材料厚度直接影響保溫效果。

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