富水黃土隧道水泥混凝土路面工作環(huán)境調(diào)查分析

崔 亮

（山西省臨汾高速公路有限公司，山西 臨汾 041000）

0 引言

水泥混凝土路面由于具有較強(qiáng)的承載能力，在20世紀(jì)末取得了廣泛的應(yīng)用。隨著瀝青混凝土的大力推廣，良好的行車舒適性、維修方便等特點(diǎn)使其逐漸替代水泥混凝土路面，并冠名為“萬能的瀝青路面”。目前，水泥混凝土路面在高等級公路中的比例不足5%，且主要應(yīng)用于鄉(xiāng)村道路和部分高速公路隧道路面中，水泥混凝土的推廣應(yīng)用面臨著“推光”的危險(xiǎn)[1-2]。水泥混凝土路面應(yīng)用逐漸減少的主要原因之一在于其養(yǎng)生期的收縮開裂，致使其在裂縫附件產(chǎn)生“斷板”等重大病害[3]。在隧道路面中，水泥混凝土所處的環(huán)境較為穩(wěn)定，按照常規(guī)方法的設(shè)計(jì)路面板厚度較為保守[4-5]；尤其在特殊地質(zhì)條件的隧道內(nèi)，其特殊的環(huán)境條件對水泥混凝土面板的設(shè)計(jì)將產(chǎn)生巨大的影響。

為此，本文將吉河高速公路的喬原隧道（典型的富水黃土隧道）作為依托工程，采用速讀溫、濕度計(jì)對水泥路面施工現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)測，明確富水黃土隧道內(nèi)水泥混凝土路面工作環(huán)境的溫、濕度場的分布特點(diǎn)。為隧道內(nèi)水泥混凝土路面的設(shè)計(jì)、研究提供理論基礎(chǔ)。

1 工程概況及監(jiān)測方案

喬原隧道位于吉河高速公路（K9+160—K10+770），南北走向，線型范圍內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，針對富水黃土隧道存在的隱患，在施工過程中對隧道圍巖等進(jìn)行了綜合處理，而隧道路面仍依據(jù)現(xiàn)行《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG D40—2011）》進(jìn)行設(shè)計(jì)，隧道內(nèi)的路面結(jié)構(gòu)為（15 cm貧混凝土+28 cm水泥混凝土板），隧道出入口處的路面結(jié)構(gòu)為（15 cm貧混凝土+18 cm水泥混凝土板+6 cm中粒式改性瀝青混凝土+4 cm細(xì)粒式改性瀝青混凝土），其外觀如圖1所示。

圖1 喬原隧道實(shí)體

本文采用了JI-2B型濕度計(jì)對路面表面濕度進(jìn)行監(jiān)測，采用S300-EX溫度記錄儀收集隧道路面及環(huán)境溫度，每隔10 m布置溫、濕度檢測設(shè)備，隧道內(nèi)溫、濕度計(jì)布設(shè)位置如圖2所示。溫、濕度監(jiān)測從隧道路面施工完成之日開始記錄。

圖2 溫、濕度計(jì)布設(shè)位置示意圖

2 不同位置溫、濕度分析

為直觀地分析隧道內(nèi)部溫、濕度的變化情況，分別分析施工完成初期、施工完成90 d后的隧道溫、濕度數(shù)據(jù)，并繪制數(shù)據(jù)圖進(jìn)行分析，如圖3～圖6所示。

圖3 施工初期隧道內(nèi)溫度監(jiān)測

圖4 施工初期隧道內(nèi)濕度監(jiān)測

圖3為施工完成初期隧道內(nèi)的溫度分布情況，可以看出隧道內(nèi)環(huán)境溫度高于水泥混凝土路面的溫度。同時(shí)，隨著隧道口距離的增加隧道內(nèi)環(huán)境溫度逐步降低，路面溫度逐漸升高，兩者的溫度差逐漸縮小，當(dāng)距離隧道口位置大于100 m內(nèi)時(shí)，溫度變化逐漸不明顯。圖4為施工完成初期隧道內(nèi)的濕度分布情況，可以明顯地看出隨著隧道口距離的增加隧道內(nèi)環(huán)境濕度明顯增加，隧道內(nèi)部環(huán)境濕度比隧道口濕度增加了40%左右。同樣，在距離隧道口位置大于100 m時(shí)，濕度逐漸穩(wěn)定在36%Rh左右。由此可見，施工初期隧道內(nèi)部的環(huán)境參數(shù)在距離隧道口位置大于100 m時(shí)基本一致。在隧道水泥混凝土路面設(shè)計(jì)過程中，可以將100 m定位為環(huán)境參數(shù)影響明顯的界限，若采用同樣的結(jié)構(gòu)、材料進(jìn)行設(shè)計(jì)將造成保守設(shè)計(jì)或路面結(jié)構(gòu)性能不足。

圖5 90 d后隧道內(nèi)溫度監(jiān)測

圖6 90 d后隧道內(nèi)濕度監(jiān)測

圖5、圖6為施工完成90 d后隧道內(nèi)的溫、濕度情況。由圖5可以發(fā)現(xiàn)，在隧道口處環(huán)境溫度和路面溫度相差不大，隨著距離隧道口位置的延伸，環(huán)境和路面溫度差逐漸減小，在距離隧道口位置大于120 m時(shí)，兩者的差距維持在某一水平，大約5℃～7℃。同時(shí)，環(huán)境溫度隨著距離隧道口位置的延伸而下降；而路面溫度在距離隧道口位置0～30 m時(shí)降低，而后呈現(xiàn)升高的趨勢。對比圖3可知，施工初期隧道內(nèi)環(huán)境與隧道口環(huán)境溫差為10℃～12℃，隧道內(nèi)與隧道口路面溫差為5℃～7℃；施工完成90 d后隧道內(nèi)環(huán)境與隧道口環(huán)境溫差為3℃～5℃，隧道內(nèi)與隧道口路面溫差為5℃～7℃。由此可推斷，隧道口與隧道內(nèi)部環(huán)境溫差隨時(shí)間推移其值變化不大，而隧道口與隧道內(nèi)部路表溫度隨時(shí)間推移其值逐漸減小。

3 洞口光照對隧道內(nèi)溫、濕度影響

喬原隧道為南北走向，兩側(cè)隧道口外圍環(huán)境截然不同，為進(jìn)一步明確隧道口附近太陽光照對隧道環(huán)境的影響，對施工完成90 d后南北隧道口范圍內(nèi)的環(huán)境溫、濕度進(jìn)行對比分析，位置1為向陽一側(cè)，位置2為背光一側(cè)，如圖7所示。

圖7 隧道向陽與背光側(cè)示意圖

向陽一側(cè)位置1的溫、濕度數(shù)據(jù)如圖5、圖6，將向背光位置2的溫濕度數(shù)據(jù)繪制曲線圖如圖8、圖9所示。

圖8 背光側(cè)90 d后隧道內(nèi)溫度監(jiān)測

圖9 背光側(cè)90 d后隧道內(nèi)濕度監(jiān)測

從圖8、圖9可以看出，在背光一側(cè)，隧道內(nèi)隨著隧道口距離的增加環(huán)境溫度逐漸降低，路面溫度和環(huán)境濕度均逐漸升高，在距離隧道口大于110 m時(shí)，逐漸趨于穩(wěn)定。對比圖5、圖6，背光側(cè)隧道環(huán)境溫度、路面溫度均小于向陽一側(cè)，而環(huán)境濕度明顯高于向陽一側(cè)。同時(shí)，環(huán)境溫度、濕度以及路面溫度的變化率更小。可以推斷，在背光一側(cè)隧道口的環(huán)境因素變化較小，對隧道內(nèi)部的環(huán)境因素影響較為不明顯。

4 外界環(huán)境對隧道內(nèi)溫、濕度影響

多項(xiàng)研究認(rèn)為，影響隧道內(nèi)環(huán)境的因素包括外界環(huán)境、隧道內(nèi)通風(fēng)條件等[6-7]。隧道路面的冬季施工和夏季施工將出現(xiàn)不同的溫、濕度變化規(guī)律。為此，選取距離隧道口50 m（位置3）和500 m（位置4）作為隧道口和隧道內(nèi)的代表位置，在夏熱和冬寒代表性時(shí)間段進(jìn)行監(jiān)測。對比結(jié)果如表1所示。

表1 不同外界環(huán)境的隧道環(huán)境參數(shù)

從表1可以看出，隧道口附近在不同的外界環(huán)境下，環(huán)境溫度具有明顯的溫度差，路面溫度相差不大，而環(huán)境濕度相差更小。而在隧道內(nèi)部，環(huán)境溫度、路面溫度和環(huán)境濕度在外界環(huán)境的影響下都沒有明顯的變化。因此，在隧道內(nèi)部水泥混凝土路面設(shè)計(jì)過程中，可不考慮外界環(huán)境對其溫、濕度的影響。

5 結(jié)論

本文通過對富水黃土隧道在不同位置、環(huán)境外界等影響因素下的溫、濕度進(jìn)行監(jiān)測，對此分析了施工完成后水泥混凝土路面工作環(huán)境中的溫、濕度分布情況，主要結(jié)論如下：

a）隨著距離隧道口的增加濕度增加，環(huán)境溫度下降，而路面溫度升高，最終兩者的溫度差維持在某一穩(wěn)定水平。

b）向陽一側(cè)，隧道口附近的環(huán)境溫度、路面溫度均高于背光一側(cè)，外界環(huán)境對其內(nèi)部的溫、濕度影響不明顯。

c）距離隧道口100 m，可以作為隧道內(nèi)和隧道口環(huán)境參數(shù)影響的界限，分段進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。