高海拔寒區(qū)隧道保溫防凍系統(tǒng)設計要點分析

劉 秀，王文祖，馬培新，李慧贊，劉文軍(. 東北林業(yè)大學 交通學院，黑龍江 哈爾濱 50040；. 青海省公路建設管理局，青海 西寧 80008)

寒冷或嚴寒地區(qū)隧道發(fā)生“凍融”或“凍脹”是一種客觀現(xiàn)象，由此導致的凍害主要表現(xiàn)為：隧道襯砌漏水、掛冰，隧道底部冒水、積水，隧道襯砌開裂、酥碎、剝落，隧道洞門墻開裂，地表截排水溝、出水口凍結以及隧道洞口處熱融滑塌等[1].因此，高海拔寒區(qū)公路隧道修建面臨著如何解決凍害防治等問題.張玉偉等[2]針對寒區(qū)隧道合理保溫型式及保溫效果進行了試驗研究；王軍瑞等[3]以鶴大高速ZT08標段中兩座隧道為依托工程，分析隧道內(nèi)產(chǎn)生凍害的原因以及防治措施，推廣應用以防排水為主、隧道襯砌敷設隔熱材料法為輔的隧道防凍保溫施工技術；譚賢君等[4]采用數(shù)值分析方法探討西藏嘎隆拉隧道通風條件下圍巖溫度場的變化規(guī)律及其防寒保溫措施.本文基于對青海省20多座高海拔隧道的設計資料收集整理及運營狀況的調(diào)查，就目前隧道保溫防凍設計中依據(jù)的要素、普遍遵循的原則、保溫防凍系統(tǒng)類型以及保溫防凍材料的選擇等方面的要點進行系統(tǒng)的歸納分析和依據(jù)闡述；針對減少高海拔寒區(qū)隧道凍脹現(xiàn)象發(fā)生和提高隧道排水系統(tǒng)可靠性的保溫防凍設計問題進行系統(tǒng)分析，并提出可供參考的改進措施及建議.

1 隧道保溫防凍系統(tǒng)概述

1.1 隧道保溫防凍系統(tǒng)作用

受隧道區(qū)段凍土類型與分布、水源賦存與補給及氣候條件的影響，處于高海拔寒區(qū)的隧道容易發(fā)生凍害，而設置保溫防凍隔熱層是防止凍害產(chǎn)生的主要措施之一.保溫防凍隔熱層是在襯砌表面或初期支護與二次襯砌之間敷設隔熱材料，利用隔熱材料減緩圍巖中的熱量放出或外部熱量的侵入，借以保持隧道襯砌背后的圍巖的原狀而不發(fā)生凍融循環(huán).

設置保溫防凍隔熱層的作用主要體現(xiàn)在[5]：一方面減少襯砌、圍巖與環(huán)境空氣之間的熱交換強度，以使圍巖保持原溫度狀態(tài)，從而降低圍巖季凍區(qū)的“凍融”循環(huán)造成破壞的程度；另一方面為預防排水系統(tǒng)結冰提供充分的保溫條件，以避免因結冰導致阻塞而造成的排水不暢.

1.2 隧道凍害的主要特點

依據(jù)寒區(qū)隧道是否發(fā)生冰凍或凍融等病害現(xiàn)象，將其劃分為無、輕、中、重和嚴重[6].對于寒區(qū)特長公路隧道，洞口位置的海拔高度相對較低而隧道埋深較大，因此絕大多數(shù)隧道可能穿越的是非多年凍土區(qū)，只是在距隧道進、出口一定長度范圍內(nèi)形成季節(jié)性凍融區(qū).此外，還有在施工、運營過程中的多種水源混合補給，可能使隧道的出水點多、涌水量大及常年滲流，其容易導致隧道發(fā)生冰凍病害.

氣候條件對寒區(qū)隧道洞口及內(nèi)部區(qū)段的溫度狀態(tài)也將產(chǎn)生影響.當隧道襯砌與含水圍巖有負溫區(qū)條件產(chǎn)生時，其將發(fā)生凍結而產(chǎn)生凍脹力；另外，寒區(qū)隧道積于排水系統(tǒng)的水也更容易發(fā)生凍結，而導致排水系統(tǒng)功能失效的現(xiàn)象.因此，在高海拔寒區(qū)隧道的設計過程和運營期間，應考慮隧道區(qū)段凍害類型及其影響.另外，針對不同的圍巖凍土特性，在不同季節(jié)隔熱層的作用還有差異.對于多年凍土的隧道區(qū)段，以防止圍巖中凍土融化并保持圍巖的原有狀態(tài)為目的；而對于季凍土的隧道區(qū)段，則要求能夠有效阻止隧道內(nèi)的冷空氣與圍巖空氣進行交換，以保持圍巖原有狀態(tài)，防止隧道襯砌背后圍巖中的水產(chǎn)生凍融循環(huán).因此，隧道的防凍措施將是高海拔寒區(qū)隧道修建必須考慮的因素，而隔熱層的敷設方案對隔熱效果影響至關重要，所以需對隔熱層材料進行合理的選擇，對隧道不同區(qū)段的敷設厚度進行合理設計.

1.3 隧道保溫防凍系統(tǒng)設計的主要問題

目前，在隧道保溫防凍系統(tǒng)設計中還存在以下比較突出的問題：

(1)沒有具體可依據(jù)的實用化設計規(guī)范、標準及指南.

(2)可選擇的經(jīng)實際驗證有效的保溫防凍系統(tǒng)類型有限.

(3)保溫防凍效果的仿真分析較多，實際效果的監(jiān)測較少.

(4)對多個已建成隧道保溫防凍效果的系統(tǒng)調(diào)查和經(jīng)驗總結還不多.

2 隧道排水與保溫防凍系統(tǒng)相互關系與設計原則

2.1 防排水與保溫防凍系統(tǒng)相互作用關系

預防隧道主要凍害發(fā)生需要排水系統(tǒng)和保溫防凍系統(tǒng)同時發(fā)揮作用，即排水系統(tǒng)的設計目標是使水能順暢排出，而保溫防凍系統(tǒng)的設計目標之一是使積水能可靠排出.因此，順暢排水是預防隧道凍害的必要條件，保溫防凍是預防隧道凍害的充分條件，兩者之間的相互作用關系如圖1所示.排水和防凍保溫系統(tǒng)設計及氣候狀態(tài)對隧道排水功能的影響如圖2所示.

2.2 防排水與防凍保溫系統(tǒng)設計原則

根據(jù)隧道凍害發(fā)生的機理及影響因素分析可知，隧道襯砌背后的排水系統(tǒng)因結冰造成的管路堵塞導致圍巖滲水或積水不能有效排出是引起凍害發(fā)生的主要原因.所以，對隧道凍害的防治在設計上應重視排水和防凍兩個方面的要求，既能保證圍巖裂隙滲水等能順利排出，而且也應保證襯砌背面溫度高于水凍結溫度，使圍巖裂隙滲水能可靠排出.上述兩個系統(tǒng)的有機結合與相互作用， 就可能減少圍巖凍脹對隧道襯砌造成的破壞、襯砌凍脹自身破壞發(fā)生的概率以及避免排水系統(tǒng)凍結阻塞現(xiàn)象的發(fā)生.

圖1 寒區(qū)隧道排水與保溫防凍系統(tǒng)相互之間作用關系Fig. 1 The interaction between drainage and thermal insulation system of tunnels in cold regions

圖2 寒區(qū)隧道排水和防凍保溫系統(tǒng)設計及氣候狀態(tài)對隧道排水功能的影響Fig. 2 The design of drainage and anti freezing thermal insulation system of tunnels in cold regions and influence of climate condition on drainage function of tunnels

根據(jù)以上對隧道凍害產(chǎn)生影響因素的分析可知，隧道凍害的治理重點應是解決隧道排水問題.因此，隧道排水方案的確定至關重要.為此設計中針對凍害影響因素確定的技術路線是：防排水系統(tǒng)設計為主，保溫防凍系統(tǒng)設計為輔，兩者相輔相承.因此，防排水與防凍保溫系統(tǒng)的設計原則是：

(1)防水是基礎，排水是核心，保溫是關鍵.

(2)防凍必先治水，優(yōu)化防排水系統(tǒng)設計.

(3)“因地制宜，有的放矢”設計隔熱保溫防凍系統(tǒng).

3 隧道保溫防凍系統(tǒng)設計要求及改進措施

3.1 全面掌握系統(tǒng)設計的基本要素

高海拔寒區(qū)隧道保溫防凍系統(tǒng)設計所依據(jù)的要素見表1.

表1 高海拔寒區(qū)隧道保溫防凍系統(tǒng)設計基本要素
Tab.1 Basic design elements of thermal insulation and anti freezing system for tunnels in the high-altitude cold region

基本要素主要指標及參數(shù)環(huán)境溫度年平均氣溫；年均最高及最低氣溫，月份及時長；極端最高及最低氣溫等隧道地質(zhì)凍土類型(季凍土、多年凍土)、凍結深度等水量預測降水量、涌水量、積雪厚度、融化時間等洞體類型明洞、暗洞凍害類型隧底冒水積冰，襯砌掛冰、開裂、酥碎、剝落，洞門開裂、出水口凍結等安全性對保溫材料及其系統(tǒng)的防火性能等要求耐久性對保溫材料的耐腐蝕性、防水性等要求

圖3 寒區(qū)隧道保溫防凍系統(tǒng)類型及主要方式Fig. 3 Types and main modes of thermal insulation and anti freezing system of tunnels in cold region

3.2 合理選擇系統(tǒng)類型及確定設計方案

3.2.1 保溫防凍系統(tǒng)類型與選擇

對目前已建成的寒區(qū)隧道保溫防凍系統(tǒng)類型的歸納總結如圖3所示.

對于直接保溫防凍系統(tǒng)中所采取的“主動加熱防凍”措施，其主要方式是在排水系統(tǒng)中設置“排水防凍加熱系統(tǒng)”.即通過對排水系統(tǒng)溫度狀態(tài)的實時監(jiān)測，主動進行相應的加熱防冰控制，以抑制排水系統(tǒng)出現(xiàn)結冰阻塞現(xiàn)象.但是，加熱量應與系統(tǒng)的散熱能力保持平衡，以防止對原有圍巖凍結層導致的融化，避免對凍結狀態(tài)的擾動.針對我國的實際狀況，還不適合采用以常規(guī)電力能源進行“主動加熱防凍”的隧道保溫防凍系統(tǒng)，而利用太陽能、風能、地熱等可再生能源進行寒區(qū)隧道的主動式保溫防凍系統(tǒng)還是值得研究開發(fā).目前，主要采取設置襯砌隔熱層的保溫防凍系統(tǒng).

對于間接保溫防凍系統(tǒng)是以減少洞內(nèi)散熱為措施采取的洞口設置防寒門、陽光棚以及熱風幕等主要方式.但是，隨著交通量的增加，設置防寒門在隧道運營時有使用不方便的缺點；熱風幕需要消耗較大的加熱能量，運行費用較高，經(jīng)濟上不是最佳；而陽光棚的保溫防凍效果還十分有限.

3.2.2 洞體保溫防凍系統(tǒng)設計方案

一般來說地下水以一定的溫度賦存于地下，通過設置隧道洞體隔熱層來確保其在隧道周邊圍巖滲流不凍結.隧道洞體保溫防凍方案一般采用設隔熱保溫層的方法，即在隧道二襯表面或內(nèi)側設置保溫層.根據(jù)隧道涌水狀態(tài)選用不同的保溫材料，并采用不同材料組合的方式輔設.

(1)對于明洞.由于進出洞口存在多年凍土，在多年凍土段的初期支護和二次襯砌之間增設一道隔熱保溫板，以盡量保持多年凍土處于原生狀態(tài)，如噴PU聚氨酯泡沫隔熱層.

(2)對于暗洞.隧道洞內(nèi)保溫是使圍巖水保持一定的溫度才能不被凍結而順利排出，保溫防凍層的輔設應滿足保冷抗凍性、防水性、防火性及耐腐蝕性等要求.

3.2.3 排水管出水口保溫防凍設計方案

縱向排水管和出水口的保溫是為使管內(nèi)水流盡量與外界發(fā)生少的熱量交換，以確保隧道仰拱以下縱向排水管和出水口不凍結.在隧道范圍外，采用大坡度泄水道，通過增大水流速度防止水流凍結.同時，在出水口附近采取相應的保溫措施.

3.3 合理選用隔熱材料與設計隔熱層厚度

3.3.1 保溫材料的選用

對保溫材料的選擇主要通過對性能、造價、施工等方面的綜合對比.由于保溫層在隧道內(nèi)側使用，其性能方面主要考慮其導熱系數(shù)、耐火性能、環(huán)保性能、遇水后保溫性能、化學穩(wěn)定性、防水、防腐性能等[7-8].本文通過對20多座高海拔隧道設計資料的統(tǒng)計得知，選用的保溫防凍材料主要有以下兩種：

(1)硬質(zhì)聚氨酯保溫材料.導熱系數(shù)0.027W/(m·K)，吸水率≤3%，保溫層厚50mm；通常與硅酸鈣防火板(厚度6mm)組合的形式輔設.

(2)福利凱(熱固型酚醛)保溫材料.導熱系數(shù)0.022W/(m·K)，吸水率≤6.7%，保溫層厚50mm；通常以FL纖維增強板(厚度6mm)做裝飾板組合的形式輔設.

根據(jù)現(xiàn)有設計文件采用的保溫材料性能數(shù)據(jù)分析可知，硬質(zhì)聚氨酯與福利凱的導熱系數(shù)數(shù)值相近，而硬質(zhì)聚氨酯比福利凱的吸水率低的多；但是，硬質(zhì)聚氨酯的阻燃性不如福利凱.因此，一般在涌水量較大的隧道采用硬質(zhì)聚氨酯保溫材料，并在隧道輪廓表面與硅酸鈣防火板組合形式輔設.

3.3.2 隔熱層厚度的設計

國內(nèi)外的學者對寒區(qū)隧道溫度場及保溫防凍效果的數(shù)值模擬方法進行了大量的研究，并建立相關模型對寒區(qū)隧道溫度場分布狀態(tài)及保溫防凍效果進行了分析[9-11].在選擇保溫隔熱材料的基礎上，應依據(jù)隧道溫度場分布狀態(tài)對保溫層的鋪設厚度進行設計，而隧道溫度場分布狀態(tài)可以通過實際測量或數(shù)值模擬計算方法來確定.由于基于實際測量的隧道溫度場分布狀態(tài)數(shù)據(jù)的獲得落后于工程設計階段，因此不能直接用于保溫隔熱層厚度的設計；而數(shù)值模擬計算方法可在隧道施工建設之前進行，其隧道溫度場分布狀態(tài)結果可以作為隧道防凍保溫層厚度設計的參考.

3.4 隧道保溫防凍系統(tǒng)設計改進措施

針對隧道保溫防凍系統(tǒng)設計要求和目前設計中存在的主要問題，為取得良好的預期保溫效果，對隧道保溫防凍系統(tǒng)的工程設計提出以下改進措施建議：

(1)加強工程設計方法的應用基礎理論研究并深入進行新設計方法的工程應用研究，為設計方法的改進提供理論基礎和實際應用效果驗證支持.

(2)不斷進行新型材料及其應用工藝技術的研究，使保溫防凍系統(tǒng)類型選擇多元化和合理化.

(3)及時總結已建成隧道保溫防凍系統(tǒng)具有的實際效果及其特點，制定實用化的設計規(guī)范、指南或標準等文件，為隧道保溫防凍系統(tǒng)的工程設計提供技術依據(jù).

4 結束語

高寒隧道凍害的防治是隧道建設和運營中必須考慮的問題之一，而隧道保溫防凍系統(tǒng)是防止凍害產(chǎn)生破壞的重要措施.因此，合理選擇隧道保溫防凍系統(tǒng)類型和確定隔熱層設計方案是充分發(fā)揮隧道保溫防凍層作用的前提.在隧道保溫防凍系統(tǒng)設計中，首先應正確處理隧道防排水系統(tǒng)與保溫防凍系統(tǒng)之間的相互作用關系，依據(jù)設計原則進行防排水與防凍保溫系統(tǒng)的設計；其次應全面掌握系統(tǒng)設計的基本要素，合理選擇系統(tǒng)類型及確定設計方案；最后應合理選用隔熱材料并依據(jù)實際測量或數(shù)值模擬計算等方法設計隔熱層厚度.

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