高巖溫對隧道支護結構的影響及隔熱層方案研究

劉喜康

（中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，昆明 650000）

1 引言

在建建（個）元高速公路項目是云南省高網(wǎng)“十三五”重點項目，線路連接建水、個舊及元陽3 縣，沿線地形地貌地質(zhì)條件復雜，高差大。其中，個舊至尼格溫泉段線路末端途經(jīng)丫沙底溫泉及尼格溫泉，尼格隧道從溫泉附近區(qū)域穿越。施工過程中，尼格隧道施工溫度隨埋深增大逐步攀升，隧道出口施工溫度由36℃、43℃、53℃逐步升高至60℃，掌子面超前測溫孔測得最高巖溫高達80℃。高巖溫嚴重惡化了施工環(huán)境，同時對初期支護、二襯混凝土性能及隔熱層設置提出了更高的要求。

針對隧道高地熱問題，國內(nèi)外學者開展了大量研究，研究成果主要集中在溫度對巖體及襯砌的力學特性影響、摻和料使用、隔熱通風設計及施工工藝等方面。本文以尼格隧道為背景，在總結分析高巖溫對隧道支護結構影響及隔熱層作用的基礎上，提出了尼格隧道在高巖溫條件下支護結構混凝土優(yōu)化措施及隔熱層方案，為高巖溫條件下隧道施工及隔熱層設置提供了參考。

2 高巖溫對支護結構的影響及優(yōu)化措施

2.1 高巖溫對支護結構混凝土性能影響規(guī)律

通過模擬施工現(xiàn)場高溫低濕環(huán)境進行實驗室實驗【1，2】，得到高巖溫對支護結構混凝土性能的影響遵從如下規(guī)律：

1）在高溫條件下，單摻粉煤灰混凝土抗氯離子滲透性能優(yōu)于雙摻粉煤灰、礦粉混凝土及普通水泥混凝土。

2）高巖溫條件下，單摻粉煤灰混凝土內(nèi)部結構比雙摻粉煤灰、礦粉混凝土密實。

3）普通混凝土、摻粉煤灰混凝土、摻礦渣粉混凝土、復摻礦渣粉煤灰混凝土，隨巖溫升高早期強度提高，后期強度降低。巖溫越高，早期強度提高越多，后期強度下降越大。

4）混凝土抗碳化性能隨著溫度的升高而降低，普通混凝土抗碳化性能隨溫度升高降低幅度最大，單摻粉煤灰混凝土抗碳化性能降低幅度最小。

2.2 高巖溫條件支護結構的受力特性

通過理論推導、現(xiàn)場實測及熱-力耦合數(shù)值分析【3】表明，隨著巖溫的升高，初期支護各點拉壓應力均增大且增大幅度在50℃以后急劇變大并存在破壞趨勢。拱肩、墻腳及仰拱受拉力影響較大。拱腰和邊墻受壓力影響較大。當巖溫高于48℃時，普通C25 噴射混凝土將發(fā)生受拉開裂。當巖溫高于60℃時，普通混凝土二次襯砌將出現(xiàn)破壞。

可見，高巖溫條件下，由于溫度應力的疊加作用，隧道初期支護及二襯所受的拉應力及壓應力數(shù)值均增大，當支護結構拉應力高于混凝土抗拉強度時，支護結構將出現(xiàn)裂縫。

2.3 高巖溫條件摻和料的作用

礦物摻合料在混凝土中的作用主要是物理填充效應和化學填充效應。物理填充是摻合料顆粒填充混凝土空隙從而增加密實性，化學填充是摻合料在混凝土中發(fā)生二次水化反應，生成凝膠體填充于混凝土空隙中，能夠起到改善水泥混凝土微觀結構的作用。

目前，廣泛應用的混凝土摻合料為粉煤灰和礦渣粉，高溫條件在一定程度上能促進粉煤灰、礦渣粉摻合料二次水化反應的進行，生成凝膠體填充混凝土因高溫條件所產(chǎn)生的孔隙，從而降低或消除高溫對混凝土造成的不利影響。實驗表明，單摻粉煤灰混凝土較雙摻粉煤灰、礦渣粉混凝土在抗氯離子滲透性、抗炭化性及結構密實性方面均更優(yōu)。

2.4 優(yōu)化措施

尼格隧道自2018 年12 月以來，隧道出口施工溫度由 36℃、43℃、53℃、60℃至 2019 年 7 月掌子面巖溫上升至最高80℃，隧道現(xiàn)階段穿越地段為Ⅲ級圍巖，設計初期支護采用10cm 厚C25 噴射混凝土+鋼筋網(wǎng)，二次襯砌采用35cm 厚C30 防水混凝土，目前實測巖溫范圍50～80℃。基于上述分析，由于巖溫較高，建議隧道支護結構混凝土采用單摻粉煤灰配合比作為施工配合比，配合比設計時混凝土強度提高一個等級，同時適當增加配筋率，以應對高巖溫帶來的不利影響。支護結構混凝土養(yǎng)護方面，終凝前應對混凝土進行覆膜養(yǎng)護或涂敷水玻璃型養(yǎng)護劑養(yǎng)護。終凝以后，加強保濕養(yǎng)護，延長灑水養(yǎng)護至28d，同時加強通風措施。

3 高巖溫隧道隔熱層方案研究

保溫隔熱技術在寒區(qū)隧道中已使用較為成熟，但在高巖溫隧道中使用的研究起步較晚。下面重點在隔熱層材料選擇、敷設方式及隔熱層厚度與施工成本的關系方面進行研究。

3.1 隔熱層材料的選擇

通過查閱相關文獻資料，對各種保溫隔熱材料的性能參數(shù)、優(yōu)缺點及材料價格總結見表1。由表1 可見，擠塑聚苯板及模塑聚苯板不能用于尼格隧道80℃巖溫環(huán)境，硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料雖然在寒區(qū)隧道中廣泛使用，但由于硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料抗老化性差，不利于公路隧道的長期安全運行，且材料在高溫條件下有毒性。尼格隧道地下水豐富，聚酚醛泡沫材料吸水率大，不利于隔熱材料性能的發(fā)揮。綜合考慮，建議尼格隧道隔熱層選用干法硅酸鋁纖維板或硅酸鹽質(zhì)復合絕熱卷氈。

表1 不同保溫隔熱材料性能、價格及優(yōu)缺點對比表

3.2 隔熱層的敷設方式

目前，隧道中隔熱層的敷設方式有夾心式、貼壁式、雙層式、離壁式4 種敷設方式。

夾心式敷設是將隔熱層敷設在初期支護和二次襯砌之間。此方式隔熱層位于二襯背后，能有效阻斷地熱向二襯的傳遞，且不需要額外設置防火層及保護層，對隔熱材料也沒有阻燃要求。但此方式敷設隔熱層需要承擔一定的圍巖壓力，對隔熱層有抗壓性能要求，且隔熱層失效后無法維修及更換。

貼壁式敷設是將隔熱層緊貼在隧道二襯內(nèi)側。此方式隔熱層不受圍巖壓力的作用，對隔熱材料沒有抗壓性能要求，且隔熱層易于維修和更換。但此方式敷設隔熱層易遭受破壞，需要設置防火層及保護層，施工較為復雜。由于隔熱層位于隧道內(nèi)表面，無法隔斷地熱向二襯的傳遞，不能有效保護二襯免受高巖溫的影響。

雙層式敷設是在隧道二襯內(nèi)側及初支與二襯之間均敷設隔熱層。此方式設置2 道隔熱層，隔熱效果較好，但成本高，施工復雜，不利于隔熱層的維修和更換，對材料的抗壓及阻燃均有要求。

離壁式敷設是在隧道二襯內(nèi)表面和隔熱層之間增設空氣層。此方式隔熱層施工效率高、安裝簡單、維修更換方便，但離壁式襯套安裝精度要求嚴格，襯套有固定錨桿，容易破壞隔熱層及防水層的整體性，且成本較高。

尼格隧道高巖溫影響下，主要考慮二襯的耐久性及隧道運營期能阻斷熱量向隧道內(nèi)傳遞。雙層式及離壁式敷設隔熱層成本高，不經(jīng)濟。貼壁式敷設不能有效保護二襯免受高巖溫影響。故尼格隧道隔熱層敷設方式推薦采用夾心式。

3.3 隔熱層厚度對施工成本的影響

從成本角度考慮，尼格隧道除洞口段外，基本為Ⅲ級圍巖，采用Ⅲa型襯砌，隔熱層敷設斷面可考慮為扇形，隔熱層施工成本可按公式（1）簡略計算：

式中，C 為隔熱層施工成本；α 為襯砌斷面扇形圓心角；r 為二襯外輪廓線半徑；d 為夾心式敷設時保溫層的厚度；L 為隧道長度；P 為隔熱材料單方造價；C1為除隔熱材料成本外的人工、機械及管理費等。

可見，在隔熱層材料及敷設方式已選定的情況下，r、L、C1、P 為常量，隔熱層施工成本與隔熱層厚度呈二次函數(shù)關系。對隔熱層施工成本求導，可以得到式（2）：

式（2）中各符號含義同式（1）中的相同符號含義。

可見，隔熱層厚度增加一個單位引起的施工成本增加數(shù)隨著隔熱層厚度的增大而增大，故隔熱層厚度的選擇應兼顧性能與經(jīng)濟性。吳根強【4】通過有限元數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，隔熱層敷設厚度小于5cm 時，隔熱效果不好，敷設厚度大于10cm時，隔熱效果增加緩慢?？梢?，通過增加隔熱層厚度并不能達到更好的隔熱效果，反而會引起成本呈二次函數(shù)關系增加。綜合考慮，尼格隧道夾心式敷設隔熱層厚度建議為5～10cm。

4 結語

通過研究高巖溫對支護結構混凝土性能的影響及隔熱層敷設方案，對在建尼格隧道支護結構施工及隔熱層優(yōu)化建議如下：

1）支護結構混凝土配合比采用單摻粉煤灰配合比作為施工配合比，配合比設計時混凝土強度提高一個等級，同時適當增加配筋率。

2）支護結構混凝土終凝前應對混凝土進行覆膜養(yǎng)護或涂敷水玻璃型養(yǎng)護劑養(yǎng)護；終凝以后，加強保濕養(yǎng)護，延長灑水養(yǎng)護至28d，同時加強通風措施。

3）考慮設置隔熱層，隔熱層材料選用干法硅酸鋁纖維板或硅酸鹽質(zhì)復合絕熱卷氈，夾心式敷設，敷設厚度5～10cm。