嚴(yán)寒地區(qū)高速公路隧道防凍技術(shù)

劉軍輝，王殿強(qiáng)，馬 強(qiáng)

（中國建筑第二工程局有限公司西南分公司，重慶 400023）

0 引言

近年來，我國公路交通建設(shè)規(guī)模不斷增長，嚴(yán)寒地區(qū)修建高速公路隧道數(shù)量也不斷增加，對(duì)于特殊的氣候溫度條件，我國逐步強(qiáng)化了嚴(yán)寒地區(qū)高速公路隧道工程防凍技術(shù)要求。目前，我國嚴(yán)寒地區(qū)高速公路隧道防凍措施主要是利用襯砌保溫技術(shù)降低隧道凍害發(fā)生概率，同時(shí)通過搭建完善的隧道排水系統(tǒng)降低襯砌背后積水留存，并借助隧道襯砌保溫技術(shù)確保隧道排水系統(tǒng)通暢，保證隧道高效安全運(yùn)行。

1 嚴(yán)寒地區(qū)高速公路隧道保溫措施

對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)的高速公路隧道而言，洞內(nèi)的冷空氣對(duì)流作用是導(dǎo)致洞內(nèi)熱量不斷流失的主要原因。嚴(yán)寒地區(qū)的隧道洞內(nèi)溫度呈現(xiàn)出典型的拋物線特征，洞口兩邊的溫度低，隧道中間的溫度高，而凍害根源是受到地下水以及圍巖間的反復(fù)凍融作用，為此，預(yù)防凍害的主要原則是確保隧道中的水能夠及時(shí)流出洞外且不會(huì)被凍結(jié)。常用的隧道防凍技術(shù)有以下3種。

1）加熱法 人工向隧道圍巖處供熱，減少及消除圍巖內(nèi)形成的凍融圈，但所供給的熱量無法有效控制溫度，易引發(fā)原有凍融圈出現(xiàn)融化現(xiàn)象。

2）陽光棚 通過在隧道進(jìn)出口設(shè)置陽光棚，借助太陽輻射提升洞口的環(huán)境溫度，但應(yīng)用該防凍技術(shù)的弊端是影響人員駕駛安全。

3）襯砌表面貼設(shè)保溫材料 借助保溫層增加洞口環(huán)境溫度，確保排水系統(tǒng)的正常應(yīng)用。

2 工程概況

本研究選取嚴(yán)寒地區(qū)某高速公路隧道項(xiàng)目。施工區(qū)域的最大凍土深度達(dá)1.7m，夏季短暫雨量豐富，冬季干寒持續(xù)時(shí)間長，且該地區(qū)的晝夜溫差較大，常年平均氣溫在-2.5～12.0℃，年均日照時(shí)間為2 850～2 950h。設(shè)計(jì)的高速公路隧道出口位于山體斜坡，山體的自然斜坡傾向于西南，坡度傾向在6°左右，山體的表層存在積沙覆蓋的情況，邊坡穩(wěn)定性相對(duì)較差。

3 預(yù)計(jì)凍害情況

項(xiàng)目隧道區(qū)域的年降水量相對(duì)較大，融區(qū)時(shí)常存在地下水涌出的情況，尤其是在隧道排水系統(tǒng)不通暢的前提下，地下水會(huì)由隧道襯砌裂縫向隧道內(nèi)滲漏，最終侵入隧道的建筑界限。嚴(yán)寒地區(qū)的高速公路隧道普遍存在襯砌開裂問題，而導(dǎo)致隧道襯砌開裂的原因不僅是受到地質(zhì)及施工因素的影響，同時(shí)也受到嚴(yán)寒地區(qū)氣溫差異的影響，導(dǎo)致隧道襯砌產(chǎn)生溫度應(yīng)力以及凍脹力，促使嚴(yán)寒地區(qū)的高速公路隧道襯砌開裂。受到隧道襯砌水平及斜向開裂的影響，大多數(shù)隧道襯砌開裂主要集中于隧道邊墻區(qū)域，而這種開裂問題的存在將隧道邊墻出現(xiàn)凸出、槎牙等問題，主要出現(xiàn)在地下水多次涌出的區(qū)域，入冬開始鼓起，春融時(shí)開始收縮，且收縮量大多小于鼓起量，最終出現(xiàn)殘余變形。

4 防凍保溫技術(shù)分析

4.1 二次襯砌保溫技術(shù)的選擇

現(xiàn)階段，隧道二次襯砌常用的保溫技術(shù)為設(shè)置保溫層，不同的鋪設(shè)方法所帶來的影響存在一定的差異性。

1）隔熱保溫層鋪設(shè)至隧道初期支護(hù)以及隧道二次襯砌，極易導(dǎo)致保溫層受到損壞。這是由于隔熱保溫層鋪設(shè)至初期支護(hù)表層，將大大增加保溫層材料遇火的概率，進(jìn)而引發(fā)隧道火災(zāi)。將隔熱保溫層鋪設(shè)至隧道二次襯砌時(shí)，保溫材料的鋪設(shè)質(zhì)量無法得到有效控制，如果保溫材料性能失效，工作人員無法立即確定保溫材料的失效范圍，對(duì)隔熱保溫層的鞏固維護(hù)更加艱難。此外，隔熱層設(shè)置于初期支護(hù)與二次襯砌之間，將會(huì)由于初期支護(hù)以及二次襯砌變形不協(xié)調(diào)增加保溫層材料的受力面積，導(dǎo)致保溫材料被破壞，最終使隧道保溫系統(tǒng)功效無法發(fā)揮。

2）將隔熱保溫層鋪設(shè)至隧道二次襯砌表面，可有效彌補(bǔ)第1種鋪設(shè)方法的缺點(diǎn)，大大提升項(xiàng)目施工質(zhì)量，增加隧道維修養(yǎng)護(hù)的便利性，但也存在一定的不足之處。將保溫材料設(shè)置在二次襯砌表面，極易出現(xiàn)由于安裝不牢引發(fā)保溫層脫落問題，甚至?xí)秩胨淼澜ㄖ藿?，?duì)隧道中的車輛行駛安全造成影響。設(shè)置隔熱保溫層應(yīng)用的保溫材料不僅能滿足保溫性能，同時(shí)具備一定的防火性能，在滿足實(shí)用要求的前提下達(dá)到美觀的效果。但是，將隔熱保溫層鋪設(shè)于隧道二次襯砌表面，維修人員不能輕易發(fā)現(xiàn)隧道襯砌開裂或者其他病害的跡象，給隧道襯砌檢查、檢修工作帶來不便。

綜合對(duì)比以上2種保溫層設(shè)置方法的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇保溫層設(shè)置于隧道二次襯砌表面的保溫技術(shù)。

4.2 保溫層材料選擇

我國常用的保溫層材料種類繁多，按照保溫材料材質(zhì)分類，可分為有機(jī)類、無機(jī)類以及金屬類3種；按照保溫材料的形態(tài)分類，可分為纖維狀、微孔狀、層狀以及氣泡狀等。通過對(duì)施工項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)查研究，選擇二次襯砌表面鋪設(shè)保溫材料為福利凱保溫層以及FL纖維增強(qiáng)板。

4.3 保溫材料厚度的選擇

隧道二次襯砌表面鋪設(shè)的隔熱保溫層厚度的計(jì)算公式為：

式中，啄為隔熱層厚度，m；姿1為保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；r為隧道當(dāng)量半徑，m；d為圍巖厚度，m。

4.4 隧道保溫長度的選擇

嚴(yán)寒地區(qū)高速公路隧道極易出現(xiàn)襯砌混凝土凍害，為此，本次施工設(shè)計(jì)選擇在距離隧道進(jìn)出洞口500m范圍內(nèi)、受到外界大氣溫度影響較大的隧道進(jìn)行襯砌保溫設(shè)計(jì)。

4.5 隧道保溫系統(tǒng)施工技術(shù)要點(diǎn)

1）先對(duì)隧道二次襯砌表面的平整性進(jìn)行檢查，檢查其是否存在空洞、蜂窩、深裂縫等問題，對(duì)存在的問題進(jìn)行妥善處理后，方可進(jìn)行下一步施工工序。

2）在隧道二次襯砌表面進(jìn)行測(cè)位、放線及打眼，在對(duì)應(yīng)位置安裝FL膨脹螺栓，將螺栓深埋長度控制在80mm左右，確保螺栓固定的穩(wěn)定性。

3）將既定厚度的福利凱板直接穿過FL-U形件的支臂，并將其緊貼隧道二次襯砌的表面固定。同時(shí)利用FL自攻釘將FL龍骨與暴露于福利凱板表面的FL-U形件的支臂固定。

4）利用FL自攻螺栓將FL纖維增強(qiáng)板與FL龍骨框架進(jìn)行固定。

5）利用施工人員專用的膩?zhàn)蛹熬W(wǎng)帶，將FL纖維增強(qiáng)板之間的縫隙進(jìn)行密封，密封完整后對(duì)其進(jìn)行平整性打磨，確保板縫處封閉的平整性與完全性。同時(shí)也可利用FL纖維增強(qiáng)板的表面進(jìn)行裝飾性處理。

4.6 設(shè)計(jì)深埋水溝

設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行深埋水溝具體設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)隧道的整體長度、地下水位、水溫以及所處地區(qū)寒冷季節(jié)主導(dǎo)風(fēng)向、山坡斜度等因素進(jìn)行確定。對(duì)于中短型隧道、全隧道采取深埋水溝施工技術(shù)，本次選擇洞口500m范圍內(nèi)帶仰拱段落，將水溝設(shè)計(jì)于仰拱下方，對(duì)于沒有仰拱段落的區(qū)域則采取深挖水溝的施工策略。另外，連接縱向排水管與中心水溝的橫向排水設(shè)置埋深也受凍脹深度影響，需做好防凍脹設(shè)計(jì)。帶仰拱段落深挖水溝處理如圖1所示。

圖1 帶仰拱中心排水管埋設(shè)（單位：cm）

5 結(jié)語

嚴(yán)寒地區(qū)隧道病害發(fā)生的主要原因是凍融破壞，為降低嚴(yán)寒地區(qū)高速公路隧道病害發(fā)生的概率，需要重視保溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和過程施工。根據(jù)項(xiàng)目工程的實(shí)際情況進(jìn)行隔熱保溫層的鋪設(shè)，選擇相應(yīng)的保溫材料與保溫層鋪設(shè)技術(shù)，同時(shí)對(duì)于保溫材料厚度以及隧道保溫長度進(jìn)行計(jì)算選擇，可大大提升嚴(yán)寒地區(qū)高速公路隧道的保溫質(zhì)量，為車輛行駛安全提供保障。