1、寒区隧道保温措施分析摘要：文章就公路隧道冻害的发生及其处治措施进行了分析，并结合隔热保温层的保温原理对敷设隔热保温材料的方式进行了比较，提出应优先将隔热保温层敷设在二次衬砌混凝土表面。 关键字：公路隧道冻害；隔热保温层；保温原理。 中图分类号：X734 文献标识码：A 文章编号： 1 问题的提出 隧道冻害是指影响行车安全与结构稳定的冰冻现象。凡位于有季节性冰冻区域的隧道都有可能发生冻害，所以，我国受冻害影响的隧道分布广，数量多。为了给寒冷地区隧道的冻害处治提供行之有效的方法，有必要对寒区隧道冻害的处治措施进行研究。 2 寒区公路隧道的防冻措施 冻胀要发生，必须具备两个条件，一是在一定范围内隧道
2、衬砌结构或围岩含水，二是在此范围内的温度低于零度，能够结冰。由于围岩的外开放性及冰冻过程的渐进性，不论是坚硬、中硬还是软弱围岩，发生在有限范围内的冻、融过程，均不会在围岩内产生巨大的应力，寒区隧道的冻害主要是因渗、漏水而引起的衬砌冻融，所以衬砌结构不会因为围岩的冻胀而产生巨大压力，结构设计时不必为围岩的反复冻融而担心，设计施工时应重点对渗、漏水进行严密设防。另外，隧道衬砌壁外虽有可能出现大体积结冰，但结冰不会对衬砌结构施加强大的荷载，因此寒区隧道设计时不必考虑宏观冻胀的影响。也就是说，如果防排水系统运行状况很好，没有水进入二衬范围，那么无论温度有多低，二衬都不会发生冻害。对于新建隧道，应严格做
3、好防排水系统，并根据实际情况可采取一定的防冻措施。对于已建隧道，如果隧道渗漏水量不大，冻害不严重时，根据经验可将水彻底堵到衬砌外时，应主要采取堵排水的措施使地下水不进入衬砌范围，然后再采取适当的保温（或加热）措施；当渗漏水量较大，冻害比较严重时，这种情况下防水系统往往已经严重受损，要想将水完全堵于衬砌结构之外比较困难，因此应当在对渗漏水做适当的堵排处理后，主要采取保温（或加热）的措施，并在隔热保温层与衬砌间设置防水板，以保证隔热保温层不受渗、漏水浸泡。 目前普遍使用的隧道防冻措施主要有以下 3 种，即供热法、防寒门法和敷设隔热保温材料法。如采用供热法，则往往因为供热时间长，供热范围大，使得运营
4、成本大幅度增加；如使用防寒门法，虽然其耗能低，但是对于交通量较大的隧道，会对行车造成较大的干扰，并且由于防寒门的频繁开启而使得保温效果降低，因此供热法和防寒门法均不是理想的防冻方法。 就敷设隔热保温层而言，因隔热保温材料本身并不能产生热量，从长期来看，在多年冻土地区，当年积算冷度的绝对值大于年积算热度时，单一隔热保温层很难阻挡多年冻结层的形成。但是设置隔热保温层可以减弱隧道衬砌及围岩在寒冷季节的冻结及暖季的融化，从而减弱冻融循环作用，使隧道冻害程度大大降低甚至不会发生。同样，在季节性冻土地区的隧道，通过敷设隔热保温材料可以防止隧道衬砌及围岩在寒冷季节的冻结，从而达到防治冻害的目的。 敷设隔热保
5、温材料的方式有 2 种：1 种是敷设在初期支护与二次衬砌之间（图 1） ，叫做双层衬砌隔热保温处理法；另 1 种是直接敷设在二次衬砌混凝土表面（图 2） 。 图 1 表面隔热保温处理概念图图 2 双层衬砌隔热保温处理概念图 3 隔热保温原理及应注意事项 隔热保温层之所以能够保温，是因为其夹带了很多不易流动的空气，而空气如果不流动的话，导热性是很差的，这样就使得热量很难通过其来传导。从其隔热保温原理我们可以知道，要保证隔热保温层的隔热保温效果，就必须要保证隔热保温层的厚度和保温材料的性能，在隧道保温的实际应用中，我们就要保证隔热保温层不因受压力而使得厚度变小，不因吸水而使得导热性改变。对于寒区的
6、新建隧道，在设置其隔热保温层时除了要隔绝地下水外，还应注意到尽量不要将隔热保温层设置在初支与二衬中间，一方面，如果隔热保温层设在初支与二衬中间，由于防水系统的施工质量及耐久性不能保证隔热保温层在隧道寿命内一直保持干燥，一旦隔热保温层被水浸湿，将会严重影响其保温性能，并且很难对其进行处治；另一方面，也是最重要的原因，因为初支是柔性支护，在荷载作用下会不断地变形发生位移，如果隔热保温层设在初支与二衬中间，则会被初支压迫而变薄，继而影响隔热保温效果，但如果根据实际情况确实需要将隔热保温层设置于初支与二衬中间时，应优先选用吸水率小、抗压强度大的材料，并采取措施使其与水隔离。对于既有的冻害比较严重的隧道
7、，在对其进行保温处理时必须保证隔热保温层所处的环境干燥，所以在治理发生冻害的隧道时，需要首先对渗、漏水采取处治措施，可根据实际情况或堵或排，如果渗水情况较为严重，经过处治仍然难以保证二衬表面无渗、漏水，则需在隔热保温层与二衬间设置防排水系统，可在衬砌表面敷设一层防水板，如果施工缝处渗、漏水严重，应在施工缝处再施做一道排水型的止水带，然后再敷设隔热保温层，以保证其保温性能，另外，如果隧道内空气比较潮湿，还应在隔热保温层表面采取防潮措施。 4 隔热保温层厚度的确定 敷设在隧道内侧的隔热保温层应能保证其后衬砌的温度在最不利情况下仍不低于零度，即使在严重渗、漏水时也不会发生冻害，这是确定隔热保温层厚度
8、的基本原则，在具体确定隔热保温层厚度时，可将隧道横断面简化为圆筒壁型式，具体可参照下面的公式进行计算： 式中：隧道的当量半径， = （开挖宽度+开挖高度）/4； 围岩融化或冻结深度，当隧道位于多年冻土地区，围岩深度取融化深度，当隧道位于季节性冻土区，围岩深度取冻结深度； 隧道融化或冻结深度范围内的围岩的导热系数； 所敷设的隔热保温层厚度； 所敷设的隔热保温层导热系数； 隧道混凝土衬砌厚度； 隧道混凝土衬砌导热系数。 另外，对于计算得出的结果，还应将隧道埋深、通风情况以及保温材料的保温性能隧时间推移而降低的折减系数等纳入考虑。 5 结论 综合上面的分析，可得出如下结论： （1）对于新建隧道的防冻
9、，应将主要工作放在设计及施工阶段的防排水方面，然后再采取适当的直接防冻措施，对于已建隧道的防冻，如渗漏水不严重的话，应尽量将水堵排于二衬外，并采取适当的保温（或加热）措施，如渗漏水严重，则应在对渗、漏水采取适当的堵排措施后，主要采取保温（或加热）的措施，并在隔热保温层与衬砌间设置防水板以保证隔热保温层不受渗、漏水浸泡。 （2）从隔热保温层的保温原理分析，要保证隔热保温层的保温效果，就必须要保证隔热保温层的厚度和保温材料的性能，在隧道保温的实际应用中，我们就要保证隔热保温层不因受压力而使得厚度变小，不因吸水而使得导热性改变。 （3）对于寒区的新建隧道，在设置其隔热保温层时除了要隔绝地下水外，还应
10、注意到尽量不要将隔热保温层设置在初支与二衬中间，但如果根据实际情况确实需要将隔热保温层设置于初支与二衬中间时，应优先选用吸水率小、抗压强度大的材料，并采取措施使其与水隔离。 （4）在确定隔热保温层厚度时，应在计算的基础上将隧道埋深、通风情况以及保温材料的保温性能隧时间推移而降低的折减系数纳入考虑。参考文献 1 吕康成,马超超,吉哲,许鹏. 高海拔及严寒地区隧道防冻设计J.现代隧道技术, 2012. 2 谢红强,何川,李永林. 寒区公路隧道隔热保温层厚度的相变温度场研究J.岩石力学与工程学报, 2007. 3 陈建勋，朱计华，张建勋. 寒冷地区隧道防冻隔热层设计计算及应用C/ 国际隧道研讨会暨公路建设技术交流大会论文集. 北京：人民交通出版社，2002. 4 张耀,赖远明,张学富. 寒区隧道隔热层设计参数的实用计算方法J.中国铁道科学, 2009. 5 晏启祥,何川,曾东洋.寒区隧道温度场及保温隔热层研究J.四川大学学报:工程科学版, 2005. 6宓荣三.寒区特长公路隧道的抗防冻技术J.石家庄铁路职业技术学院学报,2006,5(3):68-72.
