高海拔寒區(qū)隧道抗防凍設計研究綜述

高海拔寒區(qū)隧道抗防凍設計研究綜述

隨著中國經(jīng)濟和社會的發(fā)展，公路和鐵路的建設進入了前所未有的快速發(fā)展階段。近年來，隨著高速鐵路和高速鐵路的快速建設，交通隧道呈現(xiàn)出“大、長、大、深”的發(fā)展趨勢。尤其是西部大開發(fā)戰(zhàn)略實施以來,交通隧道又呈現(xiàn)出另一特點——“高”,即海拔高。在高海拔的寒冷地區(qū)修建隧道工程與一般地區(qū)相比,技術性問題要復雜得多,其中,如何合理設計高海拔寒區(qū)隧道的抗防凍及防排水方式,國內(nèi)外專家根據(jù)各自工程特點,開展了眾多深入、細致的研究,本文在搜集分析國內(nèi)外高海拔寒區(qū)隧道特點的基礎上,對寒區(qū)隧道抗防凍設計特點進行歸納總結。1冷帶隧道的基本定義和劃分1.1中國寒區(qū)主要氣候指標《中國寒區(qū)水文》一書的作者楊針娘等根據(jù)《中國自然地理圖集》(1984)中的1、2、7和10月平均氣溫等值線,日平均氣溫,積雪日數(shù)等值線,及年平均氣溫和降水量等值線,并結合中國氣候區(qū)劃、青藏高原氣候區(qū)劃與中國水文區(qū)劃等,分析提出如表1所示的中國寒區(qū)氣候指標,以此來劃分寒區(qū)指標。1.2凍害等級寒區(qū)隧道根據(jù)劃分標準不同可劃分為不同的隧道類型,具體可按照多年凍土分布、水源賦存與補給條件劃分和按氣候參數(shù)進行分類等三種情形,具體如下:(1)按隧道區(qū)多年凍土分布劃分為全多年凍土隧道、局部多年凍土隧道和非多年凍土隧道。(2)按隧道區(qū)地下水來源和水源賦存與補給條件,并根據(jù)不同的凍害等級也可將寒區(qū)隧道分為Ⅰ～Ⅴ類。寒區(qū)特長公路隧道多為開放的垂直與水平混合補給含水圍巖隧道,由于多種水源補給,隧道在開挖、運營中往往有大量地下水滲入、出水點多、涌水量大、常年出流。隧道襯砌層施工時若留有孔洞、裂隙或因受凍融作用而產(chǎn)生破裂,圍巖中的地下水即滲入洞中,這是發(fā)生冰凍病害最多、最嚴重的一類隧道。(3)我國寒區(qū)多集中在東北和西北地區(qū),對于年平均溫度較低地區(qū)(年平均溫度<10.5℃)按氣候參數(shù)進一步劃分為亞區(qū),見表2所示。從氣候參數(shù)來看,對寒區(qū)隧道工程影響最大的是洞口位置的年平均氣溫、年凍結指數(shù)、年最大凍深氣候等參數(shù)。2混凝土工作性能下降針對寒區(qū)隧道所處的特點,同時為避免寒區(qū)隧道的凍害發(fā)生而導致隧道襯砌混凝土工作性能的下降,隧道設計及施工過程中一般采取相應的抗防凍措施,避免寒區(qū)隧道凍害的發(fā)生。設計中一般從改善隧道熱環(huán)境入手,其主要方法有保溫隔熱措施和加熱措施,就目前趨勢而言,前者應用更為廣泛。2.1保溫隔熱層的作用保溫隔熱措施屬于被動保溫方式。由于圍巖、襯砌和冷空氣之間的熱交換系數(shù)很大,隧道貫通后冷空氣的流動將帶走大量熱量,設置保溫隔熱層能有效阻止圍巖、襯砌和冷空氣之間的熱傳遞。采用保溫隔熱層有兩方面的作用:(1)在多年凍土地區(qū),保溫隔熱層在夏季能阻止熱量向隧道襯砌背后流動,使隧道周邊多年凍土不至于融化,能減輕凍融循環(huán)的影響,防止凍融循環(huán)導致襯砌背后出現(xiàn)空洞,減輕積水凍脹的可能性。(2)在季節(jié)凍土地區(qū),保溫隔熱層在寒冷的冬季能阻止隧道襯砌和圍巖熱量的散失,使圍巖不至于凍結,減輕凍脹影響。保溫隔熱的主要方法簡述如下。2.1.1保溫層的設置根據(jù)傳熱學原理,如果物質之間的導熱系數(shù)變的無窮小,那么彼此之間就沒有熱量傳遞。保溫隔熱措施就是這一原理的應用。目前常規(guī)的做法是采用熱傳導系數(shù)很低的材料,如:聚氨酯泡沫,聚酚醛泡沫,聚苯乙烯,干法硅酸鋁纖維等。這些材料的特點是導熱系數(shù)低,不容易燃燒,吸水率低,容易加工,加工厚度小等,很適合在隧道內(nèi)使用。保溫層可以采取以下幾種形式:(1)中間隔熱層法:如圖1(a)所示,保溫材料敷設在二襯與防水板之間,典型隧道如青藏鐵路上的昆侖山隧道。(2)外隔熱層法:如圖1(b)所示,保溫材料敷設在二襯表面,典型隧道如青海省寧張公路大阪山隧道。(3)雙隔熱層法:如圖1(c)所示,保溫材料同時敷設在二襯與防水板之間及二襯表面,起到雙層防凍效果,此種抗防凍設計方法在國內(nèi)高海拔寒區(qū)隧道中采用少,日本部分隧道曾經(jīng)采用。(4)離壁式隔熱層法:如圖1(d)所示,隔熱層敷設在二襯與防水板之間,二襯與隔熱層間采用離壁的方式,此種抗防凍設計措施僅見于部分挪威的隧道。2.1.2空氣進入隧道對于寒區(qū)隧道,冷空氣的對流作用是導致洞內(nèi)熱量散失的主要途徑。在隧道進出口設置防寒保溫門,可以阻止和減緩冷空氣的對流作用,能在冬季寒冷期間阻擋相當大部分的寒冷空氣侵入隧道,提高冬季隧道內(nèi)空氣的平均溫度,能限制隧道圍巖季節(jié)凍結圈的深度,防止隧道水溝凍結。如青海省寧張公路大坂山隧道及東北林區(qū)的興安嶺隧道均在洞口設置了防寒保溫門,在實際運營中起到了較好的效果。但是防寒保溫門在運營中需要重復開啟,受季節(jié)性交通量影響較大,一般只適用于冬季車輛遠小于夏季的偏遠地區(qū),而且需要采用交通管制使車輛集中在一定時段內(nèi)通過,因此,該方法的使用性得到很大限制。隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展,交通日趨繁忙,車流量不斷增加,隧道保溫門技術將不宜采用。2.1.3空氣幕與防寒門空氣幕技術是隧道輔助保溫措施之一,其作用類似于隧道洞口的防寒保溫門。由于空氣是熱的不良導體,在寒冷季節(jié)利用隧道洞口設置空氣幕,也可以減少隧道內(nèi)部熱能和外界冷能的交換,保持洞內(nèi)較高溫度。在多年凍土地區(qū)隧道冬季保持相對較高的洞內(nèi)溫度,對緩解隧道凍脹及保證隧道排水系統(tǒng)的暢通都具有重大的意義,同時也有利于對洞口風吹雪的防治。采用空氣幕與防寒保溫門相比,其最大優(yōu)點是不影響行車,管理簡單,維護、檢修方便。目前在己建隧道中,尚無利用空氣幕的先例,但空氣幕技術己經(jīng)很成熟,廣泛應用在賓館、超市、醫(yī)院、車站、工業(yè)廠房大門。在礦山中也大量的應用實例,因此,空氣幕技術在寒區(qū)隧道工程存在實際應用的可行性,可以考慮結合其他的防寒措施共同使用。例如,結合地熱發(fā)電措施。利用“載熱體”把地下的熱能帶到地面上來。目前能夠被地熱電站利用的載熱體,主要是地下的天然蒸汽和熱水。但是,目前地熱資源的開發(fā)還存有一定的障礙,地熱管理體制和開發(fā)利用機制等沒有建立起來;地熱資源的勘探、開發(fā)才在高投入、高風險,需要先進的技術;系統(tǒng)的技術規(guī)程、規(guī)范和技術標準尚不健全和完善。所以,將地熱發(fā)電技術應用于隧道工程中的可行性有待于進一步研究。但是,鑒于當前國內(nèi)外都在進行淺層地溫能的開發(fā),在長大寒區(qū)隧道中間埋深較大的地方開采利用地溫能,作為隧道抗凍措施,在一定程度上是可行的。2.2持續(xù)保溫的必要性加熱法屬于主動保溫方式,其原理是采用人工方法經(jīng)常地、適量地向隧道圍巖供給補充熱量,消除或減緩圍巖內(nèi)新的凍結圈形成的趨勢。對于外來熱源,供給的熱量不能過大,當熱量過大時,會失去動態(tài)平衡,引起原有的凍結層的融化。利用當?shù)氐牧畠r能源如太陽能、風能、水能作為新的熱源,采用主動保溫方式,是寒區(qū)隧道凍害防治研究的新方向。主要加熱措施有:2.2.1挪威的電力加熱器供暖加熱防治隧道凍害的方式在前蘇聯(lián)運用較多。前蘇聯(lián)水電資源豐富,提出了隧道運營時采暖的防治凍害方法,在隧道內(nèi)設置電力加熱器,補充隧道內(nèi)散失的熱量。挪威在隧道內(nèi)的排水系統(tǒng)中設置加熱電纜,防止水溝被凍結在地熱資源豐富的地方,可以利用地熱水或蒸汽水對隧道進行加熱。就我國目前的實際情況來看,采用電加熱對寒區(qū)隧道供暖在經(jīng)濟上不可行,不值得推廣。而在地熱資源豐富的地區(qū)如西藏、青海等,可以嘗試利用地熱供暖。2.2.2隧道所在單位開敞空氣溫度設定在日照強烈的地區(qū),可以在隧道口處設置陽光棚,通過白天吸收太陽輻射來升高洞口周圍空氣溫度,再通過車輛流通把熱空氣帶入洞內(nèi),使得洞內(nèi)溫度升高并達到正溫,晚上氣溫下降時,通過關閉保溫門來阻止冷空氣進入隧道,使得隧道一直處于正溫狀態(tài)。該方法的優(yōu)點是可以有效的利用太陽能,節(jié)約電力資源,適合于我國新疆、西藏等日照強烈的內(nèi)陸省份。2.3抗防凍材料常用材料類型保溫隔熱材料(又稱絕熱材料)是指對熱流具有顯著阻抗性的材料或材料復合體。絕熱材料的品種很多,按材質分類,可分為無機絕熱材料、有機絕熱材料和金屬絕熱材料三大類。按形態(tài)分類,可分為纖維狀、微孔狀、氣泡狀和層狀等。目前,抗防凍材料采用較多的有:酚醛泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、高壓聚乙烯、橡塑隔熱材料、巖棉及玻璃棉等,各材料的物理力學性能比較如表3所示?，F(xiàn)分述如下:(1)有機外墻材料的燃燒性能與聚氨酯、聚苯乙烯、橡塑泡沫等有機泡沫塑料比較,酚醛泡沫具有輕質、吸水率小、導熱系數(shù)小、難燃、自熄、低煙霧、耐火焰穿透、遇火即炭化無滴落、火焰蔓延速率小、耐高溫、安全、環(huán)境友好等特性,是新型隔熱保溫材料,在所有有機保溫材料中,燃燒性能等級是最高的。(2)氨基泡沫塑料聚氨酯泡沫塑料分為軟質、半硬質和硬質聚氨酯泡沫塑料幾種,而用于絕熱材料的主要是硬質聚氨酯泡沫塑料,價格較高。(3)建筑現(xiàn)用技術聚苯乙烯泡沫塑料質輕、導熱系數(shù)小、吸水率低、柔性好、耐水、耐老化、耐低溫、耐腐蝕、易加工、價廉質優(yōu)等優(yōu)點?，F(xiàn)已在建筑市場上廣泛應用。聚苯乙烯泡沫塑料根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同,有膨脹型(EPS)與擠塑(XPS)兩類,以膨脹聚苯乙烯板使用最為普遍。(4)車體保溫使用又名PEF保溫材料,絕熱效果好,施工簡易,使用壽命長,綜合成本低,耐性好,無毒性,緩沖性強等,廣泛用于石油、化工電力、食品制藥工業(yè)、汽車、火車、冷藏車的保溫,吸音及減震等。(5)管道保溫的作用發(fā)泡橡塑類保溫材料的特性與發(fā)泡塑料制品比較接近,質輕、彈性好、韌性好、導熱系數(shù)小、氣密性好、抗水、耐腐蝕、抗壓、施工性好,適用于介質溫度在-40～105℃之間各種管道及設備的保溫,具有外觀整潔美觀的特點,但是價格昂貴。(6)外墻外墻保溫巖棉制品具有不燃、無毒、容重小、導熱系數(shù)小,使用溫度高,經(jīng)久耐用。不易風化,對金屬不腐蝕。還有一個重要優(yōu)點是原材料豐富、成本低等特點。因此它是目前國內(nèi)外在建筑外墻上應用最多的一種保溫材料。但缺點是施工時對施工人員的皮膚有刺癢反應,安裝條件差。(7)防水處理玻璃棉及其制品具有良好的隔熱、隔振、吸音效果,其缺點是吸水率大,須防水處理。它受潮后變形,隔振效果下降,即使風干后也不能恢復至原來的性能,一般來說玻璃棉使用壽命較短。(8)溫度和導熱系數(shù)福利凱導熱系數(shù)低,并且持久,抗凍融性好,耐低溫可以達到-196℃,屬于一種深冷保溫材料,在-196℃的超低溫環(huán)境和條件下,福利凱不收縮、不脆化、不開裂,仍然具有良好的保溫效果,這是其他保溫材料不具備的優(yōu)點,同時福利凱還呈現(xiàn)出溫度越低導熱系數(shù)越低的特點。從表3中可以看出,各種保溫隔熱材料均具有自身的特點,設計中具體采用何種抗防凍材料應從技術、經(jīng)濟、安全性及耐久性等方面綜合考慮后選取。2.4襯砌隔熱法施工的效果分析綜合國內(nèi)當前高寒鐵路、公路隧道保溫層的設置方式可以看出,目前國內(nèi)隧道保溫層的設置方式主要有兩種:一種是將保溫層設置在二襯表面;一種是將保溫層設置在一、二襯之間。但這兩種方法究竟那一種更為科學、合理,一直以來業(yè)界難以達成統(tǒng)一共識。就保溫層設置在隧道二襯表面而言,具有如下優(yōu)點:①確保圍巖裂隙水在不被凍結的情況下能順暢的排出隧道。能保護好隧道圍巖、支護結構免受凍脹破壞,同時也保護二次襯砌不受低溫影響而出現(xiàn)開裂、酥碎、剝落等嚴重問題。②維修方便,養(yǎng)護費用低。③施工工藝以電動工具為主,施工工效高。④因保溫層面板平整度好,有一定的裝飾作用。同時遮蔽因施工出現(xiàn)的隧道二次襯砌錯臺問題。而將保溫層設置在隧道初襯及二襯之間具有如下優(yōu)點:①因有兩層防水板,防滲水效果比較好。②山體有應力變形發(fā)生時可稍緩解圍巖對二襯的擠壓,但效果不明顯。③保溫層不會受到機動車的碰撞而破壞。但隨著近幾年來高海拔寒區(qū)隧道的大量出現(xiàn),研究的逐步深入,將保溫層設置在二襯表面的方案被國內(nèi)多座寒區(qū)公路隧道采用,并付諸實施,典型的隧道如:大坂山隧道、鷓鴣山隧道及剛剛通車的嘎隆拉隧道。另外,從結構的安全和耐久性上來考慮,在襯砌混凝土表面上直接敷設隔熱層的表面隔熱處理法更為合理、可靠。因為其他襯砌隔熱法存在如下弊端:①把隔熱材料設在二次襯砌背后,則意味著襯砌混凝土暴露在冷空氣中,如果隧道內(nèi)濕度較大或是襯砌有滲漏水,襯砌混凝土在凍融循環(huán)的作用下可能會發(fā)生凍害現(xiàn)象(即微觀凍害),二襯因遭受低溫影響而出現(xiàn)開裂、酥碎、剝落等嚴重問題。②若把隔熱材料夾在初期支護和二次襯砌之間,由于初期支護為柔性支護,在初期支護受到圍巖壓力產(chǎn)生變形時,或者是襯砌后的水壓較大時,都會把壓力直接傳遞到隔熱層上,特別是軟巖條件下發(fā)生的流變特性時會隨時破壞保溫層,抗凍性失效導致出現(xiàn)病害,同時隔熱材料的強度和彈性模量都較低,受力后隔熱層會被破壞或壓縮,從而失去保溫隔熱的功能。③如果在二次襯砌和保溫隔熱材料之間,由于防水不善而存在積水空隙,則在隧道內(nèi)氣溫較低時,可能會發(fā)生局部存水的凍脹,造成隧道凍害的發(fā)生。④目前我國對各種保溫隔熱材料的使用壽命沒有明確規(guī)定,若把隔熱層放在襯砌背后,一旦隔熱材料失效,將無法對其進行更換,維修只有通過鑿開二襯來進行,修復難度極大,后期維修費用也極高。⑤施工工藝看似簡單,但操作難度大,功效低,影響工程總進度。并且對保溫材料的防火要求很高,施工中如果其他作業(yè)引燃保溫材料,后果不堪設想?？傊?采用襯砌背后隔熱處理法較難保證隔熱材料的隔熱功能正常發(fā)揮。相比之下,采用表面隔熱處理法,在能夠對襯砌和圍巖進行保溫隔熱的同時,隔熱層