冻融环境下拉脊山隧道防寒保温设计

李 靖，李鸿博

(1.武昌理工学院 城市建设学院， 湖北 武汉 430223；2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司， 湖北 武汉 430052)

青海省道西久公路拉脊山隧道为双向四车道隧道，设计速度80 km/h，隧道总长5530 m。隧道区极端最高温28.7℃，极端最低温-37℃，隧道进口最大冻土深度为1.60 m，如此高海拔的特长公路隧道在我国尚不多见。

在严寒地区冻融环境下由于温度变化会导致隧道衬砌背后排水系统冻结，发生隧道围岩、衬砌结构胀裂等冻害现象。设计时如果没有充分考虑冻融环境对隧道排水系统及衬砌结构的不利影响，在隧道建成后可能发生严重后果，甚至导致隧道结构体系瘫痪。因此在隧道设计过程中防寒保温措施的设计尤为重要[1]。

1 冻融处理措施

严寒地区冻融环境下的隧道防寒保温设计主要从抗冻和防冻两方面采取相关措施。抗冻设计通过加强隧道衬砌结构强度来抵抗冻胀力，主要有提高混凝土标号、增加二次衬砌厚度并采用钢筋混凝土等措施。防冻设计主要是以预防为主，采取一定的措施保护隧道衬砌结构及排水系统，使得隧道排水系统在低温环境下不发生冻结，从而降低隧道发生冻害的可能性。

目前世界上使用的隧道防冻措施主要有：在洞口设置防寒保温门，防止隧道外冷空气进入隧道内；在隧道内铺设保温材料法(可设置在二次衬砌外表面和内表面)；通过一定装置给排水系统供热防止排水系统冻结等[2]。其中最常见和有效的方法是在隧道内铺设保温材料。

2 隧道冻融圈影响因素数值分析

2.1 计算模型

根据工程概况，本次计算选取隧道出口段典型断面为研究对象，该地段围岩为第四系碎石土，含少量地下水。隧道初期支护厚度为25 cm，二次衬砌采用钢筋混凝土，厚度考虑为45 cm，隧道除仰拱外，均在二次衬砌表面设置保温层。计算模型如图1所示。

图1 计算模型横断面示意图

取对称半断面进行分析，其中隧道内表面(BCD)及模型上表面(AG)与大气环境相通。材料物理参数见表1。

表1 主要计算物理参数取值

为便于研究[3～7]，分析过程中作如下简化假定： (1) 岩体为饱和状态，为均质、各向同性孔隙介质；(2) 岩体中的孔隙率(裂隙率)保持不变，整个过程中不考虑岩体中水分的流失，只考虑水变为冰的转换。

低温岩(土)体冻融区满足热传导问题的微分方程和Darcy渗透方程。利用含相变低温岩体水热耦合模型对隧道周围岩体冻融进行分析[8]。

2.2 计算分析

2.2.1隧道周围温度场分布规律

选取几个典型的点加以分析说明，即：隧道保温层外表面温度(A点)、保温层与衬砌接触层温度(B点)和衬砌与围岩接触点温度(C点)。隧道在环境温度变化过程中温度分布规律如图2所示。在极端最高温28.7℃，极端最低温-37℃的条件下，经过5 cm厚的保温层后，B点的温度的变化范围从环境温度28.7℃～-37℃(A点代表环境温度)变化到了10℃～-10℃左右，变化范围明显减小，说明保温层很好地发挥了其隔热保温效果。

图2 断面Ⅰ典型点温度变化

2.2.2不同保温材料的冻融圈变化规律

保温层对减小冻融圈的影响有非常明显的作用。下面从保温材料的导热系数的差异性来分析其对隧道冻融区的影响。考虑到目前隧道内用的保温材料的导热系数一般为0.025～0.03之间(见表2所示)，我们选取三个典型的导热系数值作趋势分析，它们分别是0.025 、0.027和0.03。

表2 寒区隧道主要保温材料

分别取三个不同的导热系数时，隧道不同部位的冻深如图3所示。

图3 保温材料导热系数与冻深的关系

从图中可以看到，拱顶和拱腰两个位置反映的保温材料导热系数与冻深的关系规律相当一致：随着保温材料导热系数的增加，冻深也呈线性增加，保温材料的导热系数每增加0.001，冻深就相应增加约12%。

2.2.3不同保温层厚度对冻融圈变化规律

保温材料的保温效果不仅受到保温材料导热系数的影响，保温层厚度的大小也直接影响保温效果。图4为分别选择三种不同的保温层厚度(5 cm、7 cm和10 cm)所得到的冻融情况的结果。

图4 保温层厚度与冻深的关系

可以看到，拱顶和拱腰两个位置反映的保温材料厚度与冻深的关系规律也基本一致：随着保温材料厚度的增加，冻深也呈线性减少，保温层厚度每增加1 cm，冻深就相应的减少约10%。

2.2.4不同围岩孔隙度对冻融圈变化规律

围岩的孔隙度会影响到岩体的导热系数等一系列热力学和渗流力学参数，所以，研究围岩冻融圈的大小有必要把围岩的孔隙度考虑进来。图5为分别选择三个不同的围岩孔隙度(0.12、0.24和0.38)所得到的冻融情况的结果。

图5 围岩孔隙度与冻深的关系

可以看到，三个位置反映的围岩孔隙度与冻深的关系规大致为：围岩孔隙度越小，即越密实，冻深范围越大。

2.3 结论分析

(1)对于明显会产生冻害的高寒地区隧道，仅仅采用抗冻措施是不够的，必须采取防冻和抗冻相结合的综合措施。防冻措施中设置保温层的作用效果明显，即使在隧道表面只敷设很薄的隔热保温层，隧道的冻融圈就会大大减小。

(2)对于较长的寒区隧道，隧道洞口一定长度范围内，由于外界冷空气的影响，最容易引发冻害。因此主要需在隧道洞口段采取一定的保温措施。

(3)保温材料的热传导系数大小对其保温效果有很大的影响。随着保温材料导热系数的增加，冻深也呈线性增加。

(4)保温材料的厚度选择应根据各隧道的具体环境确定。对于本隧道而言，当保温层厚度达到10 cm时，围岩的冻融区域已经很小了。

(5)单从热传导的角度考虑，应用注浆法来防冻，是与初衷背道而驰的。虽然注浆法能有效消除或减少衬砌背后的局部存水，但是该方案影响到岩体的导热系数等一系列热力学和渗流力学参数，因此应慎用。

(6)在高海拔地区修建隧道，即使铺设保温层避免围岩的冻融，但衬砌却不可避免的处于冻融状态，因此混凝土的抗冻性及冻融耐久性至关重要。

3 隧道防寒保温设计

由于严寒气候会导致隧道衬砌背后的排水管、中心排水沟、检查井冻结，使隧道围岩和衬砌结构胀裂，并出现路面结冰等冻害，因此必须采取相应的防寒保温措施。依据该原则同时结合隧址气温资料，可通过经验公式初步测算保温长度，同时参考类似工程项目的成功经验，待隧道初步贯通后还可根据实际测量温度资料进行调整[9]。

在设计中隧道防、排水应遵循“以排为主，防、排、截、堵相结合，因地制宜，综合治理”的原则，使隧道洞内外形成完整畅通的防排水系统，避免衬砌滴水、路面渗水、洞内结冰、围岩冻胀等病害，保证隧道建成后达到洞内基本干燥，结构和设备正常使用及行车安全的要求。

3.1 隧道抗冻措施

(1)设计将隧道按照离洞口的距离远近划分为三个区域，分别采用C45、C35、C25防水混凝土，在离洞口较近的区域提高混凝土的标号，采用钢筋混凝土结构，确保隧道结构在较长时间内的安全性。

(2)隧道洞口保温设计范围内每隔20 m设置一道沉降缝，且沉降缝及施工缝沿衬砌全环设置，防止衬砌由于温度应力引起开裂。

3.2 隧道防冻措施

3.2.1防排水措施

(1)隧道保温设计范围内在衬砌仰拱下设置中心排水沟，保证中心水沟埋置深度在最大冻土深度以下，深埋中心水沟与正常中心水沟通过保温型检查井连接。

图6 加强环向排水带示意图

(3)隧道保温设计范围内对墙脚处环向排水管、纵向排水管、横向排水管的接头处采用土工布包裹，防止泥沙堵管，避免衬砌环向排水管、纵向排水管、横向排水管的冰冻堵水，使隧道排水系统陷入瘫痪，危害洞身围岩和衬砌结构。

(4)隧道保温设计范围内隧道中心排水沟间距每250 m设一处中心检查井，井口用混凝土封闭，井内设保温隔层，保证中心检查井的正常使用；在隧道中心水沟的进出口处设掩埋式保温出水口，保证隧道排水系统的通畅。

3.2.2保温层

在隧道保温设计范围设置隧道防寒保温层，采用保温材料在二次衬砌表面全断面铺设，保温材料选用聚酚醛材料，厚度10 cm。主要材料技术参数如表3。

表3 保温材料主要技术参数

4 结 论

(1)对于明显会产生冻害的高寒地区隧道，需要采取抗冻和防冻相结合的防寒保温措施。采用防寒保温设计的长度可根据计算和参考类似工程确定，待隧道初步贯通后还可根据实际测量温度资料进行调整，本隧道对隧道洞口500 m范围内进行防寒保温设计。

(2)隧道抗冻措施可采取提高混凝土标号和采用钢筋混凝土结构形式来实现。同时衬砌应全环设置沉降缝。

(3)隧道防寒保温段应做好防排水设计，保证隧道排水系统通畅。如采用深埋水沟，加强排水能力、防止隧道衬砌出现渗漏等。

(4)隧道内设置保温层的作用效果明显，能有效控制隧道的冻融圈的范围。保温材料的热传导系数大小和材料厚度直接影响保温效果。

[1] 吴紫汪，赖远明，藏恩穆，等.寒区隧道工程[M].北京：海洋出版社， 2003.

[2] 黄双林.青藏铁路风火山隧道设计难点探讨[J].铁道工程学报，2008，119(8)：45-49.

[3] Yamabe T， Neaupane K M. Determination of some thermo-mechanical properties of Sirahama sandstone under subzero tem-perature condition[J]．International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2001，38(7)：1029-1034.

[4] 赖远明.寒区隧道温度场、渗流场和应力场耦合问题的非线性分析[D].北京：中国科学院，1999.

[5] 张学富，赖远明，杨风才，等. 寒区隧道围岩冻融影响数值分析[J]. 铁道学报，2002，24(4)：92-96.

[6] 张全胜，杨更社，王连花，等.冻融条件下软岩隧道冻胀力计算分析[J]. 西安科技学院学报，2003，23(1)：1-5.

[7] 张慧梅，杨更社，刘 慧，等.冻融环境下岩体隧道水热耦合模型及数值分析 [J]. 西安科技学院学报，2009，29(3)：305-309.

[8] 谭贤君，陈卫忠，贾善坡，等. 含相变低温岩体水热耦合模型研究[J]. 岩石力学与工程学报，2008，27(7)：1455-1461.

[9] JTG D70-2004，公路隧道设计规范[S].