高海拔寒区隧道保温防冻系统设计要点分析

刘 秀，王文祖，马培新，李慧赞，刘文军(. 东北林业大学 交通学院，黑龙江 哈尔滨 50040；. 青海省公路建设管理局，青海 西宁 80008)

寒冷或严寒地区隧道发生“冻融”或“冻胀”是一种客观现象，由此导致的冻害主要表现为：隧道衬砌漏水、挂冰，隧道底部冒水、积水，隧道衬砌开裂、酥碎、剥落，隧道洞门墙开裂，地表截排水沟、出水口冻结以及隧道洞口处热融滑塌等[1].因此，高海拔寒区公路隧道修建面临着如何解决冻害防治等问题.张玉伟等[2]针对寒区隧道合理保温型式及保温效果进行了试验研究；王军瑞等[3]以鹤大高速ZT08标段中两座隧道为依托工程，分析隧道内产生冻害的原因以及防治措施，推广应用以防排水为主、隧道衬砌敷设隔热材料法为辅的隧道防冻保温施工技术；谭贤君等[4]采用数值分析方法探讨西藏嘎隆拉隧道通风条件下围岩温度场的变化规律及其防寒保温措施.本文基于对青海省20多座高海拔隧道的设计资料收集整理及运营状况的调查，就目前隧道保温防冻设计中依据的要素、普遍遵循的原则、保温防冻系统类型以及保温防冻材料的选择等方面的要点进行系统的归纳分析和依据阐述；针对减少高海拔寒区隧道冻胀现象发生和提高隧道排水系统可靠性的保温防冻设计问题进行系统分析，并提出可供参考的改进措施及建议.

1 隧道保温防冻系统概述

1.1 隧道保温防冻系统作用

受隧道区段冻土类型与分布、水源赋存与补给及气候条件的影响，处于高海拔寒区的隧道容易发生冻害，而设置保温防冻隔热层是防止冻害产生的主要措施之一.保温防冻隔热层是在衬砌表面或初期支护与二次衬砌之间敷设隔热材料，利用隔热材料减缓围岩中的热量放出或外部热量的侵入，借以保持隧道衬砌背后的围岩的原状而不发生冻融循环.

设置保温防冻隔热层的作用主要体现在[5]：一方面减少衬砌、围岩与环境空气之间的热交换强度，以使围岩保持原温度状态，从而降低围岩季冻区的“冻融”循环造成破坏的程度；另一方面为预防排水系统结冰提供充分的保温条件，以避免因结冰导致阻塞而造成的排水不畅.

1.2 隧道冻害的主要特点

依据寒区隧道是否发生冰冻或冻融等病害现象，将其划分为无、轻、中、重和严重[6].对于寒区特长公路隧道，洞口位置的海拔高度相对较低而隧道埋深较大，因此绝大多数隧道可能穿越的是非多年冻土区，只是在距隧道进、出口一定长度范围内形成季节性冻融区.此外，还有在施工、运营过程中的多种水源混合补给，可能使隧道的出水点多、涌水量大及常年渗流，其容易导致隧道发生冰冻病害.

气候条件对寒区隧道洞口及内部区段的温度状态也将产生影响.当隧道衬砌与含水围岩有负温区条件产生时，其将发生冻结而产生冻胀力；另外，寒区隧道积于排水系统的水也更容易发生冻结，而导致排水系统功能失效的现象.因此，在高海拔寒区隧道的设计过程和运营期间，应考虑隧道区段冻害类型及其影响.另外，针对不同的围岩冻土特性，在不同季节隔热层的作用还有差异.对于多年冻土的隧道区段，以防止围岩中冻土融化并保持围岩的原有状态为目的；而对于季冻土的隧道区段，则要求能够有效阻止隧道内的冷空气与围岩空气进行交换，以保持围岩原有状态，防止隧道衬砌背后围岩中的水产生冻融循环.因此，隧道的防冻措施将是高海拔寒区隧道修建必须考虑的因素，而隔热层的敷设方案对隔热效果影响至关重要，所以需对隔热层材料进行合理的选择，对隧道不同区段的敷设厚度进行合理设计.

1.3 隧道保温防冻系统设计的主要问题

目前，在隧道保温防冻系统设计中还存在以下比较突出的问题：

(1)没有具体可依据的实用化设计规范、标准及指南.

(2)可选择的经实际验证有效的保温防冻系统类型有限.

(3)保温防冻效果的仿真分析较多，实际效果的监测较少.

(4)对多个已建成隧道保温防冻效果的系统调查和经验总结还不多.

2 隧道排水与保温防冻系统相互关系与设计原则

2.1 防排水与保温防冻系统相互作用关系

预防隧道主要冻害发生需要排水系统和保温防冻系统同时发挥作用，即排水系统的设计目标是使水能顺畅排出，而保温防冻系统的设计目标之一是使积水能可靠排出.因此，顺畅排水是预防隧道冻害的必要条件，保温防冻是预防隧道冻害的充分条件，两者之间的相互作用关系如图1所示.排水和防冻保温系统设计及气候状态对隧道排水功能的影响如图2所示.

2.2 防排水与防冻保温系统设计原则

根据隧道冻害发生的机理及影响因素分析可知，隧道衬砌背后的排水系统因结冰造成的管路堵塞导致围岩渗水或积水不能有效排出是引起冻害发生的主要原因.所以，对隧道冻害的防治在设计上应重视排水和防冻两个方面的要求，既能保证围岩裂隙渗水等能顺利排出，而且也应保证衬砌背面温度高于水冻结温度，使围岩裂隙渗水能可靠排出.上述两个系统的有机结合与相互作用， 就可能减少围岩冻胀对隧道衬砌造成的破坏、衬砌冻胀自身破坏发生的概率以及避免排水系统冻结阻塞现象的发生.

图1 寒区隧道排水与保温防冻系统相互之间作用关系Fig. 1 The interaction between drainage and thermal insulation system of tunnels in cold regions

图2 寒区隧道排水和防冻保温系统设计及气候状态对隧道排水功能的影响Fig. 2 The design of drainage and anti freezing thermal insulation system of tunnels in cold regions and influence of climate condition on drainage function of tunnels

根据以上对隧道冻害产生影响因素的分析可知，隧道冻害的治理重点应是解决隧道排水问题.因此，隧道排水方案的确定至关重要.为此设计中针对冻害影响因素确定的技术路线是：防排水系统设计为主，保温防冻系统设计为辅，两者相辅相承.因此，防排水与防冻保温系统的设计原则是：

(1)防水是基础，排水是核心，保温是关键.

(2)防冻必先治水，优化防排水系统设计.

(3)“因地制宜，有的放矢”设计隔热保温防冻系统.

3 隧道保温防冻系统设计要求及改进措施

3.1 全面掌握系统设计的基本要素

高海拔寒区隧道保温防冻系统设计所依据的要素见表1.

表1 高海拔寒区隧道保温防冻系统设计基本要素
Tab.1 Basic design elements of thermal insulation and anti freezing system for tunnels in the high-altitude cold region

基本要素主要指标及参数环境温度年平均气温；年均最高及最低气温，月份及时长；极端最高及最低气温等隧道地质冻土类型(季冻土、多年冻土)、冻结深度等水量预测降水量、涌水量、积雪厚度、融化时间等洞体类型明洞、暗洞冻害类型隧底冒水积冰，衬砌挂冰、开裂、酥碎、剥落，洞门开裂、出水口冻结等安全性对保温材料及其系统的防火性能等要求耐久性对保温材料的耐腐蚀性、防水性等要求

图3 寒区隧道保温防冻系统类型及主要方式Fig. 3 Types and main modes of thermal insulation and anti freezing system of tunnels in cold region

3.2 合理选择系统类型及确定设计方案

3.2.1 保温防冻系统类型与选择

对目前已建成的寒区隧道保温防冻系统类型的归纳总结如图3所示.

对于直接保温防冻系统中所采取的“主动加热防冻”措施，其主要方式是在排水系统中设置“排水防冻加热系统”.即通过对排水系统温度状态的实时监测，主动进行相应的加热防冰控制，以抑制排水系统出现结冰阻塞现象.但是，加热量应与系统的散热能力保持平衡，以防止对原有围岩冻结层导致的融化，避免对冻结状态的扰动.针对我国的实际状况，还不适合采用以常规电力能源进行“主动加热防冻”的隧道保温防冻系统，而利用太阳能、风能、地热等可再生能源进行寒区隧道的主动式保温防冻系统还是值得研究开发.目前，主要采取设置衬砌隔热层的保温防冻系统.

对于间接保温防冻系统是以减少洞内散热为措施采取的洞口设置防寒门、阳光棚以及热风幕等主要方式.但是，随着交通量的增加，设置防寒门在隧道运营时有使用不方便的缺点；热风幕需要消耗较大的加热能量，运行费用较高，经济上不是最佳；而阳光棚的保温防冻效果还十分有限.

3.2.2 洞体保温防冻系统设计方案

一般来说地下水以一定的温度赋存于地下，通过设置隧道洞体隔热层来确保其在隧道周边围岩渗流不冻结.隧道洞体保温防冻方案一般采用设隔热保温层的方法，即在隧道二衬表面或内侧设置保温层.根据隧道涌水状态选用不同的保温材料，并采用不同材料组合的方式辅设.

(1)对于明洞.由于进出洞口存在多年冻土，在多年冻土段的初期支护和二次衬砌之间增设一道隔热保温板，以尽量保持多年冻土处于原生状态，如喷PU聚氨酯泡沫隔热层.

(2)对于暗洞.隧道洞内保温是使围岩水保持一定的温度才能不被冻结而顺利排出，保温防冻层的辅设应满足保冷抗冻性、防水性、防火性及耐腐蚀性等要求.

3.2.3 排水管出水口保温防冻设计方案

纵向排水管和出水口的保温是为使管内水流尽量与外界发生少的热量交换，以确保隧道仰拱以下纵向排水管和出水口不冻结.在隧道范围外，采用大坡度泄水道，通过增大水流速度防止水流冻结.同时，在出水口附近采取相应的保温措施.

3.3 合理选用隔热材料与设计隔热层厚度

3.3.1 保温材料的选用

对保温材料的选择主要通过对性能、造价、施工等方面的综合对比.由于保温层在隧道内侧使用，其性能方面主要考虑其导热系数、耐火性能、环保性能、遇水后保温性能、化学稳定性、防水、防腐性能等[7-8].本文通过对20多座高海拔隧道设计资料的统计得知，选用的保温防冻材料主要有以下两种：

(1)硬质聚氨酯保温材料.导热系数0.027W/(m·K)，吸水率≤3%，保温层厚50mm；通常与硅酸钙防火板(厚度6mm)组合的形式辅设.

(2)福利凯(热固型酚醛)保温材料.导热系数0.022W/(m·K)，吸水率≤6.7%，保温层厚50mm；通常以FL纤维增强板(厚度6mm)做装饰板组合的形式辅设.

根据现有设计文件采用的保温材料性能数据分析可知，硬质聚氨酯与福利凯的导热系数数值相近，而硬质聚氨酯比福利凯的吸水率低的多；但是，硬质聚氨酯的阻燃性不如福利凯.因此，一般在涌水量较大的隧道采用硬质聚氨酯保温材料，并在隧道轮廓表面与硅酸钙防火板组合形式辅设.

3.3.2 隔热层厚度的设计

国内外的学者对寒区隧道温度场及保温防冻效果的数值模拟方法进行了大量的研究，并建立相关模型对寒区隧道温度场分布状态及保温防冻效果进行了分析[9-11].在选择保温隔热材料的基础上，应依据隧道温度场分布状态对保温层的铺设厚度进行设计，而隧道温度场分布状态可以通过实际测量或数值模拟计算方法来确定.由于基于实际测量的隧道温度场分布状态数据的获得落后于工程设计阶段，因此不能直接用于保温隔热层厚度的设计；而数值模拟计算方法可在隧道施工建设之前进行，其隧道温度场分布状态结果可以作为隧道防冻保温层厚度设计的参考.

3.4 隧道保温防冻系统设计改进措施

针对隧道保温防冻系统设计要求和目前设计中存在的主要问题，为取得良好的预期保温效果，对隧道保温防冻系统的工程设计提出以下改进措施建议：

(1)加强工程设计方法的应用基础理论研究并深入进行新设计方法的工程应用研究，为设计方法的改进提供理论基础和实际应用效果验证支持.

(2)不断进行新型材料及其应用工艺技术的研究，使保温防冻系统类型选择多元化和合理化.

(3)及时总结已建成隧道保温防冻系统具有的实际效果及其特点，制定实用化的设计规范、指南或标准等文件，为隧道保温防冻系统的工程设计提供技术依据.

4 结束语

高寒隧道冻害的防治是隧道建设和运营中必须考虑的问题之一，而隧道保温防冻系统是防止冻害产生破坏的重要措施.因此，合理选择隧道保温防冻系统类型和确定隔热层设计方案是充分发挥隧道保温防冻层作用的前提.在隧道保温防冻系统设计中，首先应正确处理隧道防排水系统与保温防冻系统之间的相互作用关系，依据设计原则进行防排水与防冻保温系统的设计；其次应全面掌握系统设计的基本要素，合理选择系统类型及确定设计方案；最后应合理选用隔热材料并依据实际测量或数值模拟计算等方法设计隔热层厚度.

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[3] 王军瑞，王广健，王宁. 隧道保温防冻技术应用研究[J]. 公路，2016(6)：286-293.

[4]谭贤君，陈卫忠，于洪丹，等. 考虑通风影响的寒区隧道围岩温度场及防寒保温材料敷设长度研究[J]. 岩石力学与工程学报，2013，32(7)：1 400-1 409.

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