严寒地区公路隧道洞口保温防冻关键应用技术研究

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-2045

作者简介：王欢（1986—），男，本科，工程师，研究方向为土木工程。

摘  要：随着越来越多的寒冷地区隧道的建设，隧道修建过程中的冻害问题愈发频繁。隧道洞口作为隧道的初始及咽喉部位，常年受雨雪或气温变化的影响，多有冻害产生，隧道的冻害主要为衬砌洞内的挂冰、渗水，衬砌开裂等。以本溪市玉兰岭公路隧道为工程依托，开展严寒地区隧道洞口不同保温材料对隧道温度场的变化规律分析，针对目前寒区隧道广泛采用的保温隔热材料进行各方面的分析对比，提出更优化的保温方法。对洞口段的防冻保温至关重要，这是确保隧道防冻保温的关键所在。只有在洞口段做好防冻保温，才能把整个隧道的防冻保温做好。

关键词：温度场   隧道洞口   数值分析   保温材料

中图分类号：U452.2;U459.2

随着我国基础设施建设的迅速发展，寒区公路隧道建设也在迅速发展。但是，寒区隧道的建设会使原来的温度场发生明显的变化，这会对隧道中的衬砌结构造成不利的影响。因此，许多学者从不同的视角对此展开了深入的研究。

许鹏等人通过监测和数值模拟分析初支与二衬间5 cm厚保温层的有效性发现日周期温度波动对二衬结构影响较小[1]。吴春勇等人分析了隧道埋深、洞内气温和保温层厚度对隧道温度场的影响规律，并建立了寒区隧道浅埋段保温层厚度的设计计算方法[2]。杜浩通过冻融及盐碱侵蚀试验及隧道冻胀数值模拟发现单掺硅灰混凝土作为隧道衬砌结构材料，并铺设0.03 m的福利凯保温板可以有效地改善洞壁位置的温度场分布[3]。王仁远等人根据相似原理搭建模型，提出一种新型的主动保温措施——隧道洞口段空气幕保温措施[4]。

查阅大量文献和工程实例得出结论，隧道开挖后，围岩温度场发生变化，引起围岩失温。因此严寒地区公路隧道防治冻害的重点在于合理保温。一种普遍采用的做法是在隧道衬砌结构上铺设保温层，不同的保温材料、不同的铺设厚度从而保温效果也不同。因此，掌握隧道围岩的温度场对保温有重要的作用。

1 严寒地区隧道外温度监测分析

本工程玉兰岭隧道位于辽宁省本溪市，冬季干冷而夏季湿热年平均气温为6～8 ℃，年平均相对湿度为67%，季节性冻土标准冻深110～120 cm，一般10月中旬结冰，次年3月下旬解冻。

从图1可以看出全年中共计四个月的平均温度处于0 ℃以下，其中平均温度最冷为3月，月平均温度-20 ℃，因此隧道应采取相应的保温措施防止冻害。

根据图2显示，在隧道进口段随着进入隧道的距离增加，气温也逐渐上升。

2 严寒地区隧道保温防冻措施

隧道主要有两种基本的保温防冻措施。

（1）在隧道洞口设置防寒保温门、铺设保温门帘等[5]。

（2）采用有机材料或无机材料等保温材料对隧道衬砌进行保温[6]。两种方式都能从一定程度上减少隧道的冻害。

2.1  严寒地区防冻保温材料

在严寒地区，为了减少隧道冻害的发生，可采取铺设隧道保温材料的措施。这种材料的有效应用可以减缓围岩、隧道衬砌与外界气温之间的温度交换，从而确保隧道温度的稳定。具体常见的隧道保温材料可参考表1。

从表1中可以看出橡胶、岩棉、玻璃棉具有良好的耐热和导热性能，但都具有高的可燃性，火灾发生时易成为可燃物加大火灾。聚氨酯、聚苯乙烯虽可燃性较低，但一旦燃烧则会产生有毒气体造成二次伤害。酚醛耐热、导热性能良好，且无毒无害，适合作为隧道保温材料。

2.2  严寒地区防冻保温材料铺设方法

为了确保围岩内部不发生冻结，保温层被用来保持隧道内的环境温度高于冻结温度。因此，将二次衬砌表面温度≥0 ℃作为防冻材料效果的标准。目前，有两种敷设保温材料的方式，

（1）保温层敷设在隧道二次衬砌内表面（SSL）。这种方法施工方便，有助于更合理地构建二次衬砌结构，提供更可靠的隔热效果，并便于对保温层进行后期保护。然而，需要对有机材料进行防火处理。

（2）保温层被敷设在初次衬砌和二次衬砌之间。双层结构有利于隧道的后期管理，还能减少二次衬砌施工时水化热对周围围岩温度场的影响。然而，施工难度会显著提高，并且对保温层的处理可能对隧道整体结构的稳定性产生影响。

通过比较这两种方法，被动敷设保温层仍然是寒区隧道主要的保温防冻措施。通常情况下，在二次衬砌表面敷设保温层是常见选择。常用的保温材料主要包括酚醛和聚氨酯。

3  隧道施工对隧道温度场分析

3.1  衬砌及二衬对隧道温度场变化分析

由于隧道初次衬砌和二次衬砌施工受多种因素影响，如混凝土水化热和施工作业温度等，导致隧道围岩温度场发生较大变化。特别是在隧道初次衬砌施工阶段，对隧道表层围岩温度的影响非常显著。初次衬砌施工完成，隧道表层围岩温度逐渐下降，而施工衬砌作业对隧道深部围岩的影响有限，温度变化波动亦相对较小。二次衬砌施工阶段同样会引起围岩温升，但由于初衬结构的阻隔作用，这一影响程度明显低于初次衬砌所造成的温升影响。在二次衬砌施工完工后，隧道围岩温度会逐渐恢复到较低水平。

隧道的衬砌施工对围岩的融化深度也存在一定的影响。隧道初次衬砌施工导致隧道融化深度急剧增大，在初次衬砌的初期，隧道围岩融化深度较快，但其后渐渐平缓。隧道二次衬砌的施工对隧道围岩温度场的影响，较初次衬砌时明显减小。但就使围岩受扰的融化深度而言，二次衬砌仍会产生一定程度的影响。

3.2  保温层厚度对隧道温度场变化分析

为控制变量，隧道内部环境温度保持不变。改变保温层厚度可直接导致周边岩体温度场发生明显变化，且在保温层铺设前后的温度差异尤为突出。虽然保温层加厚会使岩体温度持续升高，但温升幅度则逐步减小。这表明，在隧道内环境温度保持不变的情况下，增加隔热层厚度并不会线性地增强防冻保温效果。随着隧道环境温度的降低，每增加单位隔热层厚度，其防冻绝热效果将更为理想。因此，在设计防冻绝热层厚度时，可根据沿隧道轴线温度分布特征，对其进行分段厚度设置。

4  结语

洞口环境温度显示，进出口段温度较隧道内部为低。从洞口到腹地，温度呈递增趋势，且沿隧道轴向传递时存在一定滞后性。

此外，添加不同厚度的保温层后，周边岩体温度场出现了明显变化，尤其是在保温层铺设之前和之后，温度差异变化最为突出。随着保温层厚度的增加，围岩温度分布逐渐升高，但温差的变化逐渐减小。需要注意的是，隔热层厚度的增加并不会线性增强防冻保温效果。

参考文献

许鹏，伍毅敏，严晓东，等.严寒地区高铁隧道温度场及保温层有效性分析[J].中国铁道科学，2022，43（4）：64-73.

吴春勇，陈柚州，张国柱.寒区隧道浅埋段温度场解析解[J].公路，2017，62（11）：290-295.

杜浩.高寒盐碱地区隧道结构稳定性及抗冻保温研究[D].淮南：安徽理工大学，2022.

王仁远，朱永全，高焱，等.寒区隧道洞口段空气幕保温理论研究[J].铁道学报，2022，44（11）：144-153.

刘冠.寒冷地区铁路隧道冬季施工保温辅助技术[J].工程机械与维修，2023（3）：246-248.

吴涛，刘志春，刘雪娇，等.寒区隧道保温层铺设方式与材料选型优化研究[J].中外公路，2023，43（2）：157-163.