寒冷地区公路隧道冻害防治及维修技术

汇报人：陈建勋教授寒冷地区公路隧道冻害防治及维修技术一、项目研究背景二、主要研究成果三、成果的先进性

四、结束语一、项目研究背景寒区占中国国土面积的75%在这些寒区储藏着大量的资源，如矿产、森林等，为了开发这些资源必然要做大量的工程建设。其中包括公路与铁路。季冻区占国土面积53%一、项目研究背景衬砌漏水、挂冰隧底冒水、积冰、冻胀隧道路面溢水结冰隧道衬砌开裂剥落洞门墙开裂隧道洞口处热融滑塌隧道中心水沟结冰堵塞隧道出水口结冰堵塞一、项目研究背景冻害问题一直是寒冷地区隧道研究的重点，目前尚未得到完全解决。各种冻害现象在已建和新建隧道中仍不断出现，不仅威胁行车安全，而且大大增加了运营养护费用。河北秦皇岛梯子岭隧道冬季除冰内蒙兴安岭隧道冬季路面结冰二、主要研究成果长安大学课题组从1998年开始，在国家自然基金委、交通运输部、教育部等项目支持下，针对寒冷地区隧道冻害问题开展了研究。序号项目名称起止时间任务来源1寒冷地区隧道防排水防冻害技术研究1998-2002河北省交通厅2寒冷地区隧道冻害防治技术研究2001-2004河北省交通厅3寒冷地区公路隧道冻害雪害防治技术研究2007-2011

西部交通建设科技项目4隧道冻害防治技术研究2008-2011教育部新世纪优秀人才支持计划5寒区隧道喷射混凝土冻融损伤机理及抗冻性的研究2010-2013国家自然科学基金面上项目6基于温度效应的隧道衬砌结构力学特性及使用寿命研究2011-2014国家自然科学基金青年项目二、主要研究成果采用查查阅文文献和和实地地考察察的方方法，，对隧隧道冻冻害情情况、、气候候水文文和治治理措措施进进行调调查和和研究究，建立了了寒区区隧道道数据据库。共统计143座寒区区隧道道，其中中短隧隧道8座、中中长隧隧道8座、长长隧道道39座、特特长隧隧道18座；位位于高高纬度度地区区的隧隧道47座，高高海拔拔地区区的隧隧道26座；季季节性性冻土土隧道道70座，永永久性性冻土土隧道道3座。隧道道冻冻害害调调查查一一览览表表序号隧道名称隧道位置及修建时间隧道概况气候、水文条件冻害概况防治措施备注1兴安岭隧道位于滨洲铁路线，牙克石市境内，建于1903年全长3077米处于高寒地区，结冰期长达6个月以上，最冷月平均气温为-33℃，极限最低气温达-57℃，最大冻结深度为2.8米主要由渗漏水冻结所引起的，冬季危及形成，每年都会使用大量人力刨冰采用帘幕防寒…………………………………通过对对调查查结果果的分分析，，归纳纳总结结寒冷冷地区区隧道道冻害害现象象、冻冻害防防治措措施，，提出出了寒寒冷地地区隧隧道修修建中中存在在的问问题及及启示示。1、工程程调研研（1）早期期采用用矿山山法修修建的的隧道，，采用用整体体式衬衬砌（（先墙墙后拱拱或先先拱后后墙）），防防排水水系统统不完完善，，未设设置防防水层层，导导致隧隧道修修建后后拱墙墙交接接处渗渗漏水水结冰冰冻胀胀。严重影影响正正常运运营。。例如如新疆疆天山山奎先先大坂坂隧道道。在在日本本也是是如此此。寒区隧隧道修修建存存在的的问题题及启启示（2）采用用新奥奥法修修建的的隧道道，设设置了了完善善的防防排水水系统统，但但未设设置保保温系系统，，导致致隧道道衬砌砌背部部地下下水冻冻结、、排水水管出出水口口冻结结堵塞塞，严严重影影响隧隧道正正常运运营。。例如甘甘肃老老七道道梁隧隧道，，被迫迫在隧隧道内内采用用暖气气管道道进行行加热热，消消除冻冻害影影响。。（3）新建建隧道道虽然然设置置了完完善的的防排排水系系统和和保温温系统统，但但是因因施工工质量量问题题，导导致隧隧道运运营不不久便便发生生冻害害，影影响正正常运运营。。例如大大坂山山隧道道，最最初采采用防防寒泄泄水洞洞和防防冻隔隔热层层的措措施，，但由由于隧隧道施施工条条件艰艰苦，，防排排水施施工质质量较较差，，运营营后不不久便便出现现渗漏漏，产产生了了冻害害。总的来来讲，，采用用复合合式衬衬砌（（新奥奥法））以来来，有有了完完善的的防排排水系系统，，特别别是如如果及及时能能将衬衬砌背背后围围岩中中的地地下水水排出出，寒寒冷地地区隧隧道发发生冻冻害的的问题题就可可以得得到很很大缓缓解。。防冻冻保温温已经经得到到了广广泛的的关注注和应应用，，但在在解决决隧道道冻害害问题题的认认识角角度，，还存存在一一定的的问题题。为此，，我们们要开开展隧隧道防防冻保保温技技术的的研究究，提提出隧隧道冻冻害防防治原原则是是“防水水是基基础，，排水水是核核心，，保温温是关关键，，三者者必须须有机机结合合”，即采采用完完善的的防排排水系系统与与防冻冻隔热热系统统结合合的措措施防防治隧隧道冻冻害。。2、隧道道温度度场变变化规规律现现场测测试及及分析析在河北北秦皇皇岛梯梯子岭岭隧道道、河河北承承德祥祥云岭岭隧道道、黑黑龙江江绥满满公路路雾松松岭隧隧道、、黑龙龙江哈哈尔滨滨绕城城高速速天恒恒山隧隧道进进行现现场温温度场场测试试，取得数数据上上万组组。梯子岭岭隧道道雾松岭岭隧道道天恒山山隧道道以河北北省承承德市市祥云云岭隧隧道为为例，，介绍绍隧道道温度度场的的现场场测试试与分分析。。（1）隧道道温度度场测测试项项目包包括洞内外外的气气温、、风速速和风风向，，衬砌砌表面面与内内部的的温度度，衬衬砌背背部围围岩的的温度度，路路面及及其以以下地地层的的温度度。（2）测试试断面面沿隧隧道纵纵向的的布置置在在隧隧道内内轴线线方向向共布布置了了11个测试试横断断面，，洞口段段测试试断面面布置置较密密集，，中间间段测测试断断面布布置间间距较较大。。在西洞洞口和和东洞洞口外外50m处测试试洞外外气温温、风风速和和风向向。（3）测点点在横横断面面上的的布置置如如右右图所所示，，在隧隧道的的拱顶顶、拱拱腰和和边墙墙分别别布置置测试二二次衬衬砌混混凝土土表面面和内内部、、喷射射混凝凝土表表面及及围岩岩内部部温度度的测测点（如图图8A大样）），在在隧道道路面面处布布置测测试路路面混混凝土土表面面和内内部的的测点点（如如图8B大样））。隧道洞洞内外外温度度差值值与隧隧道长长度的的关系系隧道名称隧道长度/m最冷月洞口与洞中日温差/℃新疆天山奎先大坂隧道615024.8大兴安岭杜草隧道384918.6大兴安岭西罗奇2号隧道116015.6大兴安岭翠岭2号隧道4205.0祥云岭隧道1850.5长隧道道贯通通后洞洞内气气温都都具有有“冬冬暖夏夏凉””的特特点，，即暖暖季洞洞内温温度低低于洞洞外气气温，，寒季季洞内内温度度高于于洞外外气温温。短短隧道道洞内内外气气温相相差不不大。。一般般而言言，隧隧道长长度小小于500m，日温温差小小于5℃。但同同时，，隧道道内气气温受受风向向的影影响较较大。。长隧道道洞口口段要要进行行防冻冻保温温处理理，小小于500m的隧道道要全全长进进行防防冻保保温处处理。。典型断断面沿沿衬砌砌和围围岩不不同深深度的的温度度隧道衬衬砌背背部围围岩一一定深深度范范围内内的温温度都都处于于0℃以下，，而隧隧道二二次衬衬砌背背部防防水层层后边边的喷喷射混混凝土土和围围岩都都有地地下水水侵入入，极极容易易发生生冻害害。采用保保温措措施，，使隧隧道二二次衬衬砌背背部防防水层层后边边的温温度处处于0℃以上，，可以以防止止隧道道冻害害的发发生。。3、喷射射混凝凝土抗抗冻性性研究究针对喷喷射混混凝土土的抗抗冻耐耐久性性，课课题组组进行行了一一系列列的室室内试试验，，包括括快速速冻融融循环环试验验、压压缩试试验、、电镜镜扫描描试验验、CT扫描试试验。。研究内内容：：（1）喷射射混凝凝土抗抗冻特特性研研究（2）引气气剂对对喷射射混凝凝土抗抗冻耐耐久性性的影影响研研究（3）喷射射混凝凝土气气泡特特征研研究自动快快速冻冻融试试验机机CT扫描电镜扫扫描喷射混混凝土土抗冻冻耐久久性试试验结结论:（1）普通通喷射射混凝凝土和和掺入入引气气剂的的喷射射混凝凝土各各测试试了两两组（（每组组2个试件件，每每个试试件测测试2个断面面）气气泡特特征参参数，，掺入入引气气剂的的喷射射混凝凝土的的气泡泡间隔隔系数数平均均值为为244.6μm和287.4μm，普通通喷射射混凝凝土的的气泡泡间隔隔系数数平均均值为为292.6μm和329μm。喷射混混凝土土中掺掺入引引气剂剂能够够降低低气泡泡间隔隔系数数。（2）喷射射混凝凝土的的抗冻冻耐久久性指指数随随着气气泡间间隔系系数的的增大大而逐逐渐降降低，，从细观上上解释释了喷喷射混混凝土土中掺掺入引引气剂剂能够够提高高喷射射混凝凝土抗抗冻耐耐久性性。（3）喷射射混凝凝土中中的气气泡绝绝大多多数为为直径径小于于200μm的无害害气泡泡，表表明喷射混混凝土土内部部的气气孔结结构对对其抗抗冻性性有利利。4、冻害害防治治技术术工程实实践证证明，，围岩岩发生生冻害害是需需要条条件的的。温度水气温在在0℃以下，，且低低温要要足够够长围岩中中含水水量必必须足足够多多（1）隧道道冻害害防治治原则则防水是是基础础，排排水是是核心心，保保温是是关键键，三三者必必须有有机结结合（2）隧道道抗冻冻设防防等级级划分分采用综综合评评判的的方法法，以以最冷冷月平平均气气温、、冻结结深度度、地地下水水的赋赋存与与补给给、地地下水水渗入入隧道道情况况为评评价指指标，，将新新建隧隧道的的防冻冻设防防等级级划分分为5级。寒冷程度气侯条件最冷月平均气温(℃)冻结深度(m)0温0～-50.2～0.71冷-5～-100.7～1.32寒-10～-151.3～1.83重寒-15～-251.8～2.94严寒＜-25＞2.9隧道的的寒冷冷程度度地下水水对隧隧道的的危害害程度度危害程度地下水条件地下水赋存与补给条件地下水渗入隧道情况0无干燥隧道无1轻含少量水隧道，无补给少量渗、滴水2中含水隧道，无补给渗、涌水3重含水隧道，水平补给持续涌水4严重含水隧道，水平和垂直补给常年渗、涌水隧道抗抗冻设设防等等级划划分冻害等级冻害特征措施Ⅰ无边沟Ⅱ轻微，不影响交通中心排水沟、U型沟槽嵌入隔热材料法Ⅲ衬砌层冻裂，洞内渗水挂冰，路面结冰，冻害发生于12月至翌年2月深埋中心排水沟、保温边沟、U型沟槽嵌入防冻隔温法、加热防冻法Ⅳ衬砌破裂较严重，含水围岩较大面积发生渗漏，较大范围挂冰，路面冻冰，冻结期大于4～5个月防冻隔温法、深埋中心排水沟、保温边沟Ⅴ衬砌层破裂严重，大面积渗漏水，挂冰严重，路面结冰，排水系统被冰塞，冻结期大于5个月防冻隔温法、防寒泄水洞冻害等等级划划分及及防治治措施施隧道防防冻隔隔温层层设计计包括括防冻冻隔温温层材材料的的选择择、厚厚度和和长度度的计计算，，以及及防冻冻隔温温层施施工工工艺。。（3）隧道道防冻冻隔温温层技技术隔热防防冻材材料应应具备备质轻轻、疏疏松、、多孔孔、导导热系系数小小的特特点。。其性能能指标标见下下表。。隔热防防冻材材料设设置于于衬砌砌内表表面时时，应应增加加防火火措施施。性能项目性能指标导热系数(W/(m·K))≤0.04抗压强度(MPa)（变形10%）≥0.1燃烧性能B2级阻燃材料工作温度（℃）-40~70耐静水压力（MPa）≥0.2浸水96h吸水率（%）≤1防冻隔隔温层层厚度度计算算方法法有等等效厚厚度法法、气气象解解析法法和有有限元元模拟拟计算法法等，，经过过分析析，等等效厚厚度法法最直直接、、简单单和易易于操操作。。课题组组针对防冻冻隔温温层表表面设设置和和中间间设置置分别别进行行了公公式推推导。。防冻隔隔温层层厚度度计算算围岩的的导热热系数数防冻隔温层的的导热系数隧道的当量半半径围岩厚度防冻隔温层的的厚度②对于在初期支支护与二次衬衬砌之间设置置防冻隔温层层的情况：衬砌混凝土厚厚度①对于在衬砌表表面设置防冻冻隔温层的情情况：防冻隔温层长长度确定主要要依据隧道内内的温度，最最直接的方法法就是现场实实测，而现场场实测费时费费力，难度较较大，只能依依靠洞口气温温进行预测。。日本黑川希范范公式：L=154.7(-t)0.604式中：L为洞内可能发发生冻害位置置距离洞口距距离；t为洞口最冷月月平均气温。。因此，最重要要的是获得准准确的隧道洞洞口气温。课题组采用空空间插值理论论中的Kriging法，利用气象象测站观测数数据，提出了了隧道洞口气气温计算方法法。防冻隔温层长长度确定利用隧道洞口口附近的几个个气象测站的的观测数据，，采用空间插插值方法，可可以方便、准准确的计算隧隧道洞口处的的气温。防冻隔温层施施工方法包括表面喷涂法、、表面铺设法法和中间铺设设法三种。表面喷涂法/铺设法中间铺设法通过压缩空气气将含有保温温材料、胶结结材料和速凝凝剂等的混合合物料直接喷涂到隧道衬砌表面面，形成防冻隔隔热层的方法法。国内首次在黑黑龙江省雾凇凇岭隧道中采用表面喷涂法进进行防冻隔热热层的施作，，现场发泡喷喷涂聚氨酯保保温层，如图图所示。该隧道2007年通车，目前前运营情况良良好，无冻害害发生。表面喷涂法使用锚固件将将事先预制好的的保温板固定定到隧道初期期支护或原有有衬砌表面，形成防冻隔隔热层的方法法。现场施工工如图所示。。天恒山隧道道2009年通车，目前前衬砌结构稳稳定，洞内干干燥，运营情情况良好。表面铺设法使用胶黏剂或或锚固件等将将预制好的保保温板固定到到隧道衬砌表表面，形成防防冻隔热层，，然后再浇筑筑一层衬砌混混凝土的方法法。国内首次在河河北省梯子岭岭隧道采用中间铺设设法进行防冻冻隔热层施作作，在原隧道道衬砌表面铺铺设防冻隔热热层，然后在在其表面浇筑筑混凝土。现现场施工如图图所示。2002年该隧道整治治后通车，历历时14年的运营，全全隧道无渗漏漏和冻害现象象发生，衬砌砌完好无损。。中间铺设法冻融损伤本构模型建立冻融损伤率演化方程提出微观构造损伤和冻融破坏机理揭示喷射混凝土冻融损伤试验理论成果寒区隧道温度场现场测试隧道防冻结构型式防冻隔温层厚度计算公式防冻隔温层施工工艺冻害防治设计方法与施工技术提出围岩的导热系数防冻隔热层的导热系数隧道的当量半径围岩厚度防冻隔热层的厚度

冻害等级评价方法冻害等级划分标准建立攻克了寒区隧隧道漏水挂冰冰、溢水结冰冰和开裂剥落落等技术难题题技术成果三、成果的先先进性成果的先进性性（1）揭示了喷射射混凝土抗冻冻耐久特性引气剂的掺加加可以改善喷喷射混凝土内内部孔隙及气气泡结构，提提高喷射混凝凝土抗冻耐久久性。成果收录于“ConstructionandBuildingMaterials”-SCI检索揭示冻融循环环作用下，喷喷射混凝土内内部孔隙结构构变化，及相相应的物理特特性变化。成果收录于“ConstructionandBuildingMaterials”-SCI检索（2）提出寒区隧隧道冻害防治治原则以往，对于寒寒区隧道的研研究多集中于于隧道冻胀机机理的研究，，如冻胀力形形式、计算公公式推导等，，但未明确统统一，且缺乏乏数据支撑。。本项成果提出出了“防水是是基础，排水水是核心，保保温是关键，，三者有机结合”的隧道道冻害防治原原则。本项成果攻克克了寒区隧道道衬砌漏水挂挂冰、路面溢溢水结冰和衬衬砌剥落掉块块等寒区隧道道冻害技术难难题，为解决决隧道冻害问问题开辟了新新途径。成果的先进性性（3）提出寒区隧隧道冻害等级级划分标准已有的等级评评定基本上为为单一指标，，且以定性描描述为主，缺缺乏准确性和和科学性。本项目成果以气温和地下下水为指标，，采用综合评评判的方法，，结果明确、直观，，为新建隧道道冻害防治措措施选取提供供依据。基于故障树理理论，估算隧隧道冻害损失失费用，并结结合隧道冻害形态、结结构稳定和行行车安全，依依据科学、可可靠，为既有有隧道冻害处治治提供依据。。成果的先进性性（4）防冻隔温层层设计方法洞口气温计算算采用Kriging法，插值计算算隧道洞口温温度，有效解解决了隧道洞洞口气温难获获取的问题。。围岩导热系数数计算基于围岩温度度实测资料，，编制了隧道道围岩导热系系数反分析计计算程序，结结果更可靠。。防冻隔温层厚厚度计算采用等效厚度度法计算，公公式简单，易易于理解，参参数选择合理理，结果准确确可靠。理论依据明确确，参数选择择合理，结果果可靠！成果的先进性性（5）防冻隔温层层施工方法本项成果提出出了寒冷地区区保温层中间间铺设法、表表面铺设法和和表面喷涂法的施工工艺艺，在实际工工程中进行了了成功应用，，其效果得到到了验证。现场测试结果果表明，防冻冻保温效果显显著，有效防防止了隧道冻冻害的发生，施工方方法合理。成果有利于防防冻隔温层的的推广，为防防冻隔温层施施工提供参考考和依据，以解决寒寒区隧道冻害害问题。成果的先进性性该成果总体达达到国际先进水平平2011年12月30日，交通部西西部交通建设设科技项目管管理中心组织织“寒冷地区区公路隧道冻冻害雪害防治治技术研究””鉴定意见为为：项目研究究总体达到国际先进水平平。2012年8月30日，陕西省科科学技术厅组组织的“寒冷冷地区隧道冻冻害防治技术术研究”鉴定定意见为：该该项目研究总总体达到国际先进水平平，其中隧道冻冻害程度等级级划分、隧道道防冻格温技技术达到国际领先水平平。