高海拔寒区隧道抗防冻设计研究综述

高海拔寒区隧道抗防冻设计研究综述

随着中国经济和社会的发展，公路和铁路的建设进入了前所未有的快速发展阶段。近年来，随着高速铁路和高速铁路的快速建设，交通隧道呈现出“大、长、大、深”的发展趋势。尤其是西部大开发战略实施以来,交通隧道又呈现出另一特点——“高”,即海拔高。在高海拔的寒冷地区修建隧道工程与一般地区相比,技术性问题要复杂得多,其中,如何合理设计高海拔寒区隧道的抗防冻及防排水方式,国内外专家根据各自工程特点,开展了众多深入、细致的研究,本文在搜集分析国内外高海拔寒区隧道特点的基础上,对寒区隧道抗防冻设计特点进行归纳总结。1冷带隧道的基本定义和划分1.1中国寒区主要气候指标《中国寒区水文》一书的作者杨针娘等根据《中国自然地理图集》(1984)中的1、2、7和10月平均气温等值线,日平均气温,积雪日数等值线,及年平均气温和降水量等值线,并结合中国气候区划、青藏高原气候区划与中国水文区划等,分析提出如表1所示的中国寒区气候指标,以此来划分寒区指标。1.2冻害等级寒区隧道根据划分标准不同可划分为不同的隧道类型,具体可按照多年冻土分布、水源赋存与补给条件划分和按气候参数进行分类等三种情形,具体如下:(1)按隧道区多年冻土分布划分为全多年冻土隧道、局部多年冻土隧道和非多年冻土隧道。(2)按隧道区地下水来源和水源赋存与补给条件,并根据不同的冻害等级也可将寒区隧道分为Ⅰ～Ⅴ类。寒区特长公路隧道多为开放的垂直与水平混合补给含水围岩隧道,由于多种水源补给,隧道在开挖、运营中往往有大量地下水渗入、出水点多、涌水量大、常年出流。隧道衬砌层施工时若留有孔洞、裂隙或因受冻融作用而产生破裂,围岩中的地下水即渗入洞中,这是发生冰冻病害最多、最严重的一类隧道。(3)我国寒区多集中在东北和西北地区,对于年平均温度较低地区(年平均温度<10.5℃)按气候参数进一步划分为亚区,见表2所示。从气候参数来看,对寒区隧道工程影响最大的是洞口位置的年平均气温、年冻结指数、年最大冻深气候等参数。2混凝土工作性能下降针对寒区隧道所处的特点,同时为避免寒区隧道的冻害发生而导致隧道衬砌混凝土工作性能的下降,隧道设计及施工过程中一般采取相应的抗防冻措施,避免寒区隧道冻害的发生。设计中一般从改善隧道热环境入手,其主要方法有保温隔热措施和加热措施,就目前趋势而言,前者应用更为广泛。2.1保温隔热层的作用保温隔热措施属于被动保温方式。由于围岩、衬砌和冷空气之间的热交换系数很大,隧道贯通后冷空气的流动将带走大量热量,设置保温隔热层能有效阻止围岩、衬砌和冷空气之间的热传递。采用保温隔热层有两方面的作用:(1)在多年冻土地区,保温隔热层在夏季能阻止热量向隧道衬砌背后流动,使隧道周边多年冻土不至于融化,能减轻冻融循环的影响,防止冻融循环导致衬砌背后出现空洞,减轻积水冻胀的可能性。(2)在季节冻土地区,保温隔热层在寒冷的冬季能阻止隧道衬砌和围岩热量的散失,使围岩不至于冻结,减轻冻胀影响。保温隔热的主要方法简述如下。2.1.1保温层的设置根据传热学原理,如果物质之间的导热系数变的无穷小,那么彼此之间就没有热量传递。保温隔热措施就是这一原理的应用。目前常规的做法是采用热传导系数很低的材料,如:聚氨酯泡沫,聚酚醛泡沫,聚苯乙烯,干法硅酸铝纤维等。这些材料的特点是导热系数低,不容易燃烧,吸水率低,容易加工,加工厚度小等,很适合在隧道内使用。保温层可以采取以下几种形式:(1)中间隔热层法:如图1(a)所示,保温材料敷设在二衬与防水板之间,典型隧道如青藏铁路上的昆仑山隧道。(2)外隔热层法:如图1(b)所示,保温材料敷设在二衬表面,典型隧道如青海省宁张公路大阪山隧道。(3)双隔热层法:如图1(c)所示,保温材料同时敷设在二衬与防水板之间及二衬表面,起到双层防冻效果,此种抗防冻设计方法在国内高海拔寒区隧道中采用少,日本部分隧道曾经采用。(4)离壁式隔热层法:如图1(d)所示,隔热层敷设在二衬与防水板之间,二衬与隔热层间采用离壁的方式,此种抗防冻设计措施仅见于部分挪威的隧道。2.1.2空气进入隧道对于寒区隧道,冷空气的对流作用是导致洞内热量散失的主要途径。在隧道进出口设置防寒保温门,可以阻止和减缓冷空气的对流作用,能在冬季寒冷期间阻挡相当大部分的寒冷空气侵入隧道,提高冬季隧道内空气的平均温度,能限制隧道围岩季节冻结圈的深度,防止隧道水沟冻结。如青海省宁张公路大坂山隧道及东北林区的兴安岭隧道均在洞口设置了防寒保温门,在实际运营中起到了较好的效果。但是防寒保温门在运营中需要重复开启,受季节性交通量影响较大,一般只适用于冬季车辆远小于夏季的偏远地区,而且需要采用交通管制使车辆集中在一定时段内通过,因此,该方法的使用性得到很大限制。随着国民经济的不断发展,交通日趋繁忙,车流量不断增加,隧道保温门技术将不宜采用。2.1.3空气幕与防寒门空气幕技术是隧道辅助保温措施之一,其作用类似于隧道洞口的防寒保温门。由于空气是热的不良导体,在寒冷季节利用隧道洞口设置空气幕,也可以减少隧道内部热能和外界冷能的交换,保持洞内较高温度。在多年冻土地区隧道冬季保持相对较高的洞内温度,对缓解隧道冻胀及保证隧道排水系统的畅通都具有重大的意义,同时也有利于对洞口风吹雪的防治。采用空气幕与防寒保温门相比,其最大优点是不影响行车,管理简单,维护、检修方便。目前在己建隧道中,尚无利用空气幕的先例,但空气幕技术己经很成熟,广泛应用在宾馆、超市、医院、车站、工业厂房大门。在矿山中也大量的应用实例,因此,空气幕技术在寒区隧道工程存在实际应用的可行性,可以考虑结合其他的防寒措施共同使用。例如,结合地热发电措施。利用“载热体”把地下的热能带到地面上来。目前能够被地热电站利用的载热体,主要是地下的天然蒸汽和热水。但是,目前地热资源的开发还存有一定的障碍,地热管理体制和开发利用机制等没有建立起来;地热资源的勘探、开发才在高投入、高风险,需要先进的技术;系统的技术规程、规范和技术标准尚不健全和完善。所以,将地热发电技术应用于隧道工程中的可行性有待于进一步研究。但是,鉴于当前国内外都在进行浅层地温能的开发,在长大寒区隧道中间埋深较大的地方开采利用地温能,作为隧道抗冻措施,在一定程度上是可行的。2.2持续保温的必要性加热法属于主动保温方式,其原理是采用人工方法经常地、适量地向隧道围岩供给补充热量,消除或减缓围岩内新的冻结圈形成的趋势。对于外来热源,供给的热量不能过大,当热量过大时,会失去动态平衡,引起原有的冻结层的融化。利用当地的廉价能源如太阳能、风能、水能作为新的热源,采用主动保温方式,是寒区隧道冻害防治研究的新方向。主要加热措施有:2.2.1挪威的电力加热器供暖加热防治隧道冻害的方式在前苏联运用较多。前苏联水电资源丰富,提出了隧道运营时采暖的防治冻害方法,在隧道内设置电力加热器,补充隧道内散失的热量。挪威在隧道内的排水系统中设置加热电缆,防止水沟被冻结在地热资源丰富的地方,可以利用地热水或蒸汽水对隧道进行加热。就我国目前的实际情况来看,采用电加热对寒区隧道供暖在经济上不可行,不值得推广。而在地热资源丰富的地区如西藏、青海等,可以尝试利用地热供暖。2.2.2隧道所在单位开敞空气温度设定在日照强烈的地区,可以在隧道口处设置阳光棚,通过白天吸收太阳辐射来升高洞口周围空气温度,再通过车辆流通把热空气带入洞内,使得洞内温度升高并达到正温,晚上气温下降时,通过关闭保温门来阻止冷空气进入隧道,使得隧道一直处于正温状态。该方法的优点是可以有效的利用太阳能,节约电力资源,适合于我国新疆、西藏等日照强烈的内陆省份。2.3抗防冻材料常用材料类型保温隔热材料(又称绝热材料)是指对热流具有显著阻抗性的材料或材料复合体。绝热材料的品种很多,按材质分类,可分为无机绝热材料、有机绝热材料和金属绝热材料三大类。按形态分类,可分为纤维状、微孔状、气泡状和层状等。目前,抗防冻材料采用较多的有:酚醛泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、高压聚乙烯、橡塑隔热材料、岩棉及玻璃棉等,各材料的物理力学性能比较如表3所示。现分述如下:(1)有机外墙材料的燃烧性能与聚氨酯、聚苯乙烯、橡塑泡沫等有机泡沫塑料比较,酚醛泡沫具有轻质、吸水率小、导热系数小、难燃、自熄、低烟雾、耐火焰穿透、遇火即炭化无滴落、火焰蔓延速率小、耐高温、安全、环境友好等特性,是新型隔热保温材料,在所有有机保温材料中,燃烧性能等级是最高的。(2)氨基泡沫塑料聚氨酯泡沫塑料分为软质、半硬质和硬质聚氨酯泡沫塑料几种,而用于绝热材料的主要是硬质聚氨酯泡沫塑料,价格较高。(3)建筑现用技术聚苯乙烯泡沫塑料质轻、导热系数小、吸水率低、柔性好、耐水、耐老化、耐低温、耐腐蚀、易加工、价廉质优等优点。现已在建筑市场上广泛应用。聚苯乙烯泡沫塑料根据生产工艺的不同,有膨胀型(EPS)与挤塑(XPS)两类,以膨胀聚苯乙烯板使用最为普遍。(4)车体保温使用又名PEF保温材料,绝热效果好,施工简易,使用寿命长,综合成本低,耐性好,无毒性,缓冲性强等,广泛用于石油、化工电力、食品制药工业、汽车、火车、冷藏车的保温,吸音及减震等。(5)管道保温的作用发泡橡塑类保温材料的特性与发泡塑料制品比较接近,质轻、弹性好、韧性好、导热系数小、气密性好、抗水、耐腐蚀、抗压、施工性好,适用于介质温度在-40～105℃之间各种管道及设备的保温,具有外观整洁美观的特点,但是价格昂贵。(6)外墙外墙保温岩棉制品具有不燃、无毒、容重小、导热系数小,使用温度高,经久耐用。不易风化,对金属不腐蚀。还有一个重要优点是原材料丰富、成本低等特点。因此它是目前国内外在建筑外墙上应用最多的一种保温材料。但缺点是施工时对施工人员的皮肤有刺痒反应,安装条件差。(7)防水处理玻璃棉及其制品具有良好的隔热、隔振、吸音效果,其缺点是吸水率大,须防水处理。它受潮后变形,隔振效果下降,即使风干后也不能恢复至原来的性能,一般来说玻璃棉使用寿命较短。(8)温度和导热系数福利凯导热系数低,并且持久,抗冻融性好,耐低温可以达到-196℃,属于一种深冷保温材料,在-196℃的超低温环境和条件下,福利凯不收缩、不脆化、不开裂,仍然具有良好的保温效果,这是其他保温材料不具备的优点,同时福利凯还呈现出温度越低导热系数越低的特点。从表3中可以看出,各种保温隔热材料均具有自身的特点,设计中具体采用何种抗防冻材料应从技术、经济、安全性及耐久性等方面综合考虑后选取。2.4衬砌隔热法施工的效果分析综合国内当前高寒铁路、公路隧道保温层的设置方式可以看出,目前国内隧道保温层的设置方式主要有两种:一种是将保温层设置在二衬表面;一种是将保温层设置在一、二衬之间。但这两种方法究竟那一种更为科学、合理,一直以来业界难以达成统一共识。就保温层设置在隧道二衬表面而言,具有如下优点:①确保围岩裂隙水在不被冻结的情况下能顺畅的排出隧道。能保护好隧道围岩、支护结构免受冻胀破坏,同时也保护二次衬砌不受低温影响而出现开裂、酥碎、剥落等严重问题。②维修方便,养护费用低。③施工工艺以电动工具为主,施工工效高。④因保温层面板平整度好,有一定的装饰作用。同时遮蔽因施工出现的隧道二次衬砌错台问题。而将保温层设置在隧道初衬及二衬之间具有如下优点:①因有两层防水板,防渗水效果比较好。②山体有应力变形发生时可稍缓解围岩对二衬的挤压,但效果不明显。③保温层不会受到机动车的碰撞而破坏。但随着近几年来高海拔寒区隧道的大量出现,研究的逐步深入,将保温层设置在二衬表面的方案被国内多座寒区公路隧道采用,并付诸实施,典型的隧道如:大坂山隧道、鹧鸪山隧道及刚刚通车的嘎隆拉隧道。另外,从结构的安全和耐久性上来考虑,在衬砌混凝土表面上直接敷设隔热层的表面隔热处理法更为合理、可靠。因为其他衬砌隔热法存在如下弊端:①把隔热材料设在二次衬砌背后,则意味着衬砌混凝土暴露在冷空气中,如果隧道内湿度较大或是衬砌有渗漏水,衬砌混凝土在冻融循环的作用下可能会发生冻害现象(即微观冻害),二衬因遭受低温影响而出现开裂、酥碎、剥落等严重问题。②若把隔热材料夹在初期支护和二次衬砌之间,由于初期支护为柔性支护,在初期支护受到围岩压力产生变形时,或者是衬砌后的水压较大时,都会把压力直接传递到隔热层上,特别是软岩条件下发生的流变特性时会随时破坏保温层,抗冻性失效导致出现病害,同时隔热材料的强度和弹性模量都较低,受力后隔热层会被破坏或压缩,从而失去保温隔热的功能。③如果在二次衬砌和保温隔热材料之间,由于防水不善而存在积水空隙,则在隧道内气温较低时,可能会发生局部存水的冻胀,造成隧道冻害的发生。④目前我国对各种保温隔热材料的使用寿命没有明确规定,若把隔热层放在衬砌背后,一旦隔热材料失效,将无法对其进行更换,维修只有通过凿开二衬来进行,修复难度极大,后期维修费用也极高。⑤施工工艺看似简单,但操作难度大,功效低,影响工程总进度。并且对保温材料的防火要求很高,施工中如果其他作业引燃保温材料,后果不堪设想。总之,采用衬砌背后隔热处理法较难保证隔热材料的隔热功能正常发挥。相比之下,采用表面隔热处理法,在能够对衬砌和围岩进行保温隔热的同时,隔热层