推广应用-寒冷地区公路隧道冻害防治技术课件

汇报人：陈建勋教授寒冷地区公路隧道冻害防治技术一、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中心水沟结冰堵塞隧道洞口处热融滑塌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

采用查阅文献和实地考察的方法，对隧道冻害情况、气候水文和治理措施进行调查和研究，建立了寒区隧道数据库。共统计143座寒区隧道，其中短隧道8座、中长隧道8座、长隧道39座、特长隧道18座；位于高纬度地区的隧道47座，高海拔地区的隧道26座；季节性冻土隧道70座，永久性冻土隧道3座。

隧道冻害调查一览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…………………………………

通过对调查结果的分析，归纳总结寒冷地区隧道冻害现象、冻害防治措施，提出了寒冷地区隧道修建中存在的问题及启示。1、工程调研

（1）早期采用矿山法修建的隧道，采用整体式衬砌（先墙后拱或先拱后墙），防排水系统不完善，未设置防水层，导致隧道修建后拱墙交接处渗漏水结冰冻胀。严重影响正常运营。例如新疆天山奎先大坂隧道。在日本也是如此。寒区隧道修建存在的问题及启示

（2）采用新奥法修建的隧道，设置了完善的防排水系统，但未设置保温系统，导致隧道衬砌背部地下水冻结、排水管出水口冻结堵塞，严重影响隧道正常运营。例如甘肃老七道梁隧道，被迫在隧道内采用暖气管道进行加热，消除冻害影响。

（3）新建隧道虽然设置了完善的防排水系统和保温系统，但是因施工质量问题，导致隧道运营不久便发生冻害，影响正常运营。例如大坂山隧道，最初采用防寒泄水洞和防冻隔热层的措施，但由于隧道施工条件艰苦，防排水施工质量较差，运营后不久便出现渗漏，产生了冻害。总的来讲，采用复合式衬砌（新奥法）以来，有了完善的防排水系统，特别是如果及时能将衬砌背后围岩中的地下水排出，寒冷地区隧道发生冻害的问题就可以得到很大缓解。防冻保温已经得到了广泛的关注和应用，但在解决隧道冻害问题的认识角度，还存在一定的问题。

为此，我们要开展隧道防冻保温技术的研究，提出隧道冻害防治原则是“防水是基础，排水是核心，保温是关键，三者必须有机结合”，即采用完善的防排水系统与防冻隔热系统结合的措施防治隧道冻害。2、隧道温度场变化规律现场测试及分析

在河北秦皇岛梯子岭隧道、河北承德祥云岭隧道、黑龙江绥满公路雾松岭隧道、黑龙江哈尔滨绕城高速天恒山隧道进行现场温度场测试，取得数据上万组。梯子岭隧道雾松岭隧道天恒山隧道

以河北省承德市祥云岭隧道为例，介绍隧道温度场的现场测试与分析。（1）隧道温度场测试项目包括洞内外的气温、风速和风向，衬砌表面与内部的温度，衬砌背部围岩的温度，路面及其以下地层的温度。（2）测试断面沿隧道纵向的布置在隧道内轴线方向共布置了11个测试横断面，洞口段测试断面布置较密集，中间段测试断面布置间距较大。在西洞口和东洞口外50m处测试洞外气温、风速和风向。

（3）测点在横断面上的布置如右图所示，在隧道的拱顶、拱腰和边墙分别布置测试二次衬砌混凝土表面和内部、喷射混凝土表面及围岩内部温度的测点（如图8A大样），在隧道路面处布置测试路面混凝土表面和内部的测点（如图8B大样）。

隧道洞内外温度差值与隧道长度的关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

长隧道贯通后洞内气温都具有“冬暖夏凉”的特点，即暖季洞内温度低于洞外气温，寒季洞内温度高于洞外气温。短隧道洞内外气温相差不大。一般而言，隧道长度小于500m，日温差小于5℃。但同时，隧道内气温受风向的影响较大。

长隧道洞口段要进行防冻保温处理，小于500m的隧道要全长进行防冻保温处理。典型断面沿衬砌和围岩不同深度的温度

隧道衬砌背部围岩一定深度范围内的温度都处于0℃以下，而隧道二次衬砌背部防水层后边的喷射混凝土和围岩都有地下水侵入，极容易发生冻害。

采用保温措施，使隧道二次衬砌背部防水层后边的温度处于0℃以上，可以防止隧道冻害的发生。3、喷射混凝土抗冻性研究

针对喷射混凝土的抗冻耐久性，课题组进行了一系列的室内试验，包括快速冻融循环试验、压缩试验、电镜扫描试验、CT扫描试验。研究内容：（1）喷射混凝土抗冻特性研究

（2）引气剂对喷射混凝土抗冻耐久性的影响研究（3）喷射混凝土气泡特征研究自动快速冻融试验机CT扫描电镜扫描喷射混凝土抗冻耐久性试验结论:

（1）普通喷射混凝土和掺入引气剂的喷射混凝土各测试了两组（每组2个试件，每个试件测试2个断面）气泡特征参数，掺入引气剂的喷射混凝土的气泡间隔系数平均值为244.6μm和287.4μm，普通喷射混凝土的气泡间隔系数平均值为292.6μm和329μm。喷射混凝土中掺入引气剂能够降低气泡间隔系数。（2）喷射混凝土的抗冻耐久性指数随着气泡间隔系数的增大而逐渐降低，从细观上解释了喷射混凝土中掺入引气剂能够提高喷射混凝土抗冻耐久性。（3）喷射混凝土中的气泡绝大多数为直径小于200μm的无害气泡，表明喷射混凝土内部的气孔结构对其抗冻性有利。4、冻害防治技术工程实践证明，围岩发生冻害是需要条件的。

温度水气温在0℃以下，且低温要足够长围岩中含水量必须足够多（1）隧道冻害防治原则防水是基础，排水是核心，保温是关键，三者必须有机结合（2）隧道抗冻设防等级划分

采用综合评判的方法，以最冷月平均气温、冻结深度、地下水的赋存与补给、地下水渗入隧道情况为评价指标，将新建隧道的防冻设防等级划分为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隧道的寒冷程度

地下水对隧道的危害程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

隧道抗冻设防等级划分

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、防寒泄水洞冻害等级划分及防治措施

隧道防冻隔温层设计包括防冻隔温层材料的选择、厚度和长度的计算，以及防冻隔温层施工工艺。（3）隧道防冻隔温层技术隔热防冻材料应具备质轻、疏松、多孔、导热系数小的特点。其性能指标见下表。隔热防冻材料设置于衬砌内表面时，应增加防火措施。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

防冻隔温层厚度计算方法有等效厚度法、气象解析法和有限元模拟计算法等，经过分析，等效厚度法最直接、简单和易于操作。课题组针对防冻隔温层表面设置和中间设置分别进行了公式推导。防冻隔温层厚度计算

围岩的导热系数

防冻隔温层的导热系数

隧道的当量半径

围岩厚度

防冻隔温层的厚度

②

对于在初期支护与二次衬砌之间设置防冻隔温层的情况：

衬砌混凝土厚度

①对于在衬砌表面设置防冻隔温层的情况：

防冻隔温层长度确定主要依据隧道内的温度，最直接的方法就是现场实测，而现场实测费时费力，难度较大，只能依靠洞口气温进行预测。日本黑川希范公式：L=154.7(-t)0.604

式中：L为洞内可能发生冻害位置距离洞口距离；t为洞口最冷月平均气温。因此，最重要的是获得准确的隧道洞口气温。课题组采用空间插值理论中的Kriging法，利用气象测站观测数据，提出了隧道洞口气温计算方法。防冻隔温层长度确定

利用隧道洞口附近的几个气象测站的观测数据，采用空间插值方法，可以方便、准确的计算隧道洞口处的气温。

防冻隔温层施工方法包括表面喷涂法、表面铺设法和中间铺设法三种。表面喷涂法/铺设法中间铺设法

通过压缩空气将含有保温材料、胶结材料和速凝剂等的混合物料直接喷涂到隧道衬砌表面，形成防冻隔热层的方法。国内首次在黑龙江省雾凇岭隧道中采用表面喷涂法进行防冻隔热层的施作，现场发泡喷涂聚氨酯保温层，如图所示。该隧道2007年通车，目前运营情况良好，无冻害发生。表面喷涂法

使用锚固件将事先预制好的保温板固定到隧道初期支护或原有衬砌表面，形成防冻隔热层的方法。现场施工如图所示。天恒山隧道2009年通车，目前衬砌结构稳定，洞内干燥，运营情况良好。表面铺设法

使用胶黏剂或锚固件等将预制好的保温板固定到隧道衬砌表面，形成防冻隔热层，然后再浇筑一层衬砌混凝土的方法。国内首次在河北省梯子岭隧道采用中间铺设法进行防冻隔热层施作，在原隧道衬砌表面铺设防冻隔热层，然后在其表面浇筑混凝土。现场施工如图所示。2002年该隧道整治后通车，历时14年的运营，全隧道无渗漏和冻害现象发生，衬砌完好无损。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道漏水挂冰、溢水结冰和开裂剥落等技术难题技术成果三、成果的先进性成果的先进性（1）揭示了喷射混凝土抗冻耐久特性引气剂的掺加可以改善喷射混凝土内部孔隙及气泡结构，提高喷射混凝土抗冻耐久性。成果收录于“ConstructionandBuildingMaterials”-SCI检索揭示冻融循环作用下，喷射混凝土内部孔隙结构变化，及相应的物理特性变化。成果收录于“ConstructionandBuildingMaterials”-SCI检索（2）提出寒区隧道冻害防治原则

以往，对于寒区隧道的研究多集中于隧道冻胀机理的研究，如冻胀力形式、计算公式推导等，但未明确统一，且缺乏数据支撑。本项成果提出了“防水是基础，排水是核心，保温是关键，三者有机结合”的隧道冻害防治原则。本项成果攻克了寒区隧道衬砌漏水挂冰、路面溢水结冰和衬砌剥落掉块等寒区隧道冻害技术难题，为解决隧道冻害问题开辟了新途径。成果的先进性（3）提出寒区隧道冻害等级划分标准已有的等级评定基本上为单一指标，且以定性描述为主，缺乏准确性和科学性。本项目成果以气温和地下水为指标，采用综合评判的方法，结果明确、直观，为新建隧道冻害防治措施选取提供依据。基于故障树理论，估算隧道冻害损失费用，并结合隧道冻害形态、结构稳定和行车安全，依据科学、可靠，为既有隧道冻害处治提供依据。成果的先进性（4）防冻隔温层设计方法洞口气温计算采用Kriging法，插值计算隧道洞口温度，有效解决了隧道洞口气温难获取的问题。围岩导热系数计算基于围岩温度实测资料，编制了隧道围岩导热系数反分析计算程序，结果更可靠。防冻隔温层厚度计算采用等效厚度法计算，公式简单，易于理解，参数选择合理，结果准确可靠。理论依据明确，参数选择合理，结果可靠！成果的先进性（5）防冻隔温层施工方法本项成果提出了寒冷地区保温层中间铺设法、表面铺设法和表面喷涂法的施工工艺，在实际工程中进行了成功应用，其效果得到了验证。现场测试结果表明，防冻保温效果显著，有效防止了隧道冻害的发生，施工方法合理。成果有利于防冻隔温层的推广，为防冻隔温层施工提供参考和依据，以解决寒区隧道冻害问题。成果的先进性该成果总体达到国际先进水平2011年12月30日，交通部西部交通建设科技项目管理中心组织“寒冷地区公路隧道冻害雪害防治技术研究”鉴定意见为：项目研究总体达到国际先进水平。2012年8月30日，陕西省科学技术厅组织的“寒冷地区隧道冻害防治技术研究”鉴定意见为：该项目研究总体达到国际先进水平，其中隧道冻害程度等级划分、隧道防冻格温技术达到国际领先水平。成果的先进性三、成果的先进性2015年中国公路学会科学技术二等奖2016年交通运输建设科技成果推广项目目录中国公路学会科学技术二等奖交通运输建设科技成果推广目录三、成果的先进性授权发明专利2项、实用新型2项公路隧道冻害分析方法新型隧道防冻隔