寒冷地區(qū)巖質(zhì)隧道防止凍害問題的探討

1、寒冷地區(qū)巖質(zhì)隧道防止凍害問題的探討西南交通大學(xué) 關(guān)寶樹1 概 述最近青藏鐵路風(fēng)火山隧道、昆侖山隧道相繼貫通，之前修建的227公路的大坂山隧道也已經(jīng)運(yùn)營3年之久。這幾座位于高海拔、高寒地區(qū)隧道的修建，把我國隧道的防凍害技術(shù)推向一個(gè)新的起點(diǎn)，在這幾座隧道中采用的技術(shù)、方法、理論和發(fā)現(xiàn)的問題都應(yīng)該進(jìn)行認(rèn)真總結(jié)。其中一個(gè)最重要的成就就是我們所建立的方法或技術(shù)是以“巖質(zhì)圍巖”為對(duì)象的。因此，搞清楚“巖質(zhì)圍巖”的凍融特性、或凍脹特性是極為重要的。其次就是要搞清楚因“凍融或凍脹”造成“凍害”的機(jī)理，最后就是如何防止或控制凍害的發(fā)生。因此，按照上述的3個(gè)方面，談一談我的認(rèn)識(shí)。2形成“凍融”或“凍脹”的基本條件

2、凍結(jié)點(diǎn)以下的溫度和充分的水是形成凍融或凍脹的基本條件，這是不言而喻的。溫度通常是指氣候溫度。我國氣候分區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn)為：嚴(yán)寒：最冷月平均氣溫低于-10；寒冷：最冷月平均氣溫高于-10，但低于-3；溫和：最冷月平均氣溫低于-3。而“凍融”現(xiàn)象通常是發(fā)生在嚴(yán)寒和寒冷區(qū)域內(nèi)。對(duì)隧道而言，則指洞內(nèi)溫度的變化，特別是襯砌背后圍巖內(nèi)的溫度變化。因此，掌握隧道所在區(qū)域的氣象條件的變化和隧道內(nèi)或襯砌背后圍巖內(nèi)溫度的變化，是至關(guān)重要的。水的存在是客觀的現(xiàn)象。襯砌背后的地下水以及襯砌開裂形成的滲漏水，在適合的溫度條件下，就會(huì)產(chǎn)生凍融或凍脹現(xiàn)象。因此，也必須模清水的“來龍去脈”，其性質(zhì)，其溫度以及其經(jīng)路等。3因“凍融

3、”或“凍脹”造成“凍害”的機(jī)理在寒冷或嚴(yán)寒地區(qū)，發(fā)生“凍融”或“凍脹”現(xiàn)象是正常的，也是客觀存在的現(xiàn)象。但因這些現(xiàn)象而造成“凍害”的原因則是多義的。但最主要的2個(gè)條件是：構(gòu)成隧道結(jié)構(gòu)體材料的混凝土和周邊圍巖的凍結(jié)特性；約束圍巖變異的條件。31混凝土的凍結(jié)特性1混凝土的熱特性一般受占混凝土體積大部分的骨料特性的影響。同時(shí)，即使同一配比的混凝土，視其含水量和溫度也變化很大。普通混凝土的場(chǎng)合，特性值可采用表1的數(shù)值。表1混凝土的熱特性熱傳導(dǎo)率9.2kJ/mh比熱1.05kJ/kg熱擴(kuò)散率0.003m2/h輕量混凝土的熱特性，可以參考表2的既有試驗(yàn)結(jié)果采用。表2 輕量混凝土的熱傳導(dǎo)率（kJ/mh）單位

4、質(zhì)量（kg/m3）氣干狀態(tài)濕潤狀態(tài)15002.1-16002.34.617002.54.818002.95.019003.35.9對(duì)普通混凝土的比熱1.01.3 kJ/kg來說，輕量混凝土的比熱是1.61.8 kJ/kg，是比較大的。前者的熱擴(kuò)散率是0.0030 0.0040 m2/h，后者是0.00140.0020 m2/h是比較小的。熱特性中熱傳導(dǎo)率c、熱擴(kuò)散率h2c及比熱Cc，通過密度，有（1）式的關(guān)系。其中的一個(gè)是未知的場(chǎng)合，就可根據(jù)其他3個(gè)已知值求出。h2c=c/（Cc） （1）2低溫下的混凝土抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)證實(shí)，常溫下的混凝土抗壓強(qiáng)度因受到低溫的影響，其抗壓強(qiáng)度有所增加，因此要加算

5、增加的抗壓強(qiáng)度來求出。根據(jù)到目前研究的成果看，當(dāng)溫度在0-100的范圍內(nèi)，抗壓強(qiáng)度隨溫度降低，呈拋物線增加。在-60的抗壓強(qiáng)度的增加值。在濕潤養(yǎng)生的場(chǎng)合，大約是60N/mm2，溫度20，濕度60%的氣干狀態(tài)養(yǎng)生的場(chǎng)合大約是45N/mm2。低溫下的抗壓強(qiáng)度可用（2）式，其抗壓強(qiáng)度增加值可用（3）式求出。fc。T=fc+fc。T （2）fc。T=9.8-（T+180）2/3300（T=0-100） （3）式中，fc。T：溫度T時(shí)的抗壓強(qiáng)度 N/mm2fc：常溫時(shí)的抗壓強(qiáng)度 N/mm2fc。T：溫度T時(shí)抗壓強(qiáng)度的增加值 N/mm2：含水量（%）T：溫度（3）式是在水灰比4555%、單位水量17919

6、5kg/m3、養(yǎng)生時(shí)間28天的條件下取得的。低溫下的抗拉強(qiáng)度，與低溫下抗壓強(qiáng)度的3/41的3次方呈直線關(guān)系。如在0-100的范圍內(nèi)，與溫度條件無關(guān)，可用低溫下的抗壓強(qiáng)度，用（4）式求出。抗拉強(qiáng)度ftk=0.23fck2/3 （4）式中fck：抗壓強(qiáng)度的特性值這樣，混凝土強(qiáng)度在低溫下顯著增加，混凝土構(gòu)件的承載力也將增加，但在設(shè)計(jì)耐用期間中，有時(shí)會(huì)回到常溫的狀態(tài)，因此，不考慮低溫下強(qiáng)度增加是偏于安全的。但在因溫度降低而產(chǎn)生溫度應(yīng)力的問題的場(chǎng)合，溫度應(yīng)力強(qiáng)烈依靠構(gòu)件剛性和抗拉強(qiáng)度，最好考慮溫度和含水量的影響。低溫下的抗壓強(qiáng)度增加值和溫度、含水量的關(guān)系、低溫下混凝土抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系、低溫下混凝

7、土抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系以及低溫下混凝土彈性系數(shù)和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系分別示于圖1、圖2、圖3以及圖4。圖1低溫下的抗壓強(qiáng)度增加值和溫度、含水量的關(guān)系圖2低溫下混凝土抗彎強(qiáng)度 圖3低溫下混凝土抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系圖4低溫下混凝土彈性系數(shù)和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系3混凝土的凍結(jié)機(jī)理混凝土或鋼筋混凝土是隧道襯砌采用的最普遍的材料。也是維持隧道功能的主要結(jié)構(gòu)體（襯砌）。因此，在研究隧道的凍害，首先要掌握混凝土的凍結(jié)機(jī)理和過程。 水在凍結(jié)時(shí)能夠自由膨脹，產(chǎn)生約9%的體積膨脹，在水泥漿的內(nèi)部受到空隙壁的約束。為緩和體積膨脹，需要有必要的自由空隙。如無此空隙，就會(huì)產(chǎn)生很大的壓力。這就是混凝土在低溫條

8、件下劣化產(chǎn)生的原因。 隨著溫度下降，首先大空隙中的水凍結(jié)，面后是小空隙的水凍結(jié)。小空隙的水在凍結(jié)的過程中，會(huì)產(chǎn)生很大的靜水壓作用。在空隙壁上，當(dāng)其達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生開裂。如此反復(fù)，會(huì)造成混凝土表面的破壞，以致剝落?；炷羶鼋Y(jié)的發(fā)生，尚可細(xì)分為由靜水壓引起的和由滲透壓引起的兩類由靜水壓引起的是指：混凝土在凍結(jié)過程中，表面部分先行凍結(jié)，表面上的冰形成殼體，而后接近表面的水泥硬化體中的毛細(xì)管中的水凍結(jié)。從水變成冰的過程中，伴隨著體積膨脹，使相當(dāng)分量的未凍結(jié)的水向微小的空隙內(nèi)移動(dòng)。移動(dòng)時(shí)，因粘性阻力產(chǎn)生靜水壓。此靜水壓會(huì)使水泥硬化體逐漸破壞。由滲透壓引起的指：在冰和未凍結(jié)水之間產(chǎn)生滲透壓

9、。在毛細(xì)管中形成冰晶后，使比冰晶更小的空隙吸收未凍結(jié)的水。因這樣的滲透壓，使接近極限飽和區(qū)域的水移動(dòng)，而使組織破壞。 混凝土的凍害，在硬化過程中，可分為以下2種情況。從混凝土灌注后到凝結(jié)硬化的初期階段受到的凍害；硬化后的混凝土因凍融反復(fù)而受到的凍害。其中，前者是低令混凝土出現(xiàn)的，稱為“初期凍害”，后者是因混凝土中含水產(chǎn)生的?；炷林械乃謨鼋Y(jié)后，與水的凍結(jié)膨脹相當(dāng)?shù)乃诨炷林幸苿?dòng)，而產(chǎn)生水壓，造成混凝土的破壞。所謂凍害就是混凝土中水分發(fā)生的凍脹現(xiàn)象，長年的凍融循環(huán)使混凝土逐漸劣化的現(xiàn)象。受到凍害的結(jié)構(gòu)物，混凝土表面會(huì)出現(xiàn)剝落、微小開裂、混凝土表面集料膨脹飛出等現(xiàn)象。微小開裂、剝落是混凝土的水

10、泥漿部分的劣化，多發(fā)生在混凝土質(zhì)量差和空氣泡沒有連通的場(chǎng)合，而混凝土表面集料膨脹飛出，是在骨料質(zhì)量差的場(chǎng)合更易出現(xiàn)。凍害的劣化程度決定于混凝土配比、骨料的質(zhì)量等與混凝土質(zhì)量有關(guān)的因素和構(gòu)件斷面形狀、鋼材量等與結(jié)構(gòu)體有關(guān)的因素以及水的供給程度、日射的影響、外氣溫（最低溫度）、凍融循環(huán)次數(shù)等與結(jié)構(gòu)物使用環(huán)境條件有關(guān)的因素等。凍害的劣化過程，可分為潛伏期、發(fā)展期、加速期及劣化期。各個(gè)期間的劣化現(xiàn)象對(duì)結(jié)構(gòu)物的影響是不同的，各種劣化期的劣化預(yù)測(cè)、檢查、評(píng)價(jià)、判定及對(duì)策也是不同的。主要的凍害劣化現(xiàn)象是混凝土斷面的減少，視其程度也有發(fā)生鋼筋腐蝕的場(chǎng)合。因此，凍害造成的混凝土性能降低，因凍害深度而異，可分為凍

11、害在發(fā)生剝落前的潛伏期、凍害發(fā)生到鋼材腐蝕前的發(fā)展期、凍害深度發(fā)展到鋼材位置，鋼筋繼續(xù)腐蝕的加速期、凍害深度比鋼材位置大，而影響承載力的劣化期。凍害造成的混凝土劣化深度（凍害深度）的增大和結(jié)構(gòu)物性能降低的關(guān)系示于圖5。決定各劣化過程和期間的因素列于表3。圖5凍害劣化過程的概念圖表3各劣化過程的定義和決定期間的因素劣化過程定義決定期間的因素潛伏期受到凍融作用但沒有出現(xiàn)劣化的期間凍害發(fā)生的可能性的有無、凍融循環(huán)次數(shù)發(fā)展期混凝土表面劣化在發(fā)展但鋼材沒有腐蝕的期間凍害深度（凍融循環(huán)次數(shù)、凍結(jié)水量）加速期混凝土劣化大，鋼材腐蝕增大的期間凍結(jié)深度、鋼材腐蝕速度劣化期混凝土劣化超過保護(hù)層以上，承載力降低顯著

12、的期間鋼材腐蝕速度凍害的劣化預(yù)測(cè)，要掌握使用的材料、混凝土配比和空氣量及結(jié)構(gòu)物使用的環(huán)境和水的供給程度等，綜合地進(jìn)行。但現(xiàn)狀是對(duì)結(jié)構(gòu)物使用的環(huán)境條件進(jìn)行定量評(píng)價(jià)是比較困難的?？筛鶕?jù)結(jié)構(gòu)物可能遇到的最低溫度等氣象條件研究凍害發(fā)生的危險(xiǎn)區(qū)域的方法和根據(jù)骨材的物性值或一定條件下的凍融實(shí)驗(yàn)結(jié)果，評(píng)價(jià)有無凍害可能性的方法。采用AE混凝土的場(chǎng)合的劣化，因混凝土表面的溫度變化比內(nèi)部變化大，外部易受水的供給的影響等，劣化的發(fā)生一般都比較大，結(jié)果劣化集中在結(jié)構(gòu)物的端部和表面。為此，評(píng)價(jià)凍害深度對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)物性能降低是有效的?；炷潦枪橇虾退酀{的復(fù)合體，應(yīng)從骨料和混凝土2方面來預(yù)測(cè)凍害的發(fā)生，也就是預(yù)測(cè)潛伏期的長

13、短。起因于骨料的凍害現(xiàn)象，以骨料膨脹飛出為代表，因骨料中的水分凍結(jié)而膨脹，表面的沙漿曾剝離而產(chǎn)生。根據(jù)研究作為滿足抗凍性的骨料的物性的下限值，吸水率在3%以下，骨料穩(wěn)定性試驗(yàn)的損失重量在12%以下。對(duì)混凝土，采用再現(xiàn)混凝土性能的凍融循環(huán)試驗(yàn)是有效的。凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果一般示于圖6。測(cè)定項(xiàng)目有：相對(duì)動(dòng)彈性系數(shù)、質(zhì)量減少系數(shù)、以及長度變化率等。由圖可見 ，300次循環(huán)后，健全的相對(duì)動(dòng)彈性系數(shù)保持在80%以上，抗凍性評(píng)價(jià)是優(yōu)的。特別是不容許混凝土表面剝落的場(chǎng)合，相對(duì)動(dòng)彈性系數(shù)、質(zhì)量減少系數(shù)都要求能維持在100%。圖中的要注意（1）是相對(duì)動(dòng)彈性系數(shù)在6080%，長度變化率在2001000，評(píng)價(jià)是使用可能

14、，要注意（2）和要注意（3）是抗凍性差的情況，評(píng)價(jià)為在寒冷地區(qū)不可使用。圖6凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果的概念圖圖7是凍融試驗(yàn)結(jié)果和氣泡組織的測(cè)定結(jié)果說明：空氣連通的，能夠提高抗凍性。圖7 凍融試驗(yàn)結(jié)果6據(jù)既住的研究成果，對(duì)混凝土凍害有影響的外部因素和其影響程度，得到以下認(rèn)識(shí)；（1）凍融循環(huán)的次數(shù)越多，劣化越嚴(yán)重；（2）凍結(jié)時(shí)的溫度越低，劣化越嚴(yán)重；（3）混凝土的濕度越大，凍害越大；（4）凍結(jié)速度越快，凍害越嚴(yán)重；（5）凍結(jié)時(shí)間越長凍害越嚴(yán)重。 混凝土凍害診斷的主要方法是凍融試驗(yàn)。根據(jù)凍融循環(huán)次數(shù)，判定混凝土的耐久性，例如ASTM C666規(guī)定，耐久性指數(shù)(300次凍融循環(huán))超過60以上，就是充分耐久的，

15、在200次循環(huán)時(shí)，耐久性指數(shù)要大于80等。7依上所述，為了獲得具有良好抗凍性能的混凝土，應(yīng)該是我們研究的重點(diǎn)。 獲得良好抗凍性能的混凝土的主要措施可歸納為：(1)在有可能受凍害的地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)物，應(yīng)使混凝土具有不產(chǎn)生凍害的性能。(2)為提高抵抗凍融的性能，應(yīng)采用良好的AE劑、AE減水劑及良好的骨料，在配比上，應(yīng)盡量采用小水灰比。因?yàn)樗畠鼋Y(jié)后產(chǎn)生水的移動(dòng)，而移動(dòng)的水存在有氣泡，如果氣泡的間隔小，水的移動(dòng)距離短，就可緩和作用在混凝土內(nèi)部的壓力。AE劑和AE減水劑，可以使混凝土中很多獨(dú)立的氣泡均勻地連通。可以緩和因水分凍結(jié)產(chǎn)生的膨脹壓，因?yàn)樗軌蜃杂傻匾苿?dòng)，可以顯著地增大抗凍性?；炷恋目諝饬亢捅?/p>

16、示抗凍性的耐久性指標(biāo)間的關(guān)系示于圖8。如果混凝土的空氣量超過4%以上，就可得到充分的抗凍性。其耐久性指標(biāo)可確保在80%以上。圖8 混凝土的凍害和空氣量的關(guān)系 (3)在設(shè)計(jì)中，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)姆纼龊Υ胧?從配比方面看，為提高混凝土的抵抗凍結(jié)融化的性能，應(yīng)按表4的規(guī)定項(xiàng)目辦理。表4 規(guī)定項(xiàng)目 規(guī) 定 項(xiàng) 目 材 料 水泥骨科吸水劑、AE劑、AE減水劑、流化劑 配 比 坍落度、水灰比、空氣量、單位用水量混凝土配比中的水灰比最大值，空氣量的標(biāo)準(zhǔn)值，列于表5和表6。表5 水灰比最大值（%）凍害危險(xiǎn)度混凝土種類設(shè)計(jì)耐用年限（年）30501003普通輕量5550554555454普通輕量55505545554

17、55普通輕量554550-45-表6 空氣量標(biāo)準(zhǔn)（%）混凝土種類骨料尺寸（mm）凍害危險(xiǎn)度345普通混凝土20、25404.54.05.04.55.04.5輕量混凝土155.05.55.5表中的凍害危險(xiǎn)度劃分，列于表7。表7 凍害危險(xiǎn)度和凍害危險(xiǎn)區(qū)域地區(qū)劃分一般環(huán)境凍害危險(xiǎn)區(qū)域凍害危險(xiǎn)度凍害危險(xiǎn)值凍害程度10200極輕微2201500輕微3501800稍大48011100大511011400很大614012000極大混凝土產(chǎn)生凍害的原因主要是因?yàn)樗拇嬖诤头磸?fù)的凍結(jié)融化。因此，不要使混凝土滲水和存水。此外，不要使混凝土構(gòu)件處于低溫狀態(tài)。也是一個(gè)基本對(duì)策。 根據(jù)有關(guān)規(guī)定，如水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范

18、（1997-03-01）的規(guī)定，對(duì)環(huán)境條件分為以下4個(gè)類別。一類室內(nèi)正常環(huán)境；二類露天環(huán)境，長期處于地下或水下的環(huán)境；三類水位變動(dòng)區(qū)，或有侵蝕性地下水的地下環(huán)境；四類海水浪濺區(qū)及鹽霧作用區(qū)，潮濕并有嚴(yán)重侵蝕性介質(zhì)作用的環(huán)境。按此分類，鐵路隧道一般屬于二類，或三類。對(duì)有抗凍性要求的混凝土，應(yīng)按28d齡期的試件用快凍試驗(yàn)方法測(cè)定。分為F400、F300、F200、F150、F100、F50六級(jí)。并應(yīng)按表8根據(jù)氣候分區(qū)、凍融循環(huán)次數(shù)、表面局部小氣候條件、水分飽和程度、結(jié)構(gòu)構(gòu)件重要性和檢修條件等選定抗凍等級(jí)。在不利因素較時(shí)，可選用提高一級(jí)的抗凍等級(jí)。表8 混凝土抗凍等級(jí)（按原表簡(jiǎn)化）項(xiàng)次氣候分區(qū)嚴(yán)寒寒

19、冷溫和年凍融循環(huán)次數(shù)（次）100100100100-1受凍后果嚴(yán)重且難于檢修的部位F300F300F300F200F1002受凍后果嚴(yán)重但有檢修條件的部位F300F200F200F150F503受凍較重部位F200F200F150F150F504受凍較輕部位F200F150F100F100F505水下、土中及大體積內(nèi)部的混凝土F50F50-表中的氣候分區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)為：嚴(yán)寒：最冷月平均氣溫低于-10；寒冷：最冷月平均氣溫高于-10，但低于-3；溫和：最冷月平均氣溫低于-3。最冷月平均氣溫低于-25地區(qū)的混凝土抗凍等級(jí)應(yīng)根據(jù)具體情況確定。 7凍融作用的核查凍融作用的核查應(yīng)根據(jù)相對(duì)動(dòng)彈性系數(shù)的最小限界

20、值Emin和其設(shè)計(jì)值Ed之比乘以結(jié)構(gòu)物系數(shù)之值i小于1為原則。即：i Emin/Ed1.0式中 i：結(jié)構(gòu)物系數(shù)，一般最好取1.0，但對(duì)重要結(jié)構(gòu)物，可取1.1。Ed：相對(duì)動(dòng)彈性系數(shù)設(shè)計(jì)值=Ek/cEk：相對(duì)動(dòng)彈性系數(shù)的特性值c：混凝土材料系數(shù)，一般取1.0，上面部位取1.3。但混凝土與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生的試件質(zhì)量有差異時(shí)，全部取1.0。Emin：滿足凍害性能的動(dòng)彈性系數(shù)的最小值，一般按表9取值。表9滿足凍害結(jié)構(gòu)物性能的相對(duì)動(dòng)彈性系數(shù)的最小值Emin（%）氣象條件斷面結(jié)構(gòu)物露出狀態(tài)氣象作用激烈場(chǎng)合或凍融循環(huán)反復(fù)的場(chǎng)合氣象作用不激烈的場(chǎng)合，冰點(diǎn)以下的氣溫的場(chǎng)合薄的場(chǎng)合一般場(chǎng)合薄的場(chǎng)合一般場(chǎng)合（1）連續(xù)的或水飽

21、和的場(chǎng)合85708560（2）普通的露出狀態(tài)，不屬于（1）的場(chǎng)合706070601） 水路、水槽、橋臺(tái)、橋墩、隧道襯砌等接近水面，水飽和的部分及這些結(jié)構(gòu)物的板、梁等離開水面，融雪、流水等能夠涉及到，也按水飽和部分處理。2） 斷面厚度20cm以下的部分 8 混凝土凍害的評(píng)價(jià)方法考慮上述因素及凍害外部環(huán)境的影響，曾提出各種評(píng)價(jià)凍害的方法。日本采用促進(jìn)率評(píng)價(jià)凍害的方法。日本的田煙等學(xué)者，在自然環(huán)境下，研究了抗凍性好的和抗凍性差的混凝土試件與凍結(jié)最低溫度、最低溫度的持續(xù)時(shí)間、冷卻速度、凍融開始以前的養(yǎng)生條件等的影響。并提出用促進(jìn)率評(píng)價(jià)凍害的方法是有一定的應(yīng)用前景。 促進(jìn)率的計(jì)算式如下。D=TSW （5

22、）式中 D：劣化影響系數(shù)T：與溫度條件有關(guān)的評(píng)價(jià)系數(shù) T=T1T2T3T1：最低溫度的權(quán)值抗凍性差的混凝土T1=0.39（-t）抗凍性好混凝土T1=0.0625（-t）-0.125t：凍結(jié)最低溫度 T2：與溫度梯度有關(guān)的權(quán)值 T3：與最低溫度持續(xù)時(shí)間有關(guān)的權(quán)值 S：凍融時(shí)周圍表面水的評(píng)價(jià)系數(shù)，視構(gòu)件狀態(tài)在01間變化在水中時(shí)，等于1.0。 W：凍融開始時(shí)含水條件的評(píng)價(jià)系數(shù)，主要在夏季有影響，水中養(yǎng)生等于1.0。為了掌握凍害因素的影響和耐久性評(píng)價(jià)，在上述研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了水中凍融實(shí)驗(yàn)。下面是2500次循環(huán)直到試件破壞的一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果 1)重量變化率 試件重量大約與循環(huán)次數(shù)成比例，2500次循環(huán)約減

23、少41.0； 2)相對(duì)動(dòng)彈性系數(shù)（Pc） 用共鳴振動(dòng)法測(cè)定的在1300次循環(huán)時(shí)間約降低到60，而后經(jīng)過1400次循環(huán)時(shí)，變得不穩(wěn)定，到2500次時(shí)，減少到試驗(yàn)前的25.9%。 3)相對(duì)動(dòng)彈性系數(shù)(PV ) 用超聲波速度測(cè)定的試驗(yàn)結(jié)果是：經(jīng)過1300次循環(huán)后開始下降，達(dá)2500次時(shí)減少到446； 4)動(dòng)彈性系數(shù)(ED) 試驗(yàn)結(jié)果用共鳴振動(dòng)法測(cè)定的動(dòng)彈性系數(shù)，在1300次循環(huán)時(shí)，為210kg/cm2，經(jīng)過1400和后，變得不穩(wěn)定。 5)動(dòng)彈性系數(shù)(EV) 試驗(yàn)結(jié)果用超聲波速度法測(cè)定的動(dòng)彈性系數(shù)，在1300次循環(huán)時(shí)，為110kgcm2，其后開始下降； 6)相對(duì)動(dòng)彈性系數(shù)(PC)和抗彎強(qiáng)度的關(guān)系結(jié)果是

24、到1300次循環(huán)時(shí)，抗彎強(qiáng)度降低率顯著，但1300次循環(huán)后，PC的下降顯著 由此可見，因凍融作用，混凝土試件的劣化是從表面，緩慢地進(jìn)行的。其重量、相對(duì)動(dòng)彈性系數(shù)都逐漸降低。到1300次循環(huán)，PC開始急速下降，表面發(fā)生微小裂隙。從這時(shí)開始變化是急劇的。由此可以判斷，從1300次后，耐久性開始受到損害。 下面說明促進(jìn)率在評(píng)價(jià)中的實(shí)踐應(yīng)用 在研究中設(shè)定的評(píng)價(jià)系數(shù)是： 1)凍融時(shí)最低溫度的權(quán)系數(shù)(T1)， 2)凍融時(shí)的溫度梯度的權(quán)系數(shù)(T2)； 3)凍融時(shí)最低溫度持續(xù)時(shí)間的權(quán)系數(shù)(T3)； 4)凍融時(shí)表面水條件的評(píng)價(jià)系數(shù)(S)； 5)凍融時(shí)試件含水條件的評(píng)價(jià)系數(shù)(W)。 采用的各項(xiàng)系數(shù)列于表10。表1

25、0 評(píng)價(jià)采用的系數(shù) 混疑土類別影響程度的評(píng)價(jià)系敷 評(píng)價(jià)系數(shù) 權(quán)系數(shù) 抗凍性差的 抗凍性好的 T 溫度 T1 最低溫度 T2 溫度梯度 T3 持續(xù)時(shí)間 T1=0.0555(-t) T：凍結(jié)最低盤度 0.7 1.0 T1=0.0625(-t)-0.125 t：凍結(jié)最低溫度 0.7 1.5 S表面水狀態(tài) S A法 1.0 1.0 W含水狀態(tài) W 水中養(yǎng)生 1.0 1.0 根據(jù)各評(píng)價(jià)系數(shù)，混凝土的劣化影響系數(shù)，即促進(jìn)率的計(jì)算，由（5）式?jīng)Q定： D=TSW =T1T2T3SW =0.1210.71.51.01.0 =0.127 如果預(yù)定地區(qū)的年凍融次數(shù)為40次，則有 400.127=5.0 這說明水中凍

26、融試驗(yàn)的一個(gè)循環(huán)，相當(dāng)于預(yù)定地區(qū)5個(gè)凍融循環(huán)。因此，該地區(qū)耐凍融循環(huán)為40次時(shí)，相當(dāng)水中凍融循環(huán)8次。如按本試驗(yàn)結(jié)果的1300次為耐久性損失的基準(zhǔn)，則有 1300/8=162.5年 這說明：混凝土的抗凍性可維持160年的壽命?；诖擞^點(diǎn)，可以認(rèn)為，隧道凍害的決定因素是圍巖的凍脹，而不是襯砌混凝土自身凍融疲勞。因此，采用隔熱層防止圍巖凍脹是可行的。 應(yīng)該指出這個(gè)試驗(yàn)是在室內(nèi)進(jìn)行的，與實(shí)際結(jié)構(gòu)條件還有一定出入。因此，對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，對(duì)上述各評(píng)價(jià)系數(shù)應(yīng)加以修正。3-2巖質(zhì)圍巖的凍害特征 實(shí)際上在寒冷地區(qū)的山嶺隧道，除混凝土凍融引起劣化外，還有因襯砌背后圍巖凍結(jié)引起的隧道變異這是隧道凍害構(gòu)基本特

27、征，也是一個(gè)十分重要的問題。 我國凍土的研究，取得了舉世公認(rèn)的成就，但對(duì)“凍巖”的研究是剛剛開始。有些研究成果完全可以用來研究“凍巖”，有些研究成果用在“凍巖”上，還必須進(jìn)一步加以完善。 現(xiàn)以鐵路隧道為例，說明巖質(zhì)圍巖隧道的凍害特征。 1日本在北海道地區(qū)共調(diào)查了155座隧道，對(duì)其中的87 處進(jìn)行了變量分析。 在日本北海道、我國東北地區(qū)，90以上的隧道發(fā)生冰柱。冰柱在初冬或晚冬成長迅速。在嚴(yán)寒期，一般不會(huì)成長。因?yàn)椋诤涞貐^(qū)的隧道的大部分，在嚴(yán)寒期是凍結(jié)的，水的供給被隔斷了。從既有隧道凍害隧道的實(shí)態(tài)及分析，可以看出：隧道凍害始終是與水相聯(lián)系的。日本鐵路隧道，漏水的隧道約占隧道總數(shù)的56%。運(yùn)營

28、不滿10年的隧道漏水發(fā)生率為55%,10年以上的可達(dá)到75%。其中,經(jīng)過2040年的隧道的漏水發(fā)生率高達(dá)9095%。這些,大都是早期修建的,盡管長度不大,但材質(zhì)和施工管理都存在很多問題。這些隧道的漏水部位,在拱部的占50%,最多。其次是墻部占23%。施工縫處占15%。 這些漏水的隧道,在寒冷地區(qū),拱部漏水在一個(gè)晚上就會(huì)結(jié)成冰柱,施工縫和墻部的漏水會(huì)結(jié)成冰盤。這種結(jié)冰的隧道,約占漏水隧道的45%。 隧道漏水或結(jié)冰,造成襯砌混凝土劣化和變異,降低通信信號(hào),電力等設(shè)備和鋼軌及扣件等的耐久性。其次,漏水會(huì)使襯砌背后的土砂流失,而在襯砌背后形成空洞,并進(jìn)一步產(chǎn)生偏壓,路基下陷等。而在寒冷地區(qū),結(jié)冰更加劇

29、了對(duì)列車運(yùn)行安全的威脅,對(duì)線路維修人員的行走和作業(yè)都造成一定的困難。同時(shí),襯砌背后圍巖的凍結(jié),會(huì)造成襯砌的破壞。分析中，采用的外基準(zhǔn)和說明變量列于表11。研究了兩者的相關(guān)性。變異判定的分級(jí)，前者見表12。后者見表13。表11 外基準(zhǔn)和說明變量1)外基準(zhǔn) 3 2 1 變異程度 大 中 小圍巖凍結(jié)的變異判定 確實(shí) 可能 無 2)說明變量基準(zhǔn)項(xiàng)目 1 2 3 4 年 代 積累寒度 地 質(zhì) 變 質(zhì) 涌 水 量 埋 深斷面形狀仰 拱 50 1000 中古生層， 洪積層 第三紀(jì)層 巖，火成巖 火山性堆積 流落狀態(tài) 滴水狀態(tài) 襯砌漏水 一般，干燥 lOm 1030m 30lOOm lOOm 直墻 馬蹄形，圓

30、形 無 有表12變異程度的判定基準(zhǔn)(1)判定 判 定 基 準(zhǔn) 大 1開裂等變異顯著，正在發(fā)展 2因變異造成襯砌功能有重大缺陷 3混凝土劣化顯著，發(fā)生剝落4隧道斷面縮小，影響列車運(yùn)行 5曾進(jìn)行過修復(fù)，變異還在發(fā)展 中 1有開裂等變異，但未發(fā)展 2混凝土發(fā)生劣化，但無剝落 3曾修復(fù)過，變異停止發(fā)展 小1變異很小，無發(fā)展，對(duì)襯砌功能無損傷2變異很小，無修復(fù)經(jīng)歷表13 變異程度判定基準(zhǔn)(2) 判定 判 定 基 準(zhǔn) 確 實(shí) 1變異顯著的隧道中開裂寬度或凈空斷面寬度隨季節(jié)而變動(dòng) 2變異顯著的隧道中，隧道圍巖和路基發(fā)生凍脹 3其它，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)人員觀察認(rèn)為有變異者 可 能 1變異程度中上，變異原因不明確 2靠近

31、隧道有圍巖凍結(jié)的變異 無 1變異程度，與年代比，小 2變異原因明確，與圍巖凍結(jié)不同2從既有隧道凍害的實(shí)態(tài)出發(fā)，凍害主要發(fā)生在日平均氣溫在0以下的溫度，每日累計(jì)值超過300day以上的地區(qū)，即定義為寒冷的地區(qū)。溫度通常指圍巖的表面溫度。當(dāng)溫度低時(shí)，圍巖的冷卻速度快，溫度高時(shí)，則圍巖的冷卻速度慢。與凍脹有直接關(guān)系的是凍結(jié)面所處的冷熱程度。地面溫度作為外部條件對(duì)凍脹也產(chǎn)生影響。 假設(shè)從凍結(jié)面到凍土一側(cè)得到的熱量為Q1，從未凍土一側(cè)流入凍結(jié)面的熱量為Q2，在凍結(jié)面，由水變成冰所發(fā)出的潛在熱量為q，當(dāng)考察如下四種情況時(shí)， Q1q時(shí)，凍結(jié)面發(fā)展 由上述四種情況可知： 當(dāng)處于第種情況時(shí)，冰層應(yīng)能保持，處于第

32、種情況時(shí)，凍結(jié)發(fā)展形成分散的凸透鏡的冰群。決定這些熱流條件的除地面溫度以外，還與放射、蒸發(fā)、凝結(jié)和熱幅射或者還與凍結(jié)圍巖及未凍結(jié)圍言的熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱等因素有關(guān)，而特別又與未凍結(jié)圍巖中水的含量有關(guān)。3襯砌背后圍巖中的水即圍巖中的水與含水量、透水性及地下水位有關(guān)。一般說，冰柱生成過程是地下水不斷被吸收的過程，對(duì)冰柱的發(fā)展影響很大，即凍脹速度與圍巖的透水系數(shù)和毛細(xì)管上升高度成正比，與凍結(jié)線到地下水面間的距離成反比。由于圍巖的滲透系數(shù)是各向異性的，形成的凍脹力也是各向異性的。 4圍巖特性：從調(diào)查分析中可以看出，隧道變異主要是由圍巖凍脹所引起的。而凍脹現(xiàn)象與地質(zhì)因素有相當(dāng)?shù)年P(guān)系調(diào)查證實(shí)；易于凍脹的巖石

33、有： 新第三紀(jì)中：上部的軟質(zhì)，而細(xì)粒的泥質(zhì)巖和凝灰?guī)r； 吸水量在20以上的軟質(zhì)的泥質(zhì)巖及細(xì)粒的凝灰質(zhì)巖； 雖是難于凍脹的巖石，但因長期風(fēng)化作用而破碎的情況。 調(diào)查指出，最易凍脹變異的地質(zhì)是新第三紀(jì)的鮮新世洪積世的沉積巖及爐姆質(zhì)的新期火山碎屑層 哪種土最易凍脹?，從定性角度講，粉砂最易凍脹，砂礫層、砂層和粘土層不易凍脹在凍結(jié)土的融解期，凍脹越大的土，地基軟化顯著 土質(zhì)的凍脹性能，大都從土的物理性質(zhì)方面著手研究例如：貝斯科(Beskow)常常把凍脹試驗(yàn)條件定為粒徑小于0.125 mm。并且其含量大于35的土體。沒有凍脹危險(xiǎn)的界限小于0.125mm粒徑。且其含量小于22的總土量的土體。還有小于0.0

34、62mm粒徑。且其含量小于15%的總土量的土體。卡隆蘭特(Casagrande)把粒子的均勻性定為重要的因素均勻系數(shù)小于5的土即粒徑0.02mm以下，含量在10以上或均勻系數(shù)大于15的土(即粒徑0.02mm以下，含量在3以上的土)最容易引起凍脹?？傊?，小于粒徑0.05mm的粉砂，以10的含量為限。凡在此數(shù)之內(nèi)的凍脹是安全的?？铺m納(Coroney)對(duì)英國南部土的凍脹情況進(jìn)行了研究指出：凡粒徑在兩條粒徑曲線之范圍內(nèi)的土壤，其凍脹性顯著。圍巖（巖石）凍脹性，一般可根據(jù)表14的判定基準(zhǔn)判定。表14 圍巖（巖石）凍脹性的判定指標(biāo)判定指標(biāo)易于凍脹的條件單軸抗壓強(qiáng)度干燥密度飽和濕潤密度含水比細(xì)粉沙以下的含

35、有量50kgf/cm2以下5g/cm3以下2.0g/cm3以下25%以上20%以上 此表說明，并不是所有的圍巖，在低溫條件下，都要發(fā)生凍脹的。發(fā)生凍脹的圍巖是有條件的。例如抗壓強(qiáng)度大、結(jié)構(gòu)密實(shí)、含水量小的圍巖，就不會(huì)發(fā)生凍脹。4隧道凍害變異現(xiàn)象特征圖9 凍用壓力造成的襯砌位移和開裂寬度的變化隧道變異是隨季節(jié)變動(dòng)的，例如，襯砌位移與開裂的季節(jié)變化示于圖9。從圖1中可以看出：變異一般都具有明確的季節(jié)性的變化。其變動(dòng)量，開裂可達(dá)520mm，凈空變化可達(dá)1030mm，是非常大的。這說明，凍脹壓力也是隨季節(jié)變化的，其發(fā)展趨勢(shì)是凍脹壓力逐年減小，而不是增加。但襯砌的承載能力是逐年下降的。此外，凍脹的發(fā)生與

36、外氣溫有1個(gè)月的相位差。因?yàn)椋?比嚴(yán)寒期氣溫稍小的時(shí)期內(nèi)，地下水的供給多； 外氣溫比隧道內(nèi)氣溫，相位遲；冰柱的成長期多在嚴(yán)寒期前后。5從調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，發(fā)生凍害（冰柱、結(jié)冰、冰盤等）的隧道，約占34%。冰柱和結(jié)冰多是因拱部和邊墻漏水，加上外氣溫（隧道內(nèi)氣溫）低，冷卻而形成。冰柱和結(jié)冰的發(fā)生受到外氣溫、漏水量和漏水程度、圍巖溫度等支配。例如，漏水量超過某一值后，是較難發(fā)生冰柱和結(jié)冰的。另外，外氣溫低，襯砌背后的溫度在冰點(diǎn)以下時(shí)，地下水在漏水之前就已經(jīng)在圍巖內(nèi)凍結(jié)。此時(shí)，由于凍結(jié)、融解的反復(fù)進(jìn)行，會(huì)使襯砌材料劣化。有凍脹性的圍巖，將產(chǎn)生凍脹力而造成隧道變異。依上所述，冰柱和結(jié)冰的發(fā)生與成長，將視隧道內(nèi)

37、氣溫、圍巖溫度、漏水程度和漏水量而異。圖10 隧道內(nèi)縱向溫度分布模式5另外，冬季隧道內(nèi)的氣溫，在洞口附近接近外氣溫，越向隧道里面越上升。其狀況如圖10所示。在隧道橫斷面上的溫度分布，示于圖11。圖11 隧道橫斷面的溫度分布為此，冰柱和結(jié)冰的發(fā)生在洞口附近是顯著的，而向里面則變小。圖4表示發(fā)生冰柱的隧道，從洞口到最遠(yuǎn)距離l（冰柱發(fā)生區(qū)域）和隧道長度L 之比（l/L）的冰柱發(fā)生頻率分布（2月份平均氣溫0 -5）。根據(jù)圖4可以看出，隧道越長，越局限于洞口附近。在短隧道中，全長都會(huì)發(fā)生凍結(jié)。這樣就可以大致掌握，在隧道縱向冰柱發(fā)生的區(qū)域，作為設(shè)計(jì)隔熱層長度的主要依據(jù)。6應(yīng)該指出，巖質(zhì)圍巖與土的凍脹機(jī)理是

38、完全不同的。一般說來，巖質(zhì)圍巖是由巖塊、結(jié)構(gòu)面和充填物構(gòu)成的。而水也多是賦存在結(jié)構(gòu)面和充填物中。因此巖質(zhì)圍巖的凍脹，實(shí)質(zhì)上是結(jié)構(gòu)面內(nèi)充填物中水的凍結(jié)而造成的。凍脹使結(jié)構(gòu)面脹開或閉合，如果結(jié)構(gòu)面的脹開受到約束就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的凍脹力。圖14 隧道長度與冰柱發(fā)生區(qū)域的關(guān)系33形成凍脹力的約束條件是否形成凍脹力的必要條件是約束條件。巖質(zhì)圍巖自身因其構(gòu)造條件是有一定約束作用的。因此，在水的凍結(jié)過程中，有的結(jié)構(gòu)面的脹開的，但有的結(jié)構(gòu)面會(huì)閉合，而吸收一定的凍脹力。另外一個(gè)約束條件是人為的，這就是我們施作的初期支護(hù)和襯砌。襯砌的剛度的大小，對(duì)形成的凍脹力的大小有直接的關(guān)系。一般說，襯砌的剛度越大，形成的凍脹力也

39、越大。因此，采用剛度小的襯砌技術(shù)，或者在襯砌背后采用緩沖層的技術(shù)，是有發(fā)展前景的。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，巖質(zhì)圍巖的凍脹力受到下列因素的影響：與圍巖的性質(zhì)有關(guān)，只有在有凍脹性的圍巖，才會(huì)產(chǎn)生凍脹力；與季節(jié)關(guān)系密切，時(shí)大、時(shí)小，在多次凍融循環(huán)后有逐漸減小的趨勢(shì)；與圍巖結(jié)構(gòu)的約束條件有關(guān)，結(jié)構(gòu)面中的水凍結(jié)后，會(huì)使結(jié)構(gòu)面脹開和閉合，能夠吸收一部分凍脹的能量；從而減小凍脹力的發(fā)生；與圍巖的滲透系數(shù)有關(guān)，圍巖的滲透系數(shù)是各向異性的，因此形成的凍脹力也是各向異性的；與襯砌的約束剛度有關(guān)，襯砌的約束剛度越大，形成的凍脹力也越大。因此，在研究圍巖的凍脹力時(shí)，必須很好地解決上面提到的因素的影響。4防止凍害基本方法 1） 目的

40、 防止襯砌混凝土因凍融而劣化； 防止因襯砌背后圍巖的凍脹壓力造成的隧道變異2）基本方法針對(duì)外因的對(duì)策置換：將凍結(jié)深度內(nèi)的介質(zhì)置換為不易凍結(jié)的材料；隔熱：在襯砌背后或表面設(shè)置隔熱材料（噴射或鋪設(shè)）；針對(duì)內(nèi)因的對(duì)策回填壓注：充填背后空隙，防止背后滯水、凍結(jié)；通暢排水：設(shè)置各種排水設(shè)施。 在選擇防止凍害方法時(shí)，要進(jìn)行充分的調(diào)查，采取與上述目的相適應(yīng)的措施。 3）措施的選擇防止凍害方法可從熱能方面進(jìn)行分類。如圖15所示，分為隔熱法和加熱法。目前，一般采用隔熱法。加熱法正在試驗(yàn)中。防止漏水方法隔熱法表面隔熱處理法雙層襯砌隔熱處理法凍害防止方法 加熱法電熱器等圖15 防止凍害方法分類 （1）隔熱法 隔熱法

41、是在襯砌表面或一次襯砌和二次襯砌之向設(shè)置隔熱材料，使圍巖的熱量在冬季不逸出隧道并保持隔熱材料的表面溫度在冰點(diǎn)以上而防止凍害的方法。措施有以下幾種 表面隔熱處理法雙重襯砌隔熱處理法。a表面隔熱處理法： 是在襯砌表面設(shè)置隔熱材料的方法。此法，在既有隧道的凍害整治中是最一般的方法。在新建隧道中，也有采用的，但比較少。 表面隔熱處理法一般是由防止漏水的導(dǎo)水層、隔熱層及防止火災(zāi)的防火層等三層構(gòu)成。構(gòu)成隔熱層的隔熱材料多采用泡沫聚氮乙烯和泡沫聚氯苯烯，泡沫尿烷等。初期，此法是在工地把隔熱材料直接噴射到襯砌表面上，最近，一般都是在工廠把隔熱材料噴射到防水板上形成隔熱板、并考慮導(dǎo)水層的方法。既使在這種情況中，

42、隔熱板的搭接處和端部也要在工地噴射隔熱材料形成所需殼體以大幅度地提高作業(yè)的效率和安全。隔熱材料表面的防火層可以予先噴射在隔熱板上，也可在工地裝好隔熱板后再噴射。其概念圖示于圖16。圖16 表面隔熱處理方法 表面處理法一般有2種。一種是稱謂A型,一種稱B型。A型方法如圖17（a）所示。即在襯砌表面用錨栓設(shè)防水板。板和襯砌間留有一定的空隙。作為漏水流下的通道。而后在防水板上噴射隔熱材料。圖17（a）是上羽幌隧道的A型防凍措施的詳圖。隔熱層全厚為:18mm(空氣層)+2mm防水板)+35mm(隔熱材料)=55mm。所以,隧道凈空要減小些。這是一個(gè)問題。B型防凍方法是在襯砌上直接涂防水層,沒有A型的那

43、種空隙。此時(shí),隔熱層全厚是:1。3mm(防水層)+35mm(隔熱材料)=36。3mm。為處理漏水要在襯砌上鑿槽,放入20mm的半圓管并用防水水泥填充，如圖17（b）。（a）（b）圖17 表面隔熱法圖18 表面隔熱處理法例一些施工例，示于圖18。b雙層襯砌隔熱處理法雙層襯砌隔熱處理法是近期開發(fā)的一種方法。即在噴混凝土面上鋪設(shè)防水板后，再噴射泡烷等隔熱材料，再修筑二次襯砌的方法。與表面處理法比較，因隔熱層設(shè)在襯砌中間，其厚度薄，效果比較可靠，耐久性也好。故在凍脹力大，材料易于劣化的場(chǎng)合采用此法較好。圖19是本法的概念圖。圖19 雙層襯砌隔熱處理概念圖5隔熱法的設(shè)計(jì)原則和方法1） 設(shè)計(jì)原則 一般可只

44、把可能發(fā)生冰柱、結(jié)冰的范圍作為設(shè)計(jì)范圍；但在有可能發(fā)生凍脹的場(chǎng)合，要推定凍脹的發(fā)生范圍，設(shè)置之；要選擇具有隔熱效果和對(duì)火災(zāi)有安全性的隔熱材料；設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是決定隔熱層的厚度、長度等。2） 設(shè)計(jì)方法隔熱層厚度隔熱層厚度按圖20的流程進(jìn)行設(shè)計(jì)。了解圖20所示的氣象數(shù)據(jù)、圍巖和隔熱材料的性質(zhì)后，可用表6、圖21和圖22求出隔熱層厚度dh。開始當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁豻隧道外氣溫的年振幅A當(dāng)天振幅A隔熱材料熱傳導(dǎo)率圍巖熱根據(jù)表4-2用再現(xiàn)周期m修正值t、A 、A，求出t、A、A根據(jù)圖4-7求出隧道內(nèi)氣溫的衰減表面隔熱處理法根據(jù)圖4-8求出隔熱層厚度雙層襯砌隔熱處理法根據(jù)圖4-14求出隔熱層厚度圖20隔熱層厚度的計(jì)

45、算步驟表6 再現(xiàn)期間m的修正值m (年)tm () AY () ADmax ()ADmax()20.112-0.181-0.1947.03-0.1660.2660.2877.55-0.4750.7630.822 8.010-0.8651.3871.495 8.720-1.2391.9862.141 9.330-1.4532.3312.513 9.740-1.6052.5742.775 10.050-1.7222.7612.977 10.2601.8182.0153.142 10.470-1.8983.0433.281 10.5100-2.0843.3423.603 10.8150-2.296

46、3.6813.968 11.2圖22 考慮隔熱材料熱特性時(shí)隔熱層厚度dn的計(jì)算圖21 冰柱發(fā)生區(qū)域和隧道內(nèi)氣溫衰減比AZ/AO隔熱層寬度圖23 隔熱層寬度和富裕長度Ln隔熱層寬度，為了防止沒有隔熱層處的寒氣侵入，兩側(cè)應(yīng)有一定富余長度LN（圖23 ）。富余長度LN，如圖24所示，要大于使襯砌 表面溫度 在0以下的范圍。例如，Ar =13，dh=35mm時(shí)，富余長度LN，可按圖25求出。圖24 隔熱層寬度和襯砌內(nèi)溫度分布圖25 余裕長度的計(jì)算圖表（尿烷類）其他（1）埋深小和地表有積雪時(shí)，要考慮來自地表的影響；（2）隧道縱向的設(shè)置范圍要注意在端部設(shè)置不發(fā)生凍結(jié)的導(dǎo)水層，一直到排水溝處（圖26）；（3

47、）導(dǎo)水層：隔熱材料背后的導(dǎo)水層，視漏水情況，應(yīng)有合適的構(gòu)造；圖26 隧道縱向的設(shè)置范圍（4）前處理：施工前，應(yīng)除去附著在施工面上塵埃和劣化部分。6隔熱工法的設(shè)計(jì)計(jì)算例在防止凍害中最具有代表性的工法是隔熱法(表面隔熱處理工法、雙層襯隔斷熱工法)。現(xiàn)以計(jì)算例具體說明設(shè)計(jì)方法。這里所舉出的算例包括：1計(jì)算設(shè)計(jì)所需的各種氣象條件的數(shù)值： 2推定結(jié)冰的發(fā)生區(qū)域； 3設(shè)計(jì)隔熱材料的厚度。 此處，按計(jì)算過程加以說明。 關(guān)于隔熱材料的縱向長度，埋深的影響等沒有進(jìn)行研究，因此，在埋深小的地段或隔熱材料長度不大的條件下，采用隔熱法時(shí)需另行研究。 1表面隔熱處理工法 11 設(shè)計(jì)條件 (1) 隧道概況長度：1500m

48、斷面；雙續(xù)電化斷面(A=51.3m2)列車對(duì)數(shù)：110對(duì)日隧道方向：北北東方向，冬季季節(jié)風(fēng)強(qiáng)烈地形、地質(zhì)條并：地形埋深50m200m左右地質(zhì)新第三紀(jì)流紋巖質(zhì)疑灰?guī)r，非凍脹性地層。 (2)氣象條件在隧道付近獲得的氣象數(shù)據(jù)列于表15。 表15 氣象數(shù)據(jù)(1)2月和8月的月平均氣溫 年 58 59 60 61 62 乎 均 2 最高氣溫最低氣溫 -0.3 4.2-0.6 -5.5 1.3 -2.8 -0.5 -5.4 1.6 -4.4 月 月平均 -2.3 -3.1 -0.8 -2.5-1.4 -2.1 8最高氣溫最低氣溫29.0 20.7 31.0 20.7 27.518.0 25.4 18.3 月 月平均 24.8 25.8 22.7 21.8 23.8 (2)62年2月的最高氣溫、日最低氣溫 日1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15屜高氣溫最低氣溫34 0 -1 2 0 2 4 4 7 11 10 1 1 -5-7 -7