寒冷地區(qū)鐵路隧道防止凍害的基本措施

1、寒冷地區(qū)鐵路隧道防止凍害的基本措施1· 概 述混凝土凍害是寒冷地區(qū)最具有代表性的劣化現(xiàn)象之一。其劣化形態(tài)，視結(jié)構(gòu)物所處的環(huán)境而異但大體上有：混凝土骨料飛出(由于表層下顆粒的膨脹而破壞產(chǎn)生的噴出狀凸出物)、剝落、開(kāi)裂等各種形態(tài)。這種劣化的進(jìn)一步發(fā)展，會(huì)使鋼筋保護(hù)層剝落，鋼筋外露井腐蝕，從而失去結(jié)構(gòu)物的承載力和功能。 混凝土凍害是在寒冷地區(qū)產(chǎn)生的劣化現(xiàn)象。直接地說(shuō)，是因混凝土中水分產(chǎn)生凍結(jié)膨脹所致要產(chǎn)生凍害，就應(yīng)有凍結(jié)點(diǎn)以下的溫度和充分的水。 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(wú)此空隙，就會(huì)產(chǎn)生很大的壓力

2、。這就是劣化產(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(guò)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)到抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂。如此反復(fù)，會(huì)造成混凝土表面的破壞，以致剝落。 混凝土凍結(jié)的發(fā)生，如前所述，尚可細(xì)分為由靜水壓引起的和由滲透壓引起的兩類(lèi)由靜水壓引起的是指：混凝土在凍結(jié)過(guò)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(guò)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)

3、生滲透壓。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。根據(jù)既住的研究成果，對(duì)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，但凍結(jié)速度對(duì)凍害的影響?。唬?）凍結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)凍害越嚴(yán)重，但凍結(jié)持續(xù)時(shí)間對(duì)凍害的影響小。 凍害診斷的主要方法是凍結(jié)融解試驗(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循環(huán))超過(guò)60以上，就是充分耐久的在200次循環(huán)時(shí)，耐久性指

4、數(shù)要大于80等。 2· 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(kāi)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=T×S×W （1）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=T1×T2×T3T1：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&

5、#215;（-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?chē)砻嫠脑u(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(kāi)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(guò)1400次循環(huán)時(shí)，變得不穩(wěn)定，到2500次時(shí)，減

6、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(guò)1300次循環(huán)后開(kāi)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2×10kg/cm2，經(jīng)過(guò)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1×10kgcm2，其后開(kāi)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(jiàn)，因凍融作用，混凝土試件的劣化是從表面，緩

7、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(kāi)始急速下降，表面發(fā)生微小裂隙。從這時(shí)開(kāi)始變化是急劇的。由此可以判斷，從1300次后，耐久性開(kāi)始受到損害。 下面說(shuō)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1。表1 評(píng)價(jià)采用的系數(shù) 混疑土類(lèi)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

8、度 T3 持續(xù)時(shí)間 T1=0.0555(-t) T：凍結(jié)最低盤(pán)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（1）式?jīng)Q定： D=T×S×W =T1×T2×T3×S×W =0.121×0.7×1.5×1.0×1.0 =0.127 如果預(yù)定地區(qū)的年凍融次數(shù)為40次，則有 40×0.127=5.0 這說(shuō)明水中

9、凍融試驗(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(shuō)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·隧道結(jié)構(gòu)物的凍害特征 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

10、道凍害構(gòu)基本特征，也是一個(gè)十分重要的問(wèn)題。 現(xiàn)以鐵路隧道為例，加以說(shuō)明。 在日本北海道、我國(guó)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(zhǎng)迅速。在嚴(yán)寒期，一般不會(huì)成長(zhǎng)。因?yàn)?，在寒冷地區(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。 日本北海道地區(qū)的隧道，通過(guò)調(diào)查、分析，了解到因圍巖凍結(jié)造成隧道變異的原因及其凍結(jié)機(jī)理同時(shí)，也認(rèn)識(shí)到隧道因凍結(jié)變異的歷時(shí)變化和形態(tài)特征等。 共調(diào)查了155座隧道，對(duì)其中的87 處進(jìn)行了變量分析。 從既有隧道凍害隧道的實(shí)態(tài)及分析，可以看出：隧道凍害始終是與漏水相聯(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(yíng)不滿10年的隧道漏水發(fā)生率為55%,1

11、0年以上的可達(dá)到75%。其中,經(jīng)過(guò)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(zhǎng)度不大,但材質(zhì)和施工管理都存在很多問(wèn)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(pán)。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)冰更加劇了對(duì)列車(chē)運(yùn)行安全的威脅,對(duì)線路維修人員

12、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(shuō)明變量列于表2。研究了兩者的相關(guān)性。變異判定的分級(jí)，前者見(jiàn)表3。后者見(jiàn)表4。表2 外基準(zhǔn)和說(shuō)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(wú) 2)說(shuō)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 <15 1530 3050 >50 <300 300600 600一1030 >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

13、1030m 30lOOm >lOOm 直墻 馬蹄形，圓形 無(wú) 有表3變異程度的判定基準(zhǔn)(1)判定 判 定 基 準(zhǔn) 大 1開(kāi)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(chē)運(yùn)行 5曾進(jìn)行過(guò)修復(fù)，變異還在發(fā)展 中 1有開(kāi)裂等變異，但未發(fā)展 2混凝土發(fā)生劣化，但無(wú)剝落 3曾修復(fù)過(guò)，變異停止發(fā)展 小1變異很小，無(wú)發(fā)展，對(duì)襯砌功能無(wú)損傷2變異很小，無(wú)修復(fù)經(jīng)歷表4 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(kāi)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

14、有變異者 可 能 1變異程度中上，變異原因不明確 2靠近隧道有圍巖凍結(jié)的變異 無(wú) 1變異程度，與年代比，小 2變異原因明確，與圍巖凍結(jié)不同從既有隧道凍害的實(shí)態(tài)出發(fā)，可以認(rèn)識(shí)到以下幾點(diǎn)： （1）發(fā)生凍脹的條件外因：·低溫：積累寒度：日平均氣溫在0以下的溫度，每日累計(jì)值超過(guò)300·day以上的地區(qū)，定義為寒冷地區(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)

15、出的潛在熱量為q，當(dāng)考察如下四種情況時(shí)， Q1<Q2時(shí)，凍土融解，凍土面后退； Q1=Q2時(shí)，處于平衡狀態(tài)，凍結(jié)面不動(dòng)； Q1-Q2=q時(shí)，凍結(jié)面不動(dòng)，冰層析出； Q1-Q2>q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土及未凍土的熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱等因素有關(guān)，而特別又與不凍土中水的含量有關(guān)。·襯砌背后圍巖中的水：圍巖中的水和含水量、透水性及地下水位有關(guān)。一般說(shuō)，冰柱生成過(guò)程是地下水不斷被吸收的過(guò)程，對(duì)冰柱的發(fā)展影響很大，即凍脹

16、速度與土的透水系數(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 ·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(zhǎng)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，

17、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(méi)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0.062mm粒徑。且其含量小于15%的總土量的土體?？√m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。科蘭納(Coroney)對(duì)英國(guó)南部土的凍脹情況進(jìn)行了研

18、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5的判定基準(zhǔn)判定。表5 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(rùn)密度含水比細(xì)粉沙以下的含有量50kgf/cm2以下5g/cm3以下2.0g/cm3以下25%以上20%以上 內(nèi)因： ·襯砌背后空隙的存在；·拱厚不足：·排水設(shè)計(jì)、施工不良；·無(wú)隔熱措施。（2）隧道凍害變異現(xiàn)象特征圖1 凍用壓力造成的襯砌位移和開(kāi)張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(kāi)裂的季節(jié)變化示于圖1。從圖1中可以看出：變異一般都具有明確的季節(jié)性的變

19、化。其變動(dòng)量，開(kāi)裂可達(dá)520mm，凈空變化可達(dá)1030mm，是非常大的。這種季節(jié)變化，與外氣溫有1個(gè)月的相位差。其原因可大致歸納以下幾點(diǎn)： ·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(zhǎng)期多在嚴(yán)寒期前后。從調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，發(fā)生凍害（冰柱、結(jié)冰、冰盤(pán)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(guò)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

20、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(zhǎng)，將視隧道內(nèi)氣溫、圍巖溫度、漏水程度和漏水量而異。圖2 隧道內(nèi)縱向溫度分布模式另外，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2所示。在隧道橫斷面上的溫度分布，示于圖3。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(zhǎng)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(zhǎng)，越局限于洞口附近。在短隧道中，全長(zhǎng)都會(huì)發(fā)生凍結(jié)。這樣就可以

21、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(zhǎng)度的主要依據(jù)。4·防止凍害基本方法 1） 目的 · 防止襯砌混凝土因凍結(jié)融解而劣化； · 防止因襯砌背后圍巖的凍脹壓力造成的隧道變異圖3 隧道橫斷面的溫度分布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。圖4 隧道長(zhǎng)度與冰柱發(fā)生區(qū)域的關(guān)系

22、 3）措施的選擇防止凍害方法可從熱能方面進(jìn)行分類(lèi)。如圖5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5 防止凍害方法分類(lèi) （1） 隔熱法 隔熱法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

23、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，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?lài)娚?。其概念圖示于圖6。圖6 表面隔熱處理方法 表面處理法一般有2種。一種是稱(chēng)謂A型,一種稱(chēng)B型。A型方法如圖7（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

24、。作為漏水流下的通道。而后在防水板上噴射隔熱材料。圖7（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(wèn)題。B型防凍方法是在襯砌上直接涂防水層,沒(méi)有A型的那種空隙。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7（b）。（a）（b）圖7 表面隔熱法圖8 表面隔熱處理法例一些施工例，示于圖8。b雙層襯砌隔熱處理法雙層襯砌隔熱處理法是近期開(kāi)發(fā)的一種方法。即在噴混凝土面上鋪設(shè)防水板后，再?lài)娚渑萃榈?/p>

25、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9是本法的概念圖。圖9 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(zhǎng)度等。2） 設(shè)計(jì)方法·隔熱層厚度隔熱層厚度按圖10的流程進(jìn)行設(shè)計(jì)。了解圖10所示的氣象數(shù)據(jù)、圍巖和隔熱材料的性質(zhì)后，可

26、用表6、圖11和圖12求出隔熱層厚度dh。開(kāi)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10隔熱層厚度的計(jì)算步驟表6 再現(xiàn)期間m的修正值m (年)tm () AY () AD·max ()AD·max()20.112-0.181-0.1947.03-0.1660.2660.2877.55-0.4750.7630.822 8.010-0.8651.3871.495 8.720

27、-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 3.6813.968 11.2圖11 冰柱發(fā)生區(qū)域和隧道內(nèi)氣溫衰減比AZ/AO圖12 考慮隔熱材料熱特性時(shí)隔熱層厚度dn的計(jì)算·隔熱層寬度圖13 隔熱層寬度和富裕長(zhǎng)度Ln隔熱層寬度，為了防止沒(méi)有隔熱層處的寒氣侵入，兩側(cè)應(yīng)有一定富余長(zhǎng)度LN（圖13 ）。富余

28、長(zhǎng)度LN，如圖14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(zhǎng)度LN，可按圖15求出。圖14 隔熱層寬度和襯砌內(nèi)溫度分布圖15 余裕長(zhǎng)度的計(jì)算圖表（尿烷類(lèi)）·其他（1）埋深小和地表有積雪時(shí)，要考慮來(lái)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16）；（3）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16 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

29、隔斷熱工法)。現(xiàn)以計(jì)算例具體說(shuō)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(guò)程加以說(shuō)明。 關(guān)于隔熱材料的縱向長(zhǎng)度，埋深的影響等沒(méi)有進(jìn)行研究，因此，在埋深小的地段或隔熱材料長(zhǎng)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(zhǎng)度：1500m斷面；雙續(xù)電化斷面(A=51.3m2)列車(chē)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

30、在隧道付近獲得的氣象數(shù)據(jù)列于表7。 表7 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

31、 -1 2 0 2 4 4 7 11 10 1 1 -5-7 -7 -6 -5 -3 -2 -5 -2 -4 2 0 1 -4 6 8 日16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28最高氣溫最低氣溫-5 4 -2 0 -2 -2 1 5 8 7 2 -3 -2-7 -8 -7 -6 -7 -7 -5 -2 -3 0 -6 -6 -6(3)計(jì)算設(shè)計(jì)所需氣象條件的數(shù)據(jù)棍據(jù)表7，求設(shè)計(jì)所需氣象數(shù)據(jù)年平均氣溫tm：tm=(-2.1+23.8)2=10.8氣溫的年振幅AY：AY=（2.1+23.8）2=13.0氣溫日振幅的是大值A(chǔ)Dmax： ADvmax =（4+8）2=

32、6.0從這些數(shù)值，取再現(xiàn)期間為10年時(shí)的氣象條件的各值，依表6得出如下。年平均氣溫tm：tm=10.8-0.9=9.9氣溫年振幅Ay；AY=13.0+1.4=14.4 （2）氣溫日振幅的最大值，Admax ADMAX=6.0+1.5=7.5 ；應(yīng)該說(shuō)明：再現(xiàn)期間m，應(yīng)充分考慮線區(qū)的特性決定之。例如4級(jí)線，取m=3。12 推定距洞口結(jié)冰的發(fā)生區(qū)域距洞口結(jié)冰的發(fā)生區(qū)域l，根據(jù)圖2的概念，下式成立。AZ/AO=tm/Ar （3）另外，圖16的溫度衰減曲線的衰減比AZ/A。，可由下式給出。AZ/Ao=exp(-·z·COS ) （4）式中=22(·ro Cp,·

33、V) =/4- =2a 為氣溫變動(dòng)的速度，年周期變動(dòng) =7.17×10-4rad/h，日周期變動(dòng) =2×10-1rad/h a為圍巖的溫度傳導(dǎo)度， a=Cp=2540=0.0037m2/h ：=1l+2(h)+2(h)2h=/：為圍巖和襯砌間的熱傳導(dǎo)率=10kcalm2h；圍巖的熱傳導(dǎo)率 入=2.0kcal/m2h；隧道內(nèi)流體(空氣)的比重量，=1.251kgm2 ro：隧道的換算半徑由斷面積A=51.3m2知，ro=4.04m Cp；定壓比熱 Cp=O.240kcalkg V：隧道內(nèi)換算風(fēng)速，在雙線隧道中，列車(chē)對(duì)數(shù)多，故取V=1.0msec ：tan-1(h)(l+(h)

34、從(4)式知對(duì)年振幅動(dòng)態(tài)，AZ/AO=exp(-2。88×10-4 ·Z)對(duì)日振幅動(dòng)態(tài)，AZ/AO=exp（-2。96×10-3·Z）因此，結(jié)冰發(fā)生區(qū)域l和衰減比AZ/AOD的關(guān)系，如圖17所示。圖17 結(jié)冰發(fā)生區(qū)域和衰減比A2/A0從（2）式知tmAY=9.914.4=0.69所以，根據(jù)圖17，l=1300m，也就是距洞口1300m發(fā)生結(jié)冰，而隧道長(zhǎng)度是1500m，故隧道全長(zhǎng)都發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象。距洞口300m處的衰減比，從圖17知 對(duì)年振幅動(dòng)態(tài)：AY·Z=300Ay=0.911 對(duì)日振幅動(dòng)態(tài)：AY·Z=300/AD=0.11 故，在距洞

35、口30Om處 年振幅 AY·Z=300=0.911×14.4=13.1 日振幅 AD·Z=300=0.411×7.5=3.1 （5） 即tm=9.9 1-3 計(jì)算斷熱材的厚度 根據(jù)以上結(jié)果，來(lái)表面隔熱處理法的隔熱材料的厚度dh。首先，取圍巖的無(wú)量綱熱傳導(dǎo)率r=2.0，則，隔熱材厚度dh和tmAY之間的關(guān)系示于圖18。根據(jù)此圖可以計(jì)算隔熱材的厚度。圖18 dh和tm/Ar的關(guān)系（r=2.0）·距洞口300m的區(qū)間由（2）式知：tmAY=9.9/14.4=0.96=AD/AY=7.5/14.4=0.52從圖18知，當(dāng)取r=0.040、0.025、0

36、.Ol5時(shí)，所需靳熱材厚度分別為dh=3.2、2.0、12cm·從300m到隧道中央的區(qū)間由（5）式知：tm/AY，Z=300=9.9/13.1=0.76=AD，Z=300/AY，Z=300 =3.1/13.1=0.24從圖18知，r=0.040、0.025、0.015時(shí)，隔熱材料的厚度dh=2.2、1.4、0.8cm。根據(jù)1-3節(jié)的計(jì)算結(jié)果，隔熱材料的厚度d和隔熱材料的無(wú)量綱熱傳導(dǎo)率r 的關(guān)系示于圖19。據(jù)此，采用熱傳導(dǎo)率h =0.03（相當(dāng)h=0.03）的隔熱材料的場(chǎng)合，隔熱材料的厚度為： · 距洞口的300m區(qū)間：d=-2.4cm · 從300m到隧道中央的

37、區(qū)間，dh=1.7cm。 下面簡(jiǎn)要說(shuō)明解析方法的基本觀點(diǎn)。在表面隔熱處理工法的隧道圍巖模式中，隧道內(nèi)氣溫o，隨年振幅和日振幅而周期變動(dòng)時(shí)的溫度振幅的概念圖示于圖20。圖19 h和dh的關(guān)系 此時(shí)，隧道內(nèi)氣溫o的最小值 o，min =tm-AY-AD (7)防止結(jié)冰為目的的隔熱材背面溫度B的最小值B，min=tm-AY，B-AD，B (8)式中AY，B：對(duì)日周期變動(dòng)的隔熱材料背后的溫度振幅AD，B：對(duì)年周期變動(dòng)的隔熱材料背后的溫度振幅圖20 溫度動(dòng)態(tài)概念防止結(jié)冰的場(chǎng)合，必要條件是：B，min>0，（8）式應(yīng)滿足下式。Tm > AY，B AD，B （9）式中：無(wú)量綱振幅kY，B 和kD

38、，B分別以下式給定kY，B=AY，B/AYkD，B=AD，B/AD如導(dǎo)入隧道內(nèi)氣溫的日振幅·年振幅的比：=AD/AY的變量，則（9）式，變成下式。tm/AY>kY，B -kD，B （10） 在(10)式中，tm、AY、都是由隧道所處地點(diǎn)的氣象條件給定的。面KYB和KDB，可根據(jù)非定常熱傳導(dǎo)率模式的解析結(jié)果求出。所以，可以選擇出滿足(10)式的隔熱材厚度和種類(lèi)。根據(jù)上述解析，當(dāng)取隔熱材的無(wú)量綱熱傳導(dǎo)率h和圍巖無(wú)量綱熱傳導(dǎo)率r，為變量時(shí)，其諾模圖示于圖18。隔熱材料的無(wú)量綱熱傳導(dǎo)率，圍巖的無(wú)量綱熱傳導(dǎo)率為h=h/cr=r/c式中：h：隔熱材料的熱傳導(dǎo)率r：圍巖的熱傳導(dǎo)率c：混凝土的

39、熱傳導(dǎo)率2雙層襯砌隔熱處理法 21 設(shè)計(jì)條件 (1)隧道概況 長(zhǎng)度；890m 斷面：?jiǎn)尉€非電化斷面(A=22.6m2)列車(chē)對(duì)數(shù)：20對(duì)日隧道方向?yàn)闁|西方向，冬季的主要風(fēng)向?yàn)楸北睎|地形、地質(zhì)條件冬季的主要風(fēng)北北東。地形：埋深約20m100m左右地質(zhì)：新第三紀(jì)泥巖，有凍脹性結(jié)冰發(fā)生顯著，有顯著的凍脹壓力(2)氣象條件隧道付近的氣候數(shù)據(jù)(最近10年間)列于表8（1）。表8 氣象數(shù)據(jù)及氣象條件的均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差（1） 氣象數(shù)據(jù)年1月2月7月8月最高·最低1979-7.5-5.516.318.9-1.8-13.81980-6.5-9.615.816.3-1.5-12.21981-8.9-6.01

40、7.618.9-2.4-15.51982-8.6-9.416.719.7-2.3-15.11983-6.9-7.914.419.3-1.0-12.91984-7.8-8.418.519.8-1.6-13.51985-11.3-5.417.220.8-4.2-18.61986-10.3-9.515.019.4-4.1-16.51987-9.5-7.217.417.2-3.4-16.41988-7.6-7.813.919.5-1.0-14.2（2） 氣象條件的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差年tmAYAD19795.713.26.019806.713.05.419815.013.96.319825.214.66.

41、419835.713.66.019845.714.16.019854.816.17.219864.614.96.219874.013.56.519885.913.76.6平均值5.314.06.3標(biāo)準(zhǔn)偏差0.80.90.5（3）計(jì)算設(shè)計(jì)所需的氣象條件的各種數(shù)據(jù)首先，根據(jù)表8（1）求出各年度的每年平均氣溫tm、氣溫的年振幅AY、氣溫的日振幅AD的最大值A(chǔ)D，max，求出各個(gè)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差，均列于表8(2)。 其次，根據(jù)(11)式所示的第一種極值分布的推定式，計(jì)算設(shè)計(jì)所需的氣象條件各值。 yp=u+l/·ln（-ln（l-l/m） (11)式中yp：極值 m：再現(xiàn)期間 u、：根據(jù)數(shù)據(jù)

42、的均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和數(shù)據(jù)量給出。 u=Y±（yn/n）Y =n/Y （12） 式中Y ：數(shù)據(jù)的均值 Y ：數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差 yn ；由數(shù)據(jù)量決定的系數(shù)(數(shù)據(jù)量=10時(shí)，y=0.4952)n ；由數(shù)據(jù)量決定的系數(shù)(數(shù)據(jù)量=10時(shí)，y=0.9497)(11)式、(12)式中的十、一，對(duì)應(yīng)各最小極值分布和晨大極值分布。由(11)、(12)式知，按再現(xiàn)期間m=5年時(shí)求出的年平均氣溫tm、氣溫的年振幅AY、氣溫的日振幅AD，列于表9。 表9 氣象條件的推定結(jié)果 項(xiàng) 目 u 極值yp年平均氣溫tm氣溫的年振幅AY氣溫的日振幅AD 5.7 13. 6.0 1.187 1.055 1.900 4.414

43、.9 6.8最小極值最大極值最大極值。22 推定結(jié)冰發(fā)生區(qū)域(距洞口)(1)用解析式試算結(jié)冰的發(fā)生區(qū)域從洞口發(fā)生結(jié)冰的區(qū)域1為 AZ/AO=tmAY （13）棍據(jù)表9知，tm/AY=4414。9=0。295另外，按圖2的溫度衰減曲線的衰減比AZ/AO AZ/AO =(-·z·COS ) （14） 式中=22(·ro Cp,·V) =/4- =2a；圍巖的熱傳導(dǎo)率=1.0kcalm2hrro：隧道的換算半徑，根據(jù)斷面積A=22.6m2知，ro=2.68mv：隧道內(nèi)換尊風(fēng)速，因列車(chē)對(duì)數(shù)少，且主要風(fēng)向不同，取V=0.5m/sec根據(jù)（14）式，基于圖21的概念

44、推定的結(jié)冰發(fā)生區(qū)域（距洞口）為1800m。但隧道全長(zhǎng)是800m，故整個(gè)隧道全長(zhǎng)都發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象。 (2)考慮二次襯砌厚度的解析式的試算 按上述推定的結(jié)冰發(fā)生區(qū)域，還存在二次襯砌表面凍結(jié)的問(wèn)題，實(shí)際上，考慮二次襯砌厚度的溫度衰減是合理的。 現(xiàn)設(shè)距洞口x的溫度振幅Ax為 Ax=tm·exp(dcz·/2a) （15）式中 tm：年平均氣溫，tm=4，4 dcz；二次襯砌厚度，取d=25cm ：角速度，=7.19×10-4h a：溫度傳導(dǎo)度 a=3.7×10-3h 所以，Ax=4.7這是使二次襯砌背面達(dá)冰點(diǎn)時(shí)，二次襯砌表面的溫度振幅。求出與Ax相對(duì)應(yīng)的距離就是需

45、要設(shè)置雙層隔熱襯砌的必要距離。 對(duì)洞口氣溫的衰減比為 AxAY=；4.714.9=0.315如假定換算風(fēng)速V=0.5msec，則依圖21可知，結(jié)冰發(fā)生區(qū)域?yàn)?650m。比(1)推定的小150m，也是在隧道全長(zhǎng)形成凍結(jié)區(qū)域。2-3隧道內(nèi)氣象條件的推定這里，根據(jù)圖21并考慮洞內(nèi)溫度衰減的氣象條件，進(jìn)行推定。隧道換箅風(fēng)速取V=0。5m/sec。區(qū)間I (距洞口140m（隧道長(zhǎng)度的16）：AL=0 /AY=1區(qū)間 (距140m280m（隧道長(zhǎng)度的13）：AL/6/AY=0.92區(qū)間 (280m隧道中央)：AL/3/AY=0.83因此，各區(qū)間的氣象條件，列于表10。 圖21 和或A2/A0的關(guān)系表10

46、各區(qū)間的氣象條件衰減比 AYtm 地 點(diǎn)區(qū)間1 1 0.92 0.8314.913.7 12.44.44.44.4洞口距洞口140m距洞口280m 24 計(jì)算斷熱材的厚度 根據(jù)以上結(jié)果求雙層襯砌隔熱處理發(fā)的隔熱材料的厚度dh。 首先，取圍巖的無(wú)量綱熱傳導(dǎo)率r=1.0，則隔熱材厚度dh和tmAY的關(guān)系示于圖21。依此圖即可求出dh。這里，采用尿烷系隔熱材料（無(wú)量綱熱傳導(dǎo)率h=0.015），進(jìn)行計(jì)算。·區(qū)間1tm/AY=4.4/14.9=0.29=AD/AY=6.8/14.9=0.46所以，根據(jù)圖22，當(dāng)h=0.015時(shí)，需要的隔熱材料的厚度d=61mm。·區(qū)間 tm/AY =

47、4.4/13.7=0.32=AD/AY=6.8/13.7=0.50所以，根據(jù)圖21，當(dāng)h=0.015時(shí)，需要的隔熱材料厚度d=55mm·區(qū)間 tm/AY =4.412.4=0.35 =AD/AY =6.8/12.4=0.55所以，依圖21，需要的隔熱材料厚度d=50mm。把上述計(jì)箅結(jié)果匯集于圖22。同時(shí)給出再現(xiàn)周期m=5年的結(jié)果，與m=2.33、m=3 年的計(jì)算結(jié)果，一并示于圖22。圖22 隧道縱向隔熱材料厚度的分布 圖23是日本法蘭華隧道采用雙層襯砌隔熱處理的事例。圖23雙層襯砌的隔熱處理例由圖23可見(jiàn)，首先噴射混凝土，而后鋪無(wú)紡布、設(shè)防水板、再修筑隔熱層。噴混凝土厚度25cm、無(wú)

48、紡布厚4mm、防水板厚0.5mm、隔熱層厚30mm、襯砌厚度35cm（這些尺寸是根據(jù)該隧道的環(huán)境條件決定的）。隔熱層是采用噴射硬質(zhì)聚胺脂方法修筑的。無(wú)紡布不僅作為背后涌水的排水層，也是為了防止防水板破損二設(shè)置的。7·混凝土的抗凍性規(guī)格 混凝土的凍害，在硬化過(guò)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(chēng)為“初期凍害”，需要采取一般的防寒對(duì)策。而后者是因混凝土中含水產(chǎn)生的。混凝土中的水分凍結(jié)后，與水的凍結(jié)膨脹（約9%）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。混凝土受到凍害的劣化形態(tài)，是初期產(chǎn)生開(kāi)裂，接著混凝土表面剝落，如果采用對(duì)凍融抵抗差的骨料，還會(huì)出現(xiàn)骨料飛