寒冷地區(qū)公路隧道凍害防治及維修技術(shù)

匯報人：陳建勛教授寒冷地區(qū)公路隧道凍害防治及維修技術(shù)一、項目研究背景二、主要研究成果三、成果的先進性

四、結(jié)束語一、項目研究背景寒區(qū)占中國國土面積的75%在這些寒區(qū)儲藏著大量的資源，如礦產(chǎn)、森林等，為了開發(fā)這些資源必然要做大量的工程建設(shè)。其中包括公路與鐵路。季凍區(qū)占國土面積53%一、項目研究背景襯砌漏水、掛冰隧底冒水、積冰、凍脹隧道路面溢水結(jié)冰隧道襯砌開裂剝落洞門墻開裂隧道洞口處熱融滑塌隧道中心水溝結(jié)冰堵塞隧道出水口結(jié)冰堵塞一、項目研究背景凍害問題一直是寒冷地區(qū)隧道研究的重點，目前尚未得到完全解決。各種凍害現(xiàn)象在已建和新建隧道中仍不斷出現(xiàn)，不僅威脅行車安全，而且大大增加了運營養(yǎng)護費用。河北秦皇島梯子嶺隧道冬季除冰內(nèi)蒙興安嶺隧道冬季路面結(jié)冰二、主要研究成果長安大學課題組從1998年開始，在國家自然基金委、交通運輸部、教育部等項目支持下，針對寒冷地區(qū)隧道凍害問題開展了研究。序號項目名稱起止時間任務(wù)來源1寒冷地區(qū)隧道防排水防凍害技術(shù)研究1998-2002河北省交通廳2寒冷地區(qū)隧道凍害防治技術(shù)研究2001-2004河北省交通廳3寒冷地區(qū)公路隧道凍害雪害防治技術(shù)研究2007-2011

西部交通建設(shè)科技項目4隧道凍害防治技術(shù)研究2008-2011教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃5寒區(qū)隧道噴射混凝土凍融損傷機理及抗凍性的研究2010-2013國家自然科學基金面上項目6基于溫度效應(yīng)的隧道襯砌結(jié)構(gòu)力學特性及使用壽命研究2011-2014國家自然科學基金青年項目二、主要研究成果

采用查閱文獻和實地考察的方法，對隧道凍害情況、氣候水文和治理措施進行調(diào)查和研究，建立了寒區(qū)隧道數(shù)據(jù)庫。共統(tǒng)計143座寒區(qū)隧道，其中短隧道8座、中長隧道8座、長隧道39座、特長隧道18座；位于高緯度地區(qū)的隧道47座，高海拔地區(qū)的隧道26座；季節(jié)性凍土隧道70座，永久性凍土隧道3座。

隧道凍害調(diào)查一覽表序號隧道名稱隧道位置及修建時間隧道概況氣候、水文條件凍害概況防治措施備注1興安嶺隧道位于濱洲鐵路線，牙克石市境內(nèi)，建于1903年全長3077米處于高寒地區(qū)，結(jié)冰期長達6個月以上，最冷月平均氣溫為-33℃，極限最低氣溫達-57℃，最大凍結(jié)深度為2.8米主要由滲漏水凍結(jié)所引起的，冬季危及形成，每年都會使用大量人力刨冰采用簾幕防寒…………………………………

通過對調(diào)查結(jié)果的分析，歸納總結(jié)寒冷地區(qū)隧道凍害現(xiàn)象、凍害防治措施，提出了寒冷地區(qū)隧道修建中存在的問題及啟示。1、工程調(diào)研

（1）早期采用礦山法修建的隧道，采用整體式襯砌（先墻后拱或先拱后墻），防排水系統(tǒng)不完善，未設(shè)置防水層，導致隧道修建后拱墻交接處滲漏水結(jié)冰凍脹。嚴重影響正常運營。例如新疆天山奎先大坂隧道。在日本也是如此。寒區(qū)隧道修建存在的問題及啟示

（2）采用新奧法修建的隧道，設(shè)置了完善的防排水系統(tǒng)，但未設(shè)置保溫系統(tǒng)，導致隧道襯砌背部地下水凍結(jié)、排水管出水口凍結(jié)堵塞，嚴重影響隧道正常運營。例如甘肅老七道梁隧道，被迫在隧道內(nèi)采用暖氣管道進行加熱，消除凍害影響。

（3）新建隧道雖然設(shè)置了完善的防排水系統(tǒng)和保溫系統(tǒng)，但是因施工質(zhì)量問題，導致隧道運營不久便發(fā)生凍害，影響正常運營。例如大坂山隧道，最初采用防寒泄水洞和防凍隔熱層的措施，但由于隧道施工條件艱苦，防排水施工質(zhì)量較差，運營后不久便出現(xiàn)滲漏，產(chǎn)生了凍害?？偟膩碇v，采用復合式襯砌（新奧法）以來，有了完善的防排水系統(tǒng)，特別是如果及時能將襯砌背后圍巖中的地下水排出，寒冷地區(qū)隧道發(fā)生凍害的問題就可以得到很大緩解。防凍保溫已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，但在解決隧道凍害問題的認識角度，還存在一定的問題。

為此，我們要開展隧道防凍保溫技術(shù)的研究，提出隧道凍害防治原則是“防水是基礎(chǔ)，排水是核心，保溫是關(guān)鍵，三者必須有機結(jié)合”，即采用完善的防排水系統(tǒng)與防凍隔熱系統(tǒng)結(jié)合的措施防治隧道凍害。2、隧道溫度場變化規(guī)律現(xiàn)場測試及分析

在河北秦皇島梯子嶺隧道、河北承德祥云嶺隧道、黑龍江綏滿公路霧松嶺隧道、黑龍江哈爾濱繞城高速天恒山隧道進行現(xiàn)場溫度場測試，取得數(shù)據(jù)上萬組。梯子嶺隧道霧松嶺隧道天恒山隧道

以河北省承德市祥云嶺隧道為例，介紹隧道溫度場的現(xiàn)場測試與分析。（1）隧道溫度場測試項目包括洞內(nèi)外的氣溫、風速和風向，襯砌表面與內(nèi)部的溫度，襯砌背部圍巖的溫度，路面及其以下地層的溫度。（2）測試斷面沿隧道縱向的布置在隧道內(nèi)軸線方向共布置了11個測試橫斷面，洞口段測試斷面布置較密集，中間段測試斷面布置間距較大。在西洞口和東洞口外50m處測試洞外氣溫、風速和風向。

（3）測點在橫斷面上的布置如右圖所示，在隧道的拱頂、拱腰和邊墻分別布置測試二次襯砌混凝土表面和內(nèi)部、噴射混凝土表面及圍巖內(nèi)部溫度的測點（如圖8A大樣），在隧道路面處布置測試路面混凝土表面和內(nèi)部的測點（如圖8B大樣）。

隧道洞內(nèi)外溫度差值與隧道長度的關(guān)系隧道名稱隧道長度/m最冷月洞口與洞中日溫差/℃新疆天山奎先大坂隧道615024.8大興安嶺杜草隧道384918.6大興安嶺西羅奇2號隧道116015.6大興安嶺翠嶺2號隧道4205.0祥云嶺隧道1850.5

長隧道貫通后洞內(nèi)氣溫都具有“冬暖夏涼”的特點，即暖季洞內(nèi)溫度低于洞外氣溫，寒季洞內(nèi)溫度高于洞外氣溫。短隧道洞內(nèi)外氣溫相差不大。一般而言，隧道長度小于500m，日溫差小于5℃。但同時，隧道內(nèi)氣溫受風向的影響較大。

長隧道洞口段要進行防凍保溫處理，小于500m的隧道要全長進行防凍保溫處理。典型斷面沿襯砌和圍巖不同深度的溫度

隧道襯砌背部圍巖一定深度范圍內(nèi)的溫度都處于0℃以下，而隧道二次襯砌背部防水層后邊的噴射混凝土和圍巖都有地下水侵入，極容易發(fā)生凍害。

采用保溫措施，使隧道二次襯砌背部防水層后邊的溫度處于0℃以上，可以防止隧道凍害的發(fā)生。3、噴射混凝土抗凍性研究

針對噴射混凝土的抗凍耐久性，課題組進行了一系列的室內(nèi)試驗，包括快速凍融循環(huán)試驗、壓縮試驗、電鏡掃描試驗、CT掃描試驗。研究內(nèi)容：（1）噴射混凝土抗凍特性研究

（2）引氣劑對噴射混凝土抗凍耐久性的影響研究（3）噴射混凝土氣泡特征研究自動快速凍融試驗機CT掃描電鏡掃描噴射混凝土抗凍耐久性試驗結(jié)論:

（1）普通噴射混凝土和摻入引氣劑的噴射混凝土各測試了兩組（每組2個試件，每個試件測試2個斷面）氣泡特征參數(shù)，摻入引氣劑的噴射混凝土的氣泡間隔系數(shù)平均值為244.6μm和287.4μm，普通噴射混凝土的氣泡間隔系數(shù)平均值為292.6μm和329μm。噴射混凝土中摻入引氣劑能夠降低氣泡間隔系數(shù)。（2）噴射混凝土的抗凍耐久性指數(shù)隨著氣泡間隔系數(shù)的增大而逐漸降低，從細觀上解釋了噴射混凝土中摻入引氣劑能夠提高噴射混凝土抗凍耐久性。（3）噴射混凝土中的氣泡絕大多數(shù)為直徑小于200μm的無害氣泡，表明噴射混凝土內(nèi)部的氣孔結(jié)構(gòu)對其抗凍性有利。4、凍三害防三治技三術(shù)工程三實踐三證明三，圍三巖發(fā)三生凍三害是三需要三條件三的。溫度水氣溫三在0℃以下三，且三低溫三要足三夠長圍巖三中含三水量三必須三足夠三多（1）隧三道凍三害防三治原三則防水三是基三礎(chǔ)，三排水三是核三心，三保溫三是關(guān)三鍵，三三者三必須三有機三結(jié)合（2）隧三道抗三凍設(shè)三防等三級劃三分采用三綜合三評判三的方三法，三以最三冷月三平均三氣溫三、凍三結(jié)深三度、三地下三水的三賦存三與補三給、三地下三水滲三入隧三道情三況為三評價三指標三，將三新建三隧道三的防三凍設(shè)三防等三級劃三分為5級。寒冷程度氣侯條件最冷月平均氣溫(℃)凍結(jié)深度(m)0溫0～-50.2～0.71冷-5～-100.7～1.32寒-10～-151.3～1.83重寒-15～-251.8～2.94嚴寒＜-25＞2.9隧道三的寒三冷程三度地下三水對三隧道三的危三害程三度危害程度地下水條件地下水賦存與補給條件地下水滲入隧道情況0無干燥隧道無1輕含少量水隧道，無補給少量滲、滴水2中含水隧道，無補給滲、涌水3重含水隧道，水平補給持續(xù)涌水4嚴重含水隧道，水平和垂直補給常年滲、涌水隧道三抗凍三設(shè)防三等級三劃分凍害等級凍害特征措施Ⅰ無邊溝Ⅱ輕微，不影響交通中心排水溝、U型溝槽嵌入隔熱材料法Ⅲ襯砌層凍裂，洞內(nèi)滲水掛冰，路面結(jié)冰，凍害發(fā)生于12月至翌年2月深埋中心排水溝、保溫邊溝、U型溝槽嵌入防凍隔溫法、加熱防凍法Ⅳ襯砌破裂較嚴重，含水圍巖較大面積發(fā)生滲漏，較大范圍掛冰，路面凍冰，凍結(jié)期大于4～5個月防凍隔溫法、深埋中心排水溝、保溫邊溝Ⅴ襯砌層破裂嚴重，大面積滲漏水，掛冰嚴重，路面結(jié)冰，排水系統(tǒng)被冰塞，凍結(jié)期大于5個月防凍隔溫法、防寒泄水洞凍害三等級三劃分三及防三治措三施隧道三防凍三隔溫三層設(shè)三計包三括防三凍隔三溫層三材料三的選三擇、三厚度三和長三度的三計算三，以三及防三凍隔三溫層三施工三工藝三。（3）隧三道防三凍隔三溫層三技術(shù)隔熱三防凍三材料三應(yīng)具三備質(zhì)三輕、三疏松三、多三孔、三導熱三系數(shù)三小的三特點三。其性三能指三標見三下表三。隔熱三防凍三材料三設(shè)置三于襯三砌內(nèi)三表面三時，三應(yīng)增三加防三火措三施。性能項目性能指標導熱系數(shù)(W/(m·K))≤0.04抗壓強度(MPa)（變形10%）≥0.1燃燒性能B2級阻燃材料工作溫度（℃）-40~70耐靜水壓力（MPa）≥0.2浸水96h吸水率（%）≤1防凍三隔溫三層厚三度計三算方三法有三等效三厚度三法、三氣象三解析三法和三有限三元模三擬計算三法等三，經(jīng)三過分三析，三等效三厚度三法最三直接三、簡三單和三易于三操作三。課題三組針對防三凍隔三溫層三表面三設(shè)置三和中三間設(shè)三置分三別進三行了三公式三推導三。防凍三隔溫三層厚三度計三算圍巖三的導三熱系三數(shù)防凍三隔溫三層的三導熱三系數(shù)隧道三的當三量半三徑圍巖三厚度防凍三隔溫三層的三厚度②對于三在初三期支三護與三二次三襯砌三之間三設(shè)置三防凍三隔溫三層的三情況三：襯砌三混凝三土厚三度①對于三在襯三砌表三面設(shè)三置防三凍隔三溫層三的情三況：防凍三隔溫三層長三度確三定主三要依三據(jù)隧三道內(nèi)三的溫三度，三最直三接的三方法三就是三現(xiàn)場三實測三，而三現(xiàn)場三實測三費時三費力三，難三度較三大，三只能三依靠三洞口三氣溫三進行三預測三。日本三黑川三希范三公式三：L=1三54三.7三(-t)0.三60三4式中三：L為洞三內(nèi)可三能發(fā)三生凍三害位三置距三離洞三口距三離；t為洞三口最三冷月三平均三氣溫三。因此三，最三重要三的是三獲得三準確三的隧三道洞三口氣三溫。課題三組采三用空三間插三值理三論中三的Kr三ig三in三g法，三利用三氣象三測站三觀測三數(shù)據(jù)三，提三出了三隧道三洞口三氣溫三計算三方法三。防凍三隔溫三層長三度確三定利用三隧道三洞口三附近三的幾三個氣三象測三站的三觀測三數(shù)據(jù)三，采三用空三間插三值方三法，三可以三方便三、準三確的三計算三隧道三洞口三處的三氣溫三。防凍三隔溫三層施三工方法三包括表面三噴涂三法、三表面三鋪設(shè)三法和三中間三鋪設(shè)三法三種三。表面三噴涂三法/鋪設(shè)三法中間三鋪設(shè)三法通過三壓縮三空氣三將含三有保三溫材三料、三膠結(jié)三材料三和速三凝劑三等的三混合三物料直接三噴涂三到隧道三襯砌三表面，形三成防三凍隔三熱層三的方三法。國內(nèi)三首次三在黑三龍江三省霧三凇嶺三隧道中采三用表面三噴涂三法進三行防三凍隔三熱層三的施三作，三現(xiàn)場三發(fā)泡三噴涂三聚氨三酯保三溫層三，如三圖所三示。該隧三道20三07年通三車，三目前三運營三情況三良好三，無三凍害三發(fā)生三。表面三噴涂三法使用三錨固三件將事先三預制三好的三保溫三板固三定到三隧道三初期三支護三或原三有襯三砌表三面，形三成防三凍隔三熱層三的方三法。三現(xiàn)場三施工三如圖三所示三。天三恒山三隧道20三09年通三車，三目前三襯砌三結(jié)構(gòu)三穩(wěn)定三，洞三內(nèi)干三燥，三運營三情況三良好三。表面三鋪設(shè)三法使用三膠黏三劑或三錨固三件等三將預三制好三的保三溫板三固定三到隧三道襯三砌表三面，三形成三防凍三隔熱三層，三然后三再澆三筑一三層襯三砌混三凝土三的方三法。國內(nèi)三首次三在河三北省三梯子三嶺隧三道采用三中間三鋪設(shè)三法進三行防三凍隔三熱層三施作三，在三原隧三道襯三砌表三面鋪三設(shè)防三凍隔三熱層三，然三后在三其表三面澆三筑混三凝土三?，F(xiàn)三場施三工如三圖所三示。20三02年該三隧道三整治三后通三車，三歷時14年的三運營三，全三隧道三無滲三漏和三凍害三現(xiàn)象三發(fā)生三，襯三砌完三好無三損。中間三鋪設(shè)三法凍融損傷本構(gòu)模型建立凍融損傷率演化方程提出微觀構(gòu)造損傷和凍融破壞機理揭示噴射混凝土凍融損傷試驗理論三成果寒區(qū)隧道溫度場現(xiàn)場測試隧道防凍結(jié)構(gòu)型式防凍隔溫層厚度計算公式防凍隔溫層施工工藝凍害防治設(shè)計方法與施工技術(shù)提出圍巖的導熱系數(shù)防凍隔熱層的導熱系數(shù)隧道的當量半徑圍巖厚度防凍隔熱層的厚度

凍害等級評價方法凍害等級劃分標準建立攻克三了寒三區(qū)隧三道漏三水掛三冰、三溢水三結(jié)冰三和開三裂剝?nèi)涞热夹g(shù)三難題技術(shù)三成果三、三成果三的先三進性成果三的先三進性（1）揭三示了三噴射三混凝三土抗三凍耐三久特三性引氣三劑的三摻加三可以三改善三噴射三混凝三土內(nèi)三部孔三隙及三氣泡三結(jié)構(gòu)三，提三高噴三射混三凝土三抗凍三耐久三性。成果三收錄三于“Co三ns三tr三uc三ti三on三a三nd三B三ui三ld三in三g三Ma三te三ri三al三s”-S三CI檢索揭示三凍融三循環(huán)三作用三下，三噴射三混凝三土內(nèi)三部孔三隙結(jié)三構(gòu)變?nèi)跋嗳龖?yīng)的三物理三特性三變化三。成果三收錄三于“Co三ns三tr三uc三ti三on三a三nd三B三ui三ld三in三g三Ma三te三ri三al三s”-S三CI檢索（2）提三出寒三區(qū)隧三道凍三害防三治原三則以往三，對三于寒三區(qū)隧三道的三研究三多集三中于三隧道三凍脹三機理三的研三究，三如凍三脹力三形式三、計三算公三式推三導等三，但三未明三確統(tǒng)三一，三且缺三乏數(shù)三據(jù)支三撐。本項三成果三提出三了“三防水三是基三礎(chǔ)，三排水三是核三心，三保溫三是關(guān)三鍵，三三者三有機結(jié)合三”的三隧道三凍害三防治三原則三。本項三成果三攻克三了寒三區(qū)隧三道襯三砌漏三水掛三冰、三路面三溢水三結(jié)冰三和襯三砌剝?nèi)涞羧龎K等三寒區(qū)三隧道三凍害三技術(shù)三難題三，為三解決三隧道三凍害三問題三開辟三了新三途徑三。成果三的先三進性（3）提三出寒三區(qū)隧三道凍三害等三級劃三分標三準已有三的等三級評三定基三本上三為單三一指三標，三且以三定性三描述三為主三，缺三乏準三確性三和科三學性三。本項三目成三果以氣三溫和三地下三水為三指標三，采三用綜三合評三判的三方法三，結(jié)三果明確三、直三觀，三為新三建隧三道凍三害防三治措三施選三取提三供依三據(jù)?；谌收先龢淅砣?，三估算三隧道三凍害三損失三費用三，并三結(jié)合三隧道凍害三形態(tài)三、結(jié)三構(gòu)穩(wěn)三定和三行車三安全三，依三據(jù)科三學、三可靠三，為三既有隧道三凍害三處治三提供三依據(jù)三。成果三的先三進性（4）防三凍隔三溫層三設(shè)計三方法洞口三氣溫三計算采用Kr三ig三in三g法，三插值三計算三隧道三洞口三溫度三，有三效解三決了三隧道三洞口三氣溫三難獲三取的三問題三。圍巖三導熱三系數(shù)三計算基于三圍巖三溫度三實測三資料三，編三制了三隧道三圍巖三導熱三系數(shù)三反分三析計三算程三序，三結(jié)果三更可三靠。防凍三隔溫三層厚三度計三算采用三等效三厚度三法計三算，三公式三簡單三，易三于理三解，三參數(shù)三選擇三合理三，結(jié)三果準三確可三靠。理論三依據(jù)三明確三，參三數(shù)選三擇合三理，三結(jié)果三可靠三！成果三的先三進性（5）防三凍隔三溫層三施工三方法本項三成果三提出三了寒三冷地三區(qū)保三溫層三中間三鋪設(shè)三法、三表面三鋪設(shè)三法和三表面三噴涂法的三施工三工藝三，在三實際三工程三中進三行了三成功三應(yīng)用三，其三效果三得到三了驗三證?，F(xiàn)場三測試三結(jié)果三表明三，防三凍保三溫效三果顯三著，三有效三防止三了隧三道凍三害的發(fā)生三，施三工方三法合三理。成果三有利三于防三凍隔三溫層三的推三廣，三為防三凍隔三溫層三施工三提供三參考三和依據(jù)，三以解三決寒三區(qū)隧三道凍三害問三題。成果三的先三進性該成三果總?cè)w達三到國際三先進三水平20三11年12月30日，三交通三部西三部交三通建三設(shè)科三技項三目管三理中三心組三織“三寒冷三地區(qū)三公路三隧道三凍害三雪害三防治三技術(shù)三研究三”鑒三定意三見為三：項三目研三究總?cè)w達三到國際三先進三水平。20三12年8月30日，三陜西三省科三學技三術(shù)廳三組織三的“三寒冷三地區(qū)三隧道三凍害三防治三技術(shù)三研究三”鑒三定意三見為三：該三項目三研究三總體三達到國際三先進三水平，其三中隧三道凍三害程三度等三級劃三分、三隧道三防凍三格溫三技術(shù)三達到國際三領(lǐng)先三水平。成果三的先三進性三、三成果三的先三進性20三15年中三國公三路學三會科三學技三術(shù)二三等獎20三16年交三通運三輸建三設(shè)科三技成三果推三廣項三目目三錄中國三公路三學會三科學三技術(shù)三二等三獎交通三運輸三建設(shè)三科技三成果三推廣三目錄三、三成果三的先三進性授權(quán)三發(fā)明三專利2項、三實用三新型2項公路三隧道三凍害三分析三方法新型三隧道三防凍三隔溫三層一種三新型三隧道三防水三結(jié)構(gòu)一種三新型三隧道三防凍三隔溫三層三、三成果三的先三進性發(fā)表三重要三核心三期刊三論文10篇（SC三I收錄3篇，EI收錄5篇）三、三成果三的先三進性研究三成果三編制三為《公路三隧道三加固三技術(shù)三規(guī)范》（報三批稿三）三、三成果三的先三進性研究三成果三被納三入《公路三工程三抗凍三設(shè)計三與施三工技三術(shù)細三則》（送三審稿三）霧凇三嶺隧三道天恒三山隧三道梯子三嶺隧三道三、