推廣應用-寒冷地區(qū)公路隧道凍害防治技術課件

匯報人：陳建勛教授寒冷地區(qū)公路隧道凍害防治技術一、項目研究背景二、主要研究成果三、成果的先進性

四、結束語一、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。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冰隧道襯砌開裂剝落洞門墻開裂隧道中心水溝結冰堵塞隧道洞口處熱融滑塌隧道出水口結冰堵塞一、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蒙興安嶺隧道冬季路面結冰二、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來源1寒冷地區(qū)隧道防排水防凍害技術研究1998-2002河北省交通廳2寒冷地區(qū)隧道凍害防治技術研究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研究2007-2011

西部交通建設科技項目4隧道凍害防治技術研究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基于溫度效應的隧道襯砌結構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，建于1903年全長3077米處于高寒地區(qū)，結冰期長達6個月以上，最冷月平均氣溫為-33℃，極限最低氣溫達-57℃，最大凍結深度為2.8米主要由滲漏水凍結所引起的，冬季危及形成，每年都會使用大量人力刨冰采用簾幕防寒…………………………………

通過對調查結果的分析，歸納總結寒冷地區(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，未設置防水層，導致隧道修建后拱墻交接處滲漏水結冰凍脹。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，設置了完善的防排水系統(tǒng)，但未設置保溫系統(tǒng)，導致隧道襯砌背部地下水凍結、排水管出水口凍結堵塞，嚴重影響隧道正常運營。例如甘肅老七道梁隧道，被迫在隧道內采用暖氣管道進行加熱，消除凍害影響。

（3）新建隧道雖然設置了完善的防排水系統(tǒng)和保溫系統(tǒng)，但是因施工質量問題，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)得到了廣泛的關注和應用，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的研究，提出隧道凍害防治原則是“防水是基礎，排水是核心，保溫是關鍵，三者必須有機結合”，即采用完善的防排水系統(tǒng)與防凍隔熱系統(tǒng)結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外的氣溫、風速和風向，襯砌表面與內部的溫度，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部、噴射混凝土表面及圍巖內部溫度的測點（如圖8A大樣），在隧道路面處布置測試路面混凝土表面和內部的測點（如圖8B大樣）。

隧道洞內外溫度差值與隧道長度的關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

長隧道貫通后洞內氣溫都具有“冬暖夏涼”的特點，即暖季洞內溫度低于洞外氣溫，寒季洞內溫度高于洞外氣溫。短隧道洞內外氣溫相差不大。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，表明噴射混凝土內部的氣孔結構對其抗凍性有利。4、凍害防治技術工程實踐證明，圍巖發(fā)生凍害是需要條件的。

溫度水氣溫在0℃以下，且低溫要足夠長圍巖中含水量必須足夠多（1）隧道凍害防治原則防水是基礎，排水是核心，保溫是關鍵，三者必須有機結合（2）隧道抗凍設防等級劃分

采用綜合評判的方法，以最冷月平均氣溫、凍結深度、地下水的賦存與補給、地下水滲入隧道情況為評價指標，將新建隧道的防凍設防等級劃分為5級。

寒冷程度氣侯條件最冷月平均氣溫(℃)凍結深度(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隧道的寒冷程度

地下水對隧道的危害程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

隧道抗凍設防等級劃分

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，洞內滲水掛冰，路面結冰，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，路面結冰，排水系統(tǒng)被冰塞，凍結期大于5個月防凍隔溫法、防寒泄水洞凍害等級劃分及防治措施

隧道防凍隔溫層設計包括防凍隔溫層材料的選擇、厚度和長度的計算，以及防凍隔溫層施工工藝。（3）隧道防凍隔溫層技術隔熱防凍材料應具備質輕、疏松、多孔、導熱系數(shù)小的特點。其性能指標見下表。隔熱防凍材料設置于襯砌內表面時，應增加防火措施。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

防凍隔溫層厚度計算方法有等效厚度法、氣象解析法和有限元模擬計算法等，經(jīng)過分析，等效厚度法最直接、簡單和易于操作。課題組針對防凍隔溫層表面設置和中間設置分別進行了公式推導。防凍隔溫層厚度計算

圍巖的導熱系數(shù)

防凍隔溫層的導熱系數(shù)

隧道的當量半徑

圍巖厚度

防凍隔溫層的厚度

②

對于在初期支護與二次襯砌之間設置防凍隔溫層的情況：

襯砌混凝土厚度

①對于在襯砌表面設置防凍隔溫層的情況：

防凍隔溫層長度確定主要依據(jù)隧道內的溫度，最直接的方法就是現(xiàn)場實測，而現(xiàn)場實測費時費力，難度較大，只能依靠洞口氣溫進行預測。日本黑川希范公式：L=154.7(-t)0.604

式中：L為洞內可能發(fā)生凍害位置距離洞口距離；t為洞口最冷月平均氣溫。因此，最重要的是獲得準確的隧道洞口氣溫。課題組采用空間插值理論中的Kriging法，利用氣象測站觀測數(shù)據(jù)，提出了隧道洞口氣溫計算方法。防凍隔溫層長度確定

利用隧道洞口附近的幾個氣象測站的觀測數(shù)據(jù)，采用空間插值方法，可以方便、準確的計算隧道洞口處的氣溫。

防凍隔溫層施工方法包括表面噴涂法、表面鋪設法和中間鋪設法三種。表面噴涂法/鋪設法中間鋪設法

通過壓縮空氣將含有保溫材料、膠結材料和速凝劑等的混合物料直接噴涂到隧道襯砌表面，形成防凍隔熱層的方法。國內首次在黑龍江省霧凇嶺隧道中采用表面噴涂法進行防凍隔熱層的施作，現(xiàn)場發(fā)泡噴涂聚氨酯保溫層，如圖所示。該隧道2007年通車，目前運營情況良好，無凍害發(fā)生。表面噴涂法

使用錨固件將事先預制好的保溫板固定到隧道初期支護或原有襯砌表面，形成防凍隔熱層的方法?，F(xiàn)場施工如圖所示。天恒山隧道2009年通車，目前襯砌結構穩(wěn)定，洞內干燥，運營情況良好。表面鋪設法

使用膠黏劑或錨固件等將預制好的保溫板固定到隧道襯砌表面，形成防凍隔熱層，然后再澆筑一層襯砌混凝土的方法。國內首次在河北省梯子嶺隧道采用中間鋪設法進行防凍隔熱層施作，在原隧道襯砌表面鋪設防凍隔熱層，然后在其表面澆筑混凝土?，F(xiàn)場施工如圖所示。2002年該隧道整治后通車，歷時14年的運營，全隧道無滲漏和凍害現(xiàn)象發(fā)生，襯砌完好無損。中間鋪設法

凍融損傷本構模型建立凍融損傷率演化方程提出微觀構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成果寒區(qū)隧道溫度場現(xiàn)場測試隧道防凍結構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計方法與施工技術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了寒區(qū)隧道漏水掛冰、溢水結冰和開裂剝落等技術難題技術成果三、成果的先進性成果的先進性（1）揭示了噴射混凝土抗凍耐久特性引氣劑的摻加可以改善噴射混凝土內部孔隙及氣泡結構，提高噴射混凝土抗凍耐久性。成果收錄于“ConstructionandBuildingMaterials”-SCI檢索揭示凍融循環(huán)作用下，噴射混凝土內部孔隙結構變化，及相應的物理特性變化。成果收錄于“ConstructionandBuildingMaterials”-SCI檢索（2）提出寒區(qū)隧道凍害防治原則

以往，對于寒區(qū)隧道的研究多集中于隧道凍脹機理的研究，如凍脹力形式、計算公式推導等，但未明確統(tǒng)一，且缺乏數(shù)據(jù)支撐。本項成果提出了“防水是基礎，排水是核心，保溫是關鍵，三者有機結合”的隧道凍害防治原則。本項成果攻克了寒區(qū)隧道襯砌漏水掛冰、路面溢水結冰和襯砌剝落掉塊等寒區(qū)隧道凍害技術難題，為解決隧道凍害問題開辟了新途徑。成果的先進性（3）提出寒區(qū)隧道凍害等級劃分標準已有的等級評定基本上為單一指標，且以定性描述為主，缺乏準確性和科學性。本項目成果以氣溫和地下水為指標，采用綜合評判的方法，結果明確、直觀，為新建隧道凍害防治措施選取提供依據(jù)?；诠收蠘淅碚?，估算隧道凍害損失費用，并結合隧道凍害形態(tài)、結構穩(wěn)定和行車安全，依據(jù)科學、可靠，為既有隧道凍害處治提供依據(jù)。成果的先進性（4）防凍隔溫層設計方法洞口氣溫計算采用Kriging法，插值計算隧道洞口溫度，有效解決了隧道洞口氣溫難獲取的問題。圍巖導熱系數(shù)計算基于圍巖溫度實測資料，編制了隧道圍巖導熱系數(shù)反分析計算程序，結果更可靠。防凍隔溫層厚度計算采用等效厚度法計算，公式簡單，易于理解，參數(shù)選擇合理，結果準確可靠。理論依據(jù)明確，參數(shù)選擇合理，結果可靠！成果的先進性（5）防凍隔溫層施工方法本項成果提出了寒冷地區(qū)保溫層中間鋪設法、表面鋪設法和表面噴涂法的施工工藝，在實際工程中進行了成功應用，其效果得到了驗證。現(xiàn)場測試結果表明，防凍保溫效果顯著，有效防止了隧道凍害的發(fā)生，施工方法合理。成果有利于防凍隔溫層的推廣，為防凍隔溫層施工提供參考和依據(jù)，以解決寒區(qū)隧道凍害問題。成果的先進性該成果總體達到國際先進水平2011年12月30日，交通部西部交通建設科技項目管理中心組織“寒冷地區(qū)公路隧道凍害雪害防治技術研究”鑒定意見為：項目研究總體達到國際先進水平。2012年8月30日，陜西省科學技術廳組織的“寒冷地區(qū)隧道凍害防治技術研究”鑒定意見為：該項目研究總體達到國際先進水平，其中隧道凍害程度等級劃分、隧道防凍格溫技術達到國際領先水平。成果的先進性三、成果的先進性2015年中國公路學會科學技術二等獎2016年交通運輸建設科技成果推廣項目目錄中國公路學會科學技術二等獎交通運輸建設科技成果推廣目錄三、成果的先進性授權發(fā)明專利2項、實用新型2項公路隧道凍害分析方法新型隧道防凍隔