聚氨酯保溫管在隧道凍害治理中的應用研究

楊明宇

（遼寧省公路勘測設計公司 沈陽市 110006）

聚氨酯保溫管在隧道凍害治理中的應用研究

楊明宇

（遼寧省公路勘測設計公司 沈陽市 110006）

導致寒區隧道結構凍害最根本的原因是凍脹力大于構筑物的強度，以凍脹機理為核心，從隧道選址、設計和施工、弱化隧道邊界條件等措施出發，對隧道凍害提出防治措施。以實際工程為背景，以聚氨酯的技術性能為依據，采用鋼套鋼聚氨酯保溫管進行隧道凍害治理，經過兩個凍融期的檢驗，凍害治理效果良好，對寒區隧道的建設和大修工程具有借鑒意義。

寒區隧道；凍脹力；聚氨酯；凍害治理；保溫隔熱

1 引言

隨著運營年限的推移，寒區隧道凍害問題日益突出，如何采用可靠的措施解決寒區隧道的凍害問題是亟待解決的重點。目前，日本采用隔熱法和加熱法結合的措施，前蘇聯提出采用供熱法防治凍害措施，歐洲則通常采用絕熱棚來防治凍害等［1-2］，這些措施對隧道凍害適用性較強，但造價高、能耗大，且工藝繁雜、技術要求高，不適用于我國寒區隧道病害防治的普遍推廣。適于我國國情的寒區隧道凍害防治技術還處于探索階段。

2 凍害機理及防治

寒區隧道冰凍季節在襯砌背后形成凍結圈所產生凍脹力，是隧道凍害產生直接原因，在工程建設中，根據隧址區域的工程地質和水文地質情況，分析可能產生凍害的機理和潛在原因，采用合適的措施防治隧道凍害的發生。

2.1凍脹機理分析

冰凍季節期間，隧道襯砌背后圍巖孔隙中充滿地下水且其流速緩慢，冬季溫度降低在襯砌背后形成凍結圈，地下水體凍結產生體積膨脹，當體積膨脹受到隧道襯砌與圍巖雙重約束作用時即產生凍脹力［3-4］，作用于支護結構上的凍脹力大于結構材料強度時，使襯砌發生變形和裂縫等病害，甚至導致襯砌滲漏水或結構破壞。隧道支護結構體系的力學穩定性及安全耐久性受眾多因素的影響，在其它條件近似的情況下，凍脹力與圍巖的凍融狀態、含水量大小及凍結體積膨脹率等因素有關，還與隧道凍結圈外圍巖與隧道襯砌剛性約束邊界條件等有關。

2.2凍害防治

寒區隧道凍害防治的根源在于減小凍脹力，即保持襯砌背后地下水溫度在凍結溫度以上、減少襯砌背后含水量和含水巖土體的反復凍脹作用。因此，凍害防治應遵循“以防為主，以治為輔，隔溫加熱、減小凍脹、弱化襯砌剛度、截防排水順暢”的原則，并采用“多道防護，綜合治理”的措施。

（1）充分考慮隧址區域工程地質和水文地質條件，減少隧道圍巖中地下水的凍結，并采用合適的保溫隔熱措施預防隧道凍害。

（2）隧道防排水不暢是隧道產生凍害的另一原因，勘察設計中應合理布置防排水系統，使襯砌背后積水能夠及時排除，并做好排水系統的保溫措施；必要時可進行注漿隔水圍堵，減少襯砌背后含水量。

（3）弱化邊界約束條件，減小凍脹力。隧道凍害防治多采用電伴熱等襯砌表面加熱、襯砌內部加熱等措施來減少凍害產生，而采用新型聚氨酯等保溫措施時，除保溫效果外，在地下水凍結膨脹時，還能緩解凍脹變形，減少凍脹力，可大幅減少隧道凍害的產生。

（4）多種防治措施相結合，綜合治理隧道凍害。凍害是個復雜而且影響因素較多的綜合病害，采用單一處理方法未必取得理想效果，故病害處理時應綜合考慮不同凍害機理采用不同防治措施。

（5）隧道營運期間應進行日常檢修和養護，發現問題及時解決和治理，以免病害加大。

3 聚氨酯保溫管技術性能

聚氨酯保溫管適合輸送各種介質，廣泛應用于集中供熱、供冷和熱油的輸送及煤礦、化工等行業的保溫保冷工程，在交通行業應用較少。

3.1鋼套鋼復合保溫管構成

鋼套鋼復合保溫管保溫結構由工作鋼管、減阻層、隔熱層、鋁箔反射層、聚氨酯保溫層、防腐層等組成。鋼管表面經過拋丸除銹工藝處理，除銹等級可達到Sa2級，表面粗糙度達到R=12.5μm，耐壓強度可達3.6～4.1MPa。在內外工作鋼管之間的空腔中加入聚氨酯保溫層，厚度不小于5cm。

3.2保溫管性能及技術指標

（1）強耐腐蝕和防水能力。聚氨酯保溫層的閉孔率大于88%，平均孔徑小于 0.5mm，而吸水率小于10%，低導熱系數、低吸水率及外層防水層綜合作用，減少了整體熱能損耗。

（2）熱損耗低，節約能源。聚氨酯的導熱系數小于0.03W/（m·K），憎水率小于3%。

（3）防腐，絕緣性能好，使用壽命長。聚氨脂保溫層隔絕空氣和水的滲入，且其吸水性很小，具有良好的防腐作用，其工作溫度適用于-50～120℃范圍內，鋼套鋼保溫管使用壽命可達50年以上。

（4）抗壓強度高。聚氨酯保溫層的抗壓強度達到0.3MPa，而鋼套鋼復合保溫管的抗壓強度達到3.6～4.1MPa，能夠滿足公路隧道車輛及上覆結構層荷載的要求。

4 工程應用

4.1概況

新開嶺隧道位于遼寧省本溪市，隧址區為北溫帶季風氣候，最高氣溫達34℃，最低氣溫-33℃；年降水量800～900mm。隧道全長為730m，凈寬為10.5m，凈高為5m，隧道內縱坡為1.6%，設計時速40km/h，隧址區設計凍深為1.3m。初春時節隧道內出現檢查井及路側電纜槽冒水、路面結冰等病害，并伴隨著局部路段水泥混凝土路面斷裂鼓起等凍害。

4.2路面凍害原因分析

隧道病害產生原因是個復雜的過程，針對本隧道路面冒水、結冰及路面結構層局部斷裂的病害原因主要有以下兩方面。

（1）隧址位于寒冷地區，南北走向，冬季隧道內最低氣溫接近-30℃，中心排水管埋置深度小于設計凍深，致使路面下因凍結而喪失排水功能，導致路面冒水結冰和局部斷裂發生凍脹病害。

（2）由于初春氣溫上升，隧址區域地表凍層融化，融雪水及解凍水通過地表下滲形成巖石裂隙水［5］，由隧道環向排水系統通過橫向排水管排入中心排水溝，而隧道內溫度回升緩慢，洞內外溫差較大，導致路面下排水系統凍結阻斷出水路線，中心排水溝局部凍結產生凍脹力，是隧道路面局部斷裂病害的另一原因。

4.3優化設計和施工

隧道凍結病害治理遵循“維持結構穩定，滿足限界規定，因地制宜，綜合治理”的原則，保證隧道結構物和運營設備的正常使用和行車安全，本隧道凍害主要是埋深不足，導致中心排水溝凍結喪失排水功能引發的次生病害，優化設計中洞內采用聚氨酯保溫排水管和洞外保暖包頭相結合的保溫措施，保證地下水能及時順暢排出。

（1）中心排水溝：鑿除現有路面結構，以不破壞仰拱即二次襯砌為基本原則，清理管溝溝槽，采用Φ108的聚氨酯保溫橫向排水管與側壁曲墻的出水口相連，保證連接緊密不漏水；中心排水溝采用鋼套鋼聚氨酯保溫管的型式，外管采用Φ630，壁厚8mm，內管采用Φ426，壁厚為5mm，兩層鋼管中間安裝聚氨酯保溫層，保溫層厚度為80mm。排水平面布置及橫斷面布置詳見圖1、圖2。排水管鋪設要順直，橫向排水管和聚氨酯保溫管的連接要緊密，密閉性良好，聚氨酯保溫管上部采用回填煤渣等輕質保溫材料的措施進行二次保溫。

（2）檢查井保溫處理：檢查井每50m設置一個，井壁周圍采用聚氨酯保溫層包裹，井蓋采用保溫隔熱型井蓋，頂部回填煤渣等輕質保溫材料，精細化施工，避免檢查井等二次凍害發生。

（3）洞外保溫：洞外中心排水溝埋置深度加大至凍結線以下，排水出口位于洞外50m的路基邊坡外的保暖包頭連接，保暖包頭采取必要的保溫防凍措施，增大排水縱坡，保證隧道地下水在冬季能夠順利排出。

4.4效果分析

項目竣工后經過兩個凍融期檢驗，隧道襯砌背后無積水現象，減少了襯砌凍脹破壞的概率，橫向排水管和中心排水溝冬季沒有凍結跡象，排水系統通暢，并且隧道優化排水施工沒有帶來次生病害，隧道凍害得到有效的治理。

5 結語

經過兩個凍融期，原病害現象沒有再現，表明凍害治理效果良好。寒區隧道凍害治理中采用聚氨酯保溫管，保溫隔熱性能良好，有效防治和減小隧道凍害的發生概率；寒區新建隧道，可采用聚氨酯保溫層作為襯砌保溫隔熱層，將隧道凍害概率降到最低。

［1］ 關寶樹.隧道工程維修管理要點集［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］ AkiraInokuma.RoadtunnelsinJapan：deteriorationand countermeasures［J］.Tunneling and Underground Space Technology，1996，11（3）：305-309.

［3］ 鐵道第三勘察設計院.凍土工程［M］.北京：中國鐵道出版社，2002.

［4］ 陳建勛.寒冷地區隧道防凍隔溫層設計計算方法及應用［J］.土木工程學報，2004，37（11）：85-88.

［5］ 呂康成，崔凌秋，解赴東.寒區隧道春融期滲漏水原因分析及預防方法［J］.現代隧道技術，2001（4）：58-62.

Research on Application of Polyurethane Thermal Insulation Pipe in Freezing Damage Treatment of Tunnel

YANG Ming-yu

（Liaoning Highway Surveying and Designing Company，Shenyang 110006，China）

The most fundamental reason for freezing damage of tunnel structure in cold region is that frost heaving pressure is larger than the strength of structure.Taking frost heaving mechanism as the core，control measures for freezing damage of tunnel are put forward in the matter of site selection of tunnel，design，construction，boundary condition weakening of tunnel and so on.Taking practical engineering as the background and basing on technical performance of polyurethane，the treatment for freezing damage of tunnel is performed by adopting steel wrapped steel polyurethane thermal insulation pipe.After the inspection on two freezing-thawing periods，the treatment effect of freezing damage is good，thus providing reference for the construction of tunnel in cold region and overhaul engineering.

Tunnel in cold region；Frost heaving pressure；Polyurethane；Treatment for freezing damage；Thermal insulation

U457+.5

B

1673-6052（2016）01-0067-03

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.01.017