嚴寒地區高速公路隧道防凍技術

劉軍輝，王殿強，馬 強

（中國建筑第二工程局有限公司西南分公司，重慶 400023）

0 引言

近年來，我國公路交通建設規模不斷增長，嚴寒地區修建高速公路隧道數量也不斷增加，對于特殊的氣候溫度條件，我國逐步強化了嚴寒地區高速公路隧道工程防凍技術要求。目前，我國嚴寒地區高速公路隧道防凍措施主要是利用襯砌保溫技術降低隧道凍害發生概率，同時通過搭建完善的隧道排水系統降低襯砌背后積水留存，并借助隧道襯砌保溫技術確保隧道排水系統通暢，保證隧道高效安全運行。

1 嚴寒地區高速公路隧道保溫措施

對于嚴寒地區的高速公路隧道而言，洞內的冷空氣對流作用是導致洞內熱量不斷流失的主要原因。嚴寒地區的隧道洞內溫度呈現出典型的拋物線特征，洞口兩邊的溫度低，隧道中間的溫度高，而凍害根源是受到地下水以及圍巖間的反復凍融作用，為此，預防凍害的主要原則是確保隧道中的水能夠及時流出洞外且不會被凍結。常用的隧道防凍技術有以下3種。

1）加熱法 人工向隧道圍巖處供熱，減少及消除圍巖內形成的凍融圈，但所供給的熱量無法有效控制溫度，易引發原有凍融圈出現融化現象。

2）陽光棚 通過在隧道進出口設置陽光棚，借助太陽輻射提升洞口的環境溫度，但應用該防凍技術的弊端是影響人員駕駛安全。

3）襯砌表面貼設保溫材料 借助保溫層增加洞口環境溫度，確保排水系統的正常應用。

2 工程概況

本研究選取嚴寒地區某高速公路隧道項目。施工區域的最大凍土深度達1.7m，夏季短暫雨量豐富，冬季干寒持續時間長，且該地區的晝夜溫差較大，常年平均氣溫在-2.5～12.0℃，年均日照時間為2 850～2 950h。設計的高速公路隧道出口位于山體斜坡，山體的自然斜坡傾向于西南，坡度傾向在6°左右，山體的表層存在積沙覆蓋的情況，邊坡穩定性相對較差。

3 預計凍害情況

項目隧道區域的年降水量相對較大，融區時常存在地下水涌出的情況，尤其是在隧道排水系統不通暢的前提下，地下水會由隧道襯砌裂縫向隧道內滲漏，最終侵入隧道的建筑界限。嚴寒地區的高速公路隧道普遍存在襯砌開裂問題，而導致隧道襯砌開裂的原因不僅是受到地質及施工因素的影響，同時也受到嚴寒地區氣溫差異的影響，導致隧道襯砌產生溫度應力以及凍脹力，促使嚴寒地區的高速公路隧道襯砌開裂。受到隧道襯砌水平及斜向開裂的影響，大多數隧道襯砌開裂主要集中于隧道邊墻區域，而這種開裂問題的存在將隧道邊墻出現凸出、槎牙等問題，主要出現在地下水多次涌出的區域，入冬開始鼓起，春融時開始收縮，且收縮量大多小于鼓起量，最終出現殘余變形。

4 防凍保溫技術分析

4.1 二次襯砌保溫技術的選擇

現階段，隧道二次襯砌常用的保溫技術為設置保溫層，不同的鋪設方法所帶來的影響存在一定的差異性。

1）隔熱保溫層鋪設至隧道初期支護以及隧道二次襯砌，極易導致保溫層受到損壞。這是由于隔熱保溫層鋪設至初期支護表層，將大大增加保溫層材料遇火的概率，進而引發隧道火災。將隔熱保溫層鋪設至隧道二次襯砌時，保溫材料的鋪設質量無法得到有效控制，如果保溫材料性能失效，工作人員無法立即確定保溫材料的失效范圍，對隔熱保溫層的鞏固維護更加艱難。此外，隔熱層設置于初期支護與二次襯砌之間，將會由于初期支護以及二次襯砌變形不協調增加保溫層材料的受力面積，導致保溫材料被破壞，最終使隧道保溫系統功效無法發揮。

2）將隔熱保溫層鋪設至隧道二次襯砌表面，可有效彌補第1種鋪設方法的缺點，大大提升項目施工質量，增加隧道維修養護的便利性，但也存在一定的不足之處。將保溫材料設置在二次襯砌表面，極易出現由于安裝不牢引發保溫層脫落問題，甚至會侵入隧道建筑限界，對隧道中的車輛行駛安全造成影響。設置隔熱保溫層應用的保溫材料不僅能滿足保溫性能，同時具備一定的防火性能，在滿足實用要求的前提下達到美觀的效果。但是，將隔熱保溫層鋪設于隧道二次襯砌表面，維修人員不能輕易發現隧道襯砌開裂或者其他病害的跡象，給隧道襯砌檢查、檢修工作帶來不便。

綜合對比以上2種保溫層設置方法的優缺點，最終選擇保溫層設置于隧道二次襯砌表面的保溫技術。

4.2 保溫層材料選擇

我國常用的保溫層材料種類繁多，按照保溫材料材質分類，可分為有機類、無機類以及金屬類3種；按照保溫材料的形態分類，可分為纖維狀、微孔狀、層狀以及氣泡狀等。通過對施工項目進行調查研究，選擇二次襯砌表面鋪設保溫材料為福利凱保溫層以及FL纖維增強板。

4.3 保溫材料厚度的選擇

隧道二次襯砌表面鋪設的隔熱保溫層厚度的計算公式為：

式中，啄為隔熱層厚度，m；姿1為保溫材料導熱系數，W/（m·K）；r為隧道當量半徑，m；d為圍巖厚度，m。

4.4 隧道保溫長度的選擇

嚴寒地區高速公路隧道極易出現襯砌混凝土凍害，為此，本次施工設計選擇在距離隧道進出洞口500m范圍內、受到外界大氣溫度影響較大的隧道進行襯砌保溫設計。

4.5 隧道保溫系統施工技術要點

1）先對隧道二次襯砌表面的平整性進行檢查，檢查其是否存在空洞、蜂窩、深裂縫等問題，對存在的問題進行妥善處理后，方可進行下一步施工工序。

2）在隧道二次襯砌表面進行測位、放線及打眼，在對應位置安裝FL膨脹螺栓，將螺栓深埋長度控制在80mm左右，確保螺栓固定的穩定性。

3）將既定厚度的福利凱板直接穿過FL-U形件的支臂，并將其緊貼隧道二次襯砌的表面固定。同時利用FL自攻釘將FL龍骨與暴露于福利凱板表面的FL-U形件的支臂固定。

4）利用FL自攻螺栓將FL纖維增強板與FL龍骨框架進行固定。

5）利用施工人員專用的膩子及網帶，將FL纖維增強板之間的縫隙進行密封，密封完整后對其進行平整性打磨，確保板縫處封閉的平整性與完全性。同時也可利用FL纖維增強板的表面進行裝飾性處理。

4.6 設計深埋水溝

設計人員在進行深埋水溝具體設計時，需要根據隧道的整體長度、地下水位、水溫以及所處地區寒冷季節主導風向、山坡斜度等因素進行確定。對于中短型隧道、全隧道采取深埋水溝施工技術，本次選擇洞口500m范圍內帶仰拱段落，將水溝設計于仰拱下方，對于沒有仰拱段落的區域則采取深挖水溝的施工策略。另外，連接縱向排水管與中心水溝的橫向排水設置埋深也受凍脹深度影響，需做好防凍脹設計。帶仰拱段落深挖水溝處理如圖1所示。

圖1 帶仰拱中心排水管埋設（單位：cm）

5 結語

嚴寒地區隧道病害發生的主要原因是凍融破壞，為降低嚴寒地區高速公路隧道病害發生的概率，需要重視保溫系統的設計和過程施工。根據項目工程的實際情況進行隔熱保溫層的鋪設，選擇相應的保溫材料與保溫層鋪設技術，同時對于保溫材料厚度以及隧道保溫長度進行計算選擇，可大大提升嚴寒地區高速公路隧道的保溫質量，為車輛行駛安全提供保障。