嚴寒地區(qū)公路隧道洞口保溫防凍關(guān)鍵應用技術(shù)研究

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-2045

作者簡介：王歡（1986—），男，本科，工程師，研究方向為土木工程。

摘 ?要：隨著越來越多的寒冷地區(qū)隧道的建設(shè)，隧道修建過程中的凍害問題愈發(fā)頻繁。隧道洞口作為隧道的初始及咽喉部位，常年受雨雪或氣溫變化的影響，多有凍害產(chǎn)生，隧道的凍害主要為襯砌洞內(nèi)的掛冰、滲水，襯砌開裂等。以本溪市玉蘭嶺公路隧道為工程依托，開展嚴寒地區(qū)隧道洞口不同保溫材料對隧道溫度場的變化規(guī)律分析，針對目前寒區(qū)隧道廣泛采用的保溫隔熱材料進行各方面的分析對比，提出更優(yōu)化的保溫方法。對洞口段的防凍保溫至關(guān)重要，這是確保隧道防凍保溫的關(guān)鍵所在。只有在洞口段做好防凍保溫，才能把整個隧道的防凍保溫做好。

關(guān)鍵詞：溫度場 ??隧道洞口 ??數(shù)值分析 ??保溫材料

中圖分類號：U452.2;U459.2

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅速發(fā)展，寒區(qū)公路隧道建設(shè)也在迅速發(fā)展。但是，寒區(qū)隧道的建設(shè)會使原來的溫度場發(fā)生明顯的變化，這會對隧道中的襯砌結(jié)構(gòu)造成不利的影響。因此，許多學者從不同的視角對此展開了深入的研究。

許鵬等人通過監(jiān)測和數(shù)值模擬分析初支與二襯間5 cm厚保溫層的有效性發(fā)現(xiàn)日周期溫度波動對二襯結(jié)構(gòu)影響較小[1]。吳春勇等人分析了隧道埋深、洞內(nèi)氣溫和保溫層厚度對隧道溫度場的影響規(guī)律，并建立了寒區(qū)隧道淺埋段保溫層厚度的設(shè)計計算方法[2]。杜浩通過凍融及鹽堿侵蝕試驗及隧道凍脹數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)單摻硅灰混凝土作為隧道襯砌結(jié)構(gòu)材料，并鋪設(shè)0.03 m的福利凱保溫板可以有效地改善洞壁位置的溫度場分布[3]。王仁遠等人根據(jù)相似原理搭建模型，提出一種新型的主動保溫措施——隧道洞口段空氣幕保溫措施[4]。

查閱大量文獻和工程實例得出結(jié)論，隧道開挖后，圍巖溫度場發(fā)生變化，引起圍巖失溫。因此嚴寒地區(qū)公路隧道防治凍害的重點在于合理保溫。一種普遍采用的做法是在隧道襯砌結(jié)構(gòu)上鋪設(shè)保溫層，不同的保溫材料、不同的鋪設(shè)厚度從而保溫效果也不同。因此，掌握隧道圍巖的溫度場對保溫有重要的作用。

1?嚴寒地區(qū)隧道外溫度監(jiān)測分析

本工程玉蘭嶺隧道位于遼寧省本溪市，冬季干冷而夏季濕熱年平均氣溫為6～8 ℃，年平均相對濕度為67%，季節(jié)性凍土標準凍深110～120 cm，一般10月中旬結(jié)冰，次年3月下旬解凍。

從圖1可以看出全年中共計四個月的平均溫度處于0 ℃以下，其中平均溫度最冷為3月，月平均溫度-20 ℃，因此隧道應采取相應的保溫措施防止凍害。

根據(jù)圖2顯示，在隧道進口段隨著進入隧道的距離增加，氣溫也逐漸上升。

2 嚴寒地區(qū)隧道保溫防凍措施

隧道主要有兩種基本的保溫防凍措施。

（1）在隧道洞口設(shè)置防寒保溫門、鋪設(shè)保溫門簾等[5]。

（2）采用有機材料或無機材料等保溫材料對隧道襯砌進行保溫[6]。兩種方式都能從一定程度上減少隧道的凍害。

2.1 ?嚴寒地區(qū)防凍保溫材料

在嚴寒地區(qū)，為了減少隧道凍害的發(fā)生，可采取鋪設(shè)隧道保溫材料的措施。這種材料的有效應用可以減緩圍巖、隧道襯砌與外界氣溫之間的溫度交換，從而確保隧道溫度的穩(wěn)定。具體常見的隧道保溫材料可參考表1。

從表1中可以看出橡膠、巖棉、玻璃棉具有良好的耐熱和導熱性能，但都具有高的可燃性，火災發(fā)生時易成為可燃物加大火災。聚氨酯、聚苯乙烯雖可燃性較低，但一旦燃燒則會產(chǎn)生有毒氣體造成二次傷害。酚醛耐熱、導熱性能良好，且無毒無害，適合作為隧道保溫材料。

2.2 ?嚴寒地區(qū)防凍保溫材料鋪設(shè)方法

為了確保圍巖內(nèi)部不發(fā)生凍結(jié)，保溫層被用來保持隧道內(nèi)的環(huán)境溫度高于凍結(jié)溫度。因此，將二次襯砌表面溫度≥0?℃作為防凍材料效果的標準。目前，有兩種敷設(shè)保溫材料的方式，

（1）保溫層敷設(shè)在隧道二次襯砌內(nèi)表面（SSL）。這種方法施工方便，有助于更合理地構(gòu)建二次襯砌結(jié)構(gòu)，提供更可靠的隔熱效果，并便于對保溫層進行后期保護。然而，需要對有機材料進行防火處理。

（2）保溫層被敷設(shè)在初次襯砌和二次襯砌之間。雙層結(jié)構(gòu)有利于隧道的后期管理，還能減少二次襯砌施工時水化熱對周圍圍巖溫度場的影響。然而，施工難度會顯著提高，并且對保溫層的處理可能對隧道整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

通過比較這兩種方法，被動敷設(shè)保溫層仍然是寒區(qū)隧道主要的保溫防凍措施。通常情況下，在二次襯砌表面敷設(shè)保溫層是常見選擇。常用的保溫材料主要包括酚醛和聚氨酯。

3 ?隧道施工對隧道溫度場分析

3.1 ?襯砌及二襯對隧道溫度場變化分析

由于隧道初次襯砌和二次襯砌施工受多種因素影響，如混凝土水化熱和施工作業(yè)溫度等，導致隧道圍巖溫度場發(fā)生較大變化。特別是在隧道初次襯砌施工階段，對隧道表層圍巖溫度的影響非常顯著。初次襯砌施工完成，隧道表層圍巖溫度逐漸下降，而施工襯砌作業(yè)對隧道深部圍巖的影響有限，溫度變化波動亦相對較小。二次襯砌施工階段同樣會引起圍巖溫升，但由于初襯結(jié)構(gòu)的阻隔作用，這一影響程度明顯低于初次襯砌所造成的溫升影響。在二次襯砌施工完工后，隧道圍巖溫度會逐漸恢復到較低水平。

隧道的襯砌施工對圍巖的融化深度也存在一定的影響。隧道初次襯砌施工導致隧道融化深度急劇增大，在初次襯砌的初期，隧道圍巖融化深度較快，但其后漸漸平緩。隧道二次襯砌的施工對隧道圍巖溫度場的影響，較初次襯砌時明顯減小。但就使圍巖受擾的融化深度而言，二次襯砌仍會產(chǎn)生一定程度的影響。

3.2 ?保溫層厚度對隧道溫度場變化分析

為控制變量，隧道內(nèi)部環(huán)境溫度保持不變。改變保溫層厚度可直接導致周邊巖體溫度場發(fā)生明顯變化，且在保溫層鋪設(shè)前后的溫度差異尤為突出。雖然保溫層加厚會使巖體溫度持續(xù)升高，但溫升幅度則逐步減小。這表明，在隧道內(nèi)環(huán)境溫度保持不變的情況下，增加隔熱層厚度并不會線性地增強防凍保溫效果。隨著隧道環(huán)境溫度的降低，每增加單位隔熱層厚度，其防凍絕熱效果將更為理想。因此，在設(shè)計防凍絕熱層厚度時，可根據(jù)沿隧道軸線溫度分布特征，對其進行分段厚度設(shè)置。

4 ?結(jié)語

洞口環(huán)境溫度顯示，進出口段溫度較隧道內(nèi)部為低。從洞口到腹地，溫度呈遞增趨勢，且沿隧道軸向傳遞時存在一定滯后性。

此外，添加不同厚度的保溫層后，周邊巖體溫度場出現(xiàn)了明顯變化，尤其是在保溫層鋪設(shè)之前和之后，溫度差異變化最為突出。隨著保溫層厚度的增加，圍巖溫度分布逐漸升高，但溫差的變化逐漸減小。需要注意的是，隔熱層厚度的增加并不會線性增強防凍保溫效果。

參考文獻

許鵬，伍毅敏，嚴曉東，等.嚴寒地區(qū)高鐵隧道溫度場及保溫層有效性分析[J].中國鐵道科學，2022，43（4）：64-73.

吳春勇，陳柚州，張國柱.寒區(qū)隧道淺埋段溫度場解析解[J].公路，2017，62（11）：290-295.

杜浩.高寒鹽堿地區(qū)隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及抗凍保溫研究[D].淮南：安徽理工大學，2022.

王仁遠，朱永全，高焱，等.寒區(qū)隧道洞口段空氣幕保溫理論研究[J].鐵道學報，2022，44（11）：144-153.

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吳濤，劉志春，劉雪嬌，等.寒區(qū)隧道保溫層鋪設(shè)方式與材料選型優(yōu)化研究[J].中外公路，2023，43（2）：157-163.