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公路隧道冻害防治技术

 

中国广大地区,由于冬季气候寒冷,不少已建隧道衬砌产生冻胀病害(开裂、酥碎、剥落),每逢冬季,就会出现洞顶、侧墙挂冰,路面溜冰等现象,不仅使隧道衬砌遭到破坏,而且会出现侵界,危及行车安全。如对隧道衬砌冻害表面进行清理养护,则费用高、难度大,解决不了根本问题。日本提出采用隔热法和加热法的对策,前苏联提出采用供热法防治冻害,欧洲一些国家则用夹层板构件做成的绝热棚来防治冻害等。这些方法效果不错,但造价高、能耗大,且工艺繁杂、技术要求高,难以在中国推广应用。
中国对防治隧道冻害提出排水防冻技术思路是将衬砌背后围岩中的地下水排除,则主要冻害将大大减轻或消除。为此采取的技术措施有双侧保温水沟、中心深埋水沟、防寒泄水洞等。但在冻结深度大的严寒地区,衬砌背后排水系统和路面下的排水沟往往因冻死而丧失排水功能,导致衬砌和围岩发生冻胀病害。
本文提出了在原衬砌外周设置防水层及防冻隔温层,然后再修筑套衬的技术方案,对隧道温度场进行了全面测试,获得了分布变化规律,为设计提供了依据,并且采用等效厚度法计算防冻隔温层厚度。
1、渗漏和冻害产生原因及防治
1.1工程概况及冻害原因
秦皇岛一青龙公路梯子岭隧道全长1142.72m,纵坡为4.1 %的直线隧道,始建于1993年,1994年底交付使用。由于未做路面设计和防排水设计,交付使用后渗漏滴水,每逢冬季就结冰,隧道内车辆、行人难以通行。为此,秦皇岛市交通局两次组织施工单位进行治理,但隧道渗漏和冻害始终未得到彻底根治。
梯子岭隧道渗漏和冻害的主要原因,除了所在区域的气候条件、水文地质条件外,自然通风和两洞口之间因高差引起的洞内外空气的流动,促进了洞内流动空气与衬砌、围岩之间的冷热交换,加剧了冻害的发展;特别是在隧道设计与施工中,未能建立完善、畅通的防水和保温排水系统。
1.2防治方案
在对国内外已有文献资料进行分析和对国内多个典型隧道防冻害工程进行考察调研的基础上,决定采用在原衬砌外周设置防水层及防冻隔温层(硬质聚氨酯泡沫塑料板材),然后再修筑套衬的技术方案(图1)。该方案的难点是防冻隔温层的设计(包括选材、厚度确定)和施工工艺问题。
2、设计与施工
2.1防冻隔温层的设计方法
在测得围岩最大冻结深度后,以确保衬砌背部水不会冻结来确定防冻隔温层的最小厚度。为此,依据绝热原理,对隧道衬砌表面或内部铺设的防冻隔温层材料利用等效厚度换算法计算其厚度。
防冻隔温层材料的厚度相对于面积而言很薄,故可按平板计算其热流量;隧道是个管状结构,且隧道围岩的冻结深度较大,故可按圆筒计算其热量流。由此可得防冻隔温层厚度的计算公式为
式中:δ为隔温层厚度;λ1为隔温层材料的导热系数;S为隔温层的传热面积;d为实测围岩最大冻结深度;r为隧道的当量半径;A为围岩的导热系数;l为隧道的长度。
经对多种防冻隔温材料进行物理指标及热学参数比较,确定硬质聚氨酯泡沫塑料板材作为防冻隔温层材料。
2.2防冻隔温层的施工工艺
为确保工程质量,降低成本,经对注入成型和喷涂成型两种工艺对比,决定采用现场手工注入成型工艺施工。
由于硬质聚氨酯泡沫塑料密度小,为节约运费,故在隧道洞口修建了临时生产厂房。
考虑到板材加工和安装的方便,板材的尺寸定为1 000 mm×460 mm×40 mm。选用966氯丁防冻胶做为粘结剂,将硬质聚氨酯泡沫塑料板材粘附到防水板上,避免了对防水层的破坏。板材与板材之间的接缝用特制的聚氨酯材料封堵,使整个隧道的板材成为一体,保证了防冻隔温层的整体密封性。
3结语
(1)防冻隔温层的效果测试表明,隔温层背后温度均控制在0℃以上,确保了围岩中的渗水不会结冰,全隧道夏天无渗漏,冬季无冻害。
(2)梯子岭隧道冻害的彻底根治,表明将防排水技术和防冻隔温层技术相结合,可消除或根治冻害的发生,确保寒冷地区隧道正常运营。
(3)采用在原村砌外围设置防水层及防冻隔温层,然后再修筑套村的技术方案,可为寒冷地区既有或新建隧道冻害防治提供参照。