聚氨酯保温管在隧道冻害治理中的应用研究

杨明宇

（辽宁省公路勘测设计公司 沈阳市 110006）

聚氨酯保温管在隧道冻害治理中的应用研究

杨明宇

（辽宁省公路勘测设计公司 沈阳市 110006）

导致寒区隧道结构冻害最根本的原因是冻胀力大于构筑物的强度，以冻胀机理为核心，从隧道选址、设计和施工、弱化隧道边界条件等措施出发，对隧道冻害提出防治措施。以实际工程为背景，以聚氨酯的技术性能为依据，采用钢套钢聚氨酯保温管进行隧道冻害治理，经过两个冻融期的检验，冻害治理效果良好，对寒区隧道的建设和大修工程具有借鉴意义。

寒区隧道；冻胀力；聚氨酯；冻害治理；保温隔热

1 引言

随着运营年限的推移，寒区隧道冻害问题日益突出，如何采用可靠的措施解决寒区隧道的冻害问题是亟待解决的重点。目前，日本采用隔热法和加热法结合的措施，前苏联提出采用供热法防治冻害措施，欧洲则通常采用绝热棚来防治冻害等［1-2］，这些措施对隧道冻害适用性较强，但造价高、能耗大，且工艺繁杂、技术要求高，不适用于我国寒区隧道病害防治的普遍推广。适于我国国情的寒区隧道冻害防治技术还处于探索阶段。

2 冻害机理及防治

寒区隧道冰冻季节在衬砌背后形成冻结圈所产生冻胀力，是隧道冻害产生直接原因，在工程建设中，根据隧址区域的工程地质和水文地质情况，分析可能产生冻害的机理和潜在原因，采用合适的措施防治隧道冻害的发生。

2.1冻胀机理分析

冰冻季节期间，隧道衬砌背后围岩孔隙中充满地下水且其流速缓慢，冬季温度降低在衬砌背后形成冻结圈，地下水体冻结产生体积膨胀，当体积膨胀受到隧道衬砌与围岩双重约束作用时即产生冻胀力［3-4］，作用于支护结构上的冻胀力大于结构材料强度时，使衬砌发生变形和裂缝等病害，甚至导致衬砌渗漏水或结构破坏。隧道支护结构体系的力学稳定性及安全耐久性受众多因素的影响，在其它条件近似的情况下，冻胀力与围岩的冻融状态、含水量大小及冻结体积膨胀率等因素有关，还与隧道冻结圈外围岩与隧道衬砌刚性约束边界条件等有关。

2.2冻害防治

寒区隧道冻害防治的根源在于减小冻胀力，即保持衬砌背后地下水温度在冻结温度以上、减少衬砌背后含水量和含水岩土体的反复冻胀作用。因此，冻害防治应遵循“以防为主，以治为辅，隔温加热、减小冻胀、弱化衬砌刚度、截防排水顺畅”的原则，并采用“多道防护，综合治理”的措施。

（1）充分考虑隧址区域工程地质和水文地质条件，减少隧道围岩中地下水的冻结，并采用合适的保温隔热措施预防隧道冻害。

（2）隧道防排水不畅是隧道产生冻害的另一原因，勘察设计中应合理布置防排水系统，使衬砌背后积水能够及时排除，并做好排水系统的保温措施；必要时可进行注浆隔水围堵，减少衬砌背后含水量。

（3）弱化边界约束条件，减小冻胀力。隧道冻害防治多采用电伴热等衬砌表面加热、衬砌内部加热等措施来减少冻害产生，而采用新型聚氨酯等保温措施时，除保温效果外，在地下水冻结膨胀时，还能缓解冻胀变形，减少冻胀力，可大幅减少隧道冻害的产生。

（4）多种防治措施相结合，综合治理隧道冻害。冻害是个复杂而且影响因素较多的综合病害，采用单一处理方法未必取得理想效果，故病害处理时应综合考虑不同冻害机理采用不同防治措施。

（5）隧道营运期间应进行日常检修和养护，发现问题及时解决和治理，以免病害加大。

3 聚氨酯保温管技术性能

聚氨酯保温管适合输送各种介质，广泛应用于集中供热、供冷和热油的输送及煤矿、化工等行业的保温保冷工程，在交通行业应用较少。

3.1钢套钢复合保温管构成

钢套钢复合保温管保温结构由工作钢管、减阻层、隔热层、铝箔反射层、聚氨酯保温层、防腐层等组成。钢管表面经过抛丸除锈工艺处理，除锈等级可达到Sa2级，表面粗糙度达到R=12.5μm，耐压强度可达3.6～4.1MPa。在内外工作钢管之间的空腔中加入聚氨酯保温层，厚度不小于5cm。

3.2保温管性能及技术指标

（1）强耐腐蚀和防水能力。聚氨酯保温层的闭孔率大于88%，平均孔径小于 0.5mm，而吸水率小于10%，低导热系数、低吸水率及外层防水层综合作用，减少了整体热能损耗。

（2）热损耗低，节约能源。聚氨酯的导热系数小于0.03W/（m·K），憎水率小于3%。

（3）防腐，绝缘性能好，使用寿命长。聚氨脂保温层隔绝空气和水的渗入，且其吸水性很小，具有良好的防腐作用，其工作温度适用于-50～120℃范围内，钢套钢保温管使用寿命可达50年以上。

（4）抗压强度高。聚氨酯保温层的抗压强度达到0.3MPa，而钢套钢复合保温管的抗压强度达到3.6～4.1MPa，能够满足公路隧道车辆及上覆结构层荷载的要求。

4 工程应用

4.1概况

新开岭隧道位于辽宁省本溪市，隧址区为北温带季风气候，最高气温达34℃，最低气温-33℃；年降水量800～900mm。隧道全长为730m，净宽为10.5m，净高为5m，隧道内纵坡为1.6%，设计时速40km/h，隧址区设计冻深为1.3m。初春时节隧道内出现检查井及路侧电缆槽冒水、路面结冰等病害，并伴随着局部路段水泥混凝土路面断裂鼓起等冻害。

4.2路面冻害原因分析

隧道病害产生原因是个复杂的过程，针对本隧道路面冒水、结冰及路面结构层局部断裂的病害原因主要有以下两方面。

（1）隧址位于寒冷地区，南北走向，冬季隧道内最低气温接近-30℃，中心排水管埋置深度小于设计冻深，致使路面下因冻结而丧失排水功能，导致路面冒水结冰和局部断裂发生冻胀病害。

（2）由于初春气温上升，隧址区域地表冻层融化，融雪水及解冻水通过地表下渗形成岩石裂隙水［5］，由隧道环向排水系统通过横向排水管排入中心排水沟，而隧道内温度回升缓慢，洞内外温差较大，导致路面下排水系统冻结阻断出水路线，中心排水沟局部冻结产生冻胀力，是隧道路面局部断裂病害的另一原因。

4.3优化设计和施工

隧道冻结病害治理遵循“维持结构稳定，满足限界规定，因地制宜，综合治理”的原则，保证隧道结构物和运营设备的正常使用和行车安全，本隧道冻害主要是埋深不足，导致中心排水沟冻结丧失排水功能引发的次生病害，优化设计中洞内采用聚氨酯保温排水管和洞外保暖包头相结合的保温措施，保证地下水能及时顺畅排出。

（1）中心排水沟：凿除现有路面结构，以不破坏仰拱即二次衬砌为基本原则，清理管沟沟槽，采用Φ108的聚氨酯保温横向排水管与侧壁曲墙的出水口相连，保证连接紧密不漏水；中心排水沟采用钢套钢聚氨酯保温管的型式，外管采用Φ630，壁厚8mm，内管采用Φ426，壁厚为5mm，两层钢管中间安装聚氨酯保温层，保温层厚度为80mm。排水平面布置及横断面布置详见图1、图2。排水管铺设要顺直，横向排水管和聚氨酯保温管的连接要紧密，密闭性良好，聚氨酯保温管上部采用回填煤渣等轻质保温材料的措施进行二次保温。

（2）检查井保温处理：检查井每50m设置一个，井壁周围采用聚氨酯保温层包裹，井盖采用保温隔热型井盖，顶部回填煤渣等轻质保温材料，精细化施工，避免检查井等二次冻害发生。

（3）洞外保温：洞外中心排水沟埋置深度加大至冻结线以下，排水出口位于洞外50m的路基边坡外的保暖包头连接，保暖包头采取必要的保温防冻措施，增大排水纵坡，保证隧道地下水在冬季能够顺利排出。

4.4效果分析

项目竣工后经过两个冻融期检验，隧道衬砌背后无积水现象，减少了衬砌冻胀破坏的概率，横向排水管和中心排水沟冬季没有冻结迹象，排水系统通畅，并且隧道优化排水施工没有带来次生病害，隧道冻害得到有效的治理。

5 结语

经过两个冻融期，原病害现象没有再现，表明冻害治理效果良好。寒区隧道冻害治理中采用聚氨酯保温管，保温隔热性能良好，有效防治和减小隧道冻害的发生概率；寒区新建隧道，可采用聚氨酯保温层作为衬砌保温隔热层，将隧道冻害概率降到最低。

［1］ 关宝树.隧道工程维修管理要点集［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］ 铁道第三勘察设计院.冻土工程［M］.北京：中国铁道出版社，2002.

［4］ 陈建勋.寒冷地区隧道防冻隔温层设计计算方法及应用［J］.土木工程学报，2004，37（11）：85-88.

［5］ 吕康成，崔凌秋，解赴东.寒区隧道春融期渗漏水原因分析及预防方法［J］.现代隧道技术，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