严寒地区高速公路隧道防冻技术

刘军辉，王殿强，马 强

（中国建筑第二工程局有限公司西南分公司，重庆 400023）

0 引言

近年来，我国公路交通建设规模不断增长，严寒地区修建高速公路隧道数量也不断增加，对于特殊的气候温度条件，我国逐步强化了严寒地区高速公路隧道工程防冻技术要求。目前，我国严寒地区高速公路隧道防冻措施主要是利用衬砌保温技术降低隧道冻害发生概率，同时通过搭建完善的隧道排水系统降低衬砌背后积水留存，并借助隧道衬砌保温技术确保隧道排水系统通畅，保证隧道高效安全运行。

1 严寒地区高速公路隧道保温措施

对于严寒地区的高速公路隧道而言，洞内的冷空气对流作用是导致洞内热量不断流失的主要原因。严寒地区的隧道洞内温度呈现出典型的抛物线特征，洞口两边的温度低，隧道中间的温度高，而冻害根源是受到地下水以及围岩间的反复冻融作用，为此，预防冻害的主要原则是确保隧道中的水能够及时流出洞外且不会被冻结。常用的隧道防冻技术有以下3种。

1）加热法 人工向隧道围岩处供热，减少及消除围岩内形成的冻融圈，但所供给的热量无法有效控制温度，易引发原有冻融圈出现融化现象。

2）阳光棚 通过在隧道进出口设置阳光棚，借助太阳辐射提升洞口的环境温度，但应用该防冻技术的弊端是影响人员驾驶安全。

3）衬砌表面贴设保温材料 借助保温层增加洞口环境温度，确保排水系统的正常应用。

2 工程概况

本研究选取严寒地区某高速公路隧道项目。施工区域的最大冻土深度达1.7m，夏季短暂雨量丰富，冬季干寒持续时间长，且该地区的昼夜温差较大，常年平均气温在-2.5～12.0℃，年均日照时间为2 850～2 950h。设计的高速公路隧道出口位于山体斜坡，山体的自然斜坡倾向于西南，坡度倾向在6°左右，山体的表层存在积沙覆盖的情况，边坡稳定性相对较差。

3 预计冻害情况

项目隧道区域的年降水量相对较大，融区时常存在地下水涌出的情况，尤其是在隧道排水系统不通畅的前提下，地下水会由隧道衬砌裂缝向隧道内渗漏，最终侵入隧道的建筑界限。严寒地区的高速公路隧道普遍存在衬砌开裂问题，而导致隧道衬砌开裂的原因不仅是受到地质及施工因素的影响，同时也受到严寒地区气温差异的影响，导致隧道衬砌产生温度应力以及冻胀力，促使严寒地区的高速公路隧道衬砌开裂。受到隧道衬砌水平及斜向开裂的影响，大多数隧道衬砌开裂主要集中于隧道边墙区域，而这种开裂问题的存在将隧道边墙出现凸出、槎牙等问题，主要出现在地下水多次涌出的区域，入冬开始鼓起，春融时开始收缩，且收缩量大多小于鼓起量，最终出现残余变形。

4 防冻保温技术分析

4.1 二次衬砌保温技术的选择

现阶段，隧道二次衬砌常用的保温技术为设置保温层，不同的铺设方法所带来的影响存在一定的差异性。

1）隔热保温层铺设至隧道初期支护以及隧道二次衬砌，极易导致保温层受到损坏。这是由于隔热保温层铺设至初期支护表层，将大大增加保温层材料遇火的概率，进而引发隧道火灾。将隔热保温层铺设至隧道二次衬砌时，保温材料的铺设质量无法得到有效控制，如果保温材料性能失效，工作人员无法立即确定保温材料的失效范围，对隔热保温层的巩固维护更加艰难。此外，隔热层设置于初期支护与二次衬砌之间，将会由于初期支护以及二次衬砌变形不协调增加保温层材料的受力面积，导致保温材料被破坏，最终使隧道保温系统功效无法发挥。

2）将隔热保温层铺设至隧道二次衬砌表面，可有效弥补第1种铺设方法的缺点，大大提升项目施工质量，增加隧道维修养护的便利性，但也存在一定的不足之处。将保温材料设置在二次衬砌表面，极易出现由于安装不牢引发保温层脱落问题，甚至会侵入隧道建筑限界，对隧道中的车辆行驶安全造成影响。设置隔热保温层应用的保温材料不仅能满足保温性能，同时具备一定的防火性能，在满足实用要求的前提下达到美观的效果。但是，将隔热保温层铺设于隧道二次衬砌表面，维修人员不能轻易发现隧道衬砌开裂或者其他病害的迹象，给隧道衬砌检查、检修工作带来不便。

综合对比以上2种保温层设置方法的优缺点，最终选择保温层设置于隧道二次衬砌表面的保温技术。

4.2 保温层材料选择

我国常用的保温层材料种类繁多，按照保温材料材质分类，可分为有机类、无机类以及金属类3种；按照保温材料的形态分类，可分为纤维状、微孔状、层状以及气泡状等。通过对施工项目进行调查研究，选择二次衬砌表面铺设保温材料为福利凯保温层以及FL纤维增强板。

4.3 保温材料厚度的选择

隧道二次衬砌表面铺设的隔热保温层厚度的计算公式为：

式中，啄为隔热层厚度，m；姿1为保温材料导热系数，W/（m·K）；r为隧道当量半径，m；d为围岩厚度，m。

4.4 隧道保温长度的选择

严寒地区高速公路隧道极易出现衬砌混凝土冻害，为此，本次施工设计选择在距离隧道进出洞口500m范围内、受到外界大气温度影响较大的隧道进行衬砌保温设计。

4.5 隧道保温系统施工技术要点

1）先对隧道二次衬砌表面的平整性进行检查，检查其是否存在空洞、蜂窝、深裂缝等问题，对存在的问题进行妥善处理后，方可进行下一步施工工序。

2）在隧道二次衬砌表面进行测位、放线及打眼，在对应位置安装FL膨胀螺栓，将螺栓深埋长度控制在80mm左右，确保螺栓固定的稳定性。

3）将既定厚度的福利凯板直接穿过FL-U形件的支臂，并将其紧贴隧道二次衬砌的表面固定。同时利用FL自攻钉将FL龙骨与暴露于福利凯板表面的FL-U形件的支臂固定。

4）利用FL自攻螺栓将FL纤维增强板与FL龙骨框架进行固定。

5）利用施工人员专用的腻子及网带，将FL纤维增强板之间的缝隙进行密封，密封完整后对其进行平整性打磨，确保板缝处封闭的平整性与完全性。同时也可利用FL纤维增强板的表面进行装饰性处理。

4.6 设计深埋水沟

设计人员在进行深埋水沟具体设计时，需要根据隧道的整体长度、地下水位、水温以及所处地区寒冷季节主导风向、山坡斜度等因素进行确定。对于中短型隧道、全隧道采取深埋水沟施工技术，本次选择洞口500m范围内带仰拱段落，将水沟设计于仰拱下方，对于没有仰拱段落的区域则采取深挖水沟的施工策略。另外，连接纵向排水管与中心水沟的横向排水设置埋深也受冻胀深度影响，需做好防冻胀设计。带仰拱段落深挖水沟处理如图1所示。

图1 带仰拱中心排水管埋设（单位：cm）

5 结语

严寒地区隧道病害发生的主要原因是冻融破坏，为降低严寒地区高速公路隧道病害发生的概率，需要重视保温系统的设计和过程施工。根据项目工程的实际情况进行隔热保温层的铺设，选择相应的保温材料与保温层铺设技术，同时对于保温材料厚度以及隧道保温长度进行计算选择，可大大提升严寒地区高速公路隧道的保温质量，为车辆行驶安全提供保障。