,寒冷地区公路隧道冻害防治技术,寒冷地区公路隧道冻害防治技术,寒区隧道冻害机制及其防治技术,汇报人：陈建勋 教授,寒冷地区公路隧道冻害防治技术,汇报人：陈建勋 教授寒冷地区公路隧道冻害防治技术,一、,项目研究背景,二、主要,研究成果,三、成果的先进性,四、结束语,一、项目研究背景,一、项目研究背景,一、项目研究背景,寒区占中国国土面积的,75%,在这些寒区储藏着大量的资源，如矿产、森林等，为了开发这 些资源必然要做大量的工程建设。其中包括公路与铁路。,季冻区占国土面积,53%,一、项目研究背景,寒区占中国国土面积的75%在这些寒区储藏着大量的资源，如矿产,衬砌漏水、挂冰,隧底冒水、积冰、冻胀,隧道路面溢水结冰,隧道衬砌开裂剥落,衬砌漏水、挂冰隧底冒水、积冰、冻胀隧道路面溢水结冰隧道衬砌开,洞门墙开裂,隧道中心水沟结冰堵塞,隧道洞口处热融滑塌,隧道出水口结冰堵塞,洞门墙开裂隧道中心水沟结冰堵塞隧道洞口处热融滑塌隧道出水口结,一、项目研究背景,冻害问题一直是寒冷地区隧道研究的重点，目前尚未得到完全解决。各种冻害现象在已建和新建隧道中仍不断出现，不仅威胁行车安全，而且大大增加了运营养护费用。,河北秦皇岛梯子岭隧道冬季除冰,内蒙兴安岭隧道冬季路面结冰,一、项目研究背景冻害问题一直是寒冷地区隧道研究的重点，目前尚,二、主要研究成果,二、主要研究成果,长安大学课题组从,1998,年开始，在,国家自然基金委,、,交通运输部,、,教育部,等项目支持下，针对寒冷地区隧道冻害问题开展了研究。,序号,项目名称,起止时间,任务来源,1,寒冷地区隧道防排水防冻害技术研究,1998-2002,河北省交通厅,2,寒冷地区隧道冻害防治技术研究,2001-2004,河北省交通厅,3,寒冷地区公路隧道冻害雪害防治技术研究,2007-2011,西部交通建设科技项目,4,隧道冻害防治技术研究,2008-2011,教育部新世纪优秀人才支持计划,5,寒区隧道喷射混凝土冻融损伤机理及抗冻性的研究,2010-2013,国家自然科学基金,面上项目,6,基于温度效应的隧道衬砌结构力学特性及使用寿命研究,2011-2014,国家自然科学基金,青年项目,二、主要研究成果,长安大学课题组从1998年开始，在国家自然基金委、交,采用查阅文献和实地考察的方法，对隧道冻害情况、气候水文和治理措施进行调查和研究，,建立了寒区隧道数据库,。共,统计,143,座寒区隧道,，其中短隧道,8,座、中长隧道,8,座、长隧道,39,座、特长隧道,18,座；位于高纬度地区的隧道,47,座，高海拔地区的隧道,26,座；季节性冻土隧道,70,座，永久性冻土隧道,3,座。,隧 道 冻 害 调 查 一 览 表,序号,隧道名称,隧道位置及修建时间,隧道概况,气候、水文条件,冻害概况,防治措施,备注,1,兴安岭隧道,位于滨洲铁路线，牙克石市境内，建于,1903,年,全长,3077,米,处于高寒地区，结冰期长达,6,个月以上，最冷月平均气温为,-33,，极限最低气温达,-57,，最大冻结深度为,2.8,米,主要由渗漏水冻结所引起的，冬季危及形成，每年都会使用大量人力刨冰,采用帘幕防寒,通过对调查结果的分析，归纳总结寒冷地区隧道冻害现象、冻害防治措施，提出了寒冷地区隧道修建中存在的问题及启示。,1,、工程调研,采用查阅文献和实地考察的方法，对隧道冻害情况、气候水,（,1,）早期采用矿山法修建的,隧道，采用整体式衬砌（先墙后拱或先拱后墙），防排水系统不完善，未设置防水层，导致隧道修建后拱墙交接处渗漏水结冰冻胀。,严重影响正常运营。例如新疆天山奎先大坂隧道。在日本也是如此。,寒区隧道修建存在的问题及启示,（,2,）采用新奥法修建的隧道，设置了完善的防排水系统，但未设置保温系统，导致隧道衬砌背部地下水冻结、排水管出水口冻结堵塞，严重影响隧道正常运营。,例如甘肃老七道梁隧道，被迫在隧道内采用暖气管道进行加热，消除冻害影响。,（,3,）新建隧道虽然设置了完善的防排水系统和保温系统，但是因施工质量问题，导致隧道运营不久便发生冻害，影响正常运营。,例如大坂山隧道，最初采用防寒泄水洞和防冻隔热层的措施，但由于隧道施工条件艰苦，防排水施工质量较差，运营后不久便出现渗漏，产生了冻害。,（1）早期采用矿山法修建的隧道，采用整体式衬砌（先墙后,总的来讲，采用复合式衬砌（新奥法）以来，有了完善的防排水系统，特别是如果及时能将衬砌背后围岩中的地下水排出，寒冷地区隧道发生冻害的问题就可以得到很大缓解。防冻保温已经得到了广泛的关注和应用，但在解决隧道冻害问题的认识角度，还存在一定的问题。,为此，我们要开展隧道防冻保温技术的研究，提出隧道冻害防治原则是,“防水是基础，排水是核心，保温是关键，三者必须有机结合”,，即采用完善的防排水系统与防冻隔热系统结合的措施防治隧道冻害。,总的来讲，采用复合式衬砌（新奥法）以来，有,2,、隧道温度场变化规律现场测试及分析,在河北秦皇岛梯子岭隧道、河北承德祥云岭隧道、黑龙江绥满公路雾松岭隧道、黑龙江哈尔滨绕城高速天恒山隧道进行现场温度场测试，,取得数据上万组。,梯子岭隧道,雾松岭隧道,天恒山隧道,2、隧道温度场变化规律现场测试及分析 在河北秦皇岛梯,以河北省承德市祥云岭隧道为例，介绍隧道温度场的现场测试与分析。,（,1,）隧道温度场测试项目 包括,洞内外的气温、风速和风向，衬砌表面与内部的温度，衬砌背部围岩的温度，路面及其以下地层的温度。,（,2,）测试断面沿隧道纵向的布置 在隧道内轴线方向共布置了,11,个测试横断面，,洞口段测试断面布置较密集，中间段测试断面布置间距较大。,在西洞口和东洞口外,50m,处测试洞外气温、风速和风向。,（,3,）测点在横断面上的布置 如右图所示，在隧道的拱顶、拱腰和边墙分别布置,测试二次衬砌混凝土表面和内部、喷射混凝土表面及围岩内部温度的测点,（如图,8 A,大样），在隧道路面处布置测试路面混凝土表面和内部的测点（如图,8 B,大样）。,以河北省承德市祥云岭隧道为例，介绍隧道温度场,推广应用PPT-寒冷地区公路隧道冻害防治技术课件,隧道洞内外温度差值与隧道长度的关系,隧道名称,隧道长度,/m,最冷月洞口与洞中日温差,/,新疆天山奎先大坂隧道,6150,24.8,大兴安岭杜草隧道,3849,18.6,大兴安岭西罗奇,2,号隧道,1160,15.6,大兴安岭翠岭,2,号隧道,420,5.0,祥云岭隧道,185,0.5,长隧道贯通后洞内气温都具有“冬暖夏凉”的特点，即暖季洞内温度低于洞外气温，寒季洞内温度高于洞外气温。短隧道洞内外气温相差不大。一般而言，隧道长度小于,500m,，日温差小于,5,。但同时，隧道内气温受风向的影响较大。,长隧道洞口段要进行防冻保温处理，小于,500m,的隧道要全长进行防冻保温处理。,隧道洞内外温度差值与隧道长度的关系隧道名称隧道长度/m最冷,典型断面沿衬砌和围岩不同深度的温度,隧道衬砌背部围岩一定深度范围内的温度都处于,0,以下，而隧道二次衬砌背部防水层后边的喷射混凝土和围岩都有地下水侵入，极容易发生冻害。,采用保温措施，使隧道二次衬砌背部防水层后边的温度处于,0,以上，可以防止隧道冻害的发生。,典型断面沿衬砌和围岩不同深度的温度 隧道衬砌背部围,3,、喷射混凝土抗冻性研究,针对喷射混凝土的抗冻耐久性，课题组进行了一系列的室内试验，包括快速冻融循环试验、压缩试验、电镜扫描试验、,CT,扫描试验。,研究内容：（,1,）喷射混凝土抗冻特性研究,（,2,）引气剂对喷射混凝土抗冻耐久性的影响研究,（,3,）喷射混凝土气泡特征研究,自动快速冻融试验机,CT,扫描,电镜扫描,3、喷射混凝土抗冻性研究 针对喷射混凝土的抗冻,喷射混凝土抗冻耐久性试验结论,:,（,1,）普通喷射混凝土和掺入引气剂的喷射混凝土各测试了两组（每组,2,个试件，每个试件测试,2,个断面）气泡特征参数，掺入引气剂的喷射混凝土的气泡间隔系数平均值为,244.6m,和,287.4m,，普通喷射混凝土的气泡间隔系数平均值为,292.6m,和,329m,。,喷射混凝土中掺入引气剂能够降低气泡间隔系数。,（,2,）喷射混凝土的抗冻耐久性指数随着气泡间隔系数的增大而逐渐降低，从,细观上解释了喷射混凝土中掺入引气剂能够提高喷射混凝土抗冻耐久性。,（,3,）喷射混凝土中的气泡绝大多数为直径小于,200m,的无害气泡，表明,喷射混凝土内部的气孔结构对其抗冻性有利。,喷射混凝土抗冻耐久性试验结论:（1）普通喷射混凝,4,、冻害防治技术,工程实践证明，围岩发生冻害是需要条件的。,温度,水,气温在,0,以下，且低温要足够长,围岩中含水量必须足够多,（,1,）隧道冻害防治原则,防水是基础，排水是核心，保温是关键，三者必须有机结合,4、冻害防治技术工程实践证明，围岩发生冻害是需要条件的。温,（,2,）隧道抗冻设防等级划分,采用综合评判的方法，以最冷月平均气温、冻结深度、地下水的赋存与补给、地下水渗入隧道情况为评价指标，将新建隧道的防冻设防等级划分为,5,级。,寒冷程度,气侯条件,最冷月平均气温,(),冻结深度,(m),0,温,0,-5,0.2,0.7,1,冷,-5,-10,0.7,1.3,2,寒,-10,-15,1.3,1.8,3,重寒,-15,-25,1.8,2.9,4,严寒,-25,2.9,隧道的寒冷程度,地下水对隧道的危害程度,危害程度,地下水条件,地下水赋存与补给条件,地下水渗入隧道情况,0,无,干燥隧道,无,1,轻,含少量水隧道，无补给,少量渗、滴水,2,中,含水隧道，无补给,渗、涌水,3,重,含水隧道，水平补给,持续涌水,4,严重,含水隧道，水平和垂直补给,常年渗、涌水,（2）隧道抗冻设防等级划分 采用综合评判的方法,隧道抗冻设防等级划分,冻害,等级,冻害特征,措 施,无,边沟,轻微，不影响交通,中心排水沟、,U,型沟槽嵌入隔热材料法,衬砌层冻裂，洞内渗水挂冰，路面结冰，冻害发生于,12,月至翌年,2,月,深埋中心排水沟、保温边沟、,U,型沟槽嵌入防冻隔温法、加热防冻法,衬砌破裂较严重，含水围岩较大面积发生渗漏，较大范围挂冰，路面冻冰，冻结期大于,4,5,个月,防冻隔温法、深埋中心排水沟、保温边沟,衬砌层破裂严重，大面积渗漏水，挂冰严重，路面结冰，排水系统被冰塞，冻结期大于,5,个月,防冻隔温法、防寒泄水洞,冻害等级划分及防治措施,隧道抗冻设防等级划分 冻害冻害特征措 施无边沟,隧道防冻隔温层设计包括防冻隔温层材料的选择、厚度和长度的计算，以及防冻隔温层施工工艺。,（,3,）隧道防冻隔温层技术,隔热防冻材料应具备质轻、疏松、多孔、导热系数小的特点。,其性能指标见下表。,隔热防冻材料设置于衬砌内表面时，应增加防火措施。,性能项目,性能指标,导热系数,(W/(mK),0.04,抗压强度,(MPa)（变形10%）,0.1,燃烧性能,B2级阻燃材料,工作温度（,）,-4070,耐静水压力（,MPa）,0.2,浸水,96h吸水率（%）,1,隧道防冻隔温层设计包括防冻隔温层材料的选择、厚,防冻隔温层厚度计算方法有等效厚度法、气象解析法和有限元模拟,计算法等，经过分析，等效厚度法最直接、简单和易于操作。,课题组针,对防冻隔温层表面设置和中间设置分别进行了公式推导。,防冻隔温层厚度计算,围岩的导热系数,防冻隔温层的导热系数,隧道的当量半径,围岩厚度,防冻隔温层的厚度,对于在初期支护与二次衬砌之间设置防冻隔温层的情况：,衬砌混凝土厚度,对于在衬砌表面设置防冻隔温层的情况：,防冻隔温层厚度计算方法有等效厚度法、气象解,防冻隔温层长度确定主要依据隧道内的温度，最直接的方法就是现场实测，而现场实测费时费力，难度较大，只能依靠洞口气温进行预测。,日本黑川希范公式：,L,=154.7(-,t,),0.604,式中：,L,为洞内可能发生冻害位置距离洞口距离；,t,为洞口最冷月平均气温。,因此，最重要的是获得准确的隧道洞口气温。,课题组采用空间插值理论中的,Kriging,法，利用气象测站观测数据，提出了隧道洞口气温计算方法。,防冻隔温层