聚氨酯保溫管在隧道凍害治理中的應(yīng)用研究

楊明宇

（遼寧省公路勘測(cè)設(shè)計(jì)公司 沈陽(yáng)市 110006）

聚氨酯保溫管在隧道凍害治理中的應(yīng)用研究

楊明宇

（遼寧省公路勘測(cè)設(shè)計(jì)公司 沈陽(yáng)市 110006）

導(dǎo)致寒區(qū)隧道結(jié)構(gòu)凍害最根本的原因是凍脹力大于構(gòu)筑物的強(qiáng)度，以凍脹機(jī)理為核心，從隧道選址、設(shè)計(jì)和施工、弱化隧道邊界條件等措施出發(fā)，對(duì)隧道凍害提出防治措施。以實(shí)際工程為背景，以聚氨酯的技術(shù)性能為依據(jù)，采用鋼套鋼聚氨酯保溫管進(jìn)行隧道凍害治理，經(jīng)過(guò)兩個(gè)凍融期的檢驗(yàn)，凍害治理效果良好，對(duì)寒區(qū)隧道的建設(shè)和大修工程具有借鑒意義。

寒區(qū)隧道；凍脹力；聚氨酯；凍害治理；保溫隔熱

1 引言

隨著運(yùn)營(yíng)年限的推移，寒區(qū)隧道凍害問(wèn)題日益突出，如何采用可靠的措施解決寒區(qū)隧道的凍害問(wèn)題是亟待解決的重點(diǎn)。目前，日本采用隔熱法和加熱法結(jié)合的措施，前蘇聯(lián)提出采用供熱法防治凍害措施，歐洲則通常采用絕熱棚來(lái)防治凍害等［1-2］，這些措施對(duì)隧道凍害適用性較強(qiáng)，但造價(jià)高、能耗大，且工藝繁雜、技術(shù)要求高，不適用于我國(guó)寒區(qū)隧道病害防治的普遍推廣。適于我國(guó)國(guó)情的寒區(qū)隧道凍害防治技術(shù)還處于探索階段。

2 凍害機(jī)理及防治

寒區(qū)隧道冰凍季節(jié)在襯砌背后形成凍結(jié)圈所產(chǎn)生凍脹力，是隧道凍害產(chǎn)生直接原因，在工程建設(shè)中，根據(jù)隧址區(qū)域的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況，分析可能產(chǎn)生凍害的機(jī)理和潛在原因，采用合適的措施防治隧道凍害的發(fā)生。

2.1凍脹機(jī)理分析

冰凍季節(jié)期間，隧道襯砌背后圍巖孔隙中充滿地下水且其流速緩慢，冬季溫度降低在襯砌背后形成凍結(jié)圈，地下水體凍結(jié)產(chǎn)生體積膨脹，當(dāng)體積膨脹受到隧道襯砌與圍巖雙重約束作用時(shí)即產(chǎn)生凍脹力［3-4］，作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的凍脹力大于結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度時(shí)，使襯砌發(fā)生變形和裂縫等病害，甚至導(dǎo)致襯砌滲漏水或結(jié)構(gòu)破壞。隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)穩(wěn)定性及安全耐久性受眾多因素的影響，在其它條件近似的情況下，凍脹力與圍巖的凍融狀態(tài)、含水量大小及凍結(jié)體積膨脹率等因素有關(guān)，還與隧道凍結(jié)圈外圍巖與隧道襯砌剛性約束邊界條件等有關(guān)。

2.2凍害防治

寒區(qū)隧道凍害防治的根源在于減小凍脹力，即保持襯砌背后地下水溫度在凍結(jié)溫度以上、減少襯砌背后含水量和含水巖土體的反復(fù)凍脹作用。因此，凍害防治應(yīng)遵循“以防為主，以治為輔，隔溫加熱、減小凍脹、弱化襯砌剛度、截防排水順暢”的原則，并采用“多道防護(hù)，綜合治理”的措施。

（1）充分考慮隧址區(qū)域工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，減少隧道圍巖中地下水的凍結(jié)，并采用合適的保溫隔熱措施預(yù)防隧道凍害。

（2）隧道防排水不暢是隧道產(chǎn)生凍害的另一原因，勘察設(shè)計(jì)中應(yīng)合理布置防排水系統(tǒng)，使襯砌背后積水能夠及時(shí)排除，并做好排水系統(tǒng)的保溫措施；必要時(shí)可進(jìn)行注漿隔水圍堵，減少襯砌背后含水量。

（3）弱化邊界約束條件，減小凍脹力。隧道凍害防治多采用電伴熱等襯砌表面加熱、襯砌內(nèi)部加熱等措施來(lái)減少凍害產(chǎn)生，而采用新型聚氨酯等保溫措施時(shí)，除保溫效果外，在地下水凍結(jié)膨脹時(shí)，還能緩解凍脹變形，減少凍脹力，可大幅減少隧道凍害的產(chǎn)生。

（4）多種防治措施相結(jié)合，綜合治理隧道凍害。凍害是個(gè)復(fù)雜而且影響因素較多的綜合病害，采用單一處理方法未必取得理想效果，故病害處理時(shí)應(yīng)綜合考慮不同凍害機(jī)理采用不同防治措施。

（5）隧道營(yíng)運(yùn)期間應(yīng)進(jìn)行日常檢修和養(yǎng)護(hù)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)解決和治理，以免病害加大。

3 聚氨酯保溫管技術(shù)性能

聚氨酯保溫管適合輸送各種介質(zhì)，廣泛應(yīng)用于集中供熱、供冷和熱油的輸送及煤礦、化工等行業(yè)的保溫保冷工程，在交通行業(yè)應(yīng)用較少。

3.1鋼套鋼復(fù)合保溫管構(gòu)成

鋼套鋼復(fù)合保溫管保溫結(jié)構(gòu)由工作鋼管、減阻層、隔熱層、鋁箔反射層、聚氨酯保溫層、防腐層等組成。鋼管表面經(jīng)過(guò)拋丸除銹工藝處理，除銹等級(jí)可達(dá)到Sa2級(jí)，表面粗糙度達(dá)到R=12.5μm，耐壓強(qiáng)度可達(dá)3.6～4.1MPa。在內(nèi)外工作鋼管之間的空腔中加入聚氨酯保溫層，厚度不小于5cm。

3.2保溫管性能及技術(shù)指標(biāo)

（1）強(qiáng)耐腐蝕和防水能力。聚氨酯保溫層的閉孔率大于88%，平均孔徑小于 0.5mm，而吸水率小于10%，低導(dǎo)熱系數(shù)、低吸水率及外層防水層綜合作用，減少了整體熱能損耗。

（2）熱損耗低，節(jié)約能源。聚氨酯的導(dǎo)熱系數(shù)小于0.03W/（m·K），憎水率小于3%。

（3）防腐，絕緣性能好，使用壽命長(zhǎng)。聚氨脂保溫層隔絕空氣和水的滲入，且其吸水性很小，具有良好的防腐作用，其工作溫度適用于-50～120℃范圍內(nèi)，鋼套鋼保溫管使用壽命可達(dá)50年以上。

（4）抗壓強(qiáng)度高。聚氨酯保溫層的抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.3MPa，而鋼套鋼復(fù)合保溫管的抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.6～4.1MPa，能夠滿足公路隧道車(chē)輛及上覆結(jié)構(gòu)層荷載的要求。

4 工程應(yīng)用

4.1概況

新開(kāi)嶺隧道位于遼寧省本溪市，隧址區(qū)為北溫帶季風(fēng)氣候，最高氣溫達(dá)34℃，最低氣溫-33℃；年降水量800～900mm。隧道全長(zhǎng)為730m，凈寬為10.5m，凈高為5m，隧道內(nèi)縱坡為1.6%，設(shè)計(jì)時(shí)速40km/h，隧址區(qū)設(shè)計(jì)凍深為1.3m。初春時(shí)節(jié)隧道內(nèi)出現(xiàn)檢查井及路側(cè)電纜槽冒水、路面結(jié)冰等病害，并伴隨著局部路段水泥混凝土路面斷裂鼓起等凍害。

4.2路面凍害原因分析

隧道病害產(chǎn)生原因是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，針對(duì)本隧道路面冒水、結(jié)冰及路面結(jié)構(gòu)層局部斷裂的病害原因主要有以下兩方面。

（1）隧址位于寒冷地區(qū)，南北走向，冬季隧道內(nèi)最低氣溫接近-30℃，中心排水管埋置深度小于設(shè)計(jì)凍深，致使路面下因凍結(jié)而喪失排水功能，導(dǎo)致路面冒水結(jié)冰和局部斷裂發(fā)生凍脹病害。

（2）由于初春氣溫上升，隧址區(qū)域地表凍層融化，融雪水及解凍水通過(guò)地表下滲形成巖石裂隙水［5］，由隧道環(huán)向排水系統(tǒng)通過(guò)橫向排水管排入中心排水溝，而隧道內(nèi)溫度回升緩慢，洞內(nèi)外溫差較大，導(dǎo)致路面下排水系統(tǒng)凍結(jié)阻斷出水路線，中心排水溝局部?jī)鼋Y(jié)產(chǎn)生凍脹力，是隧道路面局部斷裂病害的另一原因。

4.3優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工

隧道凍結(jié)病害治理遵循“維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，滿足限界規(guī)定，因地制宜，綜合治理”的原則，保證隧道結(jié)構(gòu)物和運(yùn)營(yíng)設(shè)備的正常使用和行車(chē)安全，本隧道凍害主要是埋深不足，導(dǎo)致中心排水溝凍結(jié)喪失排水功能引發(fā)的次生病害，優(yōu)化設(shè)計(jì)中洞內(nèi)采用聚氨酯保溫排水管和洞外保暖包頭相結(jié)合的保溫措施，保證地下水能及時(shí)順暢排出。

（1）中心排水溝：鑿除現(xiàn)有路面結(jié)構(gòu)，以不破壞仰拱即二次襯砌為基本原則，清理管溝溝槽，采用Φ108的聚氨酯保溫橫向排水管與側(cè)壁曲墻的出水口相連，保證連接緊密不漏水；中心排水溝采用鋼套鋼聚氨酯保溫管的型式，外管采用Φ630，壁厚8mm，內(nèi)管采用Φ426，壁厚為5mm，兩層鋼管中間安裝聚氨酯保溫層，保溫層厚度為80mm。排水平面布置及橫斷面布置詳見(jiàn)圖1、圖2。排水管鋪設(shè)要順直，橫向排水管和聚氨酯保溫管的連接要緊密，密閉性良好，聚氨酯保溫管上部采用回填煤渣等輕質(zhì)保溫材料的措施進(jìn)行二次保溫。

（2）檢查井保溫處理：檢查井每50m設(shè)置一個(gè)，井壁周?chē)捎镁郯滨ケ貙影?，井蓋采用保溫隔熱型井蓋，頂部回填煤渣等輕質(zhì)保溫材料，精細(xì)化施工，避免檢查井等二次凍害發(fā)生。

（3）洞外保溫：洞外中心排水溝埋置深度加大至凍結(jié)線以下，排水出口位于洞外50m的路基邊坡外的保暖包頭連接，保暖包頭采取必要的保溫防凍措施，增大排水縱坡，保證隧道地下水在冬季能夠順利排出。

4.4效果分析

項(xiàng)目竣工后經(jīng)過(guò)兩個(gè)凍融期檢驗(yàn)，隧道襯砌背后無(wú)積水現(xiàn)象，減少了襯砌凍脹破壞的概率，橫向排水管和中心排水溝冬季沒(méi)有凍結(jié)跡象，排水系統(tǒng)通暢，并且隧道優(yōu)化排水施工沒(méi)有帶來(lái)次生病害，隧道凍害得到有效的治理。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)兩個(gè)凍融期，原病害現(xiàn)象沒(méi)有再現(xiàn)，表明凍害治理效果良好。寒區(qū)隧道凍害治理中采用聚氨酯保溫管，保溫隔熱性能良好，有效防治和減小隧道凍害的發(fā)生概率；寒區(qū)新建隧道，可采用聚氨酯保溫層作為襯砌保溫隔熱層，將隧道凍害概率降到最低。

［1］ 關(guān)寶樹(shù).隧道工程維修管理要點(diǎn)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］ 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院.凍土工程［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2002.

［4］ 陳建勛.寒冷地區(qū)隧道防凍隔溫層設(shè)計(jì)計(jì)算方法及應(yīng)用［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2004，37（11）：85-88.

［5］ 呂康成，崔凌秋，解赴東.寒區(qū)隧道春融期滲漏水原因分析及預(yù)防方法［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，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