嚴寒地區公路隧道洞口保溫防凍關鍵應用技術研究

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-2045

作者簡介：王歡（1986—），男，本科，工程師，研究方向為土木工程。

摘 ?要：隨著越來越多的寒冷地區隧道的建設，隧道修建過程中的凍害問題愈發頻繁。隧道洞口作為隧道的初始及咽喉部位，常年受雨雪或氣溫變化的影響，多有凍害產生，隧道的凍害主要為襯砌洞內的掛冰、滲水，襯砌開裂等。以本溪市玉蘭嶺公路隧道為工程依托，開展嚴寒地區隧道洞口不同保溫材料對隧道溫度場的變化規律分析，針對目前寒區隧道廣泛采用的保溫隔熱材料進行各方面的分析對比，提出更優化的保溫方法。對洞口段的防凍保溫至關重要，這是確保隧道防凍保溫的關鍵所在。只有在洞口段做好防凍保溫，才能把整個隧道的防凍保溫做好。

關鍵詞：溫度場 ??隧道洞口 ??數值分析 ??保溫材料

中圖分類號：U452.2;U459.2

隨著我國基礎設施建設的迅速發展，寒區公路隧道建設也在迅速發展。但是，寒區隧道的建設會使原來的溫度場發生明顯的變化，這會對隧道中的襯砌結構造成不利的影響。因此，許多學者從不同的視角對此展開了深入的研究。

許鵬等人通過監測和數值模擬分析初支與二襯間5 cm厚保溫層的有效性發現日周期溫度波動對二襯結構影響較小[1]。吳春勇等人分析了隧道埋深、洞內氣溫和保溫層厚度對隧道溫度場的影響規律，并建立了寒區隧道淺埋段保溫層厚度的設計計算方法[2]。杜浩通過凍融及鹽堿侵蝕試驗及隧道凍脹數值模擬發現單摻硅灰混凝土作為隧道襯砌結構材料，并鋪設0.03 m的福利凱保溫板可以有效地改善洞壁位置的溫度場分布[3]。王仁遠等人根據相似原理搭建模型，提出一種新型的主動保溫措施——隧道洞口段空氣幕保溫措施[4]。

查閱大量文獻和工程實例得出結論，隧道開挖后，圍巖溫度場發生變化，引起圍巖失溫。因此嚴寒地區公路隧道防治凍害的重點在于合理保溫。一種普遍采用的做法是在隧道襯砌結構上鋪設保溫層，不同的保溫材料、不同的鋪設厚度從而保溫效果也不同。因此，掌握隧道圍巖的溫度場對保溫有重要的作用。

1?嚴寒地區隧道外溫度監測分析

本工程玉蘭嶺隧道位于遼寧省本溪市，冬季干冷而夏季濕熱年平均氣溫為6～8 ℃，年平均相對濕度為67%，季節性凍土標準凍深110～120 cm，一般10月中旬結冰，次年3月下旬解凍。

從圖1可以看出全年中共計四個月的平均溫度處于0 ℃以下，其中平均溫度最冷為3月，月平均溫度-20 ℃，因此隧道應采取相應的保溫措施防止凍害。

根據圖2顯示，在隧道進口段隨著進入隧道的距離增加，氣溫也逐漸上升。

2 嚴寒地區隧道保溫防凍措施

隧道主要有兩種基本的保溫防凍措施。

（1）在隧道洞口設置防寒保溫門、鋪設保溫門簾等[5]。

（2）采用有機材料或無機材料等保溫材料對隧道襯砌進行保溫[6]。兩種方式都能從一定程度上減少隧道的凍害。

2.1 ?嚴寒地區防凍保溫材料

在嚴寒地區，為了減少隧道凍害的發生，可采取鋪設隧道保溫材料的措施。這種材料的有效應用可以減緩圍巖、隧道襯砌與外界氣溫之間的溫度交換，從而確保隧道溫度的穩定。具體常見的隧道保溫材料可參考表1。

從表1中可以看出橡膠、巖棉、玻璃棉具有良好的耐熱和導熱性能，但都具有高的可燃性，火災發生時易成為可燃物加大火災。聚氨酯、聚苯乙烯雖可燃性較低，但一旦燃燒則會產生有毒氣體造成二次傷害。酚醛耐熱、導熱性能良好，且無毒無害，適合作為隧道保溫材料。

2.2 ?嚴寒地區防凍保溫材料鋪設方法

為了確保圍巖內部不發生凍結，保溫層被用來保持隧道內的環境溫度高于凍結溫度。因此，將二次襯砌表面溫度≥0?℃作為防凍材料效果的標準。目前，有兩種敷設保溫材料的方式，

（1）保溫層敷設在隧道二次襯砌內表面（SSL）。這種方法施工方便，有助于更合理地構建二次襯砌結構，提供更可靠的隔熱效果，并便于對保溫層進行后期保護。然而，需要對有機材料進行防火處理。

（2）保溫層被敷設在初次襯砌和二次襯砌之間。雙層結構有利于隧道的后期管理，還能減少二次襯砌施工時水化熱對周圍圍巖溫度場的影響。然而，施工難度會顯著提高，并且對保溫層的處理可能對隧道整體結構的穩定性產生影響。

通過比較這兩種方法，被動敷設保溫層仍然是寒區隧道主要的保溫防凍措施。通常情況下，在二次襯砌表面敷設保溫層是常見選擇。常用的保溫材料主要包括酚醛和聚氨酯。

3 ?隧道施工對隧道溫度場分析

3.1 ?襯砌及二襯對隧道溫度場變化分析

由于隧道初次襯砌和二次襯砌施工受多種因素影響，如混凝土水化熱和施工作業溫度等，導致隧道圍巖溫度場發生較大變化。特別是在隧道初次襯砌施工階段，對隧道表層圍巖溫度的影響非常顯著。初次襯砌施工完成，隧道表層圍巖溫度逐漸下降，而施工襯砌作業對隧道深部圍巖的影響有限，溫度變化波動亦相對較小。二次襯砌施工階段同樣會引起圍巖溫升，但由于初襯結構的阻隔作用，這一影響程度明顯低于初次襯砌所造成的溫升影響。在二次襯砌施工完工后，隧道圍巖溫度會逐漸恢復到較低水平。

隧道的襯砌施工對圍巖的融化深度也存在一定的影響。隧道初次襯砌施工導致隧道融化深度急劇增大，在初次襯砌的初期，隧道圍巖融化深度較快，但其后漸漸平緩。隧道二次襯砌的施工對隧道圍巖溫度場的影響，較初次襯砌時明顯減小。但就使圍巖受擾的融化深度而言，二次襯砌仍會產生一定程度的影響。

3.2 ?保溫層厚度對隧道溫度場變化分析

為控制變量，隧道內部環境溫度保持不變。改變保溫層厚度可直接導致周邊巖體溫度場發生明顯變化，且在保溫層鋪設前后的溫度差異尤為突出。雖然保溫層加厚會使巖體溫度持續升高，但溫升幅度則逐步減小。這表明，在隧道內環境溫度保持不變的情況下，增加隔熱層厚度并不會線性地增強防凍保溫效果。隨著隧道環境溫度的降低，每增加單位隔熱層厚度，其防凍絕熱效果將更為理想。因此，在設計防凍絕熱層厚度時，可根據沿隧道軸線溫度分布特征，對其進行分段厚度設置。

4 ?結語

洞口環境溫度顯示，進出口段溫度較隧道內部為低。從洞口到腹地，溫度呈遞增趨勢，且沿隧道軸向傳遞時存在一定滯后性。

此外，添加不同厚度的保溫層后，周邊巖體溫度場出現了明顯變化，尤其是在保溫層鋪設之前和之后，溫度差異變化最為突出。隨著保溫層厚度的增加，圍巖溫度分布逐漸升高，但溫差的變化逐漸減小。需要注意的是，隔熱層厚度的增加并不會線性增強防凍保溫效果。

參考文獻

許鵬，伍毅敏，嚴曉東，等.嚴寒地區高鐵隧道溫度場及保溫層有效性分析[J].中國鐵道科學，2022，43（4）：64-73.

吳春勇，陳柚州，張國柱.寒區隧道淺埋段溫度場解析解[J].公路，2017，62（11）：290-295.

杜浩.高寒鹽堿地區隧道結構穩定性及抗凍保溫研究[D].淮南：安徽理工大學，2022.

王仁遠，朱永全，高焱，等.寒區隧道洞口段空氣幕保溫理論研究[J].鐵道學報，2022，44（11）：144-153.

劉冠.寒冷地區鐵路隧道冬季施工保溫輔助技術[J].工程機械與維修，2023（3）：246-248.

吳濤，劉志春，劉雪嬌，等.寒區隧道保溫層鋪設方式與材料選型優化研究[J].中外公路，2023，43（2）：157-163.