寒区公路隧道防冻保暖技术及其发展趋势

(1同济大学 地下建筑与工程系 上海 200092；

2同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验宝 上海 200092)

摘 要 在寒冷地区修建交通隧道工程，最主要的问题是隧道主体结构尤其是洞口投的 结构抗防冻能力，运营期间的安全性及结构的长期寿命等问题。寒区隧道建成后受地质构造、 地下水、地温、气候条件和隧道通风等多种因素的影响，易出现洞内路面结冰、衬砌破损、渗漏水，并导致供部挂冰、侧墙出现冰柱等病害，严重影响行车安全c目前，常用的冻害治理方法是被动防寒和主动供暖。通过已建寒区隧道的防冻保暖测试效果可得，仅靠被动设防不能彻底根除隧道冻害，唯有主动供暖与隔热层相结合的办法才能彻底根除冻害。 目前常用的主动供暖方式存在能耗大、维护费用高以及环境污染等问题。因此迫切需要开发和研制节能型主动供暖系统。

关键词 寒区隧道 冻害 被动防寒 主动供暖 节能型主动供暖系统 l 引 言

在我国冻土区分布非常广泛，其中多年冻土主要分布在东北大、小兴安岭和松嫩平原北部及西部高山和青藏高原，并零星分布在季节冻土区内的一些高山IL“。我国多年冻土区面积有215万平方千米，占国土总面积的22．4％。在西部大开发战略中，建成西部便利的交通系统是西部经济发展和社会进步的必然环节。随着我国在青藏高原铁路、公路建设的兴起，寒冷地区隧道的抗防冻问题日益受到工程界的关注和重视。在寒冷地区修建隧道工程，与一般地区相比，技术性问题安复杂得多，最主要的问题是隧道结构尤其是洞口带的结构抗防冻能力、运营期间的安全性及结构的长期寿命等问题。

日本道路公团和日本铁道综合技术研究所最近的统计表盼’，日本全国3800座铁路隧道中有1100座因冻害原因，在冬季运营期危及到行车安全；公路隧道中，仅北海道地区的302座大型公路隧道中发生严重冻害的就有104座c挪威寒区隧道都出现了大范围的漏水、挂冰以及冰溜等灾害。

在我国东北和西北地区有x座铁路隧道存在不同程度的冻害，以致常年有8—9个月不能使用，东北嫩林线和牙林线的洞门都有开裂现象，嫩林塔河一樟岭白卡尔隧道、西罗奇2号隧道。林碧支线上的翠岭2号隧道，牙林线岭顶隧道，南疆线奎屯隧道等处于严寒或多年冻土地区，在建成后普遍存在衬砌冻涨开裂、酥碎、剥落、挂冰、道床冒水、积水及结冰等病害，严重威胁行车安全’(如图l所示)。

国内外的寒区隧道工程针对气候、结构特点，采取了多种形式的防冻保暖措施。本文首先汇总了寒区隧道的冻害形式，在总结国内外寒区隧道惯用的防寒保暖措施的基础上，从防寒保暖效果、经济及环境等方面对保暖措施进行了对比分析，发现现行保暖措施的不足之处，并提出了解决途径，即研制和开发节能型主动供暖系统。

图1 我国40个寒区隧道冻害统计

2 寒区公路隧道的冻害情况

通过对大量寒区隧道冻害现象的调查研究，并经过实地考察，寒区隧道主要发生

以厂类型的冻害：

2．1 隧道衬砌漏水、挂水

当寒冷地区年降水量较大、围岩破碎、围岩内贮水量丰富时，隧道通过融区时往往右地下水涌出，在排水系统不通畅酌情况下，地下水将个可避免地通过隧道衬砌上的裂缝向隧道内渗漏。

地下水的渗漏一到冬季就会山现麻烦，隧道衬砌裂缝渗漏出来的地下水在负温下逐渐冻结，在拱顶及边墙上将出现一串串的冰柱．其形状很像钟乳石，随着渗漏地下水的不断补给，冰柱也逐渐加粗，有时冰榨的直径可超过l m，严重侵入隧道的建筑限界。

2．2 隧道衬砌开裂、酥碎、剥落

寒区隧道普遍存在刘砌开裂的问题。隧道衬砌开裂的原因除了地质情况、结构类型和施工影响等因素外，内于寒冷地区的日温差及年温差都很大，因而隧道衬砌上产生的温度应力和冻胀力的作用是寒区隧道衬砌升裂的最主要原因。隧道衬砌环向开裂是寒区隧道比较突出的一个问题，并且环向裂缝一多就增加了地下水渗漏的通道，同时也使衬砌的风化剥蚀作用加剧。根据调变统计，在东北林区铁路隧道巾，沿着隧道轴向环向裂缝平均4m就有一条，裂缝宽1．o—3．o一，冬季扩展，夏季闭合，宽度随气温的变化而变化。

隧道衬砌水平及斜向开裂绝大部分产生在隧道边墙处。这种开裂危害性很大，严重时可使边墙凸出、错牙。这种开裂大多发生在地下水涌出的地段，而且是衬砌背后元排水系统的边墙上，墙面在入冬时开始鼓起，春融时又逐渐收缩，但一般收缩量要小于鼓起量，有残余变形。此外，开裂与隧道村砌的结构形式关系密切，宜墙式衬砌比曲墙式衬砌开裂要严重得多。由此可见，隧道衬砌水平及斜向开裂主要是衬砌背后的积水或含水围岩冻脓所致(如图2所示)。

2．3 随道底部冒水、积冰、冻涨

隧道围岩中的地下水往往具有承压性，在排水系统不通畅的情况下隧道底部常常会出现冒水现象，在入冬及春融季节形成冰锥，承压地下水足产生冰锥的必要条件。冰锥长度最长沿线路方向pJ达300 m，如果不及时刨冰，靠衬砌边墙位置积冰厚度可达o．3—1．3m，靠线路道床位置积冰有时还要埋没轨顶。此外，还有线路冻胀的问题，其冻胀隆起高度最大可达170 mm，比积冰更难处理，处理时只能在冻胀地点的的后用木垫板起道顺坡，等待春融时回落，而且必须随时监测侵入隧道建筑限界的情况，必要时应要求车辆慢行。

3 寒区隧道防冻保暖措施

目的，为防止寒区隧道可能产牛的各种病害，国内外都采取了相应的防治措施，具体防治办法如图3所示。

图3 隧道冻害防治措施

由图3可知，隧道防冻保暖主要有两种形式，即被动防寒和主动供暖。被动防寒措施已经在国内多条寒区公路、铁路隧道得到应用，下面仅对被动设防进行简要介绍，将详细介绍主动供暖。

3．1 被动防寒 1)隔热法

隔热法是在衬砌表面或初衬与二村之间设置隔热材料，使围岩的热量在冬季不逸出并保持隔热材料的表面温度在冰点以上而防止冻害的方法。该措施有以下两种：表面隔热处理法和双层衬砌隔热处理法e 表面隔热处理法是在二衬表面布置隔热材料的方法；双层衬砌隔热处理法是在喷射混凝土表面上铺设防水板后，喷射隔热材料或铺设保温隔热板，再修筑二次衬砌的力祛。

2)防排水措施

防水措施主要表现在提高衬砌的抗渗等级，寒区隧道的混凝土抗渗等级一般不低于s8，并在初期支护与二次衬砌之间铺设耐地温的防水板材，施工缝、伸缩缝、沉降缝应该选用耐低温止水条。

排水措施主要有保温水沟、中心深埋水沟及防寒泄水洞。保温水沟采用浅埋方式(即浅于隧道内的最大冻结深度)，在水沟内采用保温措施，以达到冬季不冻结日的。

中心深埋水沟是把水沟埋设于隧道内相应的冻结深度之下，利用地下水的韧温达到冻融平衡，从而达到防冻目的。

防寒泄水洞是隧道排除地下水的主要措施之一，形似小隧道，位于隧道的正下方，利用竖井、钻孔或岩石裂隙将隧道周围的地下水位降低，从而防止衬砌周围介质冻结对衬砌产生冻涨影响。为了充分发挥泄水洞的排水作用，修建泄水洞时，还必须修筑配套排水系统，包括竖向盲沟、泄水孔、支导洞、检查并、锥体保温出水口等。

3)防寒保温门

防寒保温门，在隧道进出口处安装双层防寒门

开，让列车通过，然后又将门关亡。这种保温措施只能应用于车流量较小的隧道o 32 洞口段供暖

隧道冻害经常发生在隧道洞口段，根本原因在洞口段洞内气温与大气气温非常接近，二衬未能抵抗冻涨、冻融反复作用，导致衬砌发生不同程度的破坏，失去原有的抗冻害能力，所以洞口段供暖主要针对隧道衬砌进行。目前常用的供暖有两种形式广种是采取加热措施直接对二衬进行加热，该种加热方式需与隔热层法联合使用；另一种是通过暖气设备加热洞内空气，提高洞内温度，避免二村受冻。

1)二衬与保温隔热层之间铺设供热管

紧贴隧道二衬表面延洞轴线方向以一定的环向间距铺设Pt管，在管内充满循环液体，从而实现对衬砌的供热，热源可由电锅炉、燃煤锅炉以及新型能源提供e

2)在防水层与衬砌之间设置电加热带”

衬砌施工时在衬砌与防水层间预埋uPvc塑料管，该塑料管下埋至纵向排水管，，亡端从距路面6m处弯出衬砌。隧道运营管理中根据需要向管内下插刚电热带，并在必要时通电供热o

3)隧道内通暖气

在洞口段按一定距离铺设暖气片对性供暖。 3．3 水沟采暖

水沟采瞪是通过一定的设备向水沟内供给热量，确保水沟内水体不冻结，保证隧道有通杨的排水系统。在铺设供热设备之前，一定要处理好排水沟的保暖，常用做法是在排水沟沟壁及沟底由外向内设沥青涂层、聚氨配保温板、沥青涂层。最外层设沥青涂层的目的在于保证保温材料与隧道排水沟之间不留透水空隙并对水沟找乎；内层设沥青涂层的目的在于保证保温材料的保温效果。

1)水沟通暖气

在水沟内或水沟上方两层盖板之间布设暖气散热片，一天送3遍气到20 Y以上，一般维持在7—8Y，以彻底避免丁冻害的发生。

2)在排水沟内设置供热管

为了确保水沟内水体不发生冻结，在水沟壁、沟底铺设PE管，管内充满一定温度的循环液体，从而实现对水沟的供暖。

3)在水沟内铺设加热电缆

加热电缆可对水沟进行沿程加热，加热设备选用可置于水中的加热电缆，加热电缆铺设于保温水沟内底、靠近隧道外壁一侧。南疆线奎先隧道运营多年以后的后期治理中，在防寒水沟里采用了加电热器的方式进行治理。

4 主动供暖的必要性 4．1 被动防寒的弊端 1)隔热层‘sd’

目前隔热层法已在国内多个寒区隧道工程得到应用，并进行了相应的保温效果测试。鹏鸽山隧道、梯子岭和昆仑山等隧道的保温测试结果表明，隔层内外两侧的最大温差可达10 Y，当洞外的极端最低气温高于—10 Y时，隔热层可以起到很好的效果。但在严寒地区，年平均气温在o Y以下，隔热层不能避免冻害发生，主要原因在于保温材料不产生热量，只能减小热量的传播和冻融速度，所以仅靠在隧道衬砌表面安装保温材料不能防止冻土的形成。青海大限山隧道采用衬砌表面设保温层的方法没能取得十分理想的效果。

2)保温水沟和中心深埋水沟

塔河一樟岭段的白卡尔隧道和西罗二号隧道采用保温水沟和深埋水沟等排水措施，运营七八年后，由于冻害严重，于1974年进行大修，整治病害。主要由于隧道内特有

的阴暗潮湿的环境，保温材料很难保持良好的状态，衬砌周围的水排不出，冬季冻胀，衬砌被冻裂剥落掉块，拱部、边墙挂冰，严重威胁行车安全。中心深埋水沟在施工过程中也存在问题，隧底拉槽使开挖面距衬砌边墙基底的距离较短，加之开挖放炮的振动对衬砌基础的稳定及衬砌结构的安全产生不利影响，尤其是软弱围岩地段，在隧道底部挖深槽势必会威胁整个衬砌的稳定。

3)防寒泄水洞

防寒泄水洞是寒区隧道防排水措施最好的选择，但也存在着弊端。首先，该项技术不能彻底避免冻害的发生，在已有的工程中存在失败的案例，诸如我国的牙林线岭顶冻土隧道采用泄水洞排水，使用效果还可以，但嫩林线呼中文线翠岭二号隧道使用7年后，穿越多年冻土层的泄水洞曾出现冰塞现象；其次，该项措施前期投入过高，大大增加了投资成本；再次，增加施工工序，限制主洞的施工；最后，由于防寒泄水洞加强了隧道围岩地下水的诽出，大大降低了隧道周围的地下水位，破坏了寒区脆弱的生态环境。

4)防寒保温门

青海的大限山隧道在隧道洞口处安装防寒保温门，在隧道的两端安装保温门并合理地关闭，能提高隧道内的空气温度。实测结果表明在1月份大扳山隧道内的气温比隧道外的气温高10．68Y。对于在修筑隧道前其对应空间位置的地温大于o Y的地方，采用这种措施能起到防止冻害对隧道的破坏作用。防寒保温门需要不断的开启，车流量较小时，开启次数较少，可起到很好保温的作用；当车流量较多时，需要频繁开启保温门，导致洞内空气温度下降，保温效果变差。

通过以上分析可以得出，仅利用被动防寒是不能彻底根除冻害，必须采取主动供暖与被动防寒相结合的办法。

4．2 主动供暖的优点

(1)对以彻底避免冻害发生。阿尔山隧道采州水沟通暖气升温的办法，北端200 m设有暖气设备，置于卜下两层盖板之间，终端管秤65M，不设散热器及回水管，每年10月15口至次年4月20口供暖，一天送3遍气，送气时沟内温度可达到20 Y以上．一般维持在7—81，彻底避免广冻害的发生。

1989年建成的甘肃七道梁公路隧道，每到冬李排水沟便冻结，使隧道排水小畅，衬砌背后也产生冻胀现象，导致衬砌YK凝土开裂，造成隧道渗漏、路面结冰，严重影响行车安全。1990年冬季，为了确保该隧道通行，管理站不得不组织30多人，旨着严寒反复刨冰，工作条件极其艰苦，劳动强度极高，而工效极低，但无法根除冻害。之后，虽经多次防渗漏、防冻害治理，但仍有问题。朗6，该隧道采取了向洞内水沟供暖的措施使冻害得到大大缓解。

长春至浑春高速公路的新交洞隧道在隧道全长范围内，在衬砌与防水层之间设置了rw电热带加热衬砌，并在隧道两侧的下隅角设置高2m、厚5cm的岩棉保温层c目前，该隧道冬

季运行状态良好，未见行踪害发生c

(2)主动供暖适应环境能力强，可以在寒冷和严寒地区应用，主动供暖与保温隔热层联合应用防寒效果好，又节省运营费用。在隔热层防寒能力范围内时，可以关闭主动供暖系统，超过隔热层防寒能力时，则利用主动供暖系统补充热量。

(3)与防寒泄水洞、深埋水沟比，主动供暖村隧道结构无影响，并且不影响隧道施工。

5 主动供暖的问题及解决途径

日前，常用的主动供暖方式是利用电加热或者燃料锅炉进行加热，这种加热方式增加了隧道的运营成本，给隧道的后期运营带来户大负担，同时管理起来也非常不方便。采

用燃煤锅炉进行隧道供暖会对环境产生污染，向空气排放大量的有害气体。甘肃七道梁隧道向洞内供暖气，虽然解决了隧道防冻问题，但工程造价太高而且管理不方便。 针对主动供暖存在的上述问题，急需研制和开发节能型主动加热系统’zi”地源热泵型防冻保暖技术。M。

6 结 论

(1)寒区公路隧道的冻害形式为隧道衬砌漏水、挂冰，隧道衬砌开裂、酥碎、剥落，隧道底部冒水、积冰、冻涨。上述冻害表明，水是产生寒区隧道冻害的根源，为了防止冻害的发生，寒区隧道首先必须采取高效的防排水措施，注意施工质量，尽量减少隧道冻害的发生。

(2)寒区隧道的防寒保暖采用被动防寒和主动保暖两种形式，被动防寒主要包括隔热法、防排水措施和防寒保温门，主动供暖主要包括洞口段供暖和水沟采暖o

(3)被动防寒存在很多弊端。首先，由于保温材料不产生热量，只能减小热量的传播和冻融速度，所以只靠在隧道衬砌表面安装保温材料不能防止冻土的形成；其次，保温水沟、中心深埋水沟和防寒泄水洞既有成功案例，也有失败的教训。在严寒地区．仅靠加防排水系统还不能彻底避免冻害。

(4)主动供暖可以彻底避免隧道冻害，国内采取主动供暖的寒区隧道都彻底避免了冻害。但现有的主动供暖措施还存在一些不足，主要体现在运营、维护费用高，污染和破坏环境o

(5)需开发和研制节能型主动供暖系统，如寒区隧道地源热泵型防冻保暖技术。