大坂山隧道

隨著寒區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，我國進行了青藏公路、格爾木至拉薩輸油管線、光纖通訊工程、大坂山隧道等著名工程方面的建設稱為寒區(qū)工程。

隨著寒區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，人們在寒區(qū)大興土木，如道路工程、水利工程、隧道工程、工業(yè)與民用建筑等方面的建設。在我國進行了青藏公路、格爾木至拉薩輸油管線、光纖通訊工程、大坂山隧道等著名工程方面的建設，即將建設的還有青藏鐵路工程、青康公路工程、大小興安嶺地區(qū)道路工程等。 寒區(qū)工程修筑過程中，必須考慮凍土這一特殊地基。

凍土工程在寒區(qū)建設中非常重要，由于熱脹冷縮及受力不均，建筑物往往會發(fā)生斷裂、扭曲、下陷等現(xiàn)象。在寒區(qū)建設中處理不好就會嚴重危害人類生命安全和國民經(jīng)濟建設。2100433B

隔溫層1 工程概況

大坂山隧道位于國道 227線大通縣與門源縣交界處的祁連山和昆侖山中干區(qū) , 地理坐標為東京101°23′～ 101°25′、北緯 37°21′～ 37°23′,區(qū)域屬內(nèi)陸高寒季風氣候 , 年內(nèi)冬長而嚴寒 , 夏短而多雨 , 屬多年凍土島狀分布區(qū)。年平均溫度- 3. 1℃ , 月平均氣溫 15. 8℃ , 月平均最低氣溫 - 25. 6℃ , 極端氣溫22. 5℃, 極端最低氣溫- 34℃。最大凍結深度南坡3. 0 m , 北坡4. 5 m, 最大積雪深度200 cm。

大坂山隧道在多年凍土的下融區(qū)穿過,隧道全長為1 530 m ,進口樁號K105 020,高程3 792. 75 m ,出口樁號K106 550,高程3 749. 90 m,海拔高度僅次于南美洲安第斯山隧道,居亞洲第一。屬高海拔寒冷地區(qū)公路隧道。為確保隧道結構安全、耐久的使用性能,預防凍害產(chǎn)生, 該隧道采取了防凍隔溫層。它是由5 cm厚聚氨酯保溫層, 3 cm 厚硅酸鋁防火保溫層及4 mm 無機玻璃鋼保護罩構成的防凍措施,經(jīng)過1年左右的使用,效果良好。

隔溫層2防凍隔溫層材料性能測試及評定

2. 1 防火阻燃性能測試及評定

隧道內(nèi)的防凍隔溫材料,既要能隔溫又能防火, 因此對實驗段采用的材料進行了實體防火阻燃性能測試及評定。

2. 2 物理指標及熱學參數(shù)測試

依據(jù)表 1的實測指標及特點 ,篩選以下材料進行了物理指標及熱學參數(shù)測試 ,其測試結果如下:

( 1)硬質聚氨酯泡沫塑料

密度 37. 6 kg /m3; 吸水率 2. 9% ; 壓縮性能 168k Pa; 水蒸氣透濕系數(shù) 6. 3 ng /( Pa· m· s) ; 導熱系數(shù) 0. 020 9 W /( m· k)。

( 2) PEF聚乙烯 ( 45倍 )泡沫塑料

密度 31. 5 kg / m3 ; 吸水率 1. 0% ; 壓縮性能 16k Pa;水蒸氣透濕系數(shù) 0. 35 ng /( Pa· m· s) ;導熱系數(shù) 0. 035 2 W /( m· k)。

( 3)干法硅酸鋁纖維板

密度 188 kg /m3 ; 導熱系數(shù) 0. 036 W /( m· k);渣球含量 0. 0% ; 纖維平均直徑 6. 5 μm; 含水率0. 2% ; 憎水率 97. 3% ; 有機物 0. 8% 。

( 4)玻璃鋼

樹酯含量 60% ; 固化度 86% ; 抗彎強度 152; 抗拉強度 146 ; 抗壓強度 135 ; 耐腐M Pa M Pa M Pa性好。

隔溫層3 防凍隔溫層現(xiàn)場實驗及效果測試

為了進行比較 ,對硬質聚氨酯泡沫塑料、 PEF45倍泡沫塑料、 FBT 保溫涂料等 4種材料進行了各約10 m 的現(xiàn)場實驗施工。 實驗情況如下:

( 1) K105 088～ K105 093段 ,距進洞口 59m,施工工藝采用 PEF聚乙烯 ( 45倍 )泡沫塑料板材安裝 ,厚度 10 cm。 并在表面粘接 1 cm厚玻璃鋼防火層。

( 2) K105 093～ K103 103段 , 距進洞口 64m ,施工工藝采用 PU 材料分層噴涂法 ,厚度 6 cm。

( 3) K106 528～ K106 518段 , 距出洞口 17m ,施工工藝采用 PU 模具發(fā)泡沫 ,厚度為 6 cm。 并在 K106 518～ K106 520段的 PU表面粘接了 3cm 厚 FBT 稀土材料 ,于 K106 520～ K106 518段的 PU表面鋪掛了鐵皮防火保護層。

( 4) K105 103～ K105 110段 ,距洞口 74 cm ,未設隔溫層。

3. 1 防凍隔溫層實驗段溫度測試防凍隔溫層由硬質聚氨酯泡沫塑料 , PEF聚乙烯泡沫塑料、硅酸鋁纖維板、小錨桿鐵皮網(wǎng)、玻璃鋼板材等材料組成。

3. 1. 1 測溫孔布置

分別選取 K105 088～ K105 093、 K105 093～ K105 103和 K105 103～ K105 110三個實驗段。

3. 1. 2 測溫儀器

在隧道進出口各設一所氣象站和一所洞溫觀測站。 并配置以下儀器:

( 1)雙金屬溫度儀 (周記儀 ) ;

( 2)雙銀 (干球 )溫度計;

( 3)實驗段預埋了 60 cm 和 80 cm 深度的測溫管 (內(nèi)置干球溫度計 ); 070、 K105 320、

( 4) 隧道竣工后在 K105 K105 520、 K105 785、 K106 050、 K106 450斷面處理設置了 50 cm 和 100 cm深度的后期觀測測溫管 (內(nèi)置熱敏電阻 );

( 5)手持式紅外掃描儀 (紅外線表面測溫儀 );

( 6)百葉箱等。

3. 1. 3 觀測時間及頻率

氣象溫度觀測指定專人 ,并規(guī)定每日 2、 8、 14、20時用溫度計進行測溫; 用雙金屬溫度儀記錄每日的極值溫度;實驗段的溫度觀測規(guī)定每 10 d連續(xù)測試 2 d ,每次讀數(shù)間隔時間為 2 ; 同時用手持式紅外表面測溫儀測試測點的表面溫度。

3. 1. 4 溫度觀測內(nèi)容

在溫度觀測中 ,安排了以下觀測項目: 洞外氣溫、洞內(nèi)氣溫、隧道襯砌表面溫度、距襯砌表面 60cm 和 80 cm 深處圍巖的溫度。溫度測試過程中正洞未貫通 ,影響到測值偏高。但是防寒洞與正洞在 K105 680處豎井貫通 ,使洞內(nèi)已形成氣流對流 ,再加之實驗段位于洞口 ,故本階段觀測值比較接近正洞貫通后的實際情況。

3. 2 測試成果與分析

成果分析

( 1)未設置隔溫層時 ,在距襯砌表面 60 cm 和 80 cm 深處圍巖溫度基本在 0℃以下。在有裂隙水的情況下 ,會產(chǎn)生結冰現(xiàn)象 ,由于水結冰時體積要增大 9% ,從而產(chǎn)生凍脹力 ,引起襯砌混凝土開裂。所以在襯砌表面設置防凍隔溫層是必要的。

( 2) 距襯砌表面 60cm 和80cm 深處圍巖溫度基本保證在 0℃以上 ,從而保證了襯砌背面水不結冰 ,防止了凍害的發(fā)生。證實了所選用的隔溫層材料是合理的,體現(xiàn)了鋪設隔溫層的效果。

(3)全年洞外氣溫變化幅度最大,洞內(nèi)氣溫和壁面溫度較接近,且變化幅度較洞外氣溫要小。體現(xiàn)了地下工程有恒溫性的特點。

(4)未設隔溫層的實驗段60 cm 孔和80 cm 孔內(nèi)溫度變化幅度較設置隔溫層的各實驗段孔內(nèi)溫度變化幅度要大,由此說明設置隔離層是改善和控制襯砌內(nèi)溫度不受外界影響的有效辦法。

(5)從表中可知,各實驗段洞內(nèi)氣溫與壁面溫度基本接近,因此,設計時把洞內(nèi)氣溫作為壁面溫度進行導熱計算是可行的?？傊?從地溫測孔測試數(shù)據(jù)看,冬季保溫層后面襯砌溫度可保持在0℃以上。經(jīng)過一個冬季的觀察, 選定了硬質聚氨酯泡沫塑料。 但現(xiàn)場發(fā)泡工藝不理想,導熱系數(shù)指標超標,平整度差,因此在仰拱施工中采用了硬質聚氨酯型材。 硬質聚氨酯材料具有導熱系數(shù)低、防水優(yōu)良的優(yōu)點,但具有可燃性,直接用于隧道不安全。試驗施工中采用的FBT 等防火保溫涂料,出現(xiàn)剝落現(xiàn)象,而其它防火層又不隔熱。后又選用干法硅酸鋁纖維材料,這種材料具有導熱系數(shù)低,耐高溫的優(yōu)點,缺點是防水性能較差。針對這種材料的特點,把硅酸鋁纖維設置在硬質聚氨酯外面, 再用玻璃鋼及防水保溫涂料作為保護層進行實驗性施工,最后經(jīng)比較選出硬質聚氨酯泡沫塑料型材(主體保溫層) 干法硅酸鋁纖維板(復合保溫及防火層) 玻璃鋼(保護層)的方案。

隔溫層4 結 語

寒冷地區(qū)隧道防凍害是一個棘手的問題, 筆者通過現(xiàn)場實驗, 證實了采用防凍隔溫措施進行防治凍害的可行性, 并對防凍隔溫層的材料組合和施工工藝進行了優(yōu)化。 今后對隧道通車后防凍隔溫層的使用效果和長期有效性還應加強觀測, 同時, 還應加強對寒冷地區(qū)隧道產(chǎn)生凍害機理的理論分析研究。 2100433B