嘎隆拉隧道抗防冻及防排水技术的研究.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流嘎隆拉隧道抗防冻及防排水技术的研究.精品文档.分类号 U459.2 单位代码 10618密 级 学 号 106260286 硕 士 学 位 论 文论文题目： 嘎隆拉隧道抗防冻及防排水技术的研究 Study on Frost Resistance, Anti-freezing and Drainage Technology of the Galongla Tunnel 研究生姓名： 张亚兴导师姓名、职称： 蒋树屏（研究员/博导）王晓雯（教授）申请学位门类： 工 学 专 业 名 称： 桥 梁 与 隧 道 工 程论文答辩日期： 2009年04月04

2、日学位授予单位： 重 庆 交 通 大 学答辩委员会主席： 梁 波 评阅人： 梁 波 刘元雪2009 年 04 月重庆交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和

3、电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务（包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等），同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊（光盘版）电子杂志社CNKI系列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权益。学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年

4、月 日 日期： 年 月 日摘 要我国已建的寒冷地区隧道很多都发生衬砌开裂、路面冒水、结冰等病害，大大弱化了隧道的使用功能，严重威胁着行车安全。随着我国交通事业的快速发展，特别是4万亿投资刺激下新一轮基础设施建设高峰的到来，在西部的高海拔和北部的高纬度寒冷地区将陆续有大量的隧道建成，与以往寒冷地区的隧道相比，这些隧道的规模会更大、技术要求更高，而气候条件却更加恶劣。如何在这些隧道的修建中采取有效措施，以避免冻害现象的发生，是目前隧道工程界急需解决的问题。为此，本文以西藏高海拔地区的嘎隆拉隧道工程为背景，以解决该隧道抗防冻问题为出发点，进行了研究。主要研究内容包括：（1）对国内外已有文献资料进行分

5、析和对国内多个典型隧道冻害防治工程进行考察调研，总结了寒区公路隧道的特点及工程特殊性，分析了冻害产生的原因。（2）在对世界范围内所应用的各种抗防冻措施进行调研分析的基础上，针对嘎隆拉公路隧道的特点，提出了适合嘎隆拉公路隧道的抗防冻综合措施。针对其中关键的设计参数保温隔热层的厚度，通过等效厚度换算法和有限元数值分析进行了计算。（3）为了验证所选择保温隔热材料的适用性和保温隔热材料厚度的安全性，设计了隧道现场环境温度实测试验方案，并在嘎隆拉隧道进出口段对选定的两种不同保温隔热材料进行现场试验，以期通过对现场试验实测数据的研究分析，对两种材料的保温性能以及现场的实用性进行评价，用以验证对隧道保温隔热

6、材料数值模拟计算厚度结果的正确性，为寒区隧道今后保温隔热层的实施方案提供具有一定参考价值的结论。（4）对比公路隧道防排水系统，提出了适合寒区公路隧道的防排水设计原则，并对防排水措施进行了详细说明，在此基础上，提出了两套嘎隆拉隧道防排水设计方案。关键词：寒区公路隧道；数值分析；抗防冻；温度场；保温隔热层；现场试验 ABSTRACTCold disaster like the fracture on the lining surface， watering and freezing of the road surface in tunnels have been greatly weakening

7、 the service capacity and producing heavy burden on the maintenance of many tunnels built in cold areas in our country. Especially， under the four thousand billion investment stimulating， and coming of the top basic facilities construction，a great many tunnels will be built in elevations areas or ci

8、rcumpolar areas in the Big West. Compared with traditional tunnel in the cold area， these tunnels will take large size and require higher technology. Moreover the extreme climatic conditions are very unfavorable for these tunnels. Therefore， problems of how to take effective measures to prevent cold

9、 damage form happening during construction have constantly coming into our and still remain to be solved. In order to these， this paper take Galongla Tunnel as an example and study the problems of the tunnel anti-freezing. The main contents of the study includes:(1)On the basis of the analysis of li

10、terature data at home and abroad and investigating a great many representative tunnels， summarize the characteristic and engineering particularity of highway tunnel， analyze the reason of freezing damage.(2)On the basis of investigation and analyzed the Frost Resistance and anti-freezing measures in

11、 the world， aiming at the Galongla Tunnel characteristic， put forward Frost Resistance and anti-freezing comprehensive measures which adapt to Galongla Tunnel. Through the method of equivalent thickness conversion and finite element numerical analysis obtained the key design parameter-the thickness

12、of heat preservation and heat-insulation layer.(3)In order to verification the applicability of heat insulation material and the security of the thickness of the heat preservation material， design a filed test scheme for test the tunnel surroundings temperature. Choose two different materials for te

13、sting at the Galongla Tunnels import and export segment. Then we analyze the filed testing data and estimate the various materials heat preservation capability and filed practicality. Use the data to verification the numerical simulation result of the tunnels heat preservation and heat insulation ma

14、terial. At last these data can provide some conclusion which have reference value for implementation scheme of the tunnels heat preservation and heat insulation layer in cold area in the future.(4)Comparing the highway tunnels waterproof and drainage system， bring forward a waterproof and drainage s

15、ystem design principle which adapt to the highway tunnel in the cold area and elaborate on it. Based on the design plan， take two waterproof and drainage system design schemes for Galongla Tunnel.KEY WORDS: highway tunnel in cold area; numerical simulation; anti-freezing; temperature field; heat ins

16、ulation layer; field test目 录第一章 绪论11.1 问题的提出11.1.1研究问题的提出11.1.2本文依托工程概况21.2 寒区隧道抗防冻国内外研究现状及发展趋势31.2.1 基础理论的研究31.2.2 应用技术的研究51.3本文主要研究内容及技术路线16第二章 寒区隧道工程192.1 寒区隧道的分区与分类192.1.1 寒区的定义192.1.2 寒区隧道分区202.1.3 寒区隧道分类202.2 寒区特长公路隧道的特点与工程的特殊性212.2.1 寒区特长公路隧道的特点212.2.2 寒区隧道工程的特殊性232.3 寒区隧道冻害的主要表现形式及原因232.3.1

17、寒区隧道冻害的主要表现形式232.3.2 冻害产生的原因272.4本章小结32第三章 隧道围岩温度场特性研究333.1 地壳温度场333.2 隧道围岩体的热传递353.2.1 围岩体的热传递353.2.2 热分析材料的基本属性373.2.3 热荷载373.2.4 围岩体的导热微分方程383.3 隧道围岩温度场变化规律403.4本章小结43第四章 嘎隆拉隧道保温措施设计研究454.1寒区隧道保温措施454.1.1保温隔热措施454.1.2加热措施484.1.3国内进行过现场抗防冻科研的寒区隧道统计494.2嘎隆拉隧道保温设计514.2.1保温隔热材料的选择524.2.2保温隔热层厚度的近似计算5

18、54.2.3二维数值模拟计算604.3保温隔热层设防长度的确定684.4本章小结69第五章 现场试验方案设计715.1嘎隆拉隧道温度场监测试验方案设计715.1.1试验目的715.1.2试验监测内容715.1.3试验仪器715.1.4隧道区及隧道内气温温度的监测725.1.5试验段测温孔布置图725.2嘎隆拉隧道保温隔热层试验方案设计735.2.1试验目的735.2.2隧道保温隔热层试验方案745.3 营运期间监控方案设计785.4 监测数据的处理795.5本章小结79第六章 嘎隆拉隧道防排水综合技术研究816.1公路隧道防排水设计原则816.2公路隧道防排水系统826.3寒区隧道防排水设计原

19、则826.4寒区隧道防排水系统836.5寒区隧道防排水措施846.5.1防水措施846.5.2排水措施856.5.3堵、截水措施886.6嘎隆拉隧道防排水系统设计指导方案896.6.1嘎隆拉隧道防排水设计指导方案一896.6.2嘎隆拉隧道防排水设计指导方案二916.7本章小结93第七章 结论与展望957.1结论957.2展望95致 谢97参考文献99在学期间发表的论著及取得的科研成果103第一章 绪论1.1 问题的提出1.1.1研究问题的提出据统计，地球上多年冻土、季节冻土和短时冻土区的面积约占陆地面积的50%，其中，多年冻土面积占陆地面积的25%。在我国冻土面积分布非常广泛，其中多年冻土主要

20、分布在东北大、小兴安岭、松嫩平原北部、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上。我国多年冻土区面积有215000平方公里，占国土总面积的22.4；季节冻土分布于大部分国土，包括以贺兰山至哀牢山一线以西的广大地区，以及此线以东、秦岭一淮河线以北地区；短时冻土分布在秦淮线与南岭线之间的地区1。因此我国每年修建在冻土区上的隧道数量非常多，对已经运营的寒区公路隧道进行调查时发现，寒区隧道中有80以上都存在各种各样冻害现象，其中60的发生渗漏，约24的出现衬砌混凝土剥落、开裂、滑塌、沉陷等问题。每年各地区部门和相关交通企业对这些病害隧道维修养护费用数量惊人，如我国东北林区修建的岭顶隧道、

21、翠岭隧道、西罗奇1号隧道和西罗奇2号隧道就是例证，还有就是新疆217国道天山段的玉希莫勒隧道，长1007米，投资5480多万元，因隧道内冻害严重而形成冰塞报废。吉林省在80年代末和90年代初先后修建了密江隧道和五虎岭隧道，在春夏秋三季隧道内渗漏如雨，形成“水帘洞”，冬季滴水成冰，隧道变成“冰湖”。在日本，曾对国铁全线进行调查，漏水的隧道占隧道总数的56，占隧道总延长的71，其中，在严寒地区发生冻害的隧道占隧道总数的 34，凡是漏水的隧道几乎百分之百的形成冻害2。在寒冷地区修建交通隧道工程，与一般地区相比，技术性问题要复杂得多，最主要的问题是寒区隧道一般要受到季节性冻融、冻胀作用影响，这种周期性

22、的加载卸载作用将对隧道主体结构尤其是洞口带的结构造成破坏，进而影响运营期间的安全性及结构的寿命。从国内寒冷地区的公路、铁路隧道和欧美日等国寒冷地区的公路、铁路隧道的使用情况看，冻害现象十分严重，甚至出现因严重冻害而导致隧道主体结构报废和运营期间发生重大交通安全事故。虽然隧道产生的冻害是各种各样的，但冻害问题产生的唯一原因是隧道衬砌和围岩内存在较大面积和较长时间的负温区域。目前之所以寒区隧道冻害现象出现频率如此之高，比重如此之大，主要是对隧道内温度场分布了解不足或估计错误。因此，对于寒区隧道进行保温设计研究，如何进行经济、有效的保温设计，最重要的是能够尽可能准确地计算出隧道内可能出现的温度场。因

23、此，对隧道温度场的研究是解决寒区隧道各种冻害的先决条件，也是目前寒区隧道工程中遇到的一个重大课题。本文所依托的嘎隆拉隧道海拔较高，气温较低，必须进行防寒保温设计。1.1.2本文依托工程概况为解决墨脱县通公路问题，国家拟投以巨资，立项建设西藏波密扎木至墨脱公路，真正解决墨脱县通路通车。图1.1西藏扎墨公路新建工程路线平面示意图Figure 1.1 Grand plane of new highway line in Zha mo， Tibet正准备建设的嘎隆拉隧道就位于青藏高原东南部的喜马拉雅山脉与横断山脉的交接处，进口标高3775.559m，出口标高3645.17m，该隧道长度为3330m，是

24、目前我国在高寒地区修建的建设条件极为特殊的特长公路隧道之一。嘎隆拉隧道位于青藏高原东南部的喜马拉雅山脉与横断山脉的交接处，构造上属喜马拉雅东西向构造带、岗底斯褶皱带和雅鲁藏布江缝合带的弧形转折部位，新构造运动强烈，发育有众多大断裂，隧址区高地应力与高烈度地震并存。项目区气候、气象条件特殊，隧道所在区域主要受印度洋暖湿气流与西南季风影响，印度洋暖湿气流沿雅鲁藏布及其支流逆流而上，进入青藏高原东南内陆地区，气流强度由下游往上游逐渐减弱。同时，由于岗日嘎布山脉的阻挡，沿嘎弄曲逆流而上的水汽不能越过山脉进入波密，导致波密与墨脱形成两个不同的气候区。波密县属半湿润季风气候，多年平均气温为8.5，最冷月(

25、1月)平均气温为-0.2，最热月(7月)平均气温为16.4；极端最高气温为31，极端最低气温为-20.3。墨脱县属亚热带湿润气候区。由于地处喜马拉雅山脉东南端斜坡地带，是印度洋暖湿气流进入高原的必经之路，同时受高原斜坡的阻隔，暖湿气流多滞留于此，使本区成为世界上降雨最为丰富的地区之一，年降水量约2260mm。59月为雨季，其中6、8月降水量最大，10、24月降水相对较少，111月为旱季，降水稀少，均以降雪为主。年平均气温18，最冷月(1月)均温8.4。由于境内自北向南海拔高度变化大，气候具有明显的垂直分带性，小气候特征突出。“一山有四季，十里不同天”是对墨脱气候带的真实写照。1.2 寒区隧道抗

26、防冻国内外研究现状及发展趋势寒区隧道的抗防冻研究是一个相对较复杂的问题，涉及到岩石力学、土力学、计算力学、渗流力学、热力学、计算力学、材料力学等多个学科。长期以来，国内外学者对寒区隧道工程及其冻害做了大量的研究。研究工作大体分为以下两个方面： 基础理论的研究工作。主要针对围岩的冻融特性，冻胀机理，隧道围岩冻结深度，围岩、衬砌及隔热保温隔热材料的热传导特性，隧道衬砌结构形式及环境条件影响等进行研究。 应用技术的研究工作。在理论基础研究的支撑下，研究隧道的抗防冻措施，开发新保温隔热材料，尝试新的施工工艺等1。 1.2.1 基础理论的研究1.2.1.1 国外基础理论的研究概况在冻融冻胀问题上，近20

27、多年来，随着人们认识的提高，冻土工程发展的需要以及理论研究的深入，将单一场和影响因素的研究发展到水、热、力三方面的综合统一研究，认识冻胀机理这是一种认识上的提高和飞跃。上世纪70年代开始有人致力于这方面的工作。工作的核心都是基于冻土中热质迁移来进行数值模拟。Hopke，S.W.（1980）是第一个考虑外荷载作用下提出冻胀模型的人。随后，Gilpin，R.R（1980），oNeil 和 Miller，R.D.（1985）在考虑外荷载的情况下分别提出了自己的模型，以预报冻土中冰透镜体的生长。1985年，Williams，P.T.和 Wood，J.A.通过实验测试了正冻土中内应力的变化，但并没有清楚

28、的给出其结果的物理意义3-7。冻胀问题是寒区主要的灾害问题，而引起这一现象的主要原因是由地下水向冻结锋面迁移所供给的水分冻结可使土体积增加百分之几十甚至几百。目前国内外在这方面的工作大多停留在试验探索阶段，理论上的研究不多。Aboudtit等人较早研究了弹性多孔介质中不计水的压缩性和热膨胀性时固液热耦合变分原理；Mctigue 提出了可压缩性的固液两相介质具有不同热膨胀性的固液热三场耦合方程。Thomas等人建立了变形非饱和土中热水、水蒸汽及空气传输相互作用的复杂理论模型。Gatmiri提出了考虑土体骨架非线性变形的固液热耦合模型，较全面的考虑了固相的变形非线性、液体的可压缩性和热膨胀性即热的

29、传导与对流。Ladanyi8（1984）提出了没有支护和有衬砌约束两种情况下时间位移变化的一种封闭形式的解，及对一圆形横断面的隧道在任何时刻围岩压力随时间变化的解。Ladanyi9（1980）提出在非线性粘弹性区隧通围岩地应力对隧道衬砌作用力的直接确定方法。Sandegren10考察了在铁路隧道中塑料保温防止结冰的效果。日本学者北川修三11等针对寒区隧道的变形和围岩冻胀性，开展了衬砌收敛变形量测和室内冻胀试验的测试研究，其成果显示由冻胀引起的隧道收敛变形呈明显的季节波动，多数是冬季发展，夏季有部分恢复。而室内冻胀试验显示，单轴抗压强度在5.0MPa以上的岩石试件基本不产生冻胀。俄罗斯则从前苏联

30、时期就开始在西伯利亚的贝加尔长大隧道中开展了气象条件对隧道状态影响的测试研究工作12。1.2.1.2 我国基础理论的研究概况我国冻土温度场的研究起步较晚，正式开始温度场的理论研究仅有30余年历史。上世纪 50 年代，余力教授开始对人工冻结凿井温度场进行研究。徐攸13（1962）研究了天然细砂地基的温度场。在此期间，主要开展室内外观测和实验的经验方程计算研究；用稳定非稳定一维线性问题的解析法和半解析法进行研究。直至70年代后期，才逐渐开展非线性相变温度场的数值模拟，开始大量的研究工作，取得了较高的成就。针对围岩温度场，我国学者苗天德14等基于理论与应用相结合的目的，以混合理论为基础，借助于连续理

31、论的研究方法，并参考了R.de.Boer关于多孔介质的理论框架，研究了含相变多孔介质的本构理论，并依据得到的本构方程，初步研究了冻土冻结过程中的水热迁移问题，建议了一个冻结锋面迁移准则，由此分析了土质（孔隙率）对冻胀量的影响，同时建立了考虑水分迁移条件下新的热传导方程。由于我国对寒区隧道围岩的温度场还没有进行过系统的研究，渗流和冻胀对寒区隧道围岩的温度场和应力场的相互影响亦处于空白，赖远明15等根据传热学、渗流理论和冻土力学导出了带相变的温度场、渗流场和应力场三场耦合问题的数学力学模型及其控制微分方程，然后应用伽辽金法导出了这一问题的有限元公式。李宁16-18等在冻土多相多孔介质静力平衡方程、

32、质量守恒原理、能量守恒原理、土骨架与冰颗粒、水之间的传力机制及水、冰之间相变机制的基础上，系统的推导了冻土中土、冰、水三项介质的温度场、变形场、水分场的三场耦合问题的微分控制方程。太原理工大学水利系主任郑秀清根据土壤中能量和质量守恒、地表能量平衡及空气动力学理论建立了冻融条件下土壤水、热耦合迁移模型、反映负温下土壤温度与液态水含量关系的联系方程和地气间水热交换模型。西南交通大学陆宏轮19应用混合物的连续介质理论，建立了冻融过程中饱和多孔介质的渗流场、应力场、和温度场耦合作用的数学模型该模型以多孔骨架位移、水头和温度为基本变量，包括水总质量守恒方程、总应力平衡方程和总能量守恒方程。1.2.2 应

33、用技术的研究1.2.2.1 国外应用技术概况20-31在国外，前苏联修建了多座位于多年冻土地区的隧道，北欧和中欧各国、美国、法国、日本等国也有相当数量修建在冻土地区的隧道工程。这些国家积累了一些应用于冻土区隧道的技术经验。 前苏联前苏联在二十世纪八十年代，修建贝阿干线隧道时，对寒冷地区隧道的冻害问题进行了深入研究和总结，苏联专家认为：对修建在围岩温度为+5+10或者永冻层中长度小于34km的铁路隧道，从能量角度来看，建立负的采暖工况最合理。此时，通风将靠自然因素和列车运行中的活塞作用来实现。为达到一定温度时必需的空气交换量，应按萨卡尔多（Caxapgo）通风方式，将喷嘴通风装置安装在两端洞口。

34、采用综合的结构措施（防水层、衬砌内的排水管、排水沟）来疏干衬砌，预防结冰。排水措施应设在岩层季节性冻结范围之外。如果冻结深度相当大，在衬砌与岩石接触面上要合理地采用保温材料或对排水设施加做保暖层。对排水沟必须进行人工加热。采取这些措施后仍不能有效排水时，水就会渗透到隧道内，冻结成冰，为此，应当对衬砌漏水表面进行局部加热，如采用空气隔热板或红外线辐射等方法。用热绝缘衬砌材料可降低衬砌表面的热应力。对修建在含水岩层中长度大于56km的铁路隧道，建立负采暖工况时需要很大的投资和电能消耗，因此，认为最重要的是要彻底地防止结冰，因为渗透水会出现在任何地方。用采暖的办法使外部空气温度达到零度以上（此时重要

35、的是正确选择风量和加热温度）就可达到必需的温度状态。要合理地利用岩体的热量，并将排水沟列入隧道通风方案。因此，将空气在井筒加热至+2后送入洞内。当空气朝另一个洞口流动时，其温度将达到岩体的温度。空气进入隧道与外部冷空气混合后，在自然通风作用下流向另一个洞口。尽管该方案有如下优点：根据需要在一个通风点向两端洞口提供可调的风量，风流逆向只需关闭通风机和加热器就行，非常简便，发生事故时能使人群从隧道内安全撤离，但该方案仍存在着许多缺陷，妨碍其推广应用。例如，不能将井筒中的空气加热到使井筒空气与外部空气混合时不产生雾气的温度。此外，井筒中加热设备使用的复杂性将降低调节的可靠性。比较合理的方案是循环方案

36、，该方案是采集环境温度在零度以上或接近零度的隧道断面上的气样，将空气沿风道送到与自然通风作用相反方向的出口处，在洞口附近的风道中加热至所需温度后送到隧道中去。除了岩石热量外，还可利用被加热空气散发出来的热量进行加热。与此同时，此方案的应用范围，涉及隧道内各种有害混合物的限制。此外，由于自然风作用方向的周期性变化，最低限度需要在各端洞口附近建立两个循环回路，而通过联络通道将冷空气输送到隧道中则需要在风道内配置加热器才有可能。风流逆向可通过切断循环和打开帘幕来实现。这一方案1988年冬天在贝加尔隧道的试验表明，确实有效。根据对贝加尔隧道中通风系统与空气加热系统的实际观察试验和进行的理论研究，可以得

37、出设计寒冷气候条件下铁路隧道通风采暖控制系统基本准则的结论；还确定了必要的勘测和科研工作的方向与范围。这首先是要获得施工地区的详细气象资料，同时需建立大气条件影响隧道采暖的物理模型和数学模型。为防止隧道排水沟结冰，采用了列宁格勒地铁勘测设计院研制的新型水加热系统（用频率为50Hz，电压为380/220V的交流电工作）。系统要防止电网的短路和绝缘层的破坏。这个系统也可在发生结冰的洞口段使用。对长隧道，通常都设有与主隧道平行的服务坑道，以便在夏季和冬季用来作为通风系统。在夏季或当年平均温度在t0时，或是隧道的地下水压不大时，空气经竖井和掘进巷道进入，沿着隧道流向洞口，从而保证隧道有效的通风；当冬季

38、温度t0时，外部空气经安装在竖井附近的电力加热器加热到2后，经过通风井到通风巷道再用通风机送到导坑。空气的主要部分沿着平导向洞门方向流动，沿途加热围岩后再经由位于洞口附近的联络巷道进入隧道，依靠压力差实现通风。 北欧和中欧各国斯堪的那维亚半岛或阿尔卑斯山的隧道经常出现冻结现象，为此，挪威、瑞士、瑞典、奥地利等国对此进行了研究，下面介绍挪威的一些防冻措施。二十世纪八十年代，挪威已投入运营364km公路隧道，其中大多数设有混凝土衬砌，并且大部分地段受到霜冻；在冬季隧道边墙的温度可能下降到-20，在干燥地区，0的等温线出现在围岩内2m深度处，从排水沟中流出的水冻结成冰凌，在隧道进出口和隧道内出现滑溜

39、路面，对公路运营造成威胁。隧道拱顶结成的冰柱和围岩节理中的冻结作用增加了意外事故的危险。在霜冻季节要不停除冰。在解冻期间，必须对隧道拱顶找顶以清除松动的岩石和冰块。因此，漏水和霜冻都是养护维修费用的主要消耗因素，所以需要有解决这两个问题的合理措施。为此成立了一个委员会来研究该问题，以寻求解决的方法。经过试验，选择了采用注浆和加设防水防冻棚的措施来防止漏水和霜冻。采用注浆是为了封闭基岩中节理裂隙，封堵地下水。采用板片作防水棚也作为防冻的隔离层，起防水防冻作用。工程实践证明，该方法工程费用低，效果好，是切实可行的。隧道中的霜冻受热平衡的影响，而热平衡又取决于进入隧道的外部空气的数量和温度、地下水的

40、分布，最终取决于围岩的温度（1975年斯库吉塞（Skogseid）。最明显的变化是在自然通风的公路隧道内，通过冷冻指数、隧道的面积、长度和坡度，可以估计空气的冷却效应。隧道的大部分地段受到的霜冻指数为3000h或更高，当没有采取防冻措施时，铝板防水棚由于受到冰荷载而遭到损坏。为了确定绝缘层厚度，以上述的变数为基础制成表格（1987年，彼德森等），以便设计人员使用。挪威大多数隧道地段覆盖了一层100mm厚的石棉，石棉一般用于霜冻指数低于4000h的地方（见1.2图）图1.2 用铝板和石棉板做成的防冻箱棚Figure 1.2 Frost protectction shed mading of al

41、uminium plate and asbestos board 绝缘棚接头 20mm钢筋热镀锌用树脂锚固 L型角钢 排水沟 混凝土基础 防冻绝缘层 路面 在PE板面上铺石棉垫 波纹铝板作的防冻棚使用装石棉的聚乙烯袋粘在防水棚向道路的一侧上，并用另一相同防水棚顶住它，就可以起到绝缘的作用。把这些半圆形轮廓的绝缘棚竖立起来并且用铆钉沿隧道纵向互相连接，还需每隔3m间距使用半圆形的钢管作为外加支撑以加固绝缘棚。要采用较强的钢管以便支承照明和通风设备。要求把绝缘棚与岩石之间空气间隙作绝缘堵塞以防冷空气通过，造成在绝缘棚上结冰。采取绝缘棚的两端头设置PE泡沫板的方法，以达到这个目的（见图1.3） 图1

42、.3 对防冻绝缘棚和围岩之间的缝隙采用PE泡沫板作绝缘处理Figure 1.3 Using PE foam plate for insulation deal between adjacent rock and frost protectction shed安装铝板绝缘棚既费时又昂贵。因而，经过几年的努力，开发了将塑料泡沫夹在铝板、钢板或玻璃纤维加强聚酯板之中做成的板片构件，即用夹层板构件做成的绝缘棚，已经发展和试验了一些类型的板片构件，并且近年来己在若干隧道中安装了一种板片构件（见图1.4）。图1.4 采用夹层板构件做成的绝缘棚Figure 1.4 Insulation shed madin

43、g of sandwich plate这种板片构件设计，由约2mm厚的玻璃纤维加强聚酯面板中夹50mm厚的PUR泡沫绝缘夹心组成，夹层板构件的宽度一般为2500mm。这种构件一般在外形上呈弧形以适应隧道轮廓，并且把两块构件用螺栓在拱顶中部固定到格子形的支承轨上做成绝缘棚。还安装了由4块构件构成的马蹄形绝缘棚，并且还可通过采用适应性很强的制造方法很容易使其成为相适应的其他形状的绝缘棚。夹层板绝缘棚是相当坚固和结实的，只要采用有效的设备，就可快速安装。 美国在美国东部，由于要满足双排集装箱运输的需要，铁路隧道被扩建。这些增大净空的隧道改建工程常常附带着要对隧道的冰冻进行治理。一方面，长期以来冰冻和

44、由之而来的衬砌破坏是铁路隧道的病害，另一方面，降低养护工人规模和防止结冰侵界的要求已经使冰冻成为隧道养护方面的一个主要问题。冰冻导致的净空限界受侵已经和拱顶灾害一样值得重视，主要的资金应该有效地被用来处理这些灾害。治理冰冻也能降低隧道的养护费用并且保证隧道在冬季的正常运营。如位于宾夕法尼亚洲Poconos地区的White Haven隧道和Rockport隧道，在冬季都有很严重的冻害，隧道衬砌段都出现了很严重的冰冻开裂。对隧道冻害的治理是利用由Dow Chemical公司制造的市场名为EthafoamPlank的密闭微孔聚氨酯类材料，该产品的单层传热系数为26.40，足够防止在最低月平均气温下流

45、到衬砌背面的水结冰。Ethafoam Plank隔热系统有如下优点：1）无论是在有衬砌隧道还是在不规则的无衬砌的隧道中，安装相当方便；2）相比于2173.6美元/米的隧道排水沟隔热方案来说很廉价；3）如果出现渗漏，发生意外事故，或者衬砌背部岩石破坏，修补很容易；4）另外将衬砌并入隔热排水系统，可使大部分的水在结冰之前排出隧道外；应用于White Haven和Rockport隧道中的5.08cm厚的Ethafoam隔热层被制作成2.44m9.75m的板材。隔热层只在那些有明显地下水渗漏的区段安装，用直径12.7mm的镀锌铁钉固定在岩石中，每0.28mm扩一个格子，使之贴在岩石或圬工衬砌面上。Et

46、hafoam十分柔韧，能够使隔热层随着不规则表面紧密成形，而且很容易被固定铁钉穿透。相邻板材之间的连接处用6.3 5mn。厚的同种产品制作的盖缝条密封。板材与盖缝条之间用工业热风枪热焊，从而形成连续的密封隔热层。隧道隔热区段的末端用隔热材料填实，并且设置镀锌的矿山铁皮绑条保护使之免受爆炸冲击波的破坏。隔热系统的底部并入到隧道的隔热排水系统中。地下水主要由边墙和拱顶渗入隧道。在White Haven隧道，大量的地表水也流经隧道。但隧道的纵坡仅仅只有1，为防止洞内水沟结冰，导致水沟的堵塞，最终阻塞隔热排水系统的水流的排出，导致大规模的破坏，甚至整个衬砌系统的坍塌，Golder协会设计了一种隔热的排水系统。这种隔热的排水系统作法是：首先将带孔的直径为30.48cm的PVC管放置在素混凝土基坑中，钻孔面向隧道壁面，其表面覆盖防护用的粗集料；其次用一层隔热用的Ethafoam覆盖在粗集料上；最后在Ethafoam上喷射混凝土（厚10.16cm），以保护隔热材料。排水管的清理孔位于隧道中央大约121.92m。White Haven隧道北洞口的地表水也流入隧道隔热排水系统，最后从南洞口排出。洞口下坡处的排水沟在以前的冬季一直覆盖着一层冰雪，但在隧道改建完工后的第一个