大坂山隧道位于国道 227线大通县与门源县交界处的祁连山和昆仑山中干区 , 地理坐标为东京101°23′～ 101°25′、北纬 37°21′～ 37°23′,区域属内陆高寒季风气候 , 年内冬长而严寒 , 夏短而多雨 , 属多年冻土岛状分布区。年平均温度- 3. 1℃ , 月平均气温 15. 8℃ , 月平均最低气温 - 25. 6℃ , 极端气温22. 5℃, 极端最低气温- 34℃。最大冻结深度南坡3. 0 m , 北坡4. 5 m, 最大积雪深度200 cm。
大坂山隧道在多年冻土的下融区穿过,隧道全长为1 530 m ,进口桩号K105 020,高程3 792. 75 m ,出口桩号K106 550,高程3 749. 90 m,海拔高度仅次于南美洲安第斯山隧道,居亚洲第一。属高海拔寒冷地区公路隧道。为确保隧道结构安全、耐久的使用性能,预防冻害产生, 该隧道采取了防冻隔温层。它是由5 cm厚聚氨酯保温层, 3 cm 厚硅酸铝防火保温层及4 mm 无机玻璃钢保护罩构成的防冻措施,经过1年左右的使用,效果良好。
2. 1 防火阻燃性能测试及评定
隧道内的防冻隔温材料,既要能隔温又能防火, 因此对实验段采用的材料进行了实体防火阻燃性能测试及评定。
2. 2 物理指标及热学参数测试
依据表 1的实测指标及特点 ,筛选以下材料进行了物理指标及热学参数测试 ,其测试结果如下:
( 1)硬质聚氨酯泡沫塑料
密度 37. 6 kg /m3; 吸水率 2. 9% ; 压缩性能 168k Pa; 水蒸气透湿系数 6. 3 ng /( Pa· m· s) ; 导热系数 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% ; 压缩性能 16k Pa;水蒸气透湿系数 0. 35 ng /( Pa· m· s) ;导热系数 0. 035 2 W /( m· k)。
( 3)干法硅酸铝纤维板
密度 188 kg /m3 ; 导热系数 0. 036 W /( m· k);渣球含量 0. 0% ; 纤维平均直径 6. 5 μm; 含水率0. 2% ; 憎水率 97. 3% ; 有机物 0. 8% 。
( 4)玻璃钢
树酯含量 60% ; 固化度 86% ; 抗弯强度 152; 抗拉强度 146 ; 抗压强度 135 ; 耐腐M Pa M Pa M Pa性好。
为了进行比较 ,对硬质聚氨酯泡沫塑料、 PEF45倍泡沫塑料、 FBT 保温涂料等 4种材料进行了各约10 m 的现场实验施工。 实验情况如下:
( 1) K105 088～ K105 093段 ,距进洞口 59m,施工工艺采用 PEF聚乙烯 ( 45倍 )泡沫塑料板材安装 ,厚度 10 cm。 并在表面粘接 1 cm厚玻璃钢防火层。
( 2) K105 093～ K103 103段 , 距进洞口 64m ,施工工艺采用 PU 材料分层喷涂法 ,厚度 6 cm。
( 3) K106 528～ K106 518段 , 距出洞口 17m ,施工工艺采用 PU 模具发泡沫 ,厚度为 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表面铺挂了铁皮防火保护层。
( 4) K105 103～ K105 110段 ,距洞口 74 cm ,未设隔温层。
3. 1 防冻隔温层实验段温度测试防冻隔温层由硬质聚氨酯泡沫塑料 , PEF聚乙烯泡沫塑料、硅酸铝纤维板、小锚杆铁皮网、玻璃钢板材等材料组成。
3. 1. 1 测温孔布置
分别选取 K105 088～ K105 093、 K105 093～ K105 103和 K105 103～ K105 110三个实验段。
3. 1. 2 测温仪器
在隧道进出口各设一所气象站和一所洞温观测站。 并配置以下仪器:
( 1)双金属温度仪 (周记仪 ) ;
( 2)双银 (干球 )温度计;
( 3)实验段预埋了 60 cm 和 80 cm 深度的测温管 (内置干球温度计 ); 070、 K105 320、
( 4) 隧道竣工后在 K105 K105 520、 K105 785、 K106 050、 K106 450断面处理设置了 50 cm 和 100 cm深度的后期观测测温管 (内置热敏电阻 );
( 5)手持式红外扫描仪 (红外线表面测温仪 );
( 6)百叶箱等。
3. 1. 3 观测时间及频率
气象温度观测指定专人 ,并规定每日 2、 8、 14、20时用温度计进行测温; 用双金属温度仪记录每日的极值温度;实验段的温度观测规定每 10 d连续测试 2 d ,每次读数间隔时间为 2 ; 同时用手持式红外表面测温仪测试测点的表面温度。
3. 1. 4 温度观测内容
在温度观测中 ,安排了以下观测项目: 洞外气温、洞内气温、隧道衬砌表面温度、距衬砌表面 60cm 和 80 cm 深处围岩的温度。温度测试过程中正洞未贯通 ,影响到测值偏高。但是防寒洞与正洞在 K105 680处竖井贯通 ,使洞内已形成气流对流 ,再加之实验段位于洞口 ,故本阶段观测值比较接近正洞贯通后的实际情况。
3. 2 测试成果与分析
成果分析
( 1)未设置隔温层时 ,在距衬砌表面 60 cm 和 80 cm 深处围岩温度基本在 0℃以下。在有裂隙水的情况下 ,会产生结冰现象 ,由于水结冰时体积要增大 9% ,从而产生冻胀力 ,引起衬砌混凝土开裂。所以在衬砌表面设置防冻隔温层是必要的。
( 2) 距衬砌表面 60cm 和80cm 深处围岩温度基本保证在 0℃以上 ,从而保证了衬砌背面水不结冰 ,防止了冻害的发生。证实了所选用的隔温层材料是合理的,体现了铺设隔温层的效果。
(3)全年洞外气温变化幅度最大,洞内气温和壁面温度较接近,且变化幅度较洞外气温要小。体现了地下工程有恒温性的特点。
(4)未设隔温层的实验段60 cm 孔和80 cm 孔内温度变化幅度较设置隔温层的各实验段孔内温度变化幅度要大,由此说明设置隔离层是改善和控制衬砌内温度不受外界影响的有效办法。
(5)从表中可知,各实验段洞内气温与壁面温度基本接近,因此,设计时把洞内气温作为壁面温度进行导热计算是可行的。总之,从地温测孔测试数据看,冬季保温层后面衬砌温度可保持在0℃以上。经过一个冬季的观察, 选定了硬质聚氨酯泡沫塑料。 但现场发泡工艺不理想,导热系数指标超标,平整度差,因此在仰拱施工中采用了硬质聚氨酯型材。 硬质聚氨酯材料具有导热系数低、防水优良的优点,但具有可燃性,直接用于隧道不安全。试验施工中采用的FBT 等防火保温涂料,出现剥落现象,而其它防火层又不隔热。后又选用干法硅酸铝纤维材料,这种材料具有导热系数低,耐高温的优点,缺点是防水性能较差。针对这种材料的特点,把硅酸铝纤维设置在硬质聚氨酯外面, 再用玻璃钢及防水保温涂料作为保护层进行实验性施工,最后经比较选出硬质聚氨酯泡沫塑料型材(主体保温层) 干法硅酸铝纤维板(复合保温及防火层) 玻璃钢(保护层)的方案。
寒冷地区隧道防冻害是一个棘手的问题, 笔者通过现场实验, 证实了采用防冻隔温措施进行防治冻害的可行性, 并对防冻隔温层的材料组合和施工工艺进行了优化。 今后对隧道通车后防冻隔温层的使用效果和长期有效性还应加强观测, 同时, 还应加强对寒冷地区隧道产生冻害机理的理论分析研究。 2100433B
