严寒高海拔地区隧道保温材料的比较研究.docx
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严寒高海拔地区隧道保温材料的比较研究
严寒高海拔地区隧道保温材料的比较研究
高海拔严寒地区公路隧道保温材料的比较研究
【内容摘要】
高海拔严寒地区公路隧道保温对于工程的耐久性和安全性有重要影响。
而选用适宜的保温材料又是保温体系的关键。
经过材料比较，泡沫玻璃的材料特性更适宜于隧道保温工程。
实际工程应用的温度数据也表明，泡沫玻璃的保温效果十分显著。
【关键词】严寒地区隧道保温材料
1前言
近年来，我国公路交通事业飞速发展，在西部地区寒冷及严寒地区的工程数量也越来越多。
由于特殊的地理气候条件，使得高海拔严寒地区公路隧道工程的特殊性不断凸显，尤其是在气温急剧变化的地区更为迫切。
解决这方面的问题，对于公路交通工程的安全性和耐久性，有着极其重要的意义。
目前来看，冻融破坏是寒区隧道的主要病害之一。
传统的治理措施以防排水为主，在防排水的基础上加强保温的措施对隧道冻害的进行防治，即建立完善的畅通的防排水系统，然后根据当地的最大冻结深度，适当采取如防寒泄水洞、防寒水沟等保温措施。
但在高海拔严寒地区，昼夜温差很大，尤其是低温很低，衬砌背后排水系统和路面下的排水沟往往因冻死而丧失排水功能，以至造成衬砌和围岩仍会发生冻胀病害，因此对隧道进行保温就显得尤为必要。
2工程概况
G045线赛里木湖至果子沟口段公路改建工程是G045线新疆境内赛里木湖至霍尔果斯公路改建工程中重要的一段，全长56.202公里。
其中越岭段隧道三座，即赛里木湖隧道、捷尔得萨依隧道及将军沟隧道，均为分离式隧道；沿溪段隧道两座，即桦木沟隧道及藏营沟隧道。
本工程隧道最高海拔2100m左右，均位于季节性冻土地区，最大季节冻土深度为170cm，属强季节性冻土隧道。
工程所在伊犁地区属温带内陆干旱区山地气候，总的特征是四季分明，春夏季多雨湿润，冬秋季少雨，日照充足，冬季漫长，日温差较大。
最大降水量500mm，最大积雪厚度150cm。
最大季节冻土深度170cm。
年平均气温2.5℃，主导风向以W、N、WN为主。
每天平均实际日照达8～12小时，其中日照最多的月份是6～8月，各地每天平均实际日照在10小时以上，最少月份2月，每天平均5小时左右。
极端最低气温达-42.6℃，极端最高气温40.1℃。
无霜期平均为165天，一般始于4月中旬，止于9月底。
境内年平均降水量为140～450毫米，雨量由南向北随纬度增加。
夏季降水量占总降水量50%以上。
区内平均风速为1.7～2.7米，春季风大，夏季次之，冬季最小。
多有山谷风，以二台到果子沟一带最突出。
主导风向为东南风，最大风速为21～24米/秒。
区内地表水包括赛里木湖水、山沟水、泉水。
受地形地貌、地域降水的影响，各河系的源头都位于冰川、山区积雪带，随着山区水分的融冻及季节降水而使各河的年内枯洪变化明显。
各河水源为降水、积雪和泉水，春季水大，夏季暴雨后多洪水。
地下水主要为基岩裂隙水及孔隙水，基岩裂隙水水质尚好，对圬工无侵蚀性。
3保温方案的选择
隧道保温的两种基本方式，一是在洞口设门阻挡冷空气的侵入，这种方式在铁路隧道应用较多，因为铁路运输进出车辆时间相对固定，门开启的次数较少而且有规律，但对于行车密度较大的公路隧道则明显不适应。
二是采用保温材料对衬砌进行保温，这项技术近年来才逐渐在工程中开始应用。
目前国内外对寒冷地区隧道保温工程的研究较少，工程实践也不足，尚无完整的技术体系可供采用，通常是从建筑保温中借鉴一些做法，所先择的材料也是用于建筑保温常用的一些材料。
在设计时，一般是采用类比法，用相同或相近的工程范例做参考，表1是国内部分寒区隧道采用该技术的统计情况。
表1已建隧道保温方案统计情况
隧道名称
气象条件
保温材料
铺设方式
铺设
厚度
年份
最冷月
平均气温
冻结深度
青海省
大坂山隧道
-14.3℃
4m
聚氨酯硬泡
衬砌表面
40mm
1998
河北省
梯子岭隧道
-10℃
1m
聚氨酯硬泡
两层衬砌
之间
40mm
2001
青藏铁路
风火山隧道
多年冻土
聚氨酯硬泡
两层衬砌
之间
50mm
2001
青藏铁路
昆仑山隧道
多年冻土
聚氨酯硬泡
两层衬砌
之间
50mm
2001
四川省
鹧鸪山隧道
-13℃
1.01m
酚醛泡沫
衬砌表面
40mm
2004
四川省
日尔郎山隧道
-10.7℃
1.5m
聚氨酯硬泡
衬砌表面
50mm
2006
西藏
嘎隆拉隧道
多年冻土
酚醛泡沫
衬砌表面
40mm
2009
从上表可知，常见的隧道保温方式大致可分为两种：
一种做法是在隧道初期支护和二次衬砌之间铺设保温层。
这种做法的主要缺陷在于：
（1）二次衬砌钢筋的焊接时易发生火灾；
（2）保温材料在二衬混凝土振捣时容易脱位；
（3）保温材料埋在隐蔽工程中，发生问题很难维修和处理；
（4）由于初期支护为柔性支护，在初期支护受到围岩压力产生变形时，或者是衬砌后的水压较大时，都会把压力直接传递到隔热层上，而隔热材料的强度和弹性模量都较低，受力后隔热层会被破坏或压缩，从而失去保温隔热的功能；
（5）保温材料的保温性受保温机理、水蒸汽透过性和吸水率等指标的影响很大，处于这种位置时，大多数保温材料会很快失效。
另一种做法是在隧道二次衬砌表面铺设保温层，该种做法避免了上述工法的不足，其优点是施工质量容易控制，保温层维修方便，但也存在一些缺点如：
（1）保温材料的安装固定比较复杂，需要对保温材料采取特殊的防火和饰面处理；
（2）衬砌结构发生正常的结构破坏，表面难以观察病害发生情况，治理比较困难。
因此，就工法而言，选择第二种做法无疑要好于第一种做法。
但是第二种做法同时也存在一些问题需要解决，这样就对保温材料及其施工方法提出了新的要求。
基于隧道保温的特殊性，其保温构造很难等同于建筑外保温，因此，需要在材料选择上进行更加细致的考虑。
由于没有工程范例做参考，经过认真调研并考虑的实际情况,基于结构的安全和耐久性上来考虑，最终选择在隧道二次衬砌表面铺设保温层的方法作为实施方案。
4保温材料的选择
常用的保温材料按材质分可分为有机类和无机类，按形态分可分为纤维状、微孔状、气泡状和层状等。
由于各保温材料的生产工艺和材质各异，使得其保温性能、燃烧性能及施工性能也有所差异，只有对保温材料充分了解的基础上，才能选择合适的材料，用于工程实践。
表2给出了常用保温材料的保温性能、燃烧性能及施工性能。
表2常用保温材料的保温性能、燃烧性能及施工性能
材料
保温性能
燃烧性能
施工性
泡沫
玻璃
导热系数：
≤0.050W/（m·K），体积稳定性好，吸水率很低。
A级不燃
与其它无机材料结合牢固，施工方便。
岩棉、
玻璃棉
导热系数：
0.044W/（m·K）～0.049W/（m·K），岩棉、玻璃棉不吸水时，导热系数较小，而一旦吸水后，保温性能就会急剧下降。
A级不燃
施工工艺较为复杂，对大面积保温时，需加保温钉。
硅酸铝纤维板
导热系数：
0.054～0.088W/（m·K），吸水率高，吸水后保温性能就会急剧下降。
A级不燃
施工受气候影响大，施工周期相对较长。
聚苯乙烯模塑板EPS
导热系数：
0.035W/（m·K）；
受潮后保温性能会严重降低。
氧指数：
≥30
燃烧分级：
B2级
燃烧时有浓烟和熔融滴落。
施工较为复杂，暴露于室外时，极易受损，系统内部容易存在空腔，且强度较低
聚苯乙烯挤塑板XPS
导热系数：
0.030W/（m·K）。
吸水率低，不霉变、耐老化、耐腐蚀。
氧指数：
≥30
燃烧分级：
B2级
燃烧时有浓烟和熔融滴落。
便于切割、运输，且不易破损，安装方便，施工效率高，具有较高的压缩强度；
聚氨酯硬泡
导热系数：
≤0.024W/（m·K）
吸水率低，易老化变形。
氧指数：
≥28
燃烧分级：
B1级
燃烧时释放出大量有毒烟雾。
施工简便灵活，机械化作业，快速。
施工温度宜为15～30℃，风力不宜大于3级，相对湿度宜小于85%。
酚醛
泡沫
导热系数：
≤0.022W/（m·K）
吸水率低，体积稳定性好
燃烧分级：
B1级
燃烧时释放烟雾少，有毒气体极微。
施工方便
由表2可知：
（1）从保温性能上看，有机类保温材料原状导热系数都较低，优于无机类。
然而，保温材料实际使用的导热系数总会高于原状的导热系数，这是由于保温材料内外侧始终存在着温度差和湿度差，在水汽分压差的持续作用下，水汽会不可避免地渗入保温材料内部，因此，单纯地追求导热系数指标并无太大实际意义，而需要以实际工况作为衡量的依据，材料的吸水率、吸湿率、水蒸汽透过率、温度体积变形等指标更需要关注。
也就是说，要更加重视材料及保温系统的有效性和耐久性。
（2）从燃烧性能上看，无机类保温材料要远优于有机类；有机类中又以酚醛泡沫燃烧性能等级最高。
（3）从施工性能上看，块状保温材料粘贴比较灵活，对施工技能的要求相对较低，受外界环境的影响较小，且粘贴方法相对成熟。
严寒高海拔地区气温低、昼夜温差大，隧道内湿度高，风速大，对保温材料要求应该是：
耐老化、体积稳定性好、吸水率低、燃烧等级高、性价比高。
而无机保温材料中的泡沫玻璃在综合材料指标有着显著的优势，无疑是最佳的选择。
5保温效果分析
本工程采用泡沫玻璃作为保温材料，为了有效地验证泡沫玻璃保温的效果，工程部于2010年12月1日至2011年3月31日共4个月的时间对隧道内部不同部位选择有代表性的测试点进行了温度观测。
观测的主要内容包括：
（1）整个观测期内通过保温施工后，保温层内外平均温度（选择每天固定时段进行温度采集），见下表3；
表3隧道保温工程温度平均值（单位：
℃）
上午
中午
下午
左边墙
拱顶
右边墙
左边墙
拱顶
右边墙
左边墙
拱顶
右边墙
内
外
内
外
内
外
内
外
内
外
内
外
内
外
内
外
内
外
2.8
-16.0
2.2
-14.0
2.2
-14.4
2.0
-14.1
1.5
-12.6
1.8
-12.6
2.0
-13.4
1.6
-11.5
1.6
-11.2
上表中反映出，在整个观测期内，隧道保温层内外的温差范围达到12.8℃～18.8℃，而内部衬砌混凝土层的平均温度均在0℃以上，有效地防止了冻融破坏。
（2）极端天气条件下内外温度差异，见表4；
表4极端天气下内外温度差异（单位：
℃）
上午
中午
下午
左边墙
拱顶
右边墙
左边墙
拱顶
右边墙
左边墙
拱顶
右边墙
内
外
内
外
内
外
内
外
内
外
内
外
内
外
内
外
内
外
-2
-31
-2
-40
-2
-40
-1
-26
-2
-32
-1
-32
-2
-26
-3
-36
-2
-34
表4反映出，在极端天气条件下保温层内外的差异。
内外温度差的范围在24℃～38℃之间，说明保温层能够很好地服役。
同时，表中数据取平均值，则内部平均值为-2℃，而外部平均值为-33℃。
由此表明，在极端天气平均温度在-33℃时，内部温度不超过-2℃，对于衬砌混凝土来讲，在这个温度下不会发生冻胀破坏。
（3）保温层内外温度极值及波动范围，见表5；
表5保温层内外温度极值及波动范围（单位：
℃）
上午
中午
下午
左边墙
拱顶
右边墙
左边墙
拱顶
右边墙
左边墙
拱顶
右边墙
内
外
内
外
内
外
内
外
内
外
内
外
内
外
内
外
内
外
14
27
13
43
16
56
14
29
13
31
12
33
11
31
13
37
11
50
由表5可以看出，保温层内部的温度极值范围在11～16℃之间，平均值为13.5℃，波动范围为5℃；保温层外部极值范围则在27℃～56℃之间，平均值为41.5℃，波动范围为29℃，表明泡沫玻璃保温层能够显著降低外界温度波动对衬砌混凝土的温度影响，有效降低极值温度区间，减少温度波动幅度（同时也就减少了温度应力所造成的体积变形）。
6结论
泡沫玻璃有良好的微观构造，决定了该材料在高海拔严寒地区隧道保温中有相对较高的材性优势。
而赛果隧道的实际工程观测数据表明，泡沫玻璃应用于公路隧道保温工程中，有显著的保温效果，对于衬砌混凝土耐久性和安全性都起到了良好的作用。
对于泡沫玻璃在隧道保温中的应用，值得进行更深入的研究。
【参考文献】
1、张亚兴.嘎隆拉隧道抗防冻及防排水技术的研究[D]重庆：
重庆交通大学，2009.
2、叶秀玺.寒区隧道冻害防治技术研究[D]西安：
长安大学，2010.
3、赵吉明，郭兴等.大坂山隧道洞内保温性能分析[J].公路隧道，2007.3:
57～58.
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81～86.
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