寒冷地区铁路隧道防止冻害的基本措施

1、寒冷地区铁路隧道防止冻害的基本措施1· 概 述混凝土冻害是寒冷地区最具有代表性的劣化现象之一。其劣化形态，视结构物所处的环境而异但大体上有：混凝土骨料飞出(由于表层下颗粒的膨胀而破坏产生的喷出状凸出物)、剥落、开裂等各种形态。这种劣化的进一步发展，会使钢筋保护层剥落，钢筋外露井腐蚀，从而失去结构物的承载力和功能。 混凝土冻害是在寒冷地区产生的劣化现象。直接地说，是因混凝土中水分产生冻结膨胀所致要产生冻害，就应有冻结点以下的温度和充分的水。 水在冻结时能够自由膨胀，产生约9%的体积膨胀，在水泥浆的内部受到空隙壁的约束。为缓和体积膨胀，需要有必要的自由空隙。如无此空隙，就会产生很大的压力

2、。这就是劣化产生的原因。 随着温度下降，首先大空隙中的水冻结，面后是小空隙的水冻结。小空隙的水在冻结的过程中，会产生很大的静水压作用。在空隙壁上，当其达到抗拉强度时，就会产生开裂。如此反复，会造成混凝土表面的破坏，以致剥落。 混凝土冻结的发生，如前所述，尚可细分为由静水压引起的和由渗透压引起的两类由静水压引起的是指：混凝土在冻结过程中，表面部分先行冻结，表面上的冰形成壳体，而后接近表面的水泥硬化体中的毛细管中的水冻结。从水变成冰的过程中，伴随着体积膨胀，使相当分量的未冻结的水向微小的空隙内移动。移动时，因粘性阻力产生静水压。此静水压会使水泥硬化体逐渐破坏。由渗透压引起的指：在冰和未冻结水之间产

3、生渗透压。在毛细管中形成冰晶后，使比冰晶更小的空隙吸收未冻结的水。因这样的渗透压，使接近极限饱和区域的水移动，而使组织破坏。根据既住的研究成果，对冻害有影响的外部因素和其影响程度，得到以下认识；（1）冻融循环的次数越多，劣化越严重；（2）冻结时的温度越低，劣化越严重；（3）混凝土的湿度越大，冻害越大；（4）冻结速度越快，冻害越严重，但冻结速度对冻害的影响小；（5）冻结时间越长冻害越严重，但冻结持续时间对冻害的影响小。 冻害诊断的主要方法是冻结融解试验。根据冻融循环次数，判定混凝土的耐久性，例如ASTM C666规定，耐久性指数(300循环)超过60以上，就是充分耐久的在200次循环时，耐久性指

4、数要大于80等。 2· 混凝土冻害的评价方法考虑上述因素及冻害外部环境的影响，曾提出各种评价冻害的方法。日本采用促进率评价冻害的方法。日本的田烟等学者，在自然环境下，研究了抗冻性好的和抗冻性差的混凝土试件与冻结最低温度、最低温度的持续时间、冷却速度、冻融开始以前的养生条件等的影响。并提出用促进率评价冻害的方法是有一定的应用前景。 促进率的计算式如下。D=T×S×W （1）式中 D：劣化影响系数T：与温度条件有关的评价系数 T=T1×T2×T3T1：最低温度的权值抗冻性差的混凝土T1=0.39×（-t）抗冻性好混凝土T1=0.0625&

5、#215;（-t）-0.125t：冻结最低温度 T2：与温度梯度有关的权值 T3：与最低温度持续时间有关的权值 S：冻融时周围表面水的评价系数，视构件状态在01间变化在水中时，等于1.0。 W：冻融开始时含水条件的评价系数，主要在夏季有影响，水中养生等于1.0。为了掌握冻害因素的影响和耐久性评价，在上述研究的基础上，进行了水中冻融实验。下面是2500次循环直到试件破坏的一些实验结果 1)重量变化率 试件重量大约与循环次数成比例，2500次循环约减少41.0； 2)相对动弹性系数（Pc） 用共鸣振动法测定的在1300次循环时间约降低到60，而后经过1400次循环时，变得不稳定，到2500次时，减

6、少到试验前的25.9%。 3)相对动弹性系数(PV ) 用超声波速度测定的试验结果是：经过1300次循环后开始下降，达2500次时减少到446； 4)动弹性系数(ED) 试验结果用共鸣振动法测定的动弹性系数，在1300次循环时，为2×10kg/cm2，经过1400和后，变得不稳定。 5)动弹性系数(EV) 试验结果用超声波速度法测定的动弹性系数，在1300次循环时，为1×10kgcm2，其后开始下降； 6)相对动弹性系数(PC)和抗弯强度的关系结果是到1300次循环时，抗弯强度降低率显著，但1300次循环后，PC的下降显著 由此可见，因冻融作用，混凝土试件的劣化是从表面，缓

7、慢地进行的。其重量、相对动弹性系数都逐渐降低。到1300次循环，PC开始急速下降，表面发生微小裂隙。从这时开始变化是急剧的。由此可以判断，从1300次后，耐久性开始受到损害。 下面说明促进率在评价中的实践应用 在研究中设定的评价系数是： 1)冻融时最低温度的权系数(T1)， 2)冻融时的温度梯度的权系数(T2)； 3)冻融时最低温度持续时间的权系数(T3)； 4)冻融时表面水条件的评价系数(S)； 5)冻融时试件含水条件的评价系数(W)。 采用的各项系数列于表1。表1 评价采用的系数 混疑土类别影响程度的评价系敷 评价系数 权系数 抗冻性差的 抗冻性好的 T 温度 T1 最低温度 T2 温度梯

8、度 T3 持续时间 T1=0.0555(-t) T：冻结最低盘度 0.7 1.0 T1=0.0625(-t)-0.125 t：冻结最低温度 0.7 1.5 S表面水状态 S A法 1.0 1.0 W含水状态 W 水中养生 1.0 1.0 根据各评价系数，混凝土的劣化影响系数，即促进率的计算，由（1）式决定： D=T×S×W =T1×T2×T3×S×W =0.121×0.7×1.5×1.0×1.0 =0.127 如果预定地区的年冻融次数为40次，则有 40×0.127=5.0 这说明水中

9、冻融试验的一个循环，相当于预定地区5个冻融循环。因此，该地区耐冻融循环为40次时，相当水中冻融循环8次。如按本试验结果的1300次为耐久性损失的基准，则有 1300/8=162.5年 这说明：混凝土的抗冻性可维持160年的寿命。基于此观点，可以认为，隧道冻害的决定因素是围岩的冻胀，而不是衬砌混凝土自身冻融疲劳。因此，采用隔热层防止围岩冻胀是可行的。 应该指出这个试验是在室内进行的，与实际结构条件还有一定出入。因此，对实际结构进行评价时，对上述各评价系数应加以修正。 3·隧道结构物的冻害特征 实际上在寒冷地区的山岭隧道，除混凝土冻融引起劣化外，还有因衬砌背后围岩冻结引起的隧道变异这是隧

10、道冻害构基本特征，也是一个十分重要的问题。 现以铁路隧道为例，加以说明。 在日本北海道、我国东北地区，90以上的隧道发生冰柱。冰柱在初冬或晚冬成长迅速。在严寒期，一般不会成长。因为，在寒冷地区的隧道的大部分，在严寒期是冻结的，水的供给被隔断了。 日本北海道地区的隧道，通过调查、分析，了解到因围岩冻结造成隧道变异的原因及其冻结机理同时，也认识到隧道因冻结变异的历时变化和形态特征等。 共调查了155座隧道，对其中的87 处进行了变量分析。 从既有隧道冻害隧道的实态及分析，可以看出：隧道冻害始终是与漏水相联系的。日本铁路隧道，漏水的隧道约占隧道总数的56%。运营不满10年的隧道漏水发生率为55%,1

11、0年以上的可达到75%。其中,经过2040年的隧道的漏水发生率高达9095%。这些,大都是早期修建的,尽管长度不大,但材质和施工管理都存在很多问题。这些隧道的漏水部位,在拱部的占50%,最多。其次是墙部占23%。施工缝处占15%。 这些漏水的隧道,在寒冷地区,拱部漏水在一个晚上就会结成冰柱,施工缝和墙部的漏水会结成冰盘。这种结冰的隧道,约占漏水隧道的45%。 隧道漏水或结冰,造成衬砌混凝土劣化和变异,降低通信信号,电力等设备和钢轨及扣件等的耐久性。其次,漏水会使衬砌背后的土砂流失,而在衬砌背后形成空洞,并进一步产生偏压,路基下陷等。而在寒冷地区,结冰更加剧了对列车运行安全的威胁,对线路维修人员

12、的行走和作业都造成一定的困难。同时,衬砌背后围岩的冻结,会造成衬砌的破坏。分析中，采用的外基准和说明变量列于表2。研究了两者的相关性。变异判定的分级，前者见表3。后者见表4。表2 外基准和说明变量1)外基准 3 2 1 变异程度 大 中 小围岩冻结的变异判定 确实 可能 无 2)说明变量基准项目 1 2 3 4 年 代 积累寒度 地 质 变 质 涌 水 量 埋 深断面形状仰 拱 <15 1530 3050 >50 <300 300600 600一1030 >1000 中古生层， 洪积层 第三纪层 岩，火成岩 火山性堆积 流落状态 滴水状态 衬砌漏水 一般，干燥 lOm

13、1030m 30lOOm >lOOm 直墙 马蹄形，圆形 无 有表3变异程度的判定基准(1)判定 判 定 基 准 大 1开裂等变异显著，正在发展 2因变异造成衬砌功能有重大缺陷 3混凝土劣化显著，发生剥落4隧道断面缩小，影响列车运行 5曾进行过修复，变异还在发展 中 1有开裂等变异，但未发展 2混凝土发生劣化，但无剥落 3曾修复过，变异停止发展 小1变异很小，无发展，对衬砌功能无损伤2变异很小，无修复经历表4 变异程度判定基准(2) 判定 判 定 基 准 确 实 1变异显著的隧道中开裂宽度或净空断面宽度随季节而变动 2变异显著的隧道中，隧道围岩和路基发生冻胀 3其它，根据现场人员观察认为

14、有变异者 可 能 1变异程度中上，变异原因不明确 2靠近隧道有围岩冻结的变异 无 1变异程度，与年代比，小 2变异原因明确，与围岩冻结不同从既有隧道冻害的实态出发，可以认识到以下几点： （1）发生冻胀的条件外因：·低温：积累寒度：日平均气温在0以下的温度，每日累计值超过300·day以上的地区，定义为寒冷地区。温度通常指围岩的表面温度。当温度低时，围岩的冷却速度快，温度高时，则围岩的冷却速度慢。与冻胀有直接关系的是冻结面所处的冷热程度。地面温度作为外部条件对冻胀也产生影响。 假设从冻结面到冻土一侧得到的热量为Q1，从未冻土一侧流入冻结面的热量为Q2，在冻结面，由水变成冰所发

15、出的潜在热量为q，当考察如下四种情况时， Q1<Q2时，冻土融解，冻土面后退； Q1=Q2时，处于平衡状态，冻结面不动； Q1-Q2=q时，冻结面不动，冰层析出； Q1-Q2>q时，冻结面发展 由上述四种情况可知： 当处于第种情况时，冰层应能保持，处于第种情况时，冻结发展形成分散的凸透镜的冰群。决定这些热流条件的除地面温度以外，还与放射、蒸发、凝结和热幅射或者还与冻土及未冻土的热传导系数、比热等因素有关，而特别又与不冻土中水的含量有关。·衬砌背后围岩中的水：围岩中的水和含水量、透水性及地下水位有关。一般说，冰柱生成过程是地下水不断被吸收的过程，对冰柱的发展影响很大，即冻胀

16、速度与土的透水系数和毛细管上升高度成正比，与冻结线到地下水面间的距离成反比 ·围岩特性：从调查分析中可以看出，隧道变异主要是由围岩冻胀所引起的。而冻胀现象与地质因素有相当的关系调查证实；易于冻胀的岩石有： 新第三纪中：上部的软质，而细粒的泥质岩和凝灰岩； 吸水量在20以上的软质的泥质岩及细粒的凝灰质岩； 虽是难于冻胀的岩石，但因长期风化作用而破碎的情况。 调查指出，最易冻胀变异的地质是新第三纪的鲜新世·洪积世的沉积岩及炉姆质的新期火山碎屑层 哪种土最易冻胀?，从定性角度讲，粉砂最易冻胀，砂砾层、砂层和粘土层不易冻胀在冻土的融解期，冻胀越大的土，地基软化显著 土质的冻胀性能，

17、大都从土的物理性质方面着手研究例如：贝斯科(Beskow)常常把冻胀试验条件定为粒径小于0.125 mm。并且其含量大于35的土体。没有冻胀危险的界限小于0.125mm粒径。且其含量小于22的总土量的土体。还有小于0.062mm粒径。且其含量小于15%的总土量的土体。卡隆兰特(Casagrande)把粒子的均匀性定为重要的因素均匀系数小于5的土即粒径0.02mm以下，含量在10以上或均匀系数大于15的土(即粒径0.02mm以下，含量在3以上的土)最容易引起冻胀。总之，小于粒径0.05mm的粉砂，以10的含量为限。凡在此数之内的冻胀是安全的。科兰纳(Coroney)对英国南部土的冻胀情况进行了研

18、究指出：凡粒径在两条粒径曲线之范围内的土壤，其冻胀性显著。围岩（岩石）冻胀性，一般可根据表5的判定基准判定。表5 围岩（岩石）冻胀性的判定指标判定指标易于冻胀的条件单轴抗压强度干燥密度饱和湿润密度含水比细粉沙以下的含有量50kgf/cm2以下5g/cm3以下2.0g/cm3以下25%以上20%以上 内因： ·衬砌背后空隙的存在；·拱厚不足：·排水设计、施工不良；·无隔热措施。（2）隧道冻害变异现象特征图1 冻用压力造成的衬砌位移和开张宽度的变化隧道变异是随季节变动的，例如，衬砌位移与开裂的季节变化示于图1。从图1中可以看出：变异一般都具有明确的季节性的变

19、化。其变动量，开裂可达520mm，净空变化可达1030mm，是非常大的。这种季节变化，与外气温有1个月的相位差。其原因可大致归纳以下几点： ·比严寒期气温稍小的时期内，地下水的供给多； ·外气温比隧道内气温，相位迟；冰柱的成长期多在严寒期前后。从调查中发现，发生冻害（冰柱、结冰、冰盘等）的隧道，约占34%。冰柱和结冰多是因拱部和边墙漏水，加上外气温（隧道内气温）低，冷却而形成。冰柱和结冰的发生受到外气温、漏水量和漏水程度、围岩温度等支配。例如，漏水量超过某一值后，是较难发生冰柱和结冰的。另外，外气温低，衬砌背后的温度在冰点以下时，地下水在漏水之前就已经在围岩内冻结。此时，由

20、于冻结、融解的反复进行，会使衬砌材料劣化。有冻胀性的围岩，将产生冻胀力而造成隧道变异。依上所述，冰柱和结冰的发生与成长，将视隧道内气温、围岩温度、漏水程度和漏水量而异。图2 隧道内纵向温度分布模式另外，冬季隧道内的气温，在洞口附近接近外气温，越向隧道里面越上升。其状况如图2所示。在隧道横断面上的温度分布，示于图3。为此，冰柱和结冰的发生在洞口附近是显著的，而向里面则变小。图4表示发生冰柱的隧道，从洞口到最远距离l（冰柱发生区域）和隧道长度L 之比（l/L）的冰柱发生频率分布（2月份平均气温0> -5）。根据图4可以看出，隧道越长，越局限于洞口附近。在短隧道中，全长都会发生冻结。这样就可以

21、大致掌握，在隧道纵向冰柱发生的区域，作为设计隔热层长度的主要依据。4·防止冻害基本方法 1） 目的 · 防止衬砌混凝土因冻结融解而劣化； · 防止因衬砌背后围岩的冻胀压力造成的隧道变异图3 隧道横断面的温度分布2）基本方法针对外因的对策·置换：将冻结深度内的介质置换为不易冻结的材料；·隔热：在衬砌背后或表面设置隔热材料（喷射或铺设）；针对内因的对策·回填压注：充填背后空隙，防止背后滞水、冻结；·通畅排水：设置各种排水设施。 在选择防止冻害方法时，要进行充分的调查，采取与上述目的相适应的措施。图4 隧道长度与冰柱发生区域的关系

22、 3）措施的选择防止冻害方法可从热能方面进行分类。如图5所示，分为隔热法和加热法。目前，一般采用隔热法。加热法正在试验中。防止漏水方法隔热法表面隔热处理法双层衬砌隔热处理法冻害防止方法 加热法电热器等图5 防止冻害方法分类 （1） 隔热法 隔热法是在衬砌表面或一次衬砌和二次衬砌之向设置隔热材料，使围岩的热量在冬季不逸出隧道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。措施有以下几种 ·表面隔热处理法·双重衬砌隔热处理法。a表面隔热处理法： 是在衬砌表面设置隔热材料的方法。此法，在既有隧道的冻害整治中是最一般的方法。在新建隧道中，也有采用的，但比较少。 表面隔热处理法一

23、般是由防止漏水的导水层、隔热层及防止火灾的防火层等三层构成。构成隔热层的隔热材料多采用泡沫聚氮乙烯和泡沫聚氯苯烯，泡沫尿烷等。初期，此法是在工地把隔热材料直接喷射到衬砌表面上，最近，一般都是在工厂把隔热材料喷射到防水板上形成隔热板、并考虑导水层的方法。既使在这种情况中，隔热板的搭接处和端部也要在工地喷射隔热材料形成所需壳体以大幅度地提高作业的效率和安全。隔热材料表面的防火层可以予先喷射在隔热板上，也可在工地装好隔热板后再喷射。其概念图示于图6。图6 表面隔热处理方法 表面处理法一般有2种。一种是称谓A型,一种称B型。A型方法如图7（a）所示。即在衬砌表面用锚栓设防水板。板和衬砌间留有一定的空隙

24、。作为漏水流下的通道。而后在防水板上喷射隔热材料。图7（a）是上羽幌隧道的A型防冻措施的详图。隔热层全厚为:18mm(空气层)+2mm防水板)+35mm(隔热材料)=55mm。所以,隧道净空要减小些。这是一个问题。B型防冻方法是在衬砌上直接涂防水层,没有A型的那种空隙。此时,隔热层全厚是:1。3mm(防水层)+35mm(隔热材料)=36。3mm。为处理漏水要在衬砌上凿槽,放入20mm的半圆管并用防水水泥填充，如图7（b）。（a）（b）图7 表面隔热法图8 表面隔热处理法例一些施工例，示于图8。b双层衬砌隔热处理法双层衬砌隔热处理法是近期开发的一种方法。即在喷混凝土面上铺设防水板后，再喷射泡烷等

25、隔热材料，再修筑二次衬砌的方法。与表面处理法比较，因隔热层设在衬砌中间，其厚度薄，效果比较可靠，耐久性也好。故在冻胀力大，材料易于劣化的场合采用此法较好。图9是本法的概念图。图9 双层衬砌隔热处理概念图5·隔热法的设计原则和方法1） 设计原则· 一般可只把可能发生冰柱、结冰的范围作为设计范围；但在有可能发生冻胀的场合，要推定冻胀的发生范围，设置之；·要选择具有隔热效果和对火灾有安全性的隔热材料；·设计的重点是决定隔热层的厚度、长度等。2） 设计方法·隔热层厚度隔热层厚度按图10的流程进行设计。了解图10所示的气象数据、围岩和隔热材料的性质后，可

26、用表6、图11和图12求出隔热层厚度dh。开始当地年平均气温t隧道外气温的年振幅A当天振幅A隔热材料热传导率围岩热根据表4-2用再现周期m修正值t、A 、A，求出t、A、A根据图4-7求出隧道内气温的衰减表面隔热处理法根据图4-8求出隔热层厚度双层衬砌隔热处理法根据图4-14求出隔热层厚度图10隔热层厚度的计算步骤表6 再现期间m的修正值m (年)tm () AY () AD·max ()AD·max()20.112-0.181-0.1947.03-0.1660.2660.2877.55-0.4750.7630.822 8.010-0.8651.3871.495 8.720

27、-1.2391.9862.141 9.330-1.4532.3312.513 9.740-1.6052.5742.775 10.050-1.7222.7612.977 10.2601.8182.0153.142 10.470-1.8983.0433.281 10.5100-2.0843.3423.603 10.8150-2.296 3.6813.968 11.2图11 冰柱发生区域和隧道内气温衰减比AZ/AO图12 考虑隔热材料热特性时隔热层厚度dn的计算·隔热层宽度图13 隔热层宽度和富裕长度Ln隔热层宽度，为了防止没有隔热层处的寒气侵入，两侧应有一定富余长度LN（图13 ）。富余

28、长度LN，如图14所示，要大于使衬砌 表面温度 在0以下的范围。例如，Ar =13，dh=35mm时，富余长度LN，可按图15求出。图14 隔热层宽度和衬砌内温度分布图15 余裕长度的计算图表（尿烷类）·其他（1）埋深小和地表有积雪时，要考虑来自地表的影响；（2）隧道纵向的设置范围要注意在端部设置不发生冻结的导水层，一直到排水沟处（图16）；（3）导水层：隔热材料背后的导水层，视漏水情况，应有合适的构造；图16 隧道纵向的设置范围（4）前处理：施工前，应除去附着在施工面上尘埃和劣化部分。6·隔热工法的设计计算例在防止冻害中最具有代表性的工法是隔热法(表面隔热处理工法、双层衬

29、隔断热工法)。现以计算例具体说明设计方法。这里所举出的算例包括：1·计算设计所需的各种气象条件的数值： 2·推定结冰的发生区域； 3·设计隔热材料的厚度。 此处，按计算过程加以说明。 关于隔热材料的纵向长度，埋深的影响等没有进行研究，因此，在埋深小的地段或隔热材料长度不大的条件下，采用隔热法时需另行研究。 1表面隔热处理工法 11 设计条件 (1) 隧道概况长度：1500m断面；双续电化断面(A=51.3m2)列车对数：110对日隧道方向：北北东方向，冬季季节风强烈地形、地质条并：地形埋深50m200m左右地质新第三纪流纹岩质疑灰岩，非冻胀性地层。 (2)气象条件

30、在隧道付近获得的气象数据列于表7。 表7 气象数据(1)2月和8月的月平均气温 年 58 59 60 61 62 乎 均 2 最高气温最低气温 -0.3 4.2-0.6 -5.5 1.3 -2.8 -0.5 -5.4 1.6 -4.4 月 月平均 -2.3 -3.1 -0.8 -2.5-1.4 -2.1 8最高气温最低气温29.0 20.7 31.0 20.7 27.518.0 25.4 18.3 月 月平均 24.8 25.8 22.7 21.8 23.8 (2)62年2月的最高气温、日最低气温 日1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15屉高气温最低气温34 0

31、 -1 2 0 2 4 4 7 11 10 1 1 -5-7 -7 -6 -5 -3 -2 -5 -2 -4 2 0 1 -4 6 8 日16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28最高气温最低气温-5 4 -2 0 -2 -2 1 5 8 7 2 -3 -2-7 -8 -7 -6 -7 -7 -5 -2 -3 0 -6 -6 -6(3)计算设计所需气象条件的数据棍据表7，求设计所需气象数据年平均气温tm：tm=(-2.1+23.8)2=10.8气温的年振幅AY：AY=（2.1+23.8）2=13.0气温日振幅的是大值ADmax： ADvmax =（4+8）2=

32、6.0从这些数值，取再现期间为10年时的气象条件的各值，依表6得出如下。年平均气温tm：tm=10.8-0.9=9.9气温年振幅Ay；AY=13.0+1.4=14.4 （2）气温日振幅的最大值，Admax ADMAX=6.0+1.5=7.5 ；应该说明：再现期间m，应充分考虑线区的特性决定之。例如4级线，取m=3。12 推定距洞口结冰的发生区域距洞口结冰的发生区域l，根据图2的概念，下式成立。AZ/AO=tm/Ar （3）另外，图16的温度衰减曲线的衰减比AZ/A。，可由下式给出。AZ/Ao=exp(-·z·COS ) （4）式中=22(·ro Cp,·

33、V) =/4- =2a 为气温变动的速度，年周期变动 =7.17×10-4rad/h，日周期变动 =2×10-1rad/h a为围岩的温度传导度， a=Cp=2540=0.0037m2/h ：=1l+2(h)+2(h)2h=/：为围岩和衬砌间的热传导率=10kcalm2h；围岩的热传导率 入=2.0kcal/m2h；隧道内流体(空气)的比重量，=1.251kgm2 ro：隧道的换算半径由断面积A=51.3m2知，ro=4.04m Cp；定压比热 Cp=O.240kcalkg V：隧道内换算风速，在双线隧道中，列车对数多，故取V=1.0msec ：tan-1(h)(l+(h)

34、从(4)式知对年振幅动态，AZ/AO=exp(-2。88×10-4 ·Z)对日振幅动态，AZ/AO=exp（-2。96×10-3·Z）因此，结冰发生区域l和衰减比AZ/AOD的关系，如图17所示。图17 结冰发生区域和衰减比A2/A0从（2）式知tmAY=9.914.4=0.69所以，根据图17，l=1300m，也就是距洞口1300m发生结冰，而隧道长度是1500m，故隧道全长都发生结冰现象。距洞口300m处的衰减比，从图17知 对年振幅动态：AY·Z=300Ay=0.911 对日振幅动态：AY·Z=300/AD=0.11 故，在距洞

35、口30Om处 年振幅 AY·Z=300=0.911×14.4=13.1 日振幅 AD·Z=300=0.411×7.5=3.1 （5） 即tm=9.9 1-3 计算断热材的厚度 根据以上结果，来表面隔热处理法的隔热材料的厚度dh。首先，取围岩的无量纲热传导率r=2.0，则，隔热材厚度dh和tmAY之间的关系示于图18。根据此图可以计算隔热材的厚度。图18 dh和tm/Ar的关系（r=2.0）·距洞口300m的区间由（2）式知：tmAY=9.9/14.4=0.96=AD/AY=7.5/14.4=0.52从图18知，当取r=0.040、0.025、0

36、.Ol5时，所需靳热材厚度分别为dh=3.2、2.0、12cm·从300m到隧道中央的区间由（5）式知：tm/AY，Z=300=9.9/13.1=0.76=AD，Z=300/AY，Z=300 =3.1/13.1=0.24从图18知，r=0.040、0.025、0.015时，隔热材料的厚度dh=2.2、1.4、0.8cm。根据1-3节的计算结果，隔热材料的厚度d和隔热材料的无量纲热传导率r 的关系示于图19。据此，采用热传导率h =0.03（相当h=0.03）的隔热材料的场合，隔热材料的厚度为： · 距洞口的300m区间：d=-2.4cm · 从300m到隧道中央的

37、区间，dh=1.7cm。 下面简要说明解析方法的基本观点。在表面隔热处理工法的隧道围岩模式中，隧道内气温o，随年振幅和日振幅而周期变动时的温度振幅的概念图示于图20。图19 h和dh的关系 此时，隧道内气温o的最小值 o，min =tm-AY-AD (7)防止结冰为目的的隔热材背面温度B的最小值B，min=tm-AY，B-AD，B (8)式中AY，B：对日周期变动的隔热材料背后的温度振幅AD，B：对年周期变动的隔热材料背后的温度振幅图20 温度动态概念防止结冰的场合，必要条件是：B，min>0，（8）式应满足下式。Tm > AY，B AD，B （9）式中：无量纲振幅kY，B 和kD

38、，B分别以下式给定kY，B=AY，B/AYkD，B=AD，B/AD如导入隧道内气温的日振幅·年振幅的比：=AD/AY的变量，则（9）式，变成下式。tm/AY>kY，B -kD，B （10） 在(10)式中，tm、AY、都是由隧道所处地点的气象条件给定的。面KYB和KDB，可根据非定常热传导率模式的解析结果求出。所以，可以选择出满足(10)式的隔热材厚度和种类。根据上述解析，当取隔热材的无量纲热传导率h和围岩无量纲热传导率r，为变量时，其诺模图示于图18。隔热材料的无量纲热传导率，围岩的无量纲热传导率为h=h/cr=r/c式中：h：隔热材料的热传导率r：围岩的热传导率c：混凝土的

39、热传导率2双层衬砌隔热处理法 21 设计条件 (1)隧道概况 长度；890m 断面：单线非电化断面(A=22.6m2)列车对数：20对日隧道方向为东西方向，冬季的主要风向为北北东地形、地质条件冬季的主要风北北东。地形：埋深约20m100m左右地质：新第三纪泥岩，有冻胀性结冰发生显著，有显著的冻胀压力(2)气象条件隧道付近的气候数据(最近10年间)列于表8（1）。表8 气象数据及气象条件的均值和标准偏差（1） 气象数据年1月2月7月8月最高·最低1979-7.5-5.516.318.9-1.8-13.81980-6.5-9.615.816.3-1.5-12.21981-8.9-6.01

40、7.618.9-2.4-15.51982-8.6-9.416.719.7-2.3-15.11983-6.9-7.914.419.3-1.0-12.91984-7.8-8.418.519.8-1.6-13.51985-11.3-5.417.220.8-4.2-18.61986-10.3-9.515.019.4-4.1-16.51987-9.5-7.217.417.2-3.4-16.41988-7.6-7.813.919.5-1.0-14.2（2） 气象条件的平均值和标准偏差年tmAYAD19795.713.26.019806.713.05.419815.013.96.319825.214.66.

41、419835.713.66.019845.714.16.019854.816.17.219864.614.96.219874.013.56.519885.913.76.6平均值5.314.06.3标准偏差0.80.90.5（3）计算设计所需的气象条件的各种数据首先，根据表8（1）求出各年度的每年平均气温tm、气温的年振幅AY、气温的日振幅AD的最大值AD，max，求出各个的平均值、标准偏差，均列于表8(2)。 其次，根据(11)式所示的第一种极值分布的推定式，计算设计所需的气象条件各值。 yp=u+l/·ln（-ln（l-l/m） (11)式中yp：极值 m：再现期间 u、：根据数据

42、的均值、标准偏差和数据量给出。 u=Y±（yn/n）Y =n/Y （12） 式中Y ：数据的均值 Y ：数据的标准偏差 yn ；由数据量决定的系数(数据量=10时，y=0.4952)n ；由数据量决定的系数(数据量=10时，y=0.9497)(11)式、(12)式中的十、一，对应各最小极值分布和晨大极值分布。由(11)、(12)式知，按再现期间m=5年时求出的年平均气温tm、气温的年振幅AY、气温的日振幅AD，列于表9。 表9 气象条件的推定结果 项 目 u 极值yp年平均气温tm气温的年振幅AY气温的日振幅AD 5.7 13. 6.0 1.187 1.055 1.900 4.414

43、.9 6.8最小极值最大极值最大极值。22 推定结冰发生区域(距洞口)(1)用解析式试算结冰的发生区域从洞口发生结冰的区域1为 AZ/AO=tmAY （13）棍据表9知，tm/AY=4414。9=0。295另外，按图2的温度衰减曲线的衰减比AZ/AO AZ/AO =(-·z·COS ) （14） 式中=22(·ro Cp,·V) =/4- =2a；围岩的热传导率=1.0kcalm2hrro：隧道的换算半径，根据断面积A=22.6m2知，ro=2.68mv：隧道内换尊风速，因列车对数少，且主要风向不同，取V=0.5m/sec根据（14）式，基于图21的概念

44、推定的结冰发生区域（距洞口）为1800m。但隧道全长是800m，故整个隧道全长都发生结冰现象。 (2)考虑二次衬砌厚度的解析式的试算 按上述推定的结冰发生区域，还存在二次衬砌表面冻结的问题，实际上，考虑二次衬砌厚度的温度衰减是合理的。 现设距洞口x的温度振幅Ax为 Ax=tm·exp(dcz·/2a) （15）式中 tm：年平均气温，tm=4，4 dcz；二次衬砌厚度，取d=25cm ：角速度，=7.19×10-4h a：温度传导度 a=3.7×10-3h 所以，Ax=4.7这是使二次衬砌背面达冰点时，二次衬砌表面的温度振幅。求出与Ax相对应的距离就是需

45、要设置双层隔热衬砌的必要距离。 对洞口气温的衰减比为 AxAY=；4.714.9=0.315如假定换算风速V=0.5msec，则依图21可知，结冰发生区域为1650m。比(1)推定的小150m，也是在隧道全长形成冻结区域。2-3隧道内气象条件的推定这里，根据图21并考虑洞内温度衰减的气象条件，进行推定。隧道换箅风速取V=0。5m/sec。区间I (距洞口140m（隧道长度的16）：AL=0 /AY=1区间 (距140m280m（隧道长度的13）：AL/6/AY=0.92区间 (280m隧道中央)：AL/3/AY=0.83因此，各区间的气象条件，列于表10。 图21 和或A2/A0的关系表10

46、各区间的气象条件衰减比 AYtm 地 点区间1 1 0.92 0.8314.913.7 12.44.44.44.4洞口距洞口140m距洞口280m 24 计算断热材的厚度 根据以上结果求双层衬砌隔热处理发的隔热材料的厚度dh。 首先，取围岩的无量纲热传导率r=1.0，则隔热材厚度dh和tmAY的关系示于图21。依此图即可求出dh。这里，采用尿烷系隔热材料（无量纲热传导率h=0.015），进行计算。·区间1tm/AY=4.4/14.9=0.29=AD/AY=6.8/14.9=0.46所以，根据图22，当h=0.015时，需要的隔热材料的厚度d=61mm。·区间 tm/AY =

47、4.4/13.7=0.32=AD/AY=6.8/13.7=0.50所以，根据图21，当h=0.015时，需要的隔热材料厚度d=55mm·区间 tm/AY =4.412.4=0.35 =AD/AY =6.8/12.4=0.55所以，依图21，需要的隔热材料厚度d=50mm。把上述计箅结果汇集于图22。同时给出再现周期m=5年的结果，与m=2.33、m=3 年的计算结果，一并示于图22。图22 隧道纵向隔热材料厚度的分布 图23是日本法兰华隧道采用双层衬砌隔热处理的事例。图23双层衬砌的隔热处理例由图23可见，首先喷射混凝土，而后铺无纺布、设防水板、再修筑隔热层。喷混凝土厚度25cm、无

48、纺布厚4mm、防水板厚0.5mm、隔热层厚30mm、衬砌厚度35cm（这些尺寸是根据该隧道的环境条件决定的）。隔热层是采用喷射硬质聚胺脂方法修筑的。无纺布不仅作为背后涌水的排水层，也是为了防止防水板破损二设置的。7·混凝土的抗冻性规格 混凝土的冻害，在硬化过程中，可分为以下2种情况。·从混凝土灌注后到凝结硬化的初期阶段受到的冻害；·硬化后的混凝土因冻融反复而受到的冻害。其中，前者是低令混凝土出现的，称为“初期冻害”，需要采取一般的防寒对策。而后者是因混凝土中含水产生的。混凝土中的水分冻结后，与水的冻结膨胀（约9%）相当的水在混凝土中移动，而产生水压，造成混凝土的破坏。混凝土受到冻害的劣化形态，是初期产生开裂，接着混凝土表面剥落，如果采用对冻融抵抗差的骨料，还会出现骨料飞