专利名称：用于寒冷地区隧道冻害防治的防冻隔温层及其施工方法
技术领域：
本发明涉及一种隧道工程措施，尤其是涉及一种用于寒冷地区隧道冻害防治的防冻隔温层及其施工方法。
背景技术：
我国已建的寒冷地区隧道很多都发生衬砌开裂、剥落、挂冰和路面(线路)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，养护治理都十分艰难。而目前，随着我国交通事业的快速发展，随着西部大开发政策的进一步落实，在西部的高海拔和北部的高纬度寒冷地区将陆续有新的大量的隧道建成，与以往寒冷地区的隧道相比，这些隧道的规模更大、技术要求更高(机电设施增多，高速运行的要求等)，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的措施，以避免冻害现象的发生，是目前隧道工程界急待解决的问题。
我国隧道工作者在总结工程实践经验的基础上，提出了以排水为主，在排水的过程中加强保温的防治冻害方法，即建立完善的畅通的防排水系统，适当采取保温措施，如防寒泄水洞、中心深埋防寒水沟、保温水沟等。虽然取得了一定的工程效果，但现实并不容乐观。调查资料表明，在寒冷地区仍有隧道壁面挂冰、路面结冰、衬砌开裂等现象发生。每年都要投入大量的人力、物力、财力对寒冷地区隧道冻害进行养护和维修。
发明内容
本发明为了解决上述背景技术中的不足之处，提供一种用于寒冷地区隧道冻害防治的防冻隔温层及其施工方法，其能有效防止寒冷地区隧道渗漏和冻害，既可应用于既有隧道的整治，又可应用于新建隧道。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种用于寒冷地区隧道冻害防治的防冻隔温层，隧道衬砌结构包括初期支护、防水层和二次衬砌，其特殊之处在于所述防水层与二次衬砌之间设置有防冻隔温层。即将完善的防排水系统与防冻隔温层结合起来，防治隧道渗漏和冻害。也可将防冻隔温层设置在二次衬砌表面。
上述防冻隔温层的厚度按以下公式计算δλ1×s=Ln(1+dr)2π×λ2×l]]>式中δ-隔温材料厚度，m；λ1-隔温层材料的导热系数，w/(m·k)；S-隔温材料的传热面积，m2；d-围岩的厚度(即实测的围岩最大冻结深度)，m；r-隧道的当量半径为，m；λ2-围岩的导热系数，w/(m·k)；l-圆筒的长度，m。
上述防冻隔温层可以是硬质聚氨酯泡沫塑料板材。
一种用于寒冷地区隧道冻害防治的防冻隔温层的施工方法，其特殊之处在于将A组分各原料混合均匀后，再与B组分混合，立即注入模具，在化学反应的同时进行发泡，固化后得到所需形状的制品。
一种用于寒冷地区隧道冻害防治的防冻隔温层的施工方法，其特殊之处在于采用966氯丁防冻胶做为粘结剂，将硬质聚氨酯泡沫塑料板材铺设在防水层上。也可采用固定支架将硬质聚氨酯泡沫塑料板材铺设在二次衬砌表面。
与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下经过试验工程表明，在隧道衬砌表面未发现渗漏和结冰现象，表明采用防冻隔温层防治隧道冻害的措施是可行的，这一首次应用于国内的防冻害措施为我国寒冷地区隧道防冻害技术开辟了一条新的途径，该研究成果填补了我国在这一领域的空白，具有较大的工程应用价值。
四
图1为本发明的结构示意图；图2为单层平壁的导热模型图；图3为单层圆筒壁的导热模型图。
五具体实施例方式参见图1，保温边沟8两侧设有横向排水2和纵向排水管1，围岩3外侧为原混凝土衬砌4和防水层5，在防水层5(初期支护)和二次混凝土衬砌7之间设置防冻隔温层6(硬质聚氨酯泡沫塑料板材)防治隧道冻害，如图l所示。该方案的难点是防冻隔温层的设计，包括选材、厚度确定和施工工艺等问题。经对多种绝热材料对比筛选，确定采用硬质聚氨酯泡沫塑料做为防冻隔温层材料，它具有强度大、导热系数小、施工方便等优点。
防冻隔温层厚度的设计计算方法为确保衬砌背部水不至冻结，就要确定防冻隔温层的最小厚度。为此，依据绝热原理，对在隧道衬砌表面或内部铺设防冻隔温层材料的情况，可利用等效厚度换算法计算其厚度。对于不同导热性能的两种材料(围岩和防冻隔温层)，欲使其隔温效果相同，可令其热流量相同，即同一热流量通过不同导热性能、不同厚度的材料，那么根据材料两侧的温差相等，就可解出这两种材料的等效厚度。
防冻隔温层材料的厚度相对于面积而言很薄，故可按平板计算其热流量；隧道是个管状结构，且隧道围岩的冻结深度较大，故可按圆筒计算其热量流。下面对防冻隔温层厚度计算公式进行推导。
传热的基本物理方程传热是指热量从高温区向低温区的自发流动，是一种由于温差而引起的能量转移现象。自然界中，无论在一种介质内部，还是在两种介质之间，只要有温度差存在，就会出现传热过程。
把单位时间内某物体传出或传入的热量，称为热流量，记作Q=ΔQΔt.]]>将垂直于热流方向上单位面积的热流量，称为热流密度，记作q=QS.]]>按照传热的物理机理，传热过程主要通过三种方式进行导热、对流和热辐射。
导热是依靠物体内分子、原子、自由电子等微观粒子的热运动，在宏观上物体各部分无相对位移的热传递现象。在固体、液体和气体中均可发生，但在地球重力场的作用范围内，单纯的导热过程只会发生于密实的固体中。
对于以导热方式为主的传热过程，其热流量符合傅立叶定律热流量与热流方向上的温度梯度和垂直热流方向的截面积之积成正比。即Q=ΔQΔt=-λgradT·S=-λSdTdx---(1)]]>式中Q——热流量，W；Δt——传热时间，s；T——温度，℃；S——传热面积，m2；
X——传热距离，m；gradT——两等温面之间的温度差ΔT与其法线上的距离ΔX之比值的极限，称为温度梯度，它是一个向量，正向朝着温度升高的方向，负号表示传热方向为从高温到低温；λ——导热系数，W/(m·K)。它是表征物质导热能力的重要热物理参数，在数值上等于单位导热面积、单位温度梯度，在单位时间内的传热量。数值越大，导热能力越强，数值越小，绝热性能越好。该参数的大小，主要取决于传热介质的成分和结构，同时还与温度、压力、密度以及热流方向有关。工程中各种物质的导热系数，常采用使用工况条件下的实验测定值。
单层平板传热流量的计算仅就导热物体内的一个微元而言，傅立叶定律可以表达为如下形式∂T∂t=λρc(∂2T∂x2+∂2T∂y2+∂2T∂z2)+qvρc---(2)]]>式(2)称为导热微分方程。其中，ρ、c、qv分别为微元体的比热、密度和内热源热量。
常将α=λρc,]]>称为导温系数，单位为m2/s。它是表征物体被加热或冷却时，物体内部各部分温度趋于一致能力大小的热物理量。在同等加热条件下，a值越大，物体内部各处的温度差别越小。在稳态导热过程中，a为常数。
对于稳态温度场，亦即物体的温度不随时间而变化的导热过程，有不存在内热源的情况，导热微分方程可简化为∂2T∂x2+∂2T∂y2+∂2T∂z2=0---(3)]]>根据不同的边界条件，对方程(3)积分求解，即可得到各部位的温度分布和热流密度。
对于一般的绝热工程，可以简单地看作是温度仅沿一个方向传递，且与时间无关的一维稳态导热过程。这时，方程(3)可以简化为∂2T∂x2=0---(4)]]>对于单层平板的导热问题，可归结为如图2所示的模型。
已知边界条件Tx＝0＝Tw1(5)Tx＝δ＝Tw2(6)将式(5)、(6)代入(4)积分求解，可得到dTdx=Tw2-Tw1δ---(7)]]>将式(7)代入傅立叶方程(1)可得Q=λ·STW1-TW2δ---(8)]]>式(8)即为单层平板传热流量的计算公式。
圆筒壁传热流量的计算如图3所示的圆筒壁，已知内半径为r1，外半径为r2，长为l，无内热源，筒壁材料的导热系数λ为常数，壁内、外两表面分别维持稳定的温度Tw1、Tw2，且Tw1＞Tw2。设管轴到管子任意一点的距离为r(r1＜r＜r2)。
由傅立叶定律可得dQ=-λdSdTdrdt---(9)]]>即在时间间隔dt内，通过垂直于某个轴的无限小面积的热量正比于面积ds与时间间隔dt及在这个轴方向上温度下降的速度，式中的负号表示热量向温度下降的方向变动。
由于热量既不取决于元素ds，也不取决于时间间隔dt，则对(9)式求和，
便得到在单位时间通过整个柱面的全部热量Q=-λSdTdr---(10)]]>如果管长为l，则s＝2πr·l，所以Q=-2πλlrdTdr---(11)]]>由于过程是稳定的，因此，热能不会在管子的任何部分聚集。由此推出，热量Q不取决于r，即dQdr=0]]>将等式(11)对r求导，并约去常数因子，便得到所求的微分方程rd2Tdr2+dTdr=0---(12)]]>这是不含未知函数的微分方程。但是，从推导过程看出，方程的左边是恰当导数。因此，立刻会得到中解积分rdTdr=C1---(13)]]>再积分一次，得到一般解T＝C1ln+C2(14)在确定任意常数时，没有初始条件，只有边界条件。最简单地是给出在内表面和外表面的温度T|r=r1=Tw1,]]>T|r=r2=Tw2---(15)]]>将(15)代入一般解(14)，便得到为求任意常数的方程组TW1＝C1lnr1+C2(16)TW2＝C1lnr2+C2(17)由式(17)减去式(16)，得Tw2-Tw1＝C1(lnr2-lnr1)从而
C1=TW2-TW2lnr2-lnr1---(18)]]>将式(18)代入式(16)或式(17)，便得C2=TW1lnr2-TW2lnr1lnr2-lnr1---(19)]]>将式(18)和式(19)代入(14)式，就得到描述管子任一点温度变化依赖于该点到管轴之距的函数。
T=Tw1-(Tw1-Tw2)lnrr1lnr2r1---(20)]]>将式(18)和式(13)代入(11)得Q=2πλ·lTw1-Tw2lnr2-lnr1---(21)]]>式(21)即为圆筒壁传热量的计算公式。
防冻隔温层厚度的计算令隔温层材料的导热系数为λ1，围岩的导热系数为λ2，隧道的当量半径为r，围岩的厚度为d(即实测的围岩最大冻结深度)，则r1＝r，r2＝r1+d＝r+d。
按等效厚度换算法，欲使防冻隔温层和围岩的隔温效果相同，那么通过防冻隔温层和围岩的热流量必然相同，且它们两侧的温度差也相同，则式(8)应等于式(21)，即得δλ1×s=Ln(1+dr)2π×λ2×l---(22)]]>式(22)即为防冻隔温层厚度的计算公式。
防冻隔温层板材的施工
硬质聚氨酯泡沫塑料是用聚醚或聚酯与多异氰酸酯为主要原料，再加入阻燃剂、稳泡剂和发泡剂等，经混合搅拌、化学反应而形成的一种微孔发泡体。闭口孔隙率达80％～90％，表观密度仅为30～60kg/m3，抗压强度＞0.2MPa，导热系数最低可达0.016W/(m·K)，有一定的自熄性，使用温度一般为-100～+100℃，常用作保温材料。使用时既可预制成板状或管壳状等制品，也可以现场喷涂或灌注发泡。
制作工艺按照施工方式，可分为注入成型和喷涂成型两种工艺。
注入成型是将A组分各原料混合均匀后，再与B组分混合，立即注入模具，在化学反应的同时进行发泡，固化后得到所需形状的制品。该方法又可分为手工发泡法和机械浇注发泡法。
喷涂发泡成型，是将原料混合均匀后直接喷射到需作绝热的设备表面，并在此表面上发泡固化，该方法的优点是不需要模具，适用于形状复杂的表面；生产效率高，表面无接缝。缺点是空气易带走部分反应液细雾，造成原料损失和空气污染。喷涂时，被涂表面应无锈蚀、无粉尘、无油污和潮气，环境温度和被涂物表面温度在15～35℃范围内，风速不要超过5m/s。喷涂压力应适当，厚度保持均匀。
结合隧道工程的实际情况，经对以上两种施工工艺对比后，采用手工注入成型工艺施工较佳。这是因为喷涂发泡成型需要环境温度和被涂物表面温度在15～35℃范围内，风速不要超过5m/s。而温度过低发泡不充分，泡沫塑料固化很慢。同时喷涂厚度很难保证均匀，这一点在青海大坂山隧道也得到了证实。另外，机械注入成型采用的发泡机的台班费较高，生产成本较大，故未采用。
考虑到板材加工和安装的方便，板材的尺寸定为1000mm×460mm×40mm。按照理论计算，30mm厚的板材已能满足防冻害的要求，鉴于现场制作30mm厚的板材难度较大，故制作时板材厚度改为40mm。
施工中，为了保证工程进度，可采用八套钢模具，周转量为100次/天，工人14人，从下料、搅拌、入模、出模共需10分钟，其中，入模和出模需间隔2分钟。这样，每天的生产量就是350m2，完全可以满足施工进度要求。
硬质聚氨酯板材的安装板材在防水层上铺装时，要确保防水层不受损坏，为此，我们在施工中采用粘结法，即采用胶粘剂，将绝热材料粘附到绝热基面上的一种施工方法。由于隧道内温度低，用一般的粘结剂效果不好，必须采用特制防冻胶粘结，经对比试验，最后选用966氯丁防冻胶做为粘结剂，该胶在-20℃也可施工，且不影响粘结强度。
也可采用固定支架将硬质聚氨酯泡沫塑料板材铺设在二次衬砌表面。
权利要求
1.一种用于寒冷地区隧道冻害防治的防冻隔温层，隧道衬砌结构包括初期支护、防水层和二次衬砌，其特殊之处在于所述防水层与二次衬砌之间设置有防冻隔温层。
2.根据权利要求1所述的用于寒冷地区隧道冻害防治的防冻隔温层，其特征在于所述防冻隔温层的厚度按以下公式计算δλ1×s=Ln(1+dr)2π×λ2×l]]>式中δ—隔温材料厚度，m；λ1—隔温层材料的导热系数，w/(m·k)；S—隔温材料的传热面积，m2；d—围岩的厚度(即实测的围岩最大冻结深度)，m；r—隧道的当量半径为，m；λ2—围岩的导热系数，w/(m·k)；l—圆筒的长度，m。
3.根据权利要求2所述的用于寒冷地区隧道冻害防治的防冻隔温层，其特征在于所述防冻隔温层为硬质聚氨酯泡沫塑料板材。
4.根据权利要求1所述的用于寒冷地区隧道冻害防治的防冻隔温层，其特征在于所述防冻隔温层设置在二次衬砌表面。
5.一种用于寒冷地区隧道冻害防治的防冻隔温层的施工方法，其特征在于将A组分各原料混合均匀后，再与B组分混合，立即注入模具，在化学反应的同时进行发泡，固化后得到所需形状的制品。
6.一种用于寒冷地区隧道冻害防治的防冻隔温层的施工方法，其特征在于采用966氯丁防冻胶做为粘结剂，将硬质聚氨酯泡沫塑料板材铺设在防水层上，或采用固定支架将硬质聚氨酯泡沫塑料板材铺设在二次衬砌表面。
全文摘要
本发明涉及一种用于寒冷地区隧道冻害防治的防冻隔温层及其施工方法，其能有效防止寒冷地区隧道渗漏和冻害，既可应用于既有隧道的整治，又可应用于新建隧道。本发明隧道衬砌结构包括初期支护、防水层和二次衬砌，防水层与二次衬砌之间设置有防冻隔温层，即将完善的防排水系统与防冻隔温层结合起来，防治隧道渗漏和冻害，也可将防冻隔温层设置在二次衬砌表面。
文档编号E21D11/38GK1696474SQ200410025988
公开日2005年11月16日 申请日期2004年3月25日 优先权日2004年3月25日
发明者陈建勋, 杨昆, 朱计华, 张建勋, 樊立军, 郝军洲 申请人:长安大学, 秦皇岛市公路工程建设管理处