高岩温对隧道支护结构的影响及隔热层方案研究

2020-10-23刘喜康

工程建设与设计 2020年19期

刘喜康

（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，昆明 650000）

1 引言

在建建（个）元高速公路项目是云南省高网“十三五”重点项目，线路连接建水、个旧及元阳3 县，沿线地形地貌地质条件复杂，高差大。其中，个旧至尼格温泉段线路末端途经丫沙底温泉及尼格温泉，尼格隧道从温泉附近区域穿越。施工过程中，尼格隧道施工温度随埋深增大逐步攀升，隧道出口施工温度由36℃、43℃、53℃逐步升高至60℃，掌子面超前测温孔测得最高岩温高达80℃。高岩温严重恶化了施工环境，同时对初期支护、二衬混凝土性能及隔热层设置提出了更高的要求。

针对隧道高地热问题，国内外学者开展了大量研究，研究成果主要集中在温度对岩体及衬砌的力学特性影响、掺和料使用、隔热通风设计及施工工艺等方面。本文以尼格隧道为背景，在总结分析高岩温对隧道支护结构影响及隔热层作用的基础上，提出了尼格隧道在高岩温条件下支护结构混凝土优化措施及隔热层方案，为高岩温条件下隧道施工及隔热层设置提供了参考。

2 高岩温对支护结构的影响及优化措施

2.1 高岩温对支护结构混凝土性能影响规律

通过模拟施工现场高温低湿环境进行实验室实验【1，2】，得到高岩温对支护结构混凝土性能的影响遵从如下规律：

1）在高温条件下，单掺粉煤灰混凝土抗氯离子渗透性能优于双掺粉煤灰、矿粉混凝土及普通水泥混凝土。

2）高岩温条件下，单掺粉煤灰混凝土内部结构比双掺粉煤灰、矿粉混凝土密实。

3）普通混凝土、掺粉煤灰混凝土、掺矿渣粉混凝土、复掺矿渣粉煤灰混凝土，随岩温升高早期强度提高，后期强度降低。岩温越高，早期强度提高越多，后期强度下降越大。

4）混凝土抗碳化性能随着温度的升高而降低，普通混凝土抗碳化性能随温度升高降低幅度最大，单掺粉煤灰混凝土抗碳化性能降低幅度最小。

2.2 高岩温条件支护结构的受力特性

通过理论推导、现场实测及热-力耦合数值分析【3】表明，随着岩温的升高，初期支护各点拉压应力均增大且增大幅度在50℃以后急剧变大并存在破坏趋势。拱肩、墙脚及仰拱受拉力影响较大。拱腰和边墙受压力影响较大。当岩温高于48℃时，普通C25 喷射混凝土将发生受拉开裂。当岩温高于60℃时，普通混凝土二次衬砌将出现破坏。

可见，高岩温条件下，由于温度应力的叠加作用，隧道初期支护及二衬所受的拉应力及压应力数值均增大，当支护结构拉应力高于混凝土抗拉强度时，支护结构将出现裂缝。

2.3 高岩温条件掺和料的作用

矿物掺合料在混凝土中的作用主要是物理填充效应和化学填充效应。物理填充是掺合料颗粒填充混凝土空隙从而增加密实性，化学填充是掺合料在混凝土中发生二次水化反应，生成凝胶体填充于混凝土空隙中，能够起到改善水泥混凝土微观结构的作用。

目前，广泛应用的混凝土掺合料为粉煤灰和矿渣粉，高温条件在一定程度上能促进粉煤灰、矿渣粉掺合料二次水化反应的进行，生成凝胶体填充混凝土因高温条件所产生的孔隙，从而降低或消除高温对混凝土造成的不利影响。实验表明，单掺粉煤灰混凝土较双掺粉煤灰、矿渣粉混凝土在抗氯离子渗透性、抗炭化性及结构密实性方面均更优。

2.4 优化措施

尼格隧道自2018 年12 月以来，隧道出口施工温度由 36℃、43℃、53℃、60℃至 2019 年 7 月掌子面岩温上升至最高80℃，隧道现阶段穿越地段为Ⅲ级围岩，设计初期支护采用10cm 厚C25 喷射混凝土+钢筋网，二次衬砌采用35cm 厚C30 防水混凝土，目前实测岩温范围50～80℃。基于上述分析，由于岩温较高，建议隧道支护结构混凝土采用单掺粉煤灰配合比作为施工配合比，配合比设计时混凝土强度提高一个等级，同时适当增加配筋率，以应对高岩温带来的不利影响。支护结构混凝土养护方面，终凝前应对混凝土进行覆膜养护或涂敷水玻璃型养护剂养护。终凝以后，加强保湿养护，延长洒水养护至28d，同时加强通风措施。

3 高岩温隧道隔热层方案研究

保温隔热技术在寒区隧道中已使用较为成熟，但在高岩温隧道中使用的研究起步较晚。下面重点在隔热层材料选择、敷设方式及隔热层厚度与施工成本的关系方面进行研究。

3.1 隔热层材料的选择

通过查阅相关文献资料，对各种保温隔热材料的性能参数、优缺点及材料价格总结见表1。由表1 可见，挤塑聚苯板及模塑聚苯板不能用于尼格隧道80℃岩温环境，硬质聚氨酯泡沫塑料虽然在寒区隧道中广泛使用，但由于硬质聚氨酯泡沫塑料抗老化性差，不利于公路隧道的长期安全运行，且材料在高温条件下有毒性。尼格隧道地下水丰富，聚酚醛泡沫材料吸水率大，不利于隔热材料性能的发挥。综合考虑，建议尼格隧道隔热层选用干法硅酸铝纤维板或硅酸盐质复合绝热卷毡。

表1 不同保温隔热材料性能、价格及优缺点对比表

3.2 隔热层的敷设方式

目前，隧道中隔热层的敷设方式有夹心式、贴壁式、双层式、离壁式4 种敷设方式。

夹心式敷设是将隔热层敷设在初期支护和二次衬砌之间。此方式隔热层位于二衬背后，能有效阻断地热向二衬的传递，且不需要额外设置防火层及保护层，对隔热材料也没有阻燃要求。但此方式敷设隔热层需要承担一定的围岩压力，对隔热层有抗压性能要求，且隔热层失效后无法维修及更换。

贴壁式敷设是将隔热层紧贴在隧道二衬内侧。此方式隔热层不受围岩压力的作用，对隔热材料没有抗压性能要求，且隔热层易于维修和更换。但此方式敷设隔热层易遭受破坏，需要设置防火层及保护层，施工较为复杂。由于隔热层位于隧道内表面，无法隔断地热向二衬的传递，不能有效保护二衬免受高岩温的影响。

双层式敷设是在隧道二衬内侧及初支与二衬之间均敷设隔热层。此方式设置2 道隔热层，隔热效果较好，但成本高，施工复杂，不利于隔热层的维修和更换，对材料的抗压及阻燃均有要求。

离壁式敷设是在隧道二衬内表面和隔热层之间增设空气层。此方式隔热层施工效率高、安装简单、维修更换方便，但离壁式衬套安装精度要求严格，衬套有固定锚杆，容易破坏隔热层及防水层的整体性，且成本较高。

尼格隧道高岩温影响下，主要考虑二衬的耐久性及隧道运营期能阻断热量向隧道内传递。双层式及离壁式敷设隔热层成本高，不经济。贴壁式敷设不能有效保护二衬免受高岩温影响。故尼格隧道隔热层敷设方式推荐采用夹心式。

3.3 隔热层厚度对施工成本的影响

从成本角度考虑，尼格隧道除洞口段外，基本为Ⅲ级围岩，采用Ⅲa型衬砌，隔热层敷设断面可考虑为扇形，隔热层施工成本可按公式（1）简略计算：

式中，C 为隔热层施工成本；α 为衬砌断面扇形圆心角；r 为二衬外轮廓线半径；d 为夹心式敷设时保温层的厚度；L 为隧道长度；P 为隔热材料单方造价；C1为除隔热材料成本外的人工、机械及管理费等。

可见，在隔热层材料及敷设方式已选定的情况下，r、L、C1、P 为常量，隔热层施工成本与隔热层厚度呈二次函数关系。对隔热层施工成本求导，可以得到式（2）：

式（2）中各符号含义同式（1）中的相同符号含义。

可见，隔热层厚度增加一个单位引起的施工成本增加数随着隔热层厚度的增大而增大，故隔热层厚度的选择应兼顾性能与经济性。吴根强【4】通过有限元数值模拟研究发现，隔热层敷设厚度小于5cm 时，隔热效果不好，敷设厚度大于10cm时，隔热效果增加缓慢。可见，通过增加隔热层厚度并不能达到更好的隔热效果，反而会引起成本呈二次函数关系增加。综合考虑，尼格隧道夹心式敷设隔热层厚度建议为5～10cm。