寒冷地区岩质隧道防止冻害问题的探讨概要.doc

寒冷地区岩质隧道防止冻害问题的探讨 西南交通大学 关宝树 1· 概 述 最近青藏铁路风火山隧道、昆仑山隧道相继贯通，之前修建的227公路的大坂山隧道也已经运营3年之久。这几座位于高海拔、高寒地区隧道的修建，把我国隧道的防冻害技术推向一个新的起点，在这几座隧道中采用的技术、方法、理论和发现的问题都应该进行认真总结。其中一个最重要的成就就是我们所建立的方法或技术是以“岩质围岩”为对象的。因此，搞清楚“岩质围岩”的冻融特性、或冻胀特性是极为重要的。其次就是要搞清楚因“冻融或冻胀”造成“冻害”的机理，最后就是如何防止或控制冻害的发生。因此，按照上述的3个方面，谈一谈我的认识。 2·形成“冻融”或“冻胀”的基本条件 冻结点以下的温度和充分的水是形成冻融或冻胀的基本条件，这是不言而喻的。 温度通常是指气候温度。我国气候分区的划分标准为： 严寒：最冷月平均气温低于-10℃； 寒冷：最冷月平均气温高于-10℃，但低于-3℃； 温和：最冷月平均气温低于-3℃。 而“冻融”现象通常是发生在严寒和寒冷区域内。 对隧道而言，则指洞内温度的变化，特别是衬砌背后围岩内的温度变化。 因此，掌握隧道所在区域的气象条件的变化和隧道内或衬砌背后围岩内温度的变化，是至关重要的。 水的存在是客观的现象。衬砌背后的地下水以及衬砌开裂形成的渗漏水，在适合的温度条件下，就会产生冻融或冻胀现象。 因此，也必须模清水的“来龙去脉”，其性质，其温度以及其经路等。 3·因“冻融”或“冻胀”造成“冻害”的机理 在寒冷或严寒地区，发生“冻融”或“冻胀”现象是正常的，也是客观存在的现象。但因这些现象而造成“冻害”的原因则是多义的。但最主要的2个条件是： ·构成隧道结构体材料的混凝土和周边围岩的冻结特性； ·约束围岩变异的条件。 3·1混凝土的冻结特性 1·混凝土的热特性 一般受占混凝土体积大部分的骨料特性的影响。同时，即使同一配比的混凝土，视其含水量和温度也变化很大。 普通混凝土的场合，特性值可采用表1的数值。 表1混凝土的热特性 热传导率 9.2kJ/mh℃ 比热 1.05kJ/kg℃ 热扩散率 0.003m2/h 轻量混凝土的热特性，可以参考表2的既有试验结果采用。 表2 轻量混凝土的热传导率（kJ/mh℃） 单位质量（kg/m3） 气干状态 湿润状态 1500 2.1 - 1600 2.3 4.6 1700 2.5 4.8 1800 2.9 5.0 1900 3.3 5.9 对普通混凝土的比热1.0~1.3 kJ/kg℃来说，轻量混凝土的比热是1.6~1.8 kJ/kg℃，是比较大的。前者的热扩散率是0.0030 ~0.0040 m2/h，后者是0.0014~0.0020 m2/h是比较小的。 热特性中热传导率λc、热扩散率h2c及比热Cc，通过密度ρ，有（1）式的关系。其中的一个是未知的场合，就可根据其他3个已知值求出。 h2c=λc/（Cc·ρ） （1） 2·低温下的混凝土抗压强度 ，试验证实，常温下的混凝土抗压强度因受到低温的影响，其抗压强度有所增加，因此要加算增加的抗压强度来求出。根据到目前研究的成果看，当温度在0~-100℃的范围内，抗压强度随温度降低，呈抛物线增加。在-60℃的抗压强度的增加值。在湿润养生的场合，大约是60N/mm2，温度20℃，湿度60%的气干状态养生的场合大约是45N/mm2。 低温下的抗压强度可用（2）式，其抗压强度增加值可用（3）式求出。 fc。T=fc+△fc。T （2） △fc。T={9.8-（T+180）2/3300}ω（T=0~-100℃） （3） 式中， fc。T：温度T时的抗压强度 N/mm2 fc：常温时的抗压强度 N/mm2 △fc。T：温度T时抗压强度的增加值 N/mm2 ω：含水量（%） T：温度℃ （3）式是在水灰比45~55%、单位水量179~195kg/m3、养生时间28天的条件下取得的。 低温下的抗拉强度，与低温下抗压强度的3/4~1的3次方呈直线关系。如在0~-100℃的范围内，与温度条件无关，可用低温下的抗压强度，用（4）式求出。 抗拉强度ftk=0.23fck2/3 （4） 式中fck：抗压强度的特性值 这样，混凝土强度在低温下显著增加，混凝土构件的承载力也将增加，但在设计耐用期间中，有时会回到常温的状态，因此，不考虑低温下强度增加是偏于安全的。但在因温度降低而产生温度应力的问题的场合，温度应力强烈依靠构件刚性和抗拉强度