在季冻区道路冻害是造成其结构破坏主要原因之一,是道路路基路面设计必须考虑的因素。道路产生冻害,有路面结构层材料抗冻性和水稳定性没有达到相应要求的原因,更主要的是路基工作区的水温状况随季节变化导致其承载力也随之变化。 路基土冬季不均匀冻胀抬升道路结构,春季土中冰晶体融化又使道路结构融沉。在道路使用期限内,每年路基土的含水量、密度、土体结构和承载力随季节重复变化,造成道路结构的冻融破坏(沥青路面开裂、翻浆、水泥混凝土路面断板)。俄罗斯采用在道路结构中铺设泡沫塑料隔温层方法,增大热阻,人为隔断由路面结构传向路基的冷热变化,在道路使用年限内,使路基温度场处于相对热稳定状态,达到消除其冻害的目的,取得了成功的经验。

①减小抗冻层的厚度。在俄罗斯以冻胀量为抗冻设计的控制指标,规范要求各等级公路的冻胀量应控制在容许范围内,如高速公路容许冻胀量值不允许大于2 cm。为此必须用合格沙、沙石混合料等不冻胀性材料来铺设抗冻层,特别是在低填浅挖地段,且地下水位又较高的情况下,抗冻层厚度可达到1 m 或更多。若当地沙石材料难以保障,用泡沫塑料作保温处理是预防道路冻胀的有效手段。

②减小排水层的厚度。 因路基受到大气降水、地面水、地下水和温度等因素的影响,其湿度发生累积使承载力降低并导致道路的早期损坏。 当用冻胀性土填筑的路基,在水源充足时,路基在冬季冻结过程中水分向冻结线迁移而聚流,冻结后形成大块冰晶体。春融后,路基融水主要通过排水层排出。为保障道路结构和路基工作区保持干燥状态,常用合格沙石材料来增强路面内部排水。 但在季冻区水土条件不良地段修建高等级公路时,要用很厚的沙排水层来保障其泄水能力, 缩短渗流路径。即使这样,也很难使沙排水层的渗流系数达到2 m /d。此时用泡沫塑料铺设保温层,可保障道路结构下路基土不冻,其土中水分不形成冷生迁移,从而消除进入到排水层的主要水源,减薄排水层厚度20～ 25 cm。

③ 降低路基填土高度 ,减少挖方深度。 俄罗斯规范规定: 季冻区 ,由细粒土填筑的路基工作区厚度应等于 2 /3大地冻深 ,且从路面算起的道路结构和路基工作区的总厚度不应小于 1. 5 m。 用泡沫塑料铺设隔温层可以降低路基填土高度 ,放宽对路基填土种类和湿度的要求 ,其最小高度由路面力学计算和抗冻验算确定。 另外 ,在水土条件不良的挖方地段 ,在同一标高下还可减薄道路结构本身的厚度 ,与用沙石材料设置抗冻层的道路结构设计方案相比可以减少挖方深度 ,减少土石方量。

④ 用过湿土修筑路基。 俄罗斯季冻区有许多湿地 ,道路沿线只有过湿的粉土和粘土。 但规范规定: 禁止使用过湿的细粒土填筑路基工作区。 因为该类土不可能被压实到规范所要求的状态。 当地气候条件又不可能使土晾干再压。此时 ,只要路基本身不受地下水和地表水的影响 ,路基上层 0. 5 m 范围内过湿土含水量可以超出含水量的 15% ,下层范围内填筑同种类型的土可以超出含水量的 25% ,可达到其液限 ,但压实标准必须达到压实度 K = 0. 93～ 0. 95, 且采用泡沫塑料作保温处理使压实的土基在道路使用年限内不发生冰冻。这样 ,竣工后路基土的排水压密固结随时间推移自然完成。

⑤ 放宽对车载要求。在俄罗斯定期对全国公路网进行检测 ,对最不利的季节 (春季 )路基承载力达不到要求的公路路段 ,限制重载车辆通行 ,当融水排尽后再取消限制。 在道路结构中用泡沫塑料铺设隔温层后路基不冻结 ,其密度、含水量、土体结构和承载力随季节变化很小 ,保障公路全年正常运营。总之 ,泡沫塑料作为隔温层成功地应用于道路建设中是近 10年的事 ,俄罗斯已系统编制用泡沫塑料铺设道路隔温层的设计和施工指南。

泡沫塑料是塑料家族中的一个门类 ,是加热发泡膨胀的聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚氨酯、尿醛和酚醛的总称。单纯用以上基料树脂制成的泡沫塑料 ,因其强度低、质软常被施工机械压碎或在道路运营过程中被压扁而使隔温层失效。 俄罗斯用于铺设隔温层的泡沫塑料是以各种树脂为基料 ,加入一定剂量的发泡剂、催化剂、稳定剂、增塑剂、填料和增强材料等经加热发泡制成的 ,但仍以树脂命名 ,因成分和工艺不同种类很多 ,性能各异。 泡沫塑料质轻、密度小 (一般在 20～ 100 kg /m3 , 个别的能达到 200 kg /m3 ) ,易加工成型 ,主要拥有以闭孔为主的孔隙 ,导热系数低 = 0. 02～ 0. 06 W /( m· K) ,是现今保温效果的材料。泡沫塑料隔温层应能承受由道路结构层传来的车辆荷载的反复作用及其由该作用引起压缩和弯拉变形; 经受水的浸润、疏干和浸泡材料性质不变; 在- 60℃～ + 60℃温度范围内耐受不均匀冰冻和融化作用; 泡沫塑料板应耐受因施工误差引起的不均匀变形;泡沫塑料无毒 ,在盐、细菌作用下性质不变 ,且抗鼠咬;但在强酸碱、有机化肥等环境下 ,应重新检验材料的稳定性。 泡沫塑料的缺点是易老化 ,在加工、储存和使用过程中 ,使用性能逐渐变坏 ,使隔温层保温失效。选择适宜于铺设道路隔温层的泡沫塑料种类和型号要经过三个阶段的实验检验: 首先是实验室检验。由于泡沫塑料的品种规格本来就多 ,加上新品种的不断出现 ,而且同一品种规格的材料 ,往往因批号不同在性能上也有差异 ,因此必须在实验室检测所选泡沫塑料的物理力学性能。按俄罗斯国标要求: 用作道路隔温层的泡沫塑料在 10% 线性变形时的抗压强度不应小于0. 40 M Pa,弯拉强度不应小于 0. 70 M Pa ,吸水率不应大于 0. 45% 。其次为实验路验证。 在季冻区水土条件不良地段用所选泡沫塑料修筑实验路。 用埋设在面层及路基中的热电偶来测量温度 ,同时用专门的钻孔观测道路结构冻深和地下水位 ,在路面设置钢钉和基点 ,用水准仪定期观测路面冻胀量。 观测时间不少于 3 a,在特别冷的年份增加观测。检验隔温层减小冻深 ,且控制路面冻胀量的有效性。

另外 ,在泡沫塑料隔温层有效的前提下 ,冬季冷量积聚在路面 ,面层温度要比一般道路偏低 ,致使在潮湿和大雾天气道路表面冷凝析出冰霜而丧失抗滑能力。故泡沫塑料的铺设深度不应太浅。一般 ,按此要求的埋设深度不应小于 25 cm。这对沥青路面尤为重要 ,若面层温度冬低夏高会使沥青材料抗裂和抗剪能力降低 ,道路反而早坏。

俄罗斯在 1983年选用 DOW 公司生产的泡沫塑料 Sty ro foam HI-50修筑了实验路。 Sty ro foam HI-50为白色挤塑聚苯乙烯隔热保温板 , 采用卤化氯氟烃( HC FC)发泡剂制造 ,可再生使用 ,使用温度范围为 -50～ + 75℃。 该实验路位于奥姆斯科至新西伯利亚二级公路的楚雷姆段 ,长 600 m。 1995年从实验路上取样。 实验路证明 ,该型号泡沫塑料在道路结构中的使用寿命和品质满足高等级公路的要求 ,可在道路建设中推广使用。故后在卡什拉- 莫斯科外环、谢尔普霍夫 - 图拉等高速公路中先后使用该种泡沫塑料作为隔温层。

消除或减小路基的冻结深度,控制道路结构的冻胀量是以泡沫塑料的导热系数和适当的厚度这两个条件来保障。通常,按三层体系确定泡沫塑料隔温层的厚度: 中间层为泡沫塑料,其上的所有道路结构层按阻热能力等效换算成一层,其下的结构层(包括土基)按土的导热性进行等效换算,并将其视作半无限地基。设置多厚的泡沫塑料取决于大气负温及道路面层温度随之变化的规律、由道路等级所要求的容许冻胀量值、道路结构冻深、位于隔温层上下材料的传热学性质和其结构厚度、路基干湿类型和土的冻胀性质、地下水位和土的亲水能力、隔温层的位置、道路的设计使用寿命。 由于涉及因素多,很难对泡沫塑料隔温层的传热学和力学性质建立精确模型,多采用层状半空间体非稳态导热问题的理论解绘制诺谟图并用经验修正。 对容许冻胀量、冻深、地下水位等主要因素作为确定厚度的控制指标,而次要因素或者不考虑或者通过修正系数来解决。

泡沫塑料Styrofoam 的规格尺寸可由供需双方协商,一般, 长1 250 mm ,宽600 m m,厚30、40、50、60、80、100 m m,板边有直边、企口和交叠三种形式。泡沫塑料Sty rofoam 的埋设深度应不小于0. 5 m ,铺设宽度应比行车道宽出0. 5～1. 5 m或与路基同宽。泡沫塑料板应平铺在干燥的路基顶面,路基应压实和整平,并用砂找平,铺设过程为手工操作。在每块板上至少应楔入两个木钉固定板位,若板为二层或三层, 上层板应盖住下层接缝,上下层应交错叠放。在设置与未设隔温层的路段之间应用不同厚度的泡沫塑料板过渡。用砂覆盖已铺好的泡沫塑料板,注意用推土机徐徐推进砂层,施工机械不能直接接触板体。不允许泡沫塑料接触温度较高的砂子,禁止在泡沫塑料上直接铺热拌沥青混合料。 为使泡沫塑料板免遭施工机械和汽车荷载的损害,该层以上的道路结构持力层厚不应小于15 cm。泡沫塑料不允许在阳光直射的户外保存超过5 d以上,禁止在仓储和施工中靠近火源。

由于泡沫塑料Sty rofoam HI-50具有的全闭孔结构,水稳定性好且不吸水,兼有的机械强度, 所以它经久耐用,一般能使用15 a。如路基土中无腐蚀性介质,可使用几十年。它是重季节冰冻地区,受标高控制的低填浅挖潮湿或过湿路段用来防治道路冻胀和翻浆的有效工程措施。泡沫塑料Styro foam HI-50价格昂贵,它在中国的售价约为1 400元/m,则50 mm 厚板材为70元/ m, 75 mm 厚为105元/ m, 100 m m 厚为140元/m。在东北重冰区,道路冻深大于2. 00 m,当路基为粉土时,沥青路面最小防冻厚度为0. 80～1. 00 m。实际上,二级公路按强度要求的路面厚度约为0. 50 m ,用砂石填筑的防冻层厚为0. 30～0. 50 m。若用泡沫塑料Sty ro foam HI-50替代砂石类防冻层,则只要40～70 m m 即可, 道路结构大幅度减薄。40～70 mm 厚Sty ro foam HI-50价格为56～98元/ m。而缺少砂石地区,由于外运砂石价格可高达70～80元/m, 则做0. 30～0. 50 m 厚防冻层造价为21～40元/m。显然,泡沫塑料隔温层贵于砂石类防冻层。但是,随着人类大量使用砂石材料,天然砂石料源日益减少,而且砂石在使用过程中易受到淤塞和污染使排水防冻功能失效, 不得不提前进行大修。使用Sty ro foam HI-50一次投资大,但它使用寿命长,从长远看还是经济的。故用泡沫塑料代替砂石防冻层是今后的发展方向。在我国,应用泡沫塑料类隔温材料,由于造价高, 在公路建设中尚未得到推广。 应进一步从材料研究入手,有望使国产泡沫塑料满足路用要求且价格降低。

①设置泡沫塑料隔温层可减小或消除道路结构冻深,控制道路结构的冻胀量,保障路面平整连续,提高其使用寿命并降低工程造价;

②泡沫塑料隔温层只起功能性(对路基隔冷保温)作用,不作为持力层;

③泡沫塑料不能承受高荷载,必须优化道路结构组合设计,以趋利避害;

④在现代工艺条件下,泡沫塑料的性能可进一步提高,施工方法和施工标准也逐步完善 。^[1]

大坂山隧道位于国道 227线大通县与门源县交界处的祁连山和昆仑山中干区 , 地理坐标为东京101°23′～ 101°25′、北纬 37°21′～ 37°23′,区域属内陆高寒季风气候 , 年内冬长而严寒 , 夏短而多雨 , 属多年冻土岛状分布区。年平均温度- 3. 1℃ , 月平均气温 15. 8℃ , 月平均气温 - 25. 6℃ , 气温22. 5℃, 气温- 34℃。冻结深度南坡3. 0 m , 北坡4. 5 m, 积雪深度200 cm。

大坂山隧道在多年冻土的下融区穿过,隧道全长为1 530 m ,进口桩号K105+ 020,高程3 792. 75 m ,出口桩号K106+ 550,高程3 749. 90 m,海拔高度仅次于南美洲安第斯山隧道,居亚洲。属高海拔寒冷地区公路隧道。为确保隧道结构安全、耐久的使用性能,预防冻害产生, 该隧道采取了防冻隔温层。它是由5 cm厚聚氨酯保温层, 3 cm 厚硅酸铝防火保温层及4 mm 无机玻璃钢保护罩构成的防冻措施,经过1年左右的使用,效果良好。

2. 1 防火阻燃性能测试及评定

隧道内的防冻隔温材料,既要能隔温又能防火, 因此对实验段采用的材料进行了实体防火阻燃性能测试及评定。

2. 2 物理指标及热学参数测试

依据表 1的实测指标及特点 ,筛选以下材料进行了物理指标及热学参数测试 ,其测试结果如下:

( 1)硬质聚氨酯泡沫塑料

密度 37. 6 kg /m3; 吸水率 2. 9% ; 压缩性能 168k Pa; 水蒸气透湿系数 6. 3 ng /( Pa· m· s) ; 导热系数 0. 020 9 W /( m· k)。

( 2) PEF聚乙烯 ( 45倍 )泡沫塑料

密度 31. 5 kg / m3 ; 吸水率 1. 0% ; 压缩性能 16k Pa;水蒸气透湿系数 0. 35 ng /( Pa· m· s) ;导热系数 0. 035 2 W /( m· k)。

( 3)干法硅酸铝纤维板

密度 188 kg /m3 ; 导热系数 0. 036 W /( m· k);渣球含量 0. 0% ; 纤维平均直径 6. 5 μm; 含水率0. 2% ; 憎水率 97. 3% ; 有机物 0. 8% 。

( 4)玻璃钢

树酯含量 60% ; 固化度 86% ; 抗弯强度 152; 抗拉强度 146 ; 抗压强度 135 ; 耐腐M Pa M Pa M Pa性好。

为了进行比较 ,对硬质聚氨酯泡沫塑料、 PEF45倍泡沫塑料、 FBT 保温涂料等 4种材料进行了各约10 m 的现场实验施工。 实验情况如下:

( 1) K105+ 088～ K105+ 093段 ,距进洞口 59m,施工工艺采用 PEF聚乙烯 ( 45倍 )泡沫塑料板材安装 ,厚度 10 cm。 并在表面粘接 1 cm厚玻璃钢防火层。

( 2) K105+ 093～ K103+ 103段 , 距进洞口 64m ,施工工艺采用 PU 材料分层喷涂法 ,厚度 6 cm。

( 3) K106+ 528～ K106+ 518段 , 距出洞口 17m ,施工工艺采用 PU 模具发泡沫 ,厚度为 6 cm。 并在 K106+ 518～ K106+ 520段的 PU表面粘接了 3cm 厚 FBT 稀土材料 ,于 K106+ 520～ K106+ 518段的 PU表面铺挂了铁皮防火保护层。

( 4) K105+ 103～ K105+ 110段 ,距洞口 74 cm ,未设隔温层。

3. 1 防冻隔温层实验段温度测试防冻隔温层由硬质聚氨酯泡沫塑料 , PEF聚乙烯泡沫塑料、硅酸铝纤维板、小锚杆铁皮网、玻璃钢板材等材料组成。

3. 1. 1 测温孔布置

分别选取 K105+ 088～ K105+ 093、 K105+ 093～ K105+ 103和 K105+ 103～ K105+ 110三个实验段。

3. 1. 2 测温仪器

在隧道进出口各设一所气象站和一所洞温观测站。 并配置以下仪器:

( 1)双金属温度仪 (周记仪 ) ;

( 2)双银 (干球 )温度计;

( 3)实验段预埋了 60 cm 和 80 cm 深度的测温管 (内置干球温度计 ); 070、 K105+ 320、

( 4) 隧道竣工后在 K105+K105+ 520、 K105+ 785、 K106+ 050、 K106+ 450断面处理设置了 50 cm 和 100 cm深度的后期观测测温管 (内置热敏电阻 );

( 5)手持式红外扫描仪 (红外线表面测温仪 );

( 6)百叶箱等。

3. 1. 3 观测时间及频率

气象温度观测专人 ,并规定每日 2、 8、 14、20时用温度计进行测温; 用双金属温度仪记录每日的极值温度;实验段的温度观测规定每 10 d连续测试 2 d ,每次读数间隔时间为 2 ; 同时用手持式红外表面测温仪测试测点的表面温度。

3. 1. 4 温度观测内容

在温度观测中 ,安排了以下观测项目: 洞外气温、洞内气温、隧道衬砌表面温度、距衬砌表面 60cm 和 80 cm 深处围岩的温度。温度测试过程中正洞未贯通 ,影响到测值偏高。但是防寒洞与正洞在 K105+ 680处竖井贯通 ,使洞内已形成气流对流 ,再加之实验段位于洞口 ,故本阶段观测值比较接近正洞贯通后的实际情况。

3. 2 测试成果与分析

成果分析

( 1)未设置隔温层时 ,在距衬砌表面 60 cm 和 80 cm 深处围岩温度基本在 0℃以下。在有裂隙水的情况下 ,会产生结冰现象 ,由于水结冰时体积要增大 9% ,从而产生冻胀力 ,引起衬砌混凝土开裂。所以在衬砌表面设置防冻隔温层是必要的。

( 2) 距衬砌表面 60cm 和80cm 深处围岩温度基本保证在 0℃以上 ,从而保证了衬砌背面水不结冰 ,防止了冻害的发生。证实了所选用的隔温层材料是合理的,体现了铺设隔温层的效果。

(3)全年洞外气温变化幅度,洞内气温和壁面温度较接近,且变化幅度较洞外气温要小。体现了地下工程有恒温性的特点。

(4)未设隔温层的实验段60 cm 孔和80 cm 孔内温度变化幅度较设置隔温层的各实验段孔内温度变化幅度要大,由此说明设置隔离层是改善和控制衬砌内温度不受外界影响的有效办法。

(5)从表中可知,各实验段洞内气温与壁面温度基本接近,因此,设计时把洞内气温作为壁面温度进行导热计算是可行的。总之,从地温测孔测试数据看,冬季保温层后面衬砌温度可保持在0℃以上。经过一个冬季的观察, 选定了硬质聚氨酯泡沫塑料。 但现场发泡工艺不理想,导热系数指标超标,平整度差,因此在仰拱施工中采用了硬质聚氨酯型材。 硬质聚氨酯材料具有导热系数低、防水优良的优点,但具有可燃性,直接用于隧道不安全。试验施工中采用的FBT 等防火保温涂料,出现剥落现象,而其它防火层又不隔热。后又选用干法硅酸铝纤维材料,这种材料具有导热系数低,耐高温的优点,缺点是防水性能较差。针对这种材料的特点,把硅酸铝纤维设置在硬质聚氨酯外面, 再用玻璃钢及防水保温涂料作为保护层进行实验性施工,最后经比较选出硬质聚氨酯泡沫塑料型材(主体保温层)+ 干法硅酸铝纤维板(复合保温及防火层)+ 玻璃钢(保护层)的方案。

寒冷地区隧道防冻害是一个棘手的问题, 笔者通过现场实验, 证实了采用防冻隔温措施进行防治冻害的可行性, 并对防冻隔温层的材料组合和施工工艺进行了优化。 今后对隧道通车后防冻隔温层的使用效果和长期有效性还应加强观测, 同时, 还应加强对寒冷地区隧道产生冻害机理的理论分析研究。^[2]