隧道施工期铺装层表面结露形成机理及处治技术

兰富安; 崔灿扬; 谢江涛; 阳恩慧; 邱延峻

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2502242

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (3) :1251-1258 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2502242

论文：交通运输

隧道施工期铺装层表面结露形成机理及处治技术

兰富安 ¹^,² ,
崔灿扬 ¹^,³ ,
谢江涛 ¹^,³ ,
阳恩慧 ¹^,³^,^* ,
邱延峻 ¹^,³

作者信息 +

Formation Mechanism and Treatment Technology of Pavement Surface Condensation during Tunnel Construction Period

LAN Fu-an ¹^,² ,
CUI Can-yang ¹^,³ ,
XIE Jiang-tao ¹^,³ ,
YANG En-hui ¹^,³^,^* ,
QIU Yan-jun ¹^,³

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摘要

在山区高速公路建设中,隧道水泥混凝土铺装层易发生结露现象,严重影响隧道路面层间黏结状态。采用现场调研和理论分析的手段对在建高速公路四个隧道水泥混凝土铺装层结露现象进行了研究,基于气象观测指南法计算方程探讨了隧道水泥混凝土铺装层结露机理,揭示各参数与结露现象的潜在关系,并提出了解决铺装层结露问题的有效措施。结果表明,相对湿度、露点温度、隧道线型等因素与结露现象关系紧密。隧道洞内外相对湿度差异超过20%,圆曲线比例较高且位于隧道两端的水泥混凝土铺装层结露问题突出;风速和气压对水泥混凝土铺装层结露影响并不显著;后续可通过升温除湿、化学除湿、通风除湿等措施对在建隧道铺装层表面结露问题予以处理。

Abstract

In the construction of mountain expressways, condensation on the cement concrete base layer of tunnels is a common issue that can significantly compromise the bonding conditions between pavement layers. Field investigations and theoretical analyses were carried out in four tunnels of an expressway under construction. The condensation mechanism was examined using calculation methods prescribed by meteorological observation guidelines, and the influence of various factors on condensation was evaluated. Effective mitigation measures were then identified. The results show that relative humidity, dew point temperature, and tunnel alignment exert primary control over condensation. Specifically, when the internal-external humidity differential exceeds 20% and a high proportion of circular curves is present at tunnel portals, severe condensation occurs. In contrast, wind speed and air pressure were found to have negligible effects. To alleviate condensation, measures such as heating, chemical dehumidification, and enhanced ventilation are recommended.

Graphical abstract

关键词

道路工程 / 隧道路面 / 结露机理 / 相对湿度 / 露点温度 / 处治技术

Key words

road engineering / tunnel pavement / condensation mechanism / relative humidity / dew point temperature / solution countermeasures

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兰富安, 崔灿扬, 谢江涛, 阳恩慧, 邱延峻. 隧道施工期铺装层表面结露形成机理及处治技术[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(3): 1251-1258 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502242

LAN Fu-an, CUI Can-yang, XIE Jiang-tao, YANG En-hui, QIU Yan-jun. Formation Mechanism and Treatment Technology of Pavement Surface Condensation during Tunnel Construction Period[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(3): 1251-1258 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502242

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湿度是评价大气的重要参数之一,主要通过三种基本形式(相对湿度、水汽压、露点温度)以表示空气的干湿程度。相对湿度是其中最常用的湿度评判指标,通常情况下,夏季相对湿度大于80%被认为是高湿度环境^[1]。高湿度环境不仅对人体健康构成威胁,还严重影响各类工程设施的安全与耐久性。在工程领域,高湿度环境易导致建筑材料受潮、腐蚀,降低结构强度^[2]。

高湿度环境下,结露现象发生频繁。结露是指空气中的水汽达到饱和状态时,若环境温度继续下降,开始出现空气中过饱和的水汽凝结水析出的现象^[3]。结露现象常发生在相对密闭的地方,如室内空调、地下洞库^[4]和文物壁画^[5]等。对公路建设而言,隧道结构则是容易出现结露现象的地方^[6]。此外,值得注意的是,由于中国西部山区高速公路海拔差异显著、桥隧占比高、气候条件复杂^[7]。因此,在西部高速公路修建、运维期间更易遇到结露现象。

以西部地区四川LX高速公路为例,在隧道路面建设中遭遇了大面积的水泥混凝土铺装层结露现象。其隧道路面典型结构从上到下依次为4cm SMA-13改性沥青混凝土+6 cm AC-20C中粒式改性沥青混凝土+26 cm C20水泥混凝土铺装层+C20混凝土调平层。由相关路面设计规范可知,C20水泥混凝土弹性模量约为23 000 MPa^[8],沥青混凝土弹性模量为7 500~13 500 MPa^[9],两者材料性质差异较大,可知隧道路面为刚柔复合结构^[10]。因此,隧道路面施工时层间粘结尤为重要^[11],如界面施工条件(干燥度、洁净度)^[12]、黏结材料类型^[13]、界面处理工艺(砂纸抛光、钢丝刷拉毛、铣刨等)^[14]等。由此可见,湿度是影响层间黏结性的重要因素。在潮湿、结露条件下,沥青的黏结强度将大幅降低^[15],引起路面层间结合不良。路面层间结合不良将进一步导致界面的应力应变增加,产生滑移开裂、疲劳开裂和车辙等病害^[16-17],继而影响高速公路的服役质量和服役寿命。

综上所述,目前关于工程的结露现象已经开展了一些的研究,如地下洞库和文物壁画等方面,但鲜有研究聚焦于隧道路面施工中所遇水泥混凝土铺装层结露问题。因此,现以隧道路面铺装层结露问题为研究对象,分析隧道水泥混凝土铺装层结露机理,研究温湿度、隧道线型、风速和气压等因素对水泥混凝土铺装层结露的影响规律,并提出相应的解决对策,以期全面、深入地解决隧道路面施工中的结露问题,为隧道路面质量保驾护航。

1 项目试验段概况

LX高速公路是《四川省高速公路网规划(2014年—2030年)》8条纵线中的第7纵,是四川首条深入大小凉山彝族主要聚居地的高速公路,对经济和社会的发展具有里程碑的意义。LX高速公路项目自然环境复杂,地处川西南横断山系东北缘,四川盆地向西南山地过渡地带,介于四川盆地和云贵高原之间,地势东北低、西南高,北部低、南部高。路线高程由马边县至黄茅埂段(600~2 300 m)海拔逐渐升高,由黄茅埂至美姑大桥(2 300~1 500 m)段海拔逐渐降低,由美姑大桥至昭觉县段(1 500~2 100 m)海拔再次逐渐升高。LX高速公路为例,在隧道路面建设中遭遇了大面积的水泥混凝土铺装层和隧道壁面的结露现象,如图1所示。

项目全长151.75 km,设计速度为80 km/h,共分为S1、S2、A4三个标段,详细信息如表1所示。本文研究对象位于S1标段,隧道长度47.99 km,占比高达67.47%。S1标段包含黄茅埂越岭线北坡(K9+468~K70+720),单向上升纵坡长60.73 km,高差1 416.69 m,平均纵坡2.33%。

2 试验设备与方案设计

2.1 试验设备

选取了温度、相对湿度、露点温度、风速、气压等关键指标,监测设备如图2所示,具体设备型号如图3所示。

2.2 试验方案

试验过程中以每个隧道入口为起点(近小桩号方向),终点为隧道出口(大桩号方向),中间区段以500 m作为测距。此外,分别在隧道两端洞口约5 m处监测一个点位,以对比隧道内外各类参数的潜在差异。对隧道不同部位进行温度监测,分为壁顶温度、两侧、路面温度和空气温度4部分,试验方案如图3所示,试验时间为2024年7月。选择了4个隧道,长度分别为4 131、3 851、2 228、2 733 m,测点数量分别为12、11、8、9个。

3 结果分析与讨论

对4个隧道水泥混凝土铺装层的结露情况进行现场调研,将其分为潮湿、介于潮湿与干燥、干燥3个等级,结果如表2所示。

3.1 隧道水泥混凝土铺装层结露机理

露点与湿度、空气温度、固体表面温度和气压有着密切的关系。空气的极限含水量随着空气温度降低而减小,一定气压条件下,空气中水汽含量不变,若温度降低,对应的极限含水量也降低,相对湿度达到100%,多余水汽则变为液态水,进而产生结露现象。露点温度无法直接用仪器进行测量,目前主要通过相关公式进行估算,包括马格拉斯公式法、美国供暖制冷和空调工程学会手册法以及气象观测指南法等^[18]。气象观测指南法是世界气象组织提出的方法,计算误差小、方便快捷^[19],因此选用基于气象观测指南法的温度/湿度测量仪进行研究,计算公式为

(1)p_s(P,T_g)=f(P)E_w(T_g)

(2)f(P)=3.15×10^-6P-0.074P^-1+1.001 6

(3)E_w(T_g)=6.112exp

17.62 T g 243.12 + T g

式中:p_s为纯水平饱和水汽压;E_w(T_g)为干球温度的纯水平饱和水汽压,适用范围-45~60 ℃;f(P)与压强有关的函数;P为压强;T_g为干球温度。

露点温度计算式为

(4)T_d=

243.42 l n p 0 6.112 f (P) 17.62 - l n p 0 6.112 f (P)

将式(1)~式(3)代入式(4)中进行简化,可得

(5)T_d=

243.42 l n (R H) + 17.62 T g 243.42 + T g 17.62 - l n (R H) + 17.62 T g 243.42 + T g

式(5)中:T_d为露点温度,℃;RH为相对湿度。

3.2 温湿度对水泥混凝土铺装层结露影响

4个隧道不同点位的相对湿度对比如图4所示,每条曲线首尾点代表隧道两侧洞外的测点相对湿度。从图4可以看出,所有隧道的相对湿度均为先增加后减小。这与测点布置的位置紧密相关,隧道内部相对湿度显著高于洞口和洞外。以为隧道①例,洞内(3~10号点)相对湿度显著高于洞外(1、12号点)相对湿度。隧道①中间区域相对湿度大于95%,洞外相对湿度均低于80%,两者相对湿度差距超过15%。

4个隧道洞口的相对湿度与洞外的相对湿度增长率对比如图5(a)所示。对隧道入口而言(1、2号点),4个隧道分别增长22.22%、25.32%、42.79%、24.76%,平均增长率为28.77%。对隧道出口而言(最后一个点、倒数第二个点),4个隧道分别增长14.23%、36.78%、5.34%、9.96%,平均增长率为16.58%。由此可见,隧道洞内外相对湿度增长率为5.34%~42.79%,洞内空气中有着较为丰富的水汽资源。

由图4可知隧道的最大湿度基本出现在中部区域。隧道①在隧道内部的相对湿度存在一定起伏,最大湿度并非出现在隧道中部,但其中间区域相对湿度大于95%,已处于较高区间范围,属于合理范围。相对湿度的极值对比图绘制于图5(b)中,4个隧道内部的最大相对湿度趋于稳定,均接近100%;最小相对湿度有一定差异,在60%~80%。

4个隧道不同点位的温度对比如图6所示。当空气中水汽已达到饱和时,气温与露点温度相同;当水汽未达到饱和时,气温一定高于露点温度。所以露点与气温的差值可以表示空气中的水汽距离饱和的程度。气温降到露点以下是水汽凝结的必要条件。湿空气在定压冷却(降温)过程中,发生凝结现象(达到饱和)时的温度。由图6可知,4个隧道的空气温度均远高于露点温度和混凝土表面温度。4个隧道洞内绝大部分洞壁表面温度低于露点温度。洞内空气温度与隧道洞壁温度不均衡,在高湿度环境下,隧道洞壁表面便会产生冷凝结露。隧道①洞内所有测点(2~11号点)的壁顶温度、两侧温度和水泥混凝土铺装层温度均低于露点温度,因此隧道①路面结露现象严重,这与现场调研情况一致(表2)。

3.3 隧道线型对水泥混凝土铺装层结露影响

对4个隧道的线型进行统计分析以研究隧道线型对水泥混凝土铺装层结露影响,如图7所示。可知,圆曲线的占比从高到低依次为:隧道①、隧道②、隧道④、隧道③。圆曲线比例较高意味着隧道内外的空气交换更慢,隧道水泥混凝土铺装层结露情况更严重,与表2潮湿情况相对应。以隧道①为例,圆曲线占比高达58.5%,因此潮湿结露情况最为严重。

为进一步研究隧道线型与结露现象的潜在关系,对4个隧道的线型位置开展对比,如表3所示。表中将每个隧道划分为500 m一个区段,直至隧道长度划分完毕。若在任意500 m区段内某线型占比低于10%,则忽略不计,4个隧道的线性对比分析如表3所示。由图6(c)可知,隧道③的3~6号点的壁顶温度、两侧温度和水泥混凝土铺装层温度均低于露点温度,理论上应当发生结露现象,但现场情况并非如此(表2)。这与隧道的线型紧密相关,隧道③的[0, 2 000]区段均为直线和缓和曲线,隧道内外空气流通较快,因此水泥混凝土铺装层处于干燥状态。隧道④与隧道③的长度相近,水泥混凝土铺装层却更潮湿。其原因是该隧道两端为圆曲线,中间区段(4~7号点)空气交换缓慢、相对湿度大(图4),且水泥混凝土铺装层温度低于露点温度[图6(d)]。

3.4 风速和气压对水泥混凝土铺装层结露影响

4个隧道不同点位的风速、气压对比分别如图8、图9所示。总体上来看,风速未表现出显著的变化规律。以隧道入口处为例,4个隧道的洞口风速(2号点)均比与4号点大,但洞口处于干燥状态,而4号点普遍表现出潮湿状态(表2)。但由于风速调研样本数量不够多、受天气和时间等因素影响可能性较大,数据离散型较大,因此风速对水泥混凝土铺装层结露影响还有待进一步研究。各隧道气压趋势上呈现单调减小的趋势(图9),表明路段为单向上升的纵坡,这与该路段的设计文件一致。从理论分析可知,随着海拔的升高,气温逐渐下降。一般情况下,海拔每升高100 m,气温下降约0.6 ℃。

因此,在高海拔地区由于气温较低,空气中的水汽更容易达到饱和状态,从而增加结露的可能性。但对公路隧道而言,由于规范对纵坡的限值,气压绝对数值变化不大,对隧道水泥混凝土铺装层的结露影响较小。

3.5 处治技术建议

综上所述,相对湿度、露点温度、隧道线型、风速等因素对隧道凝露现象影响显著。因此,提出相应解决对策以保障路面质量十分重要,主要有以下措施。

3.5.1 升温除湿

升温除湿即利用火烤形式将隧道水泥混凝土铺装层烘干,具体操作分为以下步骤:①冲洗:在后续施工前利用高压水枪将水泥混凝土铺装层从高处向低处进行冲洗。②清扫:组织人员在高压水枪冲洗过程中同步对水泥混凝土铺装层边角、细物和杂质进行清扫。③升温:采用天然气炉制作若干个“烤火器”,以10 m/s速度一字排开前进。烤火器出火口最高温度可高达1 000~2 000 ℃,几秒钟即可将路面层烘干^[20]。

3.5.2 化学除湿

目前,常见的化学固体干燥剂有生石灰、碱石灰、NaOH固体和无水氯化钙等。但综合经济性、安全性以及除湿效果等多个方面考虑,生石灰是其中较为适合的选择。生石灰的主要成分为氧化钙(CaO),可与水反应生产氢氧化钙[Ca(OH)₂],其放热温度最高可达700 ℃^[21],可有效去除潮湿环境中的水蒸气。

(1)生石灰用量。氧化钙与水反应的方程式CaO+H₂O==Ca(OH)₂根据各物质的相对分子质量可知,56 g的氧化钙与18 g的水可完全反应,即为1 kg的水需要约3.11 kg的氧化钙。随后可根据隧道水泥混凝土铺装层表面结露水量,利用式(6)计算需要的氧化钙质量,再通过式(7)预估生石灰用量,简化后可采用式(8)直接计算。即

(6)m₁=

5618

m_w

(7)m₁=ηm₂

(8)m₂=

28 m w 9 η

式中:m₁为氧化钙质量,kg;m_w为水泥混凝土铺装层冷凝水质量,kg;η为生石灰中氧化钙含量,%;m₂为生石灰质量,kg。

(2)清除氢氧化钙等杂物。生石灰与水完全反应后,立即调动清扫队伍进行处理,确保生成的氢氧化钙被彻底清除。此外,由于氢氧化钙属于碱性物质,有利于清洗水泥混凝土铺装层上的油渍,可加强沥青路面的层间黏结能力,进一步提升路面服役质量。

3.5.3 通风除湿

通风除湿即利用通风设备加快风速流动以降低隧道内部湿度。在长大隧道中,均设计有全射流纵向式通风风机。可利用射流风机喷出口的高能量,从隧道进一端引入所需的通风量,再从隧道另一端将隧道内部高湿度的气体排出,是较为经济的通风方式。利用射流风机调节作用,在合理范围内进行不同幅度的速度调节(增大或减小),还可按照要求控制纵向气流的方向(正向与逆向)。在隧道沥青路面施工前安装风机可加强洞内空气流通,降低隧道内湿度,减少雨季隧道潮湿、结露现象,并有效排出沥青混凝土高温作业时所产生的有害气体。

4 结论

采用现场调研和理论分析的手段对4个隧道水泥混凝土铺装层结露现象进行了研究,基于气象观测指南法计算方程探讨了隧道水泥混凝土铺装层结露机理,揭示了温湿度、隧道线型、风速和气压等参数与结露现象的潜在关系,并提出了解决隧道水泥混凝土铺装层结露问题的有效措施。得到如下主要研究结论。

(1)隧道洞内外相对湿度差异显著,洞外相对湿度均低于80%,隧道内部的最大相对湿度接近100%,为结露提供了高湿度环境。

(2)隧道的线型对水泥混凝土结露现象有着显著影响,直线和缓和曲线占比高的隧道较为干燥,而圆曲线比例高且位于隧道两端的隧道结露问题突出。

(3)与温湿度、隧道线型相比,风速和气压对水泥混凝土铺装层结露影响并不显著。隧道施工过程中的水泥混凝土结露问题可通过升温除湿、化学除湿、通风除湿等措施予以处理。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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基金资助

国家自然科学基金(52278460)

国家自然科学基金(52178438)

四川省科技计划(2024NSFSC0016)

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Received	Published	Revised
2025-04-01	2028-07-28	2025-10-17
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2026-09-20

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