0 引言
我国寒区分布广泛,面积达到 417. 4×10 4 km2 ,占国土总面积的43. 5%,主要分布于: 西北地区,包括甘肃、青海、新疆;西南地区,包括西藏、川西的阿坝和甘孜、云南的滇北及玉龙山和高黎贡山的北部;东北地区,包括黑龙江的东北和西北部、内蒙古东北部。随着我国公路交通的快速发展,寒区公路隧道项目越来越多,已建隧道主要集中在高海拔寒冷地区(如西藏、青海、四川等)和高纬度寒冷地区(如辽宁、吉林、内蒙古等),部分隧道出现了影响结构或运营安全的病害,特别是一些建设年代较早的隧道,病害比较严重。例如: 位于青海省国道 227 线的大坂山隧道内出现大范围衬砌渗漏水、保温板破损与脱落等诸多病害; 省道101线拉脊山隧道洞顶截水沟、洞口段电缆沟及路侧边沟大量结冰,左洞进口段(阴坡) 每10m病害数量高达6处。
寒区隧道由于受冻结和融沉的影响,其修建难度大、运营风险及养护成本高,给研究和设计人员带来了较大的挑战。目前,国内外学者针对寒区隧道防冻设计理念、设防分级方法、防冻设防长度计算方法、冻胀力计算方法、防冻保温措施等开展了较多的研究与工程实践,并取得了较多的研究成果。但由于寒区隧道结构受力的复杂性、寒区气候条件的多样性等,寒区隧道设计理念、设计方法、技术措施的合理性、适用性及工程易用性等仍有待进一步研究和分析。因此,本文依托交通运输部行业标准《寒区公路隧道技术规范》的编制,在广泛实地调研和文献调研的基础上,通过探讨寒区隧道冻害现象及成因,总结其设计理念及总体思路,并围绕隧道防冻设防长度确定方法、冻胀力计算方法、防冻措施应用现状及实施效果等进行研究分析,以期为寒区隧道的设计提供参考。
1 寒区隧道冻害现象及成因
笔者及团队成员针对青海、新疆、四川等地区的典型寒区隧道工程,开展了多次现场调研,如表 1 所示。
表 1 开展调研的寒区隧道
通过调研发现,寒区隧道中有80%以上的隧道存在各种冻害现象,其中约 60%的隧道出现渗漏水、结(挂)冰等,约 24%的隧道出现衬砌混凝土剥落、开裂、滑塌、沉陷等。寒区隧道主要冻害现象及成因如下:
1)寒区隧道衬砌裂损。包括衬砌开裂、酥碎、剥落等,岩土体中的水分冻结引起体积膨胀变形,当这种变形受到衬砌结构的约束时,就会引起形变压力,导致衬砌裂损,如图 1 所示。此外,因隧址区较大的环境温差,衬砌结构由此产生温度应力,也会导致衬砌结构裂损。
2)寒区隧道热融塌陷。对于多年冻土地区,隧道开挖后引起原地层温度场改变,冻土层发生融化而丧失稳定性。
图 1 寒区隧道衬砌裂损
3)寒区隧道结冰、挂冰。地下水从“两缝”等防水构造薄弱处或衬砌裂缝处流(渗)出,形成挂冰或结冰现象(如图 2 所示),从而严重影响行车安全。
图 2 寒区隧道洞内结冰
4)寒区隧道材料劣化。隧道主要建筑材料(如喷射混凝土)在成龄期受低温作用导致混凝上水分冻结,使其达不到设计的强度指标,在后期冻融循环作用下结构性能指标明显降低。
寒区隧道冻害现象的本质是水冰频繁相变产生的冻胀力作用的结果。融冻循环是冻害产生及发展的催化剂,隧道衬砌、路面以及排水沟等结构不足以抵抗外力而遭到破坏。现阶段,寒区隧道存在地勘资料不够准确、防冻系统设计针对性不强、防冻系统施工质量部分较差等问题。
寒区隧道需获取准确的地质及气象资料,优先选择无冻害岩土段或者冻土薄、穿越冻土距离短的方案。寒区隧道洞口段在冬季受外界大气低温与隧道内低温的双重影响,为冻害高发区段,因此,洞口段应避免富水段、阴坡区域。此外,寒区隧道施工质量需严格把控,重点关注防水板铺设质量、施工缝的防水处理等。
一旦发生渗漏水点,需要通过注浆封堵、充气式止水带等方式实现快速修复。总体上,科学合理的寒区隧道防冻设计是冻害防治的关键,而地质勘探与气象观测是隧道防冻设计的基础,施工质量是隧道冻害防治的保障。
2 寒区隧道防冻设计关键问题
因寒区隧道面临典型的气候特征,其设计理念需有针对性。设计过程中应重点解决寒区隧道防冻设防长度、冻胀力大小等控制指标,在此基础上进一步提出合理有效的寒区隧道防冻设防措施。
2. 1 寒区隧道设计理念
探讨寒区隧道是以抗冻为主,还是以防冻为主;抗冻能抗到什么程度; 防冻的可靠性如何; 抗冻与防冻的经济性等问题,进而提出合理的寒区隧道防寒设计理念以及设防分级。
2. 2 寒区隧道防冻设防长度
对比分析经验分析法(含经验公式法、经验表格法、工程类比法) 、理论推导分析法及数值模拟分析法等方法应用于寒区隧道防冻设防长度计算的差异性。
2. 3 寒区隧道冻胀力计算方法
探讨含水风化层冻胀模型、局部积水冻胀模型、冻融岩石圈整体冻胀模型 3 种冻胀破坏模型及对应冻胀力计算方法的合理性及适用性,提出适合我国寒区公路隧道荷载计算的方法及要求。
2. 4 寒区隧道防冻措施
探讨衬砌保温层、防雪棚洞、防寒保温门、防寒空气幕等保(升)温措施,及保温边沟、防寒泄水洞等排水系统防冻措施的应用情况及存在的问题。
3 寒区隧道设计理念及设防分级
3. 1 寒区隧道抗冻与防冻设计理念
为了分析寒区隧道抗冻与防冻设计理念的合理性及经济性,针对某工程(初期支护厚24 cm,二次衬砌厚50cm)冻胀力进行计算分析,根据文献的理论计算方法,进口断面最大冻胀力为0.49MPa,出口断面最大冻胀力为 0. 63 MPa。图3示出了冻胀力作用下隧道进出口断面的衬砌受力。由图3可以看出: 在冻胀力作用下,隧道压应力显著增大,拱脚处应力集中程度愈加明显。隧道进口断面衬砌的最大压应力值达到9.60 MPa,小于C30混凝土的容许应力;出口断面衬砌的最大压应力值达到13. 91 MPa,大于C30混凝土的容许应力。上述分析仅考虑了围岩体整体冻胀力,尚未考虑衬砌背后空洞积水所产生的积水冻胀力。
此时,隧道出口断面已经处于开裂或破坏状态,须采取加强措施。
图 3 冻胀力作用下隧道进出口断面的衬砌受力(单位: Pa)
邓刚考虑了积水冻胀力的影响,发现结构内力随冻胀水体尺寸的增大而急剧增大。当冻胀水体体积为0.12m3时,衬砌断面上的边墙和拱底最大拉应力已超过衬砌极限抗拉强度;冻胀水体体积为0.94m3时,衬砌断面上各部位的最大拉应力全部超过衬砌极限抗拉强度,且最大压应力仅有拱脚未达到极限抗压强度。
对于深埋寒区隧道,当广义冻胀力大于0.07MPa时,需提高混凝土强度或增加配筋率;当冻胀力进一步增大至0.3MPa 时,采取抗冻措施已经无法满足衬砌安全要求,需采取防冻措施。对于浅埋寒区隧道,当冻胀力大于0.7MPa时, 需采取隔热保温等防冻措施,避免发生冻害。根据上述分析可知,对于寒区隧道,依靠加强结构设计参数来抗冻的经济代价较大甚至难以实现。
寒区隧道衬砌结构和岩层中的水反复融冻,是产生冻害的重要原因。若能解决好防排水和防冻这2个问题,则能有效避免冻胀力对衬砌结构的破坏。因此,寒区隧道防寒系统的设计应强化防冻理念,加强各种防冻设防措施的设计。同时,考虑施工质量控制差异(如拱背空洞、防水体系局部失效、保温层破损等)、异常外部条件(如异常低温)、异常地质条件等因素,隧道结构应具备一定的抗冻能力,确保其具有抵抗一定程度的冻胀力。
3. 2 寒区隧道防冻设防分级
3. 2. 1 寒区的划分标准
“寒区” 一词经常出现在文献和标准规范中,就“寒区”的准确定义和划分标准,建筑、水利与铁路隧道等行业在其规范中都有明确规定,但在公路隧道领域尚无统一的定义和划分标准。GB50178—93《建筑气候区划标准》中规定:一般工业与民用建筑气候的区划系统分为一级区和二级区2级,一级区划分为7个区,二级区划分为20个区;一级区划以1月平均气温、7月平均气温、7月平均相对湿度为主要指标,以年降水量、年日平均气温低于或等于5 ℃的日数和年日平均气温高于或等于5 ℃的日数为辅助指标。
GB 50352—2019《民用建筑设计统一标准》中规定: 1月平均气温为-10~0 ℃时,划分为寒冷地区;1 月平均气温≤-10 ℃时,划分为严寒地区。GB/T 50662—2011《 水工建筑物抗冰冻设计规范》中规定: 最冷月平均气温 t<-l0 ℃时,划分为严寒区; 最冷月平均气温-l0 ℃≤t≤-3 ℃时,划分为寒冷区。
JTG/ T 3650—2020《公路桥涵施工技术规范》中提出了“寒冷地区”“严寒地区”的概念与相应要求,但未具体定义“寒冷地区”“严寒地区”。JTG/ T D31-06—2017《季节性冻土地区公路设计与施工技术规范》中,根据最冷月平均气温和围岩冻结深度,将寒冷程度分为“严寒” “寒”和“冷”3类。
TB10003—2016《 铁路隧道设计规范》中规定: 寒区地区最冷月平均气温为-8 ~ -3 ℃ ,严寒地区最冷月平均气温为-8 ℃及以下。GB 50476—2019 《混凝土结构耐久性设计标准》和 JTG/ T 3310—2019《公路工程混凝土结构耐久性设计规范》中的规定基本一致: 寒区地区最冷月平均气温为-8 ~ -3 ℃ ,严寒地区最冷月平均气温为-8 ℃及以下。
由于规定的目的和初衷不同,各行业对寒区的划分标准与分类差异较大。 公路隧道领域对寒区的划分标准主要考虑围岩结构冻胀力和衬砌结构冻融循环的影响,参考《铁路隧道设计规范》和《公路工程混凝土结构耐久性设计规范》,并结合现场温度监测及冻害调查资料,建议寒区公路隧道划分为寒冷地区和严寒地区2级: 最冷月平均气温在-8 ~-3 ℃ 时为寒冷地区,最冷月平均气温在-8 ℃及以下时为严寒地区。
3. 2. 2 寒区隧道防冻设防等级
根据最冷月平均气温,寒区公路隧道防冻设防等级划分可按照表2进行。对于无水或基本无水且无潜在地下水补给来源的寒区公路隧道,可不设防冻设防段。对于冻融循环次数高的寒区隧道,需要进行分级设防防冻,并适当提高防冻设防等级。对于4级及以下寒区公路隧道,可适当降低设防等级。
表 2 寒区公路隧道防冻设防等级划分
在广泛调研现有寒区公路隧道设防设计的基础上,提出寒区公路隧道不同防冻设防等级的设防建议,如表 3 所示。
表 3 寒区公路隧道不同防冻设防等级的设防建议
综合上述分析可知,寒区隧道防冻设防设计应遵循“以防为主、以抗为辅、防抗结合”的理念,对寒区隧道进行防冻设防分级,并提出各设防等级在纵横断面、结构计算、构造措施等方面的具体建议。
4 寒区隧道防冻设防长度的合理确定
寒区隧道应重点关注洞内温度场分布特征。隧道衬砌会因围岩冻胀或融化沉降而发生破坏,因此,确定沿隧道纵向不同进深处的温度分布状态,是明确防冻设防长度的基础。针对寒区隧道温度场分布特性,谢红强等通过鹧鸪山隧道洞内外空气温度现场测试,发现寒区隧道洞内外温度会随着时间的推迟呈现出正弦曲线周期性变化,且洞内空气平均温度会随隧道进深的增加而升高; 韩跃杰等发现寒区隧道内围岩温度随洞内气温变化而变化,且热量在围岩径向传递具有一定的滞后性; 赵希望等研究了自然通风风速对寒区隧道内围岩温度的影响,发现围岩径向冻结长度随自然风速的增加呈线性增长; 张学富等通过数值模拟手段对寒区隧道洞内空气与围岩对流换热进行分析,提出了围岩冻融情况的预测模型; 谭贤君等推导出考虑通风影响的寒区隧道围岩温度场模型,并研究了隧道通风条件下围岩温度场的变化规律及其防寒保温措施; 马超等研究了寒区隧道温度场及冻结深度分布规律,并提出了基于机器学习模型的冻结深度预测方法。寒区隧道防冻设防长度的确定方法主要有经验分析法、理论推导分析法及数值模拟分析法。
4. 1 经验分析法
经验分析法包含经验公式法、经验表格法、工程类比法等。日本学者黑川羲范基于大量洞内温度统计数据,提出了寒区隧道防冻设防长度的经验计算公式,如式(1)所示。
y = 154. 7( - t) 0. 604 。 (1)
式中: t 为洞内最冷月平均气温,℃ ; y为保温段长度,m。黑川羲范公式主要依据日本高纬度寒区隧道的温度统计数据,不适用于我国大量的高海拔寒区隧道。针对高海拔寒区隧道的抗冻设防长度,吴剑等、郑波等引入了海拔修正系数及环境影响量,如式(2) 所示。然而,环境影响量的取值存在较大的不确定性。
(2)
式中: l为隧道长度,m; A为海拔修正系数; B为环境影响量。
张祉道研究了海拔高度的影响,提出根据洞口海拔高度及1月平均气温,采用经验表格法确定寒区隧道防冻设防长度。高焱等基于我国高海拔地区26座寒区隧道的实测数据进行工程类比分析,得到了适用于海拔高度超过3000 m的寒区隧道洞口防冻设防长度计算公式,如式(3) 所示。
y = - 0. 812 8t 2 - 53. 448t + 150. 73。 (3)
针对我国高纬度地区80座寒区隧道的实测数据进行工程类比分析,得到洞口防冻设防长度如式(4)所示。
y = - 0. 793 6t 2 - 51. 861t + 175. 69。 (4)
寒区隧道防冻设防长度对比如表4所示。针对高纬度寒区隧道,经验公式法与工程类比法的计算结果具有较好的一致性。针对高海拔寒区隧道,经验表格法得出的防冻设防长度相对较大。
表 4 寒区隧道防冻设防长度对比
对于寒区隧道两端存在不对称环境的情况,防冻设防长度应采用非对称设计。隧道两端洞口存在较大高差时,低洞口端更易遭受冻害,高洞口端的防冻设防长度可适当缩短。隧道内以单向自然风为主时,迎风洞口的设防长度应有所增加,逆风洞口的设防长度可适当缩短。
4. 2 理论推导分析法
夏才初等建立了寒区隧道洞内空气及围岩温度场的解析解,分别给出了多年冻土及季节冻土区隧道防冻设防长度的理论计算公式。研究发现,敷设衬砌保温层后,减缓了围岩与洞内温度的热交换,需对防冻设防长度进行修正。李磊基于传热学方程,研究了多年冻土隧道洞内温度及二次衬砌表面的温度分布公式,并提出了火风山隧道的抗冻设防长度,约为隧道洞径的31倍。值得注意的是,季节冻土隧道和多年冻土隧道的防冻设防目的有所差异,季节冻土区防冻设防目的是防止围岩和隧道结构产生冻结和融化而引发的冻胀融沉相关病害,多年冻土区防冻设防目的是防止常年冻结的围岩体产生积极性融化而导致的融沉以及围岩体冻结聚冰的回冻(冻胀)等相关病害。
4. 3 数值模拟分析法
针对隧道线型、地温、通风条件等因素对寒区隧道防冻设防长度的影响,国内外学者开展了大量的研究工作。王志杰等的研究发现,曲率半径会导致隧道内温度的不对称分布,并提出了不同曲率下的寒区隧道防冻设防长度计算方法。当隧道洞外温度为负温时,寒区隧道防冻设防长度随着通风风速的增大而有所增加 ; 而对于高地温寒区隧道,增大通风风速能有效减小隧道出口段防冻设防长度。上述研究成果具有一定的工程指导价值,但数值模拟分析法也面临计算模型复杂、参数难以准确确定、计算量大等难题。综上,寒区隧道防冻设防长度的确定是一个较为复杂的问题,应根据工程具体情况采用其中一种或多种方法对比确定。从工程应用的角度,采用经验分析法初步确定寒区隧道防冻设防长度具备一定的可行性,但还应根据隧道建成通车后的现场温度实测数据对防冻设防长度进行修正。
5 寒区隧道冻胀特性及冻胀力计算方法
当围岩中裂隙水、孔隙水冻结时发生体积膨胀,围岩冻胀受到隧道衬砌和未冻结围岩约束时,便会对衬砌产生作用力,即冻胀力 。冻胀力实际上是形变压力,其大小由冻胀变形量、围岩力学性质与衬砌结构刚度共同决定。寒区隧道低温冻胀以及周期性温度变化产生的冻融循环会严重影响隧道运营安全,因此,如何减小低温冻胀效应以及降低周期性温差十分关键。基于当前寒区隧道设计的迫切需求,国内外学者提出了多种寒区隧道冻胀力计算模型,主要有含水风化层冻胀模型、衬砌背后积水冻胀模型和冻融圈整体冻胀模型。
5. 1 含水风化层冻胀模型
基于寒区隧道冻胀现象,含水风化层冻胀模型提出利用侧压力代替冻胀力作用。 根据含水风化层冻胀模型, 建议寒区隧道设计时洞口段冻胀力取为0.9MPa,洞身段冻胀力取为0.6 MPa。张玉伟等的研究发现,除含水风化层外,含水扰动层也会产生冻胀力。
5. 2 衬砌背后积水冻胀模型
衬砌背后积水冻胀模型将冻胀力归结于衬砌与围岩之间的局部积水冻结膨胀,它视冻胀力为一种局部荷载,考虑了其分布的不均匀性。邓刚等进一步考虑了冻胀作用下水体的约束及变形特性,提出了类似气体压力的约束冻胀力计算方法。 周敏娟的研究发现,衬砌背后存水冻结产生的冻结力足以对衬砌结构造成破坏。
5. 3 冻融圈整体冻胀模型
冻融圈整体冻胀模型认为冻胀力是冻融圈围岩含水冻结后造成冻结圈整体膨胀所致。国内外学者针对冻结围岩冻胀特性提出了不同的理解,分别为假定冻结圈位移冻胀、假定冻结圈各向均匀冻胀以及假定冻结圈非各向均匀冻胀。 Gao等根据弹塑性理论,推导了冻结圈冻胀位移模式下的冻胀力计算公式。Feng等提出了基于冻结圈各向均匀冻胀假定的冻胀力弹塑性解。
目前,基于上述3类冻胀理论计算得出的冻胀力大小不一,对于冻胀力计算还没有统一、准确的方法,各个方法均有其不足。含水风化层冻胀模型假定冻胀风化层外未冻结围岩为刚性约束,冻胀变形只向衬砌发展,且风化层厚度仅10~20cm,与实际情况存在一定差异。衬砌背后积水冻胀模型的适用范围有限,仅适用于硬岩隧道局部位置的冻胀力计算。在土质隧道、软岩隧道或较破碎岩体隧道中,围岩的变形模量较低,局部存水空间冻结膨胀产生的变形通过压缩存水空间外侧的围岩得到释放,对衬砌基本不产生作用力,这种情况下,冻结圈围岩的整体冻胀变形才是产生冻胀力的主要原因。
综合对比现有冻胀力计算方法,考虑冻结圈围岩非均匀冻胀的计算方法较为符合冻结后围岩参数增强的工程实际情况。事实上,寒区隧道冻胀力与含冰(水)量、衬砌刚度、存水空间大小、温度变化、地层条件等相关。多年冻土区与季节性冻土区、冻土与冻岩的冻胀力存在较大差异,不同岩性冻结围岩的不均匀冻胀特性及冻胀力计算方法需进一步研究。寒区隧道防冻设计中,应视当地的自然条件、围岩冬季含冰量、衬砌防冻构造及排水条件等合理确定冻胀力。根据寒区隧道防冻设防等级的不同,1级和2级设防的隧道结构计算需考虑冻胀力荷载的影响,使隧道结构具备一定的抗冻能力;洞口防冻设防范围内的衬砌支护参数、防渗等级应考虑冻胀荷载予以适当加强。当计算冻胀力大于0. 5MPa时,应采取降低冻胀力的工程措施。3级设防的寒区隧道可以不考虑冻胀力荷载。
6 寒区隧道防冻措施
大量冻害成因分析表明,寒区隧道产生冻害有2大要素,分别是“温度”和“地下水”。 隧道防冻设计应重点妥善处理这2个要素,主要从保(升)温措施及排水系统防冻措施2个方面开展。
融冻循环是寒区隧道冻害发展的催化剂,“围岩冻融敏感性”也需在隧道防冻设计中重点考虑。 增加围岩颗粒间的黏聚力,提高其弹性模量,是降低围岩冻融敏感性的有效方法。
6. 1 寒区隧道保(升)温措施
寒区隧道保(升)温措施应有效地隔绝或减轻洞外环境与洞内空气之间、洞内空气与衬砌围岩之间的热对流,提升隧道内或衬砌围岩温度,防止围岩冻结,减小冻胀力。寒区隧道保(升)温措施主要包括被动保温(设置衬砌保温层、防雪棚洞、防寒保温门、防寒空气幕等) 和主动加热(电加热、暖气管道加热等) 2类,目前普遍采用的是被动保温措施。
6. 1. 1 被动保温措施
6. 1. 1. 1 衬砌保温层
国内外大量寒区隧道调查资料显示,设置衬砌保温层(如图 4 所示) 已成为隧道防冻保温的主要措施。基于前人的研究结论及工程经验,寒区隧道衬砌保温层的设置应根据防冻设防等级确定,当防冻设防等级为1级和2级时,应设衬砌保温层。若隧道位于多年冻土或含水量高的不良地质地区,则需要增加防冻设防长度。
图 4 寒区隧道衬砌保温层
寒区隧道衬砌保温层铺设方式及保温材料的选择、保温层厚度的计算、保温层设置长度的确定,是防冻保温设计的关键。其中,衬砌保温层长度的确定方法已在第4节中进行了详细的介绍。
1)衬砌保温层铺设方式及保温材料。 衬砌保温层的铺设方式主要有中间铺设法、离壁式铺设法、表面铺设法及表面喷涂法。表面铺设法、表面喷涂法直接将保温层铺设或喷浆在隧道二次衬砌表面;离壁式铺设法在隧道二次衬砌表面设置密封空气层,并在空气层外设置保温层;中间铺设法则是在隧道初期支护与二次衬砌之间设置保温层。衬砌保温层采用中间铺设法时,防冻保温层应能承受自重荷载的作用而不产生破坏; 采用表面铺设(喷涂)法时,防冻保温层应能承受隧道内风荷载和自重荷载的作用而不产生破坏。
不同敷设方式的衬砌保温层除了要求保温材料满足隔热性能要求外,对材料性能的要求各有侧重。 表面铺设法对保温材料阻热性、耐火性要求较高; 离壁式铺设法与表面铺设法的要求基本一致; 表面喷涂法要求材料无毒无害,且对阻热性要求较高;中间铺设法对材料抗压强度、耐久性要求较高。值得一提的是,保温材料的抗压强度、密度、导热系数等关键性能指标之间是相互关联又相互矛盾的,如要求保温材料抗压强度高,其密度就大,导致其导热系数增大,降低隔热效果。目前保温材料主要采用硬质聚氨醋和聚酚醛等,吸水浸润和冻融后其导热系数、表观密度等性能指标会发生较大变化,保温层长期接触到地下水和受洞外潮湿空气等因素的影响,保温材料易发霉脱落和失效,此类问题在高纬度寒区隧道中尤为突出。
综合上述分析可知,衬砌保温层中间铺设法对保温层阻燃性无特殊要求,运营期不易受外部的破坏,但要求材料抗压强度较高,保温层破坏后难以进行维修更换; 离壁式铺设法会增大隧道断面,施工较为复杂且对工艺要求高; 表面铺设法对保温材料阻燃性要求较高,容易遭到车辆撞击或人为破坏,但能有效保护二次衬砌,防止其产生冻害破坏,同时便于施工和维护;表面喷涂法与表面铺设法类似,但须采取相应的职业健康防护措施,施工成本较高。
因此,寒区公路隧道衬砌保温层大多采用表面铺设法。国道 227线大坂山隧道、国道317线鹧鸪山隧道等的衬砌保温层铺设均采用表面铺设法。大坂山隧道在二次衬砌内侧全断面铺挂PU硬质泡沫塑料型材/玻璃钢(保护层)复合保温层。鹧鸪山隧道保温层设置方式与大坂山隧道类似,设置在二次衬砌内侧,由保温板和纤维增强板组成。
2)衬砌保温层厚度。关于衬砌保温层厚度的计算方法,国内外学者做了大量的研究工作,主要有理论解析计算方法和数值模拟计算方法。其中,理论解析计算方法包含温度场解析计算法、等效厚度换算法以及气象解析计算法等。关于温度场解析解计算方法,赖远明等提出了基于已知洞内温度边界条件的圆形隧道温度场解析解; 夏才初等研究得到考虑衬砌和隔热层的隧道温度场解析解; 吴春勇等建立了隧道浅埋段温度场解析解。关于等效厚度换算法确定保温层厚度,陈建勋等分别提出了保温层表面铺设、中间铺设的厚度计算方法。关于气象解析计算法,关宝树做了详细的介绍和阐述。此外,依托不同的工程,国内外学者也做了大量的通过数值模拟方法计算保温层厚度的工作。衬砌保温层厚度应根据寒区隧道气候条件、围岩条件、结构设计等通过计算分析确定。 温度场解析计算法、气象解析计算法的计算相对复杂,应用较少。数值模拟计算法的计算较为可靠,但需要洞口温度数据,当缺少隧道洞内温度数据时,可采用等效厚度换算法计算确定。
3)衬砌保温层防冻保温效果。关于衬砌保温层的防冻保温效果,Zhao等对隧道衬砌开展了温度测试; Yan等研究了保温层对隧道内气流、围岩和衬砌温度特性的影响。根据前人研究,衬砌保温层能减缓隧道结构、围岩体与洞内空气的热量交换; 但其并不能从根源上阻止围岩产生冻结,长期可靠性不够。从现场应用效果来看,衬砌保温层防冻保温效果总体也不太理想。此外,衬砌保温层还给隧道运营养护带来新的问题,如表观病害不易观测、金属骨架影响地质雷达检测等。
6. 1. 1. 2 防雪棚洞
防雪棚洞(如图5所示)可有效防止路面积雪和雪崩冲击,保障寒区隧道洞口段运营安全。梁永忠等提出可将防雪棚洞与遮光棚结构综合设置。在此基础上,孙克国等提出了新型阳光棚防寒措施,并分析了其对寒区隧道温度场分布的影响。施作防雪棚洞后能提高洞内温度,但其设置方式及设置长度尚未有明确的计算方法。此外,防雪棚洞的设置还应兼顾隧道通风和照明需求。
图 5 寒区隧道防雪棚洞
6. 1. 1. 3 防寒保温门
衬砌保温层对自然环境的应对较为被动,只能减小热量的传播和冻融速度。若能主动阻隔寒冷的自然风进入隧道,则可从根源上消除冻害。赖远明等提出在寒区隧道洞口加设防寒保温门(如图 6 所示),从而防止隧道内的冻融破坏。在隧道闲置期间使用防寒保温门关闭隧道洞口,以此来隔断隧道外冷空气与隧道内热空气的交换。防寒保温门具有一次性投入、成本低等优点,在寒区铁路隧道中得到了应用,然而公路隧道运营中因为车流的离散及不可确定性,导致其运用具有一定的局限性。
图 6 寒区隧道防寒保温门
6. 1. 1. 4 防寒空气幕
空气幕装置因其良好的空气阻隔效果,最初被用于隔断室内外气流的热交换和控制粉尘的扩散。
现有研究已证实,通过空气幕喷口喷射出的高速高温气流可形成空气幕墙,能主动阻隔、加热寒冷的自然风,但同时也阻挡了新鲜空气进入以及火灾时高温烟气的排出。从寒区公路隧道防冻保温的角度,对空气幕的研究还在起步阶段,尚无完整的应用案例,防寒空气幕的可靠性、经济性有待进一步研究。
6. 1. 2 主动加热措施
根据供热方式不同,主动加热措施主要分为电加热法和暖气管道加热法。电加热法在隧道二次衬
砌与衬砌保温层之间、路面以下等处布设电热带或保温管路,通过主动加热隧道结构达到防治冻害的目的。电热带功率、电热带埋置厚度以及保温层厚度对电加热效果影响显著。杨文东等提出了不同埋深隧道的电加热功率计算方法。暖气管道加热法通过通风管道将经过加热的热风流送至隧道洞内,提高洞内空气温度,以预防冻害。严健等提出了一种寒区隧道新型压入式通风升温系
统,在风管上安装与之连接一体的加热管模块,并在雀儿山隧道进行示范应用。
然而,上述主动加热措施存在运行能耗大、运营成本高等诸多缺点,地热能、太阳能等清洁能源的合理利用仍需进一步探讨。
6. 2 寒区隧道排水系统防冻措施
地下水冻结后体积膨胀是寒区隧道冻害产生的重要原因之一,因此,将地下水顺利排出是寒区隧道防寒抗冻的重要措施。寒区隧道排水防冻措施主要有设置保温边沟、深埋中心水沟及防寒泄水洞等。
6. 2. 1 保温边沟
保温边沟采用浅埋方式(即浅于隧道内的最大冻结深度),在水沟内采取保温措施,以达到冬季水流不冻结的目的。保温边沟一般采用侧沟式,上部设双层盖板,在上下2层盖板间充填保温材料,其厚度一般不小于30 cm。也有通过管道给水沟供暖的工程实例,如甘肃七道梁隧道,为防治冻害,利用锅炉给安装在隧道内两侧边沟中的管道供应暖气。总的来看,保温边沟仅适用于冻害程度为中等的地区,而对于严寒地区的隧道并不适用。
6. 2. 2 深埋中心水沟
深埋中心水沟是将中心水沟埋置于冻结深度以下,在出水口采取保温措施,以达到水沟内水流不冻结的目的。深埋中心水沟适用于严寒地区地下水发育的隧道。我国东北高纬度寒区隧道因标准冻结深度不大,所以多采用深埋中心水沟。
6. 2. 3 防寒泄水洞
防寒泄水洞(如图7所示) 主要用于排出地下水而防止隧道出现冻害,多布置于隧道下方,并设竖向盲沟、泄水孔、支导洞、检查井、保温出水口等,组成一个完善的排水系统。防寒泄水洞适用于最冷月平均气温低于-25 ℃ 、岩石冻结深度为5 ~ 6 m的严寒地区。例如大坂山隧道属于季节性冻土隧道,最大冻结深度达4. 5 m,沿隧道全长设置了防寒泄水洞以排泄地下水。
图 7 寒区隧道防寒泄水洞
防寒泄水洞可在一定程度上减轻隧道内挂冰、积冰、冻胀等病害,但不合理的设置可能会带来新的问题,如造成隧道仰拱部位围岩疏松而引起路面塌陷,且对地下水环境影响大。因此,工程中应慎重设置防寒泄水洞,且需对其设置方式进行充分论证。通过以上总结,不同类型的寒区隧道排水系统防冻措施应有所差异。对于季节冻土区隧道,不同防冻设防等级的排水系统形式如表3所示。 此外,当最冷月平均气温低于-25 ℃时,隧道排水系统还宜设置防寒泄水洞。对于多年冻土区隧道,其排水系统仅需设置保温边沟,并可采用帷幕注浆防止非多年冻土区的水流进入。
7 结论与建议
7. 1 结论
通过分析和总结寒区公路隧道冻害现象及成因,提出寒区隧道设计理念,并重点分析防冻设防长度确定方法、冻胀力计算方法、防冻措施的效果等,主要结论如下。
1)寒区隧道依靠加强结构设计参数来抗冻,经济代价较大甚至难以实现,应明确以“以防为主、以抗为辅、防抗结合”的防冻设防设计理念。
2)提出寒区公路隧道防冻设防分级方法,即根据最冷月平均气温将其分为3级,并进一步提出分级设防要求,具体在纵横断面、结构计算、构造措施等方面体现。
3)寒区隧道防冻设防长度的确定方法主要有经验分析法、理论推导分析法及数值模拟分析法。 从工程应用的角度,采用经验分析法初步确定寒区隧道防冻设防长度具备一定的可行性,此外,还应根据隧道建成通车后的现场温度实测数据对防冻设防长度进行修正。
4)寒区隧道冻胀力尚没有统一准确的计算方法,各个方法均有其不足,考虑冻结圈围岩非均匀冻胀的计算方法相对较为符合工程实际情况。1级和2级设防的寒区隧道需考虑冻胀力荷载,3级设防的寒区隧道可以不考虑。
5)寒区隧道冻害现象的本质是水冰频繁相变产生的冻胀力作用的结果,融冻循环是冻害产生及发展的催化剂。寒区隧道防冻设计应重点妥善处理“温度”和“地下水”这 2个要素,主要从保(升)温措施及排水系统防冻措施2个方面开展。
6)现阶段寒区公路隧道保(升)温措施存在一定问题。敷设衬砌保温层不能从根源上阻止围岩产生冻结,长期可靠性不够; 防寒保温门会影响车辆的正常通行,具有一定的局限性;防雪棚洞的长度尚未有明确的计算方法;防寒空气幕的可靠性、经济性有待进一步研究; 电加热等主动加热措施存在运行能耗大、运营成本高等缺点。
7)不同防冻设防等级的寒区公路隧道应采取不同的排水系统防冻措施。最冷月平均气温低于-25 ℃的季节冻土区隧道,宜设置防寒泄水洞; 多年冻土区隧道,其排水系统仅需设置保温边沟。
7. 2 本文在实践上的意义及价值
本文系统地总结和讨论了寒区公路隧道防冻关键技术问题,对寒区公路隧道防冻设计的开展有一定的指导意义。
1)明确了寒区公路隧道的设计理念,提出了寒区公路隧道防冻设防分级方法及要求。
2)综合考虑工程可靠性及可操作性,推荐了寒区公路隧道防冻设防长度确定方法及冻胀力计算方法。
3)分析了寒区公路隧道保(升)温措施的局限性及进一步研究的方向,给出了排水系统防冻措施的设置原则。
7. 3 进一步研究本课题的意见和建议
目前,针对寒区公路隧道防冻保温领域的相关研究已取得了一定成果,但在洞内温度场分布规律、冻害机制、冻害措施的有效性等方面还有待进一步分析和论证。
1)寒区隧道温度场分布规律。掌握寒区隧道洞内温度场分布规律是确定防冻设防长度的前提条件。根据前期研究可知,影响隧道温度场分布规律的主要因素包括隧道长度、洞外环境温度、冬季主导风向及风速、隧道洞口段线形等,如何分析得到这些因素对温度场分布规律的影响程度及相互关系,进而确定隧道防冻设防长度,应是今后寒区隧道研究的重点。
2)寒区隧道冻害机制。目前提出的含水风化层冻胀模型、衬砌背后积水冻胀模型和冻融圈整体冻胀模型仍难以准确表征和计算隧道结构冻胀破坏作用,其根本原因是对冻胀机制的认识不到位。 因此,仍需结合现场试验、室内试验、理论分析等手段,从环境特征、地形地质、支护方案、施工因素等方面开展冻害机制研究。
3)寒区隧道保温材料。现阶段主要的寒区隧道保温材料为硬质聚氨醋、聚酚醛等,其现场应用效果存在不足。导热系数高、长期可靠性好的保温材料是未来的发展趋势,气凝胶毡、高聚物等高性能保温材料的研究和应用需要进一步开展。
4)寒区隧道防冻措施。针对现有寒区隧道被动保温技术的局限性,研发并应用安全可靠、经济适用的新型主动保温措施迫在眉睫,如空气幕保温系统、地泵热源型保温系统、低导热衬砌等。空气幕的保温性与隧道内空气的流动性相互制约、地泵热源的运行效果不稳定等难题,仍困扰着科研设计人员,亟需研究和突破。