0 引言
我國寒區分布廣泛,麵積達到 417. 4×10 4 km2 ,占國土總麵積的43. 5%,主要分布於(yu) : 西北地區,包括甘肅、青海、新疆;西南地區,包括西藏、川西的阿壩和甘孜、雲(yun) 南的滇北及玉龍山和高黎貢山的北部;東(dong) 北地區,包括黑龍江的東(dong) 北和西北部、內(nei) 蒙古東(dong) 北部。隨著我國公路交通的快速發展,寒區公路隧道項目越來越多,已建隧道主要集中在高海拔寒冷地區(如西藏、青海、四川等)和高緯度寒冷地區(如遼寧、吉林、內(nei) 蒙古等),部分隧道出現了影響結構或運營安全的病害,特別是一些建設年代較早的隧道,病害比較嚴(yan) 重。例如: 位於(yu) 青海省國道 227 線的大阪山隧道內(nei) 出現大範圍襯砌滲漏水、保溫板破損與(yu) 脫落等諸多病害; 省道101線拉脊山隧道洞頂截水溝、洞口段電纜溝及路側(ce) 邊溝大量結冰,左洞進口段(陰坡) 每10m病害數量高達6處。
寒區隧道由於(yu) 受凍結和融沉的影響,其修建難度大、運營風險及養(yang) 護成本高,給研究和設計人員帶來了較大的挑戰。目前,國內(nei) 外學者針對寒區隧道防凍設計理念、設防分級方法、防凍設防長度計算方法、凍脹力計算方法、防凍保溫措施等開展了較多的研究與(yu) 工程實踐,並取得了較多的研究成果。但由於(yu) 寒區隧道結構受力的複雜性、寒區氣候條件的多樣性等,寒區隧道設計理念、設計方法、技術措施的合理性、適用性及工程易用性等仍有待進一步研究和分析。因此,本文依托交通運輸部行業(ye) 標準《寒區公路米兰体育規範》的編製,在廣泛實地調研和文獻調研的基礎上,通過探討寒區隧道凍害現象及成因,總結其設計理念及總體(ti) 思路,並圍繞隧道防凍設防長度確定方法、凍脹力計算方法、防凍措施應用現狀及實施效果等進行研究分析,以期為(wei) 寒區隧道的設計提供參考。
1 寒區隧道凍害現象及成因
筆者及團隊成員針對青海、新疆、四川等地區的典型寒區隧道工程,開展了多次現場調研,如表 1 所示。
表 1 開展調研的寒區隧道
通過調研發現,寒區隧道中有80%以上的隧道存在各種凍害現象,其中約 60%的隧道出現滲漏水、結(掛)冰等,約 24%的隧道出現襯砌混凝土剝落、開裂、滑塌、沉陷等。寒區隧道主要凍害現象及成因如下:
1)寒區隧道襯砌裂損。包括襯砌開裂、酥碎、剝落等,岩土體(ti) 中的水分凍結引起體(ti) 積膨脹變形,當這種變形受到襯砌結構的約束時,就會(hui) 引起形變壓力,導致襯砌裂損,如圖 1 所示。此外,因隧址區較大的環境溫差,襯砌結構由此產(chan) 生溫度應力,也會(hui) 導致襯砌結構裂損。
2)寒區隧道熱融塌陷。對於(yu) 多年凍土地區,隧道開挖後引起原地層溫度場改變,凍土層發生融化而喪(sang) 失穩定性。
圖 1 寒區隧道襯砌裂損
3)寒區隧道結冰、掛冰。地下水從(cong) “兩(liang) 縫”等防水構造薄弱處或襯砌裂縫處流(滲)出,形成掛冰或結冰現象(如圖 2 所示),從(cong) 而嚴(yan) 重影響行車安全。
圖 2 寒區隧道洞內(nei) 結冰
4)寒區隧道材料劣化。隧道主要建築材料(如噴射混凝土)在成齡期受低溫作用導致混凝上水分凍結,使其達不到設計的強度指標,在後期凍融循環作用下結構性能指標明顯降低。
寒區隧道凍害現象的本質是水冰頻繁相變產(chan) 生的凍脹力作用的結果。融凍循環是凍害產(chan) 生及發展的催化劑,隧道襯砌、路麵以及排水溝等結構不足以抵抗外力而遭到破壞。現階段,寒區隧道存在地勘資料不夠準確、防凍係統設計針對性不強、防凍係統施工質量部分較差等問題。
寒區隧道需獲取準確的地質及氣象資料,優(you) 先選擇無凍害岩土段或者凍土薄、穿越凍土距離短的方案。寒區隧道洞口段在冬季受外界大氣低溫與(yu) 隧道內(nei) 低溫的雙重影響,為(wei) 凍害高發區段,因此,洞口段應避免富水段、陰坡區域。此外,寒區米兰国际在线娱乐質量需嚴(yan) 格把控,重點關(guan) 注防水板鋪設質量、施工縫的防水處理等。
一旦發生滲漏水點,需要通過注漿封堵、充氣式止水帶等方式實現快速修複。總體(ti) 上,科學合理的寒區隧道防凍設計是凍害防治的關(guan) 鍵,而地質勘探與(yu) 氣象觀測是隧道防凍設計的基礎,施工質量是隧道凍害防治的保障。
2 寒區隧道防凍設計關(guan) 鍵問題
因寒區隧道麵臨(lin) 典型的氣候特征,其設計理念需有針對性。設計過程中應重點解決(jue) 寒區隧道防凍設防長度、凍脹力大小等控製指標,在此基礎上進一步提出合理有效的寒區隧道防凍設防措施。
2. 1 寒區隧道設計理念
探討寒區隧道是以抗凍為(wei) 主,還是以防凍為(wei) 主;抗凍能抗到什麽(me) 程度; 防凍的可靠性如何; 抗凍與(yu) 防凍的經濟性等問題,進而提出合理的寒區隧道防寒設計理念以及設防分級。
2. 2 寒區隧道防凍設防長度
對比分析經驗分析法(含經驗公式法、經驗表格法、工程類比法) 、理論推導分析法及數值模擬分析法等方法應用於(yu) 寒區隧道防凍設防長度計算的差異性。
2. 3 寒區隧道凍脹力計算方法
探討含水風化層凍脹模型、局部積水凍脹模型、凍融岩石圈整體(ti) 凍脹模型 3 種凍脹破壞模型及對應凍脹力計算方法的合理性及適用性,提出適合我國寒區公路隧道荷載計算的方法及要求。
2. 4 寒區隧道防凍措施
探討襯砌保溫層、防雪棚洞、防寒保溫門、防寒空氣幕等保(升)溫措施,及保溫邊溝、防寒泄水洞等排水係統防凍措施的應用情況及存在的問題。
3 寒區隧道設計理念及設防分級
3. 1 寒區隧道抗凍與(yu) 防凍設計理念
為(wei) 了分析寒區隧道抗凍與(yu) 防凍設計理念的合理性及經濟性,針對某工程(初期支護厚24 cm,二次襯砌厚50cm)凍脹力進行計算分析,根據文獻的理論計算方法,進口斷麵最大凍脹力為(wei) 0.49MPa,出口斷麵最大凍脹力為(wei) 0. 63 MPa。圖3示出了凍脹力作用下隧道進出口斷麵的襯砌受力。由圖3可以看出: 在凍脹力作用下,隧道壓應力顯著增大,拱腳處應力集中程度愈加明顯。隧道進口斷麵襯砌的最大壓應力值達到9.60 MPa,小於(yu) C30混凝土的容許應力;出口斷麵襯砌的最大壓應力值達到13. 91 MPa,大於(yu) C30混凝土的容許應力。上述分析僅(jin) 考慮了圍岩體(ti) 整體(ti) 凍脹力,尚未考慮襯砌背後空洞積水所產(chan) 生的積水凍脹力。
此時,隧道出口斷麵已經處於(yu) 開裂或破壞狀態,須采取加強措施。
圖 3 凍脹力作用下隧道進出口斷麵的襯砌受力(單位: Pa)
鄧剛考慮了積水凍脹力的影響,發現結構內(nei) 力隨凍脹水體(ti) 尺寸的增大而急劇增大。當凍脹水體(ti) 體(ti) 積為(wei) 0.12m3時,襯砌斷麵上的邊牆和拱底最大拉應力已超過襯砌極限抗拉強度;凍脹水體(ti) 體(ti) 積為(wei) 0.94m3時,襯砌斷麵上各部位的最大拉應力全部超過襯砌極限抗拉強度,且最大壓應力僅(jin) 有拱腳未達到極限抗壓強度。
對於(yu) 深埋寒區隧道,當廣義(yi) 凍脹力大於(yu) 0.07MPa時,需提高混凝土強度或增加配筋率;當凍脹力進一步增大至0.3MPa 時,采取抗凍措施已經無法滿足襯砌安全要求,需采取防凍措施。對於(yu) 淺埋寒區隧道,當凍脹力大於(yu) 0.7MPa時, 需采取隔熱保溫等防凍措施,避免發生凍害。根據上述分析可知,對於(yu) 寒區隧道,依靠加強結構設計參數來抗凍的經濟代價(jia) 較大甚至難以實現。
寒區隧道襯砌結構和岩層中的水反複融凍,是產(chan) 生凍害的重要原因。若能解決(jue) 好防排水和防凍這2個(ge) 問題,則能有效避免凍脹力對襯砌結構的破壞。因此,寒區隧道防寒係統的設計應強化防凍理念,加強各種防凍設防措施的設計。同時,考慮施工質量控製差異(如拱背空洞、防水體(ti) 係局部失效、保溫層破損等)、異常外部條件(如異常低溫)、異常地質條件等因素,隧道結構應具備一定的抗凍能力,確保其具有抵抗一定程度的凍脹力。
3. 2 寒區隧道防凍設防分級
3. 2. 1 寒區的劃分標準
“寒區” 一詞經常出現在文獻和標準規範中,就“寒區”的準確定義(yi) 和劃分標準,建築、水利與(yu) 鐵路隧道等行業(ye) 在其規範中都有明確規定,但在公路隧道領域尚無統一的定義(yi) 和劃分標準。GB50178—93《建築氣候區劃標準》中規定:一般工業(ye) 與(yu) 民用建築氣候的區劃係統分為(wei) 一級區和二級區2級,一級區劃分為(wei) 7個(ge) 區,二級區劃分為(wei) 20個(ge) 區;一級區劃以1月平均氣溫、7月平均氣溫、7月平均相對濕度為(wei) 主要指標,以年降水量、年日平均氣溫低於(yu) 或等於(yu) 5 ℃的日數和年日平均氣溫高於(yu) 或等於(yu) 5 ℃的日數為(wei) 輔助指標。
GB 50352—2019《民用建築設計統一標準》中規定: 1月平均氣溫為(wei) -10~0 ℃時,劃分為(wei) 寒冷地區;1 月平均氣溫≤-10 ℃時,劃分為(wei) 嚴(yan) 寒地區。GB/T 50662—2011《 水工建築物抗冰凍設計規範》中規定: 最冷月平均氣溫 t<-l0 ℃時,劃分為(wei) 嚴(yan) 寒區; 最冷月平均氣溫-l0 ℃≤t≤-3 ℃時,劃分為(wei) 寒冷區。
JTG/ T 3650—2020《公路橋涵施工技術規範》中提出了“寒冷地區”“嚴(yan) 寒地區”的概念與(yu) 相應要求,但未具體(ti) 定義(yi) “寒冷地區”“嚴(yan) 寒地區”。JTG/ T D31-06—2017《季節性凍土地區公路設計與(yu) 施工技術規範》中,根據最冷月平均氣溫和圍岩凍結深度,將寒冷程度分為(wei) “嚴(yan) 寒” “寒”和“冷”3類。
TB10003—2016《 鐵路隧道設計規範》中規定: 寒區地區最冷月平均氣溫為(wei) -8 ~ -3 ℃ ,嚴(yan) 寒地區最冷月平均氣溫為(wei) -8 ℃及以下。GB 50476—2019 《混凝土結構耐久性設計標準》和 JTG/ T 3310—2019《公路工程混凝土結構耐久性設計規範》中的規定基本一致: 寒區地區最冷月平均氣溫為(wei) -8 ~ -3 ℃ ,嚴(yan) 寒地區最冷月平均氣溫為(wei) -8 ℃及以下。
由於(yu) 規定的目的和初衷不同,各行業(ye) 對寒區的劃分標準與(yu) 分類差異較大。 公路隧道領域對寒區的劃分標準主要考慮圍岩結構凍脹力和襯砌結構凍融循環的影響,參考《鐵路隧道設計規範》和《公路工程混凝土結構耐久性設計規範》,並結合現場溫度監測及凍害調查資料,建議寒區公路隧道劃分為(wei) 寒冷地區和嚴(yan) 寒地區2級: 最冷月平均氣溫在-8 ~-3 ℃ 時為(wei) 寒冷地區,最冷月平均氣溫在-8 ℃及以下時為(wei) 嚴(yan) 寒地區。
3. 2. 2 寒區隧道防凍設防等級
根據最冷月平均氣溫,寒區公路隧道防凍設防等級劃分可按照表2進行。對於(yu) 無水或基本無水且無潛在地下水補給來源的寒區公路隧道,可不設防凍設防段。對於(yu) 凍融循環次數高的寒區隧道,需要進行分級設防防凍,並適當提高防凍設防等級。對於(yu) 4級及以下寒區公路隧道,可適當降低設防等級。
表 2 寒區公路隧道防凍設防等級劃分
在廣泛調研現有寒區公路隧道設防設計的基礎上,提出寒區公路隧道不同防凍設防等級的設防建議,如表 3 所示。
表 3 寒區公路隧道不同防凍設防等級的設防建議
綜合上述分析可知,寒區隧道防凍設防設計應遵循“以防為(wei) 主、以抗為(wei) 輔、防抗結合”的理念,對寒區隧道進行防凍設防分級,並提出各設防等級在縱橫斷麵、結構計算、構造措施等方麵的具體(ti) 建議。
4 寒區隧道防凍設防長度的合理確定
寒區隧道應重點關(guan) 注洞內(nei) 溫度場分布特征。隧道襯砌會(hui) 因圍岩凍脹或融化沉降而發生破壞,因此,確定沿隧道縱向不同進深處的溫度分布狀態,是明確防凍設防長度的基礎。針對寒區隧道溫度場分布特性,謝紅強等通過鷓鴣山隧道洞內(nei) 外空氣溫度現場測試,發現寒區隧道洞內(nei) 外溫度會(hui) 隨著時間的推遲呈現出正弦曲線周期性變化,且洞內(nei) 空氣平均溫度會(hui) 隨隧道進深的增加而升高; 韓躍傑等發現寒區隧道內(nei) 圍岩溫度隨洞內(nei) 氣溫變化而變化,且熱量在圍岩徑向傳(chuan) 遞具有一定的滯後性; 趙希望等研究了自然通風風速對寒區隧道內(nei) 圍岩溫度的影響,發現圍岩徑向凍結長度隨自然風速的增加呈線性增長; 張學富等通過數值模擬手段對寒區隧道洞內(nei) 空氣與(yu) 圍岩對流換熱進行分析,提出了圍岩凍融情況的預測模型; 譚賢君等推導出考慮通風影響的寒區隧道圍岩溫度場模型,並研究了隧道通風條件下圍岩溫度場的變化規律及其防寒保溫措施; 馬超等研究了寒區隧道溫度場及凍結深度分布規律,並提出了基於(yu) 機器學習(xi) 模型的凍結深度預測方法。寒區隧道防凍設防長度的確定方法主要有經驗分析法、理論推導分析法及數值模擬分析法。
4. 1 經驗分析法
經驗分析法包含經驗公式法、經驗表格法、工程類比法等。日本學者黑川羲範基於(yu) 大量洞內(nei) 溫度統計數據,提出了寒區隧道防凍設防長度的經驗計算公式,如式(1)所示。
y = 154. 7( - t) 0. 604 。 (1)
式中: t 為(wei) 洞內(nei) 最冷月平均氣溫,℃ ; y為(wei) 保溫段長度,m。黑川羲範公式主要依據日本高緯度寒區隧道的溫度統計數據,不適用於(yu) 我國大量的高海拔寒區隧道。針對高海拔寒區隧道的抗凍設防長度,吳劍等、鄭波等引入了海拔修正係數及環境影響量,如式(2) 所示。然而,環境影響量的取值存在較大的不確定性。
(2)
式中: l為(wei) 隧道長度,m; A為(wei) 海拔修正係數; B為(wei) 環境影響量。
張祉道研究了海拔高度的影響,提出根據洞口海拔高度及1月平均氣溫,采用經驗表格法確定寒區隧道防凍設防長度。高焱等基於(yu) 我國高海拔地區26座寒區隧道的實測數據進行工程類比分析,得到了適用於(yu) 海拔高度超過3000 m的寒區隧道洞口防凍設防長度計算公式,如式(3) 所示。
y = - 0. 812 8t 2 - 53. 448t + 150. 73。 (3)
針對我國高緯度地區80座寒區隧道的實測數據進行工程類比分析,得到洞口防凍設防長度如式(4)所示。
y = - 0. 793 6t 2 - 51. 861t + 175. 69。 (4)
寒區隧道防凍設防長度對比如表4所示。針對高緯度寒區隧道,經驗公式法與(yu) 工程類比法的計算結果具有較好的一致性。針對高海拔寒區隧道,經驗表格法得出的防凍設防長度相對較大。
表 4 寒區隧道防凍設防長度對比
對於(yu) 寒區隧道兩(liang) 端存在不對稱環境的情況,防凍設防長度應采用非對稱設計。隧道兩(liang) 端洞口存在較大高差時,低洞口端更易遭受凍害,高洞口端的防凍設防長度可適當縮短。隧道內(nei) 以單向自然風為(wei) 主時,迎風洞口的設防長度應有所增加,逆風洞口的設防長度可適當縮短。
4. 2 理論推導分析法
夏才初等建立了寒區隧道洞內(nei) 空氣及圍岩溫度場的解析解,分別給出了多年凍土及季節凍土區隧道防凍設防長度的理論計算公式。研究發現,敷設襯砌保溫層後,減緩了圍岩與(yu) 洞內(nei) 溫度的熱交換,需對防凍設防長度進行修正。李磊基於(yu) 傳(chuan) 熱學方程,研究了多年凍土隧道洞內(nei) 溫度及二次襯砌表麵的溫度分布公式,並提出了火風山隧道的抗凍設防長度,約為(wei) 隧道洞徑的31倍。值得注意的是,季節凍土隧道和多年凍土隧道的防凍設防目的有所差異,季節凍土區防凍設防目的是防止圍岩和隧道結構產(chan) 生凍結和融化而引發的凍脹融沉相關(guan) 病害,多年凍土區防凍設防目的是防止常年凍結的圍岩體(ti) 產(chan) 生積極性融化而導致的融沉以及圍岩體(ti) 凍結聚冰的回凍(凍脹)等相關(guan) 病害。
4. 3 數值模擬分析法
針對隧道線型、地溫、通風條件等因素對寒區隧道防凍設防長度的影響,國內(nei) 外學者開展了大量的研究工作。王誌傑等的研究發現,曲率半徑會(hui) 導致隧道內(nei) 溫度的不對稱分布,並提出了不同曲率下的寒區隧道防凍設防長度計算方法。當隧道洞外溫度為(wei) 負溫時,寒區隧道防凍設防長度隨著通風風速的增大而有所增加 ; 而對於(yu) 高地溫寒區隧道,增大通風風速能有效減小隧道出口段防凍設防長度。上述研究成果具有一定的工程指導價(jia) 值,但數值模擬分析法也麵臨(lin) 計算模型複雜、參數難以準確確定、計算量大等難題。綜上,寒區隧道防凍設防長度的確定是一個(ge) 較為(wei) 複雜的問題,應根據工程具體(ti) 情況采用其中一種或多種方法對比確定。從(cong) 工程應用的角度,采用經驗分析法初步確定寒區隧道防凍設防長度具備一定的可行性,但還應根據隧道建成通車後的現場溫度實測數據對防凍設防長度進行修正。
5 寒區隧道凍脹特性及凍脹力計算方法
當圍岩中裂隙水、孔隙水凍結時發生體(ti) 積膨脹,圍岩凍脹受到隧道襯砌和未凍結圍岩約束時,便會(hui) 對襯砌產(chan) 生作用力,即凍脹力 。凍脹力實際上是形變壓力,其大小由凍脹變形量、圍岩力學性質與(yu) 襯砌結構剛度共同決(jue) 定。寒區隧道低溫凍脹以及周期性溫度變化產(chan) 生的凍融循環會(hui) 嚴(yan) 重影響隧道運營安全,因此,如何減小低溫凍脹效應以及降低周期性溫差十分關(guan) 鍵。基於(yu) 當前寒區隧道設計的迫切需求,國內(nei) 外學者提出了多種寒區隧道凍脹力計算模型,主要有含水風化層凍脹模型、襯砌背後積水凍脹模型和凍融圈整體(ti) 凍脹模型。
5. 1 含水風化層凍脹模型
基於(yu) 寒區隧道凍脹現象,含水風化層凍脹模型提出利用側(ce) 壓力代替凍脹力作用。 根據含水風化層凍脹模型, 建議寒區隧道設計時洞口段凍脹力取為(wei) 0.9MPa,洞身段凍脹力取為(wei) 0.6 MPa。張玉偉(wei) 等的研究發現,除含水風化層外,含水擾動層也會(hui) 產(chan) 生凍脹力。
5. 2 襯砌背後積水凍脹模型
襯砌背後積水凍脹模型將凍脹力歸結於(yu) 襯砌與(yu) 圍岩之間的局部積水凍結膨脹,它視凍脹力為(wei) 一種局部荷載,考慮了其分布的不均勻性。鄧剛等進一步考慮了凍脹作用下水體(ti) 的約束及變形特性,提出了類似氣體(ti) 壓力的約束凍脹力計算方法。 周敏娟的研究發現,襯砌背後存水凍結產(chan) 生的凍結力足以對襯砌結構造成破壞。
5. 3 凍融圈整體(ti) 凍脹模型
凍融圈整體(ti) 凍脹模型認為(wei) 凍脹力是凍融圈圍岩含水凍結後造成凍結圈整體(ti) 膨脹所致。國內(nei) 外學者針對凍結圍岩凍脹特性提出了不同的理解,分別為(wei) 假定凍結圈位移凍脹、假定凍結圈各向均勻凍脹以及假定凍結圈非各向均勻凍脹。 Gao等根據彈塑性理論,推導了凍結圈凍脹位移模式下的凍脹力計算公式。Feng等提出了基於(yu) 凍結圈各向均勻凍脹假定的凍脹力彈塑性解。
目前,基於(yu) 上述3類凍脹理論計算得出的凍脹力大小不一,對於(yu) 凍脹力計算還沒有統一、準確的方法,各個(ge) 方法均有其不足。含水風化層凍脹模型假定凍脹風化層外未凍結圍岩為(wei) 剛性約束,凍脹變形隻向襯砌發展,且風化層厚度僅(jin) 10~20cm,與(yu) 實際情況存在一定差異。襯砌背後積水凍脹模型的適用範圍有限,僅(jin) 適用於(yu) 硬岩隧道局部位置的凍脹力計算。在土質隧道、軟岩隧道或較破碎岩體(ti) 隧道中,圍岩的變形模量較低,局部存水空間凍結膨脹產(chan) 生的變形通過壓縮存水空間外側(ce) 的圍岩得到釋放,對襯砌基本不產(chan) 生作用力,這種情況下,凍結圈圍岩的整體(ti) 凍脹變形才是產(chan) 生凍脹力的主要原因。
綜合對比現有凍脹力計算方法,考慮凍結圈圍岩非均勻凍脹的計算方法較為(wei) 符合凍結後圍岩參數增強的工程實際情況。事實上,寒區隧道凍脹力與(yu) 含冰(水)量、襯砌剛度、存水空間大小、溫度變化、地層條件等相關(guan) 。多年凍土區與(yu) 季節性凍土區、凍土與(yu) 凍岩的凍脹力存在較大差異,不同岩性凍結圍岩的不均勻凍脹特性及凍脹力計算方法需進一步研究。寒區隧道防凍設計中,應視當地的自然條件、圍岩冬季含冰量、襯砌防凍構造及排水條件等合理確定凍脹力。根據寒區隧道防凍設防等級的不同,1級和2級設防的隧道結構計算需考慮凍脹力荷載的影響,使隧道結構具備一定的抗凍能力;洞口防凍設防範圍內(nei) 的襯砌支護參數、防滲等級應考慮凍脹荷載予以適當加強。當計算凍脹力大於(yu) 0. 5MPa時,應采取降低凍脹力的工程措施。3級設防的寒區隧道可以不考慮凍脹力荷載。
6 寒區隧道防凍措施
大量凍害成因分析表明,寒區隧道產(chan) 生凍害有2大要素,分別是“溫度”和“地下水”。 隧道防凍設計應重點妥善處理這2個(ge) 要素,主要從(cong) 保(升)溫措施及排水係統防凍措施2個(ge) 方麵開展。
融凍循環是寒區隧道凍害發展的催化劑,“圍岩凍融敏感性”也需在隧道防凍設計中重點考慮。 增加圍岩顆粒間的黏聚力,提高其彈性模量,是降低圍岩凍融敏感性的有效方法。
6. 1 寒區隧道保(升)溫措施
寒區隧道保(升)溫措施應有效地隔絕或減輕洞外環境與(yu) 洞內(nei) 空氣之間、洞內(nei) 空氣與(yu) 襯砌圍岩之間的熱對流,提升隧道內(nei) 或襯砌圍岩溫度,防止圍岩凍結,減小凍脹力。寒區隧道保(升)溫措施主要包括被動保溫(設置襯砌保溫層、防雪棚洞、防寒保溫門、防寒空氣幕等) 和主動加熱(電加熱、暖氣管道加熱等) 2類,目前普遍采用的是被動保溫措施。
6. 1. 1 被動保溫措施
6. 1. 1. 1 襯砌保溫層
國內(nei) 外大量寒區隧道調查資料顯示,設置襯砌保溫層(如圖 4 所示) 已成為(wei) 隧道防凍保溫的主要措施。基於(yu) 前人的研究結論及工程經驗,寒區隧道襯砌保溫層的設置應根據防凍設防等級確定,當防凍設防等級為(wei) 1級和2級時,應設襯砌保溫層。若隧道位於(yu) 多年凍土或含水量高的不良地質地區,則需要增加防凍設防長度。
圖 4 寒區隧道襯砌保溫層
寒區隧道襯砌保溫層鋪設方式及保溫材料的選擇、保溫層厚度的計算、保溫層設置長度的確定,是防凍保溫設計的關(guan) 鍵。其中,襯砌保溫層長度的確定方法已在第4節中進行了詳細的介紹。
1)襯砌保溫層鋪設方式及保溫材料。 襯砌保溫層的鋪設方式主要有中間鋪設法、離壁式鋪設法、表麵鋪設法及表麵噴塗法。表麵鋪設法、表麵噴塗法直接將保溫層鋪設或噴漿在隧道二次襯砌表麵;離壁式鋪設法在隧道二次襯砌表麵設置密封空氣層,並在空氣層外設置保溫層;中間鋪設法則是在隧道初期支護與(yu) 二次襯砌之間設置保溫層。襯砌保溫層采用中間鋪設法時,防凍保溫層應能承受自重荷載的作用而不產(chan) 生破壞; 采用表麵鋪設(噴塗)法時,防凍保溫層應能承受隧道內(nei) 風荷載和自重荷載的作用而不產(chan) 生破壞。
不同敷設方式的襯砌保溫層除了要求保溫材料滿足隔熱性能要求外,對材料性能的要求各有側(ce) 重。 表麵鋪設法對保溫材料阻熱性、耐火性要求較高; 離壁式鋪設法與(yu) 表麵鋪設法的要求基本一致; 表麵噴塗法要求材料無毒無害,且對阻熱性要求較高;中間鋪設法對材料抗壓強度、耐久性要求較高。值得一提的是,保溫材料的抗壓強度、密度、導熱係數等關(guan) 鍵性能指標之間是相互關(guan) 聯又相互矛盾的,如要求保溫材料抗壓強度高,其密度就大,導致其導熱係數增大,降低隔熱效果。目前保溫材料主要采用硬質聚氨醋和聚酚醛等,吸水浸潤和凍融後其導熱係數、表觀密度等性能指標會(hui) 發生較大變化,保溫層長期接觸到地下水和受洞外潮濕空氣等因素的影響,保溫材料易發黴脫落和失效,此類問題在高緯度寒區隧道中尤為(wei) 突出。
綜合上述分析可知,襯砌保溫層中間鋪設法對保溫層阻燃性無特殊要求,運營期不易受外部的破壞,但要求材料抗壓強度較高,保溫層破壞後難以進行維修更換; 離壁式鋪設法會(hui) 增大隧道斷麵,施工較為(wei) 複雜且對工藝要求高; 表麵鋪設法對保溫材料阻燃性要求較高,容易遭到車輛撞擊或人為(wei) 破壞,但能有效保護二次襯砌,防止其產(chan) 生凍害破壞,同時便於(yu) 施工和維護;表麵噴塗法與(yu) 表麵鋪設法類似,但須采取相應的職業(ye) 健康防護措施,施工成本較高。
因此,寒區公路隧道襯砌保溫層大多采用表麵鋪設法。國道 227線大阪山隧道、國道317線鷓鴣山隧道等的襯砌保溫層鋪設均采用表麵鋪設法。大阪山隧道在二次襯砌內(nei) 側(ce) 全斷麵鋪掛PU硬質泡沫塑料型材/玻璃鋼(保護層)複合保溫層。鷓鴣山隧道保溫層設置方式與(yu) 大阪山隧道類似,設置在二次襯砌內(nei) 側(ce) ,由保溫板和纖維增強板組成。
2)襯砌保溫層厚度。關(guan) 於(yu) 襯砌保溫層厚度的計算方法,國內(nei) 外學者做了大量的研究工作,主要有理論解析計算方法和數值模擬計算方法。其中,理論解析計算方法包含溫度場解析計算法、等效厚度換算法以及氣象解析計算法等。關(guan) 於(yu) 溫度場解析解計算方法,賴遠明等提出了基於(yu) 已知洞內(nei) 溫度邊界條件的圓形隧道溫度場解析解; 夏才初等研究得到考慮襯砌和隔熱層的隧道溫度場解析解; 吳春勇等建立了隧道淺埋段溫度場解析解。關(guan) 於(yu) 等效厚度換算法確定保溫層厚度,陳建勳等分別提出了保溫層表麵鋪設、中間鋪設的厚度計算方法。關(guan) 於(yu) 氣象解析計算法,關(guan) 寶樹做了詳細的介紹和闡述。此外,依托不同的工程,國內(nei) 外學者也做了大量的通過數值模擬方法計算保溫層厚度的工作。襯砌保溫層厚度應根據寒區隧道氣候條件、圍岩條件、結構設計等通過計算分析確定。 溫度場解析計算法、氣象解析計算法的計算相對複雜,應用較少。數值模擬計算法的計算較為(wei) 可靠,但需要洞口溫度數據,當缺少隧道洞內(nei) 溫度數據時,可采用等效厚度換算法計算確定。
3)襯砌保溫層防凍保溫效果。關(guan) 於(yu) 襯砌保溫層的防凍保溫效果,Zhao等對隧道襯砌開展了溫度測試; Yan等研究了保溫層對隧道內(nei) 氣流、圍岩和襯砌溫度特性的影響。根據前人研究,襯砌保溫層能減緩隧道結構、圍岩體(ti) 與(yu) 洞內(nei) 空氣的熱量交換; 但其並不能從(cong) 根源上阻止圍岩產(chan) 生凍結,長期可靠性不夠。從(cong) 現場應用效果來看,襯砌保溫層防凍保溫效果總體(ti) 也不太理想。此外,襯砌保溫層還給隧道運營養(yang) 護帶來新的問題,如表觀病害不易觀測、金屬骨架影響地質雷達檢測等。
6. 1. 1. 2 防雪棚洞
防雪棚洞(如圖5所示)可有效防止路麵積雪和雪崩衝(chong) 擊,保障寒區隧道洞口段運營安全。梁永忠等提出可將防雪棚洞與(yu) 遮光棚結構綜合設置。在此基礎上,孫克國等提出了新型陽光棚防寒措施,並分析了其對寒區隧道溫度場分布的影響。施作防雪棚洞後能提高洞內(nei) 溫度,但其設置方式及設置長度尚未有明確的計算方法。此外,防雪棚洞的設置還應兼顧隧道通風和照明需求。
圖 5 寒區隧道防雪棚洞
6. 1. 1. 3 防寒保溫門
襯砌保溫層對自然環境的應對較為(wei) 被動,隻能減小熱量的傳(chuan) 播和凍融速度。若能主動阻隔寒冷的自然風進入隧道,則可從(cong) 根源上消除凍害。賴遠明等提出在寒區隧道洞口加設防寒保溫門(如圖 6 所示),從(cong) 而防止隧道內(nei) 的凍融破壞。在隧道閑置期間使用防寒保溫門關(guan) 閉隧道洞口,以此來隔斷隧道外冷空氣與(yu) 隧道內(nei) 熱空氣的交換。防寒保溫門具有一次性投入、成本低等優(you) 點,在寒區鐵路隧道中得到了應用,然而公路隧道運營中因為(wei) 車流的離散及不可確定性,導致其運用具有一定的局限性。
圖 6 寒區隧道防寒保溫門
6. 1. 1. 4 防寒空氣幕
空氣幕裝置因其良好的空氣阻隔效果,最初被用於(yu) 隔斷室內(nei) 外氣流的熱交換和控製粉塵的擴散。
現有研究已證實,通過空氣幕噴口噴射出的高速高溫氣流可形成空氣幕牆,能主動阻隔、加熱寒冷的自然風,但同時也阻擋了新鮮空氣進入以及火災時高溫煙氣的排出。從(cong) 寒區公路隧道防凍保溫的角度,對空氣幕的研究還在起步階段,尚無完整的應用案例,防寒空氣幕的可靠性、經濟性有待進一步研究。
6. 1. 2 主動加熱措施
根據供熱方式不同,主動加熱措施主要分為(wei) 電加熱法和暖氣管道加熱法。電加熱法在隧道二次襯
砌與(yu) 襯砌保溫層之間、路麵以下等處布設電熱帶或保溫管路,通過主動加熱隧道結構達到防治凍害的目的。電熱帶功率、電熱帶埋置厚度以及保溫層厚度對電加熱效果影響顯著。楊文東(dong) 等提出了不同埋深隧道的電加熱功率計算方法。暖氣管道加熱法通過通風管道將經過加熱的熱風流送至隧道洞內(nei) ,提高洞內(nei) 空氣溫度,以預防凍害。嚴(yan) 健等提出了一種寒區隧道新型壓入式通風升溫係
統,在風管上安裝與(yu) 之連接一體(ti) 的加熱管模塊,並在雀兒(er) 山隧道進行示範應用。
然而,上述主動加熱措施存在運行能耗大、運營成本高等諸多缺點,地熱能、太陽能等清潔能源的合理利用仍需進一步探討。
6. 2 寒區隧道排水係統防凍措施
地下水凍結後體(ti) 積膨脹是寒區隧道凍害產(chan) 生的重要原因之一,因此,將地下水順利排出是寒區隧道防寒抗凍的重要措施。寒區隧道排水防凍措施主要有設置保溫邊溝、深埋中心水溝及防寒泄水洞等。
6. 2. 1 保溫邊溝
保溫邊溝采用淺埋方式(即淺於(yu) 隧道內(nei) 的最大凍結深度),在水溝內(nei) 采取保溫措施,以達到冬季水流不凍結的目的。保溫邊溝一般采用側(ce) 溝式,上部設雙層蓋板,在上下2層蓋板間充填保溫材料,其厚度一般不小於(yu) 30 cm。也有通過管道給水溝供暖的工程實例,如甘肅七道梁隧道,為(wei) 防治凍害,利用鍋爐給安裝在隧道內(nei) 兩(liang) 側(ce) 邊溝中的管道供應暖氣。總的來看,保溫邊溝僅(jin) 適用於(yu) 凍害程度為(wei) 中等的地區,而對於(yu) 嚴(yan) 寒地區的隧道並不適用。
6. 2. 2 深埋中心水溝
深埋中心水溝是將中心水溝埋置於(yu) 凍結深度以下,在出水口采取保溫措施,以達到水溝內(nei) 水流不凍結的目的。深埋中心水溝適用於(yu) 嚴(yan) 寒地區地下水發育的隧道。我國東(dong) 北高緯度寒區隧道因標準凍結深度不大,所以多采用深埋中心水溝。
6. 2. 3 防寒泄水洞
防寒泄水洞(如圖7所示) 主要用於(yu) 排出地下水而防止隧道出現凍害,多布置於(yu) 隧道下方,並設豎向盲溝、泄水孔、支導洞、檢查井、保溫出水口等,組成一個(ge) 完善的排水係統。防寒泄水洞適用於(yu) 最冷月平均氣溫低於(yu) -25 ℃ 、岩石凍結深度為(wei) 5 ~ 6 m的嚴(yan) 寒地區。例如大阪山隧道屬於(yu) 季節性凍土隧道,最大凍結深度達4. 5 m,沿隧道全長設置了防寒泄水洞以排泄地下水。
圖 7 寒區隧道防寒泄水洞
防寒泄水洞可在一定程度上減輕隧道內(nei) 掛冰、積冰、凍脹等病害,但不合理的設置可能會(hui) 帶來新的問題,如造成隧道仰拱部位圍岩疏鬆而引起路麵塌陷,且對地下水環境影響大。因此,工程中應慎重設置防寒泄水洞,且需對其設置方式進行充分論證。通過以上總結,不同類型的寒區隧道排水係統防凍措施應有所差異。對於(yu) 季節凍土區隧道,不同防凍設防等級的排水係統形式如表3所示。 此外,當最冷月平均氣溫低於(yu) -25 ℃時,隧道排水係統還宜設置防寒泄水洞。對於(yu) 多年凍土區隧道,其排水係統僅(jin) 需設置保溫邊溝,並可采用帷幕注漿防止非多年凍土區的水流進入。
7 結論與(yu) 建議
7. 1 結論
通過分析和總結寒區公路隧道凍害現象及成因,提出寒區隧道設計理念,並重點分析防凍設防長度確定方法、凍脹力計算方法、防凍措施的效果等,主要結論如下。
1)寒區隧道依靠加強結構設計參數來抗凍,經濟代價(jia) 較大甚至難以實現,應明確以“以防為(wei) 主、以抗為(wei) 輔、防抗結合”的防凍設防設計理念。
2)提出寒區公路隧道防凍設防分級方法,即根據最冷月平均氣溫將其分為(wei) 3級,並進一步提出分級設防要求,具體(ti) 在縱橫斷麵、結構計算、構造措施等方麵體(ti) 現。
3)寒區隧道防凍設防長度的確定方法主要有經驗分析法、理論推導分析法及數值模擬分析法。 從(cong) 工程應用的角度,采用經驗分析法初步確定寒區隧道防凍設防長度具備一定的可行性,此外,還應根據隧道建成通車後的現場溫度實測數據對防凍設防長度進行修正。
4)寒區隧道凍脹力尚沒有統一準確的計算方法,各個(ge) 方法均有其不足,考慮凍結圈圍岩非均勻凍脹的計算方法相對較為(wei) 符合工程實際情況。1級和2級設防的寒區隧道需考慮凍脹力荷載,3級設防的寒區隧道可以不考慮。
5)寒區隧道凍害現象的本質是水冰頻繁相變產(chan) 生的凍脹力作用的結果,融凍循環是凍害產(chan) 生及發展的催化劑。寒區隧道防凍設計應重點妥善處理“溫度”和“地下水”這 2個(ge) 要素,主要從(cong) 保(升)溫措施及排水係統防凍措施2個(ge) 方麵開展。
6)現階段寒區公路隧道保(升)溫措施存在一定問題。敷設襯砌保溫層不能從(cong) 根源上阻止圍岩產(chan) 生凍結,長期可靠性不夠; 防寒保溫門會(hui) 影響車輛的正常通行,具有一定的局限性;防雪棚洞的長度尚未有明確的計算方法;防寒空氣幕的可靠性、經濟性有待進一步研究; 電加熱等主動加熱措施存在運行能耗大、運營成本高等缺點。
7)不同防凍設防等級的寒區公路隧道應采取不同的排水係統防凍措施。最冷月平均氣溫低於(yu) -25 ℃的季節凍土區隧道,宜設置防寒泄水洞; 多年凍土區隧道,其排水係統僅(jin) 需設置保溫邊溝。
7. 2 本文在實踐上的意義(yi) 及價(jia) 值
本文係統地總結和討論了寒區公路隧道防凍關(guan) 鍵技術問題,對寒區公路隧道防凍設計的開展有一定的指導意義(yi) 。
1)明確了寒區公路隧道的設計理念,提出了寒區公路隧道防凍設防分級方法及要求。
2)綜合考慮工程可靠性及可操作性,推薦了寒區公路隧道防凍設防長度確定方法及凍脹力計算方法。
3)分析了寒區公路隧道保(升)溫措施的局限性及進一步研究的方向,給出了排水係統防凍措施的設置原則。
7. 3 進一步研究本課題的意見和建議
目前,針對寒區公路隧道防凍保溫領域的相關(guan) 研究已取得了一定成果,但在洞內(nei) 溫度場分布規律、凍害機製、凍害措施的有效性等方麵還有待進一步分析和論證。
1)寒區隧道溫度場分布規律。掌握寒區隧道洞內(nei) 溫度場分布規律是確定防凍設防長度的前提條件。根據前期研究可知,影響隧道溫度場分布規律的主要因素包括隧道長度、洞外環境溫度、冬季主導風向及風速、隧道洞口段線形等,如何分析得到這些因素對溫度場分布規律的影響程度及相互關(guan) 係,進而確定隧道防凍設防長度,應是今後寒區隧道研究的重點。
2)寒區隧道凍害機製。目前提出的含水風化層凍脹模型、襯砌背後積水凍脹模型和凍融圈整體(ti) 凍脹模型仍難以準確表征和計算隧道結構凍脹破壞作用,其根本原因是對凍脹機製的認識不到位。 因此,仍需結合現場試驗、室內(nei) 試驗、理論分析等手段,從(cong) 環境特征、地形地質、支護方案、施工因素等方麵開展凍害機製研究。
3)寒區隧道保溫材料。現階段主要的寒區隧道保溫材料為(wei) 硬質聚氨醋、聚酚醛等,其現場應用效果存在不足。導熱係數高、長期可靠性好的保溫材料是未來的發展趨勢,氣凝膠氈、高聚物等高性能保溫材料的研究和應用需要進一步開展。
4)寒區隧道防凍措施。針對現有寒區隧道被動保溫技術的局限性,研發並應用安全可靠、經濟適用的新型主動保溫措施迫在眉睫,如空氣幕保溫係統、地泵熱源型保溫係統、低導熱襯砌等。空氣幕的保溫性與(yu) 隧道內(nei) 空氣的流動性相互製約、地泵熱源的運行效果不穩定等難題,仍困擾著科研設計人員,亟需研究和突破。