熱棒技術在多年凍土地層隧道施工中的應用

田敏哲

(中國鐵建十一局集團第二工程有限公司，湖北 十堰 442013)

熱棒技術在多年凍土地層隧道施工中的應用

田敏哲

(中國鐵建十一局集團第二工程有限公司，湖北 十堰 442013)

根據熱棒的工作原理，利用熱棒制冷技術降低隧道凍土圍巖的溫度。結合青海省共和至玉樹公路姜路嶺隧道洞口段凍土地層熱棒施工，介紹了熱棒在隧道洞口凍土段的平面、橫斷面及監測元件布設情況。通過采用凍土地層熱棒制冷控溫，對由于隧道開挖后熱擾動造成的凍土溫度的升高進行有效控制，并使凍土及時回凍保持原狀，確保了隧道洞口段結構安全。對以后高寒高海拔地區凍土地層的隧道洞口段施工具有推廣價值。

熱棒制冷 多年凍土 公路隧道 高海拔

1 工程概況

青海省共和至玉樹公路通過多年凍土段，是青藏高原腹地大片連續多年凍土區逐漸向島狀多年凍土區過渡帶。沿線分布有大片連續或不連續多年凍土，多年凍土平均地溫高，正處于退化階段。姜路嶺隧道位于連續多年凍土區段，隧道高程在4 280 m以上。氣候特點為冬季寒冷漫長，多風雪，易成雪災;夏季氣候涼爽，雨水較充足，終年霜雪不斷。空氣稀薄，氣壓低含氧量少，大氣含氧量比平原地區低40%，缺氧嚴重。年平均氣溫 －4.2℃，年最高氣溫3.5℃，年最低溫度－30℃。多年凍土區上限1.6～2.2 m，下限28～42 m。

姜路嶺隧道左線長2 925 m，右線長2 845 m，進出口均位于多年凍土區，進出口凍土段左線長575 m，右線長440 m。凍巖強度高，開挖后凍巖融化，裂隙張開，強度降低。融沉類型為融沉、強融沉。受反復凍融作用，開挖后初期支護極易變形。為了確保洞口段凍土圍巖在開挖后洞身穩定及減少凍土層融化及凍土層上水對隧道施工的影響，采用熱棒群盡早使凍土熱融圈回凍，形成地下“凍土防滲幕”。同時降低凍土溫度，提高凍土強度，在隧道洞身周邊形成“凍土抵抗層”，以減輕凍結層上水的凍結壓力對隧道凍土段內隔溫層及防水層造成影響。

2 熱棒制冷工作原理

熱棒制冷技術是一種利用液、汽相的轉換對流循環來實現熱量傳輸而制冷的，是一種采用天然冷量無需外加動力的制冷裝置，是無源冷卻系統中效果最好的裝置。具有傳熱能力強、傳熱溫差小、啟動溫度低、均溫性能好、單向傳熱以及安全經濟等特點。它是由一根密封的鋼管制成，里面充以工質。管的上部裝有散熱片，稱之為冷凝段，置于地表以上空氣中;管的下部埋入地下多年凍土中，地下段稱為蒸發段。在寒季來臨，空氣溫度降至低于地下多年凍土溫度時，在蒸發段與冷凝段之間形成溫度差(冷凝段的溫度低于蒸發段的溫度)，熱棒就會啟動工作。蒸發段的液體工質吸熱蒸發成氣體，在壓差的作用下，蒸汽沿管內空隙上升至冷凝段，與管壁接觸放出汽化潛熱，冷凝成液體，在重力的作用下，冷凝液體工質沿管壁回流蒸發段再吸熱蒸發(見圖1)。如此往復循環，將地層中的熱量傳輸至大氣中，從而降低了多年凍土的地溫［1］。當冷凝段溫度高于蒸發段的溫度時，熱棒中液體工質蒸發后形成的蒸汽到達冷凝器后不能冷凝，液體停止蒸發，熱棒自動停止工作。因此熱棒具有單向傳熱的特點，大汽中熱量不能通過熱棒傳至凍土中。由于熱棒利用潛熱進行熱量傳輸，故其傳輸效率極高。利用熱棒控溫技術對多年凍土地層進行溫度控制，有效地防止了多年凍土發生融沉［2］。

3 洞口段熱棒及測溫元件的布設

3.1 熱棒的布設

圖1 熱棒工作原理示意(單位:m)

熱棒在隧道凍土地層中應用，主要是利用熱棒對凍土地層進行溫度控制，將其布設在隧道所處位置地表，蒸發段埋進凍土地層，寬度超隧道最大寬度外3 m，縱向長度根據隧道洞口段凍土圍巖長度進行控制。由于隧道洞頂標高存在差異，因此按照熱棒平面布置圖進行放點，圖2為隧道左洞進口的熱棒布置。蒸發段長度4.5～11.0 m，根據現場測量結果確定。所采用熱棒冷凝段長度2.5 m。橫斷面布置以隧道中線為中心，奇數排熱棒布設在隧道中線及兩側0，3，6，9 m處共7列。偶數排布設在距隧道中線向兩側1.5，4.5，7.5，10.5 m處共8列。排數根據隧道洞口段凍土圍巖長度控制，熱棒橫斷面布置圖見圖3。

熱棒的布設間距根據修正的傅里葉方程計算，得到熱棒有效傳熱半徑為1.72 m。為了使熱棒制冷效果均一，熱棒工作形成的“凍土防滲幕”頂部在同一平面，盡量減少因冷卻不均而形成高低不平的人為上限在暖季對凍結層上水的阻滯。結合青藏鐵路和公路等工程熱棒使用效果，熱棒在平面上采用間距為3 m的梅花形布置［3］。

3.2 測溫元件的布設

測溫元件分別布設在4個洞口熱棒布設區。每個洞口布設2個監測斷面。測溫元件布設在每個洞口的同一排熱棒，可設置在第一排或靠近后排處任意一排。每個監測斷面對隧道中心線處拱頂和隧道外側2處進行監測，每處設3個測溫孔(分別距離熱棒0.5，1.0，1.5 m)。在測溫孔內布設測溫元件(測溫元件采用熱敏電阻，電阻間距0.5 m)。具體布置參見圖2。

圖2 姜路嶺隧道左洞進口側地表熱棒及測溫元件平面布置

圖3 隧道熱棒橫斷面布置(單位:m)

4 熱棒、監測元件及設備安裝

4.1 熱棒安裝工藝流程圖(見圖4)

圖4 熱棒安裝工藝流程

4.2 施工機械設備及儀器(見表1)

表1 施工機械設備及儀器

4.3 熱棒及監測設備安裝施工

1)施工準備:①施工組織設計報審，對現場施工人員進行施工技術及安全交底;②施工前對熱棒、測溫管埋設點進行準確放樣，對設計地表高程進行復測，發現可能出現的地表高程變化情況，及時調整相關方案，保證施工的順利進行;③選擇合適的熱棒、測溫管堆放場地，存放地應緊靠施工現場，盡量減少熱棒的倒運;④選擇合適的起吊設備，制作合適的輔助工具，搬運、起吊安裝不得損壞散熱器及防腐涂層;⑤選擇合適的鉆孔機械，鉆孔直徑比熱棒管殼大5～8 cm;⑥備好鉆孔回填材料。

2)熱棒施工:①確定安裝熱棒的位置，對機械安置點及鉆孔位置的草皮進行移植養護。②鉆孔直徑108 mm，鉆進方法原則上采用干鉆，視地層情況亦可加入少量冷水，采用小循環鉆進，鉆孔深度比設計深度大10～20 cm。③鉆孔完成后，檢查孔徑和孔深，將鉆孔中泥漿清除干凈。④鉆孔檢查符合質量要求后，將熱棒吊起插入鉆孔，檢查垂直度合格后進行固定。⑤熱棒固定用灌中粗砂填充熱棒與孔壁之間的間隙，采用水中沉砂法，即先將冷水灌滿熱棒與孔壁間的空隙，再將中粗砂慢慢灌入，可分多次回填。施工過程中注意工具不要損壞熱棒外涂層。可采用土工布對地表以上1.5 m高范圍進行包裹保護，施工完后拆除。灌砂數量應與設計數量相符，在回灌過程中孔中的水則會自孔內溢出。回灌必須飽滿密實，以減少蒸發段的熱阻，確保熱棒工作效率［4］。⑥固定熱棒的支撐物在填料凍結后拆除。回填泥漿回凍時間一般為5～7 d。⑦回填中粗砂凍結、熱棒安裝穩固后，拆除支撐物。

熱棒安裝完成后(見圖5)，對施工場地進行清理，將施工垃圾清理遠運，集中處理或埋藏于地表以下，復原地表原狀。最后對熱棒施工進行全面驗收。

圖5 熱棒施工完成后現場照片

3)熱棒棒身垂直度允許偏差:棒身垂直度允許偏差為棒身長度的1%，用經緯儀或吊線測量，按100%進行全面檢查。

4)熱棒安裝施工注意事項:①熱棒的結構、形狀、規格及工作性能達到《熱棒》(GB/T 27880—2011)［1］的有關要求。②熱棒運至工地后，進行外觀檢查和產品質量抽查。熱棒的總長度、直徑、散熱器的類型及長度、表面防腐、反射涂層的顏色及質量應符合規范要求。熱棒應整齊規則地堆放并覆蓋。③熱棒的制作工藝比較復雜，殼體容器的密封要求十分嚴格，稍有滲漏熱棒將不能工作。在搬運和安裝過程中，防止碰撞，保護防腐反射涂層。防腐反射涂層在施作過程中如有損壞，及時補涂。④熱棒的吊裝采用軟質吊索，安裝過程中應注意防止碰撞、摩擦棒身，在起吊安裝過程中對上部的散熱片要防止損壞。⑤熱棒安裝孔鉆孔時孔深要嚴格按測量交底進行，以防鉆孔過深對隧道防排水系統造成破壞。⑥熱棒安裝固定到位后，應及時采用中粗砂對熱棒與孔壁間的間隙進行回灌。⑦熱棒安裝好后，做好相關防護工作，防止后期工作損壞熱棒。⑧監測元件與設備在熱棒安裝時同時埋入。⑨由于施工所在區域多年凍土區生態環境極為脆弱，施工時應采取草皮覆蓋保護、臨時移植養護等措施，同時嚴格限制臨時工程活動范圍，盡可能減少對多年凍土生態環境的破壞。熱棒安裝完成的區域須盡快清除鉆渣等雜物，做到“工完、料凈、現場清”。對無法避免而受到破壞的地表區域，天氣回暖后要及時回植草皮，并進行覆蓋養護。

5)測溫孔施工注意事項:①每個測溫管均高于原地面20 cm，以便后期埋設測溫線及保護管。②測溫孔的位置及深度均按照本方案的設計嚴格施作。③測溫孔垂直度允許偏差為孔深的1%。④測溫管埋設后，采用沉水法灌入中粗砂回填測溫管與孔壁之間的間隙，此過程中嚴格控制質量，確保填飽滿密實。延伸的測溫管道要埋在地面以下，不得露出地面，管內分段設置氈墊，以阻隔空氣流通，并將管口用棉紗封堵。⑤施工時嚴格限制臨時工程活動范圍，盡可能減少對多年凍土生態環境的破壞，天氣回暖后要對施工破壞過的地表及時回植草皮，并進行覆蓋養護。

5 結語

姜路嶺隧道洞口凍土段通過采用熱棒制冷技術，有效地減緩了由于隧道施工對凍土的熱擾動影響。經過兩個冬夏的觀察，隧道初期支護及襯砌未出現變形破壞。施工時只是對暗洞洞口段多年凍土地層采用了熱棒冷凍防護，對明洞明挖段邊坡在以后的施工中可以考慮采用熱棒制冷技術對凍土進行防護，熱棒布設不能影響明洞開挖，以控制凍土開挖后的熱融，確保邊坡的穩定。

［1］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會．GB/T 27880—2011 熱棒［S］．北京:中國標準出版社，2012．

［2］李瑞杰．青藏鐵路高含冰量地段半填半挖路基施工技術［J］．山西建筑，2006，32(3):99-100．

［3］潘衛東．熱棒技術加強高原凍土區路基熱穩定性的應用研究［J］．冰川凍土，2003，25(4):433-438．

［4］侯憲軍．多年凍土區熱棒路基工作原理與施工技術［J］．山西建筑，2008，34(4):285-286．

Application of thermosyphon technology to tunnel in permafrost region

TIAN Minzhe

(The Second Engineering Co．，Ltd．of China Railway Construction 11th Bureau Group，Shiyan Hubei 442013，China)

According to the working principle of thermoprobe，the temperature of tunnel surrounding rock can be reduced by using hot rod refrigeration．A case study was introduced in this paper．Take the construction of Jiang Lu-Ling tunnel entrance in Gonghe-Yushu Road in Qinghai as an example．The layout of the thermoprobes and monitoring elements in the frozen soil layer were introduced．With the thermoprobe cooling in the frozen layer，the temperature control was realized after the excavation of tunnels，which caused the thermal disturbance and the increase of layer temperature．Furthermore，it helped the frozen layer return back to the undisturbed situation and remain that，ensuring the safety of tunnel entrance section structure． This technology deserved widely use in the tunnel portal construction in the cold，high altitude region．

Thermoprobe cooling;Permafrost layer;Highway tunnel;High altitude

U455．49;TU475+．2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2014．10．08

1003-1995(2014)10-0032-04

2014-06-10;

2014-09-20

田敏哲(1980— )，男，陜西岐山人，高級工程師。

(責任審編 趙其文)