基于寒區背景下隧道除冰技術分析

趙天望，戴長雷

(1.黑龍江大學寒區地下水研究所，哈爾濱 150080；2.黑龍江大學水利電力學院，哈爾濱 150080)

中國寒冷地區分布廣泛，寒區面積在土陸地面積中占據重要比重。隨著中國經濟社會的飛速發展，國家政策的落實，在寒冷地區修建了大量的公路隧道工程。受寒區惡劣環境的影響，特別是凍融循環作用，寒區隧道經常出現襯砌開裂、內部滲漏、拱頂掛冰等凍融病害，導致隧道的服役能力迅速降低、影響了隧道的安全行車能力[1]。隧道襯砌和邊墻出現結冰是一種較為嚴重的凍害[2]，如何對這類凍害采取防治措施，是很多學者和行業人士探討的話題。因此，基于寒區背景下研究更加高效合理的隧道除冰技術具有十分重要的意義。

1 寒區隧道分區

1.1 寒區的定義

“寒冷地區”簡稱“寒區”，根據不同的評判標準會產生差異，一直以來并沒有一個統一的標準來對其進行劃分，在寒區的眾多對比因素中溫度和固態降水量屬于最主要的指標。直觀上大多是以“冷”和“暖”程度相互做出比較，標定該區域的氣候特征。由于區域氣候的不同，會對工程的施工建造和后期維修養護都產生較大的影響，增加了施工難度。中國寒區主要集中在東北三省：遼寧、吉林和黑龍江，其他地區包括青海、內蒙古、新疆和甘肅等。我國寒區氣候指標主要包括年(月)平均氣溫、日平均氣溫、固態降水百分比、年平均積雪日數等[3]。中國寒區的氣候指標，見表1。

表1 中國寒區的氣候指標

1.2 寒區隧道分區

依據隧道所受凍害的程度對寒區隧道進行分區，并以隧道所在區域的最大凍結深度、凍土類型以及凍結日期等作主要的參數指標。寒區隧道分區簡表，見表2。

表2 寒區隧道分區簡表

2 工程概況及冰害發育過程

2.1 工程概況

黑龍江省哈爾濱市處在中國東北地區，屬于寒區范圍。因此，文章以哈爾濱市黎明大道公路隧道為例，分析寒冷地區涎流冰的形成過程和現狀。該隧道位于哈爾濱市香坊區，屬于城市公路隧道。位于E45.3°，海拔約為170m。隧道全長1.2km，地質以泥巖、砂巖為主，等級為Ⅲ-Ⅳ級，隧道埋深6-35m。隧道所在位置年平均氣溫為-30-26℃，11月至次年1月平均氣溫在-14.1℃。受地理位置影響，該區域長期受流水侵蝕，隧道邊墻和內拱出現不同程度的開裂，冬季和春季氣溫較低時混凝土結構出現凍脹破壞，嚴重影響隧道的使用功能。

實地勘察發現，此隧道通車幾年后，有多處襯砌結構的外部裝飾及施工材料嚴重脫落，施工縫和預留伸縮縫出現開裂，嚴重部位出現滲漏現象。到了冬季期，滲漏處的水滴在持續的低溫條件下凝結成冰。隨著水流不斷下滲，冰體開始發育逐漸向外延伸，最終造成大量的冰體發育成形。嚴重影響結構的強度和穩定性，也給交通運營帶來極大的隱患，隧道內部出現大量涎流冰，見圖1。

圖1 隧道內部出現大量涎流冰

2.2 冰害發育過程

拱頂或邊墻滲水結冰的現象，在很對寒區隧道建設過程中多有發生。首先是這些地區常年多雨雪天氣，匯集形成的地表水會沿著結構層間縫隙向下滲流。另外，隧道開挖會經過不同土層，如果遇到富水區，地下水在排流不及時的情況下會向外涌流，兩個方面的水源為冰體發育提供了豐富的物質基礎。透過隧道的結構層，水流匯集到拱部或者邊墻的裂縫處，滴水在長時間的低溫條件下凝結硬化。后面的水流受重力作用順著硬化的冰體表面向下運動，進而冰體的體積不斷增大。但是這種發育速度并不是一成不變的，受冰載體的影響，冰體在后期發育變得越來越緩慢，最終趨于穩定，冰體發育形態投影圖，見圖2。

圖2 冰體發育形態投影圖

冰體的重量和長度是描述冰體形態的重要指標，兩者達到一定數值時冰體會自由脫落。可能因所處環境條件不同，冰體大小有所差異。總的形態類似錐形，上部的直徑大下部小，尖角向下如同倒掛的利劍，從高處落下形成的壓強很大。為防止給行車和人身安全造成破壞，應及時清除。

3 寒區隧道的除冰技術

3.1 人工除冰

在公路隧道維修養護的過程中，人工除冰的方式很常見[4]。工人們多用鏟刀、木棒等除冰工具，對結冰部位進行清理。但是，隧道內除冰操作危險系數較高，主要是因為冰體結構多為錐形，上部直徑大下部尖銳，一旦施工過程中處理不當極有可能會傷害工作人員，此前也多有人員在除冰過程中受傷的新聞出現。由于北方寒區低溫條件下維持時間較長、雨雪量大，很大程度上增加了除冰難度。另外，惡劣的氣候條件會使得滲漏處再次結冰，需要重復清除。因此，每年用冬季公路隧道除冰工作中的物力、人力和財力的消耗量很大。當遇到大面積掛冰出現，又需要耗費更多的時間來保證冰體清理干凈。所以，科學高效的除冰技術對公路隧道運營具有重要意義。

3.2 風力掃冰器除冰

風力掃冰器是利用車輛通過隧道產生的風力作為動力源將除冰葉片驅動，從而將隧道襯砌壁上面的凝結的冰柱清掃干凈，這套除冰裝置主要適用于電氣化區段接觸網隧道[5]。由于這套裝置不需要額外的能源所以非常節能，另外這套裝置還有性能穩定、方便安裝、抗干擾能力強等優點，可以應用在不同環境中。之前有研究者在內蒙古的八蘇木隧道做過關于風力掃冰器除冰效果的試驗。試驗結果表明這套裝置不僅便于安裝，而且當風力較大時除冰葉片達到一定的轉速可以起到很好的除冰效果。整理試驗數據發現整套設備運行穩定，可以作為除冰的方式應用在隧道工程中。但在由于掃冰機械使用時間長了容易發生故障，另外遇到太過堅硬的冰塊時除冰葉片容易損壞，增加維修成本，所以該技術多適用于小隧道的除冰工作。

3.3 隧道滲漏處設置融冰裝置

隧道工程施工過程中在滲漏處安置融冰裝置，工作機理主要是通過電力傳輸讓融冰裝置產生熱量從而通過洞內溫度維持在0℃以上，避免滲漏處結冰。這套融冰裝置主要是由電加熱板、懸掛支架、溫控系統組成[6]。整個裝置需要每個組成部分的協調合作才能達到效果，其中電加熱板和懸掛支架需要安裝在襯砌表面和接觸網之間，并且緊貼隧道襯砌面，以避免之間留有空隙增加熱量損失。為方便工人安裝和后期維修，所以將電控箱安裝在隧道壁的一側。

隨著科技的不斷進步，不同行業都在極力追求高質量、高效率的發展。所以寒區隧道的除冰技術也在不斷的改進和完善，安裝融冰裝置對結冰部位進行清除的技術也應運而生。對比分析可以發現，該技術具體很好的優勢，特別是地板輻射采暖系統的應用更是廣泛。目前在國內外機場、建筑樓房也多有使用。該技術最大的優點就是在水量大的地方進行很好的引流，避免結構出現膨脹的現象，在一定程度上減少了人工除冰的強度[7]。并且根據溫度感應裝置對洞內溫度進行實時監測，利用該技術可以比較有針對性的處理冰害，在水滴凝結之前進行加熱保溫，具有較好的預防作用。但是融冰裝置除冰也存在一些缺點：①需要投入過多的成本來引接外部的電源和線路；②由于這套裝置是由很多部分組成，需要對每個細節進行合理的管理才能達到除冰的目的，所以在管理上面需要增加工作量。以上這些問題也需要施工人和研究者們的進一步探討和研究。

4 除冰技術的優選

以上就是3種主要的除冰方法，通過對比分析認為融冰裝置的是最優的選擇。雖然這種方式也存在一些缺點，但相比較而言該技術具有更高的效率性和控制性。

4.1 融冰裝置組成及作用

隧道融冰裝置是由很多部分組裝而成，主要組成部分分別是電加熱板、接線盒、溫控配電箱及固定角鋼、電源控制線。而融冰裝置的工作原理，就是提高電線傳輸能量到裝置產生熱量，以提高洞內的溫度防止滲漏處的水滴凝結成冰[8]，電加熱板裝置圖，見圖3；懸掛支架裝置圖，見圖4。

圖3 電加熱板裝置圖

圖4 懸掛支架裝置圖

4.2 功能及技術指標

融冰裝置具有實時檢測的功能，可以對溫度進行控制。在該裝置上帶數碼管顯示和防水型溫度傳感器探頭，可以檢測到隧道內的實時溫度，并通過數顯進行數據記錄(溫度顯示及控制范圍：-35-85℃)，可根據現場實際設定啟、停動作溫度，接線盒設有白色指示燈可實時顯示加熱板工作狀態[9]。隧道融冰裝置在外部包裝材料選擇上也嚴格要求，多使用輕便、耐腐蝕、易安裝的材料。在外部端口安裝或者連接時都做好了防水處理，在潮濕環境下也能夠滿足使用功能。融冰裝置輸入電壓為AC380±20%V,各端子對各端子對機殼的絕緣電阻應>50M，溫度顯示及控制范圍為-40-80℃，溫度顯示精度為1℃，誤差±1℃，加熱板表面溫度(室溫條件下)>100℃。

4.3 融冰裝置的安裝

4.3.1 加熱板安裝標準

根據不同作用位置隧道設計的融冰裝置會有所差異，主要的加熱板尺寸多為1000×2000mm，另外在安裝時需要確保加熱板與線路垂直，隧道滲漏處正好對準加熱板的中心，將2條V形槽扣板用膨脹螺絲固定在隧道襯砌的頂部，間距為1000mmV形槽扣板V口緊挨加熱板，距加熱板沿500mm，安裝過程中要用Φ12×120mm型膨脹螺絲固定緊加熱板，并在螺絲外下部安裝鐵板，防止其脫落。

4.3.2 接線盒安裝標準

除了加熱板等設備的安裝，接線系統的安裝也很重要。將連接加熱裝置的線路匯集到隧道邊側拱壁上，接線盒的外部材料盡量選取防水性能好的材料[11]。并且，在接線盒的底部打上兩個2個M6×80的膨脹螺栓用于固定接線盒防止其脫落。在接線端的入口連接220V的電源，輸出口連接加熱板。另外，在接線完成后設置預防系統，當遇到漏電情況時自動斷電。完整的系統需要好幾個接線盒，并用接線箱固定在一起，接線箱，見圖5。

4.4 除冰效果分析

文章以哈爾濱黎明大道公路隧道為研究對象，在隧道左右兩幅分別設置不同工況點條件，左幅隧道不設置除冰裝置，右幅隧道提前布設融冰裝置，現場布設裝置，見圖6。試驗當天為雨雪天氣，隧道外界日平均溫度-20℃，融冰裝置穩定運行8h，設置鋪設功率為80 W/m2。沿著隧道右邊墻徑向(圍巖方向)安裝測溫元件，一共5個，每隔30cm安裝一個，測溫點的布置，見圖7。通過現場溫度監測獲取每個測溫點的溫度變化情況，不同測點的溫度變化情況同，見表3。

為評估該技術在冬季期整體供熱除冰的穩定性，監測時間設定為90d( 11月—來年1月，月平均溫度最低)利用測溫元件對隧道右邊墻外側圍巖方向溫度實時監控，并記錄實驗數據，隧道右邊墻外側圍巖方向溫度變化情況，見圖8。

圖5 接線箱

圖6 現場布設裝置

圖7 測溫點的布置

表3 不同測點的溫度變化情況

圖8 隧道右邊墻外側圍巖方向溫度變化情況

實驗結果表明：隧道左幅隧道在低溫條件下，拱部明顯出現結冰現象。反觀右側隧道，在融冰裝置穩定運行1h后，加熱板迅速將溫度傳遞出去，促使襯砌背后溫度不斷上升，大概3h以后溫度基本都維持在正溫，有效預防滲漏處發生冰害。月平均溫度最低的冬季期，融冰裝置除冰效果較為穩定，降低持續低溫環境對隧道結構的影響，避免襯砌或者邊墻滲水處結冰。

5 結 論

1)隧道冰害嚴重威脅著公路隧道的安全運行，極大干擾著運營管理。隨著科學技術的發展與進步，效率低下的人工除冰和風力掃冰器除冰已不再適應鐵路日益完善與高效的運營管理模式，解決好隧道除冰問題對電氣化鐵路的安全運行有著非常重要的意義。以上多種施工方式，在寒區背景下都具有特殊性。通過對比分析認為融冰裝置的是最優的選擇，不僅高效也具有更高的控制性。

2)通過現場實驗得出融冰裝置的除冰效果，在穩定運行下，電力輸出致使加熱板溫度迅速升高，并將其熱量傳遞給隧道結構，有效防治隧道拱部或者邊墻處滲水結冰。但是其他的技術也各有優點，可以根據工程的具體情況再決定采用那種方式。有時候多種方式的配合使用會更加提高隧道除冰的效率。只有制定合理有效的方案才能起到除冰的效果，以避免隧道結冰造成的安全隱患。