高海拔嚴寒地區隧道凍害研究現狀及展望

喬 雄,楊小龍,*,馮 勇

(1.蘭州理工大學土木工程學院,甘肅 蘭州 730050; 2.蘭州交通大學土木工程學院,甘肅 蘭州 730070)

0 引言

高海拔嚴寒地區是指海拔為3 000 m以上及最冷月平均氣溫為-8 C°以下的地區[1-2]。為滿足高海拔嚴寒地區經濟發展的需要,我國大力推進高海拔嚴寒地區基礎設施建設,而隧道作為基礎設施建設的重要組成部分,數量眾多,如青藏鐵路、川藏鐵路等,橋隧比例均很高。在高海拔嚴寒地區修建隧道易發生設備使用周期降低、路面積水結冰、邊墻結冰、襯砌漏水掛冰、路基滲水凍脹、電纜溝及檢查井內積水結冰、排水溝出口結冰等現象[3-4],極大地影響了行車安全和隧道結構穩定性[5]。雖然近年來有眾多學者開展了關于寒區隧道凍害的研究[6],但這些研究并未對高海拔嚴寒地區隧道凍害進行系統梳理,因此,有必要對高海拔嚴寒地區隧道凍害問題的防治進行全面總結。

為此,本文基于高海拔嚴寒地區隧道工程實例,分析其凍害類型及成因,系統梳理凍脹理論及溫度場研究方法,并對現有的凍害處置措施進行分析和總結,以期為高海拔嚴寒地區隧道病害處治研究提供借鑒。

1 高海拔嚴寒地區隧道凍害類型及原因分析

針對高海拔嚴寒地區隧道凍害問題,學者們曾開展了大量的研究工作。為進一步探討凍害類型及原因,對近些年高海拔嚴寒地區隧道進行統計分析,如表1所示。

表1 典型高海拔嚴寒地區隧道凍害統計

1.1 高海拔嚴寒地區隧道凍害類型

結合表1可知,我國近年來陸續開始建設高海拔嚴寒地區隧道,隧道修建過程中均出現了凍害問題,且主要集中在西北、川西高原等山嶺地區。由于所處地理位置的特殊性,相比于一般寒區隧道,高海拔嚴寒地區隧道常位于多年凍土區和季凍區,具有更加鮮明的凍害特征,常表現為半年以上的凍結期、極端低溫、大于1 m的凍結深度、更頻繁的凍融循環以及更高的凍脹力等。

國內學者主要從結構受損類凍害和洞內結冰類凍害2個方面對凍害類型進行分析。例如:崔國軍等[18]對凍害類型進行了總結,認為有隧道洞口積水及結冰、襯砌變形及開裂、路面冒水結冰等凍害; 鄭波等[19]對川西高原多座隧道進行統計,認為典型隧道凍害類型有邊墻結冰、襯砌開裂、側溝結冰、路面結冰等。因此,對表1及多座隧道凍害現象進行統計可知,高海拔嚴寒地區隧道凍害特征通常表現為以下4種形式:1)對于隧道進出口兩端有高差的隧道,短、中隧道低洞口端排水系統冰塞和洞門墻凍脹開裂嚴重;長、特長隧道低洞口端排水系統冰塞嚴重,高洞口端洞門墻凍脹開裂嚴重。2)季凍區隧道常表現為洞口段頻繁凍融循環引起的排水系統堵塞(如排水溝、出水口凍結)、襯砌病害(如開裂、變形、剝落、漏水、掛冰)、保溫防凍材料失效、道床冒水結冰。3)多年凍土區隧道常表現為洞口處冬季積雪,夏季熱融坍塌。4)復雜氣候、地質條件(如極端低溫、斷裂帶)綜合作用下施工或運營期隧道冰害。

1.2 高海拔嚴寒地區隧道凍害原因分析

對上述凍害特征以及表1中的凍害原因進行分析可知,高海拔嚴寒地區隧道凍害原因可歸納為自然因素和人為因素2類。自然因素包括水、低溫、高山風、襯砌及圍巖凍脹作用,而人為因素包括設計與施工影響。結合實際工程來看,隧道凍害往往是多種因素共同作用的結果。高焱等[5]對高海拔地區34座隧道的凍害情況展開調查分析,發現凍害是由水、低溫、高山風、設計與施工等因素相互影響產生的,并對上述結論進行了論證。為此,本文從自然因素和人為因素2個方面對隧道凍害原因進行分析。

1.2.1 自然因素

在自然因素影響方面,除了常見的圍巖富水[3]、溫度應力[20]是導致隧道發生凍脹病害的原因之外,高山風也是導致隧道發生凍害的關鍵因素之一,風速大小與海拔高度總體上呈正相關關系[21],即海拔越高風速越大,使得洞口段出現負溫區,為凍害的發生埋下了隱患。而高山風主要由熱位差、超靜壓差、風墻壓差等因素引起,從表1中可以看出,高海拔嚴寒地區短、中隧道數量占比較小,長、特長隧道數量占比較大。對于短、中隧道,洞口兩端海拔、氣候特征差異不大,導致熱位差和超靜壓差較小,故而短、中隧道受風墻壓差影響較大,往往導致迎風坡段隧道凍害更加嚴重。對于長、特長隧道,洞口兩端海拔、氣候特征差異較大,故而長、特長隧道容易受到超靜壓差、熱位差、風墻壓差3種因素的綜合作用而產生凍害。

1.2.2 人為因素

對于人為因素影響的研究,主要體現在隧道施工和防排水設計2個方面。由于在隧道開挖前,圍巖內部的溫度處在相對平衡的狀態,因此不會發生凍害,但當平衡被打破后,新開挖的巖(土)層會產生新的凍脹力。由表1中的實際工程可知,防水措施和排水系統設計不當會直接導致隧道襯砌滲水、洞口掛冰、排水系統冰塞等病害的發生,因此,需要對隧道防排水進行合理的設計。

綜上,高海拔嚴寒地區隧道凍害的產生是低溫環境、設計與施工、水文地質特征以及隧道結構本身等因素綜合影響的結果,結合上文可知,主要的凍害原因有以下4種:1)長時間極端低溫; 2)凍脹力以及溫度應力對襯砌的作用; 3)高山風影響; 4)隧道設計施工不完善(如襯砌后空洞、防排水系統不完善)。

2 凍害機制研究現狀

針對凍脹機制的研究,隧道建設者們經過多年的探索,集中于以下4種凍脹理論:含水風化層凍脹理論、整體性圍巖凍脹理論、襯砌背后積水凍脹理論和裂隙水凍脹理論。

2.1 3種常見的凍脹理論

夏才初等[22]、Luo等[6]對含水風化層凍脹理論、整體性圍巖凍脹理論、襯砌背后積水凍脹理論進行了詳細的闡述。隨著理論技術的逐漸成熟,學者們通過模型試驗和數值模擬等方法對隧道凍脹理論進行研究。在襯砌背后積水凍脹理論方面,王道遠等[23]采用數值模擬和模型試驗的方法對襯砌背后存水位置、厚度及范圍進行了對比分析,認為凍脹力對隧道結構的影響從大到小依次為拱頂>拱腰>仰拱>邊墻>拱腳,且凍脹力會隨著存水厚度的增加而增大。在整體性圍巖凍脹理論方面,鄭新雨等[24]采用模型試驗、理論分析結合數值模擬的方法對公式進行驗證,并給出了整體性圍巖凍脹力理論解。

然而,上述關于凍脹力的研究都是采用單一凍脹理論進行推導,因此,有學者開始結合多種凍脹模型進行分析。例如:張玉偉等[25]認為當凍結深度大于含水風化層厚度時,凍脹力大小受到含水風化層和擾動層的共同影響,并基于含水風化層凍脹理論和整體性圍巖凍脹理論建立含水層-擾動層凍脹模型; 崔光耀等[26]基于上述凍脹模型提出了季凍區破碎圍巖凍脹力計算方法,并用數值模擬和現場監測對比分析的方法驗證了計算方法的正確性。

2.2 裂隙水凍脹理論

對表1中多座高海拔嚴寒地區隧道凍害原因進行分析可知,隧道凍脹力的產生多為圍巖裂隙水凍融循環引起的隧道結構損傷,高海拔嚴寒地區更加頻繁的凍融循環加劇了此不利影響。為此,學者們為揭示圍巖裂隙水凍脹機制,圍繞裂隙水凍脹力和影響因素2個方面進行系統分析。在圍巖裂隙水凍脹力研究方面,學者們對前人的研究成果進行總結分析后提出了凍脹模型,如嚴健等[27]依托雀兒山隧道提出了裂隙水凍脹模型,如圖1所示,并將此模型應用于實際工程,其結果與實際值接近。

a、b為內外尺寸; c為凍結圈中心與裂隙水距離; d為裂隙水寬度; pc為壁面均布力; ph為水壓差; pb為襯砌上凍脹壓力; EⅠ、EⅡ、EⅢ為彈性模量; μⅠ、μⅡ、μⅢ為泊松比; hf為正凍巖石圈厚度。

目前,學者們基于裂隙水凍脹理論,對凍脹力演化規律進行了分析,如呂志濤等[28]利用有限元軟件并基于現場試驗對單裂縫和雙裂縫凍脹擴展進行分析,認為單裂隙凍脹擴展向著荷載作用方向偏轉、雙裂縫凍脹擴展向著裂縫方向偏轉。在影響因素方面,王志杰等[29]采用數值模擬、現場監測和室內試驗的方法,探討了孔隙率、滲透率、裂隙孔徑等因素對凍脹力發展的影響。

綜上,上述研究雖然取得了一定的成果,但這些研究多是在特定假設下推導出的,對于環境更加復雜的高海拔嚴寒地區仍存在局限性和未知性。目前整體性圍巖凍脹理論使用最廣,尤其是在多年凍土區,凍結圍巖含水率和凍脹力之間的量化關系仍存在爭議。含水風化層凍脹理論將風化層和擾動層結合的方法雖對理論進行了完善,能用于實際工程,但仍存在擾動層彈性抗力系數取值困難的問題。襯砌背后積水凍脹理論未考慮裂隙水和地下水的影響,凍脹力演化規律并不明確,僅適用于硬巖隧道。對于裂隙水凍脹理論,目前大多都是針對單裂縫和雙裂縫,對多裂縫或不同裂縫的凍脹特性研究較少; 且多數研究是建立在單一巖體上進行的凍脹特性分析,并未系統地提出統一表征凍脹特性的裂隙水凍脹模型。因此,針對高海拔嚴寒地區復雜多變的氣候、地質條件,未來應建立多年凍土區以整體性圍巖凍脹理論為主、季凍區以裂隙水凍脹理論為主的多理論聯合分析體系,其凍脹力大小、凍脹力演化規律、圍巖破壞形式等還有待進一步研究。

3 溫度場研究現狀

為研究溫度場對隧道的影響,學者們進行了大量的研究,目前現有的研究主要集中在現場監測、理論解析、模型試驗及數值模擬等方面,本文統計了相關研究的實例,如表2和表3所示。

表2 高海拔嚴寒地區隧道溫度場監測實例

表3 高海拔嚴寒地區隧道溫度場現場監測、理論分析、模型試驗、數值模擬研究實例

由表2和表3可知,針對高海拔嚴寒地區隧道溫度場的研究可分為現場監測、理論解析、模型試驗及數值模擬等4種基本方法。其中,現場監測通過對圍巖、洞內外環境等進行溫度監測,其監測數據在進行處理后可直接得出隧道溫度分布規律,作為驗證和修正其他3種方法的依據。數值模擬和模型試驗則是在現場監測完成后,在受控的環境下對溫度場實施分析,并與現場監測結果進行對比,最后驗證隧道各參數的準確性。理論解析則不受施工的影響,只需要有明確的風速、氣溫、圍巖和襯砌導熱系數等物理參數,就可對溫度場分布規律進行研究。因此,針對同一問題應綜合運用這4種方法,在研究隧道溫度場時相互驗證和補充,以便更全面、更準確地了解隧道溫度場的特性和影響因素。針對上述4種研究方法,相關研究如下。

3.1 現場監測

3.1.1 溫度場分布規律

現場監測是獲得隧道溫度場分布規律最有效、最直接的方法。長期以來,隧道科研者們借助溫度傳感器,通過在襯砌內外以及圍巖中布設監測點位來獲取隧道實時監測數據,并運用數理統計的方法對監測數據進行分析。目前,學者們主要從隧道內外環境溫度分布規律、襯砌及圍巖溫度分布規律2個方面對隧道溫度場分布規律進行深入分析。陳華鑫等[46]依托西藏地區某隧道對溫度場進行監測和分析,認為隧道年氣溫、日氣溫均呈三角函數分布,縱向溫度分布呈現快速增長—緩慢增長—趨于穩定的趨勢,圍巖溫度隨著深度的增加而趨于穩定。

總結和歸納表2中多座高海拔嚴寒地區隧道監測結果可知:1)洞內外環境溫度年平均氣溫、日平均氣溫隨時間呈三角函數變化,具有周期性; 2)襯砌及圍巖溫度隨著徑向深度的增加,年平均溫度上升,年平均溫度變化幅度減小,呈指數型變化,且存在一個穩定的邊界條件; 3)隧道縱向溫度呈拋物線分布,隧道進口到出口溫度表現為快速上升、緩慢上升、趨于平緩、緩慢下降、快速下降的趨勢,呈現出貫通型、弱對稱型、非對稱型3種分布方式; 4)高海拔隧道一天中溫度到達峰值的速率很快,相比于低海拔隧道常表現為溫度峰值往后推移的規律; 5)高海拔隧道埋深往往更大,隧道縱向圍巖地溫更高。

3.1.2 溫度場影響因素

由于高海拔嚴寒地區氣候、地質條件復雜,隧道洞內環境溫度、襯砌及圍巖溫度受多種因素的影響。由表1和表2可知,影響隧道溫度場分布方式的因素主要包括自然風、洞內外氣溫、活塞風、設計與施工、隧道埋深、圍巖地溫等,目前單一因素不能深入地對高海拔嚴寒地區隧道溫度場分布規律進行分析,因此,需要耦合多種因素對溫度場分布規律進行探討。周小涵[47]依托南山隧道,對隧道入口風溫、洞內風速和風向、對流換熱系數、圍巖和襯砌導熱系數、隧道埋深、斷面大小等因素進行分析,得出隧道入口風溫、洞內風速和風向、圍巖導熱系數、隧道埋深、斷面大小等是影響溫度場的主因,圍巖密度、比熱容等是次因的結論。

綜上,尤其是在隧址條件復雜的高海拔嚴寒地區,多種因素作用下的凍害問題尤為突出,各因素對凍害的影響仍需深入研究,并根據影響程度對各因素進行排序,在保溫防寒設計時重點考慮影響較大的因素。

3.2 理論解析

3.2.1 二維、三維理論

對于二維理論分析的研究,學者們多集中于圍巖、空氣和襯砌傳熱方程、隔熱層以及表2中所列因素影響下溫度場的解析解。蔣爽等[48]為分析隔熱層對襯砌溫度的影響,基于隧道徑向及軸向二維軸對稱的圍巖溫度導熱模型,利用第三類邊界條件和萊維級數法推導得到隧道圍巖溫度分布的解析解。上述研究表明二維理論分析只考慮平面內溫度變化,而三維理論分析則是對空間溫度場進行分析。于是,韓躍杰等[49]通過求得襯砌和圍巖的溫度場理論解、徑向溫度場理論解及建立氣-固耦合傳熱模型,提出了多年凍土隧道襯砌、圍巖及洞內空氣的三維溫度場計算方法。

3.2.2 多場耦合理論

相比于二維、三維理論分析,多場耦合理論分析則是在此基礎上考慮溫度和其他物理場的相互影響和耦合關系,而目前多考慮滲流場、應力場和風流場對溫度場的影響。于麗等[50]基于能量守恒定律,結合傳熱學、流體力學等方法,提出了風流場模型,并對在圍巖和通風條件下溫度場分布規律進行了分析。

綜上,通過整理多年來學者們對溫度場二維、三維及多場耦合理論的研究成果可知,理論方面的研究多集中于圍巖、空氣及襯砌傳熱方程的求解,保溫層厚度、凍脹力及位移的計算,多因素影響下溫度場解析解、多場耦合(滲流場、應力場、溫度場和風流場等)下溫度場解析解計算。目前,關于二維和三維溫度場理論分析已逐漸完善,但對于多場耦合理論分析的研究還未形成系統,特別是針對高海拔嚴寒地區風流場和溫度場耦合分析的研究較少,多場耦合理論分析仍是未來研究的重點。

3.3 模型試驗

溫度場模型試驗是在理論分析的基礎上進行方案設計,通過模擬實際施工及運營狀況,獲取有關溫度場的試驗數據,并以此對溫度場進行分析,學者們常按照一定的比例建立模型。Zeng等[51]以馬蹄形斷面隧道為研究對象,建立1∶30的模型試驗,研究洞口處對流-傳導耦合效應,結果表明洞口段圍巖和氣流溫度變化劇烈。在建立模型的基礎上,學者們通過施加不同的條件對溫度場進行模擬,如李志強等[44]基于相關理論,考慮幾何條件、邊界條件及材料參數,建立大坂山隧道模型試驗平臺進行模型試驗,并與現場實測數據進行對比分析,結果表明模型試驗結果和現場實測數據相似,具有較強的合理性。

綜上,目前相關研究多為按比例縮放的實體模型,按照1∶1比例建立的模型國內還未有過。同時,在模型試驗中常考慮單因素對溫度場的影響,而多因素對溫度場的影響還有待進一步研究。

3.4 數值模擬

隨著信息化時代的到來,大量學者將有限元軟件應用于溫度場的研究中。Tan等[52]依托西藏地區某隧道,采用數值模擬的方法探討了保溫材料的效果,結果表明隧道襯砌表面的保溫材料對襯砌及圍巖溫度影響較大。上述研究是基于二維進行的數值模擬,卻忽略了空間上的溫度分布情況,因此,有學者認為需對溫度場進行三維數值模擬。Lu等[53]建立了對流換熱的三維數值模型,將模擬結果和現場數據進行對比分析,得到導熱系數和氣流速度對溫度場影響最小的結論。針對不同參數對溫度場的影響,湯國璋等[54]通過數值模擬的方法提出了多年凍土隧道施工溫度場的控制參數,并把施工分為安全施工階段、相對安全階段、安全預警階段和安全隱患階段4個階段。

綜上,高海拔嚴寒地區隧道溫度場數值模擬研究主要集中在二維和三維,體現在隧道內外環境及圍巖溫度分布規律、溫度場敏感性因素、隔熱層等方面。統計多篇文獻可知,隧道溫度場有限元軟件有ANSYS、ABAQUS、COMSOL、FLAC 2D/3D等,可通過改變時間、環境等條件參數對溫度場進行模擬,但在參數優化、取值上仍需結合實際工程做進一步研究。

4 凍害處置措施研究現狀

為保障隧道結構的穩定性和安全性,防止凍脹引起的變形和破壞,本文總結了國內外多個國家的凍害處置措施,并從防排水、保溫防寒、抗凍等方面總結我國高海拔嚴寒地區隧道的凍害處置措施,并探討各種處置措施的適用性。

4.1 國外凍害處置措施研究

針對隧道凍害的防治,日本、美國、蘇聯、北歐等國家根據自己的國情進行了大量的研究,并形成了各自的凍害處置措施[55]。蘇聯具有豐富的水電資源,常采用采暖的方式對隧道進行保溫。Wang等[56]、Zhou等[57]提出設置防水層、保溫層、襯砌內安放排水管和加熱排水溝等措施對隧道進行保溫防寒。在日本,Islam等[58]采用U型管路面電伴熱法,通過現場監測發現外界溫度低于凍結溫度時路面溫度依舊在0 ℃以上,并驗證了該方法的可行性。隨后,又研發了U型管路面加熱系統,采用地熱能對洞口段進行保溫加熱。除上述方法外,在襯砌表面或初期支護與二次襯砌間設置隔熱材料也在日本得到了廣泛應用。Okada等[59]在襯砌表面敷設保溫板,并在保溫板表面和襯砌表面噴涂氨基甲酸乙脂泡沫、防水砂漿等材料,以達到保溫隔熱的目的。挪威和法國大都采用加設防水防凍棚、隔離板墻、防寒保溫門等措施預防凍害,以保證洞內溫度維持在凍結溫度以上[60]。在美國,常常采取加熱電纜對排水系統進行加熱、在排水溝出口處設置保溫材料等措施進行凍害防治[61]。

綜上,國外凍害處置措施主要涉及保溫、排水及加熱等方面,而最常見的保溫防寒措施常通過設置保溫隔熱材料來減少冷空氣和襯砌之間的熱交換,有效阻止圍巖水和地下水進入隧道。上述措施雖然保溫效果顯著,但極易破損。同時,由于成本非常高,電加熱、暖管等主動加熱方式只能在局部凍害嚴重的區域使用。

4.2 國內凍害處置措施研究

4.2.1 防排水措施

4.2.1.1 防水措施

對大量高海拔嚴寒地區隧道凍害進行統計后發現,凍害往往是從防排水措施失效開始的,從19世紀國內外學者開始防排水技術研究到20世紀的防排水技術應用,逐漸形成了以排為主,防、截、堵相結合,因地制宜,綜合治理的防排水理念。目前,針對防水措施的研究眾多,如蔣新政[62]總結了隧道防水措施為圍巖注漿防水和隧道襯砌防水,并提出了相應的建議。總結相關研究可知,具體防水措施有圍巖注漿、襯砌防水、防水層防水和三縫防水等。

1)圍巖注漿

圍巖注漿是高海拔嚴寒地區隧道防水的關鍵措施,該措施主要是對隧道四周的圍巖進行注漿處理,而后在圍巖區形成止水圈,起到阻水和加固圍巖的作用。結合國內外大量實際工程可知,目前已有多種形式的注漿方式,如表4所示。

表4 注漿方式及適用性[63]

由于高海拔嚴寒地區地質條件的復雜性,在對注漿方式、深度、時間和材料的選擇上需結合隧道的地質勘察報告得出的最優方案,并進行多方案比選和優化。

2)襯砌防水

提高混凝土抗滲等級使得襯砌防水能力增強,在寒冷地區混凝土的抗滲等級不能低于S8,在高海拔嚴寒地區該抗滲等級應該有所提高,施工時混凝土厚度應該增加。在襯砌抗滲混凝土中加入外加劑(如HEA、AEA等)提高混凝土的密實度,增強防水性能。為克服高海拔嚴寒地區的惡劣環境,需對混凝土抗低溫、抗開裂、抗腐蝕等特性進行深入研究。

3)防水層防水

在初期支護和二次襯砌之間增加防水板、防水卷材、土工布墊層等材料,將圍巖水隔絕在二次襯砌之外,最常見的做法是鋪設防水板+土工布作為防水隔離層。在鋪設時,應該按照嚴格的施工工藝來進行防水層鋪設。目前國內常見的防水層鋪設方式及適用性如表5所示。

表5 常見的防水層鋪設方式及適用性[63-64]

隨著隧道施工工藝的發展,傳統的鋪設方式存在施工復雜且困難、防水層容易損壞等問題,在此狀況下,隧道科研工作者提出了防水性好、施工簡單、費用低的新型鋪設方式。尤其是在高海拔嚴寒地區,隧道施工難度大,對防水層鋪設方式提出了更高的要求。新型防水層鋪設方式及適用性如表6所示。

表6 新型防水層鋪設方式及適用性[65]

4)三縫防水

三縫指的是施工縫、變形縫和沉降縫。相比于以上常見的防水措施,三縫防水極容易被忽略,一直是隧道產生滲漏水進而形成凍害的重要原因。究其本質是滲漏水縫隙施工技術存在不足,傳統的防治滲漏水措施為設置止水帶,存在不易安裝、易變形等缺點。為此,呂康成等[66-67]提出了梯形背貼式止水帶和中埋式蝶形式止水帶,但接縫兩側混凝土錯位時,仍然會發生滲漏水。在此基礎上,鄧成鋒等[68]提出了背貼充氣式止水帶和分貼充氣式止水帶,彌補了上述止水方法的不足。高海拔嚴寒地區隧道長期處于-8 ℃以下的低溫條件,其止水帶的抗凍性仍有待進一步研究。

4.2.1.2 排水措施

目前國內高海拔嚴寒地區隧道排水措施主要包括保溫水溝、中心深埋水溝和防寒泄水洞等,近年來已有大量的學者對其進行了研究。本文結合表1中的實際工程,對常見的高海拔嚴寒地區隧道排水措施進行總結。

1)保溫水溝

在高海拔嚴寒地區使用的保溫水溝為側式保溫水溝和中心保溫水溝,雙線隧道采用側式保溫水溝和中心保溫水溝(如圖2所示),單線隧道采用側式保溫水溝(如圖3所示)。《多年凍土區公路隧道技術規范》指出保溫水溝適用于氣溫在-10～-15 ℃、黏性土最大凍結深度在1.0～1.5 m的寒冷地區,并給出了保溫水溝的設防長度,如表7所示。

圖2 雙線隧道采用側式保溫水溝和中心保溫水溝

圖3 單線隧道采用側式保溫水溝

表7 保溫水溝設防長度

側式保溫水溝分為單側保溫水溝和雙側保溫水溝,結合《公路隧道設計細則》[69]可知,最冷月平均氣溫為-5～-15 ℃時,建議采用雙側保溫水溝。王志杰等[70]對中心保溫水溝的最低溫度進行了研究,提出當最冷月平均氣溫為-10～-20 ℃時,建議采用中心保溫水溝。《多年凍土區公路隧道技術規范》中只給出了氣溫在-10～-15 ℃的保溫水溝設防長度,不在此溫度范圍內則應該綜合隧道長度、氣溫、風向、坡度等因素來確定設防長度。

綜上,對高海拔嚴寒地區隧道提出以下建議:①當最冷月平均氣溫為-5～-10 ℃時,可采用雙側保溫水溝; ②當最冷月平均氣溫為-10～-15 ℃時,可采用雙側保溫水溝或者中心保溫水溝; ③當最冷月平均氣溫為-15～-20 ℃時,可采用中心保溫水溝。

2)中心深埋水溝

相比于保溫水溝,中心深埋水溝將水溝置于凍結線以下,利用地溫使得水溝內的水不凍結,如圖4所示。由《公路隧道設計規范》[71]結合寒區隧道工程經驗可知,中心深埋水溝適用于最冷月平均氣溫為-15～-25 ℃、黏性土最大凍結深度為1.5～2.5 m的寒冷地區。王志杰等[70]對不同溫度下中心深埋水溝進行了研究,認為中心深埋水溝的適用溫度為-15～-25 ℃,驗證了規范設計溫度。

圖4 中心深埋水溝

中心深埋水溝的設置深度影響著保溫效果,可采用式(1)進行埋置深度計算[72]。

(1)

式中:hx為距洞口x處隧道內水溝最小埋深,m;h0為隧址區最大凍結深度,m;Dx為距洞口x處隧道內水溝最小埋深,℃;T為隧址區最冷月平均氣溫,℃;k為與隧道圍巖巖性相關的凍結深度系數,黏性土取為1.0,砂性土取為1.1～1.3,巖石取為1.3～2.0。

在此基礎上,王兆瑞等[73]結合凍結深度計算原理,提出了中心深埋水溝埋置深度公式,而高海拔地區具有光照強的特點,于是陳霄漢[74]引入隧道洞口太陽輻射指標,并基于已建嚴寒地區隧道中心深埋水溝設置長度,提出了中心深埋水溝的擬合長度計算公式。

綜上,在選取式(1)進行中心深埋水溝埋深計算時,還要考慮地下水、隧道長度、氣溫、風速等因素的影響。如果條件允許,可以把3種計算結果進行對比,并選取最優結果。未來,可結合上述因素對不同溫度段內中心深埋水溝埋置深度做進一步研究。

3)防寒泄水洞

如果前文2種排水措施不能滿足使用條件時,可采用防寒泄水洞排水,如圖5所示。由《公路隧道設計規范》[71]可知,防寒泄水洞適用于最冷月平均氣溫<-25 ℃、黏性土最大凍結深度大于2.5 m的寒冷地區。結合隧道洞口條件以及溫度場變化規律,計算防寒泄水洞深度以及長度,并按要求設置在洞口下方。為了預防防寒泄水洞結冰,還需設置泄水口、檢查井、保溫出水口等排水措施[75]。

圖5 防寒泄水洞

綜上,在高海拔嚴寒地區直接將地下水以及裂隙水引入泄水洞中,而不通過其他排水系統,其排水與保溫效果良好,但建造防寒排水洞具有耗資大、工序復雜、工程量大等缺點。在設計前期就需要對該地區的地質條件、氣候條件等進行分析,確定是否需要建造防寒泄水洞。未來,可就優化防寒泄水洞設計、施工方法等進行研究。

除了上述常見的排水措施外,近年來國內學者還對排水管、盲溝、防寒泄水孔等其他排水措施進行了研究,如Zhao等[76]利用有限元軟件進行分析,提出了防寒泄水孔,并從位移變化規律、應力變化規律、塑性變化規律3個方面得出了泄水孔的最佳有效埋深。在對隧道進行排水設計時,合理地設置縱向排水管、橫向排水管、盲溝、防寒泄水孔等排水措施,形成完整的排水體系,當洞內存在積水時,能快速地通過排水系統排出。

目前,傳統的防排水措施已不能有效的預防凍害,有學者開始研究防水、排水、保溫相結合的綜合治理措施,提出了以“防水、排水、堵水、截水”為主,并輔以保溫、供熱的綜合處治技術。在高海拔嚴寒地區,最冷月氣溫在-25 ℃以下時,排水系統極易被凍結,對于不同溫度段內設置不同的排水措施,不同溫度段內防水措施材料的抗低溫、抗開裂、抗腐蝕等特性仍有待進一步研究。

4.2.2 保溫防寒措施

4.2.2.1 主動保溫措施

1)電伴熱法、地源熱泵法

目前,國內比較常見的主動保溫措施有電伴熱法、地源熱泵法。在電伴熱法方面,如果只設置保溫層,會出現保溫層材料不能隨著外界氣溫變化而變化的情況,在嚴寒條件下極容易失效,具有一定的溫度適用范圍。于是,有學者提出了保溫層+電加熱法的主動保溫措施,如陶琦[77]通過現場溫度實測和數值模擬,分析了保溫層的長度、厚度及適應范圍,提出寒區隧道電熱膜加熱保溫系統。

雖然近幾年眾多學者對電加熱法進行了優化,但高海拔嚴寒地區長時間的低溫條件使得電能消耗巨大,于是地熱能作為一種清潔能源被應用到隧道保溫中并逐漸形成了地源熱泵技術。在地源熱泵法方面,張國柱等[78]開展了寒區隧道地源熱泵供熱系統試驗,并對隧道襯砌和溫度場進行研究,得出熱交換管間距越小,圍巖溫度場的影響范圍越大,溫度增量也越大的結論。

相比于傳統的地源熱泵法,有學者提出把太陽能與地源熱泵法相結合的方法,如張甫仁等[79]為減輕高寒地區隧道凍害問題,提出了太陽能-地源熱泵聯合運行系統。隨著地源熱泵技術的進步,基于淺層地熱能的能源隧道保溫措施被提出,如熊澤琛等[80]利用有限元分析對基于淺層地熱能的隧道洞口排水溝保溫防凍進行研究,認為在一定條件下,能源隧道可用于隧道洞口段排水溝保溫防凍。

2)空氣幕保溫法

相比于前文常見的2種措施,隧道空氣幕保溫防寒措施是一種新興保溫技術,但把空氣幕技術與隧道保溫相結合的研究較少。總結國內研究可知,隧道空氣幕保溫技術主要通過采用疊加原理、分離變量法、熱平衡原理、貝塞爾特征函數等方法構建隧道空氣幕控制方程,并結合溫度場變化規律研究空氣幕保溫系統的可行性。國內學者從2方面提出了新型空氣幕保溫系統:一方面是自然風速、外界溫度、圍巖溫度等因素,另一方面是列車速度與列車運行間隔時長的關系。高焱[81]考慮到當最冷月平均氣溫低于-15 ℃、圍巖溫度低于5 ℃時,保溫層需與主動保溫措施相結合,提出了一種新型、節能的寒區高速鐵路隧道熱幕保溫系統。王仁遠等[40]利用有限元軟件模擬有無列車時的溫度場變化規律,依托京張高鐵正盤臺隧道,研究了自然風速、外界溫度、圍巖溫度等因素與負溫區長度的關系,提出空氣幕的最優噴射角度為30°～40°。

目前,隧道空氣幕保溫技術仍在起步階段,但由于具有阻斷隧道內外空氣熱交換的特點,能用于凍害防治。據現有研究證實,可根據外界溫度變化調整空氣幕噴射參數、安裝數量等數據,比防寒保溫門更加靈活、安全。

綜上,在高海拔嚴寒地區,對于整座隧道來說,使用地源熱泵法是較好的選擇;在隧道局部處,使用電加熱法是較好的選擇;在隧道洞口處,使用空氣幕法是較好的選擇。由于電伴熱法消耗的能源過多,后期運營費用過于高昂,只能用于隧道局部的加熱。相較于電伴熱法而言,地源熱泵法更為節能環保,壽命更長,但地源熱泵初期建設成本過高,建設過程復雜。空氣幕保溫技術也需要一定的電能用于空氣幕系統的運轉。高海拔地區有充足的太陽能資源,現已有學者把地源熱泵法與太陽能相結合,未來可對電加熱法與太陽能的關系進行深入研究,以太陽能代替電能。對此,如何將清潔能源用于高海拔嚴寒地區隧道保溫防凍是未來的研究重點。

4.2.2.2 被動保溫措施

1)設置防寒保溫門、防雪棚及陽光棚

在高海拔嚴寒地區,無論隧道襯砌是否敷設保溫隔熱層,其圍巖均會形成凍結圈或發生凍融循環,相應的襯砌表面應力會超過混凝土的強度,若設置防寒保溫門,則能夠有效地控制凍害。宋鶴[82]在后安山隧道洞口設置了保溫防寒門,并對隧道內外進行了5個月的氣溫監測,結果驗證了防寒保溫門具有良好的保溫效果。近年來,只有少數學者針對防雪棚及陽光棚進行了研究,如孫克國等[83]采用數值模擬的方法提出新型陽光棚防寒措施,論證其作用效果,并給出了陽光棚的使用建議:低風速、大長度、小跨度。

綜上,防寒保溫門保溫效果良好,但由于受到車流量的影響,并不適用于交通量大的地區,而防雪棚、陽光棚則不受車流量的影響,且具有良好的保溫效果。隨著西部大開發戰略的持續推進,西北及青藏高原等高海拔嚴寒地區的車流量也逐漸增加,傳統的保溫門已不再適用,新型防雪棚及陽光棚已逐漸取代防寒保溫門成為隧道洞口段保溫措施。未來,可著重研究空氣幕系統與保溫門控制系統的關系,開發一種新型的防寒保溫門系統。

2)敷設保溫隔熱層

在對保溫層不同敷設方式形成的保溫效果的探討中,王雪來[84]提出了一種新型的離壁式波紋鋼板保溫套襯,并驗證了新型套襯的保溫效果。少數學者提出離壁式敷設方式并對其進行分析,但是并未與其他敷設方式進行對比。在選用敷設方式時,需對各種保溫層敷設方式進行對比分析,結合其優缺點,針對不同隧道采用合適的敷設方式。白赟等[85]利用有限元軟件分析了外貼式及中隔式敷設方式的保溫效果,認為在非凍土地層外貼式保溫效果較佳;在多年凍土地層中隔式保溫效果較佳。總結國內外研究成果可知,目前常見的隧道保溫隔熱層敷設方式可以分為表面敷設、夾層敷設、離壁敷設、雙層敷設。保溫層不同敷設方式示意如圖6所示,各敷設方式的特點如表8所示。

(a) 表面敷設

表8 保溫層不同敷設方式的特點

綜上,高海拔嚴寒地區隧道處于季凍區以及多年凍土區,具有海拔高、氣溫低等特點,由第2節可知隧道在水和低溫作用下會產生凍融圈,繼而產生凍脹力,夾層敷設、雙層敷設能很好地減小凍融圈范圍,減小凍脹力對襯砌結構的不利影響,但保溫隔熱材料遇水后及受擠壓后保溫效果降低且損壞后不易更換,而離壁敷設對初期支護的耐久性有較高的要求,表面敷設具有方便撤換、更新、維護等優點。因此,多數學者認為多年凍土區應優先采用雙層敷設方式。綜合防凍效果,對高海拔嚴寒地區隧道提出以下建議:①在多年凍土區建議采用雙層敷設方式; ②在季凍區建議采用表面敷設方式。目前,隧道洞口段保溫層敷設常采用同一材料、同一厚度,由于高海拔嚴寒地區地質、氣候條件的復雜性,則應根據不同的凍害情況分段對隧道保溫層進行厚度和材料比選。

4.2.3 抗凍措施

高海拔嚴寒地區地質條件復雜,常存在軟弱圍巖、破碎圍巖、斷裂帶等不良地質,為此,學者們常采用圍巖注漿和襯砌抗凍措施。在圍巖注漿方面,學者們常采用表4中的圍巖注漿方式對圍巖進行加固,如岳洪武等[86]采用數值模擬的方法對管棚預注漿超前支護和管棚注漿的加固效果進行分析,認為該注漿方法能有效地控制沉降和應力集中現象,加固效果明顯。在襯砌抗凍措施方面,學者們常設計復合式襯砌、應用高性能混凝土及鋼筋混凝土、設置伸縮縫,如夏才初等[87]提出不同凍土段襯砌結構設計思路及抗凍措施,并將理論應用于白茫雪山1號隧道,優化了保溫層敷設長度,提高了隧道結構的穩定性。

綜上,在頻繁的凍融循環作用下,隧道洞口段往往受凍害影響更加嚴重,國內學者常通過對破碎圍巖加固、設計復合式襯砌結構、應用高性能混凝土、設置伸縮縫來提高結構的抗凍能力。對于公路隧道常采用保溫隔熱層,而對于鐵路隧道則更多采用結構抗凍措施。對于不良地質發育良好的高海拔嚴寒地區隧道,圍巖注漿方案優選,襯砌設置形式,混凝土抗凍性,考慮海拔、高山風等因素控制混凝土裂縫等仍有待進一步研究。

5 結論與展望

5.1 結論

1)通過整理高海拔嚴寒地區隧道凍害相關實例,對凍害類型及凍害原因進行分析,確定高海拔嚴寒地區隧道凍害特征通常表現為以下4種形式:①對于隧道進出口兩端有高差的隧道,短、中隧道低洞口端排水系統冰塞和洞門墻凍脹開裂嚴重;長、特長隧道低洞口端排水系統冰塞嚴重,高洞口端洞門墻凍脹開裂嚴重。②季凍區隧道常表現為洞口段頻繁凍融循環引起的排水系統堵塞(如排水溝、出水口凍結)、襯砌病害(如開裂、變形、剝落、漏水、掛冰)、保溫防凍材料失效、道床冒水結冰。③多年凍土區隧道常表現為洞口處冬季積雪,夏季熱融坍塌。④復雜氣候、地質條件(如極端低溫、斷裂帶)綜合作用下施工或運營期隧道冰害。凍害原因有以下4種:①長時間極端低溫; ②凍脹力以及溫度應力對襯砌的作用; ③高山風影響; ④隧道設計施工不完善(如襯砌后空洞、防排水系統不完善)。

2)目前常用的仍是單一凍脹理論,現階段主要是將含水風化層凍脹理論和整體性凍脹理論進行聯合分析,多理論聯合分析仍在探索階段。在凍害機制研究方面還存在以下不足:①對于含水風化層凍脹理論,雖將風化層和擾動層結合,但仍存在擾動層彈性抗力系數取值困難的問題; ②對于整體性圍巖凍脹理論,其凍結圍巖含水率和凍脹力之間的量化關系仍存在爭議; ③對于襯砌背后積水凍脹理論,目前常將襯砌后面的空洞形成的凍脹力看做整體,忽視了空洞周邊裂隙水的影響; ④對于裂隙水凍脹理論,目前常建立在單一類型的巖體上,未統一提出表征凍脹特性的凍脹模型,還需對多裂縫或不同種類裂縫下的凍脹特性做進一步研究。

3)目前在4種溫度場的研究方法中,現場實測常考慮多種因素的影響,而模型試驗常考慮單因素的影響,理論分析和數值模擬則從二維和三維等角度進行分析。在溫度場研究方面還存在以下不足:①對于現場監測,由于高海拔嚴寒地區惡劣的氣候、地質條件,需延長溫度監測周期; ②對于理論分析,目前針對多場耦合理論分析的研究還未形成系統,特別是在受高山風影響較大的高海拔地區,風流場和溫度場耦合分析的研究較少; ③對于模型試驗,目前常考慮單一變量下研究對溫度場的影響,而多變量下研究對溫度場的影響較少; ④對于數值模擬,雖然對實際工程進行還原,但在參數優化及取值、施工步劃分上仍需結合實際工程做進一步研究。

4)目前高海拔嚴寒地區隧道凍害處置措施有防排水措施、保溫防寒措施、抗凍措施等3類。防排水措施分為防水措施和排水措施,防水措施有注漿防水、襯砌防水、防水層防水、三縫防水等,排水措施有保溫水溝、中心深埋水溝、防寒泄水洞等。保溫防寒措施分為主動保溫措施和被動保溫措施2類,主動保溫措施有電伴熱法、地源熱泵法、空氣幕保溫法等,被動保溫措施有設置防寒保溫門、防雪棚、陽光棚及敷設保溫隔熱層。抗凍措施有圍巖注漿、襯砌抗凍。在高海拔嚴寒地區常將防排水、保溫、抗凍措施相結合,進行綜合防治。在處置措施方面還存在以下不足:①對于防水措施,對不同地質段進行分段防水是十分有必要的,復雜的地質條件使得注漿方案、防水層鋪設方式還需進一步研究,同時,還應注重新材料的研發,長期的極端低溫使得對防水材料的抗凍性、抗滲性等提出了新的要求。②對于排水措施,目前多依據規范來設置處置措施,但仍需考慮隧道長度、氣溫、風向、坡度等因素,結合長期溫度監測數據,對于不同溫度段內設置不同的排水措施。③對于主動保溫措施,目前使用較多的仍然是電伴熱法,高海拔嚴寒地區具有強風、強光等明顯的地域特色,清潔能源的使用率仍較小。④對于被動保溫措施,目前洞口段保溫層敷設常采用同一材料、同一厚度,應根據不同的凍害情況分段對隧道保溫層厚度、材料、設置方式進行比選。防寒保溫門的設置雖受到車流量的影響,但仍是良好的保溫措施,空氣幕系統與保溫門控制系統的關系仍不明確。⑤對于抗凍措施,特別是在洞口段,公路隧道常采用保溫隔熱層等防凍保溫措施,鐵路隧道則采用結構抗凍措施。對于不良地質發育良好的高海拔嚴寒地區,材料的保溫性及抗凍性仍有待進一步研究。

5.2 展望

1)通過對實際工程進行統計可知,高海拔嚴寒地區隧道位于季凍區和多年凍土區,目前對于高海拔嚴寒地區的分區并沒有明確的標準,需要結合該地區的地質條件和氣候條件等做進一步研究。

2)在凍害機制研究方面,現階段雖對多理論進行聯合分析,但仍在起步階段。因此,未來可以建立多年凍土區以整體性圍巖凍脹理論為主、季凍區以裂隙水凍脹理論為主的多理論聯合分析體系。

3)在溫度場研究方面,高海拔嚴寒地區復雜多變的地域特點,促使未來溫度場研究應向多圍巖類型、多因素、多場耦合方向轉變和延伸。

4)在處置措施研究方面,防排水措施、防凍保溫措施、抗凍措施的綜合應用仍是未來凍害防治的研究方向。為此,對極端嚴寒條件下高海拔地區風能、太陽能等清潔能源的開發,保溫層敷設長度及厚度確定,空氣幕系統與保溫門控制系統的關系,圍巖注漿方案優選,襯砌設置形式,考慮海拔及高山風等因素控制混凝土裂縫,公路隧道材料保溫性能及鐵路隧道材料抗凍性能等仍是未來的研究重點。