李 靖，李鴻博

(1.武昌理工學(xué)院 城市建設(shè)學(xué)院， 湖北 武漢 430223；2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖北 武漢 430052)

青海省道西久公路拉脊山隧道為雙向四車(chē)道隧道，設(shè)計(jì)速度80 km/h，隧道總長(zhǎng)5530 m。隧道區(qū)極端最高溫28.7℃，極端最低溫-37℃，隧道進(jìn)口最大凍土深度為1.60 m，如此高海拔的特長(zhǎng)公路隧道在我國(guó)尚不多見(jiàn)。

在嚴(yán)寒地區(qū)凍融環(huán)境下由于溫度變化會(huì)導(dǎo)致隧道襯砌背后排水系統(tǒng)凍結(jié)，發(fā)生隧道圍巖、襯砌結(jié)構(gòu)脹裂等凍害現(xiàn)象。設(shè)計(jì)時(shí)如果沒(méi)有充分考慮凍融環(huán)境對(duì)隧道排水系統(tǒng)及襯砌結(jié)構(gòu)的不利影響，在隧道建成后可能發(fā)生嚴(yán)重后果，甚至導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)體系癱瘓。因此在隧道設(shè)計(jì)過(guò)程中防寒保溫措施的設(shè)計(jì)尤為重要[1]。

1 凍融處理措施

嚴(yán)寒地區(qū)凍融環(huán)境下的隧道防寒保溫設(shè)計(jì)主要從抗凍和防凍兩方面采取相關(guān)措施。抗凍設(shè)計(jì)通過(guò)加強(qiáng)隧道襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來(lái)抵抗凍脹力，主要有提高混凝土標(biāo)號(hào)、增加二次襯砌厚度并采用鋼筋混凝土等措施。防凍設(shè)計(jì)主要是以預(yù)防為主，采取一定的措施保護(hù)隧道襯砌結(jié)構(gòu)及排水系統(tǒng)，使得隧道排水系統(tǒng)在低溫環(huán)境下不發(fā)生凍結(jié)，從而降低隧道發(fā)生凍害的可能性。

目前世界上使用的隧道防凍措施主要有：在洞口設(shè)置防寒保溫門(mén)，防止隧道外冷空氣進(jìn)入隧道內(nèi)；在隧道內(nèi)鋪設(shè)保溫材料法(可設(shè)置在二次襯砌外表面和內(nèi)表面)；通過(guò)一定裝置給排水系統(tǒng)供熱防止排水系統(tǒng)凍結(jié)等[2]。其中最常見(jiàn)和有效的方法是在隧道內(nèi)鋪設(shè)保溫材料。

2 隧道凍融圈影響因素?cái)?shù)值分析

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)工程概況，本次計(jì)算選取隧道出口段典型斷面為研究對(duì)象，該地段圍巖為第四系碎石土，含少量地下水。隧道初期支護(hù)厚度為25 cm，二次襯砌采用鋼筋混凝土，厚度考慮為45 cm，隧道除仰拱外，均在二次襯砌表面設(shè)置保溫層。計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型橫斷面示意圖

取對(duì)稱(chēng)半斷面進(jìn)行分析，其中隧道內(nèi)表面(BCD)及模型上表面(AG)與大氣環(huán)境相通。材料物理參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要計(jì)算物理參數(shù)取值

為便于研究[3～7]，分析過(guò)程中作如下簡(jiǎn)化假定： (1) 巖體為飽和狀態(tài)，為均質(zhì)、各向同性孔隙介質(zhì)；(2) 巖體中的孔隙率(裂隙率)保持不變，整個(gè)過(guò)程中不考慮巖體中水分的流失，只考慮水變?yōu)楸霓D(zhuǎn)換。

低溫巖(土)體凍融區(qū)滿(mǎn)足熱傳導(dǎo)問(wèn)題的微分方程和Darcy滲透方程。利用含相變低溫巖體水熱耦合模型對(duì)隧道周?chē)鷰r體凍融進(jìn)行分析[8]。

2.2 計(jì)算分析

2.2.1隧道周?chē)鷾囟葓?chǎng)分布規(guī)律

選取幾個(gè)典型的點(diǎn)加以分析說(shuō)明，即：隧道保溫層外表面溫度(A點(diǎn))、保溫層與襯砌接觸層溫度(B點(diǎn))和襯砌與圍巖接觸點(diǎn)溫度(C點(diǎn))。隧道在環(huán)境溫度變化過(guò)程中溫度分布規(guī)律如圖2所示。在極端最高溫28.7℃，極端最低溫-37℃的條件下，經(jīng)過(guò)5 cm厚的保溫層后，B點(diǎn)的溫度的變化范圍從環(huán)境溫度28.7℃～-37℃(A點(diǎn)代表環(huán)境溫度)變化到了10℃～-10℃左右，變化范圍明顯減小，說(shuō)明保溫層很好地發(fā)揮了其隔熱保溫效果。

圖2 斷面Ⅰ典型點(diǎn)溫度變化

2.2.2不同保溫材料的凍融圈變化規(guī)律

保溫層對(duì)減小凍融圈的影響有非常明顯的作用。下面從保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)的差異性來(lái)分析其對(duì)隧道凍融區(qū)的影響?？紤]到目前隧道內(nèi)用的保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)一般為0.025～0.03之間(見(jiàn)表2所示)，我們選取三個(gè)典型的導(dǎo)熱系數(shù)值作趨勢(shì)分析，它們分別是0.025 、0.027和0.03。

表2 寒區(qū)隧道主要保溫材料

分別取三個(gè)不同的導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，隧道不同部位的凍深如圖3所示。

圖3 保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)與凍深的關(guān)系

從圖中可以看到，拱頂和拱腰兩個(gè)位置反映的保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)與凍深的關(guān)系規(guī)律相當(dāng)一致：隨著保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的增加，凍深也呈線(xiàn)性增加，保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)每增加0.001，凍深就相應(yīng)增加約12%。

2.2.3不同保溫層厚度對(duì)凍融圈變化規(guī)律

保溫材料的保溫效果不僅受到保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響，保溫層厚度的大小也直接影響保溫效果。圖4為分別選擇三種不同的保溫層厚度(5 cm、7 cm和10 cm)所得到的凍融情況的結(jié)果。

圖4 保溫層厚度與凍深的關(guān)系

可以看到，拱頂和拱腰兩個(gè)位置反映的保溫材料厚度與凍深的關(guān)系規(guī)律也基本一致：隨著保溫材料厚度的增加，凍深也呈線(xiàn)性減少，保溫層厚度每增加1 cm，凍深就相應(yīng)的減少約10%。

2.2.4不同圍巖孔隙度對(duì)凍融圈變化規(guī)律

圍巖的孔隙度會(huì)影響到巖體的導(dǎo)熱系數(shù)等一系列熱力學(xué)和滲流力學(xué)參數(shù)，所以，研究圍巖凍融圈的大小有必要把圍巖的孔隙度考慮進(jìn)來(lái)。圖5為分別選擇三個(gè)不同的圍巖孔隙度(0.12、0.24和0.38)所得到的凍融情況的結(jié)果。

圖5 圍巖孔隙度與凍深的關(guān)系

可以看到，三個(gè)位置反映的圍巖孔隙度與凍深的關(guān)系規(guī)大致為：圍巖孔隙度越小，即越密實(shí)，凍深范圍越大。

2.3 結(jié)論分析

(1)對(duì)于明顯會(huì)產(chǎn)生凍害的高寒地區(qū)隧道，僅僅采用抗凍措施是不夠的，必須采取防凍和抗凍相結(jié)合的綜合措施。防凍措施中設(shè)置保溫層的作用效果明顯，即使在隧道表面只敷設(shè)很薄的隔熱保溫層，隧道的凍融圈就會(huì)大大減小。

(2)對(duì)于較長(zhǎng)的寒區(qū)隧道，隧道洞口一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)，由于外界冷空氣的影響，最容易引發(fā)凍害。因此主要需在隧道洞口段采取一定的保溫措施。

(3)保溫材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)大小對(duì)其保溫效果有很大的影響。隨著保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的增加，凍深也呈線(xiàn)性增加。

(4)保溫材料的厚度選擇應(yīng)根據(jù)各隧道的具體環(huán)境確定。對(duì)于本隧道而言，當(dāng)保溫層厚度達(dá)到10 cm時(shí)，圍巖的凍融區(qū)域已經(jīng)很小了。

(5)單從熱傳導(dǎo)的角度考慮，應(yīng)用注漿法來(lái)防凍，是與初衷背道而馳的。雖然注漿法能有效消除或減少襯砌背后的局部存水，但是該方案影響到巖體的導(dǎo)熱系數(shù)等一系列熱力學(xué)和滲流力學(xué)參數(shù)，因此應(yīng)慎用。

(6)在高海拔地區(qū)修建隧道，即使鋪設(shè)保溫層避免圍巖的凍融，但襯砌卻不可避免的處于凍融狀態(tài)，因此混凝土的抗凍性及凍融耐久性至關(guān)重要。

3 隧道防寒保溫設(shè)計(jì)

由于嚴(yán)寒氣候會(huì)導(dǎo)致隧道襯砌背后的排水管、中心排水溝、檢查井凍結(jié)，使隧道圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)脹裂，并出現(xiàn)路面結(jié)冰等凍害，因此必須采取相應(yīng)的防寒保溫措施。依據(jù)該原則同時(shí)結(jié)合隧址氣溫資料，可通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式初步測(cè)算保溫長(zhǎng)度，同時(shí)參考類(lèi)似工程項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)，待隧道初步貫通后還可根據(jù)實(shí)際測(cè)量溫度資料進(jìn)行調(diào)整[9]。

在設(shè)計(jì)中隧道防、排水應(yīng)遵循“以排為主，防、排、截、堵相結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則，使隧道洞內(nèi)外形成完整暢通的防排水系統(tǒng)，避免襯砌滴水、路面滲水、洞內(nèi)結(jié)冰、圍巖凍脹等病害，保證隧道建成后達(dá)到洞內(nèi)基本干燥，結(jié)構(gòu)和設(shè)備正常使用及行車(chē)安全的要求。

3.1 隧道抗凍措施

(1)設(shè)計(jì)將隧道按照離洞口的距離遠(yuǎn)近劃分為三個(gè)區(qū)域，分別采用C45、C35、C25防水混凝土，在離洞口較近的區(qū)域提高混凝土的標(biāo)號(hào)，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，確保隧道結(jié)構(gòu)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的安全性。

(2)隧道洞口保溫設(shè)計(jì)范圍內(nèi)每隔20 m設(shè)置一道沉降縫，且沉降縫及施工縫沿襯砌全環(huán)設(shè)置，防止襯砌由于溫度應(yīng)力引起開(kāi)裂。

3.2 隧道防凍措施

3.2.1防排水措施

(1)隧道保溫設(shè)計(jì)范圍內(nèi)在襯砌仰拱下設(shè)置中心排水溝，保證中心水溝埋置深度在最大凍土深度以下，深埋中心水溝與正常中心水溝通過(guò)保溫型檢查井連接。

圖6 加強(qiáng)環(huán)向排水帶示意圖

(3)隧道保溫設(shè)計(jì)范圍內(nèi)對(duì)墻腳處環(huán)向排水管、縱向排水管、橫向排水管的接頭處采用土工布包裹，防止泥沙堵管，避免襯砌環(huán)向排水管、縱向排水管、橫向排水管的冰凍堵水，使隧道排水系統(tǒng)陷入癱瘓，危害洞身圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)。

(4)隧道保溫設(shè)計(jì)范圍內(nèi)隧道中心排水溝間距每250 m設(shè)一處中心檢查井，井口用混凝土封閉，井內(nèi)設(shè)保溫隔層，保證中心檢查井的正常使用；在隧道中心水溝的進(jìn)出口處設(shè)掩埋式保溫出水口，保證隧道排水系統(tǒng)的通暢。

3.2.2保溫層

在隧道保溫設(shè)計(jì)范圍設(shè)置隧道防寒保溫層，采用保溫材料在二次襯砌表面全斷面鋪設(shè)，保溫材料選用聚酚醛材料，厚度10 cm。主要材料技術(shù)參數(shù)如表3。

表3 保溫材料主要技術(shù)參數(shù)

4 結(jié) 論

(1)對(duì)于明顯會(huì)產(chǎn)生凍害的高寒地區(qū)隧道，需要采取抗凍和防凍相結(jié)合的防寒保溫措施。采用防寒保溫設(shè)計(jì)的長(zhǎng)度可根據(jù)計(jì)算和參考類(lèi)似工程確定，待隧道初步貫通后還可根據(jù)實(shí)際測(cè)量溫度資料進(jìn)行調(diào)整，本隧道對(duì)隧道洞口500 m范圍內(nèi)進(jìn)行防寒保溫設(shè)計(jì)。

(2)隧道抗凍措施可采取提高混凝土標(biāo)號(hào)和采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)襯砌應(yīng)全環(huán)設(shè)置沉降縫。

(3)隧道防寒保溫段應(yīng)做好防排水設(shè)計(jì)，保證隧道排水系統(tǒng)通暢。如采用深埋水溝，加強(qiáng)排水能力、防止隧道襯砌出現(xiàn)滲漏等。

(4)隧道內(nèi)設(shè)置保溫層的作用效果明顯，能有效控制隧道的凍融圈的范圍。保溫材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)大小和材料厚度直接影響保溫效果。

[1] 吳紫汪，賴(lài)遠(yuǎn)明，藏恩穆，等.寒區(qū)隧道工程[M].北京：海洋出版社， 2003.

[2] 黃雙林.青藏鐵路風(fēng)火山隧道設(shè)計(jì)難點(diǎn)探討[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2008，119(8)：45-49.

[3] Yamabe T， Neaupane K M. Determination of some thermo-mechanical properties of Sirahama sandstone under subzero tem-perature condition[J]．International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2001，38(7)：1029-1034.

[4] 賴(lài)遠(yuǎn)明.寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合問(wèn)題的非線(xiàn)性分析[D].北京：中國(guó)科學(xué)院，1999.

[5] 張學(xué)富，賴(lài)遠(yuǎn)明，楊風(fēng)才，等. 寒區(qū)隧道圍巖凍融影響數(shù)值分析[J]. 鐵道學(xué)報(bào)，2002，24(4)：92-96.

[6] 張全勝，楊更社，王連花，等.凍融條件下軟巖隧道凍脹力計(jì)算分析[J]. 西安科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，23(1)：1-5.

[7] 張慧梅，楊更社，劉 慧，等.凍融環(huán)境下巖體隧道水熱耦合模型及數(shù)值分析 [J]. 西安科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，29(3)：305-309.

[8] 譚賢君，陳衛(wèi)忠，賈善坡，等. 含相變低溫巖體水熱耦合模型研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(7)：1455-1461.

[9] JTG D70-2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].