劉 賡,郭倬宇

(1.中鐵建大橋工程局集團第一工程有限公司 大連市 116033;2.西安建筑科技大學土木工程學院 西安市 710055;3. 陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室 西安市 710055)

0 引言

我國常年凍土面積占總國土面積的20%,季節(jié)性凍土面積達5.14×106km2,占我國全部陸地國土面積的53%[1]。近年來,隨著我國交通網的不斷擴大,在環(huán)境嚴峻的凍土地區(qū)修建的隧道也在不斷增多,隧道中所產生的凍害問題也隨之增多。高海拔寒區(qū)的隧道在過去的建造經驗相對較少,且對于建設的技術條件和施工設備的要求上都要相對落后,所建成的大部分高海拔寒區(qū)隧道質量較普通隧道質量相比相對較低,因存在著襯砌結冰、隧道開裂漏水、隧道墻體剝落酥碎等問題,造成了隧道功能大大削弱與嚴重的安全隱患,養(yǎng)護工作也十分困難。因此,開展高海拔寒區(qū)隧道凍害機理和防治措施研究具有重要的工程實際意義和廣泛的應用前景[2]。目前高海拔寒區(qū)隧道溫度場研究也是新興巖土工程領域的焦點問題,研究人員需在探索寒區(qū)隧道溫度場變化規(guī)律的基礎上,提供完善的寒區(qū)隧道保溫措施并科學設立寒區(qū)隧道防保溫層厚度。

文章著眼于季節(jié)性寒區(qū)隧道工程,根據隧道相關研究報告和科研成果、查閱最新研究寒區(qū)隧道相關的文獻,科學地對比分析后明確目前在寒區(qū)隧道研究中存在的不足,考慮寒區(qū)隧道溫度等因素對襯砌承載能力和保溫抗凍措施的影響[3],有針對性的對于寒區(qū)隧道凍害防控提出科學合理的措施。

1 高海拔高寒隧道凍脹特性研究

1.1 國內高海拔高寒隧道凍脹效應研究

表1所示是我國部分已建成的高海拔寒區(qū)隧道。

表1 高海拔寒區(qū)隧道

針對以上的中國現(xiàn)有的高海拔寒區(qū)隧道工程發(fā)現(xiàn),寒區(qū)隧道施工中明晰具體的凍脹效應機理是建立凍脹模型的前提,凍脹的發(fā)生往往需要水分、溫度與約束條件等條件。結合先前研究所提出的有關寒區(qū)巖土體理論與現(xiàn)場的實測數據,部分學者認為溫度的大幅度周期性變化是導致隧道病害發(fā)生的主要原因,目前大多數學者通過對寒區(qū)隧道進行監(jiān)測,獲取其溫度變化特征曲線,并基于此開展對寒區(qū)隧道凍脹效應的研究;晏啟祥等[4]依托于鷓鴣山隧道,開發(fā)出相關的三維瞬態(tài)有限元程序,分析二次襯砌及周邊圍巖的溫度隨時間的變化規(guī)律。隨著研究深入,目前學者普遍認同由巖石孔隙或裂隙的水-冰相變造成,水分遷移與相變后的體積變化才是發(fā)生凍脹的主要原因,通過試驗與模擬發(fā)現(xiàn)了風化層中凍脹發(fā)生的普遍性規(guī)律,后續(xù)學者[5]結合已有規(guī)律并基于冰-水相變理論,將圍巖視為巖塊與裂隙組成的系統(tǒng),從圍巖介質的熱膨脹系數出發(fā),對圍巖存在含水夾冰裂隙的隧道展開模擬,并考慮凍結過程對巖體滲透系數的影響,研究低溫下THM耦合條件下的溫度場與應力場的分布規(guī)律。

目前對于凍脹效應的研究往往從溫度與水分這兩個基本條件入手,對所構建的數學模型進行考慮溫度等其他條件的簡單力學分析,并未結合實際隧道情況,如隧道周邊的復雜地質情況、施工中所設的保護結構與多變的氣候條件,同實際情況還有一定差距,還需進一步研究。

1.2 高海拔高寒隧道凍脹力計算方法研究

高海拔高寒隧道結構破壞的主要原因在于凍脹壓力,研究者基于先前凍脹效應的相關規(guī)律,對其進行理論推導與數值計算,提出了三類凍脹力計算模型,包括:局部存水凍脹模型、含水風化模型和整體凍脹模型。

目前整體凍脹模型使用最廣。如圖1所示,該模型目前使用最為廣泛,根據彈性黏彈性的原理,在圍巖的破碎圈中因為滲水等原因,隧道圍巖破碎部分充滿了孔隙水,這些水會因為低溫凍結發(fā)生膨脹,對襯砌產生了整體的凍脹力,且根據相應的理論公式,從而進一步可以求出在季節(jié)性凍土區(qū)內隧道襯砌受到的凍脹力和其自身應力。為通過進一步地分析,得到了一個關于隧道圍巖的更詳細的彈性解。張玉偉等[6]根據含水風化層層的模型上的理論優(yōu)點結合了整體凍脹模型考慮圍巖凍脹力的產生來源,得到了“凍融巖石破碎圈整體凍脹模型”,更具實際參考意義。FENG等[7]又在整體凍脹模型是把圍巖看作一個不變整體基礎上,將圍巖屬性進行劃分,設立了四個區(qū)域,包括:支護區(qū)、凍結塑性區(qū)、彈性凍結區(qū)和非彈性凍結區(qū),根據這四個更加詳細的圍巖區(qū)域化分,得到關于季節(jié)性隧道圍巖彈塑性計算模型。筆者認為整體凍脹模型沒有考慮到圍巖的力學性質會因季節(jié)變化導致的溫度變化造成的多次凍融循環(huán)而改變,故根據針對此應結合工程案例對整體凍脹模型加入了考慮凍融變化的因素。吳紫汪推導了典型凍脹力計算式[8],見式(1):

圖1 寒區(qū)隧道凍脹力典型模型

(1)

式中,n為圍巖空隙率;a為水-冰相變體積膨脹系數;E2為圍巖的彈性模量;u1、u2分別為襯砌與圍巖的泊松比,且該式已被《公路隧道設計細則》(JTG/T D70—2010)收錄。

通過整體凍脹模型,可以更精確的求解和研究襯砌承載能力,亦可針對不同的隧道設計出不同的抗凍設計方針。但對比實際監(jiān)測結果發(fā)現(xiàn),該模型還存在較大誤差,該模型大多是基于純力學的角度考慮,多為圓形斷面,這兩種假設跟現(xiàn)實情況相差較大,存在較大的研究空間。

2 針對寒區(qū)隧道采取的抗凍措施

基于學者對上述模型對高寒山區(qū)隧道凍脹力的求解,發(fā)現(xiàn)不均勻的凍脹力會對隧道產生較為嚴重的影響,若不設立寒區(qū)隧道的保溫層,隧道內會隨著季節(jié)流轉,隨著溫度的降低,圍巖會發(fā)生凍結現(xiàn)象,極大的影響到隧道安全。

目前面對凍害問題,主要采用的方式有兩種:主動式保溫和被動式保溫。主動式保溫是利用人工方法,在寒區(qū)的隧道圍巖上不斷補充熱量,當前一般根據實際的工程情況,采取三種主動保溫措施:運用新型能源、利用風和水流對圍巖加熱、利用太陽光的熱能。這些對于隧道供熱的方法起源于國外,前蘇聯(lián)大部分國土都被常年凍土覆蓋,西伯利亞大鐵路基本鋪設于凍土之中,前蘇聯(lián)的工程師和工人們?yōu)榱私o寒區(qū)的隧道保溫以防止隧道因低溫所帶來的安全隱患,利用了電力、地熱水和蒸汽等方式對隧道內部加溫供熱;挪威地處北歐,氣溫環(huán)境易給隧道造成的破壞,挪威工程師在寒區(qū)隧道的排水系統(tǒng)中增設了加熱器和加熱電纜。但傳統(tǒng)方法的耗能巨大產生了對能源浪費的情況,供熱的資源成本和人力成本也很高,并且效率低下,熱能大多被浪費、得不到充分利用。目前隧道抗凍保溫的措施更多采取對地熱能等諸多可持續(xù)利用循環(huán)的清潔能源作為熱源。

被動保溫則是采取阻擋熱交換為主,主要采取加設防寒門、設立保溫隔板來防凍害。這是類似于青藏鐵路的寒區(qū)隧道通常采用的方法,隧道處于常年的凍土區(qū)中,容易受到熱融影響,故一般通過這種方法來保護隧道不受凍害影響。青藏鐵路目前就采用在路基上架設管道,讓冷空氣進入隧道內,引入冷空氣平衡隧道內的溫度,成本低、效果良好,但隨著目前尾氣排放等諸多因素,造成隧道內溫度明顯上升,故該方式越來越少被實際工程所引用。設立防寒門來隔斷冷熱空氣的交換是目前最多采取的辦法。根據大阪山隧道設計,可發(fā)現(xiàn)出有無保溫門對于寒區(qū)隧道內部溫度變化的影響巨大。但設立保溫門的被動保溫法僅適用于鐵路隧道,公路隧道需要運營來來往往的車輛,車輛尾氣在內部造成的溫度上升且無法及時與外界交換的情況下會造成更嚴重的安全隱患問題,且無法及時疏散的尾氣對人身體影響會造成很多不良后果。

在風火山隧道、昆侖山隧道等典型寒區(qū)隧道中更多采用的是鋪設隔熱層的被動保溫方法,這種方法的核心是為增大結構的熱阻鋪設一層導熱系數低的材料,將該材料置于隧道洞口的襯砌段,鋪設這種隔熱材料也有兩種方式,一是在兩次襯砌的中間放置,另一種是直接鋪設在二次襯砌的混凝土表面上。TANAKA等[9]對能用于隧道保溫的材料展開了研究,研究的材料對象分別是對聚氨酯塑料還有三位多分子硅鏈。陳建勛[10]也根據大阪山寒區(qū)隧道實際的工程狀況,比對各種各樣的保溫材料,最后確立了最佳防凍融的隔溫材料。

就目前對于凍土地區(qū)的低質圍巖條件來看,如在寒區(qū)隧道施工時使用的施工方法不合適也會造成隧道發(fā)生凍害的危險。故選擇正確合適的施工方法、選擇合適的保溫材料也是影響隧道抗凍保溫的關鍵一環(huán)。在青藏鐵路風火山隧道施工中,設計人員明確了該工程在防凍上所需要做的工程重點,確定了相對穩(wěn)定的支護體系,選擇了合適的防水系統(tǒng)以來確保保溫系統(tǒng)的正常工作。針對高海拔的地震常發(fā)區(qū)域的隧道建設發(fā)現(xiàn)這種工程一般采取補強結構面以及對圍巖注漿以來增強隧道對于凍脹破壞的抵抗能力。對于一般發(fā)生破壞或者因氣溫突變等原因隧道發(fā)生凍脹破壞的情況一般采取補充襯砌所使用的鋼筋數量,以及提高混凝土的強度,避免產生裂縫;一般寒區(qū)隧道需選用專門的材料來保證隧道結構本身足以抵抗凍脹破壞,卻無法完全消除凍脹力所帶來的影響。據研究,表面凍脹力來自于圍巖,無法通過補救手段徹底消除,但可對圍巖進行注漿來有效緩解凍脹對寒區(qū)隧道的影響。

目前對于隧道抗凍害的防治措施主要集中于對新材料的研究,如根據泡沫混凝土的降解特性,對于聚丙烯粗纖維混凝土和泡沫混凝土性能開展研究,通過研究其耐久性與退化性能來衡量凍融作用下新型材料的適用性。后續(xù)學者應著眼于開發(fā)耐熱-冷效果好且導熱系數高的材料,并將其與隧道襯砌材料有效融合,便于施工,同時防止凍害發(fā)生。

3 結論

文章對寒區(qū)隧道凍脹效應已有研究進行分析,基于分析結果,發(fā)現(xiàn)溫度、水分等影響隧道凍結的因素尚未在關于凍脹力計算方法的研究中被直接考慮,并未建立直接函數方程表明其間的相關性;目前寒區(qū)隧道抗凍害的防治措施包括主動、被動保溫措施兩種,為優(yōu)化保溫效果,學者著眼于對保溫抗凍新材料的研究,旨在將開發(fā)有效的襯砌混凝土保溫結構或材料,以防治凍害發(fā)生。

根據目前科研成果來看,造成對寒區(qū)隧道襯砌發(fā)生凍脹破壞的根本原因尚未得到充分研究,一定程度上影響有限元處理隧道工況的精準程度。隨著科技的不斷進步,相信未來高海拔嚴寒地區(qū)的隧道凍脹力等不利于工程安全的問題會得到更好的解決,著眼于結構凍損后能自愈的技術也將得到長足的發(fā)展。