喬 雄,楊小龍,*,馮 勇

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

0 引言

高海拔嚴(yán)寒地區(qū)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(qū)[1-2]。為滿(mǎn)足高海拔嚴(yán)寒地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,我國(guó)大力推進(jìn)高海拔嚴(yán)寒地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),而隧道作為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分,數(shù)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(yán)寒地區(qū)修建隧道易發(fā)生設(shè)備使用周期降低、路面積水結(jié)冰、邊墻結(jié)冰、襯砌漏水掛冰、路基滲水凍脹、電纜溝及檢查井內(nèi)積水結(jié)冰、排水溝出口結(jié)冰等現(xiàn)象[3-4],極大地影響了行車(chē)安全和隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[5]。雖然近年來(lái)有眾多學(xué)者開(kāi)展了關(guān)于寒區(qū)隧道凍害的研究[6],但這些研究并未對(duì)高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道凍害進(jìn)行系統(tǒng)梳理,因此,有必要對(duì)高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道凍害問(wèn)題的防治進(jìn)行全面總結(jié)。

為此,本文基于高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道工程實(shí)例,分析其凍害類(lèi)型及成因,系統(tǒng)梳理凍脹理論及溫度場(chǎng)研究方法,并對(duì)現(xiàn)有的凍害處置措施進(jìn)行分析和總結(jié),以期為高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道病害處治研究提供借鑒。

1 高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道凍害類(lèi)型及原因分析

針對(duì)高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道凍害問(wèn)題,學(xué)者們?cè)_(kāi)展了大量的研究工作。為進(jìn)一步探討凍害類(lèi)型及原因,對(duì)近些年高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,如表1所示。

表1 典型高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道凍害統(tǒng)計(jì)

1.1 高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道凍害類(lèi)型

結(jié)合表1可知,我國(guó)近年來(lái)陸續(xù)開(kāi)始建設(shè)高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道,隧道修建過(guò)程中均出現(xiàn)了凍害問(wèn)題,且主要集中在西北、川西高原等山嶺地區(qū)。由于所處地理位置的特殊性,相比于一般寒區(qū)隧道,高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道常位于多年凍土區(qū)和季凍區(qū),具有更加鮮明的凍害特征,常表現(xiàn)為半年以上的凍結(jié)期、極端低溫、大于1 m的凍結(jié)深度、更頻繁的凍融循環(huán)以及更高的凍脹力等。

國(guó)內(nèi)學(xué)者主要從結(jié)構(gòu)受損類(lèi)凍害和洞內(nèi)結(jié)冰類(lèi)凍害2個(gè)方面對(duì)凍害類(lèi)型進(jìn)行分析。例如:崔國(guó)軍等[18]對(duì)凍害類(lèi)型進(jìn)行了總結(jié),認(rèn)為有隧道洞口積水及結(jié)冰、襯砌變形及開(kāi)裂、路面冒水結(jié)冰等凍害; 鄭波等[19]對(duì)川西高原多座隧道進(jìn)行統(tǒng)計(jì),認(rèn)為典型隧道凍害類(lèi)型有邊墻結(jié)冰、襯砌開(kāi)裂、側(cè)溝結(jié)冰、路面結(jié)冰等。因此,對(duì)表1及多座隧道凍害現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知,高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道凍害特征通常表現(xiàn)為以下4種形式:1)對(duì)于隧道進(jìn)出口兩端有高差的隧道,短、中隧道低洞口端排水系統(tǒng)冰塞和洞門(mén)墻凍脹開(kāi)裂嚴(yán)重;長(zhǎng)、特長(zhǎng)隧道低洞口端排水系統(tǒng)冰塞嚴(yán)重,高洞口端洞門(mén)墻凍脹開(kāi)裂嚴(yán)重。2)季凍區(qū)隧道常表現(xiàn)為洞口段頻繁凍融循環(huán)引起的排水系統(tǒng)堵塞(如排水溝、出水口凍結(jié))、襯砌病害(如開(kāi)裂、變形、剝落、漏水、掛冰)、保溫防凍材料失效、道床冒水結(jié)冰。3)多年凍土區(qū)隧道常表現(xiàn)為洞口處冬季積雪,夏季熱融坍塌。4)復(fù)雜氣候、地質(zhì)條件(如極端低溫、斷裂帶)綜合作用下施工或運(yùn)營(yíng)期隧道冰害。

1.2 高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道凍害原因分析

對(duì)上述凍害特征以及表1中的凍害原因進(jìn)行分析可知,高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道凍害原因可歸納為自然因素和人為因素2類(lèi)。自然因素包括水、低溫、高山風(fēng)、襯砌及圍巖凍脹作用,而人為因素包括設(shè)計(jì)與施工影響。結(jié)合實(shí)際工程來(lái)看,隧道凍害往往是多種因素共同作用的結(jié)果。高焱等[5]對(duì)高海拔地區(qū)34座隧道的凍害情況展開(kāi)調(diào)查分析,發(fā)現(xiàn)凍害是由水、低溫、高山風(fēng)、設(shè)計(jì)與施工等因素相互影響產(chǎn)生的,并對(duì)上述結(jié)論進(jìn)行了論證。為此,本文從自然因素和人為因素2個(gè)方面對(duì)隧道凍害原因進(jìn)行分析。

1.2.1 自然因素

在自然因素影響方面,除了常見(jiàn)的圍巖富水[3]、溫度應(yīng)力[20]是導(dǎo)致隧道發(fā)生凍脹病害的原因之外,高山風(fēng)也是導(dǎo)致隧道發(fā)生凍害的關(guān)鍵因素之一,風(fēng)速大小與海拔高度總體上呈正相關(guān)關(guān)系[21],即海拔越高風(fēng)速越大,使得洞口段出現(xiàn)負(fù)溫區(qū),為凍害的發(fā)生埋下了隱患。而高山風(fēng)主要由熱位差、超靜壓差、風(fēng)墻壓差等因素引起,從表1中可以看出,高海拔嚴(yán)寒地區(qū)短、中隧道數(shù)量占比較小,長(zhǎng)、特長(zhǎng)隧道數(shù)量占比較大。對(duì)于短、中隧道,洞口兩端海拔、氣候特征差異不大,導(dǎo)致熱位差和超靜壓差較小,故而短、中隧道受風(fēng)墻壓差影響較大,往往導(dǎo)致迎風(fēng)坡段隧道凍害更加嚴(yán)重。對(duì)于長(zhǎng)、特長(zhǎng)隧道,洞口兩端海拔、氣候特征差異較大,故而長(zhǎng)、特長(zhǎng)隧道容易受到超靜壓差、熱位差、風(fēng)墻壓差3種因素的綜合作用而產(chǎn)生凍害。

1.2.2 人為因素

對(duì)于人為因素影響的研究,主要體現(xiàn)在隧道施工和防排水設(shè)計(jì)2個(gè)方面。由于在隧道開(kāi)挖前,圍巖內(nèi)部的溫度處在相對(duì)平衡的狀態(tài),因此不會(huì)發(fā)生凍害,但當(dāng)平衡被打破后,新開(kāi)挖的巖(土)層會(huì)產(chǎn)生新的凍脹力。由表1中的實(shí)際工程可知,防水措施和排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)直接導(dǎo)致隧道襯砌滲水、洞口掛冰、排水系統(tǒng)冰塞等病害的發(fā)生,因此,需要對(duì)隧道防排水進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

綜上,高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道凍害的產(chǎn)生是低溫環(huán)境、設(shè)計(jì)與施工、水文地質(zhì)特征以及隧道結(jié)構(gòu)本身等因素綜合影響的結(jié)果,結(jié)合上文可知,主要的凍害原因有以下4種:1)長(zhǎng)時(shí)間極端低溫; 2)凍脹力以及溫度應(yīng)力對(duì)襯砌的作用; 3)高山風(fēng)影響; 4)隧道設(shè)計(jì)施工不完善(如襯砌后空洞、防排水系統(tǒng)不完善)。

2 凍害機(jī)制研究現(xiàn)狀

針對(duì)凍脹機(jī)制的研究,隧道建設(shè)者們經(jīng)過(guò)多年的探索,集中于以下4種凍脹理論:含水風(fēng)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(jiàn)的凍脹理論

夏才初等[22]、Luo等[6]對(duì)含水風(fēng)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(jìn)行了詳細(xì)的闡述。隨著理論技術(shù)的逐漸成熟,學(xué)者們通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法對(duì)隧道凍脹理論進(jìn)行研究。在襯砌背后積水凍脹理論方面,王道遠(yuǎn)等[23]采用數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)的方法對(duì)襯砌背后存水位置、厚度及范圍進(jìn)行了對(duì)比分析,認(rèn)為凍脹力對(duì)隧道結(jié)構(gòu)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(huì)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(yàn)、理論分析結(jié)合數(shù)值模擬的方法對(duì)公式進(jìn)行驗(yàn)證,并給出了整體性圍巖凍脹力理論解。

然而,上述關(guān)于凍脹力的研究都是采用單一凍脹理論進(jìn)行推導(dǎo),因此,有學(xué)者開(kāi)始結(jié)合多種凍脹模型進(jìn)行分析。例如:張玉偉等[25]認(rèn)為當(dāng)凍結(jié)深度大于含水風(fēng)化層厚度時(shí),凍脹力大小受到含水風(fēng)化層和擾動(dòng)層的共同影響,并基于含水風(fēng)化層凍脹理論和整體性圍巖凍脹理論建立含水層-擾動(dòng)層凍脹模型; 崔光耀等[26]基于上述凍脹模型提出了季凍區(qū)破碎圍巖凍脹力計(jì)算方法,并用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)比分析的方法驗(yàn)證了計(jì)算方法的正確性。

2.2 裂隙水凍脹理論

對(duì)表1中多座高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道凍害原因進(jìn)行分析可知,隧道凍脹力的產(chǎn)生多為圍巖裂隙水凍融循環(huán)引起的隧道結(jié)構(gòu)損傷,高海拔嚴(yán)寒地區(qū)更加頻繁的凍融循環(huán)加劇了此不利影響。為此,學(xué)者們?yōu)榻沂緡鷰r裂隙水凍脹機(jī)制,圍繞裂隙水凍脹力和影響因素2個(gè)方面進(jìn)行系統(tǒng)分析。在圍巖裂隙水凍脹力研究方面,學(xué)者們對(duì)前人的研究成果進(jìn)行總結(jié)分析后提出了凍脹模型,如嚴(yán)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(yīng)用于實(shí)際工程,其結(jié)果與實(shí)際值接近。

a、b為內(nèi)外尺寸; c為凍結(jié)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(xué)者們基于裂隙水凍脹理論,對(duì)凍脹力演化規(guī)律進(jìn)行了分析,如呂志濤等[28]利用有限元軟件并基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)單裂縫和雙裂縫凍脹擴(kuò)展進(jìn)行分析,認(rèn)為單裂隙凍脹擴(kuò)展向著荷載作用方向偏轉(zhuǎn)、雙裂縫凍脹擴(kuò)展向著裂縫方向偏轉(zhuǎn)。在影響因素方面,王志杰等[29]采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)的方法,探討了孔隙率、滲透率、裂隙孔徑等因素對(duì)凍脹力發(fā)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(shè)下推導(dǎo)出的,對(duì)于環(huán)境更加復(fù)雜的高海拔嚴(yán)寒地區(qū)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(qū),凍結(jié)圍巖含水率和凍脹力之間的量化關(guān)系仍存在爭(zhēng)議。含水風(fēng)化層凍脹理論將風(fēng)化層和擾動(dòng)層結(jié)合的方法雖對(duì)理論進(jìn)行了完善,能用于實(shí)際工程,但仍存在擾動(dòng)層彈性抗力系數(shù)取值困難的問(wèn)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(guī)律并不明確,僅適用于硬巖隧道。對(duì)于裂隙水凍脹理論,目前大多都是針對(duì)單裂縫和雙裂縫,對(duì)多裂縫或不同裂縫的凍脹特性研究較少; 且多數(shù)研究是建立在單一巖體上進(jìn)行的凍脹特性分析,并未系統(tǒng)地提出統(tǒng)一表征凍脹特性的裂隙水凍脹模型。因此,針對(duì)高海拔嚴(yán)寒地區(qū)復(fù)雜多變的氣候、地質(zhì)條件,未來(lái)應(yīng)建立多年凍土區(qū)以整體性圍巖凍脹理論為主、季凍區(qū)以裂隙水凍脹理論為主的多理論聯(lián)合分析體系,其凍脹力大小、凍脹力演化規(guī)律、圍巖破壞形式等還有待進(jìn)一步研究。

3 溫度場(chǎng)研究現(xiàn)狀

為研究溫度場(chǎng)對(duì)隧道的影響,學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究,目前現(xiàn)有的研究主要集中在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、理論解析、模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬等方面,本文統(tǒng)計(jì)了相關(guān)研究的實(shí)例,如表2和表3所示。

表2 高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)例

表3 高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道溫度場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、理論分析、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬研究實(shí)例

由表2和表3可知,針對(duì)高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道溫度場(chǎng)的研究可分為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、理論解析、模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬等4種基本方法。其中,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)通過(guò)對(duì)圍巖、洞內(nèi)外環(huán)境等進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè),其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在進(jìn)行處理后可直接得出隧道溫度分布規(guī)律,作為驗(yàn)證和修正其他3種方法的依據(jù)。數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)則是在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)完成后,在受控的環(huán)境下對(duì)溫度場(chǎng)實(shí)施分析,并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,最后驗(yàn)證隧道各參數(shù)的準(zhǔn)確性。理論解析則不受施工的影響,只需要有明確的風(fēng)速、氣溫、圍巖和襯砌導(dǎo)熱系數(shù)等物理參數(shù),就可對(duì)溫度場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行研究。因此,針對(duì)同一問(wèn)題應(yīng)綜合運(yùn)用這4種方法,在研究隧道溫度場(chǎng)時(shí)相互驗(yàn)證和補(bǔ)充,以便更全面、更準(zhǔn)確地了解隧道溫度場(chǎng)的特性和影響因素。針對(duì)上述4種研究方法,相關(guān)研究如下。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

3.1.1 溫度場(chǎng)分布規(guī)律

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)是獲得隧道溫度場(chǎng)分布規(guī)律最有效、最直接的方法。長(zhǎng)期以來(lái),隧道科研者們借助溫度傳感器,通過(guò)在襯砌內(nèi)外以及圍巖中布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位來(lái)獲取隧道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),并運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。目前,學(xué)者們主要從隧道內(nèi)外環(huán)境溫度分布規(guī)律、襯砌及圍巖溫度分布規(guī)律2個(gè)方面對(duì)隧道溫度場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行深入分析。陳華鑫等[46]依托西藏地區(qū)某隧道對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析,認(rèn)為隧道年氣溫、日氣溫均呈三角函數(shù)分布,縱向溫度分布呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)—緩慢增長(zhǎng)—趨于穩(wěn)定的趨勢(shì),圍巖溫度隨著深度的增加而趨于穩(wěn)定。

總結(jié)和歸納表2中多座高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道監(jiān)測(cè)結(jié)果可知:1)洞內(nèi)外環(huán)境溫度年平均氣溫、日平均氣溫隨時(shí)間呈三角函數(shù)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(shù)型變化,且存在一個(gè)穩(wěn)定的邊界條件; 3)隧道縱向溫度呈拋物線(xiàn)分布,隧道進(jìn)口到出口溫度表現(xiàn)為快速上升、緩慢上升、趨于平緩、緩慢下降、快速下降的趨勢(shì),呈現(xiàn)出貫通型、弱對(duì)稱(chēng)型、非對(duì)稱(chēng)型3種分布方式; 4)高海拔隧道一天中溫度到達(dá)峰值的速率很快,相比于低海拔隧道常表現(xiàn)為溫度峰值往后推移的規(guī)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(chǎng)影響因素

由于高海拔嚴(yán)寒地區(qū)氣候、地質(zhì)條件復(fù)雜,隧道洞內(nèi)環(huán)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(chǎng)分布方式的因素主要包括自然風(fēng)、洞內(nèi)外氣溫、活塞風(fēng)、設(shè)計(jì)與施工、隧道埋深、圍巖地溫等,目前單一因素不能深入地對(duì)高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道溫度場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行分析,因此,需要耦合多種因素對(duì)溫度場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行探討。周小涵[47]依托南山隧道,對(duì)隧道入口風(fēng)溫、洞內(nèi)風(fēng)速和風(fēng)向、對(duì)流換熱系數(shù)、圍巖和襯砌導(dǎo)熱系數(shù)、隧道埋深、斷面大小等因素進(jìn)行分析,得出隧道入口風(fēng)溫、洞內(nèi)風(fēng)速和風(fēng)向、圍巖導(dǎo)熱系數(shù)、隧道埋深、斷面大小等是影響溫度場(chǎng)的主因,圍巖密度、比熱容等是次因的結(jié)論。

綜上,尤其是在隧址條件復(fù)雜的高海拔嚴(yán)寒地區(qū),多種因素作用下的凍害問(wèn)題尤為突出,各因素對(duì)凍害的影響仍需深入研究,并根據(jù)影響程度對(duì)各因素進(jìn)行排序,在保溫防寒設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)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(duì)于二維理論分析的研究,學(xué)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(chǎng)的解析解。蔣爽等[48]為分析隔熱層對(duì)襯砌溫度的影響,基于隧道徑向及軸向二維軸對(duì)稱(chēng)的圍巖溫度導(dǎo)熱模型,利用第三類(lèi)邊界條件和萊維級(jí)數(shù)法推導(dǎo)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(nèi)溫度變化,而三維理論分析則是對(duì)空間溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。于是,韓躍杰等[49]通過(guò)求得襯砌和圍巖的溫度場(chǎng)理論解、徑向溫度場(chǎng)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(nèi)空氣的三維溫度場(chǎng)計(jì)算方法。

3.2.2 多場(chǎng)耦合理論

相比于二維、三維理論分析,多場(chǎng)耦合理論分析則是在此基礎(chǔ)上考慮溫度和其他物理場(chǎng)的相互影響和耦合關(guān)系,而目前多考慮滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和風(fēng)流場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)的影響。于麗等[50]基于能量守恒定律,結(jié)合傳熱學(xué)、流體力學(xué)等方法,提出了風(fēng)流場(chǎng)模型,并對(duì)在圍巖和通風(fēng)條件下溫度場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行了分析。

綜上,通過(guò)整理多年來(lái)學(xué)者們對(duì)溫度場(chǎng)二維、三維及多場(chǎng)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(jì)算,多因素影響下溫度場(chǎng)解析解、多場(chǎng)耦合(滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和風(fēng)流場(chǎng)等)下溫度場(chǎng)解析解計(jì)算。目前,關(guān)于二維和三維溫度場(chǎng)理論分析已逐漸完善,但對(duì)于多場(chǎng)耦合理論分析的研究還未形成系統(tǒng),特別是針對(duì)高海拔嚴(yán)寒地區(qū)風(fēng)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合分析的研究較少,多場(chǎng)耦合理論分析仍是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

3.3 模型試驗(yàn)

溫度場(chǎng)模型試驗(yàn)是在理論分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行方案設(shè)計(jì),通過(guò)模擬實(shí)際施工及運(yùn)營(yíng)狀況,獲取有關(guān)溫度場(chǎng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù),并以此對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析,學(xué)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(duì)象,建立1∶30的模型試驗(yàn),研究洞口處對(duì)流-傳導(dǎo)耦合效應(yīng),結(jié)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(chǔ)上,學(xué)者們通過(guò)施加不同的條件對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬,如李志強(qiáng)等[44]基于相關(guān)理論,考慮幾何條件、邊界條件及材料參數(shù),建立大坂山隧道模型試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行模型試驗(yàn),并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明模型試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相似,具有較強(qiáng)的合理性。

綜上,目前相關(guān)研究多為按比例縮放的實(shí)體模型,按照1∶1比例建立的模型國(guó)內(nèi)還未有過(guò)。同時(shí),在模型試驗(yàn)中?？紤]單因素對(duì)溫度場(chǎng)的影響,而多因素對(duì)溫度場(chǎng)的影響還有待進(jìn)一步研究。

3.4 數(shù)值模擬

隨著信息化時(shí)代的到來(lái),大量學(xué)者將有限元軟件應(yīng)用于溫度場(chǎng)的研究中。Tan等[52]依托西藏地區(qū)某隧道,采用數(shù)值模擬的方法探討了保溫材料的效果,結(jié)果表明隧道襯砌表面的保溫材料對(duì)襯砌及圍巖溫度影響較大。上述研究是基于二維進(jìn)行的數(shù)值模擬,卻忽略了空間上的溫度分布情況,因此,有學(xué)者認(rèn)為需對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬。Lu等[53]建立了對(duì)流換熱的三維數(shù)值模型,將模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,得到導(dǎo)熱系數(shù)和氣流速度對(duì)溫度場(chǎng)影響最小的結(jié)論。針對(duì)不同參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響,湯國(guó)璋等[54]通過(guò)數(shù)值模擬的方法提出了多年凍土隧道施工溫度場(chǎng)的控制參數(shù),并把施工分為安全施工階段、相對(duì)安全階段、安全預(yù)警階段和安全隱患階段4個(gè)階段。

綜上,高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道溫度場(chǎng)數(shù)值模擬研究主要集中在二維和三維,體現(xiàn)在隧道內(nèi)外環(huán)境及圍巖溫度分布規(guī)律、溫度場(chǎng)敏感性因素、隔熱層等方面。統(tǒng)計(jì)多篇文獻(xiàn)可知,隧道溫度場(chǎng)有限元軟件有ANSYS、ABAQUS、COMSOL、FLAC 2D/3D等,可通過(guò)改變時(shí)間、環(huán)境等條件參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬,但在參數(shù)優(yōu)化、取值上仍需結(jié)合實(shí)際工程做進(jìn)一步研究。

4 凍害處置措施研究現(xiàn)狀

為保障隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性,防止凍脹引起的變形和破壞,本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外多個(gè)國(guó)家的凍害處置措施,并從防排水、保溫防寒、抗凍等方面總結(jié)我國(guó)高海拔嚴(yán)寒地區(qū)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(guó)外凍害處置措施研究

針對(duì)隧道凍害的防治,日本、美國(guó)、蘇聯(lián)、北歐等國(guó)家根據(jù)自己的國(guó)情進(jìn)行了大量的研究,并形成了各自的凍害處置措施[55]。蘇聯(lián)具有豐富的水電資源,常采用采暖的方式對(duì)隧道進(jìn)行保溫。Wang等[56]、Zhou等[57]提出設(shè)置防水層、保溫層、襯砌內(nèi)安放排水管和加熱排水溝等措施對(duì)隧道進(jìn)行保溫防寒。在日本,Islam等[58]采用U型管路面電伴熱法,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)外界溫度低于凍結(jié)溫度時(shí)路面溫度依舊在0 ℃以上,并驗(yàn)證了該方法的可行性。隨后,又研發(fā)了U型管路面加熱系統(tǒng),采用地?zé)崮軐?duì)洞口段進(jìn)行保溫加熱。除上述方法外,在襯砌表面或初期支護(hù)與二次襯砌間設(shè)置隔熱材料也在日本得到了廣泛應(yīng)用。Okada等[59]在襯砌表面敷設(shè)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(dá)到保溫隔熱的目的。挪威和法國(guó)大都采用加設(shè)防水防凍棚、隔離板墻、防寒保溫門(mén)等措施預(yù)防凍害,以保證洞內(nèi)溫度維持在凍結(jié)溫度以上[60]。在美國(guó),常常采取加熱電纜對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行加熱、在排水溝出口處設(shè)置保溫材料等措施進(jìn)行凍害防治[61]。

綜上,國(guó)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(jiàn)的保溫防寒措施常通過(guò)設(shè)置保溫隔熱材料來(lái)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(jìn)入隧道。上述措施雖然保溫效果顯著,但極易破損。同時(shí),由于成本非常高,電加熱、暖管等主動(dòng)加熱方式只能在局部?jī)龊?yán)重的區(qū)域使用。

4.2 國(guó)內(nèi)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(duì)大量高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道凍害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn),凍害往往是從防排水措施失效開(kāi)始的,從19世紀(jì)國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始防排水技術(shù)研究到20世紀(jì)的防排水技術(shù)應(yīng)用,逐漸形成了以排為主,防、截、堵相結(jié)合,因地制宜,綜合治理的防排水理念。目前,針對(duì)防水措施的研究眾多,如蔣新政[62]總結(jié)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(yīng)的建議。總結(jié)相關(guān)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(yán)寒地區(qū)隧道防水的關(guān)鍵措施,該措施主要是對(duì)隧道四周的圍巖進(jìn)行注漿處理,而后在圍巖區(qū)形成止水圈,起到阻水和加固圍巖的作用。結(jié)合國(guó)內(nèi)外大量實(shí)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(yán)寒地區(qū)地質(zhì)條件的復(fù)雜性,在對(duì)注漿方式、深度、時(shí)間和材料的選擇上需結(jié)合隧道的地質(zhì)勘察報(bào)告得出的最優(yōu)方案,并進(jìn)行多方案比選和優(yōu)化。

2)襯砌防水

提高混凝土抗?jié)B等級(jí)使得襯砌防水能力增強(qiáng),在寒冷地區(qū)混凝土的抗?jié)B等級(jí)不能低于S8,在高海拔嚴(yán)寒地區(qū)該抗?jié)B等級(jí)應(yīng)該有所提高,施工時(shí)混凝土厚度應(yīng)該增加。在襯砌抗?jié)B混凝土中加入外加劑(如HEA、AEA等)提高混凝土的密實(shí)度,增強(qiáng)防水性能。為克服高海拔嚴(yán)寒地區(qū)的惡劣環(huán)境,需對(duì)混凝土抗低溫、抗開(kāi)裂、抗腐蝕等特性進(jìn)行深入研究。

3)防水層防水

在初期支護(hù)和二次襯砌之間增加防水板、防水卷材、土工布?jí)|層等材料,將圍巖水隔絕在二次襯砌之外,最常見(jiàn)的做法是鋪設(shè)防水板+土工布作為防水隔離層。在鋪設(shè)時(shí),應(yīng)該按照嚴(yán)格的施工工藝來(lái)進(jìn)行防水層鋪設(shè)。目前國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的防水層鋪設(shè)方式及適用性如表5所示。

表5 常見(jiàn)的防水層鋪設(shè)方式及適用性[63-64]

隨著隧道施工工藝的發(fā)展,傳統(tǒng)的鋪設(shè)方式存在施工復(fù)雜且困難、防水層容易損壞等問(wèn)題,在此狀況下,隧道科研工作者提出了防水性好、施工簡(jiǎn)單、費(fèi)用低的新型鋪設(shè)方式。尤其是在高海拔嚴(yán)寒地區(qū),隧道施工難度大,對(duì)防水層鋪設(shè)方式提出了更高的要求。新型防水層鋪設(shè)方式及適用性如表6所示。

表6 新型防水層鋪設(shè)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(jiàn)的防水措施,三縫防水極容易被忽略,一直是隧道產(chǎn)生滲漏水進(jìn)而形成凍害的重要原因。究其本質(zhì)是滲漏水縫隙施工技術(shù)存在不足,傳統(tǒng)的防治滲漏水措施為設(shè)置止水帶,存在不易安裝、易變形等缺點(diǎn)。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(cè)混凝土錯(cuò)位時(shí),仍然會(huì)發(fā)生滲漏水。在此基礎(chǔ)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(bǔ)了上述止水方法的不足。高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道長(zhǎng)期處于-8 ℃以下的低溫條件,其止水帶的抗凍性仍有待進(jìn)一步研究。

4.2.1.2 排水措施

目前國(guó)內(nèi)高海拔嚴(yán)寒地區(qū)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(lái)已有大量的學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。本文結(jié)合表1中的實(shí)際工程,對(duì)常見(jiàn)的高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道排水措施進(jìn)行總結(jié)。

1)保溫水溝

在高海拔嚴(yán)寒地區(qū)使用的保溫水溝為側(cè)式保溫水溝和中心保溫水溝,雙線(xiàn)隧道采用側(cè)式保溫水溝和中心保溫水溝(如圖2所示),單線(xiàn)隧道采用側(cè)式保溫水溝(如圖3所示)?！抖嗄陜鐾羺^(qū)公路隧道技術(shù)規(guī)范》指出保溫水溝適用于氣溫在-10～-15 ℃、黏性土最大凍結(jié)深度在1.0～1.5 m的寒冷地區(qū),并給出了保溫水溝的設(shè)防長(zhǎng)度,如表7所示。

圖2 雙線(xiàn)隧道采用側(cè)式保溫水溝和中心保溫水溝

圖3 單線(xiàn)隧道采用側(cè)式保溫水溝

表7 保溫水溝設(shè)防長(zhǎng)度

側(cè)式保溫水溝分為單側(cè)保溫水溝和雙側(cè)保溫水溝,結(jié)合《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》[69]可知,最冷月平均氣溫為-5～-15 ℃時(shí),建議采用雙側(cè)保溫水溝。王志杰等[70]對(duì)中心保溫水溝的最低溫度進(jìn)行了研究,提出當(dāng)最冷月平均氣溫為-10～-20 ℃時(shí),建議采用中心保溫水溝。《多年凍土區(qū)公路隧道技術(shù)規(guī)范》中只給出了氣溫在-10～-15 ℃的保溫水溝設(shè)防長(zhǎng)度,不在此溫度范圍內(nèi)則應(yīng)該綜合隧道長(zhǎng)度、氣溫、風(fēng)向、坡度等因素來(lái)確定設(shè)防長(zhǎng)度。

綜上,對(duì)高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道提出以下建議:①當(dāng)最冷月平均氣溫為-5～-10 ℃時(shí),可采用雙側(cè)保溫水溝; ②當(dāng)最冷月平均氣溫為-10～-15 ℃時(shí),可采用雙側(cè)保溫水溝或者中心保溫水溝; ③當(dāng)最冷月平均氣溫為-15～-20 ℃時(shí),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(jié)線(xiàn)以下,利用地溫使得水溝內(nèi)的水不凍結(jié),如圖4所示。由《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[71]結(jié)合寒區(qū)隧道工程經(jīng)驗(yàn)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(jié)深度為1.5～2.5 m的寒冷地區(qū)。王志杰等[70]對(duì)不同溫度下中心深埋水溝進(jìn)行了研究,認(rèn)為中心深埋水溝的適用溫度為-15～-25 ℃,驗(yàn)證了規(guī)范設(shè)計(jì)溫度。

圖4 中心深埋水溝

中心深埋水溝的設(shè)置深度影響著保溫效果,可采用式(1)進(jìn)行埋置深度計(jì)算[72]。

(1)

式中:hx為距洞口x處隧道內(nèi)水溝最小埋深,m;h0為隧址區(qū)最大凍結(jié)深度,m;Dx為距洞口x處隧道內(nèi)水溝最小埋深,℃;T為隧址區(qū)最冷月平均氣溫,℃;k為與隧道圍巖巖性相關(guān)的凍結(jié)深度系數(shù),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(chǔ)上,王兆瑞等[73]結(jié)合凍結(jié)深度計(jì)算原理,提出了中心深埋水溝埋置深度公式,而高海拔地區(qū)具有光照強(qiáng)的特點(diǎn),于是陳霄漢[74]引入隧道洞口太陽(yáng)輻射指標(biāo),并基于已建嚴(yán)寒地區(qū)隧道中心深埋水溝設(shè)置長(zhǎng)度,提出了中心深埋水溝的擬合長(zhǎng)度計(jì)算公式。

綜上,在選取式(1)進(jìn)行中心深埋水溝埋深計(jì)算時(shí),還要考慮地下水、隧道長(zhǎng)度、氣溫、風(fēng)速等因素的影響。如果條件允許,可以把3種計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,并選取最優(yōu)結(jié)果。未來(lái),可結(jié)合上述因素對(duì)不同溫度段內(nèi)中心深埋水溝埋置深度做進(jìn)一步研究。

3)防寒泄水洞

如果前文2種排水措施不能滿(mǎn)足使用條件時(shí),可采用防寒泄水洞排水,如圖5所示。由《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)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(jié)深度大于2.5 m的寒冷地區(qū)。結(jié)合隧道洞口條件以及溫度場(chǎng)變化規(guī)律,計(jì)算防寒泄水洞深度以及長(zhǎng)度,并按要求設(shè)置在洞口下方。為了預(yù)防防寒泄水洞結(jié)冰,還需設(shè)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(yán)寒地區(qū)直接將地下水以及裂隙水引入泄水洞中,而不通過(guò)其他排水系統(tǒng),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(fù)雜、工程量大等缺點(diǎn)。在設(shè)計(jì)前期就需要對(duì)該地區(qū)的地質(zhì)條件、氣候條件等進(jìn)行分析,確定是否需要建造防寒泄水洞。未來(lái),可就優(yōu)化防寒泄水洞設(shè)計(jì)、施工方法等進(jìn)行研究。

除了上述常見(jiàn)的排水措施外,近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者還對(duì)排水管、盲溝、防寒泄水孔等其他排水措施進(jìn)行了研究,如Zhao等[76]利用有限元軟件進(jìn)行分析,提出了防寒泄水孔,并從位移變化規(guī)律、應(yīng)力變化規(guī)律、塑性變化規(guī)律3個(gè)方面得出了泄水孔的最佳有效埋深。在對(duì)隧道進(jìn)行排水設(shè)計(jì)時(shí),合理地設(shè)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(dāng)洞內(nèi)存在積水時(shí),能快速地通過(guò)排水系統(tǒng)排出。

目前,傳統(tǒng)的防排水措施已不能有效的預(yù)防凍害,有學(xué)者開(kāi)始研究防水、排水、保溫相結(jié)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(shù)。在高海拔嚴(yán)寒地區(qū),最冷月氣溫在-25 ℃以下時(shí),排水系統(tǒng)極易被凍結(jié),對(duì)于不同溫度段內(nèi)設(shè)置不同的排水措施,不同溫度段內(nèi)防水措施材料的抗低溫、抗開(kāi)裂、抗腐蝕等特性仍有待進(jìn)一步研究。

4.2.2 保溫防寒措施

4.2.2.1 主動(dòng)保溫措施

1)電伴熱法、地源熱泵法

目前,國(guó)內(nèi)比較常見(jiàn)的主動(dòng)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(shè)置保溫層,會(huì)出現(xiàn)保溫層材料不能隨著外界氣溫變化而變化的情況,在嚴(yán)寒條件下極容易失效,具有一定的溫度適用范圍。于是,有學(xué)者提出了保溫層+電加熱法的主動(dòng)保溫措施,如陶琦[77]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)溫度實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬,分析了保溫層的長(zhǎng)度、厚度及適應(yīng)范圍,提出寒區(qū)隧道電熱膜加熱保溫系統(tǒng)。

雖然近幾年眾多學(xué)者對(duì)電加熱法進(jìn)行了優(yōu)化,但高海拔嚴(yán)寒地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間的低溫條件使得電能消耗巨大,于是地?zé)崮茏鳛橐环N清潔能源被應(yīng)用到隧道保溫中并逐漸形成了地源熱泵技術(shù)。在地源熱泵法方面,張國(guó)柱等[78]開(kāi)展了寒區(qū)隧道地源熱泵供熱系統(tǒng)試驗(yàn),并對(duì)隧道襯砌和溫度場(chǎng)進(jìn)行研究,得出熱交換管間距越小,圍巖溫度場(chǎng)的影響范圍越大,溫度增量也越大的結(jié)論。

相比于傳統(tǒng)的地源熱泵法,有學(xué)者提出把太陽(yáng)能與地源熱泵法相結(jié)合的方法,如張甫仁等[79]為減輕高寒地區(qū)隧道凍害問(wèn)題,提出了太陽(yáng)能-地源熱泵聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)。隨著地源熱泵技術(shù)的進(jìn)步,基于淺層地?zé)崮艿哪茉此淼辣卮胧┍惶岢?如熊澤琛等[80]利用有限元分析對(duì)基于淺層地?zé)崮艿乃淼蓝纯谂潘疁媳胤纼鲞M(jìn)行研究,認(rèn)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(jiàn)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(shù),但把空氣幕技術(shù)與隧道保溫相結(jié)合的研究較少?？偨Y(jié)國(guó)內(nèi)研究可知,隧道空氣幕保溫技術(shù)主要通過(guò)采用疊加原理、分離變量法、熱平衡原理、貝塞爾特征函數(shù)等方法構(gòu)建隧道空氣幕控制方程,并結(jié)合溫度場(chǎng)變化規(guī)律研究空氣幕保溫系統(tǒng)的可行性。國(guó)內(nèi)學(xué)者從2方面提出了新型空氣幕保溫系統(tǒng):一方面是自然風(fēng)速、外界溫度、圍巖溫度等因素,另一方面是列車(chē)速度與列車(chē)運(yùn)行間隔時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系。高焱[81]考慮到當(dāng)最冷月平均氣溫低于-15 ℃、圍巖溫度低于5 ℃時(shí),保溫層需與主動(dòng)保溫措施相結(jié)合,提出了一種新型、節(jié)能的寒區(qū)高速鐵路隧道熱幕保溫系統(tǒng)。王仁遠(yuǎn)等[40]利用有限元軟件模擬有無(wú)列車(chē)時(shí)的溫度場(chǎng)變化規(guī)律,依托京張高鐵正盤(pán)臺(tái)隧道,研究了自然風(fēng)速、外界溫度、圍巖溫度等因素與負(fù)溫區(qū)長(zhǎng)度的關(guān)系,提出空氣幕的最優(yōu)噴射角度為30°～40°。

目前,隧道空氣幕保溫技術(shù)仍在起步階段,但由于具有阻斷隧道內(nèi)外空氣熱交換的特點(diǎn),能用于凍害防治。據(jù)現(xiàn)有研究證實(shí),可根據(jù)外界溫度變化調(diào)整空氣幕噴射參數(shù)、安裝數(shù)量等數(shù)據(jù),比防寒保溫門(mén)更加靈活、安全。

綜上,在高海拔嚴(yán)寒地區(qū),對(duì)于整座隧道來(lái)說(shuō),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(guò)多,后期運(yùn)營(yíng)費(fèi)用過(guò)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(jié)能環(huán)保,壽命更長(zhǎng),但地源熱泵初期建設(shè)成本過(guò)高,建設(shè)過(guò)程復(fù)雜?？諝饽槐丶夹g(shù)也需要一定的電能用于空氣幕系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。高海拔地區(qū)有充足的太陽(yáng)能資源,現(xiàn)已有學(xué)者把地源熱泵法與太陽(yáng)能相結(jié)合,未來(lái)可對(duì)電加熱法與太陽(yáng)能的關(guān)系進(jìn)行深入研究,以太陽(yáng)能代替電能。對(duì)此,如何將清潔能源用于高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道保溫防凍是未來(lái)的研究重點(diǎn)。

4.2.2.2 被動(dòng)保溫措施

1)設(shè)置防寒保溫門(mén)、防雪棚及陽(yáng)光棚

在高海拔嚴(yán)寒地區(qū),無(wú)論隧道襯砌是否敷設(shè)保溫隔熱層,其圍巖均會(huì)形成凍結(jié)圈或發(fā)生凍融循環(huán),相應(yīng)的襯砌表面應(yīng)力會(huì)超過(guò)混凝土的強(qiáng)度,若設(shè)置防寒保溫門(mén),則能夠有效地控制凍害。宋鶴[82]在后安山隧道洞口設(shè)置了保溫防寒門(mén),并對(duì)隧道內(nèi)外進(jìn)行了5個(gè)月的氣溫監(jiān)測(cè),結(jié)果驗(yàn)證了防寒保溫門(mén)具有良好的保溫效果。近年來(lái),只有少數(shù)學(xué)者針對(duì)防雪棚及陽(yáng)光棚進(jìn)行了研究,如孫克國(guó)等[83]采用數(shù)值模擬的方法提出新型陽(yáng)光棚防寒措施,論證其作用效果,并給出了陽(yáng)光棚的使用建議:低風(fēng)速、大長(zhǎng)度、小跨度。

綜上,防寒保溫門(mén)保溫效果良好,但由于受到車(chē)流量的影響,并不適用于交通量大的地區(qū),而防雪棚、陽(yáng)光棚則不受車(chē)流量的影響,且具有良好的保溫效果。隨著西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn),西北及青藏高原等高海拔嚴(yán)寒地區(qū)的車(chē)流量也逐漸增加,傳統(tǒng)的保溫門(mén)已不再適用,新型防雪棚及陽(yáng)光棚已逐漸取代防寒保溫門(mén)成為隧道洞口段保溫措施。未來(lái),可著重研究空氣幕系統(tǒng)與保溫門(mén)控制系統(tǒng)的關(guān)系,開(kāi)發(fā)一種新型的防寒保溫門(mén)系統(tǒng)。

2)敷設(shè)保溫隔熱層

在對(duì)保溫層不同敷設(shè)方式形成的保溫效果的探討中,王雪來(lái)[84]提出了一種新型的離壁式波紋鋼板保溫套襯,并驗(yàn)證了新型套襯的保溫效果。少數(shù)學(xué)者提出離壁式敷設(shè)方式并對(duì)其進(jìn)行分析,但是并未與其他敷設(shè)方式進(jìn)行對(duì)比。在選用敷設(shè)方式時(shí),需對(duì)各種保溫層敷設(shè)方式進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)合其優(yōu)缺點(diǎn),針對(duì)不同隧道采用合適的敷設(shè)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(shè)方式的保溫效果,認(rèn)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?？偨Y(jié)國(guó)內(nèi)外研究成果可知,目前常見(jiàn)的隧道保溫隔熱層敷設(shè)方式可以分為表面敷設(shè)、夾層敷設(shè)、離壁敷設(shè)、雙層敷設(shè)。保溫層不同敷設(shè)方式示意如圖6所示,各敷設(shè)方式的特點(diǎn)如表8所示。

(a) 表面敷設(shè)

表8 保溫層不同敷設(shè)方式的特點(diǎn)

綜上,高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道處于季凍區(qū)以及多年凍土區(qū),具有海拔高、氣溫低等特點(diǎn),由第2節(jié)可知隧道在水和低溫作用下會(huì)產(chǎn)生凍融圈,繼而產(chǎn)生凍脹力,夾層敷設(shè)、雙層敷設(shè)能很好地減小凍融圈范圍,減小凍脹力對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)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(shè)對(duì)初期支護(hù)的耐久性有較高的要求,表面敷設(shè)具有方便撤換、更新、維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。因此,多數(shù)學(xué)者認(rèn)為多年凍土區(qū)應(yīng)優(yōu)先采用雙層敷設(shè)方式。綜合防凍效果,對(duì)高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道提出以下建議:①在多年凍土區(qū)建議采用雙層敷設(shè)方式; ②在季凍區(qū)建議采用表面敷設(shè)方式。目前,隧道洞口段保溫層敷設(shè)常采用同一材料、同一厚度,由于高海拔嚴(yán)寒地區(qū)地質(zhì)、氣候條件的復(fù)雜性,則應(yīng)根據(jù)不同的凍害情況分段對(duì)隧道保溫層進(jìn)行厚度和材料比選。

4.2.3 抗凍措施

高海拔嚴(yán)寒地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜,常存在軟弱圍巖、破碎圍巖、斷裂帶等不良地質(zhì),為此,學(xué)者們常采用圍巖注漿和襯砌抗凍措施。在圍巖注漿方面,學(xué)者們常采用表4中的圍巖注漿方式對(duì)圍巖進(jìn)行加固,如岳洪武等[86]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)管棚預(yù)注漿超前支護(hù)和管棚注漿的加固效果進(jìn)行分析,認(rèn)為該注漿方法能有效地控制沉降和應(yīng)力集中現(xiàn)象,加固效果明顯。在襯砌抗凍措施方面,學(xué)者們常設(shè)計(jì)復(fù)合式襯砌、應(yīng)用高性能混凝土及鋼筋混凝土、設(shè)置伸縮縫,如夏才初等[87]提出不同凍土段襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路及抗凍措施,并將理論應(yīng)用于白茫雪山1號(hào)隧道,優(yōu)化了保溫層敷設(shè)長(zhǎng)度,提高了隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

綜上,在頻繁的凍融循環(huán)作用下,隧道洞口段往往受凍害影響更加嚴(yán)重,國(guó)內(nèi)學(xué)者常通過(guò)對(duì)破碎圍巖加固、設(shè)計(jì)復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)、應(yīng)用高性能混凝土、設(shè)置伸縮縫來(lái)提高結(jié)構(gòu)的抗凍能力。對(duì)于公路隧道常采用保溫隔熱層,而對(duì)于鐵路隧道則更多采用結(jié)構(gòu)抗凍措施。對(duì)于不良地質(zhì)發(fā)育良好的高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道,圍巖注漿方案優(yōu)選,襯砌設(shè)置形式,混凝土抗凍性,考慮海拔、高山風(fēng)等因素控制混凝土裂縫等仍有待進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

1)通過(guò)整理高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道凍害相關(guān)實(shí)例,對(duì)凍害類(lèi)型及凍害原因進(jìn)行分析,確定高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道凍害特征通常表現(xiàn)為以下4種形式:①對(duì)于隧道進(jìn)出口兩端有高差的隧道,短、中隧道低洞口端排水系統(tǒng)冰塞和洞門(mén)墻凍脹開(kāi)裂嚴(yán)重;長(zhǎng)、特長(zhǎng)隧道低洞口端排水系統(tǒng)冰塞嚴(yán)重,高洞口端洞門(mén)墻凍脹開(kāi)裂嚴(yán)重。②季凍區(qū)隧道常表現(xiàn)為洞口段頻繁凍融循環(huán)引起的排水系統(tǒng)堵塞(如排水溝、出水口凍結(jié))、襯砌病害(如開(kāi)裂、變形、剝落、漏水、掛冰)、保溫防凍材料失效、道床冒水結(jié)冰。③多年凍土區(qū)隧道常表現(xiàn)為洞口處冬季積雪,夏季熱融坍塌。④復(fù)雜氣候、地質(zhì)條件(如極端低溫、斷裂帶)綜合作用下施工或運(yùn)營(yíng)期隧道冰害。凍害原因有以下4種:①長(zhǎng)時(shí)間極端低溫; ②凍脹力以及溫度應(yīng)力對(duì)襯砌的作用; ③高山風(fēng)影響; ④隧道設(shè)計(jì)施工不完善(如襯砌后空洞、防排水系統(tǒng)不完善)。

2)目前常用的仍是單一凍脹理論,現(xiàn)階段主要是將含水風(fēng)化層凍脹理論和整體性?xún)雒浝碚撨M(jìn)行聯(lián)合分析,多理論聯(lián)合分析仍在探索階段。在凍害機(jī)制研究方面還存在以下不足:①對(duì)于含水風(fēng)化層凍脹理論,雖將風(fēng)化層和擾動(dòng)層結(jié)合,但仍存在擾動(dòng)層彈性抗力系數(shù)取值困難的問(wèn)題; ②對(duì)于整體性圍巖凍脹理論,其凍結(jié)圍巖含水率和凍脹力之間的量化關(guān)系仍存在爭(zhēng)議; ③對(duì)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(duì)于裂隙水凍脹理論,目前常建立在單一類(lèi)型的巖體上,未統(tǒng)一提出表征凍脹特性的凍脹模型,還需對(duì)多裂縫或不同種類(lèi)裂縫下的凍脹特性做進(jìn)一步研究。

3)目前在4種溫度場(chǎng)的研究方法中,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)?？紤]多種因素的影響,而模型試驗(yàn)?？紤]單因素的影響,理論分析和數(shù)值模擬則從二維和三維等角度進(jìn)行分析。在溫度場(chǎng)研究方面還存在以下不足:①對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),由于高海拔嚴(yán)寒地區(qū)惡劣的氣候、地質(zhì)條件,需延長(zhǎng)溫度監(jiān)測(cè)周期; ②對(duì)于理論分析,目前針對(duì)多場(chǎng)耦合理論分析的研究還未形成系統(tǒng),特別是在受高山風(fēng)影響較大的高海拔地區(qū),風(fēng)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合分析的研究較少; ③對(duì)于模型試驗(yàn),目前?？紤]單一變量下研究對(duì)溫度場(chǎng)的影響,而多變量下研究對(duì)溫度場(chǎng)的影響較少; ④對(duì)于數(shù)值模擬,雖然對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行還原,但在參數(shù)優(yōu)化及取值、施工步劃分上仍需結(jié)合實(shí)際工程做進(jìn)一步研究。

4)目前高海拔嚴(yán)寒地區(qū)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(lèi)。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(dòng)保溫措施和被動(dòng)保溫措施2類(lèi),主動(dòng)保溫措施有電伴熱法、地源熱泵法、空氣幕保溫法等,被動(dòng)保溫措施有設(shè)置防寒保溫門(mén)、防雪棚、陽(yáng)光棚及敷設(shè)保溫隔熱層?？箖龃胧┯袊鷰r注漿、襯砌抗凍。在高海拔嚴(yán)寒地區(qū)常將防排水、保溫、抗凍措施相結(jié)合,進(jìn)行綜合防治。在處置措施方面還存在以下不足:①對(duì)于防水措施,對(duì)不同地質(zhì)段進(jìn)行分段防水是十分有必要的,復(fù)雜的地質(zhì)條件使得注漿方案、防水層鋪設(shè)方式還需進(jìn)一步研究,同時(shí),還應(yīng)注重新材料的研發(fā),長(zhǎng)期的極端低溫使得對(duì)防水材料的抗凍性、抗?jié)B性等提出了新的要求。②對(duì)于排水措施,目前多依據(jù)規(guī)范來(lái)設(shè)置處置措施,但仍需考慮隧道長(zhǎng)度、氣溫、風(fēng)向、坡度等因素,結(jié)合長(zhǎng)期溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)于不同溫度段內(nèi)設(shè)置不同的排水措施。③對(duì)于主動(dòng)保溫措施,目前使用較多的仍然是電伴熱法,高海拔嚴(yán)寒地區(qū)具有強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)光等明顯的地域特色,清潔能源的使用率仍較小。④對(duì)于被動(dòng)保溫措施,目前洞口段保溫層敷設(shè)常采用同一材料、同一厚度,應(yīng)根據(jù)不同的凍害情況分段對(duì)隧道保溫層厚度、材料、設(shè)置方式進(jìn)行比選。防寒保溫門(mén)的設(shè)置雖受到車(chē)流量的影響,但仍是良好的保溫措施,空氣幕系統(tǒng)與保溫門(mén)控制系統(tǒng)的關(guān)系仍不明確。⑤對(duì)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(jié)構(gòu)抗凍措施。對(duì)于不良地質(zhì)發(fā)育良好的高海拔嚴(yán)寒地區(qū),材料的保溫性及抗凍性仍有待進(jìn)一步研究。

5.2 展望

1)通過(guò)對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知,高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道位于季凍區(qū)和多年凍土區(qū),目前對(duì)于高海拔嚴(yán)寒地區(qū)的分區(qū)并沒(méi)有明確的標(biāo)準(zhǔn),需要結(jié)合該地區(qū)的地質(zhì)條件和氣候條件等做進(jìn)一步研究。

2)在凍害機(jī)制研究方面,現(xiàn)階段雖對(duì)多理論進(jìn)行聯(lián)合分析,但仍在起步階段。因此,未來(lái)可以建立多年凍土區(qū)以整體性圍巖凍脹理論為主、季凍區(qū)以裂隙水凍脹理論為主的多理論聯(lián)合分析體系。

3)在溫度場(chǎng)研究方面,高海拔嚴(yán)寒地區(qū)復(fù)雜多變的地域特點(diǎn),促使未來(lái)溫度場(chǎng)研究應(yīng)向多圍巖類(lèi)型、多因素、多場(chǎng)耦合方向轉(zhuǎn)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(yīng)用仍是未來(lái)凍害防治的研究方向。為此,對(duì)極端嚴(yán)寒條件下高海拔地區(qū)風(fēng)能、太陽(yáng)能等清潔能源的開(kāi)發(fā),保溫層敷設(shè)長(zhǎng)度及厚度確定,空氣幕系統(tǒng)與保溫門(mén)控制系統(tǒng)的關(guān)系,圍巖注漿方案優(yōu)選,襯砌設(shè)置形式,考慮海拔及高山風(fēng)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(lái)的研究重點(diǎn)。