寒區(qū)隧道抗防凍設(shè)計標準研究

馬志富， 楊昌賢

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司， 天津 300308)

0 引言

工程實踐表明,由于環(huán)境氣溫出現(xiàn)周期性劇烈的正負溫變化，大量寒區(qū)交通隧道運營后易出現(xiàn)凍害問題，一般表現(xiàn)為襯砌結(jié)構(gòu)和附屬設(shè)施掛冰、排水溝冰塞、路面(道床)積冰、結(jié)構(gòu)開裂等，嚴重時甚至會出現(xiàn)剝落、掉塊，既危及行車安全，又影響隧道的使用功能和耐久性。因此，針對寒區(qū)隧道，開展抗防凍專項設(shè)計意義重大。

近年來，針對寒區(qū)隧道的凍害問題，我國工程技術(shù)人員開展了隧道抗防凍相關(guān)技術(shù)攻關(guān)，取得了系列技術(shù)的進步，大大降低了寒區(qū)隧道的凍害風險。例如： 高焱等[1]通過調(diào)研分析156座寒區(qū)隧道的凍害資料，提出按地理位置將隧道寒區(qū)劃分為高緯度地區(qū)和高海拔地區(qū)，以最冷月平均氣溫和凍結(jié)深度為分區(qū)指標，將寒區(qū)細分為5個亞區(qū)，并探討了不同亞區(qū)的隧道保溫排水技術(shù)； 馬志富等[2-4]基于最冷月平均氣溫和年平均氣溫的高緯度和高海拔寒區(qū)鐵路隧道設(shè)計分區(qū)，并結(jié)合分區(qū)提出相關(guān)的抗防凍技術(shù)要求； 賈輝[5]根據(jù)隧道內(nèi)自然風流成因的不同，提出將不同寒區(qū)隧道劃分為自然風主導(dǎo)型、熱位差主導(dǎo)型、自然風與熱位差共同主導(dǎo)型、大氣氣壓梯度影響型4類，并提出按隧道洞內(nèi)最冷月平均氣溫為-3 ℃、最冷日平均氣溫為0 ℃作為洞內(nèi)分區(qū)閾值，將1條長大隧道沿縱向劃分為防寒強影響區(qū)、弱影響區(qū)和無影響區(qū)； 秦小軍[6]提出按最冷負溫值和凍結(jié)時間將單座隧道沿縱向按溫度梯度劃分為強影響區(qū)、中影響區(qū)、弱影響區(qū)和無影響區(qū)； 譚賢君等[7]、夏才初等[8-9]、葉朝良等[10]、王志杰等[11]分別依托不同的隧道工程或基于不同的邊界條件，開展了寒區(qū)隧道保溫層設(shè)防長度的研究； 鄭波等[12]通過多高海拔雀兒山運營公路隧道洞口段開展溫度實測，提出隧道洞口保溫層鋪設(shè)長度取900 m； 羅彥斌[13]采用綜合評判的方法，以最冷月平均氣溫、凍結(jié)深度、地下水的賦存與補給、地下水滲入隧道情況作為評價指標，將新建隧道的抗凍設(shè)防等級劃分為5級； 孫兵[14]根據(jù)隧道穿越凍土的不同位置，提出將寒區(qū)隧道分為5類，分別從襯砌凍脹力作用等級、洞內(nèi)結(jié)冰影響正常使用等級、混凝土結(jié)構(gòu)凍融環(huán)境下的結(jié)構(gòu)耐久性和混凝土凍害疲勞強度4個方面，對寒區(qū)隧道凍害等級進行劃分，并據(jù)此提出了寒區(qū)隧道凍害設(shè)防等級劃分標準； 苑郁林等[15]提出將寒區(qū)隧道的圍巖劃分為凍融圍巖和永凍圍巖，并考慮圍巖凍融敏感度將隧道圍巖劃分為敏感型凍融圍巖、非敏感型凍融圍巖、敏感型永凍圍巖和非敏感型永凍圍巖4個子類； 周小涵[16]通過數(shù)值模擬方法比較分析不同自然風和活塞風情況、不同運營年份隧道圍巖溫度的縱向分布情況后，提出寒區(qū)隧道抗凍設(shè)防的合理范圍； 李磊[17]采用文獻分析調(diào)研了凍土隧道凍害的特征、原因以及發(fā)生的位置，分析推導(dǎo)了多年凍土隧道洞口段的抗凍設(shè)防長度計算公式。

總結(jié)上述針對寒區(qū)隧道開展的技術(shù)研究，一類主要考慮不同地理位置或因長大隧道沿縱向回溫明顯的分布規(guī)律而開展相應(yīng)的寒區(qū)隧道設(shè)計分區(qū)研究，而另一類則主要針對寒區(qū)隧道抗防凍設(shè)防長度標準開展研究。因此，基于寒區(qū)隧道設(shè)計分區(qū)的抗防凍設(shè)計標準是進一步提高寒區(qū)隧道技術(shù)的方向。

本文通過調(diào)研、分析及測試等方法，擬結(jié)合地理位置提出寒區(qū)隧道設(shè)計分區(qū)，總結(jié)目前我國寒區(qū)交通隧道的抗防凍技術(shù)現(xiàn)狀，通過結(jié)合現(xiàn)場實測運營鐵路隧道洞內(nèi)溫度沿縱向的分布規(guī)律，分析寒區(qū)隧道抗防凍設(shè)計的主導(dǎo)因素。

1 寒區(qū)概述

1.1 寒區(qū)地理分布概況

考慮寒區(qū)的環(huán)境氣溫長時間處于0 ℃以下，位于寒區(qū)的隧道可能處于多年凍土、季節(jié)性凍土或非凍土地層。而相關(guān)研究表明，全球凍土的分布具有明顯的緯度和垂直地帶性規(guī)律，主要分布于南北半球的中、高緯度地區(qū)，以及部分低緯度高海拔地區(qū)，如地處高緯度的俄羅斯和加拿大等國家和地區(qū)，大部分區(qū)域分布多年凍土，而地處中低緯度的青藏高原，是我國多年凍土分布的主要區(qū)域。

1.2 我國寒區(qū)的地理分布情況

相關(guān)研究[18]表明，我國的寒區(qū)分布十分廣泛。其中，多年凍土面積約為215.0×104km2，季節(jié)性凍土面積約為514.0×104km2。具體從地理位置分析，我國寒區(qū)主要位于東北三省和內(nèi)蒙古東北部及華北北部，西北的甘肅、青海、新疆(其中準噶爾盆地、塔里木盆地和河西北部的沙漠地區(qū)除外)，西南的西藏、川西的阿壩、甘孜、云南的滇北、玉龍山和高黎貢山的北部等地區(qū)[19]。

東北寒區(qū)屬于低山高緯度寒區(qū)，雖然海拔不高，但由于緯度高，受北冰洋寒潮及蒙古高壓的影響，寒季盛行西北風，形成半年持續(xù)低溫、干冷多雪的特征，氣溫變化劇烈，是我國最寒冷的自然區(qū)域；而以青藏高原為主的西部寒區(qū)屬低緯度高海拔寒區(qū)，雖然緯度低，深居內(nèi)陸，但地勢高亢，受高空西風環(huán)流控制，在對流層地層并受高原季風影響，冬季高原面上的大氣層相對同高度的自由大氣是個冷源，形成青藏冷高壓，盛行反氣旋環(huán)流。

2 寒區(qū)隧道的設(shè)計分區(qū)

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，隧道節(jié)能環(huán)保的理念日益凸顯。為適應(yīng)隧道設(shè)計時因地制宜的要求，達到節(jié)能環(huán)保的目的，寒區(qū)隧道應(yīng)考慮由于不同地區(qū)的氣候差異產(chǎn)生的不利影響。

以鐵路隧道為例,寒區(qū)分為微凍地區(qū)(最冷月平均氣溫為-3～2.5 ℃)、寒冷地區(qū)(-8～-3 ℃)和嚴寒地區(qū)(≤-8 ℃)。在華北、東北高緯度寒區(qū)工程設(shè)計中，微凍地區(qū)一般無須采取工程措施，寒冷地區(qū)采取一般的防寒措施即可防止凍害，嚴寒地區(qū)是抗防凍的主戰(zhàn)場，需要采取系統(tǒng)的抗防凍措施才能減輕凍害風險。但高緯度嚴寒地區(qū)范圍很廣，覆蓋了內(nèi)蒙古及東三省的大部分地區(qū)。隨著緯度的增高，嚴寒程度差別很大，隧道抗防凍需根據(jù)嚴寒程度的不同進行差異化設(shè)計，才能體現(xiàn)設(shè)計的針對性，因此采取分區(qū)設(shè)計是必要的。

同理，對于高海拔寒區(qū)，目前規(guī)范按照最冷月平均氣溫的3檔劃分方法，也不能充分體現(xiàn)設(shè)計的針對性，因此進行分區(qū)設(shè)計更為合理。

2.1 東北高緯度寒區(qū)隧道設(shè)計分區(qū)

我國高緯度寒區(qū)以東北地區(qū)和華北北部為代表，緯度為北緯40°～52°，最冷月平均氣溫為-28～-3 ℃，年平均氣溫為-4～12 ℃，近地表不受環(huán)境氣溫影響的恒溫帶溫度為-1～15 ℃，即年平均氣溫約低于恒溫帶溫度3 ℃。東北高緯度寒區(qū)大部分處于季節(jié)性凍土范圍，僅在大興安嶺及長白山山區(qū)海拔超過1 200 m的局部范圍分布多年凍土。根據(jù)黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙中東部、山西北部及河北北部(含京津)等地區(qū)的氣象要素，并結(jié)合這一區(qū)域內(nèi)既有交通隧道的抗防凍技術(shù)和出現(xiàn)的凍害情況等[3-4]，可將高緯度寒區(qū)隧道劃分為5個分區(qū)。高緯度寒區(qū)隧道設(shè)計分區(qū)如表1所示。

表1 高緯度寒區(qū)隧道設(shè)計分區(qū)

2.2 高海拔寒區(qū)設(shè)計分區(qū)

我國的青藏高原深居內(nèi)陸，地勢高亢，是典型的高海拔寒區(qū)。高原東南部山體雄偉，河流深切，其西北部則地勢平緩，呈現(xiàn)大范圍的無人區(qū)，季節(jié)性凍土廣泛分布，出現(xiàn)多年凍土的海拔基本穩(wěn)定在4 500～5 000 m以上，海拔超過5 000 m的地區(qū)，表層土壤雖有凍融，但變溫帶內(nèi)的溫度難以達到冰點以上。因此，高海拔寒區(qū)氣候隨高度垂直變化明顯，季節(jié)性凍土廣泛分布、多年凍土連片分布的地域特點是隧道工程抗防凍面臨的重要技術(shù)難題。結(jié)合海拔、氣象特征參數(shù)等，類比高緯度寒區(qū)隧道設(shè)計分區(qū)，可將高海拔寒區(qū)隧道劃分為5個分區(qū)。高海拔寒區(qū)隧道的設(shè)計分區(qū)如表2所示。

表2 高海拔寒區(qū)隧道的設(shè)計分區(qū)

東北高緯度寒區(qū)是我國最寒冷的區(qū)域，參考建筑行業(yè)并結(jié)合相關(guān)隧道凍害情況提出了高緯度寒區(qū)隧道的設(shè)計分區(qū)；而以青藏高原為代表的高海拔寒區(qū)，具有最冷月平均氣溫不低、年平均氣溫較低的氣候特點，類比高緯度寒區(qū)提出了高海拔寒區(qū)隧道設(shè)計分區(qū)。上述分區(qū)的合理性，需結(jié)合工程實踐進一步驗證優(yōu)化。

3 寒區(qū)隧道抗防凍設(shè)計理念與標準現(xiàn)狀

3.1 寒區(qū)隧道抗防凍主要設(shè)計理念

地下水由于持續(xù)的負溫能量累積而結(jié)冰，是寒區(qū)隧道產(chǎn)生凍害的必要條件，因此，針對寒區(qū)隧道的凍害問題，防止隧道周圍的地下水結(jié)冰是寒區(qū)隧道抗防凍技術(shù)的核心理念。

為了防止隧道周圍地下水結(jié)冰，以達到預(yù)防凍害的目的，一方面充分利用隧道所在地區(qū)的地溫條件，通過設(shè)置保溫水溝、中心深埋水溝和防寒泄水洞等防凍型排水設(shè)施，從而使隧道周邊的地下水通暢排導(dǎo)；另一方面，通過阻斷負溫能量傳入襯砌背后入手，采取設(shè)置保溫層等措施，盡量保持隧道襯砌背后不出現(xiàn)負溫區(qū)域。

寒區(qū)近年開通運營隧道的工程實踐表明，由于寒區(qū)劇烈的溫度變化，尤其是由較大負溫差引起的溫度拉應(yīng)力作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“鋸齒形”的環(huán)向裂紋，不利于結(jié)構(gòu)的耐久性。因此，防止溫度應(yīng)力對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，是寒區(qū)隧道結(jié)構(gòu)抗凍的主要目標。

針對結(jié)構(gòu)抗凍，寒區(qū)鐵路隧道采用加強結(jié)構(gòu)、設(shè)置溫度變形縫等措施；寒區(qū)公路隧道則通過加強結(jié)構(gòu)、襯砌表面外貼保溫層等措施。

此外，部分運營隧道產(chǎn)生凍害后，冬季通過對排水系統(tǒng)采取主動加熱等方式融化結(jié)冰治理凍害，效果顯著。

3.2 寒區(qū)公路隧道相關(guān)技術(shù)標準現(xiàn)狀

3.2.1 技術(shù)標準概況

目前，國內(nèi)公路行業(yè)在編制寒區(qū)隧道專項技術(shù)標準方面暫處于領(lǐng)先地位，發(fā)布了青海省地方標準DB 63/T 1674—2018《多年凍土區(qū)公路隧道技術(shù)規(guī)范》。四川省公路有關(guān)部門依托川西高原公路隧道的設(shè)計、施工，形成了《川西高原公路隧道設(shè)計與施工技術(shù)指南》[20]。此外，交通運輸部和工程建設(shè)標準化協(xié)會也分別形成了《寒區(qū)公路隧道技術(shù)規(guī)范》征求意見稿。

在此基礎(chǔ)上，交通部發(fā)布的JTG/T D31-06—2017《節(jié)性凍土地區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》[21]對季節(jié)性凍土區(qū)隧道的設(shè)計與施工提出了相關(guān)技術(shù)要求。JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范 第一冊 土建工程》[22]和JTG/T D70—2010《公路隧道設(shè)計細則》[23]均對多年凍土隧道設(shè)計以及寒冷和嚴寒地區(qū)隧道排水設(shè)計做了相關(guān)規(guī)定。

3.2.2 《多年凍土區(qū)公路隧道技術(shù)規(guī)范》

3.2.2.1 主要內(nèi)容

《多年凍土區(qū)公路隧道技術(shù)規(guī)范》從高海拔高寒地區(qū)多年凍土公路隧道的建設(shè)條件調(diào)查、隧道總體設(shè)計、建筑限界及內(nèi)輪廓、支護結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工、防排水設(shè)計與施工、隧道開挖、隧道防寒保溫設(shè)計與施工和隧道施工機械配套技術(shù)等方面提出了詳細的技術(shù)要求。

該規(guī)范提出了保溫水溝設(shè)防長度標準： 當最冷月平均氣溫為-10～-15 ℃，且隧道長度小于1 000 m時，隧道通長設(shè)置保溫水溝；當最冷月平均氣溫為-10～-12 ℃，且隧道長度大于1 000 m時，分別在低洞口端設(shè)置長200～400 m和在高洞口端設(shè)置長150～300 m的保溫水溝；當最冷月平均氣溫為-12～-15 ℃，且隧道長度大于1 000 m時，分別在低洞口設(shè)置長300～500 m和在高洞口設(shè)置長250～450 m的保溫水溝。

3.2.2.2 需進一步完善的內(nèi)容

雖然該規(guī)范涵蓋了多年凍土和季節(jié)性凍土，但排水系統(tǒng)防凍采用季節(jié)性凍土區(qū)設(shè)防思想，設(shè)防長度則需通過對隧道長度、水量大小、水溫、主導(dǎo)風向、水溝坡度等因素綜合分析確定。

可以看出，該規(guī)范尚需在多年凍土和季節(jié)性凍土隧道的抗防凍措施方面進一步研究細化，對排水系統(tǒng)設(shè)防長度主導(dǎo)因素方面進一步研究深化。

3.2.3 《川西高原公路隧道設(shè)計與施工技術(shù)指南》

3.2.3.1 主要內(nèi)容

《川西高原公路隧道設(shè)計與施工技術(shù)指南》提出了川西高原公路隧道分類，隧道結(jié)構(gòu)、通風及供氧計算，隧道勘察、隧道總體設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、通風及供氧設(shè)計，隧道施工通風、制氧供氧和冬季施工，建筑材料性能要求等。

3.2.3.2 需進一步完善的內(nèi)容

1)提出了川西高原公路隧道海拔分級標準，但樣本容量偏少，有待進一步結(jié)合工程實踐深化研究。

2)提出了建立新氣象觀測站時，觀測周期不小于1個氣象年，且應(yīng)與本地既有氣象資料進行校核，氣象資料統(tǒng)計年限不小于10年。由于單一的氣象數(shù)據(jù)具有一定的偶然性，因此，世界氣象組織一般規(guī)定，氣象特征資料統(tǒng)計的最短年限為30年。因此，氣象參數(shù)的合理性有待進一步研究確定。

3)在保溫層設(shè)防長度計算中，推薦并引入黑川希范公式，并結(jié)合川西已運營的10余座公路隧道實測結(jié)果，提出了不同風向、風速條件下保溫層設(shè)防長度的建議值?？紤]提出該建議值的樣本容量相對較少，該設(shè)防長度仍需結(jié)合海拔、隧道長度、坡度、風向等進一步驗證。

3.2.4 《季節(jié)性凍土地區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》

3.2.4.1 主要內(nèi)容

《季節(jié)性凍土地區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》提出了隧道抗凍設(shè)防等級、抗凍保溫構(gòu)造、襯砌結(jié)構(gòu)抗凍設(shè)計、防水和排水設(shè)計、保溫層施工等相關(guān)技術(shù)要求。

3.2.4.2 需進一步完善的內(nèi)容

1)該規(guī)范提出了無電伴熱時隧道保溫隔熱設(shè)防長度標準，但其最冷月平均氣溫最低值為-20 ℃，隧道最長為3 000 m。對于最冷月平均氣溫低于-20 ℃或長度大于3 000 m的隧道，其設(shè)防長度有待進一步研究確定。

2)該規(guī)范要求對抗凍設(shè)防等級為一級、二級的隧道區(qū)段，襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮凍脹力荷載影響，但關(guān)于凍脹力的計算方法尚需進一步研究確定。

3)該規(guī)范提出了基于抗凍設(shè)防等級的排水設(shè)施凍害預(yù)防措施，而排水設(shè)施的設(shè)防長度標準有待進一步研究明確。

3.2.5 其他相關(guān)的公路規(guī)范

3.2.5.1 主要內(nèi)容

JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范 第一冊 土建工程》和JTG/T D70—2010《公路隧道設(shè)計細則》從多年凍土基本性質(zhì)、隧道位置選擇、洞口位置確定、襯砌結(jié)構(gòu)、防排水、保溫隔熱層、施工等方面對多年凍土隧道設(shè)計提出了技術(shù)要求，并從保溫水溝設(shè)計、中心深埋水溝設(shè)計、防寒泄水洞設(shè)計對寒冷和嚴寒地區(qū)隧道排水設(shè)計提出了系列要求。

3.2.5.2 需進一步完善的內(nèi)容

《公路隧道設(shè)計細則》提出了2個關(guān)于凍脹力的計算公式，但夏才初等[24]經(jīng)研究分析后認為2個公式均與實際情況不相符合。

3.3 寒區(qū)鐵路隧道相關(guān)技術(shù)標準現(xiàn)狀

3.3.1 設(shè)計規(guī)范

3.3.1.1 主要內(nèi)容

由于地域差異大，不同功能及不同速度的鐵路類型多，以及寒區(qū)鐵路隧道規(guī)模相對較小等原因，鐵路行業(yè)至今未形成寒區(qū)隧道專項技術(shù)規(guī)范、規(guī)程等。TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[25]從隧道所處氣候環(huán)境分類、抗凍設(shè)防段設(shè)計、防寒排水設(shè)計等方面提出了原則性的基本規(guī)定。

TB 10005—2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》[26]針對凍融環(huán)境作用下隧道襯砌混凝土的性能指標提出了相關(guān)技術(shù)要求。

3.3.1.2 需進一步完善的內(nèi)容

1)規(guī)范[25]要求按照最冷月平均氣溫確定防寒措施及設(shè)防長度，能夠適應(yīng)高緯度寒區(qū)，但對高海拔寒區(qū)的適應(yīng)性有待進一步研究。

2)規(guī)范[25]提出了凍融環(huán)境等級標準，能夠適應(yīng)洞門及洞外的結(jié)構(gòu)工程，但對隧道洞內(nèi)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性有待進一步研究。

3)規(guī)范[25]提出了洞口段排水系統(tǒng)防凍及結(jié)構(gòu)抗凍的設(shè)防長度，但屬于粗線條的要求。為增強其適應(yīng)性，尚需進一步深化研究并細化要求。

4)規(guī)范[25]要求嚴寒及寒冷地區(qū)受凍害影響的隧道段應(yīng)考慮凍脹力，但未明確凍脹力如何確定。

5)規(guī)范[25]對保溫層缺乏要求，考慮鐵路隧道運營特點、高速列車風對隧道內(nèi)附屬構(gòu)筑物的影響等因素，寒區(qū)隧道襯砌表面一般不設(shè)置保溫層。位于多年凍土區(qū)的寒區(qū)鐵路隧道，初期支護與二次襯砌之間設(shè)置保溫層，實踐證明對防止凍土融化是有效的。對于季節(jié)性凍土隧道，初期支護與二次襯砌之間設(shè)置保溫層后，其實施效果尚有待實踐驗證。

3.3.2 施工規(guī)范

3.3.2.1 主要內(nèi)容

Q/CR 9604—2015《高速鐵路隧道施工技術(shù)規(guī)程》[27]和Q/CR 9653—2017《客貨共線鐵路隧道施工技術(shù)規(guī)程》[28]分別對高原凍土和多年凍土隧道施工提出了相關(guān)技術(shù)要求。Q/CR 9250—2020《鐵路隧道襯砌施工技術(shù)規(guī)程》[29]則對寒區(qū)隧道初期支護、防水層和二次襯砌混凝土等方面分別提出了技術(shù)要求。

3.3.2.2 需進一步完善的內(nèi)容

1)規(guī)范[27-29]對寒區(qū)防排水系統(tǒng)施工提出了相關(guān)要求，但對影響施工安全、質(zhì)量的具體工藝工法，需結(jié)合寒區(qū)隧道施工經(jīng)驗進一步細化。

2)規(guī)范[27-29]對結(jié)構(gòu)抗凍的技術(shù)要求主要限于冬季施工管理及混凝土入模溫度控制等方面，但對提高寒區(qū)抗凍性能有益的低收縮混凝土、施工工藝控制等方面尚需進一步研究。

3.4 寒區(qū)水工隧洞相關(guān)技術(shù)標準現(xiàn)狀

GB/T 50662—2011《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》[30]、NB/T 35024—2014《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》[31]針對水工的渠道與渠道襯砌抗防凍設(shè)計提出了相關(guān)技術(shù)要求。

3.5 其他與寒區(qū)相關(guān)的技術(shù)標準

GB/T 50476—2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標準》[32]、JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》[33]等針對凍融環(huán)境條件下的混凝土的抗?jié)B、抗凍、摻合劑指標等提出了相關(guān)規(guī)定。

綜上所述，寒區(qū)隧道抗防凍設(shè)計理念及標準現(xiàn)狀如下：

1)寒區(qū)隧道抗防凍設(shè)計的核心理念是圍繞隧道構(gòu)建保溫排水系統(tǒng)，確保隧道周邊的地下水及時、暢通地疏排。采用加強襯砌、提高結(jié)構(gòu)抗凍性能、設(shè)置保溫層等措施，是寒區(qū)隧道結(jié)構(gòu)抗凍設(shè)計的主要原則。

2)排水系統(tǒng)防凍方面，寒區(qū)公路及鐵路隧道規(guī)范、標準均根據(jù)所在地區(qū)不同的最冷月平均溫度，分別采用保溫水溝、中心深埋水溝和防寒泄水洞等措施；但對于保溫排水設(shè)施的設(shè)置長度方面，各類標準尚需進一步研究完善。

3)襯砌結(jié)構(gòu)抗凍方面，寒區(qū)鐵路隧道采用加強結(jié)構(gòu)、設(shè)置溫度變形縫等措施；寒區(qū)公路隧道則采用加強結(jié)構(gòu)、襯砌表面外貼保溫層等措施。

4)對寒區(qū)隧道凍脹力的認識有待進一步研究。

4 抗防凍設(shè)計措施及研究優(yōu)化方向

4.1 設(shè)計措施

4.1.1 主要設(shè)計原則

1)隧道位置宜避免洞口及洞身以淺埋方式長段落穿越大型溝谷，并宜減少穿越斷層、節(jié)理密集帶等富水地層，隧道宜避免穿越長段落的黏性土、泥巖等地層。

2)隧道洞口宜選擇在背風向陽、不易積雪、便于排水的位置。

3)寒區(qū)隧道內(nèi)的縱坡不宜小于5‰，當縱坡小于5‰時，隧道內(nèi)的排水系統(tǒng)除應(yīng)進行正常的防寒保溫系統(tǒng)設(shè)計外，還應(yīng)采取其他加強保溫排水的措施。

4)有條件時，長隧道宜盡量采用人字坡。

5)隧道的防排水設(shè)計除遵循“防、排、截、堵結(jié)合，因地制宜，綜合治理，保護環(huán)境”的原則外，還應(yīng)結(jié)合項目所在地的氣候條件、工程與水文地質(zhì)、環(huán)境條件等影響因素，遵循“防寒可靠、排水通暢、施工方便、維護易行、節(jié)能環(huán)?！钡脑瓌t，采取切實可靠的設(shè)計、施工措施。

6)當隧道襯砌背后出現(xiàn)負溫區(qū)且地下水補給來源充足時，可采用以“防寒堵水”為主要目的的徑向注漿或超前注漿，在隧道初期支護外側(cè)的圍巖體中構(gòu)建一個封閉的防滲圈。

7)為防止寒區(qū)隧道排水系統(tǒng)發(fā)生凍害，保證隧道排水通暢，應(yīng)結(jié)合氣候條件和地下水發(fā)育程度制定針對性的保溫防凍措施。

8)寒區(qū)隧道洞口附近存在凍害地段應(yīng)設(shè)置抗凍設(shè)防段，抗凍設(shè)防段二次襯砌應(yīng)采用防水鋼筋混凝土，并設(shè)置溫度伸縮縫。

9)寒區(qū)隧道的拱墻和仰拱襯砌，仰拱填充及側(cè)溝的施工縫或變形縫等應(yīng)上下貫通對齊；當鋪設(shè)無砟軌道時，無砟軌道底座伸縮縫與上述接縫亦應(yīng)上下貫通對齊。

10)當隧道洞門墻基礎(chǔ)位于凍脹性地層時，應(yīng)將洞門墻基礎(chǔ)底面埋置于凍結(jié)線以下0.25 m處；當凍結(jié)線較深時，采取基底換填處理等措施，確保洞門墻基底安全。

11)隧道洞口淺埋段位于凍脹性敏感性高的圍巖地段時，宜優(yōu)先采用明挖法施工，并采用非凍脹性材料回填。

4.1.2 主要工程措施

寒區(qū)隧道洞口附近存在凍害地段，應(yīng)設(shè)置結(jié)構(gòu)抗凍設(shè)防段和保溫排水系統(tǒng)防凍設(shè)防段，結(jié)合寒區(qū)隧道工程經(jīng)驗、相關(guān)規(guī)范要求，并考慮兩洞口氣壓差的影響，提出高緯度寒區(qū)和高海拔寒區(qū)隧道低洞口結(jié)構(gòu)抗凍設(shè)防和保溫排水系統(tǒng)防凍設(shè)防建議長度(見表3和表4)，同時提出高緯度寒區(qū)和高海拔寒區(qū)低洞口保溫排水系統(tǒng)防凍設(shè)施類型選擇(見表5和表6)。與之相對，寒區(qū)隧道高洞口的抗防凍設(shè)防長度可在此基礎(chǔ)上適當縮短。

表3 寒區(qū)隧道低洞口結(jié)構(gòu)抗凍設(shè)防建議長度一覽表

表4 寒區(qū)隧道低洞口保溫排水系統(tǒng)防凍設(shè)防建議長度一覽表

表5 高緯度寒區(qū)隧道低洞口保溫排水設(shè)施類型選擇一覽表

表6 高海拔寒區(qū)隧道低洞口保溫排水設(shè)施類型選擇一覽表

由表3—6可知，高緯度寒區(qū)和高海拔寒區(qū)設(shè)防長度及保溫排水設(shè)施類型的差異，主要考慮了我國高緯度寒區(qū)和高海拔寒區(qū)的地形、地溫等差異對隧道工程的影響。以華北和東北為代表的高緯度寒區(qū)，隧道所在地區(qū)一般為低山丘陵地貌，隧道埋深變化較小，沿隧道縱向的地溫變化梯度小。而以川藏線為代表的高海拔寒區(qū)，隧道一般通過高亢的山體，隧道埋深變化較大，沿隧道縱向地溫變化梯度大。

上述提出的設(shè)防長度等標準，需在今后的工程實踐中進一步驗證與優(yōu)化。

4.2 研究優(yōu)化方向

4.2.1 基礎(chǔ)研究

4.2.1.1 深化寒區(qū)隧道設(shè)計分區(qū)研究

由于我國的寒區(qū)分布十分廣泛，目前初步提出了高緯度寒區(qū)和高海拔寒區(qū)設(shè)計分區(qū)標準。對同一高緯度地區(qū)不同海拔條件隧道的差異，同一高海拔地區(qū)不同緯度條件隧道的差異，有必要進一步開展設(shè)計分區(qū)細化研究。

4.2.1.2 開展運營隧道洞內(nèi)溫度場相關(guān)基礎(chǔ)研究

寒區(qū)隧道施工及貫通后，洞內(nèi)受外界環(huán)境溫度影響以及自然通風、機械通風、活塞風等作用，加劇了洞內(nèi)空氣與隧道結(jié)構(gòu)和圍巖等的對流傳熱，打破了洞內(nèi)及周邊一定范圍圍巖構(gòu)成的溫度場的平衡，隧道洞內(nèi)及圍巖的溫度場隨之發(fā)生改變。寒區(qū)隧道洞內(nèi)及圍巖溫度場的變化規(guī)律，直接關(guān)系寒區(qū)隧道抗防凍設(shè)防長度標準。目前已有一定的測試數(shù)據(jù)，但樣本數(shù)量總體偏少。

因此，進一步開展大范圍的寒區(qū)運營隧道洞內(nèi)溫度場、風速和圍巖溫度場等的測試研究，確定相關(guān)變化規(guī)律，對科學制定寒區(qū)隧道抗防凍設(shè)計標準是十分必要的。

4.2.1.3 加強隧道凍脹力研究

目前，《公路隧道設(shè)計細則》提出了2個凍脹力的計算公式。其中，基于含水風化層凍脹模型的凍脹力公式，在推導(dǎo)時假定只有含水風化層才產(chǎn)生凍脹，且凍結(jié)風化層外的未凍結(jié)圍巖為剛性約束，凍脹變形僅單向襯砌方向發(fā)展，與實際情況可能不完全相符；而基于凍融圈整體凍脹模型的凍脹力公式，推導(dǎo)時基于平面應(yīng)變假設(shè)，但在推導(dǎo)過程中卻誤用了平面應(yīng)力狀態(tài)的控制方程，與實際情況也不相符[24]。而鐵路隧道則未明確凍脹力的確定方法，這些情況均對寒區(qū)隧道抗防凍設(shè)計產(chǎn)生較大影響。因此，需進一步開展寒區(qū)隧道凍脹力的研究。

4.2.2 保溫排水防凍設(shè)防

4.2.2.1 深化保溫排水設(shè)防長度研究

目前，寒區(qū)隧道抗防凍設(shè)計參考規(guī)范少，設(shè)計時主要依賴既有經(jīng)驗和參考類似工程，對保溫排水設(shè)防長度的選擇存在一定的隨意性，同一地區(qū)的不同工程存在較大偏差。這種情況一方面造成部分工程由于措施不足，使得隧道運營后出現(xiàn)不同程度的凍害；另一方面部分工程則由于措施過度，增加了施工難度、工程造價及運營維修成本。因此，基于設(shè)計分區(qū)，結(jié)合隧道溫度場的系統(tǒng)測試研究，確定寒區(qū)隧道保溫排水系統(tǒng)設(shè)防長度及設(shè)防措施。

4.2.2.2 細化注漿堵水設(shè)計

抗凍設(shè)防段，一般要求在地下水發(fā)育段采用圍巖徑向注漿防水，實際對指導(dǎo)現(xiàn)場作用不大。因此，在注漿防水段設(shè)置1個年度的觀察期，動態(tài)調(diào)整注漿段，做到“因地制宜，綜合治理”。

4.2.2.3 細化保溫排水系統(tǒng)設(shè)計

1)保溫水溝、深埋中心水溝采用預(yù)制管拼裝時，常因連接不當而導(dǎo)致管節(jié)不平順、錯位等，易出現(xiàn)排水不暢、接頭漏水，進而產(chǎn)生凍害，因此確保排水通暢管節(jié)的線性及接頭設(shè)計需進一步細化。

2)環(huán)向盲管采用深埋方式的保溫設(shè)計，對施工工序及進度產(chǎn)生的影響很大，研究埋置于噴射混凝土內(nèi)的保溫盲管或排水板式保溫盲管，是環(huán)向盲管保溫排水的方向。

3)中心深埋水溝在設(shè)防長度內(nèi)均采用同一深度，與隧道內(nèi)逐步升溫的特征和規(guī)律不協(xié)調(diào)。研究設(shè)防長度內(nèi)不同中心深埋水溝的不同埋置深度，對降低施工難度，減小工程風險，提高作業(yè)效率，節(jié)約工程投資等十分有利。

4)一般情況下，防寒泄水洞設(shè)置在隧道正下方。近年來，部分項目由于結(jié)合平導(dǎo)等原因，將泄水洞設(shè)置在隧道一側(cè)。設(shè)置于一側(cè)的防寒泄水洞，研究細化與正洞排水系統(tǒng)的連接設(shè)計，是實現(xiàn)泄水洞有效泄水，防止正洞內(nèi)結(jié)冰的重點。

4.2.3 結(jié)構(gòu)抗凍設(shè)防

寒區(qū)隧道結(jié)構(gòu)抗凍設(shè)防段，一般采用曲墻帶仰拱的復(fù)合式襯砌，襯砌結(jié)構(gòu)配筋；襯砌結(jié)構(gòu)拱墻、仰拱部位與仰拱填充、側(cè)溝、無砟軌道底座等結(jié)構(gòu)的環(huán)向施工縫(或變形縫)均統(tǒng)一于1條環(huán)縫，從而減輕溫度應(yīng)力對隧道結(jié)構(gòu)的影響。但寒區(qū)隧道需進一步研究如下問題：

1)研究寒區(qū)隧道襯砌混凝土裂縫控制技術(shù)?；炷两Y(jié)構(gòu)的開裂對其耐久性影響極大，分析其產(chǎn)生的原因可能與材料、施工工藝、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、環(huán)境溫度等密切相關(guān)，尤其是位于寒區(qū)由較大負溫差引起的溫度應(yīng)力作用不容忽視，應(yīng)進一步從結(jié)構(gòu)構(gòu)造、工藝等方面研究混凝土裂縫控制技術(shù)，消除對結(jié)構(gòu)耐久性的不利影響。

2)研究隧道襯砌接縫結(jié)構(gòu)構(gòu)造，確保接縫處的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，滿足隧道耐久性的要求。隧道接縫構(gòu)造加強示意如圖1所示。

圖1 隧道接縫構(gòu)造加強示意圖(單位： mm)

4.2.4 配套設(shè)備及工藝

與一般地區(qū)隧道相比，寒區(qū)隧道增加了諸多抗防凍措施，與之對應(yīng)的施工工藝水平要求高，質(zhì)量控制難度較大。寒區(qū)隧道在抗防凍措施的實施過程中，主要存在如下問題：

1)中心深埋水溝、泄水洞及配套檢查井等施工條件差，質(zhì)量控制難度較大。

2)保溫層在含水條件下保溫能力不足。

3)襯砌混凝土澆筑及防水板鋪設(shè)施工工藝控制不到位，易導(dǎo)致襯砌背后空洞、厚度及強度不足、施工冷縫等缺陷。

4)施工養(yǎng)護不到位，襯砌易出現(xiàn)開裂。

5)運營維護不當，排水系統(tǒng)堵塞后易產(chǎn)生凍害。

因此，需研發(fā)適用于寒區(qū)隧道保溫排水的專業(yè)施工設(shè)備、新型保溫材料、襯砌施工及養(yǎng)護的成套施工工藝，以及排水系統(tǒng)的維修養(yǎng)護設(shè)備，對實現(xiàn)寒區(qū)隧道的設(shè)計目標、保障隧道工程的安全是必要的。

5 寒區(qū)隧道抗防凍設(shè)防長度主導(dǎo)因素研究

為實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保、便于維修的目的，寒區(qū)隧道抗防凍設(shè)計的關(guān)鍵在于洞口保溫排水系統(tǒng)的防凍設(shè)防和結(jié)構(gòu)抗凍設(shè)防技術(shù)，而抗防凍設(shè)防長度標準的確定取決于洞內(nèi)溫度場的分布規(guī)律。相關(guān)研究表明，影響寒區(qū)隧道洞內(nèi)溫度場分布的因素可能包括隧道所在地理位置、洞口相對高差、平縱線型、主導(dǎo)風向與線路走向的關(guān)系、洞內(nèi)風速、圍巖地溫場、滲流場、列車活塞風作用等，由于缺少溫度場實測數(shù)據(jù)，目前對寒區(qū)隧道內(nèi)溫度場分布影響的主導(dǎo)性因素難以形成統(tǒng)一的認識。

此外，即將全面開建的川藏鐵路隧道工程數(shù)量巨大，且線路大致為東西走向，坡度為由低至高。沿線出現(xiàn)了許多位于高海拔寒區(qū)的大坡度單坡隧道，局部洞口相對高差甚至超過幾百米。

為了進一步研究寒區(qū)隧道兩端洞口設(shè)防長度的差異，開展寒區(qū)隧道抗凍設(shè)防長度主導(dǎo)因素研究，對進一步細化設(shè)計標準是必要的。

本文選擇的東北高緯度寒區(qū)隧道已開通運營，線路大走向均為西—東向的哈牡客專鮮豐隧道和牡綏鐵路雙豐隧道，分別開展持續(xù)1個冬季的洞內(nèi)溫度測試數(shù)據(jù)進行分析研究，以期總結(jié)影響寒區(qū)隧道抗防凍設(shè)防長度的主導(dǎo)因素。

5.1 工程概況

5.1.1 鮮豐隧道

哈牡客專鮮豐隧道進口位于哈爾濱市阿城區(qū)轄大嶺鄉(xiāng)鮮豐村正南方向約1 km處，出口位于利民村西北方向約0.6 km處。隧道起訖里程為DK62+730～DK67+075，全長4 345 m，洞身最大埋深約127 m，是速度為250 km/h的高速鐵路雙線隧道。隧址區(qū)最冷月平均氣溫為-18.4 ℃，隧道于2018年12月底正式開通運營。

隧道線位大致為西北—東南走向，與冬季主風向基本一致。隧道平面與縱坡示意如圖2所示。隧道為單面上坡，進、出口相對高差為36.9 m。

圖2 鮮豐隧道平縱示意圖(單位： m)

5.1.2 雙豐隧道

牡綏鐵路雙豐隧道位于黑龍江省東寧縣。隧道起訖里程為DK461+741～DK468+978，隧道全長7 237 m，洞身最大埋深約140 m，是速度為200 km/h客貨共線雙線隧道。隧址區(qū)最冷月平均氣溫為-18.1 ℃，隧道于2015年12月底正式開通運營。

隧道線位大致為西西北—東東南走向，與冬季主風向基本一致。隧道平面與縱坡示意如圖3所示。隧道按人字坡設(shè)計，進、出口相對高差為-56.48 m。

圖3 雙豐隧道平縱示意圖(單位： m)

5.2 洞內(nèi)溫度測試方案

1)為便于定位，自隧道洞口附近第1個檢查井開始，沿洞身方向每間隔16個檢查井(約480 m)布置1個洞內(nèi)溫度測試斷面。

2)每個測試斷面上布設(shè)1個洞內(nèi)溫度測點，溫度測試儀器按每30 min自動記錄1次數(shù)據(jù)設(shè)置?？紤]洞內(nèi)均運營高速列車，為保證運營安全，可在采取一定防水措施的情況下，將洞內(nèi)溫度測試儀放置在通信電纜槽內(nèi)。

3)測試周期不少于1個冬季。

5.3 測試結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場情況，于2017—2018年冬季對雙豐隧道進行洞內(nèi)溫度測試，分析數(shù)據(jù)的有效時間為2017年12月24日—2018年4月22日；于2018—2019年冬季對鮮豐隧道進行洞內(nèi)溫度測試，分析數(shù)據(jù)的有效時間為2018年12月25日—2019年4月20日。雙豐隧道測試周期內(nèi)日開行列車為10對，鮮豐隧道測試周期內(nèi)日開行列車為32對。

考慮隨著環(huán)境溫度的降低，水的凍結(jié)是一個逐步放熱的能量轉(zhuǎn)換過程，且1月通常被認為是我國氣象學意義上的最冷月，即自然狀態(tài)下凍結(jié)程度可能處于最嚴重的時期。因此，分別選擇在1月對鮮豐隧道和雙豐隧道洞內(nèi)實時溫度測試數(shù)據(jù)進行分析，統(tǒng)計洞內(nèi)進、出口附近的最低溫度，如表7所示。

表7 測試期隧道洞內(nèi)進、出口附近的最低溫度

由表7可知，該測試周期內(nèi)鮮豐和雙豐隧道內(nèi)實時最低溫度均明顯高于隧址區(qū)當?shù)刈罾湓缕骄鶜鉁?-18.1 ℃和-18.4 ℃)，表明1個測試周期的氣象數(shù)據(jù)可能不具有代表性。

進一步利用洞內(nèi)各溫度有效測點的數(shù)據(jù)計算1月洞內(nèi)各溫度測點的日平均氣溫后，繪制鮮豐和雙豐隧道洞內(nèi)各測點1月日平均氣溫沿隧道的縱向分布情況,如圖4和圖5所示。

圖4 鮮豐隧道洞內(nèi)各溫度測點在2019年1月日平均氣溫沿隧道縱向變化曲線

圖5 雙豐隧道洞內(nèi)各溫度測點在2018年1月日平均氣溫沿隧道縱向變化曲線

由圖4和圖5可知，高緯度寒區(qū)運營鐵路隧道洞內(nèi)溫度沿縱向具有如下分布規(guī)律：

1)2017—2018年冬季，長7.237 km的雙豐隧道距進口1～4 km段1月日平均氣溫處于0～2.5 ℃；而2018—2019年冬季，長4.345 km的鮮豐隧道在距進口2～3.6 km段1月日平均氣溫處于0～2.5 ℃。

2)冬季隧道洞內(nèi)溫度沿縱向分布呈兩端洞口低、洞身相對高的拋物線型；其中雙豐隧道洞內(nèi)溫度沿縱向分布的拋物曲線在距隧道進口約1 400 m處出現(xiàn)明顯拐點，而鮮豐隧道洞內(nèi)溫度沿縱向分布的拋物曲線則在距隧道進口約3 000 m處出現(xiàn)較明顯拐點，表明寒區(qū)隧道洞內(nèi)溫度沿縱向分布的拋物線曲線變化點明顯偏向海拔相對高的洞口端，且海拔相對高的洞口端溫度沿縱向變化速率明顯高于海拔相對低的洞口端。

3)雙豐隧道和鮮豐隧道由進口至出口的線路走向與冬季當?shù)刂鲗?dǎo)風向基本一致。但上坡的鮮豐隧道進口端負溫影響范圍明顯長于出口端，下坡的雙豐隧道出口端負溫影響范圍明顯長于進口端，表明洞口相對高差引起的自然氣壓差是影響寒區(qū)隧道洞內(nèi)溫度場沿縱向呈拋物線不對稱分布的主導(dǎo)因素。

6 結(jié)論與建議

1)我國寒區(qū)分布范圍廣，隧道設(shè)計時應(yīng)考慮由于不同地理位置的寒區(qū)氣候差異產(chǎn)生的不利影響。經(jīng)研究，初步提出高緯度寒區(qū)和高海拔寒區(qū)可按最冷月平均氣溫和年平均氣溫在地理位置劃分為5個設(shè)計分區(qū)的方法。

2)寒區(qū)隧道抗防凍應(yīng)圍繞隧道構(gòu)建保溫排水系統(tǒng)，確保隧道排水暢通為技術(shù)核心；而結(jié)構(gòu)抗凍可采取提高結(jié)構(gòu)抗凍性能和設(shè)置保溫層防凍等措施。

3)由隧道洞口相對高差形成的自然氣壓差，是影響寒區(qū)長大隧道洞內(nèi)溫度場沿縱向分布的主導(dǎo)因素，也是影響寒區(qū)隧道抗防凍設(shè)防長度及工程措施的主導(dǎo)因素。

4)寒區(qū)隧道設(shè)計分區(qū)方法、抗防凍設(shè)防長度及工程措施等標準，需進一步通過工程實踐、現(xiàn)場測試等手段研究優(yōu)化；同時，還應(yīng)加強寒區(qū)隧道施工裝備、維修養(yǎng)護設(shè)備及施工質(zhì)量控制等成套技術(shù)及標準的研究。