本文摘要：摘要：隧道地下水防凍(融)和結構抗凍是寒區(qū)隧道技術的關鍵，其中地下水防凍(融)是核心，結構抗凍是重點。通過結合地理位置以及寒區(qū)既有交通隧道的抗防凍技術和出現(xiàn)的凍害情況，提出高緯度寒區(qū)和高海拔寒區(qū)的設計分區(qū)方法;對比分析寒區(qū)公路和鐵路等隧道相關技術標準的現(xiàn)
摘要：隧道地下水防凍(融)和結構抗凍是寒區(qū)隧道技術的關鍵，其中地下水防凍(融)是核心，結構抗凍是重點。通過結合地理位置以及寒區(qū)既有交通隧道的抗防凍技術和出現(xiàn)的凍害情況，提出高緯度寒區(qū)和高海拔寒區(qū)的設計分區(qū)方法;對比分析寒區(qū)公路和鐵路等隧道相關技術標準的現(xiàn)狀及存在的問題，提出寒區(qū)隧道抗防凍措施的優(yōu)化方向;并結合實測運營鐵路隧道洞內(nèi)縱向溫度場，分析寒區(qū)隧道抗防凍設計的主導因素。結果表明：1)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，分別劃分為5個設計分區(qū);2)寒區(qū)隧道抗防凍關鍵是圍繞隧道構建保溫排水系統(tǒng)，結構抗凍可采取提高結構抗凍性能和設置保溫層防凍等措施;3)隧道洞口高差形成的自然氣壓差，是影響寒區(qū)長大隧道洞內(nèi)溫度場沿縱向分布和抗防凍設計的主導因素。
關鍵詞：寒區(qū)隧道;抗防凍設計;設計分區(qū);主導因素
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)為襯砌結構和附屬設施掛冰、排水溝冰塞、路面(道床)積冰、結構開裂等，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，我國工程技術人員開展了隧道抗防凍相關技術攻關，取得了系列技術的進步，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;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)鐵路隧道設計分區(qū)，并結合分區(qū)提出相關的抗防凍技術要求。
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型、熱位差主導型、自然風與熱位差共同主導型、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長度取900m。
羅彥斌[13]采用綜合評判的方法，以最冷月平均氣溫、凍結深度、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)結冰影響正常使用等級、混凝土結構凍融環(huán)境下的結構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，分析推導了多年凍土隧道洞口段的抗凍設防長度計算公式。
總結上述針對寒區(qū)隧道開展的技術研究，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)律而開展相應的寒區(qū)隧道設計分區(qū)研究，而另一類則主要針對寒區(qū)隧道抗防凍設防長度標準開展研究。因此，基于寒區(qū)隧道設計分區(qū)的抗防凍設計標準是進一步提高寒區(qū)隧道技術的方向。本文通過調(diào)研、分析及測試等方法，擬結合地理位置提出寒區(qū)隧道設計分區(qū)，總結目前我國寒區(qū)交通隧道的抗防凍技術現(xiàn)狀，通過結合現(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)隧道抗防凍設計的主導因素。
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。為適應隧道設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計，才能體現(xiàn)設計的針對性，因此采取分區(qū)設計是必要的。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)設計的針對性，因此進行分區(qū)設計更為合理。
2.1東北高緯度寒區(qū)隧道設計分區(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1200m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，并結合這一區(qū)域內(nèi)既有交通隧道的抗防凍技術和出現(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)。
2.2高海拔寒區(qū)設計分區(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4500～5000m以上，海拔超過5000m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難題。
結合海拔、氣象特征參數(shù)等，類比高緯度寒區(qū)隧道設計分區(qū)，可將高海拔寒區(qū)隧道劃分為5個分區(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)并結合相關隧道凍害情況提出了高緯度寒區(qū)隧道的設計分區(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)隧道設計分區(qū)。上述分區(qū)的合理性，需結合工程實踐進一步驗證優(yōu)化。
3寒區(qū)隧道抗防凍設計理念與標準現(xiàn)狀
3.1寒區(qū)隧道抗防凍主要設計理念
地下水由于持續(xù)的負溫能量累積而結冰，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冰是寒區(qū)隧道抗防凍技術的核心理念。為了防止隧道周圍地下水結冰，以達到預防凍害的目的，一方面充分利用隧道所在地區(qū)的地溫條件，通過設置保溫水溝、中心深埋水溝和防寒泄水洞等防凍型排水設施，從而使隧道周邊的地下水通暢排導;另一方面，通過阻斷負溫能量傳入襯砌背后入手，采取設置保溫層等措施，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力作用，導致結構出現(xiàn)“鋸齒形”的環(huán)向裂紋，不利于結構的耐久性。因此，防止溫度應力對隧道結構產(chǎn)生破壞，是寒區(qū)隧道結構抗凍的主要目標。針對結構抗凍，寒區(qū)鐵路隧道采用加強結構、設置溫度變形縫等措施;寒區(qū)公路隧道則通過加強結構、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冰治理凍害，效果顯著。
3.2寒區(qū)公路隧道相關技術標準現(xiàn)狀
3.2.1技術標準概況
目前，國內(nèi)公路行業(yè)在編制寒區(qū)隧道專項技術標準方面暫處于領先地位，發(fā)布了青海省地方標準DB63/T1674—2018《多年凍土區(qū)公路隧道技術規(guī)范》。四川省公路有關部門依托川西高原公路隧道的設計、施工，形成了《川西高原公路隧道設計與施工技術指南》[20]。
此外，交通運輸部和工程建設標準化協(xié)會也分別形成了《寒區(qū)公路隧道技術規(guī)范》征求意見稿。在此基礎上，交通部發(fā)布的JTG/TD31-06—2017《節(jié)性凍土地區(qū)公路設計與施工技術規(guī)范》[21]對季節(jié)性凍土區(qū)隧道的設計與施工提出了相關技術要求。JTG3370.1—2018《公路隧道設計規(guī)范第一冊土建工程》[22]和JTG/TD70—2010《公路隧道設計細則》[23]均對多年凍土隧道設計以及寒冷和嚴寒地區(qū)隧道排水設計做了相關規(guī)定。
3.2.2《多年凍土區(qū)公路隧道技術規(guī)范》
3.2.2.1主要內(nèi)容《多年凍土區(qū)公路隧道技術規(guī)范》從高海拔高寒地區(qū)多年凍土公路隧道的建設條件調(diào)查、隧道總體設計、建筑限界及內(nèi)輪廓、支護結構設計與施工、防排水設計與施工、隧道開挖、隧道防寒保溫設計與施工和隧道施工機械配套技術等方面提出了詳細的技術要求。
該規(guī)范提出了保溫水溝設防長度標準：當最冷月平均氣溫為-10～-15℃，且隧道長度小于1000m時，隧道通長設置保溫水溝;當最冷月平均氣溫為-10～-12℃，且隧道長度大于1000m時，分別在低洞口端設置長200～400m和在高洞口端設置長150～300m的保溫水溝;當最冷月平均氣溫為-12～-15℃，且隧道長度大于1000m時，分別在低洞口設置長300～500m和在高洞口設置長250～450m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)設防思想，設防長度則需通過對隧道長度、水量大小、水溫、主導風向、水溝坡度等因素綜合分析確定�？梢钥闯觯撘�(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)設防長度主導因素方面進一步研究深化。
3.2.3《川西高原公路隧道設計與施工技術指南》
3.2.3.1主要內(nèi)容《川西高原公路隧道設計與施工技術指南》提出了川西高原公路隧道分類，隧道結構、通風及供氧計算，隧道勘察、隧道總體設計、結構設計、通風及供氧設計，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)在保溫層設防長度計算中，推薦并引入黑川希范公式，并結合川西已運營的10余座公路隧道實測結果，提出了不同風向、風速條件下保溫層設防長度的建議值�？紤]提出該建議值的樣本容量相對較少，該設防長度仍需結合海拔、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)公路設計與施工技術規(guī)范》
3.2.4.1主要內(nèi)容《季節(jié)性凍土地區(qū)公路設計與施工技術規(guī)范》提出了隧道抗凍設防等級、抗凍保溫構造、襯砌結構抗凍設計、防水和排水設計、保溫層施工等相關技術要求。
3.4寒區(qū)水工隧洞相關技術標準現(xiàn)狀
GB/T50662—2011《水工建筑物抗冰凍設計規(guī)范》[30]、NB/T35024—2014《水工建筑物抗冰凍設計規(guī)范》[31]針對水工的渠道與渠道襯砌抗防凍設計提出了相關技術要求。
3.5其他與寒區(qū)相關的技術標準
GB/T50476—2019《混凝土結構耐久性設計標準》[32]、JGJ55—2011《普通混凝土配合比設計規(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規(guī)定。綜上所述，寒區(qū)隧道抗防凍設計理念及標準現(xiàn)狀如下：
1)寒區(qū)隧道抗防凍設計的核心理念是圍繞隧道構建保溫排水系統(tǒng)，確保隧道周邊的地下水及時、暢通地疏排。采用加強襯砌、提高結構抗凍性能、設置保溫層等措施，是寒區(qū)隧道結構抗凍設計的主要原則。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;但對于保溫排水設施的設置長度方面，各類標準尚需進一步研究完善。3)襯砌結構抗凍方面，寒區(qū)鐵路隧道采用加強結構、設置溫度變形縫等措施;寒區(qū)公路隧道則采用加強結構、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抗防凍設計措施及研究優(yōu)化方向
4.1設計措施
4.1.1主要設計原則
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)除應進行正常的防寒保溫系統(tǒng)設計外，還應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)隧道的防排水設計除遵循“防、排、截、堵結合，因地制宜，綜合治理，保護環(huán)境”的原則外，還應結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)保”的原則，采取切實可靠的設計、施工措施。
5寒區(qū)隧道抗防凍設防長度主導因素研究
為實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保、便于維修的目的，寒區(qū)隧道抗防凍設計的關鍵在于洞口保溫排水系統(tǒng)的防凍設防和結構抗凍設防技術，而抗防凍設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、主導風向與線路走向的關系、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)隧道兩端洞口設防長度的差異，開展寒區(qū)隧道抗凍設防長度主導因素研究，對進一步細化設計標準是必要的。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，以期總結影響寒區(qū)隧道抗防凍設防長度的主導因素。
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1km處，出口位于利民村西北方向約0.6km處。隧道起訖里程為DK62+730～DK67+075，全長4345m，洞身最大埋深約127m，是速度為250km/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。隧道為單面上坡，進、出口相對高差為36.9m。
6結論與建議
1)我國寒區(qū)分布范圍廣，隧道設計時應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個設計分區(qū)的方法。2)寒區(qū)隧道抗防凍應圍繞隧道構建保溫排水系統(tǒng)，確保隧道排水暢通為技術核心;而結構抗凍可采取提高結構抗凍性能和設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因素，也是影響寒區(qū)隧道抗防凍設防長度及工程措施的主導因素。4)寒區(qū)隧道設計分區(qū)方法、抗防凍設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，還應加強寒區(qū)隧道施工裝備、維修養(yǎng)護設備及施工質(zhì)量控制等成套技術及標準的研究。
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作者：馬志富，楊昌賢
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