本文摘要：摘要：隧道地下水防凍(融)和結(jié)構(gòu)抗凍是寒區(qū)隧道技術(shù)的關(guān)鍵，其中地下水防凍(融)是核心，結(jié)構(gòu)抗凍是重點(diǎn)。通過(guò)結(jié)合地理位置以及寒區(qū)既有交通隧道的抗防凍技術(shù)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(shè)計(jì)分區(qū)方法;對(duì)比分析寒區(qū)公路和鐵路等隧道相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)
摘要：隧道地下水防凍(融)和結(jié)構(gòu)抗凍是寒區(qū)隧道技術(shù)的關(guān)鍵，其中地下水防凍(融)是核心，結(jié)構(gòu)抗凍是重點(diǎn)。通過(guò)結(jié)合地理位置以及寒區(qū)既有交通隧道的抗防凍技術(shù)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(shè)計(jì)分區(qū)方法;對(duì)比分析寒區(qū)公路和鐵路等隧道相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，提出寒區(qū)隧道抗防凍措施的優(yōu)化方向;并結(jié)合實(shí)測(cè)運(yùn)營(yíng)鐵路隧道洞內(nèi)縱向溫度場(chǎng)，分析寒區(qū)隧道抗防凍設(shè)計(jì)的主導(dǎo)因素。結(jié)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(gè)設(shè)計(jì)分區(qū);2)寒區(qū)隧道抗防凍關(guān)鍵是圍繞隧道構(gòu)建保溫排水系統(tǒng)，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)隧道洞口高差形成的自然氣壓差，是影響寒區(qū)長(zhǎng)大隧道洞內(nèi)溫度場(chǎng)沿縱向分布和抗防凍設(shè)計(jì)的主導(dǎo)因素。
關(guān)鍵詞：寒區(qū)隧道;抗防凍設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)分區(qū);主導(dǎo)因素
0引言
工程實(shí)踐表明，由于環(huán)境氣溫出現(xiàn)周期性劇烈的正負(fù)溫變化，大量寒區(qū)交通隧道運(yùn)營(yíng)后易出現(xiàn)凍害問(wèn)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(kāi)裂等，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(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(duì)寒區(qū)隧道，開(kāi)展抗防凍專項(xiàng)設(shè)計(jì)意義重大。
近年來(lái)，針對(duì)寒區(qū)隧道的凍害問(wèn)題，我國(guó)工程技術(shù)人員開(kāi)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(jìn)步，大大降低了寒區(qū)隧道的凍害風(fēng)險(xiǎn)。例如：高焱等[1]通過(guò)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(biāo)，將寒區(qū)細(xì)分為5個(gè)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(jì)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(fēng)流成因的不同，提出將不同寒區(qū)隧道劃分為自然風(fēng)主導(dǎo)型、熱位差主導(dǎo)型、自然風(fēng)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(zhǎng)大隧道沿縱向劃分為防寒強(qiáng)影響區(qū)、弱影響區(qū)和無(wú)影響區(qū);秦小軍[6]提出按最冷負(fù)溫值和凍結(jié)時(shí)間將單座隧道沿縱向按溫度梯度劃分為強(qiáng)影響區(qū)、中影響區(qū)、弱影響區(qū)和無(wú)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(kāi)展了寒區(qū)隧道保溫層設(shè)防長(zhǎng)度的研究;鄭波等[12]通過(guò)多高海拔雀兒山運(yùn)營(yíng)公路隧道洞口段開(kāi)展溫度實(shí)測(cè)，提出隧道洞口保溫層鋪設(shè)長(zhǎng)度取900m。
羅彥斌[13]采用綜合評(píng)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(bǔ)給、地下水滲入隧道情況作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，將新建隧道的抗凍設(shè)防等級(jí)劃分為5級(jí);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(jí)、洞內(nèi)結(jié)冰影響正常使用等級(jí)、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(qiáng)度4個(gè)方面。
對(duì)寒區(qū)隧道凍害等級(jí)進(jìn)行劃分，并據(jù)此提出了寒區(qū)隧道凍害設(shè)防等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn);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(gè)子類;周小涵[16]通過(guò)數(shù)值模擬方法比較分析不同自然風(fēng)和活塞風(fēng)情況、不同運(yùn)營(yíng)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(xiàn)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(zhǎng)度計(jì)算公式。
總結(jié)上述針對(duì)寒區(qū)隧道開(kāi)展的技術(shù)研究，一類主要考慮不同地理位置或因長(zhǎng)大隧道沿縱向回溫明顯的分布規(guī)律而開(kāi)展相應(yīng)的寒區(qū)隧道設(shè)計(jì)分區(qū)研究，而另一類則主要針對(duì)寒區(qū)隧道抗防凍設(shè)防長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展研究。因此，基于寒區(qū)隧道設(shè)計(jì)分區(qū)的抗防凍設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是進(jìn)一步提高寒區(qū)隧道技術(shù)的方向。本文通過(guò)調(diào)研、分析及測(cè)試等方法，擬結(jié)合地理位置提出寒區(qū)隧道設(shè)計(jì)分區(qū)，總結(jié)目前我國(guó)寒區(qū)交通隧道的抗防凍技術(shù)現(xiàn)狀，通過(guò)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)運(yùn)營(yíng)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(jì)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(zhǎng)時(shí)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(guó)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(guó)多年凍土分布的主要區(qū)域。
1.2我國(guó)寒區(qū)的地理分布情況
相關(guān)研究[18]表明，我國(guó)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(guó)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(zhǔn)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(fēng)，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(guó)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(shì)高亢，受高空西風(fēng)環(huán)流控制，在對(duì)流層地層并受高原季風(fēng)影響，冬季高原面上的大氣層相對(duì)同高度的自由大氣是個(gè)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(jì)分區(qū)
隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(jì)時(shí)因地制宜的要求，達(dá)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(yán)寒地區(qū)(≤-8℃)。
在華北、東北高緯度寒區(qū)工程設(shè)計(jì)中，微凍地區(qū)一般無(wú)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(yán)寒地區(qū)是抗防凍的主戰(zhàn)場(chǎng)，需要采取系統(tǒng)的抗防凍措施才能減輕凍害風(fēng)險(xiǎn)。但高緯度嚴(yán)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(yán)寒程度差別很大，隧道抗防凍需根據(jù)嚴(yán)寒程度的不同進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)，才能體現(xiàn)設(shè)計(jì)的針對(duì)性，因此采取分區(qū)設(shè)計(jì)是必要的。同理，對(duì)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(jì)的針對(duì)性，因此進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)更為合理。
2.1東北高緯度寒區(qū)隧道設(shè)計(jì)分區(qū)
我國(guó)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(zhǎng)白山山區(qū)海拔超過(guò)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(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(gè)分區(qū)。
2.2高海拔寒區(qū)設(shè)計(jì)分區(qū)
我國(guó)的青藏高原深居內(nèi)陸，地勢(shì)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(shì)平緩，呈現(xiàn)大范圍的無(wú)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(guò)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(dá)到冰點(diǎn)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(diǎn)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(jì)分區(qū)，可將高海拔寒區(qū)隧道劃分為5個(gè)分區(qū)。東北高緯度寒區(qū)是我國(guó)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(jì)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(diǎn)，類比高緯度寒區(qū)提出了高海拔寒區(qū)隧道設(shè)計(jì)分區(qū)。上述分區(qū)的合理性，需結(jié)合工程實(shí)踐進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化。
3寒區(qū)隧道抗防凍設(shè)計(jì)理念與標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀
3.1寒區(qū)隧道抗防凍主要設(shè)計(jì)理念
地下水由于持續(xù)的負(fù)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(duì)寒區(qū)隧道的凍害問(wèn)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(dá)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(guò)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(guò)阻斷負(fù)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(fù)溫區(qū)域。
寒區(qū)近年開(kāi)通運(yùn)營(yíng)隧道的工程實(shí)踐表明，由于寒區(qū)劇烈的溫度變化，尤其是由較大負(fù)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(duì)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(biāo)。針對(duì)結(jié)構(gòu)抗凍，寒區(qū)鐵路隧道采用加強(qiáng)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(guò)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)、襯砌表面外貼保溫層等措施。此外，部分運(yùn)營(yíng)隧道產(chǎn)生凍害后，冬季通過(guò)對(duì)排水系統(tǒng)采取主動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀
3.2.1技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)概況
目前，國(guó)內(nèi)公路行業(yè)在編制寒區(qū)隧道專項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面暫處于領(lǐng)先地位，發(fā)布了青海省地方標(biāo)準(zhǔn)DB63/T1674—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(jì)、施工，形成了《川西高原公路隧道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南》[20]。
此外，交通運(yùn)輸部和工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)也分別形成了《寒區(qū)公路隧道技術(shù)規(guī)范》征求意見(jiàn)稿。在此基礎(chǔ)上，交通部發(fā)布的JTG/TD31-06—2017《節(jié)性凍土地區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》[21]對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)隧道的設(shè)計(jì)與施工提出了相關(guān)技術(shù)要求。JTG3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范第一冊(cè)土建工程》[22]和JTG/TD70—2010《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》[23]均對(duì)多年凍土隧道設(shè)計(jì)以及寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)隧道排水設(shè)計(jì)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(jì)、建筑限界及內(nèi)輪廓、支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工、防排水設(shè)計(jì)與施工、隧道開(kāi)挖、隧道防寒保溫設(shè)計(jì)與施工和隧道施工機(jī)械配套技術(shù)等方面提出了詳細(xì)的技術(shù)要求。
該規(guī)范提出了保溫水溝設(shè)防長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)最冷月平均氣溫為-10～-15℃，且隧道長(zhǎng)度小于1000m時(shí)，隧道通長(zhǎng)設(shè)置保溫水溝;當(dāng)最冷月平均氣溫為-10～-12℃，且隧道長(zhǎng)度大于1000m時(shí)，分別在低洞口端設(shè)置長(zhǎng)200～400m和在高洞口端設(shè)置長(zhǎng)150～300m的保溫水溝;當(dāng)最冷月平均氣溫為-12～-15℃，且隧道長(zhǎng)度大于1000m時(shí)，分別在低洞口設(shè)置長(zhǎng)300～500m和在高洞口設(shè)置長(zhǎng)250～450m的保溫水溝。
3.2.2.2需進(jìn)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(zhǎng)度則需通過(guò)對(duì)隧道長(zhǎng)度、水量大小、水溫、主導(dǎo)風(fēng)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(jìn)一步研究細(xì)化，對(duì)排水系統(tǒng)設(shè)防長(zhǎng)度主導(dǎo)因素方面進(jìn)一步研究深化。
3.2.3《川西高原公路隧道設(shè)計(jì)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(jì)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(fēng)及供氧計(jì)算，隧道勘察、隧道總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、通風(fēng)及供氧設(shè)計(jì)，隧道施工通風(fēng)、制氧供氧和冬季施工，建筑材料性能要求等。
3.2.3.2需進(jìn)一步完善的內(nèi)容
1)提出了川西高原公路隧道海拔分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但樣本容量偏少，有待進(jìn)一步結(jié)合工程實(shí)踐深化研究。2)提出了建立新氣象觀測(cè)站時(shí)，觀測(cè)周期不小于1個(gè)氣象年，且應(yīng)與本地既有氣象資料進(jìn)行校核，氣象資料統(tǒng)計(jì)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(jì)的最短年限為30年。因此，氣象參數(shù)的合理性有待進(jìn)一步研究確定。3)在保溫層設(shè)防長(zhǎng)度計(jì)算中，推薦并引入黑川希范公式，并結(jié)合川西已運(yùn)營(yíng)的10余座公路隧道實(shí)測(cè)結(jié)果，提出了不同風(fēng)向、風(fēng)速條件下保溫層設(shè)防長(zhǎng)度的建議值�？紤]提出該建議值的樣本容量相對(duì)較少，該設(shè)防長(zhǎng)度仍需結(jié)合海拔、隧道長(zhǎng)度、坡度、風(fēng)向等進(jìn)一步驗(yàn)證。
3.2.4《季節(jié)性凍土地區(qū)公路設(shè)計(jì)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(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》提出了隧道抗凍設(shè)防等級(jí)、抗凍保溫構(gòu)造、襯砌結(jié)構(gòu)抗凍設(shè)計(jì)、防水和排水設(shè)計(jì)、保溫層施工等相關(guān)技術(shù)要求。
3.4寒區(qū)水工隧洞相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀
GB/T50662—2011《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》[30]、NB/T35024—2014《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》[31]針對(duì)水工的渠道與渠道襯砌抗防凍設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)
GB/T50476—2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[32]、JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[33]等針對(duì)凍融環(huán)境條件下的混凝土的抗?jié)B、抗凍、摻合劑指標(biāo)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(jì)理念及標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀如下：
1)寒區(qū)隧道抗防凍設(shè)計(jì)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(shí)、暢通地疏排。采用加強(qiáng)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)于保溫排水設(shè)施的設(shè)置長(zhǎng)度方面，各類標(biāo)準(zhǔn)尚需進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)結(jié)構(gòu)、襯砌表面外貼保溫層等措施。4)對(duì)寒區(qū)隧道凍脹力的認(rèn)識(shí)有待進(jìn)一步研究。
4抗防凍設(shè)計(jì)措施及研究?jī)?yōu)化方向
4.1設(shè)計(jì)措施
4.1.1主要設(shè)計(jì)原則
1)隧道位置宜避免洞口及洞身以淺埋方式長(zhǎng)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(zhǎng)段落的黏性土、泥巖等地層。
2)隧道洞口宜選擇在背風(fēng)向陽(yáng)、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(dāng)縱坡小于5‰時(shí)，隧道內(nèi)的排水系統(tǒng)除應(yīng)進(jìn)行正常的防寒保溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)外，還應(yīng)采取其他加強(qiáng)保溫排水的措施。4)有條件時(shí)，長(zhǎng)隧道宜盡量采用人字坡。5)隧道的防排水設(shè)計(jì)除遵循“防、排、截、堵結(jié)合，因地制宜，綜合治理，保護(hù)環(huán)境”的原則外，還應(yīng)結(jié)合項(xiàng)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(hù)易行、節(jié)能環(huán)保”的原則，采取切實(shí)可靠的設(shè)計(jì)、施工措施。
5寒區(qū)隧道抗防凍設(shè)防長(zhǎng)度主導(dǎo)因素研究
為實(shí)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(jì)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(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)的確定取決于洞內(nèi)溫度場(chǎng)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(chǎng)分布的因素可能包括隧道所在地理位置、洞口相對(duì)高差、平縱線型、主導(dǎo)風(fēng)向與線路走向的關(guān)系、洞內(nèi)風(fēng)速、圍巖地溫場(chǎng)、滲流場(chǎng)、列車活塞風(fēng)作用等，由于缺少溫度場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，目前對(duì)寒區(qū)隧道內(nèi)溫度場(chǎng)分布影響的主導(dǎo)性因素難以形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。
此外，即將全面開(kāi)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(duì)高差甚至超過(guò)幾百米。為了進(jìn)一步研究寒區(qū)隧道兩端洞口設(shè)防長(zhǎng)度的差異，開(kāi)展寒區(qū)隧道抗凍設(shè)防長(zhǎng)度主導(dǎo)因素研究，對(duì)進(jìn)一步細(xì)化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是必要的。本文選擇的東北高緯度寒區(qū)隧道已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，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(kāi)展持續(xù)1個(gè)冬季的洞內(nèi)溫度測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，以期總結(jié)影響寒區(qū)隧道抗防凍設(shè)防長(zhǎng)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(jìn)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(zhǎng)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(kāi)通運(yùn)營(yíng)。隧道線位大致為西北—東南走向，與冬季主風(fēng)向基本一致。隧道為單面上坡，進(jìn)、出口相對(duì)高差為36.9m。
6結(jié)論與建議
1)我國(guó)寒區(qū)分布范圍廣，隧道設(shè)計(jì)時(shí)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(gè)設(shè)計(jì)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(duì)高差形成的自然氣壓差，是影響寒區(qū)長(zhǎng)大隧道洞內(nèi)溫度場(chǎng)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(zhǎng)度及工程措施的主導(dǎo)因素。4)寒區(qū)隧道設(shè)計(jì)分區(qū)方法、抗防凍設(shè)防長(zhǎng)度及工程措施等標(biāo)準(zhǔn)，需進(jìn)一步通過(guò)工程實(shí)踐、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等手段研究?jī)?yōu)化;同時(shí)，還應(yīng)加強(qiáng)寒區(qū)隧道施工裝備、維修養(yǎng)護(hù)設(shè)備及施工質(zhì)量控制等成套技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)的研究。
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[2]馬志富，楊昌賢.寒區(qū)鐵路隧道抗防凍技術(shù)[J].中國(guó)鐵路，2020(12)：74.MAZhifu，YANGChangxian.Anti⁃freezingtechnologyforrailwaytunnelsincoldregion[J].ChineseRailways，2020(12)：74.
[3]馬志富，楊昌賢.高海拔寒區(qū)鐵路隧道保溫排水技術(shù)研究[J].高速鐵路技術(shù)，2020，11(2)：87.
作者：馬志富，楊昌賢
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