高寒山区浅埋隧道冻胀特性及防寒措施分析

刘 赓,郭倬宇

(1.中铁建大桥工程局集团第一工程有限公司 大连市 116033;2.西安建筑科技大学土木工程学院 西安市 710055;3. 陕西省岩土与地下空间工程重点实验室 西安市 710055)

0 引言

我国常年冻土面积占总国土面积的20%,季节性冻土面积达5.14×106km2,占我国全部陆地国土面积的53%[1]。近年来,随着我国交通网的不断扩大,在环境严峻的冻土地区修建的隧道也在不断增多,隧道中所产生的冻害问题也随之增多。高海拔寒区的隧道在过去的建造经验相对较少,且对于建设的技术条件和施工设备的要求上都要相对落后,所建成的大部分高海拔寒区隧道质量较普通隧道质量相比相对较低,因存在着衬砌结冰、隧道开裂漏水、隧道墙体剥落酥碎等问题,造成了隧道功能大大削弱与严重的安全隐患,养护工作也十分困难。因此,开展高海拔寒区隧道冻害机理和防治措施研究具有重要的工程实际意义和广泛的应用前景[2]。目前高海拔寒区隧道温度场研究也是新兴岩土工程领域的焦点问题,研究人员需在探索寒区隧道温度场变化规律的基础上,提供完善的寒区隧道保温措施并科学设立寒区隧道防保温层厚度。

文章着眼于季节性寒区隧道工程,根据隧道相关研究报告和科研成果、查阅最新研究寒区隧道相关的文献,科学地对比分析后明确目前在寒区隧道研究中存在的不足,考虑寒区隧道温度等因素对衬砌承载能力和保温抗冻措施的影响[3],有针对性的对于寒区隧道冻害防控提出科学合理的措施。

1 高海拔高寒隧道冻胀特性研究

1.1 国内高海拔高寒隧道冻胀效应研究

表1所示是我国部分已建成的高海拔寒区隧道。

表1 高海拔寒区隧道

针对以上的中国现有的高海拔寒区隧道工程发现,寒区隧道施工中明晰具体的冻胀效应机理是建立冻胀模型的前提,冻胀的发生往往需要水分、温度与约束条件等条件。结合先前研究所提出的有关寒区岩土体理论与现场的实测数据,部分学者认为温度的大幅度周期性变化是导致隧道病害发生的主要原因,目前大多数学者通过对寒区隧道进行监测,获取其温度变化特征曲线,并基于此开展对寒区隧道冻胀效应的研究;晏启祥等[4]依托于鹧鸪山隧道,开发出相关的三维瞬态有限元程序,分析二次衬砌及周边围岩的温度随时间的变化规律。随着研究深入,目前学者普遍认同由岩石孔隙或裂隙的水-冰相变造成,水分迁移与相变后的体积变化才是发生冻胀的主要原因,通过试验与模拟发现了风化层中冻胀发生的普遍性规律,后续学者[5]结合已有规律并基于冰-水相变理论,将围岩视为岩块与裂隙组成的系统,从围岩介质的热膨胀系数出发,对围岩存在含水夹冰裂隙的隧道展开模拟,并考虑冻结过程对岩体渗透系数的影响,研究低温下THM耦合条件下的温度场与应力场的分布规律。

目前对于冻胀效应的研究往往从温度与水分这两个基本条件入手,对所构建的数学模型进行考虑温度等其他条件的简单力学分析,并未结合实际隧道情况,如隧道周边的复杂地质情况、施工中所设的保护结构与多变的气候条件,同实际情况还有一定差距,还需进一步研究。

1.2 高海拔高寒隧道冻胀力计算方法研究

高海拔高寒隧道结构破坏的主要原因在于冻胀压力,研究者基于先前冻胀效应的相关规律,对其进行理论推导与数值计算,提出了三类冻胀力计算模型,包括:局部存水冻胀模型、含水风化模型和整体冻胀模型。

目前整体冻胀模型使用最广。如图1所示,该模型目前使用最为广泛,根据弹性黏弹性的原理,在围岩的破碎圈中因为渗水等原因,隧道围岩破碎部分充满了孔隙水,这些水会因为低温冻结发生膨胀,对衬砌产生了整体的冻胀力,且根据相应的理论公式,从而进一步可以求出在季节性冻土区内隧道衬砌受到的冻胀力和其自身应力。为通过进一步地分析,得到了一个关于隧道围岩的更详细的弹性解。张玉伟等[6]根据含水风化层层的模型上的理论优点结合了整体冻胀模型考虑围岩冻胀力的产生来源,得到了“冻融岩石破碎圈整体冻胀模型”,更具实际参考意义。FENG等[7]又在整体冻胀模型是把围岩看作一个不变整体基础上,将围岩属性进行划分,设立了四个区域,包括:支护区、冻结塑性区、弹性冻结区和非弹性冻结区,根据这四个更加详细的围岩区域化分,得到关于季节性隧道围岩弹塑性计算模型。笔者认为整体冻胀模型没有考虑到围岩的力学性质会因季节变化导致的温度变化造成的多次冻融循环而改变,故根据针对此应结合工程案例对整体冻胀模型加入了考虑冻融变化的因素。吴紫汪推导了典型冻胀力计算式[8],见式(1):

图1 寒区隧道冻胀力典型模型

(1)

式中,n为围岩空隙率;a为水-冰相变体积膨胀系数;E2为围岩的弹性模量;u1、u2分别为衬砌与围岩的泊松比,且该式已被《公路隧道设计细则》(JTG/T D70—2010)收录。

通过整体冻胀模型,可以更精确的求解和研究衬砌承载能力,亦可针对不同的隧道设计出不同的抗冻设计方针。但对比实际监测结果发现,该模型还存在较大误差,该模型大多是基于纯力学的角度考虑,多为圆形断面,这两种假设跟现实情况相差较大,存在较大的研究空间。

2 针对寒区隧道采取的抗冻措施

基于学者对上述模型对高寒山区隧道冻胀力的求解,发现不均匀的冻胀力会对隧道产生较为严重的影响,若不设立寒区隧道的保温层,隧道内会随着季节流转,随着温度的降低,围岩会发生冻结现象,极大的影响到隧道安全。

目前面对冻害问题,主要采用的方式有两种:主动式保温和被动式保温。主动式保温是利用人工方法,在寒区的隧道围岩上不断补充热量,当前一般根据实际的工程情况,采取三种主动保温措施:运用新型能源、利用风和水流对围岩加热、利用太阳光的热能。这些对于隧道供热的方法起源于国外,前苏联大部分国土都被常年冻土覆盖,西伯利亚大铁路基本铺设于冻土之中,前苏联的工程师和工人们为了给寒区的隧道保温以防止隧道因低温所带来的安全隐患,利用了电力、地热水和蒸汽等方式对隧道内部加温供热;挪威地处北欧,气温环境易给隧道造成的破坏,挪威工程师在寒区隧道的排水系统中增设了加热器和加热电缆。但传统方法的耗能巨大产生了对能源浪费的情况,供热的资源成本和人力成本也很高,并且效率低下,热能大多被浪费、得不到充分利用。目前隧道抗冻保温的措施更多采取对地热能等诸多可持续利用循环的清洁能源作为热源。

被动保温则是采取阻挡热交换为主,主要采取加设防寒门、设立保温隔板来防冻害。这是类似于青藏铁路的寒区隧道通常采用的方法,隧道处于常年的冻土区中,容易受到热融影响,故一般通过这种方法来保护隧道不受冻害影响。青藏铁路目前就采用在路基上架设管道,让冷空气进入隧道内,引入冷空气平衡隧道内的温度,成本低、效果良好,但随着目前尾气排放等诸多因素,造成隧道内温度明显上升,故该方式越来越少被实际工程所引用。设立防寒门来隔断冷热空气的交换是目前最多采取的办法。根据大阪山隧道设计,可发现出有无保温门对于寒区隧道内部温度变化的影响巨大。但设立保温门的被动保温法仅适用于铁路隧道,公路隧道需要运营来来往往的车辆,车辆尾气在内部造成的温度上升且无法及时与外界交换的情况下会造成更严重的安全隐患问题,且无法及时疏散的尾气对人身体影响会造成很多不良后果。

在风火山隧道、昆仑山隧道等典型寒区隧道中更多采用的是铺设隔热层的被动保温方法,这种方法的核心是为增大结构的热阻铺设一层导热系数低的材料,将该材料置于隧道洞口的衬砌段,铺设这种隔热材料也有两种方式,一是在两次衬砌的中间放置,另一种是直接铺设在二次衬砌的混凝土表面上。TANAKA等[9]对能用于隧道保温的材料展开了研究,研究的材料对象分别是对聚氨酯塑料还有三位多分子硅链。陈建勋[10]也根据大阪山寒区隧道实际的工程状况,比对各种各样的保温材料,最后确立了最佳防冻融的隔温材料。

就目前对于冻土地区的低质围岩条件来看,如在寒区隧道施工时使用的施工方法不合适也会造成隧道发生冻害的危险。故选择正确合适的施工方法、选择合适的保温材料也是影响隧道抗冻保温的关键一环。在青藏铁路风火山隧道施工中,设计人员明确了该工程在防冻上所需要做的工程重点,确定了相对稳定的支护体系,选择了合适的防水系统以来确保保温系统的正常工作。针对高海拔的地震常发区域的隧道建设发现这种工程一般采取补强结构面以及对围岩注浆以来增强隧道对于冻胀破坏的抵抗能力。对于一般发生破坏或者因气温突变等原因隧道发生冻胀破坏的情况一般采取补充衬砌所使用的钢筋数量,以及提高混凝土的强度,避免产生裂缝;一般寒区隧道需选用专门的材料来保证隧道结构本身足以抵抗冻胀破坏,却无法完全消除冻胀力所带来的影响。据研究,表面冻胀力来自于围岩,无法通过补救手段彻底消除,但可对围岩进行注浆来有效缓解冻胀对寒区隧道的影响。

目前对于隧道抗冻害的防治措施主要集中于对新材料的研究,如根据泡沫混凝土的降解特性,对于聚丙烯粗纤维混凝土和泡沫混凝土性能开展研究,通过研究其耐久性与退化性能来衡量冻融作用下新型材料的适用性。后续学者应着眼于开发耐热-冷效果好且导热系数高的材料,并将其与隧道衬砌材料有效融合,便于施工,同时防止冻害发生。

3 结论

文章对寒区隧道冻胀效应已有研究进行分析,基于分析结果,发现温度、水分等影响隧道冻结的因素尚未在关于冻胀力计算方法的研究中被直接考虑,并未建立直接函数方程表明其间的相关性;目前寒区隧道抗冻害的防治措施包括主动、被动保温措施两种,为优化保温效果,学者着眼于对保温抗冻新材料的研究,旨在将开发有效的衬砌混凝土保温结构或材料,以防治冻害发生。

根据目前科研成果来看,造成对寒区隧道衬砌发生冻胀破坏的根本原因尚未得到充分研究,一定程度上影响有限元处理隧道工况的精准程度。随着科技的不断进步,相信未来高海拔严寒地区的隧道冻胀力等不利于工程安全的问题会得到更好的解决,着眼于结构冻损后能自愈的技术也将得到长足的发展。