季節(jié)性凍土地區(qū)隧道冬季施工防寒保溫措施

蓋青山

(中鐵十三局集團有限公司，吉林長春 130033)

季節(jié)性凍土地區(qū)隧道冬季施工防寒保溫措施

蓋青山

(中鐵十三局集團有限公司，吉林長春 130033)

在黑龍江省、內蒙等季節(jié)性凍土區(qū)的公路、鐵路建設中，隧道工程所占的比例越來越高.為了滿足工期要求，隧道工程進行冬季施工尤為重要.以博牙隧道工程為例，提出了暖風爐隧洞洞內供熱措施，有效地解決了季節(jié)性凍土區(qū)隧道冬季施工防寒保溫問題，延長了施工時間，加快了施工進度，節(jié)約了成本，取得了明顯的經濟和社會效益，為今后同類隧道的冬季施工提供借鑒與參考.

隧道工程;冬季施工;防寒保溫;工程措施

近年來，在公路、鐵路等建設中，有較多的隧道工程，且大多數(shù)為建設項目的控制性工程.由于隧道施工準備時間較長，一般實際開工時間較計劃開工時間要晚些，再加上隧道圍巖變化等因素影響，隧道實際施工工期不易控制在計劃施工工期內［1－3］，這一點特別體現(xiàn)在黑龍江省、內蒙等季節(jié)性凍土地區(qū).為了保證工期要求，隧道冬季施工非常重要.如何組織好冬季施工，同時節(jié)約成本是其控制重點.季節(jié)性凍土地區(qū)隧道冬季施工防寒保溫措施的研究和應用，不僅有效地解決了隧道工程冬季施工的取暖問題，也有利于施工的成本控制.筆者依靠改變取暖設施的熱源結構和熱量傳遞的載體，提出新的防寒保溫措施，從而克服常規(guī)取暖方法中的弊端，達到節(jié)約工程造價、保證冬季施工質量和工程進度的要求.

1 工程概況

綏滿國道主干線博克圖至牙克石段高速公路位于我國東北部的內蒙古自治區(qū)牙克石市境內.工程的起點位于博克圖腰梁子山隧道口，終點位于牙克石市西側301國道上(海滿火車站與大雁之間).該項目是綏滿國道主干線(GZ15)的重要組成部分，也是內蒙古自治區(qū)“三橫九縱、十二出口”干線公路的重要組成部分，擬建項目是國道主干線系統(tǒng)中重要的“一橫”，是聯(lián)系我國東北地區(qū)各省區(qū)的重要通道，也是我國東北以及東北亞地區(qū)各國通往俄羅斯、蒙古及遠東地區(qū)最主要的國際通道之一.博牙隧道是該項目的控制性工程.

博牙隧道進出口地層主要由第四系沉積砂礫石、粘土、泥土層、沖積砂礫卵石、細砂和第四系堆積的碎石土或亞粘土、亞砂土夾碎石構成，承載力較高.在隧址地區(qū)存在軟土和多年島狀凍土，在低洼地段和山間陰坡也大量存在.島狀多年凍土目前處于退化階段，具有低海拔、高緯度、不穩(wěn)定等特點，容易形成凍土地區(qū)的工程病害.隧道局部見砂層，部分地段含水量較高，圍巖呈軟可塑狀態(tài)，自持能力差.

隧道地處溫帶大陸性季風氣候，春季干燥風大，夏季濕涼短促，秋季氣溫聚降霜凍早，冬季寒冷漫長.年平均氣溫 －5.2℃ ～ －2.5℃，年最高氣溫35.0℃ ～42.6℃，最低氣溫 －50.2 ℃ ～ －35.0 ℃，最大凍土深度3.0 m，年平均降水量250.0 ～514.0 mm，年最大降水量946.4 mm，最小降水量140.1 mm;年平均降雪天數(shù)為20～75 d，積雪天數(shù)平均80～172 d，最大積雪厚度18～50 cm;夏季降水量占全年降水量的70%左右.

2 博牙隧道冬季施工防寒保溫措施

2.1 現(xiàn)有隧道冬季施工技術存在的問題

博牙項目所在區(qū)屬中溫帶大陸性半濕潤氣候.隧道工程受溫帶大陸性季風影響，冬季寒冷漫長，每年中有將近6個月處于冬季，極端最低氣溫達到－50.2℃，隧洞施工保溫難.在以往的隧道冬季施工組織中，隧道洞內取暖的一般方法為:在洞外的合適位置設置鍋爐房，采取水暖鍋爐帶暖氣片方式取暖，并利用鍋爐蒸汽對需要急劇升溫處進行加溫處理［4－5］.此取暖方案根據(jù)隧道冬季施工計劃選擇合適的鍋爐型號，同時根據(jù)隧道洞內空間和施工作業(yè)面溫度要求等因素測算暖氣片設置組數(shù)和設置距離.施工中水暖鍋爐存在如下幾種問題.

1)能源浪費大.鍋爐的型號選擇需要根據(jù)冬季施工計劃進行，鍋爐的額定功率要滿足冬季施工中、后期對熱量的需要.一般情況下，在冬季施工前期，鍋爐的有效利用率為40% ～50%;在冬季施工中期，鍋爐的有效利用率為60% ～80%;在冬季施工后期，鍋爐的有效利用率為80% ～90%.根據(jù)鍋爐的使用規(guī)定，鍋爐點火后又不允許隨時關爐，能源浪費很大.

2)施工造價高.根據(jù)冬季施工計劃，鍋爐的型號選擇一般較大.為了保證取暖面積的溫度，需要根據(jù)暖氣片的散熱功率計算暖氣片的設置組數(shù)和設置間距.暖氣片的數(shù)量和暖氣片之間的送水管道和回水管道聯(lián)通所需要的鋼管數(shù)量都比較大，價格較高.為了保證水循環(huán)，還需要增設加壓泵等.而且，鍋爐、暖氣及管道需要專業(yè)人員進行設計和安裝.

3)施工干擾大.施工作業(yè)面少、作業(yè)空間狹小、作業(yè)面距離受限、施工工序多是隧道施工的主要特點.然而，為了保證冬季施工中達到各工序作業(yè)面的溫度控制要求，需要將暖氣片鋪設到相應的位置.順接暖氣片需要較長時間，暖氣片安裝中，附近的其他工序無法進行，尤其是在山嶺隧道施工中對爆破作業(yè)的干擾尤為突出.即使是碎石、砂料倉和掌子面等也需要蒸汽加溫，蒸汽管道的舒展和收攏對主體工程的施工進度干擾也很大.

4)施工工期長.鍋爐和暖氣片的安裝需要較長的時間，安裝完成后還需要進行調試.隨著工程的進展，暖氣片的安裝伴隨著整個施工過程向前延伸，調試取暖工作也貫穿整個冬季施工.

2.2 博牙隧道冬季施工防寒保溫技術

由于該地區(qū)冬季來臨早且漫長，在2012年隧道竣工前需跨越4個冬季.博牙隧道又為該項目的控制性工程，工期壓力較大，為了確?？偣て诘膶崿F(xiàn)，必須進行冬季施工.為了節(jié)約工程造價，保證冬季施工質量和工程進度，該項目冬季施工供暖方案采取暖風爐供暖.

暖風爐由4部分組成，燃燒爐、熱源爐、風機、輸送管帶.它是利用燃燒爐的燃燒，將熱源爐和燃燒爐之間的空氣升溫，高溫空氣沿著輸送管帶傳送到需要升溫的地點后散發(fā)，依靠空氣流通交換熱量達到對環(huán)境升溫的目的.暖風爐的輸送動力來源于風機.風機的主要作用是將外界冷空氣吸入熱源爐內，同時將熱源爐內的熱空氣吹出，并沿著輸送管帶到需要升溫界面.根據(jù)工程需要，在熱源爐頂部可以設置多個出口，沿著指定的輸送管帶輸送熱空氣.具體設計如下.

1)改變熱量傳送載體.鍋爐帶暖氣片傳送熱量的載體一般為水，由于水的循環(huán)和熱量散發(fā)的需要，勢必會增加管道和暖氣片數(shù)量，從而增加成本.其實，環(huán)境溫度的升降是靠空氣的流動來實現(xiàn)的，故此，構想改變熱量傳送的載體，直接利用空氣的流動來實現(xiàn)環(huán)境的升溫.

2)改變熱量輸送裝置.為了保證熱量的有效利用，參照隧道通風機的空氣順送方式，采用管道進行熱空氣的傳送，使得在需要迅速升溫的場所，溫度能夠在最短時間內達到預控要求.

3)改變熱源結構.根據(jù)水套鍋爐的設計原理，改變熱源結構.將火爐分解，設計成一個燃燒爐和一個熱源爐，熱源爐鑲套燃燒爐.熱源爐和燃燒爐之間的空氣采取風機進行更換.

2.3 博牙隧道暖風爐供暖設計

按照冬季施工期間，當?shù)刈畹蜌鉁兀?5℃和洞內正常施工溫度15℃計算，隧道內每延米所需熱量

式中:Q為所需熱量，kJ;C為空氣比熱，為1 kJ/(kg·℃);m為隧道每延米空氣質量，kg，1 m3空氣質量為 1 294.64 g，隧道每延米體積按照100 m3計算，所以 m=129.464 kg;Δt為溫差，℃.

由上式計算可知，Q=5 185.6 kJ.1個暖風爐額定散熱功率為1.1 ×106kJ，則1.1 ×106kJ/Q=212.13.因此，暖風爐需每200 m布設1個.根據(jù)以往施工經驗，洞內溫度距離洞口越遠，地熱溫度效果越明顯.考慮暖風爐的自身特點，只在洞口100 m范圍內布設2個暖風爐就可滿足冬季施工控溫需要.冬季施工中，不僅進行了隧道的開挖和初期支護，而且有效地組織了隧道仰拱及仰拱填充、中心排水溝施工和二次襯砌施工.各項工作質量經呼蒙質監(jiān)站檢測均滿足設計及施工規(guī)范要求.

3 結語

博牙隧道所在地區(qū)冬季寒冷、漫長，隧道工期壓力大，必須進行冬季施工.若采用以往隧道冬季取暖保溫措施，在洞外的合適位置設置鍋爐房，采取水暖鍋爐帶暖氣片方式取暖，并利用鍋爐蒸汽對需要急劇升溫處進行加溫處理，則存在能源浪費大、施工造價高、施工干擾大、施工工期長等弊端.設計并成功應用暖風爐方案，改變了熱量傳送載體、熱量輸送裝置以及熱源結構，便于能源的有效、多次利用，從根本上降低了施工造價，減小了施工干擾，從而也縮短了施工工期，滿足了隧道冬季施工的要求.在季節(jié)性凍土區(qū)隧道冬季施工中，采用暖風爐方案，還可以取得諸多經濟和社會效益，且對今后同類隧道的冬季施工具有較高的參考價值.

［1］劉樹利.淺述隧道工程冬季施工要點［J］.建設機械技術與管理，2010(8):93－95.

［2］張學富，賴遠明，喻文兵，等.風火山隧道多年凍土回凍預測分析［J］.巖石力學與工程學報，2004，23(24):4170－4178.

［3］謝秦湘.淺談天河梁隧道冬季施工技術方案［J］.山西建筑，2008，34(19):335 －336.

［4］關世通.黃嶺隧道冬季施工技術淺議［J］.北方交通，2007(12):73－75.

［5］乜鳳鳴.寒凍地區(qū)鐵路隧道冬季施工保溫技術［J］.現(xiàn)代隧道技術，2002，39(4):54 －56.

Thermal Insulation Measures of Tunnel Construction in Winter in Seasonally Frozen Areas

GAI Qing-shan
(China Railway 13th Bureau Group Co.Ltd.，Changchun 130033，China)

The tunnel engineering takes an increasingly larger part in the road and railway construction in the seasonal freezing areas such as Heilongjiang Province and Inner Mongolia.In order to meet the time demand，the tunnel construction in winter comes to be very important.The paper takes the Boketu － Yakeshi tunnel project as an example to suggest the tunnel heating measures with the warm air furnace，which is able to solve the problem of cold insulation in the tunnel construction in winter in the seasonally frozen area.The measures can extend the working time，speed up the construction progress and decrease the cost，thus it can benefit the economy and society，which could provide a providing a reference for the similar projects.

tunnel engineering;winter construction;thermal insulation;the measures of engineering

1002－5634(2012)02－0127－03

2012－01－28

蓋青山(1974—)，男，山東膠南人，高級工程師，碩士，主要從事土木工程施工管理方面的研究.

(責任編輯:喬翠平)