高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道建設(shè)技術(shù)

【摘 要】當(dāng)前，隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，很多高海拔地區(qū)的交通建設(shè)工程日益增多，所以在進(jìn)行高海拔嚴(yán)寒地區(qū)的隧道建設(shè)施工中，由于外界的因素對于隧道建設(shè)有很大的影響。特別是隧道凍害的防治問題，是目前高寒地區(qū)隧道施工面臨的最突出和棘手的問題。所以，在高寒地區(qū)隧道設(shè)計以及施工的常用方法和處理措施，最急需考慮的就是凍害防治及保溫設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】高海拔嚴(yán)寒地區(qū)；隧道；建設(shè)技術(shù)

一、高寒地區(qū)隧道凍脹機(jī)制及凍害的表現(xiàn)形式

關(guān)于隧道的凍害，很多人會聯(lián)系到圍巖的凍脹壓力，而且很多有關(guān)寒區(qū)隧道凍害問題的資料，也將凍害發(fā)生的原因歸結(jié)于“隧道襯砌混凝土在圍巖的凍脹壓力作用下開裂破壞”。但是，筆者卻有不同的看法，認(rèn)為以上結(jié)論過于籠統(tǒng)，不太精確。因為在實踐中，圍巖的凍脹壓力并不是隧道凍害的唯一原因，比如局部存水凍脹破壞、混凝土的冰凍破壞、凍脹性圍巖凍脹破壞以及裂縫裂隙水的凍脹破壞等原因。并且在現(xiàn)實的隧道凍害，不少是兩種以上因素的共同作用所致。根據(jù)有關(guān)調(diào)查分析，隧道凍害的表現(xiàn)形式可以分為以下幾點：

（1）由于圍巖的凍害損害了襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，造成隧道襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)部分突出，甚至引發(fā)隧道整體塌陷等嚴(yán)重后果。（2）低溫凍害引起隧道襯砌面發(fā)生較大規(guī)模的開裂、剝落。（3）襯砌后背區(qū)域凍結(jié)，進(jìn)行出現(xiàn)漏水以及涌水等問題。（4）隧道拱部發(fā)生結(jié)冰。（5）隧道底部滲水、結(jié)冰。（6）隧道兩側(cè)墻體出現(xiàn)壁冰等情況。不過在實踐中，必須根據(jù)隧道工程施工區(qū)域的地質(zhì)和水文環(huán)境，然后判斷隧道凍害的機(jī)理與表現(xiàn)形式，進(jìn)而做好針對性的應(yīng)對措施，以下將先對該隧道工程的基本情況做簡單介紹。

二、該隧道工程的基本情況

（1）工程概況。青南地區(qū)玉樹州長拉山隧道位于雜多縣食宿站以西的長拉山上，為單洞雙向行駛隧道，隧道樁號K80+810～K83+210，長2400m，最大埋深223m，進(jìn)口設(shè)計高程4435.82m，出口設(shè)計高程4498.98m，設(shè)計縱坡2.709%；洞門型式進(jìn)口為削竹式。該隧道位于高海拔、高緯度的嚴(yán)寒區(qū)域，寒冷季節(jié)的凍土深度可以達(dá)到600cm，并且隧道凍害是該工程設(shè)計的突出問題，制約著該隧道施工的質(zhì)量。隧道施工地區(qū)的水文和地質(zhì)情況復(fù)雜，地層以砂礫巖、斷層角礫巖以及石灰?guī)r為主，地下水的補給主要是大氣降水，并以基巖裂隙水形態(tài)為主。

（2）隧道區(qū)域地質(zhì)與氣象條件。1）地形、地貌。隧址區(qū)處于構(gòu)造剝蝕中高山地貌，路線橫穿山脊，沿線地形地勢特點縱向為中間高、兩側(cè)低，橫向為兩側(cè)高、中間低。隧道進(jìn)口洞口地處EW方向的沖溝中，地形較陡，覆蓋層較薄；隧道出口洞口地處NW-SE方向的沖溝中，地形稍緩，覆蓋層有一定厚度。2）地層巖性。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪及物探資料，整個隧址區(qū)上覆薄層第四系全新統(tǒng)沖洪積漂石、卵石，冰磧漂石、卵石，下伏基巖為三疊系上統(tǒng)奪蓋拉組二段板巖、砂巖、二疊系中統(tǒng)板巖夾安山玄武巖。

（3）地質(zhì)構(gòu)造。區(qū)內(nèi)構(gòu)造以斷裂為主，褶皺不發(fā)育。斷裂以南北向為主，北西向或北北西向構(gòu)造次之。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪及區(qū)域地質(zhì)資料，隧道處于F1斷層（德欽～中甸～大具斷層）西南250～800m。受該斷裂影響，隧址區(qū)發(fā)育兩條次級斷層F4、F5，分別于與隧道大角度相交，破碎帶寬約120m、80m，在隧道中部導(dǎo)洞中發(fā)現(xiàn)F4次生斷層F8（下部極破碎的板巖和其上堅硬的紫紅色斷層泥、該接觸面（斷層面）傾向與巖層相反，走向近似東西，傾向北東，傾角30°～45°，正斷層），破碎帶寬約50m，于隧道小角度相交，直接影響隧道圍巖等級及涌水狀況。

（4）氣象狀況。該區(qū)域內(nèi)以溫帶內(nèi)陸山地氣候為主，季節(jié)分明，春夏降水多，秋冬季較少。冬季漫長，晝夜溫差大。年降水量在300～400mm，最大積雪厚度可以超過150cm。最低氣溫甚至達(dá)到-36.6攝氏度，最冷月平均氣溫在-14度左右，最熱月則為13度。

三、高海拔嚴(yán)寒地區(qū)隧道建設(shè)技術(shù)

（一）治水措施。在治水措施設(shè)計中，防排結(jié)合是必須堅持的原則。特別是排水系統(tǒng)的設(shè)置，必須考慮到高寒隧道地區(qū)的地質(zhì)和水文條件。應(yīng)在初支以及二襯間架設(shè)復(fù)合防水板，并利用排水系統(tǒng)來疏導(dǎo)隧道周邊圍巖滲流水以及進(jìn)入到初支的地下水，保證隧道沒有地下水滲出來，進(jìn)而防止凍結(jié)情況的出現(xiàn)。具體而言：

（1）為了避免地下水滲透到路面上，隧道在斷面上宜采取帶仰拱的結(jié)構(gòu)，以此避免水引發(fā)路面結(jié)冰，并且損傷整體路面結(jié)構(gòu)問題的發(fā)生。

（2）為了防止排水系統(tǒng)由于凍結(jié)而失效，隧道應(yīng)采用全包防水的設(shè)置方案。仰供底部設(shè)置中心深埋水溝，位于凍結(jié)線以下。

（3）在隧道襯砌背后設(shè)置盲管排水裝置，使用縱向和環(huán)向盲管來收集滲透到初支的地下水，并引入隧道底部的中心深埋水溝。

（二）保溫材料選取。該隧道的保溫方案借鑒了某高寒地區(qū)公路設(shè)計施工中防凍害經(jīng)驗，在隧道隔熱保溫設(shè)計上選擇外隔熱層的方法，也就是將保溫層設(shè)置在隧道二襯內(nèi)部層面上。在保溫材料的選擇上，以性能、成本、施工方便性等為參考指標(biāo)。因為保溫層主要應(yīng)用與隧道內(nèi)部，所以在性能方面優(yōu)先選擇耐火性能、環(huán)保系數(shù)、遇水后保溫系統(tǒng)較高的材料，并且將化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)熱系數(shù)、防水防腐性能也納入到考慮范圍內(nèi)。目前，國內(nèi)一般選擇的保溫材料為B級阻燃材料，這種材料耐火性能差，并且外部通常覆蓋防火材料與加固裝飾層。所以，該材料不僅安全隱患大，而且保溫成本高。在對保溫材料進(jìn)行綜合對比后，該隧道設(shè)計將目標(biāo)放在了泡沫玻璃型材料和無機(jī)纖維噴涂材料上。這兩種材料都不易燃，而且符合建筑A級防火性能。同時還具有耐火性能，不需要加蓋防火板，所以保溫成本低。但是，這兩種材料也存在導(dǎo)熱系數(shù)過大的缺點。不過，相對于無機(jī)纖維噴涂材料，泡沫玻璃型材料具有較高的吸水率，能在遇水后保持較高的保溫性能，所以適合在高寒地區(qū)隧道施工中采用。所以，本隧道功能的保溫層最終確定為泡沫玻璃型材料?？偠灾?，在保溫材料的選擇中，導(dǎo)熱系數(shù)只能作為一個參考指標(biāo)，而不是唯一指標(biāo)。為了提高材料的保溫效果，必須結(jié)合有關(guān)因素進(jìn)行綜合考慮，并將保溫材料遇水后的保溫性能作為重要的衡量指標(biāo)。

（三）縱向排水管出水口保溫措施。本隧道在排水系統(tǒng)設(shè)計與施工中實行了隧底縱向排水管的設(shè)置，從而保證隧道底部縱向排水管不會發(fā)生出水口凍結(jié)的問題。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，確保出水口不會因為凍結(jié)而堵塞。隧道底部縱向排水管在隧道區(qū)域外，一般采取大坡度泄水的方法，通過增大流水速度來及時排走管內(nèi)水流。通常來說，地下水會在地下維持一定的溫度。而隧道內(nèi)側(cè)保溫層的安裝能夠保證隧道周邊圍巖不發(fā)生滲流凍結(jié)的情況。此外，大坡度的泄水以及出水口附近的保溫措施，可以達(dá)到減少管內(nèi)水流與外界的熱量交換程度的目的，減緩熱量的流失。如圖1所示為洞口出水口設(shè)計情況。在隧道貫通后，因為隧道出水量通常會高于預(yù)測量。所以，為了保證水流可以暢通的排出出水口，本文對出水口作了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，如圖2所示。

（四）設(shè)置防寒門。為了增強(qiáng)隧道內(nèi)部的保溫隔熱效果，應(yīng)當(dāng)在隧道洞口設(shè)置防寒門。但是，防寒門技術(shù)在國內(nèi)還沒有廣泛應(yīng)用，極少出現(xiàn)在公路隧道內(nèi)。主要原因是防寒門的可靠性和穩(wěn)定性還有待證實。但是筆者認(rèn)為，隨著我國隧道施工技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)控制技術(shù)的穩(wěn)定，防寒門將會大量在高寒地區(qū)隧道施工中使用。而當(dāng)前防寒門技術(shù)的關(guān)鍵，就是控制器開啟頻次的問題，隨著該技術(shù)的成熟，該問題不久將會得到解決。

結(jié)語

總之，對于高寒地區(qū)的隧道施工來說，隧道凍害的防治是非常重要的，同時由于其制約著隧道施工的質(zhì)量。因此，一定要能夠有效充分認(rèn)識到隧道凍害的發(fā)生機(jī)理，并根據(jù)隧道地區(qū)的地質(zhì)和水文環(huán)境，完善排水系統(tǒng)的設(shè)計方案，把握好隧道設(shè)計中保溫措施。特別是在保溫材料選取上，隨著近幾年材料技術(shù)的不斷發(fā)展，新材料新工藝的廣泛出現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合性能、施工、成本等因素來進(jìn)行綜合比較，選取綜合效果最高的材料?？偠灾覈吆貐^(qū)的隧道修建工程相對較少，沒有廣泛的成功經(jīng)驗可以借鑒，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)緊密結(jié)合實踐，將理論與實踐相結(jié)合，促進(jìn)我國高寒地區(qū)隧道設(shè)計水平的提高，進(jìn)而推動相關(guān)隧道工程安全平穩(wěn)的完工。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧剛.高海拔寒區(qū)隧道防凍害設(shè)計問題[D].西南交通大學(xué)，2012.

[2]顧旭鵬，侯文虎，蔡肖.高海拔嚴(yán)寒地區(qū)公路隧道保溫材料的比較研究[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2011，09：180-183.

[3]張祉道，王聯(lián).高海拔及嚴(yán)寒地區(qū)隧道防凍設(shè)計探討[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2004，03：1-6.