氣象要素在雪山梁高海拔隧道設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

李泳伸，林國進(jìn)，鄭金龍

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610041)

0 前 言

區(qū)別于一般平原地區(qū)的隧道，高海拔寒區(qū)隧道工程技術(shù)方案，更加依重于隧址區(qū)的氣象調(diào)查資料。大量已修建完成的高寒隧道由于寒冷氣候的影響，除了存在一般地區(qū)常見的病害以外，還有特殊的凍害，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的破壞，通車能力劇減，甚至危及行車安全。究其最根本的原因，在于隧道洞口越嶺標(biāo)高選擇不當(dāng)，導(dǎo)致發(fā)生隧道襯砌凍脹、底部積水成冰甚至冰塞等嚴(yán)重的安全問題，有的高寒隧道甚至長期處于“能修不能用”的尷尬局面。

因而可以認(rèn)為，確定隧道越嶺標(biāo)高是影響高寒隧道工程成功的最關(guān)鍵因素。《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70/2—2014)對(duì)于氣象調(diào)查的內(nèi)容作了相應(yīng)規(guī)定，但對(duì)于如何使用該類資料沒有具體說明，依靠使用者自身經(jīng)驗(yàn)確定。

本文結(jié)合川黃公路雪山梁隧道的工程實(shí)例，重點(diǎn)針對(duì)該隧道如何運(yùn)用氣象資料解決高海拔寒區(qū)隧道關(guān)鍵性問題進(jìn)行總結(jié)提煉，為今后類似工程提供參考。

1 工程地理氣候概況

川(川主寺)黃(黃龍)公路雪山梁隧道，地處四川省阿壩藏族羌族自治州松潘縣境內(nèi)，是四川省路網(wǎng)結(jié)構(gòu)中松潘至平武縣道1202線和九寨旅游環(huán)線的組成部分，亦是黃龍核心景區(qū)與川主寺后勤基地唯一的連接公路。

項(xiàng)目地處岷山山脈。雪山梁北為5 010 m紅星巖山峰群，平均海拔4 500 m，南東南為5 588 m雪寶頂峰群，平均海拔高于4 500 m以上。山體溝壑縱橫，高差懸殊，北面山體深切、陡峻，山體裸露；南面相對(duì)平緩，植被茂盛。

雪山梁雨熱同季，冬寒夏涼，冬干夏濕，垂直氣候變化顯著，降水主要集中在夏季(冬季11～4月，夏季5～10月)；冬春季節(jié)多大雪，局地天氣變化劇烈，山頂附近多霧；陰陽坡氣象要素差異大等氣候特點(diǎn)。

2 主要?dú)庀笠丶胺治?/h2>

雪山梁隧道建設(shè)項(xiàng)目是四川省阿壩州重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。為做好隧道氣象條件評(píng)估工作，阿壩州氣象局專門成立川黃公路雪山梁隧道氣象可行性論證項(xiàng)目組，根據(jù)隧道附近氣象臺(tái)站的歷史氣象探測(cè)資料，利用天氣學(xué)、氣候?qū)W、高原山地氣象學(xué)及相關(guān)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，進(jìn)行分析論證，形成《阿壩州松潘雪山梁隧道工可氣象評(píng)估》報(bào)告，該報(bào)告對(duì)于雪山梁各高度氣象要素進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。

2.1 氣溫變化特點(diǎn)

雪山梁氣溫隨海拔高度的增高而降低。東、西兩側(cè)山體氣溫的垂直分布差異不大，溫度垂直遞減率為冬季大于夏季。冬季平均為0.82℃/100 m，夏季平均為0.61℃/100 m。谷底到山頂平均溫差6.0℃～8.0℃甚至更高。

2.2 各高度層氣壓變化特點(diǎn)

雪山梁(3 000～4 000 m)最高氣壓在山底為713.7 hPa，最低氣壓在山頂為612.9 hPa，平均壓差為87 hPa，相同高度最低氣壓出現(xiàn)在2～3月份，最高氣壓9～11月份，同高度氣壓最大變化幅度達(dá)13.8 hPa，東西口3 400 m壓差不超過2 hPa。

2.3 各高度層降水特點(diǎn)

雪山梁最大降水3 200～3 300 m，年平均降水量大于900 mm，最大量年降水可達(dá)1 000 mm以上；3 100～3 500 m高度降水充沛，最大降水主要出現(xiàn)在喇叭口地形谷底，歷年月最大降水量出現(xiàn)在6月3 200 m高度上，月降水量達(dá)253.8 mm(30年一遇日最大降水出現(xiàn)在此高度上的9月份達(dá)57.2 mm)。雪山梁的降水主要集中在4～10月，占91%。汛期5～9月，降水量占73%。3 700 m以上高度降水日數(shù)約多于3 500 m以下高度日數(shù)。700 m以上降水量總量比3 500 m降水量總量要少。

2.4 雪山梁高度層冰雪情況

雪山梁冰雪值，海拔3 300 m以下高度，積雪主要出現(xiàn)在10～5月；6～9月基本無積雪。最大雪深可達(dá)26 cm，歷史最長月積雪可達(dá)26天。3 400 m高度東西洞口附近積雪主要出現(xiàn)在10月～次年6月，其中7、8、9三個(gè)月基本無積雪，最大雪深可達(dá)27 cm，歷史最長月積雪可達(dá)30天，年平均積雪日數(shù)6.2天。3 500 m以上高度一年內(nèi)各月都有出現(xiàn)降雪的可能。積雪天數(shù)隨高度增加遞增率為1～2天/100 m。最大積雪深度可達(dá)30 cm以上，連續(xù)積雪最長在隆冬，3 800 m以上高度(12～2月)都有積雪出現(xiàn)可能，山頂附近連續(xù)積雪最長可從11月到次年3月。各高度最大雪深一般出現(xiàn)在3～4月，其次在10～11月出現(xiàn)。在同高度上陰坡及喇叭口和低洼處積雪比陽坡多5～8天，積雪深度差異大于5～8 cm。因此推測(cè)雪山梁陰山最大雪深應(yīng)大于40 cm；11～4月，積雪日數(shù)占總積雪天數(shù)的93%；55°以上斜坡有出現(xiàn)雪崩可能。

2.5 雪山梁各高度層地溫特點(diǎn)

海拔3 400 m以下高度的淺層地溫(5～40 cm)，1月、2月、12月基本上低于0℃，對(duì)工程開挖有一定難度；海拔3 500 m以上高度1～3月，11～12月都有淺層地溫低于0℃情況，易產(chǎn)生冰雪路面。

2.6 雪山梁各高度層凍土特點(diǎn)

根據(jù)資料推算，3 400 m以下高度9月～次年5月有凍土出現(xiàn)。其中，12月～次年4月凍土深度可達(dá)50 cm以上，最大可達(dá)77 cm，洞口3 400 m附近平均凍結(jié)時(shí)間在9月下旬，解凍在次年5月下旬(解凍時(shí)間自下而上每100 m推遲3～6天；凍結(jié)時(shí)間自上而下每100 m推遲5～7天，凍土深度陰山比陽山深5 cm左右；在4 000 m高度，凍土最大深度可達(dá)100 cm以上)。各高度上7月份均無凍土現(xiàn)象。

2.7 雪山梁各高度層霧日特點(diǎn)

洞口3 400 m附近年最多霧日為20天，月最多霧日出現(xiàn)在5月份可達(dá)5天；3 700 m以上高度月最多霧日可達(dá)16天，最多霧日出現(xiàn)在6～9月；3 700 m以下高度霧日主要出現(xiàn)月份在4～6月和9～10月。

2.8 雪山梁各高度層風(fēng)向風(fēng)速變化特點(diǎn)

雪山梁東西兩側(cè)盛行山谷風(fēng)，主導(dǎo)風(fēng)向隨溝谷在45度范圍內(nèi)變化，平均風(fēng)速隨高度增加緩慢，山頂附近風(fēng)速增速明顯。2～10月，盛行谷風(fēng)；11～1月，盛行山風(fēng)，谷底附近靜風(fēng)較多。迎風(fēng)面最大風(fēng)速可達(dá)18 m/s以上，西側(cè)夏季盛行偏西風(fēng)，最多風(fēng)向在NNW～SW夾角內(nèi)，冬季盛行偏北風(fēng)，風(fēng)向在ESE～NW范圍；東側(cè)洞口夏季盛行偏東風(fēng)，風(fēng)向在E～SSE范圍，冬季盛行山風(fēng)，風(fēng)向NW～NE。兩側(cè)洞口附近平均風(fēng)速2.5 m/s。

2.9 雪山梁各高度層濕度、蒸發(fā)情況特點(diǎn)

蒸發(fā)量隨高度增加變化不大，主要特征為：冬季蒸發(fā)量明顯小于夏季，有明顯高原干季特點(diǎn)；4～8月，平均蒸發(fā)量大于100 mm；1月、2月、11月、12月空氣干燥；5月、6月、9月偏濕。海拔3 800 m以上，年空氣濕度偏干；海拔3 800 m以下，表現(xiàn)濕潤。3 000～3 300 m，4～10月空氣濕潤。3 400～4 000 m，濕潤季節(jié)為5～10月。月平均相對(duì)濕度6～10月大于70%，空氣相對(duì)濕潤。其余時(shí)小于70%。

3 氣象要素的運(yùn)用

3.1 在隧道越嶺標(biāo)高選擇的運(yùn)用

根據(jù)氣象報(bào)告所提供的各類資料，雪山梁隧址區(qū)海拔3 200～3 800 m段每100 m氣象資料統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，進(jìn)而確定雪山梁隧道越嶺高程的主要控制因素。

1)從年平均氣溫為正，在3 600 m海拔時(shí)，年均氣溫為0.5℃，表明越嶺高程宜控制在3 600 m以下。

2)從風(fēng)速統(tǒng)計(jì)資料看，3 500 m海拔以下谷地風(fēng)速較小，增加不明顯，故隧道越嶺高程宜控制在3 500 m以下。

3)海拔3 400～3 500 m，年均霧日增長最快，同時(shí)在3 500 m以上，春秋季節(jié)降雪伴霧天所常造成水平能見度不到10 m，表明隧道越嶺的理想高程應(yīng)在3 400 m以下。

4)雪山梁地區(qū)每年11月至次年3月是降雪最集中的五個(gè)月，按150天計(jì)，隧道洞口宜將降雪天數(shù)控制在75天，隧道越嶺高程選擇在海拔3 400 m附近較為適宜。

綜合以上主要控制因素，同時(shí)考慮到合理控制造價(jià)，隧道前期方案階段確定雪山梁隧道的越嶺高程在3 400 m以下。最終，雪山梁隧道設(shè)計(jì)洞口海拔高程在3 370 m左右，隧道主洞全長7 966 m，設(shè)置平行導(dǎo)洞長8 086 m。

在該海拔高度上，其最冷月平均氣溫在-7.7℃～-8.5℃間，年平均氣溫在2.7℃～-1.9℃間；平均氣壓672.3 hpa，含氧量約67%；年積雪日數(shù)5.5～6.2天，最大積雪深度26 cm左右；最大凍土深度77 cm；年最多霧日不超過10天。

3.2 在隧道襯砌保溫層設(shè)計(jì)的應(yīng)用

在保溫設(shè)防段長度的考量上，目前的分析理論和設(shè)計(jì)方法都不夠成熟，無法論證清楚那種方法更成熟更可靠。目前已有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式法、查表法和工程類比法的分析。

根據(jù)(日)黑川希范公式，洞口保溫設(shè)防段長度可由式(1)確定：

y=154.7(-t)0.604

(1)

式中，y為洞口保溫設(shè)防段長度；T為隧道洞口最冷月的月平均氣溫。

根據(jù)隧道氣象評(píng)估報(bào)告，高程3 370 m隧道洞口最冷月月平均氣溫為-8.3℃,計(jì)算得出保溫層設(shè)防長度為555.4 m，綜合停車帶布設(shè)、運(yùn)營通風(fēng)等因素綜合確定隧道保溫設(shè)防段長度主洞取720 m，平導(dǎo)取900 m。經(jīng)目前運(yùn)營情況，設(shè)置長度合適。

根據(jù)隧道氣象評(píng)估報(bào)告，隧址區(qū)3 400 m高程凍土層厚度推算值小于80 cm，黏土導(dǎo)熱系數(shù)為1.3 w/m·k，則0.8 m厚黏土之熱阻為：

(2)

設(shè)置保溫層后，襯砌結(jié)構(gòu)的熱阻為：

(3)

式中，t襯為襯砌混凝土厚0.40 m(偏保守計(jì)，按Ⅳ型襯砌厚度計(jì)入，取了襯砌厚度認(rèn)為襯砌背后不受凍，而本文更保守認(rèn)為襯砌表面不受凍，所以應(yīng)取0)，t塑為待求保溫層厚度，鋼筋混凝土導(dǎo)熱系數(shù)K砼取2.0w/m·k，保溫層K塑取0.03 w/m·k。二者保溫效果應(yīng)相同則R粘=R襯。

即：

(4)

則

t塑=0.013(m)

即保溫層厚度需大于13 mm。

保溫層厚度計(jì)算一般采用式(5)：

(5)

式中，δ為防凍保溫層的厚度，m；δ1為黏土最大凍結(jié)深度，m；λ1為圍巖的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·°C)；λ為防凍保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·°C)；r為隧道的當(dāng)量半徑m。

對(duì)比其他高海拔寒區(qū)隧道的保溫泡沫層取值，如大板山隧道為50 mm，青藏鐵路亦為50 mm，鷓鴣山隧道40 mm。鑒于目前理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有限，本項(xiàng)目綜合計(jì)算分析和工程類比，建議按50 mm厚度進(jìn)行設(shè)置。

3.3 在隧道防排水設(shè)計(jì)的運(yùn)用

有關(guān)隧道設(shè)計(jì)規(guī)范指出，長度超過1 km寒冷地區(qū)的隧道，其洞口段考慮中心溝埋置深度按當(dāng)?shù)仞ば酝磷畲髢鼋Y(jié)深度考慮。根據(jù)隧道氣象評(píng)估報(bào)告，隧址區(qū)3 400 m高程凍土層厚度推算值小于80 cm，以此確定本隧道中心排水溝的埋置深度。由于洞身非深埋段水溝也已在路面標(biāo)高點(diǎn)下60 cm，設(shè)計(jì)采用減小仰拱曲圓半徑的方式，將中心水溝(見圖1～2)設(shè)置在仰拱填充以內(nèi)就可以達(dá)到這一要求，考慮本隧道洞口段以裂隙發(fā)育的灰?guī)r為主，有一定地下水滲水通道，將埋置深度及縱向長度均適當(dāng)加大，增加工程量較少，更利于洞口段冬季排水通暢。

圖1 洞身段中央水溝埋置情況

圖2 洞口段保溫段中央水溝埋置情況

很多寒區(qū)隧道將深埋水溝直接埋置在仰拱之外，雪山梁隧道深埋水溝設(shè)置于仰拱之內(nèi)，減小了施工難度。

3.4 對(duì)隧道低溫施工的要求

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，當(dāng)環(huán)境晝夜平均氣溫(最高和最低氣溫的平均值或當(dāng)?shù)貢r(shí)間6時(shí)、14時(shí)及21時(shí)室外氣溫的平均值)連續(xù)3d低于5℃或最低氣溫低于-3℃時(shí)，混凝土施工應(yīng)按低溫施工要求施做，故設(shè)計(jì)需要對(duì)隧道冬季施工提出相關(guān)要求，以保證低溫條件下的工程質(zhì)量。

4 結(jié) 語

雪山梁隧道于2016年9月主洞與平導(dǎo)均實(shí)現(xiàn)貫通并經(jīng)歷了多個(gè)冬季，隧道未發(fā)生水溝結(jié)冰、結(jié)構(gòu)凍脹等問題，實(shí)現(xiàn)了全路段全年全天候通行的建設(shè)目標(biāo)。

1)完整翔實(shí)的氣象觀測(cè)資料是確定高寒隧道選線方案、控制工程規(guī)模的基礎(chǔ)。已有研究資料表明，洞口段積雪超過20 cm時(shí)，行車?yán)щy，必須進(jìn)行除雪處理。因此，從提高隧道使用率而言，隧道洞口宜盡量控制在冬季長期積雪小于20 cm的標(biāo)高以下。

2)影響高寒隧道運(yùn)營安全的氣象因素多，要每一個(gè)氣象因素都能達(dá)到最佳的工程方案是極其困難的。必須針對(duì)每個(gè)項(xiàng)目特點(diǎn)找準(zhǔn)其控制因素，以達(dá)到工程的可實(shí)施性。如雪山梁隧道即使將高程控制在3 400 m以下，但仍存在短時(shí)間的霧日及降雪日，可以通過提高運(yùn)營管理水平進(jìn)行克服。

3)高寒隧道低溫條件的施工質(zhì)量是決定整個(gè)隧道質(zhì)量的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)提出了保證低溫條件下的施工質(zhì)量明確的要求，現(xiàn)場(chǎng)加強(qiáng)管理力度確保要求的執(zhí)行，保障了雪山梁隧道整體質(zhì)量。

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