基于寒區(qū)背景下隧道除冰技術(shù)分析

趙天望，戴長雷

(1.黑龍江大學(xué)寒區(qū)地下水研究所，哈爾濱 150080；2.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080)

中國寒冷地區(qū)分布廣泛，寒區(qū)面積在土陸地面積中占據(jù)重要比重。隨著中國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的飛速發(fā)展，國家政策的落實(shí)，在寒冷地區(qū)修建了大量的公路隧道工程。受寒區(qū)惡劣環(huán)境的影響，特別是凍融循環(huán)作用，寒區(qū)隧道經(jīng)常出現(xiàn)襯砌開裂、內(nèi)部滲漏、拱頂掛冰等凍融病害，導(dǎo)致隧道的服役能力迅速降低、影響了隧道的安全行車能力[1]。隧道襯砌和邊墻出現(xiàn)結(jié)冰是一種較為嚴(yán)重的凍害[2]，如何對這類凍害采取防治措施，是很多學(xué)者和行業(yè)人士探討的話題。因此，基于寒區(qū)背景下研究更加高效合理的隧道除冰技術(shù)具有十分重要的意義。

1 寒區(qū)隧道分區(qū)

1.1 寒區(qū)的定義

“寒冷地區(qū)”簡稱“寒區(qū)”，根據(jù)不同的評判標(biāo)準(zhǔn)會(huì)產(chǎn)生差異，一直以來并沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來對其進(jìn)行劃分，在寒區(qū)的眾多對比因素中溫度和固態(tài)降水量屬于最主要的指標(biāo)。直觀上大多是以“冷”和“暖”程度相互做出比較，標(biāo)定該區(qū)域的氣候特征。由于區(qū)域氣候的不同，會(huì)對工程的施工建造和后期維修養(yǎng)護(hù)都產(chǎn)生較大的影響，增加了施工難度。中國寒區(qū)主要集中在東北三?。哼|寧、吉林和黑龍江，其他地區(qū)包括青海、內(nèi)蒙古、新疆和甘肅等。我國寒區(qū)氣候指標(biāo)主要包括年(月)平均氣溫、日平均氣溫、固態(tài)降水百分比、年平均積雪日數(shù)等[3]。中國寒區(qū)的氣候指標(biāo)，見表1。

表1 中國寒區(qū)的氣候指標(biāo)

1.2 寒區(qū)隧道分區(qū)

依據(jù)隧道所受凍害的程度對寒區(qū)隧道進(jìn)行分區(qū)，并以隧道所在區(qū)域的最大凍結(jié)深度、凍土類型以及凍結(jié)日期等作主要的參數(shù)指標(biāo)。寒區(qū)隧道分區(qū)簡表，見表2。

表2 寒區(qū)隧道分區(qū)簡表

2 工程概況及冰害發(fā)育過程

2.1 工程概況

黑龍江省哈爾濱市處在中國東北地區(qū)，屬于寒區(qū)范圍。因此，文章以哈爾濱市黎明大道公路隧道為例，分析寒冷地區(qū)涎流冰的形成過程和現(xiàn)狀。該隧道位于哈爾濱市香坊區(qū)，屬于城市公路隧道。位于E45.3°，海拔約為170m。隧道全長1.2km，地質(zhì)以泥巖、砂巖為主，等級(jí)為Ⅲ-Ⅳ級(jí)，隧道埋深6-35m。隧道所在位置年平均氣溫為-30-26℃，11月至次年1月平均氣溫在-14.1℃。受地理位置影響，該區(qū)域長期受流水侵蝕，隧道邊墻和內(nèi)拱出現(xiàn)不同程度的開裂，冬季和春季氣溫較低時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)凍脹破壞，嚴(yán)重影響隧道的使用功能。

實(shí)地勘察發(fā)現(xiàn)，此隧道通車幾年后，有多處襯砌結(jié)構(gòu)的外部裝飾及施工材料嚴(yán)重脫落，施工縫和預(yù)留伸縮縫出現(xiàn)開裂，嚴(yán)重部位出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。到了冬季期，滲漏處的水滴在持續(xù)的低溫條件下凝結(jié)成冰。隨著水流不斷下滲，冰體開始發(fā)育逐漸向外延伸，最終造成大量的冰體發(fā)育成形。嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，也給交通運(yùn)營帶來極大的隱患，隧道內(nèi)部出現(xiàn)大量涎流冰，見圖1。

圖1 隧道內(nèi)部出現(xiàn)大量涎流冰

2.2 冰害發(fā)育過程

拱頂或邊墻滲水結(jié)冰的現(xiàn)象，在很對寒區(qū)隧道建設(shè)過程中多有發(fā)生。首先是這些地區(qū)常年多雨雪天氣，匯集形成的地表水會(huì)沿著結(jié)構(gòu)層間縫隙向下滲流。另外，隧道開挖會(huì)經(jīng)過不同土層，如果遇到富水區(qū)，地下水在排流不及時(shí)的情況下會(huì)向外涌流，兩個(gè)方面的水源為冰體發(fā)育提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。透過隧道的結(jié)構(gòu)層，水流匯集到拱部或者邊墻的裂縫處，滴水在長時(shí)間的低溫條件下凝結(jié)硬化。后面的水流受重力作用順著硬化的冰體表面向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而冰體的體積不斷增大。但是這種發(fā)育速度并不是一成不變的，受冰載體的影響，冰體在后期發(fā)育變得越來越緩慢，最終趨于穩(wěn)定，冰體發(fā)育形態(tài)投影圖，見圖2。

圖2 冰體發(fā)育形態(tài)投影圖

冰體的重量和長度是描述冰體形態(tài)的重要指標(biāo)，兩者達(dá)到一定數(shù)值時(shí)冰體會(huì)自由脫落?？赡芤蛩幁h(huán)境條件不同，冰體大小有所差異?？偟男螒B(tài)類似錐形，上部的直徑大下部小，尖角向下如同倒掛的利劍，從高處落下形成的壓強(qiáng)很大。為防止給行車和人身安全造成破壞，應(yīng)及時(shí)清除。

3 寒區(qū)隧道的除冰技術(shù)

3.1 人工除冰

在公路隧道維修養(yǎng)護(hù)的過程中，人工除冰的方式很常見[4]。工人們多用鏟刀、木棒等除冰工具，對結(jié)冰部位進(jìn)行清理。但是，隧道內(nèi)除冰操作危險(xiǎn)系數(shù)較高，主要是因?yàn)楸w結(jié)構(gòu)多為錐形，上部直徑大下部尖銳，一旦施工過程中處理不當(dāng)極有可能會(huì)傷害工作人員，此前也多有人員在除冰過程中受傷的新聞出現(xiàn)。由于北方寒區(qū)低溫條件下維持時(shí)間較長、雨雪量大，很大程度上增加了除冰難度。另外，惡劣的氣候條件會(huì)使得滲漏處再次結(jié)冰，需要重復(fù)清除。因此，每年用冬季公路隧道除冰工作中的物力、人力和財(cái)力的消耗量很大。當(dāng)遇到大面積掛冰出現(xiàn)，又需要耗費(fèi)更多的時(shí)間來保證冰體清理干凈。所以，科學(xué)高效的除冰技術(shù)對公路隧道運(yùn)營具有重要意義。

3.2 風(fēng)力掃冰器除冰

風(fēng)力掃冰器是利用車輛通過隧道產(chǎn)生的風(fēng)力作為動(dòng)力源將除冰葉片驅(qū)動(dòng)，從而將隧道襯砌壁上面的凝結(jié)的冰柱清掃干凈，這套除冰裝置主要適用于電氣化區(qū)段接觸網(wǎng)隧道[5]。由于這套裝置不需要額外的能源所以非常節(jié)能，另外這套裝置還有性能穩(wěn)定、方便安裝、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用在不同環(huán)境中。之前有研究者在內(nèi)蒙古的八蘇木隧道做過關(guān)于風(fēng)力掃冰器除冰效果的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明這套裝置不僅便于安裝，而且當(dāng)風(fēng)力較大時(shí)除冰葉片達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速可以起到很好的除冰效果。整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)整套設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，可以作為除冰的方式應(yīng)用在隧道工程中。但在由于掃冰機(jī)械使用時(shí)間長了容易發(fā)生故障，另外遇到太過堅(jiān)硬的冰塊時(shí)除冰葉片容易損壞，增加維修成本，所以該技術(shù)多適用于小隧道的除冰工作。

3.3 隧道滲漏處設(shè)置融冰裝置

隧道工程施工過程中在滲漏處安置融冰裝置，工作機(jī)理主要是通過電力傳輸讓融冰裝置產(chǎn)生熱量從而通過洞內(nèi)溫度維持在0℃以上，避免滲漏處結(jié)冰。這套融冰裝置主要是由電加熱板、懸掛支架、溫控系統(tǒng)組成[6]。整個(gè)裝置需要每個(gè)組成部分的協(xié)調(diào)合作才能達(dá)到效果，其中電加熱板和懸掛支架需要安裝在襯砌表面和接觸網(wǎng)之間，并且緊貼隧道襯砌面，以避免之間留有空隙增加熱量損失。為方便工人安裝和后期維修，所以將電控箱安裝在隧道壁的一側(cè)。

隨著科技的不斷進(jìn)步，不同行業(yè)都在極力追求高質(zhì)量、高效率的發(fā)展。所以寒區(qū)隧道的除冰技術(shù)也在不斷的改進(jìn)和完善，安裝融冰裝置對結(jié)冰部位進(jìn)行清除的技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。對比分析可以發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)具體很好的優(yōu)勢，特別是地板輻射采暖系統(tǒng)的應(yīng)用更是廣泛。目前在國內(nèi)外機(jī)場、建筑樓房也多有使用。該技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)就是在水量大的地方進(jìn)行很好的引流，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)膨脹的現(xiàn)象，在一定程度上減少了人工除冰的強(qiáng)度[7]。并且根據(jù)溫度感應(yīng)裝置對洞內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，利用該技術(shù)可以比較有針對性的處理冰害，在水滴凝結(jié)之前進(jìn)行加熱保溫，具有較好的預(yù)防作用。但是融冰裝置除冰也存在一些缺點(diǎn)：①需要投入過多的成本來引接外部的電源和線路；②由于這套裝置是由很多部分組成，需要對每個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行合理的管理才能達(dá)到除冰的目的，所以在管理上面需要增加工作量。以上這些問題也需要施工人和研究者們的進(jìn)一步探討和研究。

4 除冰技術(shù)的優(yōu)選

以上就是3種主要的除冰方法，通過對比分析認(rèn)為融冰裝置的是最優(yōu)的選擇。雖然這種方式也存在一些缺點(diǎn)，但相比較而言該技術(shù)具有更高的效率性和控制性。

4.1 融冰裝置組成及作用

隧道融冰裝置是由很多部分組裝而成，主要組成部分分別是電加熱板、接線盒、溫控配電箱及固定角鋼、電源控制線。而融冰裝置的工作原理，就是提高電線傳輸能量到裝置產(chǎn)生熱量，以提高洞內(nèi)的溫度防止?jié)B漏處的水滴凝結(jié)成冰[8]，電加熱板裝置圖，見圖3；懸掛支架裝置圖，見圖4。

圖3 電加熱板裝置圖

圖4 懸掛支架裝置圖

4.2 功能及技術(shù)指標(biāo)

融冰裝置具有實(shí)時(shí)檢測的功能，可以對溫度進(jìn)行控制。在該裝置上帶數(shù)碼管顯示和防水型溫度傳感器探頭，可以檢測到隧道內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度，并通過數(shù)顯進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄(溫度顯示及控制范圍：-35-85℃)，可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際設(shè)定啟、停動(dòng)作溫度，接線盒設(shè)有白色指示燈可實(shí)時(shí)顯示加熱板工作狀態(tài)[9]。隧道融冰裝置在外部包裝材料選擇上也嚴(yán)格要求，多使用輕便、耐腐蝕、易安裝的材料。在外部端口安裝或者連接時(shí)都做好了防水處理，在潮濕環(huán)境下也能夠滿足使用功能。融冰裝置輸入電壓為AC380±20%V,各端子對各端子對機(jī)殼的絕緣電阻應(yīng)>50M，溫度顯示及控制范圍為-40-80℃，溫度顯示精度為1℃，誤差±1℃，加熱板表面溫度(室溫條件下)>100℃。

4.3 融冰裝置的安裝

4.3.1 加熱板安裝標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)不同作用位置隧道設(shè)計(jì)的融冰裝置會(huì)有所差異，主要的加熱板尺寸多為1000×2000mm，另外在安裝時(shí)需要確保加熱板與線路垂直，隧道滲漏處正好對準(zhǔn)加熱板的中心，將2條V形槽扣板用膨脹螺絲固定在隧道襯砌的頂部，間距為1000mmV形槽扣板V口緊挨加熱板，距加熱板沿500mm，安裝過程中要用Φ12×120mm型膨脹螺絲固定緊加熱板，并在螺絲外下部安裝鐵板，防止其脫落。

4.3.2 接線盒安裝標(biāo)準(zhǔn)

除了加熱板等設(shè)備的安裝，接線系統(tǒng)的安裝也很重要。將連接加熱裝置的線路匯集到隧道邊側(cè)拱壁上，接線盒的外部材料盡量選取防水性能好的材料[11]。并且，在接線盒的底部打上兩個(gè)2個(gè)M6×80的膨脹螺栓用于固定接線盒防止其脫落。在接線端的入口連接220V的電源，輸出口連接加熱板。另外，在接線完成后設(shè)置預(yù)防系統(tǒng)，當(dāng)遇到漏電情況時(shí)自動(dòng)斷電。完整的系統(tǒng)需要好幾個(gè)接線盒，并用接線箱固定在一起，接線箱，見圖5。

4.4 除冰效果分析

文章以哈爾濱黎明大道公路隧道為研究對象，在隧道左右兩幅分別設(shè)置不同工況點(diǎn)條件，左幅隧道不設(shè)置除冰裝置，右幅隧道提前布設(shè)融冰裝置，現(xiàn)場布設(shè)裝置，見圖6。試驗(yàn)當(dāng)天為雨雪天氣，隧道外界日平均溫度-20℃，融冰裝置穩(wěn)定運(yùn)行8h，設(shè)置鋪設(shè)功率為80 W/m2。沿著隧道右邊墻徑向(圍巖方向)安裝測溫元件，一共5個(gè)，每隔30cm安裝一個(gè)，測溫點(diǎn)的布置，見圖7。通過現(xiàn)場溫度監(jiān)測獲取每個(gè)測溫點(diǎn)的溫度變化情況，不同測點(diǎn)的溫度變化情況同，見表3。

為評估該技術(shù)在冬季期整體供熱除冰的穩(wěn)定性，監(jiān)測時(shí)間設(shè)定為90d( 11月—來年1月，月平均溫度最低)利用測溫元件對隧道右邊墻外側(cè)圍巖方向溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，隧道右邊墻外側(cè)圍巖方向溫度變化情況，見圖8。

圖5 接線箱

圖6 現(xiàn)場布設(shè)裝置

圖7 測溫點(diǎn)的布置

表3 不同測點(diǎn)的溫度變化情況

圖8 隧道右邊墻外側(cè)圍巖方向溫度變化情況

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隧道左幅隧道在低溫條件下，拱部明顯出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。反觀右側(cè)隧道，在融冰裝置穩(wěn)定運(yùn)行1h后，加熱板迅速將溫度傳遞出去，促使襯砌背后溫度不斷上升，大概3h以后溫度基本都維持在正溫，有效預(yù)防滲漏處發(fā)生冰害。月平均溫度最低的冬季期，融冰裝置除冰效果較為穩(wěn)定，降低持續(xù)低溫環(huán)境對隧道結(jié)構(gòu)的影響，避免襯砌或者邊墻滲水處結(jié)冰。

5 結(jié) 論

1)隧道冰害嚴(yán)重威脅著公路隧道的安全運(yùn)行，極大干擾著運(yùn)營管理。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，效率低下的人工除冰和風(fēng)力掃冰器除冰已不再適應(yīng)鐵路日益完善與高效的運(yùn)營管理模式，解決好隧道除冰問題對電氣化鐵路的安全運(yùn)行有著非常重要的意義。以上多種施工方式，在寒區(qū)背景下都具有特殊性。通過對比分析認(rèn)為融冰裝置的是最優(yōu)的選擇，不僅高效也具有更高的控制性。

2)通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)得出融冰裝置的除冰效果，在穩(wěn)定運(yùn)行下，電力輸出致使加熱板溫度迅速升高，并將其熱量傳遞給隧道結(jié)構(gòu)，有效防治隧道拱部或者邊墻處滲水結(jié)冰。但是其他的技術(shù)也各有優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)工程的具體情況再?zèng)Q定采用那種方式。有時(shí)候多種方式的配合使用會(huì)更加提高隧道除冰的效率。只有制定合理有效的方案才能起到除冰的效果，以避免隧道結(jié)冰造成的安全隱患。