高寒山區(qū)淺埋隧道凍脹特性及防寒措施分析

劉 賡,郭倬宇

(1.中鐵建大橋工程局集團(tuán)第一工程有限公司 大連市 116033;2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院 西安市 710055;3. 陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安市 710055)

0 引言

我國常年凍土面積占總國土面積的20%,季節(jié)性凍土面積達(dá)5.14×106km2,占我國全部陸地國土面積的53%[1]。近年來,隨著我國交通網(wǎng)的不斷擴(kuò)大,在環(huán)境嚴(yán)峻的凍土地區(qū)修建的隧道也在不斷增多,隧道中所產(chǎn)生的凍害問題也隨之增多。高海拔寒區(qū)的隧道在過去的建造經(jīng)驗(yàn)相對較少,且對于建設(shè)的技術(shù)條件和施工設(shè)備的要求上都要相對落后,所建成的大部分高海拔寒區(qū)隧道質(zhì)量較普通隧道質(zhì)量相比相對較低,因存在著襯砌結(jié)冰、隧道開裂漏水、隧道墻體剝落酥碎等問題,造成了隧道功能大大削弱與嚴(yán)重的安全隱患,養(yǎng)護(hù)工作也十分困難。因此,開展高海拔寒區(qū)隧道凍害機(jī)理和防治措施研究具有重要的工程實(shí)際意義和廣泛的應(yīng)用前景[2]。目前高海拔寒區(qū)隧道溫度場研究也是新興巖土工程領(lǐng)域的焦點(diǎn)問題,研究人員需在探索寒區(qū)隧道溫度場變化規(guī)律的基礎(chǔ)上,提供完善的寒區(qū)隧道保溫措施并科學(xué)設(shè)立寒區(qū)隧道防保溫層厚度。

文章著眼于季節(jié)性寒區(qū)隧道工程,根據(jù)隧道相關(guān)研究報告和科研成果、查閱最新研究寒區(qū)隧道相關(guān)的文獻(xiàn),科學(xué)地對比分析后明確目前在寒區(qū)隧道研究中存在的不足,考慮寒區(qū)隧道溫度等因素對襯砌承載能力和保溫抗凍措施的影響[3],有針對性的對于寒區(qū)隧道凍害防控提出科學(xué)合理的措施。

1 高海拔高寒隧道凍脹特性研究

1.1 國內(nèi)高海拔高寒隧道凍脹效應(yīng)研究

表1所示是我國部分已建成的高海拔寒區(qū)隧道。

表1 高海拔寒區(qū)隧道

針對以上的中國現(xiàn)有的高海拔寒區(qū)隧道工程發(fā)現(xiàn),寒區(qū)隧道施工中明晰具體的凍脹效應(yīng)機(jī)理是建立凍脹模型的前提,凍脹的發(fā)生往往需要水分、溫度與約束條件等條件。結(jié)合先前研究所提出的有關(guān)寒區(qū)巖土體理論與現(xiàn)場的實(shí)測數(shù)據(jù),部分學(xué)者認(rèn)為溫度的大幅度周期性變化是導(dǎo)致隧道病害發(fā)生的主要原因,目前大多數(shù)學(xué)者通過對寒區(qū)隧道進(jìn)行監(jiān)測,獲取其溫度變化特征曲線,并基于此開展對寒區(qū)隧道凍脹效應(yīng)的研究;晏啟祥等[4]依托于鷓鴣山隧道,開發(fā)出相關(guān)的三維瞬態(tài)有限元程序,分析二次襯砌及周邊圍巖的溫度隨時間的變化規(guī)律。隨著研究深入,目前學(xué)者普遍認(rèn)同由巖石孔隙或裂隙的水-冰相變造成,水分遷移與相變后的體積變化才是發(fā)生凍脹的主要原因,通過試驗(yàn)與模擬發(fā)現(xiàn)了風(fēng)化層中凍脹發(fā)生的普遍性規(guī)律,后續(xù)學(xué)者[5]結(jié)合已有規(guī)律并基于冰-水相變理論,將圍巖視為巖塊與裂隙組成的系統(tǒng),從圍巖介質(zhì)的熱膨脹系數(shù)出發(fā),對圍巖存在含水夾冰裂隙的隧道展開模擬,并考慮凍結(jié)過程對巖體滲透系數(shù)的影響,研究低溫下THM耦合條件下的溫度場與應(yīng)力場的分布規(guī)律。

目前對于凍脹效應(yīng)的研究往往從溫度與水分這兩個基本條件入手,對所構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行考慮溫度等其他條件的簡單力學(xué)分析,并未結(jié)合實(shí)際隧道情況,如隧道周邊的復(fù)雜地質(zhì)情況、施工中所設(shè)的保護(hù)結(jié)構(gòu)與多變的氣候條件,同實(shí)際情況還有一定差距,還需進(jìn)一步研究。

1.2 高海拔高寒隧道凍脹力計算方法研究

高海拔高寒隧道結(jié)構(gòu)破壞的主要原因在于凍脹壓力,研究者基于先前凍脹效應(yīng)的相關(guān)規(guī)律,對其進(jìn)行理論推導(dǎo)與數(shù)值計算,提出了三類凍脹力計算模型,包括:局部存水凍脹模型、含水風(fēng)化模型和整體凍脹模型。

目前整體凍脹模型使用最廣。如圖1所示,該模型目前使用最為廣泛,根據(jù)彈性黏彈性的原理,在圍巖的破碎圈中因?yàn)闈B水等原因,隧道圍巖破碎部分充滿了孔隙水,這些水會因?yàn)榈蜏貎鼋Y(jié)發(fā)生膨脹,對襯砌產(chǎn)生了整體的凍脹力,且根據(jù)相應(yīng)的理論公式,從而進(jìn)一步可以求出在季節(jié)性凍土區(qū)內(nèi)隧道襯砌受到的凍脹力和其自身應(yīng)力。為通過進(jìn)一步地分析,得到了一個關(guān)于隧道圍巖的更詳細(xì)的彈性解。張玉偉等[6]根據(jù)含水風(fēng)化層層的模型上的理論優(yōu)點(diǎn)結(jié)合了整體凍脹模型考慮圍巖凍脹力的產(chǎn)生來源,得到了“凍融巖石破碎圈整體凍脹模型”,更具實(shí)際參考意義。FENG等[7]又在整體凍脹模型是把圍巖看作一個不變整體基礎(chǔ)上,將圍巖屬性進(jìn)行劃分,設(shè)立了四個區(qū)域,包括:支護(hù)區(qū)、凍結(jié)塑性區(qū)、彈性凍結(jié)區(qū)和非彈性凍結(jié)區(qū),根據(jù)這四個更加詳細(xì)的圍巖區(qū)域化分,得到關(guān)于季節(jié)性隧道圍巖彈塑性計算模型。筆者認(rèn)為整體凍脹模型沒有考慮到圍巖的力學(xué)性質(zhì)會因季節(jié)變化導(dǎo)致的溫度變化造成的多次凍融循環(huán)而改變,故根據(jù)針對此應(yīng)結(jié)合工程案例對整體凍脹模型加入了考慮凍融變化的因素。吳紫汪推導(dǎo)了典型凍脹力計算式[8],見式(1):

圖1 寒區(qū)隧道凍脹力典型模型

(1)

式中,n為圍巖空隙率;a為水-冰相變體積膨脹系數(shù);E2為圍巖的彈性模量;u1、u2分別為襯砌與圍巖的泊松比,且該式已被《公路隧道設(shè)計細(xì)則》(JTG/T D70—2010)收錄。

通過整體凍脹模型,可以更精確的求解和研究襯砌承載能力,亦可針對不同的隧道設(shè)計出不同的抗凍設(shè)計方針。但對比實(shí)際監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn),該模型還存在較大誤差,該模型大多是基于純力學(xué)的角度考慮,多為圓形斷面,這兩種假設(shè)跟現(xiàn)實(shí)情況相差較大,存在較大的研究空間。

2 針對寒區(qū)隧道采取的抗凍措施

基于學(xué)者對上述模型對高寒山區(qū)隧道凍脹力的求解,發(fā)現(xiàn)不均勻的凍脹力會對隧道產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響,若不設(shè)立寒區(qū)隧道的保溫層,隧道內(nèi)會隨著季節(jié)流轉(zhuǎn),隨著溫度的降低,圍巖會發(fā)生凍結(jié)現(xiàn)象,極大的影響到隧道安全。

目前面對凍害問題,主要采用的方式有兩種:主動式保溫和被動式保溫。主動式保溫是利用人工方法,在寒區(qū)的隧道圍巖上不斷補(bǔ)充熱量,當(dāng)前一般根據(jù)實(shí)際的工程情況,采取三種主動保溫措施:運(yùn)用新型能源、利用風(fēng)和水流對圍巖加熱、利用太陽光的熱能。這些對于隧道供熱的方法起源于國外,前蘇聯(lián)大部分國土都被常年凍土覆蓋,西伯利亞大鐵路基本鋪設(shè)于凍土之中,前蘇聯(lián)的工程師和工人們?yōu)榱私o寒區(qū)的隧道保溫以防止隧道因低溫所帶來的安全隱患,利用了電力、地?zé)崴驼羝确绞綄λ淼纼?nèi)部加溫供熱;挪威地處北歐,氣溫環(huán)境易給隧道造成的破壞,挪威工程師在寒區(qū)隧道的排水系統(tǒng)中增設(shè)了加熱器和加熱電纜。但傳統(tǒng)方法的耗能巨大產(chǎn)生了對能源浪費(fèi)的情況,供熱的資源成本和人力成本也很高,并且效率低下,熱能大多被浪費(fèi)、得不到充分利用。目前隧道抗凍保溫的措施更多采取對地?zé)崮艿戎T多可持續(xù)利用循環(huán)的清潔能源作為熱源。

被動保溫則是采取阻擋熱交換為主,主要采取加設(shè)防寒門、設(shè)立保溫隔板來防凍害。這是類似于青藏鐵路的寒區(qū)隧道通常采用的方法,隧道處于常年的凍土區(qū)中,容易受到熱融影響,故一般通過這種方法來保護(hù)隧道不受凍害影響。青藏鐵路目前就采用在路基上架設(shè)管道,讓冷空氣進(jìn)入隧道內(nèi),引入冷空氣平衡隧道內(nèi)的溫度,成本低、效果良好,但隨著目前尾氣排放等諸多因素,造成隧道內(nèi)溫度明顯上升,故該方式越來越少被實(shí)際工程所引用。設(shè)立防寒門來隔斷冷熱空氣的交換是目前最多采取的辦法。根據(jù)大阪山隧道設(shè)計,可發(fā)現(xiàn)出有無保溫門對于寒區(qū)隧道內(nèi)部溫度變化的影響巨大。但設(shè)立保溫門的被動保溫法僅適用于鐵路隧道,公路隧道需要運(yùn)營來來往往的車輛,車輛尾氣在內(nèi)部造成的溫度上升且無法及時與外界交換的情況下會造成更嚴(yán)重的安全隱患問題,且無法及時疏散的尾氣對人身體影響會造成很多不良后果。

在風(fēng)火山隧道、昆侖山隧道等典型寒區(qū)隧道中更多采用的是鋪設(shè)隔熱層的被動保溫方法,這種方法的核心是為增大結(jié)構(gòu)的熱阻鋪設(shè)一層導(dǎo)熱系數(shù)低的材料,將該材料置于隧道洞口的襯砌段,鋪設(shè)這種隔熱材料也有兩種方式,一是在兩次襯砌的中間放置,另一種是直接鋪設(shè)在二次襯砌的混凝土表面上。TANAKA等[9]對能用于隧道保溫的材料展開了研究,研究的材料對象分別是對聚氨酯塑料還有三位多分子硅鏈。陳建勛[10]也根據(jù)大阪山寒區(qū)隧道實(shí)際的工程狀況,比對各種各樣的保溫材料,最后確立了最佳防凍融的隔溫材料。

就目前對于凍土地區(qū)的低質(zhì)圍巖條件來看,如在寒區(qū)隧道施工時使用的施工方法不合適也會造成隧道發(fā)生凍害的危險。故選擇正確合適的施工方法、選擇合適的保溫材料也是影響隧道抗凍保溫的關(guān)鍵一環(huán)。在青藏鐵路風(fēng)火山隧道施工中,設(shè)計人員明確了該工程在防凍上所需要做的工程重點(diǎn),確定了相對穩(wěn)定的支護(hù)體系,選擇了合適的防水系統(tǒng)以來確保保溫系統(tǒng)的正常工作。針對高海拔的地震常發(fā)區(qū)域的隧道建設(shè)發(fā)現(xiàn)這種工程一般采取補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)面以及對圍巖注漿以來增強(qiáng)隧道對于凍脹破壞的抵抗能力。對于一般發(fā)生破壞或者因氣溫突變等原因隧道發(fā)生凍脹破壞的情況一般采取補(bǔ)充襯砌所使用的鋼筋數(shù)量,以及提高混凝土的強(qiáng)度,避免產(chǎn)生裂縫;一般寒區(qū)隧道需選用專門的材料來保證隧道結(jié)構(gòu)本身足以抵抗凍脹破壞,卻無法完全消除凍脹力所帶來的影響。據(jù)研究,表面凍脹力來自于圍巖,無法通過補(bǔ)救手段徹底消除,但可對圍巖進(jìn)行注漿來有效緩解凍脹對寒區(qū)隧道的影響。

目前對于隧道抗凍害的防治措施主要集中于對新材料的研究,如根據(jù)泡沫混凝土的降解特性,對于聚丙烯粗纖維混凝土和泡沫混凝土性能開展研究,通過研究其耐久性與退化性能來衡量凍融作用下新型材料的適用性。后續(xù)學(xué)者應(yīng)著眼于開發(fā)耐熱-冷效果好且導(dǎo)熱系數(shù)高的材料,并將其與隧道襯砌材料有效融合,便于施工,同時防止凍害發(fā)生。

3 結(jié)論

文章對寒區(qū)隧道凍脹效應(yīng)已有研究進(jìn)行分析,基于分析結(jié)果,發(fā)現(xiàn)溫度、水分等影響隧道凍結(jié)的因素尚未在關(guān)于凍脹力計算方法的研究中被直接考慮,并未建立直接函數(shù)方程表明其間的相關(guān)性;目前寒區(qū)隧道抗凍害的防治措施包括主動、被動保溫措施兩種,為優(yōu)化保溫效果,學(xué)者著眼于對保溫抗凍新材料的研究,旨在將開發(fā)有效的襯砌混凝土保溫結(jié)構(gòu)或材料,以防治凍害發(fā)生。

根據(jù)目前科研成果來看,造成對寒區(qū)隧道襯砌發(fā)生凍脹破壞的根本原因尚未得到充分研究,一定程度上影響有限元處理隧道工況的精準(zhǔn)程度。隨著科技的不斷進(jìn)步,相信未來高海拔嚴(yán)寒地區(qū)的隧道凍脹力等不利于工程安全的問題會得到更好的解決,著眼于結(jié)構(gòu)凍損后能自愈的技術(shù)也將得到長足的發(fā)展。