氣象要素在雪山梁高海拔隧道設計中的運用

李泳伸，林國進，鄭金龍

(四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610041)

0 前 言

區別于一般平原地區的隧道，高海拔寒區隧道工程技術方案，更加依重于隧址區的氣象調查資料。大量已修建完成的高寒隧道由于寒冷氣候的影響，除了存在一般地區常見的病害以外，還有特殊的凍害，導致隧道結構發生不同程度的破壞，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高選擇不當，導致發生隧道襯砌凍脹、底部積水成冰甚至冰塞等嚴重的安全問題，有的高寒隧道甚至長期處于“能修不能用”的尷尬局面。

因而可以認為，確定隧道越嶺標高是影響高寒隧道工程成功的最關鍵因素。《公路隧道設計規范》(JTG D70/2—2014)對于氣象調查的內容作了相應規定，但對于如何使用該類資料沒有具體說明，依靠使用者自身經驗確定。

本文結合川黃公路雪山梁隧道的工程實例，重點針對該隧道如何運用氣象資料解決高海拔寒區隧道關鍵性問題進行總結提煉，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，是四川省路網結構中松潘至平武縣道1202線和九寨旅游環線的組成部分，亦是黃龍核心景區與川主寺后勤基地唯一的連接公路。

項目地處岷山山脈。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。

2 主要氣象要素及分析

雪山梁隧道建設項目是四川省阿壩州重點建設項目。為做好隧道氣象條件評估工作，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目組，根據隧道附近氣象臺站的歷史氣象探測資料，利用天氣學、氣候學、高原山地氣象學及相關的數理統計原理方法，結合現場調查情況，進行分析論證，形成《阿壩州松潘雪山梁隧道工可氣象評估》報告，該報告對于雪山梁各高度氣象要素進行了分析評價。

2.1 氣溫變化特點

雪山梁氣溫隨海拔高度的增高而降低。東、西兩側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

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

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1 000 mm以上；3 100～3 500 m高度降水充沛，最大降水主要出現在喇叭口地形谷底，歷年月最大降水量出現在6月3 200 m高度上，月降水量達253.8 mm(30年一遇日最大降水出現在此高度上的9月份達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以上高度降水日數約多于3 500 m以下高度日數。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，積雪主要出現在10～5月；6～9月基本無積雪。最大雪深可達26 cm，歷史最長月積雪可達26天。3 400 m高度東西洞口附近積雪主要出現在10月～次年6月，其中7、8、9三個月基本無積雪，最大雪深可達27 cm，歷史最長月積雪可達30天，年平均積雪日數6.2天。3 500 m以上高度一年內各月都有出現降雪的可能。積雪天數隨高度增加遞增率為1～2天/100 m。最大積雪深度可達30 cm以上，連續積雪最長在隆冬，3 800 m以上高度(12～2月)都有積雪出現可能，山頂附近連續積雪最長可從11月到次年3月。各高度最大雪深一般出現在3～4月，其次在10～11月出現。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。因此推測雪山梁陰山最大雪深應大于40 cm；11～4月，積雪日數占總積雪天數的93%；55°以上斜坡有出現雪崩可能。

2.5 雪山梁各高度層地溫特點

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，易產生冰雪路面。

2.6 雪山梁各高度層凍土特點

根據資料推算，3 400 m以下高度9月～次年5月有凍土出現。其中，12月～次年4月凍土深度可達50 cm以上，最大可達77 cm，洞口3 400 m附近平均凍結時間在9月下旬，解凍在次年5月下旬(解凍時間自下而上每100 m推遲3～6天；凍結時間自上而下每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100 cm以上)。各高度上7月份均無凍土現象。

2.7 雪山梁各高度層霧日特點

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

2.8 雪山梁各高度層風向風速變化特點

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

2.9 雪山梁各高度層濕度、蒸發情況特點

蒸發量隨高度增加變化不大，主要特征為：冬季蒸發量明顯小于夏季，有明顯高原干季特點；4～8月，平均蒸發量大于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，表現濕潤。3 000～3 300 m，4～10月空氣濕潤。3 400～4 000 m，濕潤季節為5～10月。月平均相對濕度6～10月大于70%，空氣相對濕潤。其余時小于70%。

3 氣象要素的運用

3.1 在隧道越嶺標高選擇的運用

根據氣象報告所提供的各類資料，雪山梁隧址區海拔3 200～3 800 m段每100 m氣象資料統計數據，進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，年均氣溫為0.5℃，表明越嶺高程宜控制在3 600 m以下。

2)從風速統計資料看，3 500 m海拔以下谷地風速較小，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，同時在3 500 m以上，春秋季節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在3 400 m以下。

4)雪山梁地區每年11月至次年3月是降雪最集中的五個月，按150天計，隧道洞口宜將降雪天數控制在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，同時考慮到合理控制造價，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，雪山梁隧道設計洞口海拔高程在3 370 m左右，隧道主洞全長7 966 m，設置平行導洞長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計的應用

在保溫設防段長度的考量上，目前的分析理論和設計方法都不夠成熟，無法論證清楚那種方法更成熟更可靠。目前已有相關經驗公式法、查表法和工程類比法的分析。

根據(日)黑川希范公式，洞口保溫設防段長度可由式(1)確定：

y=154.7(-t)0.604

(1)

式中，y為洞口保溫設防段長度；T為隧道洞口最冷月的月平均氣溫。

根據隧道氣象評估報告，高程3 370 m隧道洞口最冷月月平均氣溫為-8.3℃,計算得出保溫層設防長度為555.4 m，綜合停車帶布設、運營通風等因素綜合確定隧道保溫設防段長度主洞取720 m，平導取900 m。經目前運營情況，設置長度合適。

根據隧道氣象評估報告，隧址區3 400 m高程凍土層厚度推算值小于80 cm，黏土導熱系數為1.3 w/m·k，則0.8 m厚黏土之熱阻為：

(2)

設置保溫層后，襯砌結構的熱阻為：

(3)

式中，t襯為襯砌混凝土厚0.40 m(偏保守計，按Ⅳ型襯砌厚度計入，取了襯砌厚度認為襯砌背后不受凍，而本文更保守認為襯砌表面不受凍，所以應取0)，t塑為待求保溫層厚度，鋼筋混凝土導熱系數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為黏土最大凍結深度，m；λ1為圍巖的導熱系數，W/(m·°C)；λ為防凍保溫層的導熱系數，W/(m·°C)；r為隧道的當量半徑m。

對比其他高海拔寒區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。鑒于目前理論和實踐經驗有限，本項目綜合計算分析和工程類比，建議按50 mm厚度進行設置。

3.3 在隧道防排水設計的運用

有關隧道設計規范指出，長度超過1 km寒冷地區的隧道，其洞口段考慮中心溝埋置深度按當地黏性土最大凍結深度考慮。根據隧道氣象評估報告，隧址區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高點下60 cm，設計采用減小仰拱曲圓半徑的方式，將中心水溝(見圖1～2)設置在仰拱填充以內就可以達到這一要求，考慮本隧道洞口段以裂隙發育的灰巖為主，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置于仰拱之內，減小了施工難度。

3.4 對隧道低溫施工的要求

根據相關規范，當環境晝夜平均氣溫(最高和最低氣溫的平均值或當地時間6時、14時及21時室外氣溫的平均值)連續3d低于5℃或最低氣溫低于-3℃時，混凝土施工應按低溫施工要求施做，故設計需要對隧道冬季施工提出相關要求，以保證低溫條件下的工程質量。

4 結 語

雪山梁隧道于2016年9月主洞與平導均實現貫通并經歷了多個冬季，隧道未發生水溝結冰、結構凍脹等問題，實現了全路段全年全天候通行的建設目標。

1)完整翔實的氣象觀測資料是確定高寒隧道選線方案、控制工程規模的基礎。已有研究資料表明，洞口段積雪超過20 cm時，行車困難，必須進行除雪處理。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的標高以下。

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

3)高寒隧道低溫條件的施工質量是決定整個隧道質量的關鍵。設計提出了保證低溫條件下的施工質量明確的要求，現場加強管理力度確保要求的執行，保障了雪山梁隧道整體質量。

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