寒區鐵路隧道防寒抗凍關鍵技術研究與展望

田四明, 王 偉, 劉建友, 徐湉源, 張礦三, 孫克國

(1. 中國鐵路經濟規劃研究院有限公司, 北京 100038; 2. 中鐵工程設計咨詢集團有限公司, 北京 100055;3. 中國鐵道科學研究院集團有限公司, 北京 100081; 4. 西南交通大學, 四川 成都 610031)

0 引言

隨著國民經濟的迅速發展,各地區對鐵路交通的需求日益提高,鐵路網不斷向著高緯度、高海拔寒區延伸。尤其是在我國東北、西北、華北等寒冷地區,需要修建大量的鐵路隧道工程,由于這些地區具有冬季氣溫低、冰凍期長且周期性劇烈變化等顯著氣候特點,早年間修建的交通隧道工程排水系統凍結、道床積冰、拱頂掛冰、襯砌開裂等情況時有發生,不僅對隧道結構造成了嚴重的破壞,而且也給交通運營帶來了重大的安全隱患[1]。因此,如何有效解決寒區隧道凍害問題已成為業界亟待解決的難題,特別是針對新建隧道如何在設計和施工階段提升防寒抗凍耐久性能,對寒區鐵路的高質量建設和安全運營至關重要。對此,國內研究學者展開了大量研究。鄭余朝等[2]依托京沈高鐵瓦房店隧道,研究了隧道溫度場及其影響因素;孫克國等[3]依托某寒區公路隧道,研究了不同氣象條件對隧道徑向溫度場分布的影響;Wei等[4]研究了列車誘導氣流對寒區高速鐵路隧道溫度場的影響;文獻[5-6]針對隧道溫度場的分布規律及其影響因素進行了討論;殷珂等[7]借助數值模擬手段研究了極端氣象條件對超長鐵路隧道溫度場的影響;馬志富等[8]針對自然氣壓差因素對隧道氣溫場的主導性進行了探究,其結論有助于進出口高差大的寒區隧道的抗防凍設計;丁然[9]對京沈高鐵天秀山隧道洞口段的防凍保溫技術進行了分析,發現采取包裹防凍保溫層及增大保溫板厚度的方案能夠有效避免凍害;符亞鵬等[10]基于高海拔地區鐵路隧道的氣象環境及地址條件,提出了系列隧道防寒保溫的工程對策;王志杰等[11]首次對寒區鐵路隧道排水溝的適用性進行了討論,指導了后續隧道防排水系統的設計;楊昌賢等[12]調研了既有鐵路隧道結構的凍害發生情況,分析了凍害成因,并提出了系列結構防寒抗凍措施;余東洋等[13]針對隧道結構凍害發生現狀,研發了新型電熱導流板結構形式,以達到更好的襯砌防凍效果,在實際隧道工程中投入應用并取得了良好效果;柴金飛等[14]通過研發新型電熱導流板,改善了寒區隧道凍害問題;江衛濤等[15]提出可將?；⒅楸厣皾{作為保溫隔熱層應用于寒區隧道,并且通過數值模擬手段論證了該方案的可行性;王仁遠等[16-17]、高焱等[18]提出了空氣幕保溫措施,并論證了其保溫效果和應用于寒區隧道中的適用性。近年來,針對凍害問題的研究,主要圍繞著溫度場分布、凍害發生機制以及抗防凍對策展開。雖然已經取得較大進展,但對于溫度場預測、新型防寒保溫材料以及主動保溫系統的應用方面仍需要進一步深入的研究。

基于上述問題,本文統計了中國寒區鐵路隧道運營、建設及規劃情況,調研分析了既有寒區鐵路隧道主要凍害問題,重點介紹了寒區鐵路隧道研究團隊近年來在隧道防寒抗凍研究方面的新技術和相關成果,提出了進一步深化研究的建議,希望能夠為寒區鐵路隧道設計、施工,以及相關研究提供參考。

1 寒區鐵路隧道基本情況

1.1 寒區鐵路隧道運營建設、規劃概況

我國寒區廣泛分布于東北、華北、西北、西南等高緯度、高海拔地區,約占國土總面積的75%[19]。據統計,我國已建成投入運營的寒區鐵路隧道共1 157座,總長約2 274 km,包括青藏鐵路、牡綏鐵路、包西鐵路、蘭新高鐵、哈牡高鐵、哈佳高鐵等。在建和規劃的寒區鐵路隧道有1 750座,總長約6 300 km。

1.2 寒區鐵路隧道凍害類型及特征

寒區鐵路隧道凍害是指鐵路隧道在寒冷環境下經受凍融循環及圍巖凍脹所引起的病害,根據其發生位置,可分為襯砌凍害、排水系統凍害、道床凍害、圍巖凍害和洞門凍害5類。寒區隧道凍害分類如圖1所示。其中,寒區鐵路隧道中最常見的病害有[20]: 襯砌滲漏水、掛冰,道床翻漿冒泥、凍脹結冰,隧道襯砌裂損,隧道洞門墻開裂,隧道排水系統凍結,隧道洞口邊坡土體和積雪熱融滑塌等。圍巖及結構凍脹將致使隧道襯砌遭受較大的凍脹壓力,嚴重者甚至導致結構破壞,對隧道的正常使用造成影響,大大縮短隧道的服役年限。此外,當襯砌結構上出現積水掛冰時,若不及時處理,所產生的冰柱、冰錐等還會侵入隧道限界,危及行車及洞內維護人員安全。

圖1 寒區隧道凍害分類

2 寒區鐵路隧道防寒抗凍主要研究成果

凍害防控是寒區隧道工程的關鍵技術難題,其難點主要涉及3個方面: 1)隧道溫度場預測難,隧道溫度場受場區及洞口氣象條件、隧道進出口標高及縱坡設置、列車活塞風、隧道山體地溫、地下水滲流等諸多因素影響,而且隧道縱環向溫度場預測一直以來研究程度不深; 2)隧道凍害機制不明確,凍害演化過程復雜; 3)隧道凍害觸發因素多、危害大,抗凍設防措施合理選定難度大。因此,針對以上3大難點,圍繞隧道溫度場時空分布規律、凍害機制及演化規律、防寒抗凍技術3個方面展開研究。

2.1 多因素耦合作用下溫度場時空分布預測方法

2.1.1 寒區隧道對流-導熱耦合傳熱試驗系統

寒區隧道常常處于非常復雜的氣象、地質及水文環境中,溫度場分布及凍害的發生常常涉及到圍巖、地下水及氣流的耦合作用,在實驗室中還原其復雜環境并非易事。當前溫度場的室內模擬技術中,常常因為對多因素影響下隧道復雜環境中的邊界條件控制不力,不能有效再現寒區隧道所處的多變環境,從而導致試驗結果的準確性受到影響。因此,基于熱-流-固耦合理論,研發了以環境再現為主要特征的室內試驗系統與測試平臺(見圖2),真實還原寒區隧道洞口氣象環境、隧道地質環境和地下水環境,為寒區隧道溫度場數值模擬研究提供科學試驗平臺和多環境試驗參數。

圖2 寒區隧道室內試驗系統

2.1.2 寒區隧道地溫場、氣溫場、風流場非穩態耦合傳熱模型

考慮隧址區地形、地熱及氣象條件,建立了全因素影響下的圍巖初始溫度場計算模型,并引入等效風速概念,建立了寒區隧道地溫場、氣溫場、風流場非穩態耦合傳熱模型?？筛鶕_定的洞口氣溫、洞內風速、巖土體熱物理條件等參數,計算得到洞內縱向溫度場分布規律。簡化的非穩態耦合傳熱計算模型如圖3所示。

圖3 非穩態耦合傳熱計算模型

溫度場的分布受多個因素影響,包括洞內風速、洞口氣溫和隧道長度等。結合非穩態耦合傳熱計算模型,得到各影響因素對洞內縱向溫度場的敏感度排序依次為洞口風速>洞口氣溫>隧道長度,其中洞口風速的變化對寒區隧道縱向溫度場的影響最為顯著。 洞口風速對縱向溫度場的影響曲線如圖4所示。洞口氣溫為-2 ℃,隧道洞內自然風速范圍主要考慮0.2～2.0 m/s。除此之外,列車活塞風也會對隧道溫度分布產生顯著影響?；钊L對縱向溫度場的影響如圖5所示,圖中隧道列車活塞風為10 m/s,自然風速設置為1.2 m/s,洞外氣溫為-10 ℃。

圖4 洞口風速對縱向溫度場的影響曲線

圖5 活塞風作用下縱向溫度場動態變化曲線

2.1.3 寒區隧道溫度場時空分布規律

通過對30多座隧道進行歷時10多年的溫度場監測,積累了大量現場監測數據,從而建立了以“自然環境-工程特征-設計型式-溫度場規律”為主線的寒區鐵路隧道分類分區數據庫。對大樣本體系化嚴寒地區溫度場實測數據分析可知,隧道縱向溫度場大致呈現“中間高,兩邊低”的拋物線發展態勢。寒區鐵路隧道溫度場數據庫如圖6所示。

圖6 寒區鐵路隧道溫度場數據庫

結合模型試驗、理論分析、現場測試建立了隧道縱向溫度場預測模型,得到寒區鐵路隧道縱向溫度場預測的經驗公式[21]:

(1)

式中:Tx為隧道內距離洞口x處的溫度;x為隧道內任意一點與隧道進口的距離;b為隧道洞口的溫度梯度,取當地的經驗統計值,東北地區為0.01～0.027 ℃/m;L為隧道長度;u為隧道內風速,已開通隧道可根據隧道內實測風速取值,未開通隧道可根據隧道進出口高差參考類似工程經驗取值或者采用數值模擬取值;s為隧道內風速調整系數,取經驗值0.001;T0為洞口環境溫度,根據當地隧道洞口氣象資料取值。

2.2 凍害機制及演化規律

2.2.1 寒區鐵路隧道排水系統凍結試驗平臺

排水系統的暢通對于寒區隧道的運營至關重要,但由于排水系統位于襯砌結構背后,當隧道溫度場在顯著負溫氣流影響下出現負溫時,其不可見性使得地下水的凍結過程難以觀測,導致無法及時做出應對。針對該問題,建立了世界上首臺完全模塊化、可控動水頭、動態控溫、具備完整隧道排水系統的寒區滲流試驗裝備,基于高分辨率3D打印技術及可視化材料,首次實現了寒區隧道排水系統的凍結過程可視化,探明了隧道排水系統鏈發式凍脹機制及凍脹演化過程,得到了排水系統易凍環節及影響因素,為隧道地下水相關試驗打開了全新的技術方向。 寒區滲流試驗裝備如圖7所示。

(a) 寒區環境多功能試驗平臺

(b) 排水系統凍結演變過程觀測系統

2.2.2 寒區隧道鏈發式凍害機制及演化規律

當前,寒區鐵路隧道大多數采用由“環形排水管—縱向排水管—縱向排水溝—橫向排水管—中心排水溝—隧道出水口”為排水路徑的防排水系統,地下水在排水系統內轉移的時間長,環節多,任意環節出現凍害都會嚴重影響排水系統的使用功能?；诖?建立了覆蓋寒區隧道地下水補給方式、儲存位置及運移路徑的全過程運移模型,如圖8所示。通過試驗研究,探明了寒區隧道鏈發式凍害機制及演化規律,確定了排水系統凍結觸發因素和易凍環節,進而為不同凍害節點制定相應的針對性對策提供依據,為寒區隧道排水系統精確化抗凍設防提供指導。排水系統凍結觸發因素、易凍環節及防凍對策如圖9所示。

圖8 寒區隧道地下水全過程運移模型

圖9 排水系統凍結觸發因素、易凍環節及防凍對策

2.2.3 隧道排水體系凍結時空分布規律及排水系統凍融響應機制

結合室內模型試驗、現場測試和數值模擬,探明了隧道排水系統凍結時空分布規律,研究結果表明,排水盲管、排水邊溝、排水溝檢查井和排水溝洞外出水口是排水系統的易凍環節。盲管充水狀態以及流動速度是影響盲管凍結的主要因素。室內模型試驗表明,隨著溫度降低,盲管起凍時間提前,凍結時間大幅縮短。環向盲管凍結路徑為由拱腳至拱頂緩慢凍結。-10 ℃工況相比-30 ℃工況,環向盲管凍結時間延長3.3倍,完全凍結耗時近4個月。隧道內不同氣溫下排水盲管凍結長度隨時間的變化如圖10所示。排水系統的環向、縱向及橫向交界處存在凍結延遲現象,是排水系統重點改進的部位。

(a) -10 ℃工況 (b) -20 ℃工況 (c) -30 ℃工況

基于寒區隧道滲流試驗裝備及排水系統溫度演化數值分析模型,分析了不同溫度、水量、流速及地溫條件下的寒區鐵路隧道排水系統凍結路徑、凍結速度和凍結范圍,明確了隧道排水系統凍結速度沿凍結路徑變化的時程曲線,探明了單位長度排水路徑的凍結速度和加速度,有效還原了寒區隧道凍害鏈式發展機制,并揭示了凍害關鍵控制環節。

2.2.4 凍脹機制

凍脹壓力主要是由于存水空間內的凍脹水體發生凍脹變形受到襯砌和圍巖的約束而得不到釋放所致[22],考慮存水空間尺度、約束面積及襯砌剛度,建立了裂隙巖體隧道約束凍脹模型,凍脹力表達式為:

(2)

式中:σf為隧道受到的凍脹力;α為水凍結成冰的體積膨脹率,可取α=9%;Si為圍巖第i個約束壁面的面積;V為凍脹水體的體積;ki為圍巖的第i個受壓面的抗壓剛度。

上述凍脹力模型適合于裂隙巖體封閉的裂隙水以及襯砌背后空洞封閉的地下水凍脹引起的凍脹力計算,對于含冰巖的膨脹系數需要根據含冰量進行調整。

分析凍脹水體尺寸、分布位置及襯砌剛度3個因素對凍脹力荷載的影響規律,凍脹水體尺寸對凍脹力大小的影響最為顯著。凍脹水體尺寸對凍脹力荷載的影響示意如圖11所示。因此,盡量減小或消除存水空間是防止寒區隧道結構凍脹破壞的關鍵。

(a) 無水工況 (b) 部分有水工況 (c) 滿水工況

2.3 抗凍設防關鍵技術體系

2.3.1 防寒設防范圍的確定

寒區鐵路隧道防寒設防范圍包括結構抗凍設防范圍和排水系統保溫設防范圍,設計階段根據每座隧道溫度場分布預測結果,參考環境條件接近的工程項目,綜合分析確定設防范圍。

目前,根據相關工程經驗和科研研究成果,結合高緯度和高海拔寒區隧道自身特點,依據最冷月平均氣溫、年平均氣溫,形成了寒區鐵路隧道防寒設防長度及主要措施選用表如表1所示。

表1 寒區鐵路隧道防寒設防長度及主要措施選用表

2.3.2 防寒注漿

對洞口防寒設防段及洞身埋深小于最大凍結深度的土層、破碎圍巖、地下水發育等地段,應采用注漿加固及堵水。注漿加固范圍及相關參數根據具體工點情況確定,加固范圍不小于最大凍結深度。注漿后初期支護表面應不出現滴水現象。

2.3.3 寒區隧道防排水綜合體系

防排水是寒區隧道凍害防治研究中的最關鍵一環,因此建立完善的防排水系統十分關鍵。保溫排水系統包括縱向保溫排水(管)溝和環向保溫排水盲(管)溝。主要包括中心保溫管溝、仰拱下深埋(或淺埋)中心水溝、環縱向排水盲管(溝)、保溫出水口、洞外暗埋管、縱向排水(管)溝順接等[23]。主要防排水思路是利用保溫水溝、防寒泄水洞等設施將襯砌背后圍巖中的地下水排出,并設置保溫盲溝、泄水孔、橫導洞、保溫檢查井和保溫出水口等配套設施構成完整的防排水系統。

工程實踐和模型試驗都表明,隧道內檢查井和隧道外保溫出水口的凍結往往是隧道排水系統發生鏈式凍結的起點,是隧道凍害產生的主要原因。檢查井和保溫出水口是保溫水溝、洞外深埋水溝及防寒泄水洞等主要排水設施與外界的連接通道,是寒區隧道保溫的薄弱環節,故應高度重視檢查井和保溫出水口進行專項保溫設計和施工。為此,研發了保溫型水溝檢查井,如圖12所示。保溫型水溝檢查井通過設置橡膠墊圈和聚氨酯保溫層,隔斷了檢查井的冷橋效應,從而有效防止了隧道中心排水溝發生凍結。

圖12 保溫檢查井(單位: mm)

隧道內的水經洞內排水設施引排后,通過排水溝將水引排至地形低洼處或鄰近河道內,因此隧道外排水溝的保溫設計不容忽視。為防止凍結,隧道外排水溝應埋置于凍結線以下,并應間隔一定距離(一般50 m左右)設置檢查井,當隧道外排水溝不能滿足埋置于凍結線以下時,應采用保溫型直埋管。出水口是隧道外排水系統最容易凍結的地方,因此出水口應設置保溫防凍措施。目前保溫出水口有圓包式、端墻式、多排孔式等,出水口首選在背風向陽處,洞口地形平坦時可選圓包式,洞口地形陡峭時可選端墻式,若洞口風大且位于陰面時應選用多排孔式出水口,防止出水口凍結影響排水。保溫出水口如圖13所示。

(a) 圓包式保溫出水口

(b) 端墻式保溫出水口

(c) 多排孔式保溫出水口

2.3.4 寒區隧道襯砌結構抗凍設防體系

寒區隧道洞口設置結構抗凍設防段,洞身土層、淺埋、斷層破碎帶等凍脹段二次襯砌應采用鋼筋混凝土結構,配筋應考慮凍脹力荷載。設置保溫板的地段,二次襯砌結構應考慮保溫板失效后的凍脹荷載作用。抗凍設防段二次襯砌厚度不小于40 cm,混凝土抗滲等級不小于P10,抗凍性能指標不小于F300;抗凍設防段隧道結構應設置溫度伸縮縫,縱向間隔30～60 m(具體根據溫度梯度設置),拱墻、仰拱、仰拱填充及側溝的施工縫、溫度伸縮縫、沉降縫上下應貫通對齊。

3 防寒抗凍研究展望

雖然我國在寒區隧道防寒抗凍研究和應用技術上有了較大的發展,但在溫度場規律預測、防寒材料、主動保溫系統等方面仍存在一些技術難題,有待進一步研究。

3.1 深化溫度場時空分布規律的研究

目前寒區隧道溫度場時空分布及變化機制,特別是橫向溫度場規律尚未完全探明,難以根據隧道工點溫度分布特點確定相應的防凍措施和設防范圍。為開展寒區隧道精細化的設計,實現一隧一策,急需通過大數據、人工智能等新手段研究分析,建立隧道溫度場精準快速預測方法,開發溫度場智能預測軟件系統。

3.2 開展高性能防寒保溫材料研發

為了提高季節性凍土隧道的防凍保溫性能,常采用鋪設聚氨酯類有機保溫層的方式以防止圍巖凍結,但有機材料在凍融循環過程中存在老化速度快、保溫結構設計缺少科學依據等局限性。為提高防寒措施的耐久性、經濟性和高效性,研發氣凝膠氈、中空玻璃微珠、高聚物等新型高性能保溫隔熱材料的需求十分迫切。

3.3 加快主動防控技術的研發與應用

我國當前寒區隧道凍害防控措施以被動防治為主,工程措施多、施工要求高,經濟投入大。為促進寒區隧道低碳、綠色建設,加快開展智能風幕、地源熱泵[24]等主動保溫系統的研究和應用十分必要。地源熱泵系統如圖14所示。

圖14 地源熱泵系統

4 結論與建議

本文總結了我國寒區鐵路隧道凍害發生機制以及防寒抗凍措施的研究現狀,并展望了防寒抗凍技術的研究發展方向,主要結論如下:

1)研發了寒區隧道室內試驗系統,采用現場測試,結合室內模型試驗和數值模擬試驗,探明了鐵路隧道溫度場時空分布規律,并建立了隧道溫度場預測方法。

2)揭示了寒區鐵路隧道凍害鏈發式凍害機制,提出了排水系統易凍環節包括排水盲管、排水邊溝、排水溝檢查井和排水溝洞外出水口,闡釋了隧道排水體系凍結時空分布規律及隧道排水系統凍融響應機制。

3)提出了基于年平均氣溫和最冷月平均氣溫雙指標控制的寒區鐵路隧道設計分區方法,建立了寒區鐵路隧道抗凍設防設計標準,建立了寒區鐵路隧道防寒抗凍綜合防控體系。

目前,雖然我國在寒區鐵路隧道的防寒抗凍上取得了一定進展,但在防寒材料、主動保溫系統、溫度場規律預測等方面仍需進一步深化研究。