基于深度學習的寒帶地區富水隧道防凍研究

摘要 文章通過高寒高海拔富水隧道防凍脹施工技術現狀調查，建立安全可靠、節能環保、經濟高效的成套技術。針對富水隧道發生凍害的機理及特點，結合防水保溫層、供熱法等抗防凍技術特點及適應性，依據隧道結構控水防滲技術及理論，設計合理有效的隧道穿越富水期間凍害預防技術方案，總結形成成套關鍵技術，可以進一步提高生產效率，節約成本。

關鍵詞 寒帶；富水隧道；防凍

中圖分類號 U455.4 文獻標識碼 B 文章編號 2096-8949（2024）04-0153-03

0 引言

由于隧道處于高原，每年10月中下旬至次年4月上中旬為降雪期，累計時間近7個月，其累計降雪量140～170 mm。結合國內同類型山區高寒高海拔富水隧道相關施工經驗，通過對隧道防凍脹施工方案進行專項分類和技術研究，根據富水隧道發生凍害的機理及特點，結合防水保溫層、供熱法等抗防凍技術特點及適應性，依據隧道結構控水防滲技術及理論，設計合理有效的隧道穿越富水期間凍害預防技術方案，總結形成成套關鍵技術，可以進一步提高生產效率，節約成本^[1-2]。

1 隧道氣象水文地質分析

左線起訖樁號（ZK102+900～ZK106+032），右線起訖樁號（K102+855～K106+000），隧道進口端圍巖級別主要以Ⅴ級圍巖為主，左洞長3 132 m（縱坡為1.82%），右洞長3 145 m（縱坡為1.82%）。

1.1 氣象條件

隧址區年內各月均有出現災害性天氣的可能，3月、4月北方冷空氣南下，易造成寒潮連陰雪天氣過程：5月、6月、9月、10月冷暖空氣交鋒，降雹頻繁；7月、8月霜凍危害嚴重。

1.2 隧道地下水情況

（1）隧址區地下水類型為基巖裂隙水，變質石英砂巖、砂質板巖為主要含水層，板巖為相對含水層，對隧道開挖影響較大的地下水主要為基巖裂隙水，基巖裂隙水的補給、徑流和排泄條件受地形、地質構造和地層巖性所控制。

（2）隧址區內發育多條溪溝，地下水情況具體如下：

①由于場區隧道處于高原，線路平均海拔3 650 m，每年10月中下旬至次年4月上中旬為降雪期，累計時間近7個月，其累計降雪量140～170 mm，約占全年降雨量的23%。

②隧址區積雪在次年融化后將形成“集中降雨”的效果，加之場區巖體傾角整體為陡傾角，擠壓破碎帶較發育，為良好的導水構造。因此，積雪融化效應將加大隧道涌水量，隧道正常涌水量為23 400 m³/d，最大涌水量為46 800 m³/d，地下水呈點滴—淋雨狀，局部股狀流出，施工難度大。

1.3 隧道霜凍期情況

（1）全年12個月降雪期累計時間近7個月，時長一半以上，其累計降雪量140～170 mm，多年極端最低氣溫達零下30 ℃，霜凍危害嚴重。

（2）年內各月均有出現災害性天氣的可能，每年10月中下旬至次年4月上中旬為降雪期。

2 主要研究內容分析

2.1 富水隧道不同因素下凍害發生機理分析

（1）依托富水隧道凍害資料，明確富水隧道典型凍害現象及類型，分析富水隧道凍害產生的基本因素，研究隧道凍害的形成機理，確定隧道凍害發生的主控條件^[3]。

（2）采用理論分析結合現場施工情況，研究洞口段穿越富水裂隙結構在凍害作用下對隧道結構安全性所造成的影響^[4]。

2.2 富水隧道出水口結構與中心排水溝保溫研究

（1）富水隧道中心排水溝出水口受高寒氣候影響，傳統排水方式不能有效防凍^[5]。

（2）基于往年凍土深度和出水口保溫結構，確定洞外排水溝埋深以及出水口結構以保證富水隧道洞外排水順暢^[6]。

2.3 隧道穿越富水期間凍害預防技術研究

針對富水隧道發生凍害的機理及特點，結合防水保溫層、供熱法等抗防凍技術特點及適應性，依據隧道結構控水防滲技術及理論，編制合理有效的隧道穿越富水期間凍害預防技術方案和措施，為富水隧道凍害預防提供相應的保障^[7]。

3 主要研究成果分析

3.1 富水隧道不同因素下凍害的發生機理

（1）依托富水隧道凍害資料，由于隧道圍巖及洞室溫度低、防排水系統失效、隧道襯砌背后存在空洞等原因，反復凍融循環下造成富水隧道凍害^[8]。

（2）富水隧道由于襯砌背后存在空隙，在負溫環境的作用下產生凍脹壓力，使襯砌結構發生變形并存在壓力，由于凍融循環后加速襯砌混凝土劣化導致凍害加重^[9-10]。

（3）富水隧道凍害不僅會破壞隧道襯砌結構，增加運營維護成本，而且會危及行車安全，帶來事故隱患，造成財產和資源的嚴重損失及浪費^[11]。

3.2 富水隧道中心排水溝保溫及出水口結構

（1）富水隧道深埋水溝洞口出水口設置保溫排水暗管，暗管頂端距地面高差為2.5 m，由于嚴寒地區特殊的氣候條件，若直接將水由洞外保溫排水暗管明排入臨近的自然溝內，極易出現由出水口處向隧道內不斷凍結的問題，影響隧道結構和運營安全。

（2）中心排水溝保溫及出水口結構包括位于上部的保溫回填層和下部的混凝土基座之間的深埋排水暗管和末端排水暗管，末端排水暗管的端部設置有抗沖磨導流管。

（3）抗沖磨導流管下方采用C25混凝土澆筑，隧道內的水通過深埋排水暗管經末端排水暗管迅速排出隧道，能夠有效避免由于隧道出水口排水不暢造成的凍害，進一步提高了嚴寒地區隧道防寒排水能力。

3.3 隧道穿越富水期間凍害預防技術

（1）隧道凍害產生的基本三要素是地下水、低溫、圍巖條件，主要針對這三要素來消除或減小凍脹程度，進而解決隧道的凍害問題，是隧道防凍的主要技術思路。

（2）應對低溫的防凍技術措施主要有設置保溫層和供熱等措施；應對地下水的防凍技術措施主要有加強隧道防排水；應對圍巖條件的防凍技術措施主要有圍巖注漿。

（3）在凍害防治技術措施的采用上，一般是根據隧址區的具體溫度環境、水文和圍巖條件綜合采取多種措施來解決隧道凍害。

4 創新點分析

4.1 創新了洞口段埋深中央水溝出水口結構

（1）富水隧道中心排水溝出水口受高寒氣候影響，傳統排水方式不能有效防凍。

（2）基于往年凍土深度和出水口保溫結構，確定洞外排水溝出水口置于土層下2.5 m。

（3）出水口上部保溫層為20 cm厚的級配碎石剩余部分分層回填，下部澆筑混凝土底板呈半包結構。

（4）末端排水暗管的端部設置有抗沖磨導流管，保證富水隧道洞外排水順暢。

4.2 創新了用于洞口段防凍的關鍵技術

（1）根據低溫、地下水和圍巖條件導致隧道凍害產生的機理，制定不同的應對措施進而解決隧道的凍害問題。

（2）應對低溫的防凍技術措施主要有設置保溫層和供熱等措施。

（3）應對地下水的防凍技術措施主要有加強隧道防排水。

（4）應對圍巖條件的防凍技術措施主要有圍巖注漿、凍害防治技術措施的采用。

5 技術產生的效益

5.1 經濟效益

通過項目實施，研究高寒高海拔富水隧道防凍脹施工關鍵技術，防止隧道出現漏水、結冰、掛冰等危害，有效地保障了施工安全和質量，節約施工成本近500萬元，具有良好的技術經濟效益。

5.2 工期效益

針對隧道洞口段主體結構受低溫影響的情況，采用高寒高海拔富水隧道防凍脹施工關鍵技術，有效地避免了主體結構的凍脹和滲水的危害，大大節省了施工工期，預期可節約工期35 d。

5.3 技術效益

針對富水隧道發生凍害的機理及特點，結合防水保溫層、供熱法等抗防凍技術特點及適應性，采用合理有效的隧道穿越富水期間凍害預防技術方案，自主創新獲得實用新型專利、省部級工法，為在高寒高海拔富水隧道防凍脹施工積累了寶貴的經驗。

6 工程實例

史家嶺隧道凈寬10.25 m（0.75+0.50+3.75×2+0.75+0.75），限高5 m。右線進口樁號為K18+290，出口里程K19+022。隧道最大埋深80.3 m，位于K18+500處。隧道全長732 m。左線進口樁號為ZK18+287.4，出口里程ZK19+015。隧道最大埋深69.3 m，位于ZK18+480。隧道全長727.6 m。右洞：Ⅲ級圍巖240 m，Ⅳ級圍巖380 m，Ⅴ級圍巖112 m；左洞：Ⅲ級圍巖240 m，Ⅳ級圍巖370 m，Ⅴ級圍巖117.6 m。文龍隧道凈寬10.25 m（0.75+0.50+3.75×2+0.75+0.75），限高5 m。右線進口樁號為K19+886，出口里程K21+055。隧道最大埋深56 m，位于K20+560處。隧道全長1 169 m。左線進口樁號為ZK19+879，出口里程ZK21+057.2。隧道最大埋深60.5 m，位于ZK20+560。隧道全長1 178.2 m。右洞：Ⅲ級圍巖280 m，Ⅳ級圍巖410 m，Ⅴ級圍巖479 m；左洞：Ⅲ級圍巖320 m，Ⅳ級圍巖370 m，Ⅴ級圍巖488.2 m。隧道洞外設置保溫排水暗管，暗管頂端距地面高差為2.5 m，由于嚴寒地區特殊的氣候條件，若直接將水由洞外保溫排水暗管明排入臨近的自然溝內，極易出現由出水口處向隧道內不斷凍結的問題，影響隧道結構和運營安全。隧道采用上述措施后，根據關于視頻監控相關文件的要求，在此采用遠程安全視頻監控系統來協助業主單位進行管理，以達到對施工現場的實時監控、隧道人員的信息管理。還安裝了視頻監控系統，具體如下：

（1）提升視頻圖像清晰度，提高圖像質量，解決客戶“看得見，但看不清”的問題已經是重中之重。通過設備的發展與更新，來滿足對視頻圖像質量的需求。網絡視頻監控系統包括隧道前端設備、網絡系統平臺、客戶端/監控中心、傳輸網絡。

①前端設備主要由攝像機、視頻編碼器等設備組成。

②前端設備的作用是實時采集監控點的視頻圖像。

③將模擬視頻轉換成數字視頻信號并將壓縮后的流媒體文件以單播或組播方式通過寬帶網絡發送到系統平臺，供有權限的管理人員實時查看或保持在存儲設備中。

（2）隧道安裝視頻監控系統后，能及時發現冰凍情況、施工現場違規操作或者安全問題，管理人員能夠第一時間了解有關人員的位置情況，通過系統可及時了解事故時入洞人員總數、分布區域、人員的基本情況等。可通過軟件歷史軌跡，判斷被困人員大致位置，以便及時搜救，及時采取相應措施，提高了應急救援工作效率。視頻監控系統在該隧道得到了成功應用，進一步推進了高速公路施工標準化、規范化及信息化的建設。

（3）實時掌握隧道現場施工情況，為施工管理決策提供依據。為隧道信息化建設邁向數字化管理、安全監控、日常管理等提供支撐，使隧道可視化管理水平得到有效提高。系統實際建設以實用、夠用為原則，充分評估建設、使用、維護費用及升級改造費用，在確保工程建設質量、系統實用性、先進性的前提下產生很好的經濟效益。該系統可以重復利用，設備容易拆卸，操作簡單，減少人力觀察施工環境的情況，節約了人力成本。管理關鍵點及環保措施見表1。

7 結束語

綜上所述，通過項目實施，研究高寒高海拔富水隧道防凍脹施工技術，防止隧道出現漏水、結冰掛冰等凍害，有效保障了施工安全和質量，節約施工成本近500萬元，為類似項目提供經濟指標參考。隧道為公路建設關鍵性控制工程，通過開展高寒高海拔富水隧道防凍脹施工技術研究，快速完成高原富水軟弱圍巖隧道的洞口防凍段施工任務，為公路建設的早日通車奠定了良好的基礎，社會效益非常顯著。

參考文獻

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[10]吳立輝， 李斌， 郝建財， 等. 一種山區高原特長隧道涌水突泥處理用的注漿裝置： CN217080709U[P]. 2022-07-29.

[11]王永剛， 王衛剛， 郝建財， 等. 一種高原地區特長隧道施工通風監測系統： CN217129575U[P]. 2022-08-05.

收稿日期：2023-12-13

作者簡介：李文杰（1981—），男，本科，副高級工程師，從事公路建設管理工作。