寒区隧道冻害文献综述

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摘 要 ：国内寒冷地区的铁路隧道、公路隧道的冻害现象十分严重,寒区隧道的冻害是普遍存在的问题,给人们的生活带来极大不便,严重影响了行车安全,因此,对寒区隧道的冻害预报和防治及相关方面的问题急需进一步研究解决.

关 键 词 ：寒区隧道；冻害；安全

0.引言

中国寒区具有多年冻土面积215×104 km2[ 1],杨针娘等在《中国寒区水文》[2] 一书的前言中提到我国寒区大约占陆地国土面积的43%.这些地方因为基础建设,隧道的建设也很多,因此,在基础建设的隧道施工中,隧道的冻害研究是必不可少的.

从国内寒冷地区的铁路隧道、公路隧道的使用情况看,冻害现象十分严重,甚至出现严重冻害而导致主体结构报废和运营期间发生重大交通事故.我国每年修建在寒区地区的隧道数量非常大,对已经运营的寒区公路隧道进行调查时发现,寒区隧道中有80%以上都存在各种各样冻害现象,其中60%的发生渗漏,约24%的出现衬砌混凝土剥落、开裂、滑塌、沉陷等问题.每年各地区部门和相关交通企业对这些并害隧道维修养护费用数量惊人,如我国东北林区修建的岭顶隧道、翠岭隧道、西罗奇1号隧道和西罗奇2号隧道就是例证,又如新疆217国道天山段的玉希莫勒隧道,长1007米,投资5480多万元,因隧道内冻害严重而形成冰塞报废；吉林省在80年代末和90年代初先后修建了密江隧道和五虎岭隧道,在春夏秋三季隧道内渗漏如雨,形成“水帘洞”,冬季滴水成冰,隧道变成“冰湖”.在日本,曾对国铁全线进行调查,漏水的隧道占隧道总数的56%,占隧道总延长的71%,其中,在高寒地区发生冻害的隧道占隧道总数的34%,凡是漏水的隧道几乎百分之百的形成冻害.

1.寒冷地区隧道冻害研究意义和研究方法

在严寒或多年冻土区的公路铁路隧道,凡是年平均气温低于-1 ℃的,都有不同程度的冻害,有的隧道衬砌裂缝宽达5 cm,有的常年有7～8个月不能使用,有的甚至报废而全年不能使用[3].从既有寒区隧道的冻害形式来看,较为普遍的冻害形式是衬砌冻胀开裂、酥落、剥落、挂冰、边墙冰溜、线路冒水、积水、结冰等[4].青藏铁路西宁――格尔木段的关角隧道,出现了道床冬季上鼓、夏季翻浆冒泥、下沉及衬砌纵、横、斜向裂缝、渗水挂冰等冻害[5].20世纪80年代初建成的新疆天山二号隧道,由于隧道渗漏极为严重,漏水又在冬季结冰,无法保证正常通车,目前几乎报废.1989年建成的甘肃七道梁隧道,由于冬季气候寒冷,排水沟冻结而使隧道排水不畅,造成衬砌背后产生冻胀现象,诱发衬砌混凝土开裂,造成隧道渗漏、路面结冰,影响行车安全[6].日本的浦幌隧道、新黑松内隧道以及初山别隧道等也出现了不同程度的开裂、挂冰以及冰溜等冻害[7].到1990年为止,挪威就有630座寒区隧道,当时所有隧道都出现了大范围的漏水、挂冰以及冰溜等现象[8].这些冻害严重影响行车安全、威胁隧道结构稳定、降低隧道的使用年限以及增加隧道的维护费用.可见,寒区隧道的冻害是普遍存在的问题,给人们的生活带来极大不便,严重影响了行车安全.

因此,对寒区隧道的冻害预报和防治是至关重要的.首先要从实际出发,通过大量现场调研对高海拔高寒地区的冻害进行统计分析,对其分布规律及对隧道工程的危害程度进行冻融应力分析；其次要对这些冻害进行理论预报分析,必须知道隧道内的温度边界条件,即隧道内的空气温度分布规律以及隧道结构的受力和变形情况.而隧道内的气温、隧道结构的受力和变形一般通过两种办法得到：一种是通过现场观测直接得到,但是这种方法若采用传统的现场测试手段,高海拔及高寒条件是否会影响测试结果,其结果是否精确还不得而知.另一种是通过水热力三场耦合计算分析得到,这种方法可以直接指导隧道工程的设计和施工,但是这种方法的关键在于能否建立合适的三场耦合计算模型来准确地预测寒区隧道的水份、应力和温度分布.当这些情况清楚后,要对寒区隧道的冻害进行预报,最为关键的问题是要能够准确地预测分析在气候变暖和长期冻融循环条件下隧道的衬砌、围岩和保温隔热层的温度场、应力场和变形场.把理论和现场观测所得到的冻害规律相结合,分析其内在关联,总结出可靠的高海拔高寒地区隧道冻害的发展规律.

2.国内外对寒冷地区隧道冻害的研究现状及分析

2.1 国内的研究状况及分析

在国内,基本只在寒区隧道的冻害预报模型方面作了一些研究,Lai et al （1998） [9]对寒区隧道温度场、渗流场和应力场耦合问题进行了二维非线性分析.何春雄等（1999,2000） [10]假定空气在隧道内层流,用轴对称模型对寒区隧道围岩的导热与对流进行了数值模拟,第二年,假定空气在隧道内紊流,建立了隧道内空气与围岩对流换热及围岩导热的综合模型.但由于隧道围岩的初始温度和热交换边界条件都不是关于隧道轴线轴对称,另外没有考虑隧道围岩在冻融过程中的水份迁移.这一分析结果对工程设计和施工的指导和参考价值不大.何平等（2000） [11]考虑土骨架的变形,根据连续介质力学和热力学原理,建立了土体冻结过程中的三场耦合方程,但无法求解.Lai et al （2000） [12]得到了寒区隧道冻胀力的解析解,并进行了在地震作用下寒区隧道的弹粘塑性分析研究.马巍等（2000） [13]通过实验的方法,分析了固结过程对冻土应力-应变特性的影响.张全胜等（2003） [14]分析了温度影响范围内软岩体在冻结后,内部水冰相变导致隧道衬砌承受冻胀力的原因,推导出了其弹性力学解,并分析了融化过程及融化后冻胀力变化的过程及原因,运用弹性力学复变函数的方法推导出了在冻融后隧道衬砌所承受冻胀力的表达式.田俊峰等[15]对冻害的发生的关键因素――冻胀力进行了系统的研究.提出了冻胀现象产生必须同时满足的三个条件：有能使水结成冰的足够低的温度、衬砌必须提供阻止水体结冰膨胀变形足够的刚度、有足够的水源,并由此提出防治冻害的研究方向即采取措施使三项条件有一条不满足即可有效地防止冻害.张国柱等[16]考虑与隧道纵向深度及时间相关的非齐次对流边界条件,建立寒区圆形隧道传热模型,并通过理论推导得到了寒区隧道围岩径向温度的理论解.在高海拔高寒地区测试方面,陈建勋等[17]结合大坂山隧道防冻隔温层的设计,对选用材料的性能进行了测试,双金属温度仪（周记仪、双银（干球）温度计、手持式红外扫描仪（红外线表面测温仪）及测温管（内置热敏电阻）等相关仪器进行了现场测试,确定了最佳的防冻隔温材料组合和施工.刘志春等[18]在风火山隧道在施工过程中,对洞内外环境温度进行了长期系统的观测与分析,为风火山隧道施工提供了决策依据.赖金星等[19]采用埋人式铂金属热敏电阻测试方法,对青沙山公路隧道地温场进行现场实测与分析.在寒区隧道优化设计方面还没有人研究.但是温度场的优化设计方面一些学者进行了研究,程选生等（2000） [20]以经济最优为目标,提出了温度作用下钢筋混凝土矩形贮液池池壁厚度优化的数学模型,利用Lagrange 乘子法和网格法对结构进行优化设计.刘晓延等（2000） [21]对堆积型复合保冷结构的低温管道进行了优化设计.谢怀勤等（1999） [22]以层合板的各层铺设角为设计变量, 层合板的厚度为目标函数,对玻璃纤维缠绕增强塑料压力容器在内压及其内部介质温度突变到稳定温度场全过程逐时刻的不同工况, 进行优化设计. 2.2 国外的研究状况及分析

国外在寒区隧道的冻害预报模型方面作了一些研究,Okada （1985）[23]提出了在衬砌内表面铺设绝热层来预防寒区隧道渗漏的方法,并对寒区渗漏隧道进行了表面铺设绝热层的设计与现场观测,说明了这种方法在治理后观测时间内是可行的.但是没有进一步进行冻害预报方面的深入研究.Meroney et al （1986） [24]根究现场观测数据,进行了通风隧道二维温度场的数值分析研究.他们的研究必须建立在现场实测数据的基础上,而且也只是进行了平面分析研究.Syks et al （1974） [25]用有限元的方法对埋藏在多年冻土区的热油管道进行了二维冻土融化固结的数值模拟计算,但仅考虑了热对流、冻胀以及冻土的粘弹塑性的影响.Menstern et al （1979） [26]得到一维情况下富冰冻土融化固结的解析解,但没有考虑热力的耦合影响.Shamsundar （1982） [27]对制冷管流体现场观测,得出了制冷管流体温度的变化规律,并进行了圆形制冷管周围土体的冻融特性的预报分析研究.Lunardin （1991） [28]在假设隧道内空气的分布规律与Shamsundar得出的制冷管流体温度的分布规律相同的基础上,研究了隧道围岩的温度分布状况.俄罗斯B.A.库德里雅采夫（1992） [29]提出了冻土的预报方法,给出多年冻土融化时热融沉降量的计算方法,但是该方法没有考虑冻土融化固结问题.Corapcioglu et al （1995） [30]从纯理论方面建立了非饱和土融化固结模型,此模型虽然是在考虑了热、质和力耦合作用下建立的,但模型中因变量较多,实际求解非常困难.在寒区隧道优化设计和可靠度理论方面研究的较少,只有Y. F. Li et al （2005） [31] 推导出了寒区水管的防冻保温层的厚度的优化设计的公式,并对管道系统的保温层的保温性能进行了可靠度分析.但是,他们的分析没有考虑水管内流体的对流换热,因此不能直接运用于寒区隧道工程的隔热保温层的优化设计和可靠度分析.

3.目前国内外寒冷地区隧道冻害常用的防治方法

为了使寒区隧道保持围岩的原始热状况,防止因冻胀和融沉而发生破坏,目前许多国家大多采用铺设保温材料的方法.在前苏联,采用新型高效的保温材料对隧道水沟保温.在挪威,则在隧道内的排水系统中设置加热电缆,并铺设保温材料.在日本,北海道上羽幌隧道衬砌表面覆上绝热材料,借以保持隧道衬砌表面的温度不致降到冰点以下[32].在国内,西（宁）张（掖）公路的大坂山隧道在外称表面铺设了的保温层以防止冻害的发生；青藏铁路风火山和昆仑山隧道在一衬和二衬之间铺设了的隔热层以防止冻害.

4.结论

为了使寒区隧道保持围岩的原始热状况,防止因冻胀和融沉而发生破坏而铺设的保温层或隔热层的厚度及其导热系数是否最合理,是否既经济又安全等问题,即最优问题是需要进一步探讨的；进行寒区隧道的冻害预报、防治及优化设计理论研究是非常必要,也是急需解决的问题.因此,本文对进行寒区隧道冻害问题的研究现状及防治方法进行了总结和概括并提出了以上问题.