寒区铁路隧道防寒抗冻关键技术研究与展望

田四明, 王 伟, 刘建友, 徐湉源, 张矿三, 孙克国

(1. 中国铁路经济规划研究院有限公司, 北京 100038; 2. 中铁工程设计咨询集团有限公司, 北京 100055;3. 中国铁道科学研究院集团有限公司, 北京 100081; 4. 西南交通大学, 四川 成都 610031)

0 引言

随着国民经济的迅速发展,各地区对铁路交通的需求日益提高,铁路网不断向着高纬度、高海拔寒区延伸。尤其是在我国东北、西北、华北等寒冷地区,需要修建大量的铁路隧道工程,由于这些地区具有冬季气温低、冰冻期长且周期性剧烈变化等显著气候特点,早年间修建的交通隧道工程排水系统冻结、道床积冰、拱顶挂冰、衬砌开裂等情况时有发生,不仅对隧道结构造成了严重的破坏,而且也给交通运营带来了重大的安全隐患[1]。因此,如何有效解决寒区隧道冻害问题已成为业界亟待解决的难题,特别是针对新建隧道如何在设计和施工阶段提升防寒抗冻耐久性能,对寒区铁路的高质量建设和安全运营至关重要。对此,国内研究学者展开了大量研究。郑余朝等[2]依托京沈高铁瓦房店隧道,研究了隧道温度场及其影响因素;孙克国等[3]依托某寒区公路隧道,研究了不同气象条件对隧道径向温度场分布的影响;Wei等[4]研究了列车诱导气流对寒区高速铁路隧道温度场的影响;文献[5-6]针对隧道温度场的分布规律及其影响因素进行了讨论;殷珂等[7]借助数值模拟手段研究了极端气象条件对超长铁路隧道温度场的影响;马志富等[8]针对自然气压差因素对隧道气温场的主导性进行了探究,其结论有助于进出口高差大的寒区隧道的抗防冻设计;丁然[9]对京沈高铁天秀山隧道洞口段的防冻保温技术进行了分析,发现采取包裹防冻保温层及增大保温板厚度的方案能够有效避免冻害;符亚鹏等[10]基于高海拔地区铁路隧道的气象环境及地址条件,提出了系列隧道防寒保温的工程对策;王志杰等[11]首次对寒区铁路隧道排水沟的适用性进行了讨论,指导了后续隧道防排水系统的设计;杨昌贤等[12]调研了既有铁路隧道结构的冻害发生情况,分析了冻害成因,并提出了系列结构防寒抗冻措施;余东洋等[13]针对隧道结构冻害发生现状,研发了新型电热导流板结构形式,以达到更好的衬砌防冻效果,在实际隧道工程中投入应用并取得了良好效果;柴金飞等[14]通过研发新型电热导流板,改善了寒区隧道冻害问题;江卫涛等[15]提出可将玻化微珠保温砂浆作为保温隔热层应用于寒区隧道,并且通过数值模拟手段论证了该方案的可行性;王仁远等[16-17]、高焱等[18]提出了空气幕保温措施,并论证了其保温效果和应用于寒区隧道中的适用性。近年来,针对冻害问题的研究,主要围绕着温度场分布、冻害发生机制以及抗防冻对策展开。虽然已经取得较大进展,但对于温度场预测、新型防寒保温材料以及主动保温系统的应用方面仍需要进一步深入的研究。

基于上述问题,本文统计了中国寒区铁路隧道运营、建设及规划情况,调研分析了既有寒区铁路隧道主要冻害问题,重点介绍了寒区铁路隧道研究团队近年来在隧道防寒抗冻研究方面的新技术和相关成果,提出了进一步深化研究的建议,希望能够为寒区铁路隧道设计、施工,以及相关研究提供参考。

1 寒区铁路隧道基本情况

1.1 寒区铁路隧道运营建设、规划概况

我国寒区广泛分布于东北、华北、西北、西南等高纬度、高海拔地区,约占国土总面积的75%[19]。据统计,我国已建成投入运营的寒区铁路隧道共1 157座,总长约2 274 km,包括青藏铁路、牡绥铁路、包西铁路、兰新高铁、哈牡高铁、哈佳高铁等。在建和规划的寒区铁路隧道有1 750座,总长约6 300 km。

1.2 寒区铁路隧道冻害类型及特征

寒区铁路隧道冻害是指铁路隧道在寒冷环境下经受冻融循环及围岩冻胀所引起的病害,根据其发生位置,可分为衬砌冻害、排水系统冻害、道床冻害、围岩冻害和洞门冻害5类。寒区隧道冻害分类如图1所示。其中,寒区铁路隧道中最常见的病害有[20]: 衬砌渗漏水、挂冰,道床翻浆冒泥、冻胀结冰,隧道衬砌裂损,隧道洞门墙开裂,隧道排水系统冻结,隧道洞口边坡土体和积雪热融滑塌等。围岩及结构冻胀将致使隧道衬砌遭受较大的冻胀压力,严重者甚至导致结构破坏,对隧道的正常使用造成影响,大大缩短隧道的服役年限。此外,当衬砌结构上出现积水挂冰时,若不及时处理,所产生的冰柱、冰锥等还会侵入隧道限界,危及行车及洞内维护人员安全。

图1 寒区隧道冻害分类

2 寒区铁路隧道防寒抗冻主要研究成果

冻害防控是寒区隧道工程的关键技术难题,其难点主要涉及3个方面: 1)隧道温度场预测难,隧道温度场受场区及洞口气象条件、隧道进出口标高及纵坡设置、列车活塞风、隧道山体地温、地下水渗流等诸多因素影响,而且隧道纵环向温度场预测一直以来研究程度不深; 2)隧道冻害机制不明确,冻害演化过程复杂; 3)隧道冻害触发因素多、危害大,抗冻设防措施合理选定难度大。因此,针对以上3大难点,围绕隧道温度场时空分布规律、冻害机制及演化规律、防寒抗冻技术3个方面展开研究。

2.1 多因素耦合作用下温度场时空分布预测方法

2.1.1 寒区隧道对流-导热耦合传热试验系统

寒区隧道常常处于非常复杂的气象、地质及水文环境中,温度场分布及冻害的发生常常涉及到围岩、地下水及气流的耦合作用,在实验室中还原其复杂环境并非易事。当前温度场的室内模拟技术中,常常因为对多因素影响下隧道复杂环境中的边界条件控制不力,不能有效再现寒区隧道所处的多变环境,从而导致试验结果的准确性受到影响。因此,基于热-流-固耦合理论,研发了以环境再现为主要特征的室内试验系统与测试平台(见图2),真实还原寒区隧道洞口气象环境、隧道地质环境和地下水环境,为寒区隧道温度场数值模拟研究提供科学试验平台和多环境试验参数。

图2 寒区隧道室内试验系统

2.1.2 寒区隧道地温场、气温场、风流场非稳态耦合传热模型

考虑隧址区地形、地热及气象条件,建立了全因素影响下的围岩初始温度场计算模型,并引入等效风速概念,建立了寒区隧道地温场、气温场、风流场非稳态耦合传热模型。可根据确定的洞口气温、洞内风速、岩土体热物理条件等参数,计算得到洞内纵向温度场分布规律。简化的非稳态耦合传热计算模型如图3所示。

图3 非稳态耦合传热计算模型

温度场的分布受多个因素影响,包括洞内风速、洞口气温和隧道长度等。结合非稳态耦合传热计算模型,得到各影响因素对洞内纵向温度场的敏感度排序依次为洞口风速>洞口气温>隧道长度,其中洞口风速的变化对寒区隧道纵向温度场的影响最为显著。 洞口风速对纵向温度场的影响曲线如图4所示。洞口气温为-2 ℃,隧道洞内自然风速范围主要考虑0.2～2.0 m/s。除此之外,列车活塞风也会对隧道温度分布产生显著影响。活塞风对纵向温度场的影响如图5所示,图中隧道列车活塞风为10 m/s,自然风速设置为1.2 m/s,洞外气温为-10 ℃。

图4 洞口风速对纵向温度场的影响曲线

图5 活塞风作用下纵向温度场动态变化曲线

2.1.3 寒区隧道温度场时空分布规律

通过对30多座隧道进行历时10多年的温度场监测,积累了大量现场监测数据,从而建立了以“自然环境-工程特征-设计型式-温度场规律”为主线的寒区铁路隧道分类分区数据库。对大样本体系化严寒地区温度场实测数据分析可知,隧道纵向温度场大致呈现“中间高,两边低”的抛物线发展态势。寒区铁路隧道温度场数据库如图6所示。

图6 寒区铁路隧道温度场数据库

结合模型试验、理论分析、现场测试建立了隧道纵向温度场预测模型,得到寒区铁路隧道纵向温度场预测的经验公式[21]:

(1)

式中:Tx为隧道内距离洞口x处的温度;x为隧道内任意一点与隧道进口的距离;b为隧道洞口的温度梯度,取当地的经验统计值,东北地区为0.01～0.027 ℃/m;L为隧道长度;u为隧道内风速,已开通隧道可根据隧道内实测风速取值,未开通隧道可根据隧道进出口高差参考类似工程经验取值或者采用数值模拟取值;s为隧道内风速调整系数,取经验值0.001;T0为洞口环境温度,根据当地隧道洞口气象资料取值。

2.2 冻害机制及演化规律

2.2.1 寒区铁路隧道排水系统冻结试验平台

排水系统的畅通对于寒区隧道的运营至关重要,但由于排水系统位于衬砌结构背后,当隧道温度场在显著负温气流影响下出现负温时,其不可见性使得地下水的冻结过程难以观测,导致无法及时做出应对。针对该问题,建立了世界上首台完全模块化、可控动水头、动态控温、具备完整隧道排水系统的寒区渗流试验装备,基于高分辨率3D打印技术及可视化材料,首次实现了寒区隧道排水系统的冻结过程可视化,探明了隧道排水系统链发式冻胀机制及冻胀演化过程,得到了排水系统易冻环节及影响因素,为隧道地下水相关试验打开了全新的技术方向。 寒区渗流试验装备如图7所示。

(a) 寒区环境多功能试验平台

(b) 排水系统冻结演变过程观测系统

2.2.2 寒区隧道链发式冻害机制及演化规律

当前,寒区铁路隧道大多数采用由“环形排水管—纵向排水管—纵向排水沟—横向排水管—中心排水沟—隧道出水口”为排水路径的防排水系统,地下水在排水系统内转移的时间长,环节多,任意环节出现冻害都会严重影响排水系统的使用功能。基于此,建立了覆盖寒区隧道地下水补给方式、储存位置及运移路径的全过程运移模型,如图8所示。通过试验研究,探明了寒区隧道链发式冻害机制及演化规律,确定了排水系统冻结触发因素和易冻环节,进而为不同冻害节点制定相应的针对性对策提供依据,为寒区隧道排水系统精确化抗冻设防提供指导。排水系统冻结触发因素、易冻环节及防冻对策如图9所示。

图8 寒区隧道地下水全过程运移模型

图9 排水系统冻结触发因素、易冻环节及防冻对策

2.2.3 隧道排水体系冻结时空分布规律及排水系统冻融响应机制

结合室内模型试验、现场测试和数值模拟,探明了隧道排水系统冻结时空分布规律,研究结果表明,排水盲管、排水边沟、排水沟检查井和排水沟洞外出水口是排水系统的易冻环节。盲管充水状态以及流动速度是影响盲管冻结的主要因素。室内模型试验表明,随着温度降低,盲管起冻时间提前,冻结时间大幅缩短。环向盲管冻结路径为由拱脚至拱顶缓慢冻结。-10 ℃工况相比-30 ℃工况,环向盲管冻结时间延长3.3倍,完全冻结耗时近4个月。隧道内不同气温下排水盲管冻结长度随时间的变化如图10所示。排水系统的环向、纵向及横向交界处存在冻结延迟现象,是排水系统重点改进的部位。

(a) -10 ℃工况 (b) -20 ℃工况 (c) -30 ℃工况

基于寒区隧道渗流试验装备及排水系统温度演化数值分析模型,分析了不同温度、水量、流速及地温条件下的寒区铁路隧道排水系统冻结路径、冻结速度和冻结范围,明确了隧道排水系统冻结速度沿冻结路径变化的时程曲线,探明了单位长度排水路径的冻结速度和加速度,有效还原了寒区隧道冻害链式发展机制,并揭示了冻害关键控制环节。

2.2.4 冻胀机制

冻胀压力主要是由于存水空间内的冻胀水体发生冻胀变形受到衬砌和围岩的约束而得不到释放所致[22],考虑存水空间尺度、约束面积及衬砌刚度,建立了裂隙岩体隧道约束冻胀模型,冻胀力表达式为:

(2)

式中:σf为隧道受到的冻胀力;α为水冻结成冰的体积膨胀率,可取α=9%;Si为围岩第i个约束壁面的面积;V为冻胀水体的体积;ki为围岩的第i个受压面的抗压刚度。

上述冻胀力模型适合于裂隙岩体封闭的裂隙水以及衬砌背后空洞封闭的地下水冻胀引起的冻胀力计算,对于含冰岩的膨胀系数需要根据含冰量进行调整。

分析冻胀水体尺寸、分布位置及衬砌刚度3个因素对冻胀力荷载的影响规律,冻胀水体尺寸对冻胀力大小的影响最为显著。冻胀水体尺寸对冻胀力荷载的影响示意如图11所示。因此,尽量减小或消除存水空间是防止寒区隧道结构冻胀破坏的关键。

(a) 无水工况 (b) 部分有水工况 (c) 满水工况

2.3 抗冻设防关键技术体系

2.3.1 防寒设防范围的确定

寒区铁路隧道防寒设防范围包括结构抗冻设防范围和排水系统保温设防范围,设计阶段根据每座隧道温度场分布预测结果,参考环境条件接近的工程项目,综合分析确定设防范围。

目前,根据相关工程经验和科研研究成果,结合高纬度和高海拔寒区隧道自身特点,依据最冷月平均气温、年平均气温,形成了寒区铁路隧道防寒设防长度及主要措施选用表如表1所示。

表1 寒区铁路隧道防寒设防长度及主要措施选用表

2.3.2 防寒注浆

对洞口防寒设防段及洞身埋深小于最大冻结深度的土层、破碎围岩、地下水发育等地段,应采用注浆加固及堵水。注浆加固范围及相关参数根据具体工点情况确定,加固范围不小于最大冻结深度。注浆后初期支护表面应不出现滴水现象。

2.3.3 寒区隧道防排水综合体系

防排水是寒区隧道冻害防治研究中的最关键一环,因此建立完善的防排水系统十分关键。保温排水系统包括纵向保温排水(管)沟和环向保温排水盲(管)沟。主要包括中心保温管沟、仰拱下深埋(或浅埋)中心水沟、环纵向排水盲管(沟)、保温出水口、洞外暗埋管、纵向排水(管)沟顺接等[23]。主要防排水思路是利用保温水沟、防寒泄水洞等设施将衬砌背后围岩中的地下水排出,并设置保温盲沟、泄水孔、横导洞、保温检查井和保温出水口等配套设施构成完整的防排水系统。

工程实践和模型试验都表明,隧道内检查井和隧道外保温出水口的冻结往往是隧道排水系统发生链式冻结的起点,是隧道冻害产生的主要原因。检查井和保温出水口是保温水沟、洞外深埋水沟及防寒泄水洞等主要排水设施与外界的连接通道,是寒区隧道保温的薄弱环节,故应高度重视检查井和保温出水口进行专项保温设计和施工。为此,研发了保温型水沟检查井,如图12所示。保温型水沟检查井通过设置橡胶垫圈和聚氨酯保温层,隔断了检查井的冷桥效应,从而有效防止了隧道中心排水沟发生冻结。

图12 保温检查井(单位: mm)

隧道内的水经洞内排水设施引排后,通过排水沟将水引排至地形低洼处或邻近河道内,因此隧道外排水沟的保温设计不容忽视。为防止冻结,隧道外排水沟应埋置于冻结线以下,并应间隔一定距离(一般50 m左右)设置检查井,当隧道外排水沟不能满足埋置于冻结线以下时,应采用保温型直埋管。出水口是隧道外排水系统最容易冻结的地方,因此出水口应设置保温防冻措施。目前保温出水口有圆包式、端墙式、多排孔式等,出水口首选在背风向阳处,洞口地形平坦时可选圆包式,洞口地形陡峭时可选端墙式,若洞口风大且位于阴面时应选用多排孔式出水口,防止出水口冻结影响排水。保温出水口如图13所示。

(a) 圆包式保温出水口

(b) 端墙式保温出水口

(c) 多排孔式保温出水口

2.3.4 寒区隧道衬砌结构抗冻设防体系

寒区隧道洞口设置结构抗冻设防段,洞身土层、浅埋、断层破碎带等冻胀段二次衬砌应采用钢筋混凝土结构,配筋应考虑冻胀力荷载。设置保温板的地段,二次衬砌结构应考虑保温板失效后的冻胀荷载作用。抗冻设防段二次衬砌厚度不小于40 cm,混凝土抗渗等级不小于P10,抗冻性能指标不小于F300;抗冻设防段隧道结构应设置温度伸缩缝,纵向间隔30～60 m(具体根据温度梯度设置),拱墙、仰拱、仰拱填充及侧沟的施工缝、温度伸缩缝、沉降缝上下应贯通对齐。

3 防寒抗冻研究展望

虽然我国在寒区隧道防寒抗冻研究和应用技术上有了较大的发展,但在温度场规律预测、防寒材料、主动保温系统等方面仍存在一些技术难题,有待进一步研究。

3.1 深化温度场时空分布规律的研究

目前寒区隧道温度场时空分布及变化机制,特别是横向温度场规律尚未完全探明,难以根据隧道工点温度分布特点确定相应的防冻措施和设防范围。为开展寒区隧道精细化的设计,实现一隧一策,急需通过大数据、人工智能等新手段研究分析,建立隧道温度场精准快速预测方法,开发温度场智能预测软件系统。

3.2 开展高性能防寒保温材料研发

为了提高季节性冻土隧道的防冻保温性能,常采用铺设聚氨酯类有机保温层的方式以防止围岩冻结,但有机材料在冻融循环过程中存在老化速度快、保温结构设计缺少科学依据等局限性。为提高防寒措施的耐久性、经济性和高效性,研发气凝胶毡、中空玻璃微珠、高聚物等新型高性能保温隔热材料的需求十分迫切。

3.3 加快主动防控技术的研发与应用

我国当前寒区隧道冻害防控措施以被动防治为主,工程措施多、施工要求高,经济投入大。为促进寒区隧道低碳、绿色建设,加快开展智能风幕、地源热泵[24]等主动保温系统的研究和应用十分必要。地源热泵系统如图14所示。

图14 地源热泵系统

4 结论与建议

本文总结了我国寒区铁路隧道冻害发生机制以及防寒抗冻措施的研究现状,并展望了防寒抗冻技术的研究发展方向,主要结论如下:

1)研发了寒区隧道室内试验系统,采用现场测试,结合室内模型试验和数值模拟试验,探明了铁路隧道温度场时空分布规律,并建立了隧道温度场预测方法。

2)揭示了寒区铁路隧道冻害链发式冻害机制,提出了排水系统易冻环节包括排水盲管、排水边沟、排水沟检查井和排水沟洞外出水口,阐释了隧道排水体系冻结时空分布规律及隧道排水系统冻融响应机制。

3)提出了基于年平均气温和最冷月平均气温双指标控制的寒区铁路隧道设计分区方法,建立了寒区铁路隧道抗冻设防设计标准,建立了寒区铁路隧道防寒抗冻综合防控体系。

目前,虽然我国在寒区铁路隧道的防寒抗冻上取得了一定进展,但在防寒材料、主动保温系统、温度场规律预测等方面仍需进一步深化研究。