基于寒区背景下隧道除冰技术分析

赵天望，戴长雷

(1.黑龙江大学寒区地下水研究所，哈尔滨 150080；2.黑龙江大学水利电力学院，哈尔滨 150080)

中国寒冷地区分布广泛，寒区面积在土陆地面积中占据重要比重。随着中国经济社会的飞速发展，国家政策的落实，在寒冷地区修建了大量的公路隧道工程。受寒区恶劣环境的影响，特别是冻融循环作用，寒区隧道经常出现衬砌开裂、内部渗漏、拱顶挂冰等冻融病害，导致隧道的服役能力迅速降低、影响了隧道的安全行车能力[1]。隧道衬砌和边墙出现结冰是一种较为严重的冻害[2]，如何对这类冻害采取防治措施，是很多学者和行业人士探讨的话题。因此，基于寒区背景下研究更加高效合理的隧道除冰技术具有十分重要的意义。

1 寒区隧道分区

1.1 寒区的定义

“寒冷地区”简称“寒区”，根据不同的评判标准会产生差异，一直以来并没有一个统一的标准来对其进行划分，在寒区的众多对比因素中温度和固态降水量属于最主要的指标。直观上大多是以“冷”和“暖”程度相互做出比较，标定该区域的气候特征。由于区域气候的不同，会对工程的施工建造和后期维修养护都产生较大的影响，增加了施工难度。中国寒区主要集中在东北三省：辽宁、吉林和黑龙江，其他地区包括青海、内蒙古、新疆和甘肃等。我国寒区气候指标主要包括年(月)平均气温、日平均气温、固态降水百分比、年平均积雪日数等[3]。中国寒区的气候指标，见表1。

表1 中国寒区的气候指标

1.2 寒区隧道分区

依据隧道所受冻害的程度对寒区隧道进行分区，并以隧道所在区域的最大冻结深度、冻土类型以及冻结日期等作主要的参数指标。寒区隧道分区简表，见表2。

表2 寒区隧道分区简表

2 工程概况及冰害发育过程

2.1 工程概况

黑龙江省哈尔滨市处在中国东北地区，属于寒区范围。因此，文章以哈尔滨市黎明大道公路隧道为例，分析寒冷地区涎流冰的形成过程和现状。该隧道位于哈尔滨市香坊区，属于城市公路隧道。位于E45.3°，海拔约为170m。隧道全长1.2km，地质以泥岩、砂岩为主，等级为Ⅲ-Ⅳ级，隧道埋深6-35m。隧道所在位置年平均气温为-30-26℃，11月至次年1月平均气温在-14.1℃。受地理位置影响，该区域长期受流水侵蚀，隧道边墙和内拱出现不同程度的开裂，冬季和春季气温较低时混凝土结构出现冻胀破坏，严重影响隧道的使用功能。

实地勘察发现，此隧道通车几年后，有多处衬砌结构的外部装饰及施工材料严重脱落，施工缝和预留伸缩缝出现开裂，严重部位出现渗漏现象。到了冬季期，渗漏处的水滴在持续的低温条件下凝结成冰。随着水流不断下渗，冰体开始发育逐渐向外延伸，最终造成大量的冰体发育成形。严重影响结构的强度和稳定性，也给交通运营带来极大的隐患，隧道内部出现大量涎流冰，见图1。

图1 隧道内部出现大量涎流冰

2.2 冰害发育过程

拱顶或边墙渗水结冰的现象，在很对寒区隧道建设过程中多有发生。首先是这些地区常年多雨雪天气，汇集形成的地表水会沿着结构层间缝隙向下渗流。另外，隧道开挖会经过不同土层，如果遇到富水区，地下水在排流不及时的情况下会向外涌流，两个方面的水源为冰体发育提供了丰富的物质基础。透过隧道的结构层，水流汇集到拱部或者边墙的裂缝处，滴水在长时间的低温条件下凝结硬化。后面的水流受重力作用顺着硬化的冰体表面向下运动，进而冰体的体积不断增大。但是这种发育速度并不是一成不变的，受冰载体的影响，冰体在后期发育变得越来越缓慢，最终趋于稳定，冰体发育形态投影图，见图2。

图2 冰体发育形态投影图

冰体的重量和长度是描述冰体形态的重要指标，两者达到一定数值时冰体会自由脱落。可能因所处环境条件不同，冰体大小有所差异。总的形态类似锥形，上部的直径大下部小，尖角向下如同倒挂的利剑，从高处落下形成的压强很大。为防止给行车和人身安全造成破坏，应及时清除。

3 寒区隧道的除冰技术

3.1 人工除冰

在公路隧道维修养护的过程中，人工除冰的方式很常见[4]。工人们多用铲刀、木棒等除冰工具，对结冰部位进行清理。但是，隧道内除冰操作危险系数较高，主要是因为冰体结构多为锥形，上部直径大下部尖锐，一旦施工过程中处理不当极有可能会伤害工作人员，此前也多有人员在除冰过程中受伤的新闻出现。由于北方寒区低温条件下维持时间较长、雨雪量大，很大程度上增加了除冰难度。另外，恶劣的气候条件会使得渗漏处再次结冰，需要重复清除。因此，每年用冬季公路隧道除冰工作中的物力、人力和财力的消耗量很大。当遇到大面积挂冰出现，又需要耗费更多的时间来保证冰体清理干净。所以，科学高效的除冰技术对公路隧道运营具有重要意义。

3.2 风力扫冰器除冰

风力扫冰器是利用车辆通过隧道产生的风力作为动力源将除冰叶片驱动，从而将隧道衬砌壁上面的凝结的冰柱清扫干净，这套除冰装置主要适用于电气化区段接触网隧道[5]。由于这套装置不需要额外的能源所以非常节能，另外这套装置还有性能稳定、方便安装、抗干扰能力强等优点，可以应用在不同环境中。之前有研究者在内蒙古的八苏木隧道做过关于风力扫冰器除冰效果的试验。试验结果表明这套装置不仅便于安装，而且当风力较大时除冰叶片达到一定的转速可以起到很好的除冰效果。整理试验数据发现整套设备运行稳定，可以作为除冰的方式应用在隧道工程中。但在由于扫冰机械使用时间长了容易发生故障，另外遇到太过坚硬的冰块时除冰叶片容易损坏，增加维修成本，所以该技术多适用于小隧道的除冰工作。

3.3 隧道渗漏处设置融冰装置

隧道工程施工过程中在渗漏处安置融冰装置，工作机理主要是通过电力传输让融冰装置产生热量从而通过洞内温度维持在0℃以上，避免渗漏处结冰。这套融冰装置主要是由电加热板、悬挂支架、温控系统组成[6]。整个装置需要每个组成部分的协调合作才能达到效果，其中电加热板和悬挂支架需要安装在衬砌表面和接触网之间，并且紧贴隧道衬砌面，以避免之间留有空隙增加热量损失。为方便工人安装和后期维修，所以将电控箱安装在隧道壁的一侧。

随着科技的不断进步，不同行业都在极力追求高质量、高效率的发展。所以寒区隧道的除冰技术也在不断的改进和完善，安装融冰装置对结冰部位进行清除的技术也应运而生。对比分析可以发现，该技术具体很好的优势，特别是地板辐射采暖系统的应用更是广泛。目前在国内外机场、建筑楼房也多有使用。该技术最大的优点就是在水量大的地方进行很好的引流，避免结构出现膨胀的现象，在一定程度上减少了人工除冰的强度[7]。并且根据温度感应装置对洞内温度进行实时监测，利用该技术可以比较有针对性的处理冰害，在水滴凝结之前进行加热保温，具有较好的预防作用。但是融冰装置除冰也存在一些缺点：①需要投入过多的成本来引接外部的电源和线路；②由于这套装置是由很多部分组成，需要对每个细节进行合理的管理才能达到除冰的目的，所以在管理上面需要增加工作量。以上这些问题也需要施工人和研究者们的进一步探讨和研究。

4 除冰技术的优选

以上就是3种主要的除冰方法，通过对比分析认为融冰装置的是最优的选择。虽然这种方式也存在一些缺点，但相比较而言该技术具有更高的效率性和控制性。

4.1 融冰装置组成及作用

隧道融冰装置是由很多部分组装而成，主要组成部分分别是电加热板、接线盒、温控配电箱及固定角钢、电源控制线。而融冰装置的工作原理，就是提高电线传输能量到装置产生热量，以提高洞内的温度防止渗漏处的水滴凝结成冰[8]，电加热板装置图，见图3；悬挂支架装置图，见图4。

图3 电加热板装置图

图4 悬挂支架装置图

4.2 功能及技术指标

融冰装置具有实时检测的功能，可以对温度进行控制。在该装置上带数码管显示和防水型温度传感器探头，可以检测到隧道内的实时温度，并通过数显进行数据记录(温度显示及控制范围：-35-85℃)，可根据现场实际设定启、停动作温度，接线盒设有白色指示灯可实时显示加热板工作状态[9]。隧道融冰装置在外部包装材料选择上也严格要求，多使用轻便、耐腐蚀、易安装的材料。在外部端口安装或者连接时都做好了防水处理，在潮湿环境下也能够满足使用功能。融冰装置输入电压为AC380±20%V,各端子对各端子对机壳的绝缘电阻应>50M，温度显示及控制范围为-40-80℃，温度显示精度为1℃，误差±1℃，加热板表面温度(室温条件下)>100℃。

4.3 融冰装置的安装

4.3.1 加热板安装标准

根据不同作用位置隧道设计的融冰装置会有所差异，主要的加热板尺寸多为1000×2000mm，另外在安装时需要确保加热板与线路垂直，隧道渗漏处正好对准加热板的中心，将2条V形槽扣板用膨胀螺丝固定在隧道衬砌的顶部，间距为1000mmV形槽扣板V口紧挨加热板，距加热板沿500mm，安装过程中要用Φ12×120mm型膨胀螺丝固定紧加热板，并在螺丝外下部安装铁板，防止其脱落。

4.3.2 接线盒安装标准

除了加热板等设备的安装，接线系统的安装也很重要。将连接加热装置的线路汇集到隧道边侧拱壁上，接线盒的外部材料尽量选取防水性能好的材料[11]。并且，在接线盒的底部打上两个2个M6×80的膨胀螺栓用于固定接线盒防止其脱落。在接线端的入口连接220V的电源，输出口连接加热板。另外，在接线完成后设置预防系统，当遇到漏电情况时自动断电。完整的系统需要好几个接线盒，并用接线箱固定在一起，接线箱，见图5。

4.4 除冰效果分析

文章以哈尔滨黎明大道公路隧道为研究对象，在隧道左右两幅分别设置不同工况点条件，左幅隧道不设置除冰装置，右幅隧道提前布设融冰装置，现场布设装置，见图6。试验当天为雨雪天气，隧道外界日平均温度-20℃，融冰装置稳定运行8h，设置铺设功率为80 W/m2。沿着隧道右边墙径向(围岩方向)安装测温元件，一共5个，每隔30cm安装一个，测温点的布置，见图7。通过现场温度监测获取每个测温点的温度变化情况，不同测点的温度变化情况同，见表3。

为评估该技术在冬季期整体供热除冰的稳定性，监测时间设定为90d( 11月—来年1月，月平均温度最低)利用测温元件对隧道右边墙外侧围岩方向温度实时监控，并记录实验数据，隧道右边墙外侧围岩方向温度变化情况，见图8。

图5 接线箱

图6 现场布设装置

图7 测温点的布置

表3 不同测点的温度变化情况

图8 隧道右边墙外侧围岩方向温度变化情况

实验结果表明：隧道左幅隧道在低温条件下，拱部明显出现结冰现象。反观右侧隧道，在融冰装置稳定运行1h后，加热板迅速将温度传递出去，促使衬砌背后温度不断上升，大概3h以后温度基本都维持在正温，有效预防渗漏处发生冰害。月平均温度最低的冬季期，融冰装置除冰效果较为稳定，降低持续低温环境对隧道结构的影响，避免衬砌或者边墙渗水处结冰。

5 结 论

1)隧道冰害严重威胁着公路隧道的安全运行，极大干扰着运营管理。随着科学技术的发展与进步，效率低下的人工除冰和风力扫冰器除冰已不再适应铁路日益完善与高效的运营管理模式，解决好隧道除冰问题对电气化铁路的安全运行有着非常重要的意义。以上多种施工方式，在寒区背景下都具有特殊性。通过对比分析认为融冰装置的是最优的选择，不仅高效也具有更高的控制性。

2)通过现场实验得出融冰装置的除冰效果，在稳定运行下，电力输出致使加热板温度迅速升高，并将其热量传递给隧道结构，有效防治隧道拱部或者边墙处渗水结冰。但是其他的技术也各有优点，可以根据工程的具体情况再决定采用那种方式。有时候多种方式的配合使用会更加提高隧道除冰的效率。只有制定合理有效的方案才能起到除冰的效果，以避免隧道结冰造成的安全隐患。