寒区隧道洞口保温层设防长度确定方法探讨

2021-10-11吴剑，郑波，方林，匡亮，郭瑞

铁道标准设计 2021年10期

吴剑，郑波，方林，匡亮，郭瑞

(1.中铁西南科学研究院有限公司，成都 611731；2.四川省隧道安全工程技术研究中心，成都 611731；3.国家山区公路工程技术研究中心，重庆 400067；4.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

引言

随着“一带一路”倡议的实施和西部大开发的持续深入，我国公路、铁路等基础建设正向高海拔寒冷地区延伸，在高寒地区规划、修建及投入运营的隧道越来越多。目前，我国关于高海拔寒区隧道，特别是大坡度特长隧道的保温防冻设计参数研究并不完善，隧道保温防冻设计长度参数方面，很难直接借鉴和应用。大量寒区公路、铁路隧道建设和运营情况表明，低温环境引起的冻害普遍存在，这些冻害既对隧道结构造成严重破坏，同时也给运营造成安全隐患[1-2]。

夏才初等[3]基于隧道衬砌和围岩温度场的理论解，提出了保温层铺设长度的计算方法；张国柱等[4]推导了寒区隧道洞内气体年平均温度及振幅沿隧道轴向和径向的理论公式；李磊[5]基于传热学理论，建立了隧道纵向和横向传热模型，推导了寒区隧道纵向温度场的分布表达式；谭贤君等[6]推导建立了考虑通风影响的寒区隧道围岩温度场计算模型；赖远明等[7]通过现场测试某高海拔冻土隧道工程，研究某寒区隧道保温效果;孙文昊，谢红强等[8-9]通过现场测试和数据分析的方法，分析了鹧鸪山隧道洞口段气温的变化特点和通车后洞内气温变化规律；陈建勋等[10]通过拟合现场监测数据，得出隧道年平均温度和振幅与径向深度呈指数关系;赖金星，周小涵等[11-12]基于现场实测数据，分析了高海拔地区特长公路隧道温度场特征和防冻措施;郑波等[13-14]结合川西高原寒区隧道温度监测数据，对既有经验公式计算值进行了修正，并提出纵向防冻长度应考虑年平均气温和振幅变化的特征；丁浩等[15]基于现场测试和数理统计方法，研究了沿隧道一定范围内纵向与径向的温度变化规律；日本学者[16]以日本高纬度中短铁路隧道气温监测为基础，建立了抗冻设防长度与洞口最冷月平均气温的关系；张祉道[17]基于黑川希范公式计算值，考虑了隧道通风和地下水流速影响，提出了洞口海拔高度、1月份平均气温与保温段长度的关系表。以上研究无疑为寒区隧道洞口保温防冻设防长度的确定奠定了重要基础，提出许多具有重要参考价值的建议，但目前各方法对高海拔寒区隧道保温设防长度的量化计算与实际需求仍存在较大偏差。

鉴于此，以雀儿山隧道为工程背景，总结分析了目前不同寒区隧道洞口防冻设防长度确定方法。结合具体工程实例，阐述了各防冻设防长度确定方法的流程，对比不同方法确定的保温防冻参数值，并基于已有经验公式，提出适用于高海拔隧道的保温层设防长度经验公式，讨论各确定方法的优缺点。成果可为寒区隧道的保温防冻设计和运营维护提供参考。

1 工程简介

1.1 工程概况

雀儿山隧道处于国道G317线，位于甘孜与德格之间，雀儿山主峰海拔6 168 m。雀儿山隧道全长7 060 m，隧道东口(甘孜端)高程4 378.7 m，西口(德格端)高程4 239.5 m，以约20‰单面坡为主，采用设计速度40 km/h的二级公路标准。

1.2 隧址区气象、地质等条件

雀儿山东西两侧海拔高度处于3 800～5 200 m，年平均气温3.2～-15.2 ℃，平均最高气温12.6～-0.2 ℃，平均最低气温-3.2～-16.0 ℃，极端最高气温27.2～14.4 ℃，极端最低气温-28.6～-41.4 ℃，年较差18.2 ℃，属于季节冻土区，最大季节冻土深度约1.5 m。

隧址区出露的地层岩性和隧道围岩岩性主要以燕山期花岗岩为主，地下水以基岩裂隙水为主，强风化带较为发育，其富水程度主要受地貌、构造等因素影响。另外，除部分洞口段落在雨季地下水较丰富外，总体上较为贫乏。

1.3 隧道洞口气温条件

表1为在雀儿山隧道东西两侧的气温测试成果[11]，通过拟合得到雀儿山隧道东口与西口的气温变化表达式，如式(1)、式(2)所示。

表1 雀儿山隧道东口与西口月平均气温测试结果 ℃

(1)

(2)

由表1可知，雀儿山隧道东口和西口每年从11月到来年4月，月平均气温低于0 ℃，且两端平均温度略有差异。

2 不同方法洞口防冻设防长度计算

目前，我国在确定高海拔寒区隧道洞口保温防冻设防长度时，主要采用或借鉴的方法有：黑川希范公式法、经验表格法、工程类比法、数值计算法、一般经验公式、工程实测法等。以雀儿山隧道为例，分别基于现有的保温层防冻设防长度计算方法，确定其洞口所需保温层防冻设防长度参数。

2.1 黑川希范公式法

根据黑川希范公式[16]近似计算洞口保温层设防长度，计算公式如下

y=154.7(-t)0.604

(3)

式中，t为洞口气温(最冷月平均气温)，℃；y为保温段长度，m。

图1为采用日本黑川希范公式计算的隧道洞口保温防冻设防长度和洞口最冷月平均气温的对应曲线。该公式主要依托隧道洞口最冷月平均气温计算洞口保温防冻长度。

图1 保温防冻设防长度与洞口气温关系曲线

根据前述雀儿山隧道洞口气温监测数据，东口最冷月(1月)平均气温为-9.6 ℃，西口最冷月(1月)平均气温为-9.4 ℃，由日本黑川希范公式可近似计算洞口保温防冻长度。经计算，雀儿山隧道东口、西口的保温防冻设防长度分别为606，598 m。

2.2 经验表格法

张祉道等[17]参考《铁路工程技术手册(隧道)》中有关寒区隧道保温水沟的参数，考虑了寒区隧道内通风、地下水渗流速度等对围岩冻结的影响，基于隧道洞口海拔高度和最冷月(1月)平均气温提出了洞口保温防冻设防长度经验表，表2为洞口保温防冻长度经验值。

雀儿山隧道东口洞口海拔高度4 379 m，西口洞口海拔高度4 240 m。根据表2，通过内插分别可得雀儿山隧道东口、西口保温防冻设防长度为857，836 m。

表2 隧道洞口保温防冻设防长度经验值

2.3 工程类比法

以同处川西高原的鹧鸪山隧道为基础，与雀儿山隧道进行工程类比，具体类比情况见表3[18]。

表3 雀儿山隧道与鹧鸪山隧道工程类比情况

自然通风条件下，鹧鸪山隧道贯通后1年洞内实测纵向温度见表4[8]。

表4 鹧鸪山隧道贯通后1年洞内纵向气温

由表4可知，与洞口距离越大，洞内年平均气温越高，年振幅越小。进口段，在进洞490 m处的温度与进洞30 m处的温度相比，前者年平均气温升高约2.5 ℃，年振幅降低约2.4 ℃；出口段，在进洞503 m处的温度与进洞8 m处的温度相比，前者年平均气温升高约3.8 ℃，温度振幅降低约5.1 ℃。由此可见，寒区隧道洞内年平均气温和温度振幅会随着洞身位置变化而发生变化，若想准确确定寒区隧道防冻设防长度，需考虑这种变化。

在类比分析过程中，对于雀儿山隧道，在距洞口500 m处，考虑年平均气温升高3.8 ℃，温度振幅降低5.1 ℃；在距洞口1 000 m处，由于类比工程无相应实测数据，为安全起见，仍按距洞口500 m情况保守考虑。根据计算结果，雀儿山隧道两端洞口保温设防长度只需750 m，但为了安全，考虑1.2的安全系数，雀儿山隧道两端洞口保温防冻设防长度可取900 m[13]。

2.4 数值计算法

根据雀儿山隧道实际尺寸建立山体和隧道模型[19]。数值计算中，分别取外界环境温度-10 ℃、-4 ℃、2 ℃和8 ℃共4组参数值分别计算，参考实测风速数据，计算中考虑洞内自然风速为2.5 m/s。

表5为不同外界环境温度时洞内气温计算值。可以看出，隧道内气温会随外界环境温度的变化而变化。同时，由于隧道围岩与周围空气发生热交换，越往隧道内部气温越接近于围岩温度。对超特长隧道，环境温度对洞内气温的影响极大，且洞内气温的大小跟围岩温度相关。以隧道外部环境温度-10 ℃为例，在从进洞口负温到进口段约1.4 km洞内气温升为正值，越往洞身方向，洞内气温越高；隧道出口段距离洞口约400 m洞内气温升为正值；在埋深最大位置1～2 km洞内气温接近围岩温度。隧道洞口进风一侧，保温层设置相对较长，另一侧保温层长度可适当减小，采用非对称形式确定保温防冻设防长度，可使效果最大化。

表5 不同外界环境温度时洞内气温计算值

结合雀儿山隧道东口最冷月(1月)平均气温-9.6 ℃，西口最冷月(1月)平均气温-9.4 ℃的具体条件，采用内插法可得，雀儿山隧道洞口进风一侧，保温层防冻长度可设为1 400 m，另一侧保温防冻长度则只需364 m即可。根据雀儿山隧道洞内自然风实测结果，风向为由西口吹向东口，即雀儿山隧道东口、西口的保温防冻设防长度分别为364，1 400 m。

2.5 工程测试法

在雀儿山隧道贯通运营后，对其冬季洞内纵向温度和洞内风速进行了监测[19]，现场监测情况如图2所示。图3为雀儿山洞内纵向月平均温度曲线(2018年监测数据，其后2年监测数据与其非常接近)。从图3可知，甘孜端洞口，全年各月月平均温度均高于0 ℃，最冷月月平均温度约7 ℃；德格端洞口，全年约有6个月月平均温度低于0 ℃，最冷月月平均温度约-9 ℃，洞内月平均温度低于0 ℃的洞身长度超过1 500 m，两端温度环境存在显著差异，呈现非对称性特征。出现这种现象的主要原因为该隧道全年风向均由德格端至甘孜端，在冷季，冷空气源源不断由德格端洞口进入，造成洞内负温；甘孜端洞口，外界冷空气进入甘孜端洞口相对微弱，其内空气流动是依赖于德格端自然风的影响而造成，同时加之地热影响，洞内冷空气到达一定洞身距离后，空气温度开始由负温逐渐变为正温。

图2 现场监测布置

图3 雀儿山隧道洞内纵向月平均气温曲线

因此，根据实测结果，对于雀儿山隧道宜采用非对称保温防冻设防方式，即在德格端增加设防长度，在甘孜端考虑冬季洞口冷空气扰动可能导致洞内负温情况的设防长度即可。综合上述，雀儿山洞口保温防冻长度东口设置为200～300 m，西口设置为1 500～1 600 m较为合适。

2.6 修正经验公式法

根据国内18座典型高海拔或高纬度寒区隧道洞内纵向温度监测数据[20]，分析了高海拔寒区隧道洞内纵向温度分布特点，结合保温防冻设防的实际情况及隧道贯通运营后的防冻效果等因素，发现利用日本黑川希范公式计算得到的高海拔隧道防冻设防长度，其计算值偏小。通过引入一个海拔高度修正系数A，当川西高海拔隧道取A=1.3时，保温防冻长度则与实际情况吻合较好，修正后的黑川希范公式可表示为

y=A×154.7(-t)0.604

(4)

修正后的黑川希范公式仅适用于隧道两端环境条件(温度、海拔、风速等)基本一致的情况，当隧道两端存在差异，特别是高差较大、风向单向时，应引入环境影响量B。通过引入环境影响量修正高海拔隧道洞口保温层防冻长度[3]，即在低洞口端、主导风向端或环境偏冷端在修正黑川希范公式计算长度基础上增加一定长度B，在高洞口端、逆风向端或环境偏暖端计算长度基础上减小一定长度B，提出具体修正经验公式如下

Y=A×154.7(-t)0.604±B

(5)

式中，Y为防止洞口段围岩冻结所需铺设保温层的长度；T为最冷月洞口平均气温；A为海拔修正系数，川西高原可取A=1.3；B为环境影响量，可采用数值方法或理论推导获得，具体方法为，结合隧址区环境条件(温度、坡度、风速、风向等)，初步确定一个经验值。对于具体隧道，还要结合设计参数，实际通风方式，洞内风速、风压等参数条件，进行修正确定，雀儿山隧道可取B=500 m。

经计算，雀儿山隧道东口、西口保温防冻设防长度分别为280，1 290 m。

综合对比各种确定方法，得出洞口保温防冻设防长度，如表6所示。

表6 洞口保温防冻设防长度确定方法对比分析 m

3 各确定方法优缺点探讨

(1)黑川希范公式计算的隧道洞口保温防冻设防长度和洞口最冷月平均气温的对应曲线。该公式主要依托隧道洞口最冷月平均气温计算洞口保温防冻长度，是一个使用简单方便的初步计算公式。但该计算公式主要以日本高纬度中短单线铁路隧道温度数据为基础提出的，与我国高海拔隧道有明显差异，且未涉及海拔高度、隧道长度、洞内通风状况等关键因素，其应用推广存在很大的局限性。

(2)经验表格法给出的保温设防长度在当前设计中通常也被参考，但该方法所提出的数值仍有很大的经验因素，可用该表格初步确定高海拔隧道洞口保温防冻长度。该方法仍未涉及海拔高度、隧道长度、洞内通风状况等关键因素。同时，通过测试发现，洞口海拔高度与1月平均气温对应关系不明显，1月平均温度的大小与洞口地形地貌、植被等有着密切关系，因此，以海拔高度为参照确定保温设防长度参数不能准确反映实际情况。

(3)工程类比法需参考同类相似工程，但实际上，每座隧道的水文地质条件、气象因素、地表植被、地形地貌条件、通车通风方式及隧道曲直程度等都很难一致，得到的结果通常也有一定偏差。

(4)数值计算法可考虑地温梯度、洞口气温、洞内通风等因素，计算结果比较可靠。但数值计算中所需的各种参数如地温梯度、岩体热物理参数等需进行室内测试，且计算建模过程复杂，推广使用不便。

(5)工程实测法得到的结果相对可靠，但对于具体工程，工程实测法具有一定滞后性，通常需监测至少一个全周期的洞内气温数据，再依据实测数据资料确定保温防冻设防长度。虽然有滞后性，但仍可以验证设计参数的合理性，可避免因保温设防长度不足而引起的冻害。

(6)修正经验公式法，是基于实测数据和隧道两端环境条件，分析高海拔寒区隧道洞内纵向温度分布特点，并结合保温防冻设防的实际情况及隧道贯通运营后的防冻效果等因素，在修正黑川希范公式的基础上提出。该方法考虑了洞口风速等环境条件影响，与实际效果比较接近，吻合度较高。但涉及参数较多，其中，海拔修正系数和环境影响量2个参数，还需大量计算和测试进行验证，后续仍需进一步探讨研究。各确定方法优缺点见表7。

表7 各确定方法优缺点探讨

综合来看，采用黑川希范公式、经验表格法、工程类比法等方法确定的保温层防冻设防长度比实际设防长度偏小，计算结果未体现出工程案例的非对称性，与实际偏差大。上述方法可作为初步保温防冻参数应用，对于具体高海拔隧道，建议开展隧道贯通后一段时间(至少一个气象观测年)洞内气温监测，据此验证防冻参数的合理性。采用数值计算法、修正经验公式等确定的保温层防冻设防长度与工程实际较接近，可在实际工程中应用，但相关参数、边界条件仍需深入研究。