寒区隧道防寒抗冻技术研究综述及抗冻设防新技术.pdf

水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期Water Resources and Hydropower Engineering Vol.54 No.S2张矿三,刘建友,季娟,等.寒区隧道防寒抗冻技术研究综述及抗冻设防新技术J.水利水电技术(中英文),2023,54(S2):210-214.ZHANG Kuangsan,LIU Jianyou,JI Juan,et al.Review of cold and frost resistance technology of tunnel in cold area and new technology of anti-freezing fortificationJ.Water Resources and Hydropower Engineering,2023,54(S2):210-214.寒区隧道防寒抗冻技术研究综述及抗冻设防新技术张矿三1,刘建友1,季 娟1,韩 琳2,孙雅飞2(1.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055;2.山东省地质矿产勘查开发局八一水文地质工程地质大队,山东 济南 250013)收稿日期:2023-06-01基金项目:中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划(N2022G022)作者简介:张矿三(1983),男,高级工程师,所长,学士,主要从事寒区隧道设计和施工技术研究。E-mail:361530688 通信作者:刘建友(1982),男,正高级工程师,副总工程师,博士,主要从事主要从事隧道设计和研究。E-mail:13522182378 韩琳(1981),男,高级工程师,学士,主要从事主要从事水工环地质研究。E-mail:59257595 摘 要:对目前隧道防寒抗冻技术的研究现状进行综述,介绍了国内外防寒抗冻技术及其应用情况。探讨了寒区铁路隧道排水系统及隧道结构防冻技术,包括隧道结构保温层设置、季节性冻土区及多年冻土区隧道结构的抗冻方法;并对隧道防寒抗冻技术的前沿方向,如空气幕保温系统和地源热泵加热系统等方面进行了探讨,以期对隧道防寒抗冻技术的研究和实践提供有益的参考。关键词:铁路隧道;寒区隧道;抗防冻技术DOI:10.13928/ki.wrahe.2023.S2.034中图分类号:U25文献标志码:A文章编号:1000-0860(2023)S2-0210-05Review of cold and frost resistance technology of tunnel in cold area and new technology of anti-freezing fortificationZHANG Kuangsan1,LIU Jianyou1,JI Juan1,HAN Lin2,SUN Yafei1(1.China Railway Engineering Design and Consulting Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China;2.Shandong Provincial Bureau of Geology&Mineral Exploration and Development 801 Hydrogeology and Engineering Geology Brigade,Jinan 250013,Shandong,China)Abstract:The current research status of tunnel cold and frost resistance were reviewed,and the cold and frost resistance technol-ogy and its application at home and abroad were introduced.The antifreeze technology of railway tunnel drainage system and tun-nel structure in cold region was discussed,including the setting of insulation layer of tunnel structure,the antifreeze method of tunnel structure in seasonal frozen soil area and permafrost area.The frontier direction of tunnel cold and frost protection technol-ogy,such as air curtain insulation system and ground source heat pump heating system,is discussed in order to provide a useful reference for the research and practice of tunnel cold and frost resistance.Keywords:railway tunnels;cold zone tunnels;antifreeze technology012张矿三,等/寒区隧道防寒抗冻技术研究综述及抗冻设防新技术水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期0 引 言0 引 言 当代交通建设在不断发展中,越来越多的隧道工程在建设中兴起。然而,由于地理位置、气候条件等因素的影响,寒冷、高海拔和冰雪等极端环境条件对隧道的安全和正常运营产生了巨大的挑战。因此,如何保证列车在隧道内恶劣环境下的安全运行,成为当前交通建设领域急需解决的问题。预防隧道冻害的方法是当前针对寒冷地区隧道的研究热点之一。为了防范隧道冻害,苏联学者综合运用了防水层、排水管、排水沟等措施1。为了应对冻结圈过大的情况,通常将排水设施设置在冻结圈之外,并采用保温材料进行保暖。此外,采用热水或加热水的方式来加热排水沟也是一种有效措施。对于衬砌发生的渗漏水病害,可以使用空气隔热板、红外线幅射等加热方法,对受影响的区域进行表面局部加热。在挪威和法国,有效的防冻措施包括增设防水层和防冻棚,并在隧道内安装双层防寒门2。随着列车的到达与通过,这些双层门会自动开关,从而良好的保持隧道内洞的温度,避免围岩出现结冰的情况。美国使用加热电缆以及泡沫材料对其排水系统进行改良,实现隧道排水过程的加热及保温,从而起到预防冻害的作用。日本在隧道衬砌表面或初支与二衬之间设置隔热材料,并针对局部严重冻结的区域,采用电加热或暖管进行加热3。中国的隧道工作者一直在积极探索防寒抗冻技术,主要着眼于防排水和保温两个方面。叶秀玺4根据季冻区隧道的典型特点,提出在衬背后设置保温层或在衬砌紧靠防水层一侧设置环向电加热带的措施。他们还研发出了止水带无接头安装工艺和波形纵向排水管等新的防排水措施,取得了良好的实施效果。胡亚峰等5以拉脊山隧道为例,从隧道衬砌设计、施工工法优化、防排水措施设计和保温层材料选择等方面提出了防冻害治理措施,最后成功地解决了拉脊山隧道的防冻害问题。1 寒区铁路隧道排水系统防冻1 寒区铁路隧道排水系统防冻 在寒区隧道中,防排水是一项重要的技术挑战,隧道工作者进行了积极探索,主要从防水、排水、保温、加热等多个方面进行抗冻技术研究。近年来,新技术如自粘式、预制装配式排水系统和喷涂防水材料逐渐发展完善。无论使用何种技术,保证隧道排水通畅稳定始终是核心目标。然而,当前国内相关规范与标准并未形成针对寒区隧道的指导设计方法,寒区隧道在断面形式、温度分布、地下水分布等方面也存在明显差异。为此,建立一个全面的保温防排水设计体系十分必要:(1)防止衬砌背后的水出现冻结,依据温度条件设置相应的保温层,以确保排水系统的温度始终保持在 0 以上。(2)降低衬砌后围岩的含水量,可以利用注浆方法将围岩的含水量降低到即使冻结也不会发生冻害的程度,具体应根据当地水文情况进行确定。(3)建立畅通的排水系统,应设计一个不通过隧道内排水的排水系统,并采取一定的保温措施。除了上述方法,外部加热防冻也是一种有效的技术。对于冻害严重且冻害持续短的短隧道,加热防冻技术是可行的,但对于距离较长或冻害时间持续长的隧道,可能无法达到理想的效果6。对于地热资源丰富的地区,利用隧道内的高岩温或高水温来应对隧道洞口冻结问题同样是一个不错的思路。2 寒区铁路隧道结构防冻2 寒区铁路隧道结构防冻 2.1 隧道结构保温层设置 在寒冷的地区,设置保温层是防止隧道结构冻害的一种有效手段。保温层的作用是隔绝室内外的温度,减少热量的散失,提高隧道内部的温度。对于易受冻害的地方,如隧道的洞口部分,保温层可以起到延缓衬砌和围岩与洞内空气之间热交换过程的作用,避免衬砌背面频繁出现冻融变化情况,保持背面温度相对稳定,从而有效预防冻害的发生。2.2 季节性冻土区隧道结构抗冻 对于初期支护抗冻性能,当喷射混凝土结构受到冻融循环的影响时,其外表会出现严重的剥落,相关力学性能会降低,孔隙度会增加,水化合物会变得疏松和恶化,开裂宽度会增加,这导致结构的负载能力逐渐减弱。然而,喷射混凝土结构内部形成的密闭球状气泡能够切断混凝土内部的细小毛细通道,有效减轻冻膨胀压力和渗透压力对硬化水泥基体的破坏,因此在抗冻方面其表现优于传统模板浇筑的混凝土结构。值得注意的是,对初期支护的喷射混凝土加筋后会影响抗冻效果,故应采取围岩注浆等措施来对地层进行处理,并酌情控制初期支护的设计刚度。2.3 多年冻土区隧道结构抗冻 在多年冻土区修建隧道时,围岩一直处于冻结状态,具备稳定的条件。然而,隧道的建设会导致周围区域一定范围内的融化现象。随着列车散热和环境气温的长期作用,围岩环境将发生变化。这种改变会导112张矿三,等/寒区隧道防寒抗冻技术研究综述及抗冻设防新技术水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期致围岩形成冻融圈,从而对结构产生不利影响。冻融圈的范围越大,对结构的影响就越大。因此,减小冻融圈范围以保持围岩的热稳定性是保证结构稳定的关键。通过在初期支护和二次衬砌之间设置保温层,可以有效减少冻融环境对围岩和结构的影响,防止围岩融化和减小冻融圈的范围。这样的设计能够保持隧道结构的稳定性和耐久性,并提高整个隧道系统的抗冻性能。同时,利用混凝土自身的防水能力也是重要的。混凝土的抗渗性能应达到不低于 P8 级别,而抗冻性能不低于 F300 级别。此外,为满足耐久性要求,可以通过调整混凝土配合比、添加复合高效外加剂以及制定特殊的施工工艺来实现。3 抗冻设防新技术3 抗冻设防新技术 隧道外界的寒冷气流的入侵是隧道发生冻害的主要原因。若能主动高效率阻隔寒冷气流入侵隧道,可从根源上消除冻害。近些年,涌现出多种新型的寒区隧道保温技术,例如空气幕保温系统、地源热泵加热系统等主动保温技术,本节重点介绍隧道抗冻设防新技术方面的相关研究成果。图 1 阳面隧道空气幕保温系统结构示意3.1 寒区隧道空气幕保温系统3.1.1 空气幕保温系统组成寒区隧道空气幕保温系统修建在隧道洞口的前端,当其修建在山体阳面时,由保温室、空气幕、太阳能板和 PLC 控制器 4 部分组成,阳面隧道空气幕保温系统结构如图 1 所示。当其修建在山体阴面时,由保温室、空气幕和 PLC 控制器 3 部分组成,阴面隧道空气幕保温系统结构如图 2 所示。寒区隧道空气幕保温系统采用工业用电为主、太阳能电池板为辅的供电方式。非冻结期内以太阳能电池板供电为主,主要供电设备为风速传感器和温度传感器;冻结期内以工业供电为主,为寒区隧道空气幕保温系统提供足够图 2 阴面隧道空气幕保温系统结构示意的能源。该系统通过利用竖向强风产生的空气幕,防止寒冷气流进入隧道,确保隧道衬砌结构与围岩交界面的温度保持在 0 以上,以预防隧道冻害的发生。3.1.2 常温空气幕适应性分析空气幕可分为常温空气幕和热温空气幕两种。对于常温空气幕,当空气幕射流角度为 55,射流速度为 10 m/s,外界风速为 3 m/s 时,改变隧道外界的环境气温,分别开展当隧道外界的环境气温分别为-10 和-15 时,空气幕开启和关闭条件下隧道衬砌和围岩接触面的温度场变化规律,如图 3 所示。图 3 不同外界温度下隧道衬砌和围岩接触面的温度场变化规律空气幕关闭时,当隧道外界的风速为 3 m/s,隧道外界的环境气温为-10,隧道衬砌和围岩接触面后很快出现负温分布,此种条件下,若是此处结构存水,容易诱发隧道结构冻害。当空气幕开启时,试验持续 120 d 的情况下,隧道衬砌和围岩接触面后没有出现负温分布,说明空气幕具有较好的保温效果。然而,空气幕开启时,当隧道外界的环境气温为-15 时,试验持续 55 d 的情况下,隧道衬砌和围岩接触212张矿三,等/寒区隧道防寒抗冻技术研究综述及抗冻设防新技术水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期面后开始出现负温分布,此种条件下,常温空气幕保温效果失效。3.1.3 热温空气幕适应性分析为了进一步验证热温空气幕适应性,当隧道外界的环境气温为-20、空气幕射流角度为 55、射流速度为 10 m/s、射流温度为 55 时,改变隧道外界的风速,分别开展当隧道外界的风速分别为1.5 m/s、3.0 m/s 和 5.0 m/s 时,热温空气幕作用下隧道洞内气温变化规律,如图 4 所示。图 4 热温空气幕作用下洞内气温的变化规律当外界环境气温为-20 时,需要采用热温空气幕来满足隧道的保温需要7。当外界风速为 1.5 m/s时,开启热温空气幕约 85 min 后,隧道内部的空气温度上升至正温,达到预期的温度要求。当外界风速为 3.0 m/s 时,热温空气幕开启 120 min 后,隧道洞内空气的温度开始出现正温。当外界风速为 5.0 m/s时,热温空气幕开启 150 min 后,隧道洞内空气的温度开始出现正温。随着外界风速的增大,开启热温空气幕后隧道洞内气温出现正温的时间增长。由此可见,热温空气幕具有较好的保温效果,有助于预防隧道冻害的发生。隧道外界的寒冷气流的入侵是隧道发生冻害的主要原因。若能主动高效率阻隔寒冷气流入侵隧道,可从根源上消除冻害。为了同时实现消除隧道病害和节约能源消耗的目标,将空气幕技术与隧道工程相结合,利用空气幕的竖向强风来阻隔寒冷气流的侵入,并利用隧道内部的温度,确保隧道洞口段的温度能够达到正温的水平。这种综合应用空气幕和隧道工程的方法可以同时实现隧道的保护和能源效益。3.2 寒区隧道地源热泵加热系统 针对于保温层防寒措施的局限性,国内部分隧道采用保温门结合保温层的组合式保温方法。大坂山隧道通过在出入口安装保温门阻隔外界冷空气的方法,根据隧道实测数据发现防寒门可以有效的减少和防止外界寒冷气流的侵入,有利于提高冬季隧道内空气的平均温度及限制隧道围岩岩体季节性冻结深度;兴安岭隧道因冻害导致衬砌渗水、衬砌开裂、拱顶网裂、拱顶空洞等病害,2015 年投入 1147 万元进行隧道病害整治,隧道采用碎石盲沟与衬砌间设防水板+聚氨酯保温板+避车洞设保温门+竖井顶设简易井盖的隧道防寒措施。保温门的保温方式能够有效的解决隧道冻害问题,但保温门在使用过程中需要反复开关,受交通量影响较大,因此保温门适用于冬季车流量远小于夏季车流量的偏远地区。张国柱等8在 2015 年提出了地源热泵系统GSHP(Ground-source Heat Pump)主动加热保温系统。地源热泵的研究始于 1912 年,其利用浅层地热能供热制冷的高效节能技术,因其绿色环保的特点,已逐渐成为寒冷地区隧道使用的一种新型高效防冻保温技术。该系统由取热段、加热段、热泵和分集水管路四部分组成。其中,取热段通常设置在隧道的中部,凭借热交换管来收集地热能。这些管路通过与地壳中的热能交换,将地温转化为热能。加热段位于隧道洞口处,通过供热管来将热能传递到隧道洞口区域。热泵系统负责将从取热段和加热段获取的热能进行转换和传递,以提供隧道洞口段所需的加热能源。分、集水管路用于分配和收集热能,确保系统的运行效果。通过利用地温能和热泵技术,这种源热泵系统能够为隧道提供可靠的加热,实现隧道洞口段温度的控制和调节,地源热泵系统如图 5 所示。图 5 地源热泵系统效果隧道加热系统通过利用地热能和地源热泵技术来控制隧道洞口地段的温度,实现该地段的加热。传热循环介质通过热交换管路吸收地温能,并经过热泵的提升将热能传递到供热管路中,从而实现对隧道洞口312张矿三,等/寒区隧道防寒抗冻技术研究综述及抗冻设防新技术水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期的加热。这种系统的运行是封闭的,同时使用防冻液来确保系统的稳定运行。其中取热段和加热段是相互耦合的,取热段的取热量由加热段的供热负荷决定,加热段所需热负荷越多,则取热段需要从围岩中获取的热量也越多,是一个动态平衡的过程。4 结 语4 结 语 隧道防寒抗冻技术的研究和应用,旨在保障隧道内部的正常运行和使用,提高隧道的安全性和可靠性。防寒抗冻技术已经广泛应用于寒区隧道建设中,包括隧道结构保温层设置、排水系统防冻等。随着科学技术的不断发展,新的抗冻设防技术也在不断涌现,如寒区隧道空气幕保温系统、地源热泵加热系统等。这些新技术在寒区隧道建设中有着广泛的应用前景,可以有效地提高隧道的防寒抗冻能力,保障隧道的安全运行。参考文献:1 ZHOU Y,ZHANG X,DENG J.A mathematical optimization model of insulation layers parameters in seasonally frozen tunnel engineeringJ.Cold regions science and technology,2014,101:73-80.2 BO Z,WU J,GANG W.Study on cause analysis and treatment measures of lining cracking and ballast bed freezing at tunnel portal in seasonally-frozen regionsJ.Geotechnical and Geological Engineer-ing,2019,37:931-946.3 DUAN B F,LI H C,ZHANG Y K,et al.Monitoring and analysis for air defense shelters in freeze soil regionJ.Applied Mechanics and Materials,2011,99/100:332-337.4 叶秀玺.季冻区隧道冻害防治技术研究D.西安:长安大学,2010.5 胡亚峰,董新平,马晓良.严寒地区拉脊山隧道冻害防治措施J.中国铁路,2013(9):24-26.6 马志富,杨昌贤.寒区铁路隧道抗防冻技术J.中国铁路,2020(12):74-81.7 关喜彬.寒区隧道侧吹式空气幕保温系统及模型试验研究J.隧道建设(中英文),2022,42(10):1720-1728.8 张国柱,张玉强,夏才初,等.利用地温能的隧道加热系统及其施工方法J.现代隧道技术,2015,52(6):170-176.(责任编辑 王海锋)412