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高海拔寒区隧道防寒抗冻技术进展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版收稿日期：2023-10-15修回日期：2023-10-31基金项目：中国中铁股份有限公司科技研究开发计划项目（2021-重大-19）.作者简介：郑 波（1980-），男，工学博士，正高级工程师，主要从事隧道及地下工程科研与技术咨询工作，E-mail:.高海拔寒区隧道防寒抗冻技术进展与展望郑 波1吴 剑1袁 明2陶伟明3穆彦虎4郭 瑞1（1.中铁西南科学研究院有限公司，成都 611731；2.中铁投资集团有限公司，北京 100055；3.中铁二院工程集团有限责任公司，成都610031；4.中国科学院西北生态环境资源研究院，兰州 730030）摘要：随着我国西部大开发战略持续深入，“一带一路”倡议稳步推进，以及交通强国重大战略的部署和实施，在高海拔寒区建设和运营的隧道逐年增多。近些年来，虽然寒区隧道修建技术，特别是在防寒抗冻技术方面取得了长足进步，但冻害发生比例仍然较高，受严寒复杂气象条件影响，隧道洞内挂冰、侧沟溢冰、路面结冰、衬砌开裂及排水系统冻结失效等冻害现象时有发生，严重影响衬砌结构的安全性和耐久性，造成巨大经济损失，寒区隧道建设和运营面临挑战。围绕高海拔寒区隧道防寒抗冻关键技术问题，对保温层厚度和保温设防长度参数确定、保温形式及适用性、防排水技术、围岩冻胀力计算、衬砌结构抗冻技术等的应用现状进行归纳，指出今后寒区隧道建设和运营过程中仍需重点关注和解决的问题，展望高海拔寒区隧道防寒抗冻技术的发展方向，以期为高海拔寒区隧道成功修建和安全运营提供参考。关键词：寒区隧道；保温层；设防长度；防排水；冻胀力；抗冻结构；耐久性中图分类号：U458.1文献标志码：A文章编号：1009-6582（2024）02-00139-13DOI:10.13807/ki.mtt.2024.02.013引文格式：郑 波，吴 剑，袁 明，等.高海拔寒区隧道防寒抗冻技术进展与展望J.现代隧道技术,2024,61(2):139-151+177.ZHENG Bo,WU Jian,YUAN Ming,et al.Progress and Prospects of Cold Protection and Anti-Freezing Technologies forTunnels in High-Altitude Cold RegionsJ.Modern Tunnelling Technology,2024,61(2):139-151+177.1引 言我国高海拔寒区主要分布在青藏高原、甘肃、青海、西藏及云南等地区，具有地势高度起伏明显、气候随高程垂直变化明显、最低气温在-20-30、年温差小、日温差大、最大日温差达30，阴阳坡温差大、季节性冻土分布广泛、海拔在4 500 m以上区域存在多年冻土等特点。随着我国西部大开发战略持续深入，“一带一路”倡议稳步推进，以及交通强国重大战略的部署和实施，以成都雅安林芝拉萨铁路、共玉高速公路等为代表的高海拔寒区铁路、公路建设迅猛发展，前者隧线比高达85%以上，寒区隧道工程建设和运营面临挑战。高海拔寒区隧道贯通后，冬季外界冷空气进入洞内，会与周边围岩进行热交换，围岩温度场平衡状态会被打破，衬砌与围岩会经受反复的循环冻融作用，尤其是在洞口且富水段落，冻融过程中会伴随着水分迁移、冻结膨胀、融化渗水等现象，进而产生一系列与冻害相关的问题1。近些年来，虽然我国寒区隧道修建技术，特别是在防寒抗冻技术方面取得了长足进步，但冻害发生比例仍然较高。调查发现2，高海拔寒区隧道44.1%发生了冻害，冻害是影响隧道正常运营的重要因素，常见冻害有：洞内挂冰、侧沟溢冰、路面结冰、衬砌开裂及排水系统冻结失效等。冻害的出现严重影响衬砌结构的安全性和耐久性，给正常运营和维护造成巨大经济损失，与寒区隧道工程相适应的设计方案、施工技术及运营安全保障技术面临挑战，合理的防寒抗冻技术是高海拔寒区隧道成功修建和安全运营的关键3。基于此，围绕高海拔寒区隧道防寒抗冻技术问题，对保温层厚度和保温设防长度参数确定、保温形式及适用性、防排水技术、围岩冻胀力计算、衬砌结构抗冻技术等的应用现状进行归纳，以期为高海拔寒区隧道成功修建和安全运营提供参考。139高海拔寒区隧道防寒抗冻技术进展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.20242防寒保温技术现状2.1防寒保温技术参数保温措施是防止隧道冻害产生的有效手段。在隧道易受冻融影响地段设置保温措施，可有效减弱衬砌、围岩与洞内冷空气发生热交换，避免衬砌背后围岩、排水系统发生冻结现象，达到预防冻害目的。防寒保温成功的前提是确定合理保温技术参数，包括设防厚度和长度，其中保温设防长度包括衬砌结构和洞内水沟两方面。2.1.1保温层厚度目前，寒区隧道保温层厚度的计算方法主要有解析计算法、气象解析法和数值计算法等。解析计算法方面，赖远明等4针对已知洞内温度边界条件的圆形隧道，通过建立考虑相变潜热的温度场方程，采用摄动技术求解，得到了圆形隧道温度场解析解。张 耀等5结合洞内温度季节变化的特点，采用对流换热边界，建立了圆形隧道温度场解析解。夏才初等6将寒区隧道瞬态传热过程分解为周期函数边界条件下的瞬态传热和恒温边界条件下的稳态传热两部分，采用分离变量法和Laplace变换法，得到了寒区隧道径向温度场解析解。上述这些温度场解析解均可计算保温层厚度，但计算相对复杂，使用时的限制条件也较多。陈建勋等7依据绝热原理，利用等效厚度换算法，分别推导得出了隧道衬砌表面或中间铺设保温层的厚度计算公式，如式（1）、式（2）所示。该方法相对简单，使用方便，但该方法忽略了冰水相变问题，富水隧道的估算结果与实际值仍存在偏差。表面铺设：11lnr+1r=1lnr+r（1）中间铺设：11lnr+1r=1lnr+2r+2+12lnr+2r（2）式中：、1、2分别为保温层、围岩及衬砌的导热系数（W/(m)）；r为隧道当量半径（m）；、1、2分别为保温层、围岩及衬砌的厚度（m）。关宝树8在 隧道工程设计要点集 中，阐明了日本利用气象资料计算寒区隧道保温厚度的流程，即气象解析法，该方法的计算公式和概念较复杂，在我国使用不多。国内很多学者，针对不同依托隧道工程采用数值计算方法确定了保温层厚度。其中，郑 波等9基于川西高原多座不同海拔高度隧道洞口的实测温度拟合曲线，计算得到了川西高原隧道防冻保温设计的保温层厚度经验公式，如式（3）所示。H=0.665e-0.276T（-9.5 T0）（3）式中：H为保温层厚度（cm）；T为最冷月平均温度（）。保温层厚度数值计算只需建立二维计算模型即可，建模相对简单，只要计算时输入的地层热物理参数、温度边界条件与实际相符，计算结果就是准确可靠的。但要注意的是，实际工程中常利用洞口温度数据进行计算，结果偏保守，应根据隧道洞内纵向温度分布特点进行优化，采用阶梯形保温铺设方法，节约保温材料。2.1.2保温设防长度目前，寒区隧道保温设防长度参数确定方法主要有：经验公式法、经验表格法、工程类比法，理论计算法、数值计算法、现场测试法等。从国内应用现状看，采用经验公式法和经验表格法等确定保温设防长度参数的居多，尤其是黑川羲范公式。（1）经验公式法 黑川羲范公式1980年，黑川羲范基于日本264座铁路隧道洞内气温数据的统计结果，提出了著名的确定寒区隧道保温设防长度的黑川羲范公式10，具体为：y=154.7(-t)0.604（4）式中：t为洞口最冷月平均气温（）；y为保温设防长度（m）。该公式建立了寒区隧道洞口最冷月平均气温和保温设防长度之间的关系，但数据样本主要以日本高纬度隧道为主，且隧道普遍较短，与现阶段我国高海拔寒区隧道呈现出的特点明显不符，其应用存在较大局限性。一般经验公式中铁西南院根据18 座典型高海拔或高纬度寒区隧道洞内实测温度资料，通过统计分析，在黑川羲范公式基础上，提出了考虑环境影响量的确定高海拔寒区隧道保温设防长度的一般经验公式，如式（5）所示11。Y=LL 2000mL or 154.7(-T)0.604 B 2000m L 3000m154.7(-T)0.604 BL 3000m（5）式中：T为洞口最冷月平均气温（）；L为隧道长度（m）；B为环境影响量（m）；Y为保温设防长度（m）。该公式引入了“环境影响量”，为高海拔隧道保温设防长度合理取值向前迈进了一步，但该参数具体如何取值存在不确定性，使用仍不方便，有待进一步完善。在此基础上，郑 波等11基于川西高原10余座典140高海拔寒区隧道防寒抗冻技术进展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版型高海拔隧道洞内气温长期监测数据，分析了川西高海拔隧道冬季洞内负温段落长度与洞口最冷月平均温度、洞内风速等因素之间的关系，提出迎风端、洞口最冷月月平均气温低于0 时，保温设防长度大概有如下经验关系：y=154.7(-t)0.604+91.33f1.126+50t 0,f 0200500t 0,f 0（6）式中：t为洞口最冷月平均气温（）；y为保温设防长度（m）；f为冷季洞口端洞内最大风速值（m/s）。需要说明的是，该公式中风速观测点较少，有关风速影响需进一步深入研究。该公式主要适用于洞内自然风以单向通风为主的隧道，如洞口两端存在大高差或两端洞口环境存在显著差异的隧道。拟合公式叶朝良等12基于35座寒区隧道洞内气温数据，统计分析了洞口温度条件对隧道纵向影响长度L的影响，得到了隧道纵向影响长度L与洞口最冷月平均气温t的关系式，如式（7）所示。此外，结合黑川羲范公式，给出了寒区隧道保温设防长度建议值，见表1。L=-0.246t3-13.58t2-301.6t+299(R2=0.999)（7）式中：t为洞口最冷月平均气温（）。（2）经验表格法张祉道13则在黑川羲范公式基础上，结合寒区隧道保温水沟的设置长度，考虑通风、地下水流速等因素，提出了洞口海拔高度、一月份平均气温与保温设防长度的关系表，见表2。该表考虑了寒区隧道通风和地下水流速的影响，向合理确定保温设防长度迈进了一步。将一月平均气温代入黑川羲范公式，发现该表中保温设防长度值比计算值增加了50100 m，该表所提数值仍存在较大经验性，未充分体现高海拔隧道两端洞口气象差异、地形条件等因素对保温设防长度的影响。表1 保温层设置长度12Table 1 Insulation layer setting length12洞口温度/-2-5-10-15-20-25-30-35黑川羲范公式/m2354096227949451 0811 2071 325实测上限拟合公式/m8501 4982 2032 5982 8673 1953 7674 767平均值/m5429541 4121 6961 9062 1382 4873 046建议值/m5501 0001 5001 7502 0002 2002 5503 100表2 保温设防长度经验值13Table 2 Empirical values of thermal insulation length13洞口海拔高度/m3 3003 6003 8004 0004 2004 4004 6004 800一月平均气温/-10.0-10.5-11.0-12.0-13.0-14.0-15.0-16.0保温设防长度/m680690710750830860900930在上述研究基础上，四川省地方标准 川西高原公路隧道设计与施工技术规程（DB51/T 2792021）14针对川西高海拔寒区隧道，提出了不同风向、风速下保温设防长度修正建议值，见表3。保温设防长度对最冷月洞内最大风速非常敏感，如何准确确定贯通后隧道内自然风速，是合理确定保温设防长度的关键，是今后应重点研究的内容之一。马志富等15对寒区隧道进行了设计分区，共分为5个区，根据其工程经验和有关规范要求，考虑寒区隧道两端气压差的影响，分别提出了高海拔寒区表3 不同风向、风速下保温设防长度修正建议值（单位：m）Table 3 Recommended correction values for insulation defense length under different wind directionsand speeds(Unit:m)洞口最冷月平均温度/0-5-5-10-10最冷月隧道洞口段平均风速/（m s-1）-5150350250350300-5-2150350250350300-20035030055050000400400650650024506005001 050800256001 0008001 6501 15051 0001 6501 650141高海拔寒区隧道防寒抗冻技术进展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024隧道低洞口端结构抗冻、保温排水防冻的建议长度参数值，见表4。作者认为低洞口端更容易遭受冻害，高洞口端设防长度可在此基础上适当缩短，但没有说明具体如何减少，减少量值如何。有关高、低洞口的提出，体现了对高海拔寒区大高差隧道“烟囱效应”的认识，与实际相符，对高海拔寒区保温防冻认识又进一步。表4 高海拔寒区隧道低洞口端设防建议长度15Table 4 Recommended defense length at lower tunnel endin high-altitude cold regions15设计分区1月平均气温/-0.5-4.7-0.5-8.9-4.7-13.1-8.9-13.1结构抗冻设防长度/m不设5005001 0001 0001 5001 5002 000保温排水设防长度/m可不考虑设防5001 0001 0001 5001 5002 0002 000（3）工程类比法高海拔寒区隧道建设过程中，通常由于缺少相应前期气象监测数据，在工程设计时，往往很难有实测数据支撑。因此，工程类比法通常被作为一种常用方法广泛采用，特别是新建工程附近存在气象环境条件类似工程时，既有工程经验是新建工程设计的重要依据。高 焱等2调研分析了我国156座寒区隧道最冷月平均气温和设防长度之间的关系，并将这些隧道归纳分为高纬度、高海拔隧道两大类，分别给出了其最冷月平均气温和保温设防长度的拟合公式，如图1所示。由此可见，寒区隧道保温设防长度与洞口最冷月平均气温有着很强的关联性，最冷月平均气温是影响寒区隧道保温设防参数的关键影响因素之一，但上述统计结果并没有明确各隧道保温设防参数的经济性和合理性。（4）理论计算法何春雄等16,17建立了考虑隧道内空气与围岩对流换热以及围岩与衬砌之间热传导的计算模型。夏才初等18基于能量守恒定理建立了隧道内空气对流换热传热模型，提出了可以计算不同横向、纵向深度处温度场的理论公式。当隧址区气象、工程地质、地形特征等条件和参数已知时，利用该公式可以确定隧道保温设防长度参数19。理论公式在推导过程中通常采用了众多假设，导致计算结果与实际情况存图1 寒区隧道最冷月平均气温和设防长度的关系Fig.1 Relationship between mean air temperature of the coldestmonth and thermal insulation defense length of tunnels in coldregions在较大偏差。对于工程人员来说，由于理论公式限制条件较多，使用相对繁杂，因此，需要相对简化、计算方便的简洁型公式。（5）数值计算方法赖远明等20、张学富21建立了寒区隧道渗流场、温度场、应力场相耦合的数值计算模型，研究了寒区隧道空气与围岩对流换热和围岩热传导耦合问题。谭贤君等2224采用数值方法研究了隧道内空气温度、湿度和风速大小等对围岩温度场的影响。近年来，随着对洞内风速影响寒区隧道温度场的认识不断地深入，部分学者针对洞内自然风、列车活塞风等因素对寒区隧道纵向温度场分布特征的影响做了大量数值分析25,26，得出了一些对工程有指导意义的结论。但采用数值计算确定保温设防长度需要建立三维计算模型，计算模型复杂，计算量巨大，且面临如何准确给定计算所需的各种参数条件的难题，该方法的准确性有待进一步实例验证。（6）现场测试方法高海拔寒区隧道贯通后，洞内温度场会发生显著变化。由于洞内温度场影响因素较多，利用贯通后的洞内实测数据进行长度修正，在一定程度上可142高海拔寒区隧道防寒抗冻技术进展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版避免前述方法的不足，但这就要求提前做好规划，比如公路隧道，若采用外贴式保温，就要预留一定空间；对于铁路隧道，由于采用抗冻为主，需提前做好结构安全储备。现场测试方法存在滞后性，但可以验证设计的合理性，有利于冻害预防。2.2防寒保温技术2.2.1保温形式目前，寒区隧道的保温形式主要有3种：表面铺设法、夹层铺设法和离壁式保温法。（1）表面铺设法表面铺设是指直接在二次衬砌表面设置保温层，如图2所示。该方法优点是施工相对简单，维修相对方便，但易遭受外部环境的影响，且对保温材料的阻燃性要求较高，衬砌结构发生劣化时无法及时观察发现，不利于病害及时处理；特别是对于铁路隧道，要经受列车风、气动荷载的频繁作用，易脱落，危及行车安全。因此，该措施常在寒区公路隧道采用，铁路隧道很少使用，除个别冻害整治的特殊隧道，如扎尔斯台隧道40。图2 表面式保温层Fig.2 Surface insulation layer（2）夹层铺设法夹层铺设法指在隧道初期支护与二次衬砌之间设置保温层，如图3所示。该方法的优点是可以克服表面铺设法的诸多缺点，但缺点是需要承担一定的围岩压力，不可维修和更换。当地下水突破防水层接触到保温材料时，保温性能将受到显著影响，进而诱发冻害。目前我国采用夹层铺设的隧道有青藏铁路风火山隧道、昆仑山隧道和香德公路白茫雪山1号隧道等，使用案例不如表面铺设法的多。（3）离壁式保温法离壁式保温法指在衬砌和保温衬套之间设置空气层，增强隔热保温效果。离壁式衬砌采用锚喷支护结构（单层衬砌）作永久支护，该结构承担全部围图3 夹层式保温Fig.3 Sandwich insulation岩荷载。为达到保温、防火及平整隧道表面的目的，通常在距锚喷支护层一定距离外施作保温衬套。离壁式衬砌在国外应用较多，如挪威；国内目前处于研究和探索阶段，尚无实际应用案例。离壁式保温衬套具有容易撤换和维修等特点，但会增大隧道断面，且空气保温层必须密封处理，才能保证保温效果。2.2.2保温形式的适应性上述3种保温形式，除了要求保温材料满足隔热性能要求外，对保温材料其他性能指标要求各有不同。表面贴壁式保温材料的热阻性、耐火性等要求较高，以达到材料的保温防火性能要求；夹心式保温材料的抗压强度、耐久性要求较高，以确保材料的长期保温性能以及将围岩荷载部分传递至二次衬砌；离壁式保温材料要求与贴壁式基本一致。但事实上，保温材料的性能指标，如抗压强度、密度、导热系数等之间是相关联和互相矛盾的。已建的高海拔寒区隧道防冻保温所使用隔热材料主要是硬质聚氨酯和聚酚醛保温材料，表面铺设和夹层铺设均需在干燥状态下发挥保温材料的保温性能，若保温材料长期接触到地下水和受洞外潮湿空气等因素影响，往往易造成保温材料发霉而脱落，如图4所示。特别是吸收水分后的保温材料对其保温性能和耐久性影响显著，性能会显著降低27，进而诱发冻害。表面铺设的保温层当其性能退化后可更换，但夹层铺设的却不行。因此，夹层铺设保温层耐久性与隧道设计使用年限的匹配性问题值得深入探讨，特别是对于季节冻土隧道，夹层式保温材料应慎用42。2.3防排水技术大量寒区隧道冻害调查表明，冻害的发生与防排水措施是否能正常工作有着密切的关系，保持防排水措施的有效性是防止寒区隧道冻害发生的关键。目前，高海拔寒区隧道防排水措施主要有保温水沟、中心深埋水沟、防寒泄水洞及保温出水口等。143高海拔寒区隧道防寒抗冻技术进展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024图4 保温板劣化Fig.4 Deterioration of insulation board2.3.1保温水沟保温水沟主要有侧沟式或中心埋置式两种，其结构形式结合隧道断面设计，如图5所示。保温水沟通常设置双层盖板，盖板中间填充保温材料，以达到冬季水沟内水流不冻结之目的。实际工程中，由于保温水沟采用浅埋方式，即埋置深度小于隧道内最大冻结深度，当洞内渗水量较小、流速较慢时，保温水沟内积水泛出盖板现象频繁出现，使得保温水沟失去排水功能，进而引发冻害，该方式排水的有效性存在疑问。图5 保温中心水沟Fig.5 Insulated center ditch现有技术条件下保温侧沟的防寒能力有限，边墙至侧沟间泄水孔是导致侧沟溢冰的主要原因，高海拔寒区隧道宜构建体外排水体系，即围岩排水不进侧沟。2.3.2中心深埋水沟相比于保温水沟，中心深埋水沟通常设置于围岩冻结线以下（通常位于仰拱之下），利用地温确保水沟内水不冻结，如图6所示。可根据实测隧道内气温和冻结深度按式（8）确定中心深埋水沟沿隧道轴向的最小埋深28：hx=kh0TxT（8）式中：hx为距离洞口x处水沟最小埋深（m）；h0为隧址区最大冻结深度（m）；Tx为距离洞口x处的最冷月平均气温（）；T为隧址区最冷平均气温（）；k是与隧道围岩岩性有关的冻结深度系数，黏性土取1.0，砂性土取1.11.3，岩石取 1.32.0。图6 中心深埋水沟Fig.6 Central deep buried ditch目前，深埋中心水沟常采用600 mm的钢筋混凝土预制管，周围管壁上预留泄水孔，采用级配碎石回填。结合实际经验，为了方便检修，水沟直径宜适当加大，宜在800 mm及以上，该方式由于水不进入隧道内，在寒区隧道排水应用中效果良好，值得进一步推广。2.3.3防寒泄水洞若前述两种排水措施不能满足时，可采用防寒泄水洞排水，如图7所示。该方法适用于水量较大的长隧道，直接将地下水以及裂隙水引入泄水洞中，而不通过其他排水系统，排水与保温效果良好，但存在耗资大、工序复杂、工程量大等缺点，在设计前期需对隧址区地质条件、气候条件等进行充分论证分析，是否只有防寒泄水洞才能解决问题。图7 防寒泄水洞Fig.7 Cold-proof drainage channel144高海拔寒区隧道防寒抗冻技术进展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版2.3.4保温出水口上述保温水沟、中心深埋水沟、防寒泄水洞等均应设保温出水口。目前，常用保温出水口型式有圆包式、端墙式、三排管式及阳光房式保温出水口。圆包式保温出水口适用于地形较平缓、洞外排水条件较好的环境；端墙式及阳光房式保温出水口适用于地形较陡峭、洞外排水条件较好，且隧道内水经保温出水口能迅速排泄的环境；三排管式保温出水口适用于地形平缓、洞外排水条件较困难，容易出现积水的环境。此外，洞内配套排水设施主要有：保温检查井、泄水孔、盲管及横向导水管等。其中，检查井是中心水沟、中心深埋水沟及防寒泄水洞等主要排水设施与隧道内的连接通道，冬季易对隧道的排水系统造成影响，是寒区隧道保温的薄弱环节。3抗冻技术现状3.1冻胀力计算3.1.1含水风化层冻胀20世界80年代，日本学者对隧道围岩冻胀性进行了研究29。经对大量隧道冻害调查发现，凡是有冻害的隧道，衬砌周边围岩均存在1020 cm厚的风化层，存在含水风化层才会发生冻胀。张祉道等30肯定了上述假设，基于弹性抗力系数提出了侧向冻胀力计算公式，如式（9）所示：Pb=k1k2k1+k2（9）式中：Pb为衬砌所受冻胀力；为冻胀风化层厚度；为含水冻胀风化层体积冻胀率；k1为衬砌弹性抗力系数；k2为冻结层外岩层弹性抗力系数。该式反映了利用侧压力代替冻胀力的思路，可将冻胀力转化为普通隧道设计时侧压力的一部分，便于工程设计应用，且纳入了 公路隧道设计细则（JTG/T D702010）。该公式推导时假定冻胀风化层外的未冻结围岩为刚性约束，冻胀变形只向衬砌发展，且含水风化层厚度仅1020 cm，与实际情况相矛盾，仍存在商榷之处。3.1.2存水空间积水冻胀中铁西南院根据青藏铁路隧道研究成果，认为岩石隧道冻胀力主要由衬砌背后空洞积水结冰膨胀引起。基于此，王建宇等31根据水结成冰膨胀后体积与冻胀力作用下存水空间变形后体积相等，提出了存水空间积水冻胀计算模型，并假设衬砌背后积水空间为三角形，冻胀压力计算公式为：f=t2(m+lm)（10）式中：为水冻结成为冰的体积冻胀率；t为冻融圈的厚度；m、lm分别为单位冻胀力作用下衬砌、围岩各点位移的平均值。范 磊等32在衬砌背后存水空间积水冻胀计算模型基础上，考虑了冰体的弹性变形性质，引入弹性抗力系数，推导了隧道冻胀力解析解，通过计算得出冻胀力通常为0.91.43 MPa，地下水丰富地区，其冻胀力则可达0.922.31 MPa。邓 刚等33则将存水空间冻胀计算模型扩展为三维冻胀计算模型，引入了约束壁面抗压刚度的概念，提出了约束冻胀模型，给出了衬砌背后存水空间为正四面体时衬砌承受冻胀力计算公式：f=69a()3kr+1kl-1（11）式中：为水冻结成为冰时的体积冻胀率；a为衬砌背后存水空间正四面体的边长；kl为衬砌结构的刚度；kr为围岩抗压刚度。上述存水空间冻胀模型，主要适合岩石隧道，较好地解释了寒区隧道施工缺陷导致衬砌背后空洞存水后冻胀对衬砌结构的影响。但事实上，单向冻结条件下，存水空间内水体充填状态是随冻结过程缓慢发展的，假设条件与实际仍存在差距。3.1.3冻融圈整体冻胀中科院寒旱所根据大坂山公路隧道实际情况，提出了冻融圈整体冻胀模型。该模型主要适用于松散软弱围岩隧道，认为在低温条件下，隧道周边一定深度范围内围岩会发生整体冻结膨胀，由于围岩和衬砌约束的存在，进而对隧道衬砌产生冻胀力。赖远明等34基于弹性力学，采用数值逆变换方法，推导得到了寒区隧道衬砌冻胀力理论公式。该模型认为冻结圈围岩冻胀均匀发生，而围岩冻胀具有单向冻结特征，会导致围岩冻结时产生不均匀冻胀现象。基于此，黄继辉等35考虑围岩不均匀冻胀，推导了隧道冻胀力解析解，并以大坂山公路隧道为工程依托，计算得到冻胀力在0.001.72 MPa和0.003.13 MPa范围内。与现有冻胀力计算理论进行对比，发现考虑围岩不均匀冻胀性得出的计算结果要合理一些。综合来看，基于上述三类冻胀理论计算得出的冻胀力大小不一，且量值差异较大。由于缺乏现场冻胀力实测数据以及相关围岩物理力学参数，对各自的准确性无法进行有效验证。因此，对于隧道冻胀力计算至今未形成统一定论，现有隧道规范中，仍145高海拔寒区隧道防寒抗冻技术进展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024无明确冻胀力推荐计算方法。从实用化角度说，冻胀力定量化计算有待进一步深入研究。3.2结构抗冻技术3.2.1考虑冻胀力条件日本学者北川修三等29对寒区隧道围岩发生冻胀的条件进行了总结，具体归纳为5个条件，即：冻结指数大于400 d；岩石单轴抗压强度小于5 MPa；围岩（土层）干容重不大于15 kN/m3，饱和容重不大于 20 kN/m3；围岩（土层）含水率大于25%；围岩（土层）中含粉砂以下颗粒含量大于20%。上述条件对考虑寒区隧道围岩冻胀力有很好的指导作用。我国现行 公路隧道设计规范第一册土建工程（JTG 3370.12018）36和 铁路隧道设计规范（TB100032005）37规定：最冷月平均气温低于-15地区的隧道应考虑冻胀力，冻胀力可根据隧址区当地的自然条件、围岩含水量及排水条件等综合确定。现行 铁路隧道设计规范（TB 100032016）38则规定：严寒（最冷月平均气温-8）及寒冷地区（最冷月平均气温处于-8-3）受冻害影响的隧道段应考虑冻胀力，相比2005版规范，考虑冻胀力的温度条件有一个明显的改变；至于冻胀力计算，仍指出应根据隧址区当地的气象条件、围岩条件、地下水条件、埋置深度以及衬砌结构形式和排水条件等综合确定。综合来看，规范中主要给出了考虑冻胀力的定性条件，比较笼统。实际寒区隧道设计中，如何确定冻胀力量值，缺少具体可操作的计算方法。郑 波等39,40以准朔铁路数座隧道为工程依托研究发现，在最冷月平均温度为-10.8、围岩含水量为12.3%、衬砌未配筋情况下，衬砌结构均出现了因围岩冻胀而开裂现象。在此基础上，四川省地方标准 川西高原公路隧道设计与施工技术规程（DB51/T 2791 2021）14则规定：冻胀力计算应视隧址区当地的自然条件、围岩冬季含冰量、衬砌防冻构造及排水条件等确定。当隧道所在区域的最冷月平均气温低于-10 时（GII-3和GIII型衬砌），隧道结构设计应计入冻胀力，将最冷月平均温度由-15 修改为了-10。显然，寒区隧道衬砌结构可能遭遇的冻胀力大小，直接决定着衬砌抗冻措施是否可行。而高海拔寒区隧道是否考虑冻胀力和如何考虑冻胀力，现行规范限定的温度条件不统一，确定方法也不明确，很难满足寒区隧道的设计需要，冻胀力量值确定的实用化方法方面有待进一步深入研究。3.2.2结构抗冻结构抗冻主要包括两方面，一是隧道结构自身的抗冻融性能，从衬砌混凝土角度改善抗冻性，可重点考虑优化混凝土水灰比、外加剂等；二是隧道结构抵抗围岩冻胀的能力，具体措施有41,42：（1）围岩注浆对渗透性较强的破碎围岩，采用注浆加固改良地层，可有效降低围岩含水量，减少地下水入渗，缓解冻结作用下冻胀力产生。但对渗透系数小的地层，如粉砂、粉质黏土地层，水泥浆液很难注入，因此，需进一步加强围岩注浆材料的研发，以达到注浆调控围岩冻胀的目的。（2）结构加强对冻胀敏感的特殊地层隧道，如粉土、粉砂、粉质黏土等含水率较高、渗透系数小但冻胀变形明显的地层，不仅需要采取注浆缓解冻胀的措施，还需采取加大断面曲率、曲墙带仰拱复合式衬砌、衬砌结构配筋等措施，提高隧道结构抗冻能力。（3）优化结构设计冻胀敏感浅埋洞口段，优选明挖法施工，采用非冻胀性材料回填；设置温度伸缩缝，消减负温差引起温度应力作用，降低衬砌开裂风险；尽量采用格栅钢架，提高初期支护喷射混凝土与钢筋的完整性，避免因采用工字钢、H型钢等形成渗水通道；隧道拱墙、仰拱、仰拱填充及两侧侧沟的施工缝、温度伸缩缝、沉降缝上下贯通对齐，避免因隧道上、下结构变形不协调而出现开裂现象。（4）完善施工管理加强施工过程管理，保证围岩、初期支护、防水层、衬砌均形成密贴，杜绝衬砌背后的空洞积水现象。拱墙二次衬砌应连续浇筑，避免形成不必要的“冷缝”，防止结构产生贯通性裂缝损伤，减少或杜绝地下水进入结构内部的可能性。4运维技术4.1 常规运维技术隧道冻害发生的影响因素包括温度、水和围岩条件，三者缺一不可。设计和施工阶段要充分考虑冻害的影响要素，采用合理的防抗冻措施，在源头上预防冻害。运营阶段，发生冻害时，应采取必要的技术措施，保障隧道安全运营。目前，常规运维技术主要有：人工凿冰、综合治水、加热保温和结构补强等。4.1.1 人工凿冰人工凿冰是一种最常见的运维方式，冰溜常常侵限，威胁行车安全。当洞内出现挂冰、道床结冰等146高海拔寒区隧道防寒抗冻技术进展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版现象后，采用人工方式进行除冰，但费时费力，如图8所示。图8 人工凿冰Fig.8 Manual ice chipping4.1.2综合治水（1）围岩注浆围岩注浆目的在于堵水、止水、增强围岩稳定性以及改善围岩冻胀属性等，达到减小甚至防止围岩产生冻胀力的作用，围岩注浆可用于施工期，也可以用于运营期。（2）恢复防排水恢复防排水目的在于：减轻含水围岩冻结产生的冻胀力；畅通排水系统，防止地下水渗入洞中导致洞内挂冰、路面结冰等。需要指出的是，防排水系统不能被冻结而失效，必要时可采用加热方式确保冬季排水通畅。4.1.3保温加热（1）增设保温层对未采用保温措施而出现冻害地段，可在隧道表面增设保温层，防止冻害发生。保温层厚度根据环境温度确定，但需做好衬砌表面的防火阻燃，达到相关规范要求，特别是对于铁路隧道，既要不易脱落又要达到规范防火要求，不能对列车运营安全造成影响。（2）防寒门帘防寒门帘主要是为了提高隧道内的气温，适用于隧道较长、交通量较小的情况，对于需要经常通风和交通流量大的隧道，则不适用。（3）通风融冰在暖季利用洞外高气温，加快人工通风，增加与洞外的热对流交换，提高洞中温度，特别是排水盲沟、泄水洞周边围岩温度，提前储存部分热量，防止在寒季冻结。目前该方式案例很少。（4）增设遮阳（保温）棚增设遮阳（保温）棚目的在于提高隧道交通安全或改善洞内温度状态。目前，国内已有工程实例采用此措施，如雀儿山隧道、巴郎山隧道、高尔寺隧道等均设置了防雪遮光棚，并取得了较好的应用效果。4.1.4结构补强结构补强主要是针对冻胀力作用下衬砌结构裂损、结构耐久性降低等情况采取的加固措施，着重在于恢复结构强度，确保结构安全，与一般加固方式类似，此处不再赘述。需要指出的是，结构补强加固往往需要与其他防排水、保温等措施组合使用，方可发挥最佳效果。4.2运维新技术4.2.1电伴热电伴热技术主要是利用电伴热带将电能转化为热能，使排水沟或排水管内温度维持一个不结冰的温度环境，确保冬季排水系统畅通，防止冻害出现。该技术具有能耗大、运营费用高、设备设施维护困难等缺点，对防止局部严重冻害可行，但通常属于被迫采用的措施。4.2.2空气幕保温在隧道洞口，利用横向强风产生空气幕，阻止寒冷气流进入隧道，防止冻害发生4345。根据相关研究44，当外界环境气温达到-20 时，需要采用热温空气幕才能满足隧道保温需要。显然，热空气幕保温效果更好，但能耗问题也值得探讨。4.2.3地源热泵张国柱等46,47针对寒区隧道洞口冻害防治问题，提出了地源热泵技术主动加热保温系统。该系统主要由取热段、加热段、热泵及分集水管路系统4部分组成。其中，取热段设置在隧道中部，加热段位于隧道洞口处，通过供热管将热能传递到隧道洞口区域，防止洞口段冻害发生，该技术在内蒙古博牙高速林场隧道进行了成功应用，但国内尚无其他案例报道。在国外，日本Nanaori Toge隧道48采用地热能的水循环管路，解决了中心排水管的冻结及衬砌表面渗漏水冻结问题。4.2.4温泉水热能利用雀儿山隧道出口位于阴坡，冬季易积雪形成路面暗冰，出口附近4 3004600 m一带有温泉群出露，浅层地热能资源丰富。郑 波等49因地制宜，开发了一种将温泉水引入管道作为直接循环流体消除路面积雪暗冰的道路防冻保温系统，如图10所示。该技术将工程建设与自然环境融为一体，减少了外部能耗，为寒区隧道洞口运营安全提供了新思路。147高海拔寒区隧道防寒抗冻技术进展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.