四川川北公路规划勘察设计有限责任公司
摘要：寒区公路隧道路基受隧道温度场影响，洞口段易出现冻害。研究了隧道通风效应对隧道温度场的影响，分析了路基冻害形成规律。建议隧道设计时综合分析当地气候水文信息，有针对性地采用路基及隧道衬砌保温措施，同时应注重隧道洞口段防排水措施设计。
关键词：寒区隧道、通风、温度场、路基
1 引言
寒区公路隧道受气候的影响，隧道内特别是洞口段会出现负温的情况，当隧道围岩含水丰富，隧道内排水不畅的时候，易出现路基冻害。学者在对冻土段路基的研究中发现，路基的稳定性，并非线性地随路基高度的增加而加强[1]，融化的范围和方向对路基稳定性有较大影响。水-热-力耦合作用，是寒区隧道路基冻害的基本研究思路。隧道在通风条件下，在寒冷季节有隧道外冷空气向隧道内进行导热的过程，洞内气流和隧道衬砌结构及洞内路基路面间进行对流换热，工程中常采用敷设保温隔热层的方法进行保温[2][3]。
衬砌敷设了保温隔热层的隧道，一定程度上隔绝了冷空气和衬砌结构间的对流换热作用，但是由于路基路面和空气直接接触，故衬砌敷设的保温隔热层不能隔绝路面与空气间的对流换热作用。对路基直接的保温措施才能阻隔冷空气对路基的降温作用[4]。另外，水条件是冻害发生的必备条件。本文分析了通风作用下隧道路基的冻害机理，分析了保温措施和防排水措施的重要性。
2 隧道路基冻害
2.1 冻害诱因
国内以青海、西藏等地公路工程为例，多年冻土上限深度主要受年平均气温、年平均地表温度以及地表水、土质类型、土体含水量、含冰量、植被等诸多因素的影响和控制。前者属于纬度与海拔的地域性因素，后者属于地质因素。通常来讲，天然状态下青藏高原的细粒土，最大融化深度为0.8m～2.5m；基岩裸露的山顶、山坡，河谷及河漫滩地带，一般为3m～5m；
植被、地表水较发育的沼泽化湿地下为0.5m～0.8m。另外，随着阴阳坡向不同，接受太阳辐射热量不同，阳坡的季节冻结深度小而融化深度大，阴坡则反之。
寒区隧道内的路基段与露天路基有很大不同，主要区别在于：隧道内路基没有直接受太阳的辐射，只存在隧道内空气和路基间的换热作用；隧道内路基所处水环境为洞内水环境，不像露天路基一样，受当地河系、降水的直接影响；隧道内路基排水需配合隧道结构进行设置。
公路隧道路基发生冻害的必备条件包括：①足够低的温度环境；②足够长的负温时间；③路基介质中存在水；④水流速较小。
当隧道围岩水不发育时，冻害没有发生的介质。当水量较大，需要同时满足水流速度小于冻结速度且负温持续时间够长[6-8]。
2.2 隧道通风
寒区隧道温度场分布规律，通常温度沿洞身进深变化大致呈抛物线型分布，暖季为中间段低、进出口段高[9]；寒季相反，中间高、进出口段低。根据多条寒区隧道的温度测试结果，同一断面的隧道初始温度场，都是隧道拱顶的围岩温度最高，沿边墙逐渐减小，到仰拱底增至最小，所以隧道边墙的围岩温度分布介于拱顶围岩和仰拱底围岩的温度之间。也就是说，隧道围岩的最大最小冻融范围应该在拱顶和仰拱底处，边墙其他位置的围岩冻融范围介于拱顶围岩和仰拱底围岩之间。
公路隧道通风主要包括自然通风、机械通风和汽车活塞风。其中，对于单洞双向行车隧道，汽车活塞风效应为进和出双向，其带动冷热空气热交换的综合效应可认为相互抵消；对于单向行车隧道，在进口端，汽车活塞风将加强冷空气的吹入，而出口段则带出洞内热空气，此时，入口段的温度较出口段略低。
隧道自然通风指的是由于隧道两端洞门所处海拔、温度、风向等因素导致了大气自然风由一端洞门吹响另一端洞门。在寒冷季节，自然风带动外界冷空气进入隧道内，与隧道内热空气进行热交换，同时发生路面的对流换热过程，在这个过程中将降低路基的温度。
隧道内机械通风是当公路隧道长度L（m）和交通量N（veh/h）达到限值时，需要增设风机进行辅助通风，以使隧道满足污染物浓度、消防等满足正常运营的要求。隧道通风分为纵向通风、半横向通风、全横向通风及组合通风等形式。其中，全纵向通风易产生持续地向隧道某一方向吸入或排出空气，直接影响隧道内外空气的热交换，进而影响路基温度场。
2.3 路基的传热机理
热量传递有三种基本方式：传导、对流、热辐射。物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为导热。对流是指由于流体的宏观运动，从而流体各部分之间发生相对位移、冷热流体相互渗混所引起的热量传递运动。对于隧道路基工程而言，更显著的是流体流过物体表面时热量传递，即对流换热。物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射，其中因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射，在此忽略不计。
隧道开挖前，在地形、地表温度、地热流、构造/片理、热传导率、浸蚀率、深度水循环等因素的长期影响下，隧道围岩温度场已稳定。隧道开挖后，隧道内活动的冷空气（相对围岩而言）与围岩间形成温度差，使隧道洞周径向一定范围内的围岩形成近似漏斗形的温度场，从而围岩的温度场得到重新调整。隧道内路基自然也受到洞内空气温度场的直接影响。
导热规律可以用傅里叶定律来描述。即
（1）
式中，λ为导热系数（ 
）；A为热传导面积（ 
）；Φ为单位时间内某面积热传递量（w）；负号表示热量传递的方向同温度升高的方向相反。
对流换热热量用牛顿冷却公式表达如下：
Q=h （ Tw- Tf） F （2）
式中：Q为对流换热热量（W）；h 为对流换热系数（W/ （ m2·K））；F为与空气相接触的壁面换热面积（m2）；Tw、Tf 分别为壁面温度和空气平均温度（K）。
工程领域的对流换热效应近年来得到了广泛关注，节能、保温、环保等主题研究都需要对对流换热效率的精确描述和计算。张建荣等[11]对混凝土表面对流换热系数进行了实验室测试，由实验结果回归分析得到混凝土表面受迫对流换热系数、混凝土表面热辐射系数、混凝土表面总热交换系数的计算公式。该实验方法和实验结论可以为隧道内路基温度计算提供理论支撑。
隧道内路基的热传导形式如图1所示。包括隧道内空气与路面间的对流换热及路基内填充介质之间的导热。另外，在路基层内的不同材料之间的热传导，可以根据能量守恒规律进行计算。
图1 隧道内路基热传导示意图
3 防冻害措施
以前苏联为例介绍其关于寒区隧道冻害的研究成果，前苏联在二十世纪八十年代，修建贝阿干线铁路隧道时，对寒冷地区隧道的冻害问题进行了深入研究和总结，苏联专家认为：对修建在围岩温度为+5～+10℃或者永冻层中长度小于3～4km的隧道，应辅以采暖措施最为合理。此时，通风将靠自然因素和列车运行中的活塞风作用来实现。为达到一定温度时必需的空气交换量，应将喷嘴通风装置安装在两端洞口。采用结构措施（防水层、衬砌内的排水管、排水沟）来疏干衬砌，预防结冰。排水措施应设在岩层季节性冻结范围之外。如果冻结深度相当大，在衬砌与岩石接触面上要合理地采用保温材料或对排水设施加做保暖层。对排水沟必要时进行人工加热。采取这些措施后仍不能有效排水时，水就会渗透到隧道内，冻结成冰，为此，应当对衬砌漏水表面进行局部加热，如采用空气隔热板或红外线幅射等方法。
前苏联铁路隧道的防冻经验值得我们借鉴，对于公路隧道而言，有与铁路隧道不同的特点。首先是行车不一样，汽车和火车的活塞风效应不同；另外，其通风要求不同，公路隧道为了保证汽车内人员的安全，其机械通风设置的隧道长度要求短于铁路隧道。
3.1 路基的防冻措施
通常路基的传统防冻措施包括主动防冻和被冻防冻措施[4]，如表1所示。
表1 路基的传统防冻措施
寒区隧道路基，其设置于隧道结构内部，温度分布主要受隧道内空气对流换热的影响。在洞口段，可以通过加设路基保温隔热层来实现被冻防冻，同时在高寒、高水量的地区隧道，亦建议在经济型和可行性的充分比选基础上选用主动防冻措施如热棒装置来防冻。
内蒙古博牙高速公路林场隧道对隧道洞口段衬砌和排水系统加热[11]，应用了地源热泵型供热系统应用于，用于预防隧道冻害。该系统的工作原理如下：热交换管由分、集水管与地源热泵前端相连，形成封闭系统，系统内注满循环介质（含防冻液），在水泵的驱动下，热交换管内的循环介质在管内循环流动，吸收围岩中的地温能，经地源热泵对其温度进行提升后用于对隧道洞口段的衬砌及保温水沟进行加热。为了进行优化，工程对比分析了不同埋管间距条件下的加热效果，计算了造价，进行对比，得出最佳埋设方式和数量。
当使用保温隔热层时，保温隔热层的长度和厚度的设置，可以通过隧道温度场的预测计算结果进行选取。建议设置原则是：隧道内温度场按照隧道整体计算模型进行计算，计算可以使用类似FLUENT有限元计算软件或者对流-导热耦合的有限差分计算程序进行计算；路基保温隔热层设置长度为洞口段长期计算（至少计算20年）负温段长度再加上一个富余值（至少50m）；路基保温隔热层设置厚度宜应用计算软件进行试算，并进行经济型比选。
3.2 防排水措施
当防排水措施得当时，隧道路基冻害的源头就被切断了，冻害也就无从说起。防水系统有盲沟系统、侧向排水沟及中心深埋水沟、路基排水等。
设置衬砌背后环向盲沟：横断面内采用外包土工布打孔波纹盲管，开槽设置于冻结线以外；纵向盲管设于初期支护与二次衬砌之间，采用外包土工布打孔波纹盲管，环纵向盲管通过排水横沟与纵向排水沟连接。环向盲沟在富水地段适当加密。
侧排水沟在隧道洞口低温段应加大坡度，并设置保温盖板。中心深埋水沟也应具备防冻能力，在隧道洞口低温段应加大坡度并设置在冻结深度以下。
另外，衬砌结构的保温，有利于周边围岩内水的顺利流动，配合合理的防排水措施和路基段的保温措施，形成一个保温防冻系统，发挥最佳防冻功效。
3.3 防冻设计
以设置保温隔热层为例，隧道内路基的防冻设计过程主要包含温度场的预测和防排水设计：
（1） 搜集当地气候、水文资料，根据20年平均气温资料，进行数据处理，得出全年平均气温值，同时得到最高和最低温值，根据时间拟合得到气温随时间的变化函数，该函数通常为正弦型函数，作为进口段气温边界条件。
（2） 根据地勘报告中关于土壤冻结深度的描述，确定洞门段岩土冻结深度，作为排水洞结构的最小埋深。
（3） 根据当地地面平均地温，山体围岩的温度梯度值，计算隧道原始岩温。原始岩温作为隧道贯通时的初始计算条件。通常，垂直地面向下的温度梯度为3～5℃/100m。
（4） 调研隧道内气流速度，根据隧道机械通风设置方案和隧道自然风风速风向，取平均风速作为计算参数。
（5） 根据（1）～（4）所述计算边界条件和计算参数，应用有限差分或者有限元计算软件建模计算[10]。得到隧道内温度场随时间的变化规律。总结温度场，得到隧道两端负温长度，得到隧道衬砌和路基保温隔热设防初始长度。
（6） 当隧道需设防长度太大（超过1000m），造价较高时，宜进行经济技术比选。在计算模型中设置保温隔热层，分别计算不同保温隔热层材料和保温隔热层厚度情况下隧道温度场的分布，在安全的前期下选择最佳保温隔热厚度和长度。
（7） 隧道保温段，根据地勘报告中冻结深度和计算温度场负温深度，设置排水沟深度。在设防段加密排水盲沟，排水侧沟加盖保温板。
4 结论
论文研究了隧道通风效应对隧道温度场的影响，分析了路基冻害形成规律，讨论了防冻设计原理。得出如下结论：
（1） 寒区公路隧道路基受隧道内温度场影响，洞口段易出现冻害。路基冻害主要来源于隧道内外通风效应，空气与路基的对流换热等是冻害主要诱因，水环境是冻害前提。
（2） 建议隧道设计时综合分析当地气候水文信息，尽量减小通风效应对温度场的降温作用，有针对性地采用路基保温及隧道衬砌保温措施，加强隧道洞口段防排水措施设计，有效防止路基冻害。
参考文献：
[1]何彬彬. 基于强度折减法的多年冻土路基稳定性分析[D].兰州理工大学，2016.
[2]霍润科，汤寅净，宁翠萍，许健.寒区公路隧道保温层设置的数值分析[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版），2013，45（02）：158-163.
[3]高焱，王敏，陈辉，刘杨.祁连山隧道洞内空气及围岩温度场分析[J].科学技术与工程，2018，18（19）：120-126.
[4]汪双杰. 高原多年冻土区公路路基稳定及预测技术研究[D].东南大学，2005.
[5]赵玉报. 高原高寒隧道围岩冻胀行为及施工对策研究[D].西南交通大学，2015.
[6]何海仁，杨连裕. 寒区隧道内气温和冻深问题[J]. 铁道标准设计，1983（1）：20-23.
[7]赖远明，吴紫汪，张淑娟，等. 寒区隧道保温效果的现场观察研究[J]. 铁道学报，2003，25（1）：81-86.
[8]裴捷，水伟厚，韩晓雷. 寒区隧道围岩温度场与防水层影响分析[J]. 低温建筑技术，2004（4）：4-6.
[9]乜风鸣. 寒冻地区铁路隧道气温状态[J]. 冰川冻土，1988，10（4）：450-453.
[10]孙文昊. 寒区特长公路隧道抗防冻对策研究[D]. 西南交通大学，2005.
[11]夏才初，邹一川，张国柱. 寒区隧道地源热泵加热系统埋管间距优化分析[J]. 同济大学学报（自然科学版），2012，40（12）：1802-1807.
[12]张建荣，刘照球. 混凝土对流换热系数的风洞实验研究[J]. 土木工程学报，2006，39（9）：39-42.
论文作者:罗通钊
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第14期
论文发表时间:2018/8/29
标签：隧道论文; 路基论文; 围岩论文; 冻害论文; 温度论文; 措施论文; 换热论文; 《建筑模拟》2018年第14期论文;