寒区隧道抗防冻设计标准研究

　　摘要：隧道地下水防冻(融)和结构抗冻是寒区隧道技术的关键，其中地下水防冻(融)是核心，结构抗冻是重点。通过结合地理位置以及寒区既有交通隧道的抗防冻技术和出现的冻害情况，提出高纬度寒区和高海拔寒区的设计分区方法;对比分析寒区公路和铁路等隧道相关技术标准的现状及存在的问题，提出寒区隧道抗防冻措施的优化方向;并结合实测运营铁路隧道洞内纵向温度场，分析寒区隧道抗防冻设计的主导因素。结果表明：1)高纬度寒区和高海拔寒区，可按最冷月平均气温和年平均气温，分别划分为5个设计分区;2)寒区隧道抗防冻关键是围绕隧道构建保温排水系统，结构抗冻可采取提高结构抗冻性能和设置保温层防冻等措施;3)隧道洞口高差形成的自然气压差，是影响寒区长大隧道洞内温度场沿纵向分布和抗防冻设计的主导因素。

　　关键词：寒区隧道;抗防冻设计;设计分区;主导因素

　　0引言

　　工程实践表明，由于环境气温出现周期性剧烈的正负温变化，大量寒区交通隧道运营后易出现冻害问题，一般表现为衬砌结构和附属设施挂冰、排水沟冰塞、路面(道床)积冰、结构开裂等，严重时甚至会出现剥落、掉块，既危及行车安全，又影响隧道的使用功能和耐久性。因此，针对寒区隧道，开展抗防冻专项设计意义重大。

　　近年来，针对寒区隧道的冻害问题，我国工程技术人员开展了隧道抗防冻相关技术攻关，取得了系列技术的进步，大大降低了寒区隧道的冻害风险。例如：高焱等[1]通过调研分析156座寒区隧道的冻害资料，提出按地理位置将隧道寒区划分为高纬度地区和高海拔地区，以最冷月平均气温和冻结深度为分区指标，将寒区细分为5个亚区，并探讨了不同亚区的隧道保温排水技术;马志富等[2-4]基于最冷月平均气温和年平均气温的高纬度和高海拔寒区铁路隧道设计分区，并结合分区提出相关的抗防冻技术要求。

　　贾辉[5]根据隧道内自然风流成因的不同，提出将不同寒区隧道划分为自然风主导型、热位差主导型、自然风与热位差共同主导型、大气气压梯度影响型4类，并提出按隧道洞内最冷月平均气温为-3℃、最冷日平均气温为0℃作为洞内分区阈值，将1条长大隧道沿纵向划分为防寒强影响区、弱影响区和无影响区;秦小军[6]提出按最冷负温值和冻结时间将单座隧道沿纵向按温度梯度划分为强影响区、中影响区、弱影响区和无影响区;谭贤君等[7]、夏才初等[8-9]、叶朝良等[10]、王志杰等[11]分别依托不同的隧道工程或基于不同的边界条件，开展了寒区隧道保温层设防长度的研究;郑波等[12]通过多高海拔雀儿山运营公路隧道洞口段开展温度实测，提出隧道洞口保温层铺设长度取900m。

　　罗彦斌[13]采用综合评判的方法，以最冷月平均气温、冻结深度、地下水的赋存与补给、地下水渗入隧道情况作为评价指标，将新建隧道的抗冻设防等级划分为5级;孙兵[14]根据隧道穿越冻土的不同位置，提出将寒区隧道分为5类，分别从衬砌冻胀力作用等级、洞内结冰影响正常使用等级、混凝土结构冻融环境下的结构耐久性和混凝土冻害疲劳强度4个方面。

　　对寒区隧道冻害等级进行划分，并据此提出了寒区隧道冻害设防等级划分标准;苑郁林等[15]提出将寒区隧道的围岩划分为冻融围岩和永冻围岩，并考虑围岩冻融敏感度将隧道围岩划分为敏感型冻融围岩、非敏感型冻融围岩、敏感型永冻围岩和非敏感型永冻围岩4个子类;周小涵[16]通过数值模拟方法比较分析不同自然风和活塞风情况、不同运营年份隧道围岩温度的纵向分布情况后，提出寒区隧道抗冻设防的合理范围;李磊[17]采用文献分析调研了冻土隧道冻害的特征、原因以及发生的位置，分析推导了多年冻土隧道洞口段的抗冻设防长度计算公式。

　　总结上述针对寒区隧道开展的技术研究，一类主要考虑不同地理位置或因长大隧道沿纵向回温明显的分布规律而开展相应的寒区隧道设计分区研究，而另一类则主要针对寒区隧道抗防冻设防长度标准开展研究。因此，基于寒区隧道设计分区的抗防冻设计标准是进一步提高寒区隧道技术的方向。本文通过调研、分析及测试等方法，拟结合地理位置提出寒区隧道设计分区，总结目前我国寒区交通隧道的抗防冻技术现状，通过结合现场实测运营铁路隧道洞内温度沿纵向的分布规律，分析寒区隧道抗防冻设计的主导因素。

　　1寒区概述

　　1.1寒区地理分布概况

　　考虑寒区的环境气温长时间处于0℃以下，位于寒区的隧道可能处于多年冻土、季节性冻土或非冻土地层。而相关研究表明，全球冻土的分布具有明显的纬度和垂直地带性规律，主要分布于南北半球的中、高纬度地区，以及部分低纬度高海拔地区，如地处高纬度的俄罗斯和加拿大等国家和地区，大部分区域分布多年冻土，而地处中低纬度的青藏高原，是我国多年冻土分布的主要区域。

　　1.2我国寒区的地理分布情况

　　相关研究[18]表明，我国的寒区分布十分广泛。其中，多年冻土面积约为215.0×104km2，季节性冻土面积约为514.0×104km2。具体从地理位置分析，我国寒区主要位于东北三省和内蒙古东北部及华北北部，西北的甘肃、青海、新疆(其中准噶尔盆地、塔里木盆地和河西北部的沙漠地区除外)，西南的西藏、川西的阿坝、甘孜、云南的滇北、玉龙山和高黎贡山的北部等地区[19]。

　　东北寒区属于低山高纬度寒区，虽然海拔不高，但由于纬度高，受北冰洋寒潮及蒙古高压的影响，寒季盛行西北风，形成半年持续低温、干冷多雪的特征，气温变化剧烈，是我国最寒冷的自然区域;而以青藏高原为主的西部寒区属低纬度高海拔寒区，虽然纬度低，深居内陆，但地势高亢，受高空西风环流控制，在对流层地层并受高原季风影响，冬季高原面上的大气层相对同高度的自由大气是个冷源，形成青藏冷高压，盛行反气旋环流。

　　2寒区隧道的设计分区

　　随着我国社会经济的快速发展，隧道节能环保的理念日益凸显。为适应隧道设计时因地制宜的要求，达到节能环保的目的，寒区隧道应考虑由于不同地区的气候差异产生的不利影响。以铁路隧道为例，寒区分为微冻地区(最冷月平均气温为-3～2.5℃)、寒冷地区(-8～-3℃)和严寒地区(≤-8℃)。

　　在华北、东北高纬度寒区工程设计中，微冻地区一般无须采取工程措施，寒冷地区采取一般的防寒措施即可防止冻害，严寒地区是抗防冻的主战场，需要采取系统的抗防冻措施才能减轻冻害风险。但高纬度严寒地区范围很广，覆盖了内蒙古及东三省的大部分地区。随着纬度的增高，严寒程度差别很大，隧道抗防冻需根据严寒程度的不同进行差异化设计，才能体现设计的针对性，因此采取分区设计是必要的。同理，对于高海拔寒区，目前规范按照最冷月平均气温的3档划分方法，也不能充分体现设计的针对性，因此进行分区设计更为合理。

　　2.1东北高纬度寒区隧道设计分区

　　我国高纬度寒区以东北地区和华北北部为代表，纬度为北纬40°～52°，最冷月平均气温为-28～-3℃，年平均气温为-4～12℃，近地表不受环境气温影响的恒温带温度为-1～15℃，即年平均气温约低于恒温带温度3℃。东北高纬度寒区大部分处于季节性冻土范围，仅在大兴安岭及长白山山区海拔超过1200m的局部范围分布多年冻土。根据黑龙江、吉林、辽宁、内蒙中东部、山西北部及河北北部(含京津)等地区的气象要素，并结合这一区域内既有交通隧道的抗防冻技术和出现的冻害情况等[3-4]，可将高纬度寒区隧道划分为5个分区。

　　2.2高海拔寒区设计分区

　　我国的青藏高原深居内陆，地势高亢，是典型的高海拔寒区。高原东南部山体雄伟，河流深切，其西北部则地势平缓，呈现大范围的无人区，季节性冻土广泛分布，出现多年冻土的海拔基本稳定在4500～5000m以上，海拔超过5000m的地区，表层土壤虽有冻融，但变温带内的温度难以达到冰点以上。因此，高海拔寒区气候随高度垂直变化明显，季节性冻土广泛分布、多年冻土连片分布的地域特点是隧道工程抗防冻面临的重要技术难题。

　　结合海拔、气象特征参数等，类比高纬度寒区隧道设计分区，可将高海拔寒区隧道划分为5个分区。东北高纬度寒区是我国最寒冷的区域，参考建筑行业并结合相关隧道冻害情况提出了高纬度寒区隧道的设计分区;而以青藏高原为代表的高海拔寒区，具有最冷月平均气温不低、年平均气温较低的气候特点，类比高纬度寒区提出了高海拔寒区隧道设计分区。上述分区的合理性，需结合工程实践进一步验证优化。

　　3寒区隧道抗防冻设计理念与标准现状

　　3.1寒区隧道抗防冻主要设计理念

　　地下水由于持续的负温能量累积而结冰，是寒区隧道产生冻害的必要条件，因此，针对寒区隧道的冻害问题，防止隧道周围的地下水结冰是寒区隧道抗防冻技术的核心理念。为了防止隧道周围地下水结冰，以达到预防冻害的目的，一方面充分利用隧道所在地区的地温条件，通过设置保温水沟、中心深埋水沟和防寒泄水洞等防冻型排水设施，从而使隧道周边的地下水通畅排导;另一方面，通过阻断负温能量传入衬砌背后入手，采取设置保温层等措施，尽量保持隧道衬砌背后不出现负温区域。

　　寒区近年开通运营隧道的工程实践表明，由于寒区剧烈的温度变化，尤其是由较大负温差引起的温度拉应力作用，导致结构出现“锯齿形”的环向裂纹，不利于结构的耐久性。因此，防止温度应力对隧道结构产生破坏，是寒区隧道结构抗冻的主要目标。针对结构抗冻，寒区铁路隧道采用加强结构、设置温度变形缝等措施;寒区公路隧道则通过加强结构、衬砌表面外贴保温层等措施。此外，部分运营隧道产生冻害后，冬季通过对排水系统采取主动加热等方式融化结冰治理冻害，效果显著。

　　3.2寒区公路隧道相关技术标准现状

　　3.2.1技术标准概况

　　目前，国内公路行业在编制寒区隧道专项技术标准方面暂处于领先地位，发布了青海省地方标准DB63/T1674—2018《多年冻土区公路隧道技术规范》。四川省公路有关部门依托川西高原公路隧道的设计、施工，形成了《川西高原公路隧道设计与施工技术指南》[20]。

　　此外，交通运输部和工程建设标准化协会也分别形成了《寒区公路隧道技术规范》征求意见稿。在此基础上，交通部发布的JTG/TD31-06—2017《节性冻土地区公路设计与施工技术规范》[21]对季节性冻土区隧道的设计与施工提出了相关技术要求。JTG3370.1—2018《公路隧道设计规范第一册土建工程》[22]和JTG/TD70—2010《公路隧道设计细则》[23]均对多年冻土隧道设计以及寒冷和严寒地区隧道排水设计做了相关规定。

　　3.2.2《多年冻土区公路隧道技术规范》

　　3.2.2.1主要内容《多年冻土区公路隧道技术规范》从高海拔高寒地区多年冻土公路隧道的建设条件调查、隧道总体设计、建筑限界及内轮廓、支护结构设计与施工、防排水设计与施工、隧道开挖、隧道防寒保温设计与施工和隧道施工机械配套技术等方面提出了详细的技术要求。

　　该规范提出了保温水沟设防长度标准：当最冷月平均气温为-10～-15℃，且隧道长度小于1000m时，隧道通长设置保温水沟;当最冷月平均气温为-10～-12℃，且隧道长度大于1000m时，分别在低洞口端设置长200～400m和在高洞口端设置长150～300m的保温水沟;当最冷月平均气温为-12～-15℃，且隧道长度大于1000m时，分别在低洞口设置长300～500m和在高洞口设置长250～450m的保温水沟。

　　3.2.2.2需进一步完善的内容虽然该规范涵盖了多年冻土和季节性冻土，但排水系统防冻采用季节性冻土区设防思想，设防长度则需通过对隧道长度、水量大小、水温、主导风向、水沟坡度等因素综合分析确定。可以看出，该规范尚需在多年冻土和季节性冻土隧道的抗防冻措施方面进一步研究细化，对排水系统设防长度主导因素方面进一步研究深化。

　　3.2.3《川西高原公路隧道设计与施工技术指南》

　　3.2.3.1主要内容《川西高原公路隧道设计与施工技术指南》提出了川西高原公路隧道分类，隧道结构、通风及供氧计算，隧道勘察、隧道总体设计、结构设计、通风及供氧设计，隧道施工通风、制氧供氧和冬季施工，建筑材料性能要求等。

　　3.2.3.2需进一步完善的内容

　　1)提出了川西高原公路隧道海拔分级标准，但样本容量偏少，有待进一步结合工程实践深化研究。2)提出了建立新气象观测站时，观测周期不小于1个气象年，且应与本地既有气象资料进行校核，气象资料统计年限不小于10年。由于单一的气象数据具有一定的偶然性，因此，世界气象组织一般规定，气象特征资料统计的最短年限为30年。因此，气象参数的合理性有待进一步研究确定。3)在保温层设防长度计算中，推荐并引入黑川希范公式，并结合川西已运营的10余座公路隧道实测结果，提出了不同风向、风速条件下保温层设防长度的建议值。考虑提出该建议值的样本容量相对较少，该设防长度仍需结合海拔、隧道长度、坡度、风向等进一步验证。

　　3.2.4《季节性冻土地区公路设计与施工技术规范》

　　3.2.4.1主要内容《季节性冻土地区公路设计与施工技术规范》提出了隧道抗冻设防等级、抗冻保温构造、衬砌结构抗冻设计、防水和排水设计、保温层施工等相关技术要求。

　　3.4寒区水工隧洞相关技术标准现状

　　GB/T50662—2011《水工建筑物抗冰冻设计规范》[30]、NB/T35024—2014《水工建筑物抗冰冻设计规范》[31]针对水工的渠道与渠道衬砌抗防冻设计提出了相关技术要求。

　　3.5其他与寒区相关的技术标准

　　GB/T50476—2019《混凝土结构耐久性设计标准》[32]、JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》[33]等针对冻融环境条件下的混凝土的抗渗、抗冻、掺合剂指标等提出了相关规定。综上所述，寒区隧道抗防冻设计理念及标准现状如下：

　　1)寒区隧道抗防冻设计的核心理念是围绕隧道构建保温排水系统，确保隧道周边的地下水及时、畅通地疏排。采用加强衬砌、提高结构抗冻性能、设置保温层等措施，是寒区隧道结构抗冻设计的主要原则。2)排水系统防冻方面，寒区公路及铁路隧道规范、标准均根据所在地区不同的最冷月平均温度，分别采用保温水沟、中心深埋水沟和防寒泄水洞等措施;但对于保温排水设施的设置长度方面，各类标准尚需进一步研究完善。3)衬砌结构抗冻方面，寒区铁路隧道采用加强结构、设置温度变形缝等措施;寒区公路隧道则采用加强结构、衬砌表面外贴保温层等措施。4)对寒区隧道冻胀力的认识有待进一步研究。

　　4抗防冻设计措施及研究优化方向

　　4.1设计措施

　　4.1.1主要设计原则

　　1)隧道位置宜避免洞口及洞身以浅埋方式长段落穿越大型沟谷，并宜减少穿越断层、节理密集带等富水地层，隧道宜避免穿越长段落的黏性土、泥岩等地层。

　　2)隧道洞口宜选择在背风向阳、不易积雪、便于排水的位置。3)寒区隧道内的纵坡不宜小于5‰，当纵坡小于5‰时，隧道内的排水系统除应进行正常的防寒保温系统设计外，还应采取其他加强保温排水的措施。4)有条件时，长隧道宜尽量采用人字坡。5)隧道的防排水设计除遵循“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理，保护环境”的原则外，还应结合项目所在地的气候条件、工程与水文地质、环境条件等影响因素，遵循“防寒可靠、排水通畅、施工方便、维护易行、节能环保”的原则，采取切实可靠的设计、施工措施。

　　5寒区隧道抗防冻设防长度主导因素研究

　　为实现节能环保、便于维修的目的，寒区隧道抗防冻设计的关键在于洞口保温排水系统的防冻设防和结构抗冻设防技术，而抗防冻设防长度标准的确定取决于洞内温度场的分布规律。相关研究表明，影响寒区隧道洞内温度场分布的因素可能包括隧道所在地理位置、洞口相对高差、平纵线型、主导风向与线路走向的关系、洞内风速、围岩地温场、渗流场、列车活塞风作用等，由于缺少温度场实测数据，目前对寒区隧道内温度场分布影响的主导性因素难以形成统一的认识。

　　此外，即将全面开建的川藏铁路隧道工程数量巨大，且线路大致为东西走向，坡度为由低至高。沿线出现了许多位于高海拔寒区的大坡度单坡隧道，局部洞口相对高差甚至超过几百米。为了进一步研究寒区隧道两端洞口设防长度的差异，开展寒区隧道抗冻设防长度主导因素研究，对进一步细化设计标准是必要的。本文选择的东北高纬度寒区隧道已开通运营，线路大走向均为西—东向的哈牡客专鲜丰隧道和牡绥铁路双丰隧道，分别开展持续1个冬季的洞内温度测试数据进行分析研究，以期总结影响寒区隧道抗防冻设防长度的主导因素。

　　5.1工程概况

　　5.1.1鲜丰隧道

　　哈牡客专鲜丰隧道进口位于哈尔滨市阿城区辖大岭乡鲜丰村正南方向约1km处，出口位于利民村西北方向约0.6km处。隧道起讫里程为DK62+730～DK67+075，全长4345m，洞身最大埋深约127m，是速度为250km/h的高速铁路双线隧道。隧址区最冷月平均气温为-18.4℃，隧道于2018年12月底正式开通运营。隧道线位大致为西北—东南走向，与冬季主风向基本一致。隧道为单面上坡，进、出口相对高差为36.9m。

　　6结论与建议

　　1)我国寒区分布范围广，隧道设计时应考虑由于不同地理位置的寒区气候差异产生的不利影响。经研究，初步提出高纬度寒区和高海拔寒区可按最冷月平均气温和年平均气温在地理位置划分为5个设计分区的方法。2)寒区隧道抗防冻应围绕隧道构建保温排水系统，确保隧道排水畅通为技术核心;而结构抗冻可采取提高结构抗冻性能和设置保温层防冻等措施。

　　3)由隧道洞口相对高差形成的自然气压差，是影响寒区长大隧道洞内温度场沿纵向分布的主导因素，也是影响寒区隧道抗防冻设防长度及工程措施的主导因素。4)寒区隧道设计分区方法、抗防冻设防长度及工程措施等标准，需进一步通过工程实践、现场测试等手段研究优化;同时，还应加强寒区隧道施工装备、维修养护设备及施工质量控制等成套技术及标准的研究。

　　参考文献(References)：

　　[1]高焱，朱永全，赵东平，等.隧道寒区划分建议及保温排水技术研究[J].岩石力学与工程学报，2018，37(增刊1)：3489.GAOYan，ZHUYongquan，ZHAODongping，etal.Studyonclassifiedsuggestionoftunnelincoldregionandthermalinsulation⁃considereddrainagetechnology[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2018，37(S1)：3489.

　　[2]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.MAZhifu，YANGChangxian.Anti⁃freezingtechnologyforrailwaytunnelsincoldregion[J].ChineseRailways，2020(12)：74.

　　[3]马志富，杨昌贤.高海拔寒区铁路隧道保温排水技术研究[J].高速铁路技术，2020，11(2)：87.

　　作者：马志富，杨昌贤

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