呼　梟

(神華準(zhǔn)池鐵路有限責(zé)任公司， 山西朔州　036002)

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寒區(qū)運(yùn)營隧道凍害防治監(jiān)測系統(tǒng)及應(yīng)用

呼梟

(神華準(zhǔn)池鐵路有限責(zé)任公司， 山西朔州036002)

摘要：引起寒區(qū)凍害的因素十分復(fù)雜，隧道凍害預(yù)防與整治是一項(xiàng)復(fù)雜而艱巨的工作。以運(yùn)營的準(zhǔn)池鐵路殺虎口隧道為工程依托，設(shè)計(jì)合理的凍害防治監(jiān)測系統(tǒng)，通過對監(jiān)測結(jié)果的分析，預(yù)測凍害的重點(diǎn)防治范圍。研究結(jié)果表明：距洞口500 m范圍內(nèi)圍巖有凍結(jié)可能，圍巖最大凍結(jié)深度1.55 m，排水量較大區(qū)段位于下坡端進(jìn)口段1 300 m范圍內(nèi)，因此凍害重點(diǎn)防治區(qū)段為進(jìn)口端500 m范圍內(nèi)的軟巖區(qū)段，預(yù)測凍害類型以襯砌滲漏水、襯砌開裂為主。

關(guān)鍵詞：寒區(qū)；運(yùn)營隧道；凍害防治；監(jiān)測系統(tǒng)；環(huán)境溫度；凍結(jié)深度

1概述

寒區(qū)是指表土層的年凍結(jié)深度大于800 mm的地區(qū)。我國有一半以上的國土都屬于寒區(qū)，寒區(qū)主要包括多年凍土區(qū)和季節(jié)性凍土區(qū)，分別占國土面積的20%和55%[1]。從國內(nèi)外已建成的寒區(qū)鐵路、公路隧道的使用情況看，凍害現(xiàn)象十分嚴(yán)重。1997年我國鐵路隧道統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：5 000余座運(yùn)營隧道中，嚴(yán)重漏水(拱部滴水、邊墻滲水、隧底翻漿冒泥，嚴(yán)寒地區(qū)隧道結(jié)冰、凍脹)影響到隧道運(yùn)營者達(dá)1 502座，占隧道總數(shù)的30.4%[2]。

引起隧道凍害的因素十分復(fù)雜，包括氣候條件、水文條件、圍巖條件及設(shè)計(jì)施工等諸多方面的因素。隧道凍害預(yù)防和整治是一項(xiàng)復(fù)雜艱巨的工作，需要針對具體問題，進(jìn)行全面調(diào)查、細(xì)致監(jiān)測、深入研究、科學(xué)設(shè)計(jì)、精心實(shí)施[3-5]。國內(nèi)學(xué)者針對隧道凍害問題開展了大量現(xiàn)場測試及理論分析工作[6-11]，其中監(jiān)測工作是隧道凍害防治的技術(shù)基礎(chǔ)。

以已通車運(yùn)營的準(zhǔn)池鐵路殺虎口隧道為工程依托，設(shè)計(jì)合理的凍害防治監(jiān)測系統(tǒng)，并通過對監(jiān)測結(jié)果的分析，推斷隧道凍害預(yù)防的重點(diǎn)類型及重點(diǎn)范圍。

準(zhǔn)池鐵路為國家Ⅰ級雙線電氣化重載鐵路。該鐵路的建成，在大準(zhǔn)鐵路和朔黃鐵路之間形成了一條便捷通道，極大地增加了蒙西地區(qū)煤炭外運(yùn)的機(jī)動靈活性，對于完善區(qū)域路網(wǎng)、優(yōu)化路網(wǎng)結(jié)構(gòu)和增加路網(wǎng)的靈活性具有重要作用。該鐵路主要通過中低山區(qū)、山前洪風(fēng)積黃土高原區(qū)、山間河谷區(qū)等地形地貌單元，地形復(fù)雜。鐵路位于華北北部(山西省北部及內(nèi)蒙古中部)地區(qū)，夏季多雨而冬季寒冷、多大風(fēng)。該鐵路于2014年11月試運(yùn)營，每日運(yùn)行2～3對列車，列車速度60～80 km/h。殺虎口隧道是準(zhǔn)池鐵路的重點(diǎn)工程之一，隧道全長2 950 m，設(shè)計(jì)為雙線隧道。隧道穿越地層主要以砂巖、泥巖互層軟弱圍巖為主，最大埋深約95 m。該隧道為富水隧道，地下水主要為基巖裂隙水。隧道軸線基本為南北方向，進(jìn)口位于北端，出口位于南端。隧道縱斷面如圖1所示。

圖1　殺虎口隧道縱斷面及測試斷面布置

該地區(qū)地處寒區(qū)，年平均氣溫一般為3.6～7.3 ℃，1月份最冷，平均氣溫為-14.9～-9.4 ℃，極端最低氣溫-40.4 ℃。年平均降水量423 mm。年平均風(fēng)速2.4～4.2 m/s，冬季以西北風(fēng)為主。一般年份11月封凍，3月解凍，封凍期為152 d左右。最大凍土深度105～139 cm，平均122 cm。

2隧道凍害防治監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)組成及監(jiān)測項(xiàng)目

監(jiān)測系統(tǒng)由洞外環(huán)境監(jiān)測、洞內(nèi)環(huán)境監(jiān)測、地下水監(jiān)測及襯砌結(jié)構(gòu)監(jiān)測4個部分組成。

(1)洞外環(huán)境監(jiān)測包括：①地形、地貌現(xiàn)場調(diào)查及測量；②水文條件、地表水、地表植被、蒸發(fā)量、入滲量等調(diào)查；③降雨量測試；④洞外氣溫測試；⑤洞口風(fēng)向、風(fēng)速測試等。

(2)洞內(nèi)環(huán)境監(jiān)測包括：①洞內(nèi)環(huán)境溫度測試；②襯砌表面溫度測試；③洞內(nèi)風(fēng)向、風(fēng)速測試；④圍巖內(nèi)部溫度測試等。

(3)洞內(nèi)地下水監(jiān)測包括：①分區(qū)段流速、流量測試；②總排水量測試；③滲水壓力測試等。

(4)襯砌結(jié)構(gòu)監(jiān)測包括：①襯砌結(jié)構(gòu)表面應(yīng)力測試；②襯砌結(jié)構(gòu)位移測試等。

2.2測試斷面及測點(diǎn)布置

(1)測試斷面布置原則：①洞外環(huán)境測點(diǎn)應(yīng)布置在洞頂或洞外50 m左右位置，盡量避免受洞口地形、日照等影響。②洞內(nèi)環(huán)境測點(diǎn)沿隧道縱向布置應(yīng)遵循兩端密、中間疏的原則，進(jìn)出口范圍內(nèi)為監(jiān)測重點(diǎn)，遇地下水豐富地段及曲線地段適當(dāng)加密，沿隧道縱向監(jiān)測斷面一般不少于20個。③圍巖內(nèi)部溫度測試斷面沿縱向布置原則同洞內(nèi)環(huán)境測點(diǎn)，圍巖內(nèi)部溫度測試深度應(yīng)根據(jù)圍巖最大凍結(jié)深度確定，近淺埋及洞口位置適當(dāng)增加測試深度。④襯砌表面應(yīng)力測試斷面應(yīng)選擇在洞口地段、淺埋地段、地下水豐富地段。

殺虎口隧道沿縱向共布置25個測試斷面：分別位于進(jìn)、出口洞外共2個斷面，距進(jìn)、出口0、5、15、30、50、100、200、300、400、500 m共20個斷面，隧道中心距進(jìn)口1 297、1 397、1 497 m共3個斷面。

(2)測點(diǎn)布置如圖2所示。表面溫度測點(diǎn)設(shè)在左右邊墻部位，每個斷面設(shè)1～2個；襯砌表面應(yīng)力測點(diǎn)分別設(shè)在拱頂、拱腳、邊墻及墻腳部位，每個斷面設(shè)2～7個測點(diǎn)；圍巖內(nèi)部溫度測線設(shè)在左右邊墻部位，測孔深度2.5～3.0 m，測點(diǎn)間距0.3～0.6 m，每條測線5～7個測點(diǎn)；滲水壓力測點(diǎn)設(shè)在局部滲漏水部位，根據(jù)需要設(shè)置；水溝水量及水溫測點(diǎn)設(shè)在排水側(cè)溝部位；洞內(nèi)風(fēng)速測點(diǎn)每斷面設(shè)置1～5個測點(diǎn)，測點(diǎn)縱向間距30 m。

圖2　測點(diǎn)布置

2.3測試方法

洞外風(fēng)速風(fēng)向采用JMZX-1F單通道風(fēng)速風(fēng)向采集模塊，洞內(nèi)風(fēng)速采用TESTO 410-1型手持多功能風(fēng)速儀人工測試，洞內(nèi)環(huán)境溫度采用TESTO 174溫度記錄儀，圍巖內(nèi)部溫度采用JMT-36X型溫度傳感器及綜合測試儀，襯砌表面應(yīng)力采用JMZX-212型表面應(yīng)變計(jì)及綜合測試儀，流速流量采用流速流量計(jì)或采用容器時間法進(jìn)行測試，水溫采用溫度探頭測試。

3洞外環(huán)境調(diào)查結(jié)果

3.1歷史氣溫

統(tǒng)計(jì)2011-01-01～2015-06-30當(dāng)?shù)貧鉁卦敿?xì)變化情況，以及有氣象記錄以來的月平均氣溫及極端氣溫情況。2011年至2014年全年最高氣溫分別為32、31、30、32 ℃；全年最低氣溫分別為-29、-33、-34、-27 ℃，全年平均氣溫分別為5.07、4.10、5.45、5.60 ℃。2011-01-01～2015-06-30期間極端最低氣溫為-34 ℃(2013年1月)，極端最高氣溫32 ℃(2014年7月)；有氣象記錄以來極端最低氣溫為-40 ℃(1971年1月)，極端最高氣溫38 ℃(2005年6月)。氣溫隨季節(jié)呈規(guī)律變化，最冷月為1月份，歷史月平均最高及最低氣溫分別為-5、-22 ℃；最熱月為7月份，歷史月平均最高及最低氣溫分別為26、13 ℃；

3.2歷史降雨量

殺虎口地區(qū)平均年降水量為423 mm，雨季主要集中在每年7、8月份，占全年降水量的近50%。6～9月份的月平均降雨量分別為56、101、109、53 mm。

3.3歷史風(fēng)向、風(fēng)速

統(tǒng)計(jì)2011-01-01～2015-06-30該地區(qū)風(fēng)向、風(fēng)速變化。全年以西北風(fēng)為主，占33.6%，其次為南風(fēng)、北風(fēng)和西南風(fēng)，分別占15.9%、14.0%、13.3%。其中1～5月份、10～12月份均以西北風(fēng)為主，其中3、4、11、12月份西北風(fēng)均占該月份風(fēng)向的50%左右；6～9月份以南風(fēng)為主，其中8月份南風(fēng)占該月份風(fēng)向的45%。全年風(fēng)力等級以3～4級為主，占43.5%；其次為微風(fēng)占36.1%；4～5級風(fēng)占16.6%，5～6級風(fēng)占3.8%，6～7級風(fēng)極少見。1～6月份、11～12月份風(fēng)力等級以3～4級為主，占該月份風(fēng)力等級的近50%；7～9月份風(fēng)力等級以微風(fēng)為主；3～5月份風(fēng)力等級4～5級及5～6級所占比重較大，其次為11～12月份、1～2月份。

綜上，1～5月份及10～12月份的較冷月，以西北風(fēng)為主，風(fēng)力較大；6～8月份的較熱月，以南風(fēng)為主，風(fēng)力較小。

4實(shí)測洞內(nèi)環(huán)境溫度

4.1洞口溫度

測試期間進(jìn)、出口最高氣溫分別為24.5 ℃ (2015-05-15T18∶00)、38.6 ℃(2015-04-29T16∶00)，最低氣溫分別為-23.9 ℃(2015-01-31T7∶00)、-22.0 ℃(2015-02-08 T8∶00)，出口側(cè)受南側(cè)日照影響顯著，最高氣溫明顯高于進(jìn)口側(cè)。圖3為測試期間進(jìn)、出口最低氣溫與當(dāng)?shù)刈畹蜌鉁貙Ρ?，圖4為進(jìn)、出口氣溫隨時間的變化曲線(2015-01-31)。

圖3　隧道進(jìn)、出口最低氣溫與當(dāng)?shù)刈畹蜌鉁貙Ρ?/p>

圖4　隧道進(jìn)、出口氣溫隨時間的變化曲線(2015-01-31)

據(jù)圖3、圖4，進(jìn)、出口最低氣溫相差不大。隧道洞口最高及最低氣溫與當(dāng)?shù)貧鉁赜幸欢ú罹啵M(jìn)出口最低氣溫一般高于當(dāng)?shù)刈畹蜌鉁?。這是由于當(dāng)?shù)貧鉁厥窃诒苊馊照?、氣流影響的百葉窗中取得，洞口氣溫是在自然條件下取得所致。隧道進(jìn)、出口氣溫每天呈規(guī)律性變化，一般早晨6：00～8：00取得最低值，下午14：00～16：00取得最高值；白天氣溫波動較大，夜晚氣溫波動較小；出口受日照影響，氣溫波動幅度較大。

4.2洞內(nèi)溫度

取某日同一時刻洞內(nèi)測點(diǎn)溫度繪制溫度沿隧道縱向分布曲線，圖5、圖6分別為典型日期每日7：00、15：00時刻洞內(nèi)環(huán)境溫度沿隧道縱向分布曲線。圖7為洞內(nèi)環(huán)境平均溫度沿隧道縱向分布曲線。

圖8　不同位置測孔圍巖內(nèi)部溫度沿深度變化曲線

圖5　7：00時刻洞內(nèi)環(huán)境溫度沿隧道縱向分布曲線

圖6　15：00時刻洞內(nèi)環(huán)境溫度沿隧道縱向分布曲線

圖7　洞內(nèi)環(huán)境平均溫度沿隧道縱向分布曲線

由圖5～圖7，1～3月份洞內(nèi)環(huán)境溫度呈洞口低、中間高分布規(guī)律，而4～5月份洞內(nèi)環(huán)境溫度呈洞口高、中間低的分布規(guī)律，即隧道洞內(nèi)“冬暖夏涼”。7：00時刻全天溫度最低，15：00時刻全天溫度最高，洞口區(qū)段受每日氣溫變化影響較大，隧道中間區(qū)段受每日氣溫變化影響較小。

不同日期不同時刻的隧道洞內(nèi)0 ℃位置波動較大；每天不同時刻的0 ℃位置在7：00時刻距洞口距離較遠(yuǎn)，而15：00的0 ℃位置距洞口距離較近；2015-01-29～ 2015-03-11期間最低溫度曲線沿隧道縱向分布的0 ℃位置一般距洞口1 000 m以上，2015-03-12～2015-04-20期間0 ℃位置逐漸減小，2015-04-20以后全洞均處于0 ℃以上。不同日期不同時刻0 ℃位置的波動受外界氣溫影響最大，其次為風(fēng)速和列車運(yùn)行的影響。

5實(shí)測圍巖內(nèi)部溫度

隧道內(nèi)不同位置圍巖內(nèi)部溫度測試結(jié)果如圖8所示。

由圖8可見，深部地溫4～7 ℃，基本恒定，距洞口較近的深部地溫略小于隧道中間位置深部地溫，受向陽及背陰影響，靠近出口位置地溫略高于靠近進(jìn)口位置地溫；當(dāng)孔口(襯砌壁面)溫度小于圍巖深部地溫時，圍巖內(nèi)部溫度隨深度的增加而增加，直至深部地溫；當(dāng)孔口(襯砌壁面)溫度大于圍巖深部地溫時，圍巖內(nèi)部溫度隨深度的增加而減小，直至深部地溫；圍巖內(nèi)部溫度隨外界溫度變化而變化，2015-03-16以后圍巖內(nèi)部均為正溫，2015-01-29～2015-03-16測試期間圍巖內(nèi)部存在一定范圍的負(fù)溫；圍巖內(nèi)部溫度0 ℃位置隨外界溫度及測孔位置的變化而變化，外界溫度越低，圍巖內(nèi)部0℃位置越深，測孔位置越靠近洞口，圍巖內(nèi)部0 ℃位置越深；距進(jìn)口30 m測孔圍巖凍結(jié)深度為1.15～1.5 m，距進(jìn)口74 m測孔圍巖凍結(jié)深度為1.05～1.5 m，距進(jìn)口210 m測孔圍巖凍結(jié)深度為0.45～0.6 m，距出口505 m測孔圍巖凍結(jié)深度為0.03～0.25 m，距出口43 m測孔圍巖凍結(jié)深度為0.65～1.5 m，距出口12 m測孔圍巖凍結(jié)深度為0.75～1.55 m，隧道中間測孔(距進(jìn)口1 407 m)圍巖無凍結(jié)。圍巖有凍結(jié)現(xiàn)象的測孔距洞口距離約為500 m。

6實(shí)測風(fēng)速、風(fēng)向及流量

該地區(qū)年平均風(fēng)速2.4～4.2 m/s。較冷月以西北風(fēng)為主，風(fēng)力較大；較熱月以南風(fēng)為主，風(fēng)力較小。殺虎口隧道基本為南北方向，進(jìn)口位于北端，出口位于南端，故在較冷月隧道的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)橛蛇M(jìn)口吹向出口。

洞內(nèi)風(fēng)速受外界網(wǎng)速影響顯著，較冷月受風(fēng)向影響，進(jìn)口段風(fēng)速一般大于出口段，洞內(nèi)沿程風(fēng)速受曲線隧道、列車運(yùn)行及局部氣流等多種因素影響而呈不規(guī)律波動。

實(shí)測隧道總排水量98～134 m3/d，出口段500 m范圍內(nèi)基本無水，排水量較大區(qū)段主要位于進(jìn)口段1 300 m范圍內(nèi)。

7隧道凍害重點(diǎn)區(qū)域分析

工程實(shí)踐證明，圍巖發(fā)生凍脹的基本條件，一是氣溫在0 ℃以下，而且時間要足夠長；二是圍巖有明顯的凍脹性質(zhì)，硬巖和粗顆粒土一般是不會凍脹的；三是圍巖中有足夠含水量，否則圍巖也不會凍脹。并不是所有圍巖在低溫條件下都會發(fā)生凍脹，只有抗壓強(qiáng)度小、結(jié)構(gòu)松散、含水量大的圍巖才可能發(fā)生凍脹。相關(guān)試驗(yàn)表明，在300次凍融循環(huán)作用下，泥巖的質(zhì)量損失最為顯著[12]。

通過對殺虎口隧道凍害防治的系統(tǒng)監(jiān)測，實(shí)測洞口最低氣溫-23.9 ℃，最冷月洞內(nèi)溫度0 ℃位置距洞口1 000 m以上，圍巖最大凍結(jié)深度1.55 m，圍巖有凍結(jié)現(xiàn)象的測孔距洞口距離約為500 m。襯砌表面負(fù)溫段長度隨季節(jié)變化而變化，如負(fù)溫段襯砌存在滲漏水時有可能產(chǎn)生襯砌凍脹而開裂，應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)。實(shí)測出口段500 m范圍內(nèi)基本無水，排水量較大的區(qū)段主要位于進(jìn)口段1 300 m范圍內(nèi)。

由此根據(jù)隧道凍害的低溫及含水圍巖的形成條件推斷，殺虎口隧道最有可能產(chǎn)生凍害的區(qū)段為進(jìn)口段500 m范圍，特別是進(jìn)口段417 m的Ⅴ級砂巖夾泥巖及泥巖是凍害防治的重點(diǎn)區(qū)域，有可能產(chǎn)生襯砌滲漏水、襯砌開裂、掛冰、排水溝凍結(jié)及仰拱開裂等凍害。

8結(jié)論

通過對寒區(qū)運(yùn)營鐵路隧道凍害防治監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)和監(jiān)測結(jié)果分析，得出如下主要結(jié)論。

(1)監(jiān)測系統(tǒng)由洞外環(huán)境監(jiān)測、洞內(nèi)環(huán)境監(jiān)測、地下水監(jiān)測及襯砌結(jié)構(gòu)監(jiān)測4個部分組成。

(2)該地區(qū)極端最低氣溫達(dá)-40 ℃，最冷月為1月份，歷史月平均最低氣溫為-22 ℃；平均年降雨量423 mm；較冷月以西北風(fēng)為主，風(fēng)力較大。

(3)受測試條件影響，洞口最高及最低氣溫與當(dāng)?shù)貧鉁赜幸欢ú罹?，洞口氣溫每?：00～8：00取得最低值，14：00～16：00取得最高值。

(4)較冷月洞內(nèi)環(huán)境呈洞口低、中間高分布規(guī)律，較熱月呈洞口高、中間低的分布規(guī)律，即隧道洞內(nèi)“冬暖夏涼”；洞口段受每日氣溫變化影響較大，隧道中間段影響較小。

(5)圍巖最大凍結(jié)深度1.55 m，圍巖有凍結(jié)現(xiàn)象的位置距洞口距離約為500 m。

(6)該地區(qū)具有發(fā)生凍害的基本條件，最有可能產(chǎn)生凍害的區(qū)段為進(jìn)口段500 m范圍，有可能產(chǎn)生襯砌滲漏水、襯砌開裂、掛冰、排水溝凍結(jié)及仰拱開裂等凍害。

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收稿日期：2015-11-09； 修回日期：2015-12-03

基金項(xiàng)目：神華準(zhǔn)池科技創(chuàng)新項(xiàng)目((2014)2號)

作者簡介：呼梟(1971—)，男，高級工程師，2004年畢業(yè)于大連交通 大學(xué)交通運(yùn)輸專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：huxiaoml@126.com。

文章編號：1004-2954(2016)07-0107-05

中圖分類號：U457

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.025

The Monitoring System for Tunnel Frost Damage Prevention and Treatment in Cold Region and Its Application

HU Xiao

(Shenhua Zhunchi Railway Co.， Ltd.， Shuozhou 036002， China)

Abstract：The tunnel frost damage prevention and treatment are arduous on account of multiple factors involved. Based on automatic temperature monitoring of Shahukou tunnel on Zhunchi railway， the author designs a reasonable monitoring system for tunnel frost damage prevention and treatment. The prioritized controlling range of frost damage is forecasted based on the analysis of the monitoring data. The results show that the maximum frozen depth is 1.55 m， and the possible rock frozen area is located 500 m away from the tunnel portal， and the section with the largest amount of water flow is 1 300 m from the tunnel entrance. Therefore， the controlling section of frost damage is the soft rock section 500 m from the tunnel entrance and the frost damages are identified as the primary lining seepage and lining fracture．

Key words：Cold region; Operation tunnel; Frost damage prevention and treatment; Monitoring system; Environment temperature; Frozen depth