摘要 文章通過(guò)高寒高海拔富水隧道防凍脹施工技術(shù)現(xiàn)狀調(diào)查，建立安全可靠、節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效的成套技術(shù)。針對(duì)富水隧道發(fā)生凍害的機(jī)理及特點(diǎn)，結(jié)合防水保溫層、供熱法等抗防凍技術(shù)特點(diǎn)及適應(yīng)性，依據(jù)隧道結(jié)構(gòu)控水防滲技術(shù)及理論，設(shè)計(jì)合理有效的隧道穿越富水期間凍害預(yù)防技術(shù)方案，總結(jié)形成成套關(guān)鍵技術(shù)，可以進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本。

關(guān)鍵詞 寒帶；富水隧道；防凍

中圖分類(lèi)號(hào) U455.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B 文章編號(hào) 2096-8949（2024）04-0153-03

0 引言

由于隧道處于高原，每年10月中下旬至次年4月上中旬為降雪期，累計(jì)時(shí)間近7個(gè)月，其累計(jì)降雪量140～170 mm。結(jié)合國(guó)內(nèi)同類(lèi)型山區(qū)高寒高海拔富水隧道相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)隧道防凍脹施工方案進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)分類(lèi)和技術(shù)研究，根據(jù)富水隧道發(fā)生凍害的機(jī)理及特點(diǎn)，結(jié)合防水保溫層、供熱法等抗防凍技術(shù)特點(diǎn)及適應(yīng)性，依據(jù)隧道結(jié)構(gòu)控水防滲技術(shù)及理論，設(shè)計(jì)合理有效的隧道穿越富水期間凍害預(yù)防技術(shù)方案，總結(jié)形成成套關(guān)鍵技術(shù)，可以進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本^[1-2]。

1 隧道氣象水文地質(zhì)分析

左線起訖樁號(hào)（ZK102+900～ZK106+032），右線起訖樁號(hào)（K102+855～K106+000），隧道進(jìn)口端圍巖級(jí)別主要以Ⅴ級(jí)圍巖為主，左洞長(zhǎng)3 132 m（縱坡為1.82%），右洞長(zhǎng)3 145 m（縱坡為1.82%）。

1.1 氣象條件

隧址區(qū)年內(nèi)各月均有出現(xiàn)災(zāi)害性天氣的可能，3月、4月北方冷空氣南下，易造成寒潮連陰雪天氣過(guò)程：5月、6月、9月、10月冷暖空氣交鋒，降雹頻繁；7月、8月霜凍危害嚴(yán)重。

1.2 隧道地下水情況

（1）隧址區(qū)地下水類(lèi)型為基巖裂隙水，變質(zhì)石英砂巖、砂質(zhì)板巖為主要含水層，板巖為相對(duì)含水層，對(duì)隧道開(kāi)挖影響較大的地下水主要為基巖裂隙水，基巖裂隙水的補(bǔ)給、徑流和排泄條件受地形、地質(zhì)構(gòu)造和地層巖性所控制。

（2）隧址區(qū)內(nèi)發(fā)育多條溪溝，地下水情況具體如下：

①由于場(chǎng)區(qū)隧道處于高原，線路平均海拔3 650 m，每年10月中下旬至次年4月上中旬為降雪期，累計(jì)時(shí)間近7個(gè)月，其累計(jì)降雪量140～170 mm，約占全年降雨量的23%。

②隧址區(qū)積雪在次年融化后將形成“集中降雨”的效果，加之場(chǎng)區(qū)巖體傾角整體為陡傾角，擠壓破碎帶較發(fā)育，為良好的導(dǎo)水構(gòu)造。因此，積雪融化效應(yīng)將加大隧道涌水量，隧道正常涌水量為23 400 m³/d，最大涌水量為46 800 m³/d，地下水呈點(diǎn)滴—淋雨?duì)睿植抗蔂盍鞒?，施工難度大。

1.3 隧道霜凍期情況

（1）全年12個(gè)月降雪期累計(jì)時(shí)間近7個(gè)月，時(shí)長(zhǎng)一半以上，其累計(jì)降雪量140～170 mm，多年極端最低氣溫達(dá)零下30 ℃，霜凍危害嚴(yán)重。

（2）年內(nèi)各月均有出現(xiàn)災(zāi)害性天氣的可能，每年10月中下旬至次年4月上中旬為降雪期。

2 主要研究?jī)?nèi)容分析

2.1 富水隧道不同因素下凍害發(fā)生機(jī)理分析

（1）依托富水隧道凍害資料，明確富水隧道典型凍害現(xiàn)象及類(lèi)型，分析富水隧道凍害產(chǎn)生的基本因素，研究隧道凍害的形成機(jī)理，確定隧道凍害發(fā)生的主控條件^[3]。

（2）采用理論分析結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，研究洞口段穿越富水裂隙結(jié)構(gòu)在凍害作用下對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全性所造成的影響^[4]。

2.2 富水隧道出水口結(jié)構(gòu)與中心排水溝保溫研究

（1）富水隧道中心排水溝出水口受高寒氣候影響，傳統(tǒng)排水方式不能有效防凍^[5]。

（2）基于往年凍土深度和出水口保溫結(jié)構(gòu)，確定洞外排水溝埋深以及出水口結(jié)構(gòu)以保證富水隧道洞外排水順暢^[6]。

2.3 隧道穿越富水期間凍害預(yù)防技術(shù)研究

針對(duì)富水隧道發(fā)生凍害的機(jī)理及特點(diǎn)，結(jié)合防水保溫層、供熱法等抗防凍技術(shù)特點(diǎn)及適應(yīng)性，依據(jù)隧道結(jié)構(gòu)控水防滲技術(shù)及理論，編制合理有效的隧道穿越富水期間凍害預(yù)防技術(shù)方案和措施，為富水隧道凍害預(yù)防提供相應(yīng)的保障^[7]。

3 主要研究成果分析

3.1 富水隧道不同因素下凍害的發(fā)生機(jī)理

（1）依托富水隧道凍害資料，由于隧道圍巖及洞室溫度低、防排水系統(tǒng)失效、隧道襯砌背后存在空洞等原因，反復(fù)凍融循環(huán)下造成富水隧道凍害^[8]。

（2）富水隧道由于襯砌背后存在空隙，在負(fù)溫環(huán)境的作用下產(chǎn)生凍脹壓力，使襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生變形并存在壓力，由于凍融循環(huán)后加速襯砌混凝土劣化導(dǎo)致凍害加重^[9-10]。

（3）富水隧道凍害不僅會(huì)破壞隧道襯砌結(jié)構(gòu)，增加運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，而且會(huì)危及行車(chē)安全，帶來(lái)事故隱患，造成財(cái)產(chǎn)和資源的嚴(yán)重?fù)p失及浪費(fèi)^[11]。

3.2 富水隧道中心排水溝保溫及出水口結(jié)構(gòu)

（1）富水隧道深埋水溝洞口出水口設(shè)置保溫排水暗管，暗管頂端距地面高差為2.5 m，由于嚴(yán)寒地區(qū)特殊的氣候條件，若直接將水由洞外保溫排水暗管明排入臨近的自然溝內(nèi)，極易出現(xiàn)由出水口處向隧道內(nèi)不斷凍結(jié)的問(wèn)題，影響隧道結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)安全。

（2）中心排水溝保溫及出水口結(jié)構(gòu)包括位于上部的保溫回填層和下部的混凝土基座之間的深埋排水暗管和末端排水暗管，末端排水暗管的端部設(shè)置有抗沖磨導(dǎo)流管。

（3）抗沖磨導(dǎo)流管下方采用C25混凝土澆筑，隧道內(nèi)的水通過(guò)深埋排水暗管經(jīng)末端排水暗管迅速排出隧道，能夠有效避免由于隧道出水口排水不暢造成的凍害，進(jìn)一步提高了嚴(yán)寒地區(qū)隧道防寒排水能力。

3.3 隧道穿越富水期間凍害預(yù)防技術(shù)

（1）隧道凍害產(chǎn)生的基本三要素是地下水、低溫、圍巖條件，主要針對(duì)這三要素來(lái)消除或減小凍脹程度，進(jìn)而解決隧道的凍害問(wèn)題，是隧道防凍的主要技術(shù)思路。

（2）應(yīng)對(duì)低溫的防凍技術(shù)措施主要有設(shè)置保溫層和供熱等措施；應(yīng)對(duì)地下水的防凍技術(shù)措施主要有加強(qiáng)隧道防排水；應(yīng)對(duì)圍巖條件的防凍技術(shù)措施主要有圍巖注漿。

（3）在凍害防治技術(shù)措施的采用上，一般是根據(jù)隧址區(qū)的具體溫度環(huán)境、水文和圍巖條件綜合采取多種措施來(lái)解決隧道凍害。

4 創(chuàng)新點(diǎn)分析

4.1 創(chuàng)新了洞口段埋深中央水溝出水口結(jié)構(gòu)

（1）富水隧道中心排水溝出水口受高寒氣候影響，傳統(tǒng)排水方式不能有效防凍。

（2）基于往年凍土深度和出水口保溫結(jié)構(gòu)，確定洞外排水溝出水口置于土層下2.5 m。

（3）出水口上部保溫層為20 cm厚的級(jí)配碎石剩余部分分層回填，下部澆筑混凝土底板呈半包結(jié)構(gòu)。

（4）末端排水暗管的端部設(shè)置有抗沖磨導(dǎo)流管，保證富水隧道洞外排水順暢。

4.2 創(chuàng)新了用于洞口段防凍的關(guān)鍵技術(shù)

（1）根據(jù)低溫、地下水和圍巖條件導(dǎo)致隧道凍害產(chǎn)生的機(jī)理，制定不同的應(yīng)對(duì)措施進(jìn)而解決隧道的凍害問(wèn)題。

（2）應(yīng)對(duì)低溫的防凍技術(shù)措施主要有設(shè)置保溫層和供熱等措施。

（3）應(yīng)對(duì)地下水的防凍技術(shù)措施主要有加強(qiáng)隧道防排水。

（4）應(yīng)對(duì)圍巖條件的防凍技術(shù)措施主要有圍巖注漿、凍害防治技術(shù)措施的采用。

5 技術(shù)產(chǎn)生的效益

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

通過(guò)項(xiàng)目實(shí)施，研究高寒高海拔富水隧道防凍脹施工關(guān)鍵技術(shù)，防止隧道出現(xiàn)漏水、結(jié)冰、掛冰等危害，有效地保障了施工安全和質(zhì)量，節(jié)約施工成本近500萬(wàn)元，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

5.2 工期效益

針對(duì)隧道洞口段主體結(jié)構(gòu)受低溫影響的情況，采用高寒高海拔富水隧道防凍脹施工關(guān)鍵技術(shù)，有效地避免了主體結(jié)構(gòu)的凍脹和滲水的危害，大大節(jié)省了施工工期，預(yù)期可節(jié)約工期35 d。

5.3 技術(shù)效益

針對(duì)富水隧道發(fā)生凍害的機(jī)理及特點(diǎn)，結(jié)合防水保溫層、供熱法等抗防凍技術(shù)特點(diǎn)及適應(yīng)性，采用合理有效的隧道穿越富水期間凍害預(yù)防技術(shù)方案，自主創(chuàng)新獲得實(shí)用新型專(zhuān)利、省部級(jí)工法，為在高寒高海拔富水隧道防凍脹施工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

6 工程實(shí)例

史家?guī)X隧道凈寬10.25 m（0.75+0.50+3.75×2+0.75+0.75），限高5 m。右線進(jìn)口樁號(hào)為K18+290，出口里程K19+022。隧道最大埋深80.3 m，位于K18+500處。隧道全長(zhǎng)732 m。左線進(jìn)口樁號(hào)為ZK18+287.4，出口里程ZK19+015。隧道最大埋深69.3 m，位于ZK18+480。隧道全長(zhǎng)727.6 m。右洞：Ⅲ級(jí)圍巖240 m，Ⅳ級(jí)圍巖380 m，Ⅴ級(jí)圍巖112 m；左洞：Ⅲ級(jí)圍巖240 m，Ⅳ級(jí)圍巖370 m，Ⅴ級(jí)圍巖117.6 m。文龍隧道凈寬10.25 m（0.75+0.50+3.75×2+0.75+0.75），限高5 m。右線進(jìn)口樁號(hào)為K19+886，出口里程K21+055。隧道最大埋深56 m，位于K20+560處。隧道全長(zhǎng)1 169 m。左線進(jìn)口樁號(hào)為ZK19+879，出口里程ZK21+057.2。隧道最大埋深60.5 m，位于ZK20+560。隧道全長(zhǎng)1 178.2 m。右洞：Ⅲ級(jí)圍巖280 m，Ⅳ級(jí)圍巖410 m，Ⅴ級(jí)圍巖479 m；左洞：Ⅲ級(jí)圍巖320 m，Ⅳ級(jí)圍巖370 m，Ⅴ級(jí)圍巖488.2 m。隧道洞外設(shè)置保溫排水暗管，暗管頂端距地面高差為2.5 m，由于嚴(yán)寒地區(qū)特殊的氣候條件，若直接將水由洞外保溫排水暗管明排入臨近的自然溝內(nèi)，極易出現(xiàn)由出水口處向隧道內(nèi)不斷凍結(jié)的問(wèn)題，影響隧道結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)安全。隧道采用上述措施后，根據(jù)關(guān)于視頻監(jiān)控相關(guān)文件的要求，在此采用遠(yuǎn)程安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)協(xié)助業(yè)主單位進(jìn)行管理，以達(dá)到對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、隧道人員的信息管理。還安裝了視頻監(jiān)控系統(tǒng)，具體如下：

（1）提升視頻圖像清晰度，提高圖像質(zhì)量，解決客戶(hù)“看得見(jiàn)，但看不清”的問(wèn)題已經(jīng)是重中之重。通過(guò)設(shè)備的發(fā)展與更新，來(lái)滿(mǎn)足對(duì)視頻圖像質(zhì)量的需求。網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括隧道前端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)平臺(tái)、客戶(hù)端/監(jiān)控中心、傳輸網(wǎng)絡(luò)。

①前端設(shè)備主要由攝像機(jī)、視頻編碼器等設(shè)備組成。

②前端設(shè)備的作用是實(shí)時(shí)采集監(jiān)控點(diǎn)的視頻圖像。

③將模擬視頻轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號(hào)并將壓縮后的流媒體文件以單播或組播方式通過(guò)寬帶網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到系統(tǒng)平臺(tái)，供有權(quán)限的管理人員實(shí)時(shí)查看或保持在存儲(chǔ)設(shè)備中。

（2）隧道安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)后，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)冰凍情況、施工現(xiàn)場(chǎng)違規(guī)操作或者安全問(wèn)題，管理人員能夠第一時(shí)間了解有關(guān)人員的位置情況，通過(guò)系統(tǒng)可及時(shí)了解事故時(shí)入洞人員總數(shù)、分布區(qū)域、人員的基本情況等?？赏ㄟ^(guò)軟件歷史軌跡，判斷被困人員大致位置，以便及時(shí)搜救，及時(shí)采取相應(yīng)措施，提高了應(yīng)急救援工作效率。視頻監(jiān)控系統(tǒng)在該隧道得到了成功應(yīng)用，進(jìn)一步推進(jìn)了高速公路施工標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化及信息化的建設(shè)。

（3）實(shí)時(shí)掌握隧道現(xiàn)場(chǎng)施工情況，為施工管理決策提供依據(jù)。為隧道信息化建設(shè)邁向數(shù)字化管理、安全監(jiān)控、日常管理等提供支撐，使隧道可視化管理水平得到有效提高。系統(tǒng)實(shí)際建設(shè)以實(shí)用、夠用為原則，充分評(píng)估建設(shè)、使用、維護(hù)費(fèi)用及升級(jí)改造費(fèi)用，在確保工程建設(shè)質(zhì)量、系統(tǒng)實(shí)用性、先進(jìn)性的前提下產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)可以重復(fù)利用，設(shè)備容易拆卸，操作簡(jiǎn)單，減少人力觀察施工環(huán)境的情況，節(jié)約了人力成本。管理關(guān)鍵點(diǎn)及環(huán)保措施見(jiàn)表1。

7 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)項(xiàng)目實(shí)施，研究高寒高海拔富水隧道防凍脹施工技術(shù)，防止隧道出現(xiàn)漏水、結(jié)冰掛冰等凍害，有效保障了施工安全和質(zhì)量，節(jié)約施工成本近500萬(wàn)元，為類(lèi)似項(xiàng)目提供經(jīng)濟(jì)指標(biāo)參考。隧道為公路建設(shè)關(guān)鍵性控制工程，通過(guò)開(kāi)展高寒高海拔富水隧道防凍脹施工技術(shù)研究，快速完成高原富水軟弱圍巖隧道的洞口防凍段施工任務(wù)，為公路建設(shè)的早日通車(chē)奠定了良好的基礎(chǔ)，社會(huì)效益非常顯著。

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收稿日期：2023-12-13

作者簡(jiǎn)介：李文杰（1981—），男，本科，副高級(jí)工程師，從事公路建設(shè)管理工作。