? 寒区运营隧道冻害防治监测系统及应用 寒区运营隧道冻害防治监测系统及应用
呼枭
(神华准池铁路有限责任公司， 山西朔州036002)
摘要：引起寒区冻害的因素十分复杂，隧道冻害预防与整治是一项复杂而艰巨的工作。以运营的准池铁路杀虎口隧道为工程依托，设计合理的冻害防治监测系统，通过对监测结果的分析，预测冻害的重点防治范围。研究结果表明：距洞口500 m范围内围岩有冻结可能，围岩最大冻结深度1.55 m，排水量较大区段位于下坡端进口段1 300 m范围内，因此冻害重点防治区段为进口端500 m范围内的软岩区段，预测冻害类型以衬砌渗漏水、衬砌开裂为主。
关键词：寒区；运营隧道；冻害防治；监测系统；环境温度；冻结深度
1概述
寒区是指表土层的年冻结深度大于800 mm的地区。我国有一半以上的国土都属于寒区，寒区主要包括多年冻土区和季节性冻土区，分别占国土面积的20%和55%[1]。从国内外已建成的寒区铁路、公路隧道的使用情况看，冻害现象十分严重。1997年我国铁路隧道统计结果显示：5 000余座运营隧道中，严重漏水(拱部滴水、边墙渗水、隧底翻浆冒泥，严寒地区隧道结冰、冻胀)影响到隧道运营者达1 502座，占隧道总数的30.4%[2]。
引起隧道冻害的因素十分复杂，包括气候条件、水文条件、围岩条件及设计施工等诸多方面的因素。隧道冻害预防和整治是一项复杂艰巨的工作，需要针对具体问题，进行全面调查、细致监测、深入研究、科学设计、精心实施[3-5]。国内学者针对隧道冻害问题开展了大量现场测试及理论分析工作[6-11]，其中监测工作是隧道冻害防治的技术基础。
以已通车运营的准池铁路杀虎口隧道为工程依托，设计合理的冻害防治监测系统，并通过对监测结果的分析，推断隧道冻害预防的重点类型及重点范围。
准池铁路为国家Ⅰ级双线电气化重载铁路。该铁路的建成，在大准铁路和朔黄铁路之间形成了一条便捷通道，极大地增加了蒙西地区煤炭外运的机动灵活性，对于完善区域路网、优化路网结构和增加路网的灵活性具有重要作用。该铁路主要通过中低山区、山前洪风积黄土高原区、山间河谷区等地形地貌单元，地形复杂。铁路位于华北北部(山西省北部及内蒙古中部)地区，夏季多雨而冬季寒冷、多大风。该铁路于11月试运营，每日运行2～3对列车，列车速度60～80 km/h。杀虎口隧道是准池铁路的重点工程之一，隧道全长2 950 m，设计为双线隧道。隧道穿越地层主要以砂岩、泥岩互层软弱围岩为主，最大埋深约95 m。该隧道为富水隧道，地下水主要为基岩裂隙水。隧道轴线基本为南北方向，进口位于北端，出口位于南端。隧道纵断面如图1所示。
图1杀虎口隧道纵断面及测试断面布置
该地区地处寒区，年平均气温一般为3.6～7.3 ℃，1月份最冷，平均气温为-14.9～-9.4 ℃，极端最低气温-40.4 ℃。年平均降水量423 mm。年平均风速2.4～4.2 m/s，冬季以西北风为主。一般年份11月封冻，3月解冻，封冻期为152 d左右。最大冻土深度105～139 cm，平均122 cm。
2隧道冻害防治监测系统设计
2.1系统组成及监测项目
监测系统由洞外环境监测、洞内环境监测、地下水监测及衬砌结构监测4个部分组成。
(1)洞外环境监测包括：①地形、地貌现场调查及测量；②水文条件、地表水、地表植被、蒸发量、入渗量等调查；③降雨量测试；④洞外气温测试；⑤洞口风向、风速测试等。
(2)洞内环境监测包括：①洞内环境温度测试；②衬砌表面温度测试；③洞内风向、风速测试；④围岩内部温度测试等。
(3)洞内地下水监测包括：①分区段流速、流量测试；②总排水量测试；③渗水压力测试等。
(4)衬砌结构监测包括：①衬砌结构表面应力测试；②衬砌结构位移测试等。
2.2测试断面及测点布置
(1)测试断面布置原则：①洞外环境测点应布置在洞顶或洞外50 m左右位置，尽量避免受洞口地形、日照等影响。②洞内环境测点沿隧道纵向布置应遵循两端密、中间疏的原则，进出口范围内为监测重点，遇地下水丰富地段及曲线地段适当加密，沿隧道纵向监测断面一般不少于20个。③围岩内部温度测试断面沿纵向布置原则同洞内环境测点，围岩内部温度测试深度应根据围岩最大冻结深度确定，近浅埋及洞口位置适当增加测试深度。④衬砌表面应力测试断面应选择在洞口地段、浅埋地段、地下水丰富地段。
杀虎口隧道沿纵向共布置25个测试断面：分别位于进、出口洞外共2个断面，距进、出口0、5、15、30、50、100、200、300、400、500 m共20个断面，隧道中心距进口1 297、1 397、1 497 m共3个断面。
(2)测点布置如图2所示。表面温度测点设在左右边墙部位，每个断面设1～2个；衬砌表面应力测点分别设在拱顶、拱脚、边墙及墙脚部位，每个断面设2～7个测点；围岩内部温度测线设在左右边墙部位，测孔深度2.5～3.0 m，测点间距0.3～0.6 m，每条测线5～7个测点；渗水压力测点设在局部渗漏水部位，根据需要设置；水沟水量及水温测点设在排水侧沟部位；洞内风速测点每断面设置1～5个测点，测点纵向间距30 m。
图2测点布置
2.3测试方法
洞外风速风向采用JMZX-1F单通道风速风向采集模块，洞内风速采用TESTO 410-1型手持多功能风速仪人工测试，洞内环境温度采用TESTO 174温度记录仪，围岩内部温度采用JMT-36X型温度传感器及综合测试仪，衬砌表面应力采用JMZX-212型表面应变计及综合测试仪，流速流量采用流速流量计或采用容器时间法进行测试，水温采用温度探头测试。
3洞外环境调查结果
3.1历史气温
统计-01-01～-06-30当地气温详细变化情况，以及有气象记录以来的月平均气温及极端气温情况。至全年最高气温分别为32、31、30、32 ℃；全年最低气温分别为-29、-33、-34、-27 ℃，全年平均气温分别为5.07、4.10、5.45、5.60 ℃。-01-01～-06-30期间极端最低气温为-34 ℃(1月)，极端最高气温32 ℃(7月)；有气象记录以来极端最低气温为-40 ℃(1971年1月)，极端最高气温38 ℃(6月)。气温随季节呈规律变化，最冷月为1月份，历史月平均最高及最低气温分别为-5、-22 ℃；最热月为7月份，历史月平均最高及最低气温分别为26、13 ℃；
3.2历史降雨量
杀虎口地区平均年降水量为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别为56、101、109、53 mm。
3.3历史风向、风速
统计-01-01～-06-30该地区风向、风速变化。全年以西北风为主，占33.6%，其次为南风、北风和西南风，分别占15.9%、14.0%、13.3%。其中1～5月份、10～12月份均以西北风为主，其中3、4、11、12月份西北风均占该月份风向的50%左右；6～9月份以南风为主，其中8月份南风占该月份风向的45%。全年风力等级以3～4级为主，占43.5%；其次为微风占36.1%；4～5级风占16.6%，5～6级风占3.8%，6～7级风极少见。1～6月份、11～12月份风力等级以3～4级为主，占该月份风力等级的近50%；7～9月份风力等级以微风为主；3～5月份风力等级4～5级及5～6级所占比重较大，其次为11～12月份、1～2月份。
综上，1～5月份及10～12月份的较冷月，以西北风为主，风力较大；6～8月份的较热月，以南风为主，风力较小。
4实测洞内环境温度
4.1洞口温度
测试期间进、出口最高气温分别为24.5 ℃ (-05-15T18∶00)、38.6 ℃(-04-29T16∶00)，最低气温分别为-23.9 ℃(-01-31T7∶00)、-22.0 ℃(-02-08 T8∶00)，出口侧受南侧日照影响显著，最高气温明显高于进口侧。图3为测试期间进、出口最低气温与当地最低气温对比，图4为进、出口气温随时间的变化曲线(-01-31)。
图3隧道进、出口最低气温与当地最低气温对比
图4隧道进、出口气温随时间的变化曲线(-01-31)
据图3、图4，进、出口最低气温相差不大。隧道洞口最高及最低气温与当地气温有一定差距，进出口最低气温一般高于当地最低气温。这是由于当地气温是在避免日照、气流影响的百叶窗中取得，洞口气温是在自然条件下取得所致。隧道进、出口气温每天呈规律性变化，一般早晨6：00～8：00取得最低值，下午14：00～16：00取得最高值；白天气温波动较大，夜晚气温波动较小；出口受日照影响，气温波动幅度较大。
4.2洞内温度
取某日同一时刻洞内测点温度绘制温度沿隧道纵向分布曲线，图5、图6分别为典型日期每日7：00、15：00时刻洞内环境温度沿隧道纵向分布曲线。图7为洞内环境平均温度沿隧道纵向分布曲线。
图8不同位置测孔围岩内部温度沿深度变化曲线
图57：00时刻洞内环境温度沿隧道纵向分布曲线
图615：00时刻洞内环境温度沿隧道纵向分布曲线
图7洞内环境平均温度沿隧道纵向分布曲线
由图5～图7，1～3月份洞内环境温度呈洞口低、中间高分布规律，而4～5月份洞内环境温度呈洞口高、中间低的分布规律，即隧道洞内“冬暖夏凉”。7：00时刻全天温度最低，15：00时刻全天温度最高，洞口区段受每日气温变化影响较大，隧道中间区段受每日气温变化影响较小。
不同日期不同时刻的隧道洞内0 ℃位置波动较大；每天不同时刻的0 ℃位置在7：00时刻距洞口距离较远，而15：00的0 ℃位置距洞口距离较近；-01-29～ -03-11期间最低温度曲线沿隧道纵向分布的0 ℃位置一般距洞口1 000 m以上，-03-12～-04-20期间0 ℃位置逐渐减小，-04-20以后全洞均处于0 ℃以上。不同日期不同时刻0 ℃位置的波动受外界气温影响最大，其次为风速和列车运行的影响。
5实测围岩内部温度
隧道内不同位置围岩内部温度测试结果如图8所示。
由图8可见，深部地温4～7 ℃，基本恒定，距洞口较近的深部地温略小于隧道中间位置深部地温，受向阳及背阴影响，靠近出口位置地温略高于靠近进口位置地温；当孔口(衬砌壁面)温度小于围岩深部地温时，围岩内部温度随深度的增加而增加，直至深部地温；当孔口(衬砌壁面)温度大于围岩深部地温时，围岩内部温度随深度的增加而减小，直至深部地温；围岩内部温度随外界温度变化而变化，-03-16以后围岩内部均为正温，-01-29～-03-16测试期间围岩内部存在一定范围的负温；围岩内部温度0 ℃位置随外界温度及测孔位置的变化而变化，外界温度越低，围岩内部0℃位置越深，测孔位置越靠近洞口，围岩内部0 ℃位置越深；距进口30 m测孔围岩冻结深度为1.15～1.5 m，距进口74 m测孔围岩冻结深度为1.05～1.5 m，距进口210 m测孔围岩冻结深度为0.45～0.6 m，距出口505 m测孔围岩冻结深度为0.03～0.25 m，距出口43 m测孔围岩冻结深度为0.65～1.5 m，距出口12 m测孔围岩冻结深度为0.75～1.55 m，隧道中间测孔(距进口1 407 m)围岩无冻结。围岩有冻结现象的测孔距洞口距离约为500 m。
6实测风速、风向及流量
该地区年平均风速2.4～4.2 m/s。较冷月以西北风为主，风力较大；较热月以南风为主，风力较小。杀虎口隧道基本为南北方向，进口位于北端，出口位于南端，故在较冷月隧道的主导风向为由进口吹向出口。
洞内风速受外界网速影响显著，较冷月受风向影响，进口段风速一般大于出口段，洞内沿程风速受曲线隧道、列车运行及局部气流等多种因素影响而呈不规律波动。
实测隧道总排水量98～134 m3/d，出口段500 m范围内基本无水，排水量较大区段主要位于进口段1 300 m范围内。
7隧道冻害重点区域分析
工程实践证明，围岩发生冻胀的基本条件，一是气温在0 ℃以下，而且时间要足够长；二是围岩有明显的冻胀性质，硬岩和粗颗粒土一般是不会冻胀的；三是围岩中有足够含水量，否则围岩也不会冻胀。并不是所有围岩在低温条件下都会发生冻胀，只有抗压强度小、结构松散、含水量大的围岩才可能发生冻胀。相关试验表明，在300次冻融循环作用下，泥岩的质量损失最为显著[12]。
通过对杀虎口隧道冻害防治的系统监测，实测洞口最低气温-23.9 ℃，最冷月洞内温度0 ℃位置距洞口1 000 m以上，围岩最大冻结深度1.55 m，围岩有冻结现象的测孔距洞口距离约为500 m。衬砌表面负温段长度随季节变化而变化，如负温段衬砌存在渗漏水时有可能产生衬砌冻胀而开裂，应加强防护。实测出口段500 m范围内基本无水，排水量较大的区段主要位于进口段1 300 m范围内。
由此根据隧道冻害的低温及含水围岩的形成条件推断，杀虎口隧道最有可能产生冻害的区段为进口段500 m范围，特别是进口段417 m的Ⅴ级砂岩夹泥岩及泥岩是冻害防治的重点区域，有可能产生衬砌渗漏水、衬砌开裂、挂冰、排水沟冻结及仰拱开裂等冻害。
8结论
通过对寒区运营铁路隧道冻害防治监测系统设计和监测结果分析，得出如下主要结论。
(1)监测系统由洞外环境监测、洞内环境监测、地下水监测及衬砌结构监测4个部分组成。
(2)该地区极端最低气温达-40 ℃，最冷月为1月份，历史月平均最低气温为-22 ℃；平均年降雨量423 mm；较冷月以西北风为主，风力较大。
(3)受测试条件影响，洞口最高及最低气温与当地气温有一定差距，洞口气温每日6：00～8：00取得最低值，14：00～16：00取得最高值。
(4)较冷月洞内环境呈洞口低、中间高分布规律，较热月呈洞口高、中间低的分布规律，即隧道洞内“冬暖夏凉”；洞口段受每日气温变化影响较大，隧道中间段影响较小。
(5)围岩最大冻结深度1.55 m，围岩有冻结现象的位置距洞口距离约为500 m。
(6)该地区具有发生冻害的基本条件，最有可能产生冻害的区段为进口段500 m范围，有可能产生衬砌渗漏水、衬砌开裂、挂冰、排水沟冻结及仰拱开裂等冻害。
参考文献：
[1]周幼吾，郭东信，邱国庆，等.中国冻土[M].北京：科学出版社，2000.
[2]陈建勋.隧道冻害防治技术的研究[D].西安：长安大学，.
[3]吕康成，吉哲，马超超，等.寒冷地区隧道温度、渗流规律与冻害预防[J].现代隧道技术，，49(1)：33-38.
[4]罗彦斌，陈建勋，王梦恕.隧道冻害等级的划分[J].北京工业大学学报，，36(4)：458-462.
[5]关宝树.隧道工程维修管理要点集[M].北京：人民交通出版社，.
[6]宋鹤，叶朝良，米俊峰，等.吉图珲客运专线后安山隧道温度场分布规律测试及分析[J].铁道标准设计，，59(7):119-123.
[7]刘志春，李文江，朱永全，等.青藏铁路风火山隧道洞内外温度实测与分析[J].铁道标准设计，(11):56-58.
[8]孙兵.寒区隧道冻害等级及其设防等级研究[J].铁道标准设计，(4):88-92.
[9]祝安龙.对东北某铁路隧道冻害产生原因的思考[J].铁道标准设计，，57(11):81-83.
[10]谭贤君，陈卫忠，于洪丹，等.考虑通风影响的寒区隧道围岩温度场及防寒保温材料敷设长度研究[J].岩石力学与工程学报，，32(7):1400-1409.
[11]吕康成，吉哲，马超超，等.寒冷地区隧道温度、渗流规律与冻害预防[J].现代隧道技术，，49(1):33-38.
[12]关宝树.我对隧道冻害的基本认识[J].铁道标准设计，(S):1-7.
收稿日期：-11-09； 修回日期：-12-03
基金项目：神华准池科技创新项目(()2号)
作者简介：呼枭(1971—)，男，高级工程师，毕业于大连交通大学交通运输专业，工学硕士，E-mail：huxiaoml@。
文章编号：1004-2954()07-0107-05
中图分类号：U457
文献标识码：A
DOI:10.13238/j.issn.1004-2954..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
