高寒地区大断面公路隧道设计、施工关键技术研究项目建议书

高海拔地区大断面公路隧道设计、施

工关键技术研究

建议单位：中交第一公路勘察设计研究院有限公司（公章）申报日期：2016 年 1 月20 日

1. 申报项目基本信息

2. 项目的背景和必要性

1. 1研究背景

高海拔地区主要是从医学角度上人体机能的适应能力加以界定的,一般指平均海拔在3000m以上的地域，主要包括高原和高山。在3000m海拔上可使大多数人在静息状态下出现不同程度的高原反应，超过这个海拔高度，人体在机能代谢上的改变更加明显。我国高海拔地区主要分布在西部的青藏高原及其周边，主要包括西藏自治区全部、和青海省、新疆维吾尔自治区、甘肃省、四川省、云南省的部分地区。

受喜马拉雅运动影响，形成了我国高海拔地区复杂的地形地貌条件。这些区域气候环境恶劣，积雪、冰冻、大雾等通常是影响行车安全的主导因素。受区域地质构造影响，在这些地区常发育有泥石流、滑坡等不良地质,威胁到路线的正常营运安全。

高原地区分布有大小的山脉和山系，地形起伏大，路线展现困难。基于以上原因，隧道工程成为绕避不良地质病害、减小恶劣气候对行车的影响、实现越岭展线、保护生态环境的一种重要工程手段。然而,气候环境上，我国高海拔西区普遍具有低气温的特点。以本项目特长隧道仲果隧道[1]为例，隧道进出口海拔4100左右, 最冷月月平均气温-9.5℃,极端最低温-36.2℃，全年积雪EJ为5?6个月,大雪、吹雪、雪崩、暴雨、低温寒潮等气候灾害不断。另一方面，地温环境条件也给□道维修工作带来了很大的困难。

对高海拔隧道，围岩、地下水、太阳福射、地温、隧道通风等多种因素相互作用，进行着复杂的热量交换过程，易出现洞内路面结冰、衬砌裂损、渗漏等严重冻害问题，给隧道运营管理、维修和整治提出了严峻挑战。因此，高海拔地区寒区隧道的冻害防治成为隧道工程设计、施工和运营中必须考虑的重要内容。

我国目前已建成的著名高海拔公路、铁路隧道。通过这些高海拔寒区隧道的修建，积累了初步的建设经验。

我国青藏高原区域内蕴藏着丰富的水力和矿产资源，主要为藏族聚居区，经济和社会发展相对滞后。随着国家西部大开发战略的实施以及综合国力的增强，发展西部尤其是少数民族地区经济, 开发西部地区的丰富资源，促进国防后勤保障建设，打通进藏交通线(川藏、青藏、滇藏),具有紧迫性和必要性。因此，青藏高原周边的高山峡地将成为未来交通建设的热点地区。

目前，在青藏高原区域内建设和规划了多个交通工程的重大工程项目。如南水北调、青藏、川藏、滇藏几条进藏交通线的公路与铁路工程等,这些工程项目意义显著，建设规模庞大，隧道工程将在其中具有重要地位。随着青藏高原周边区域的交通基础设施建设和水力资源的开发，开展和推动隧道抗防冻技术研究，对提高我国修建高海拔寒区隧道的技术水平，适应未来交通建设需要，具有重要的现实意义。

目前处于即将投入建设的京藏公路（那拉段）仲果隧道工程,规划建设长度为5300m，隧道洞口高程在4200m左右。与青藏高原上已建成的大坂山、昆仑山、风火山三座隧道以及正在修建的米拉山隧道相比较,在地理环境上同属于中低维度高海拔严寒地区。本文主要以仲果隧道隧道为工程背景，对高海拔寒区隨道防冻害设计问题进行一系列的研究工作。

3. 项目前期科研及工作基础

3.1 国内外研究现状

根据调查发现，冻胀力是造成寒区隧道衬砌结构破坏的外力根源。已修筑的寒区隧道由于冻胀力的作用,普遍存在着严重的工程冻害。日本在20世纪70~80年代对寒冷地区隧道的调查分析结果表明,冻胀力是寒区隧道变形破坏的重要原因之一。因此,寒区隧道修筑与维护难点之一是隧道防冻胀。世界各国在寒冷地区修建交通隧道时均将抗防冻性作为重

要的课题进行研究。研究工作主要在以下两个方面进行：

（1）基础性的研究工作。主要针对围岩的冻融特性，冻胀机理，隧道冻结深度，围岩、衬砌及保温隔热材料的热传导特性，隧道衬砌结构形式的优化等方面进行研究。

（2）应用技术的开发、研究工作。主要在基础研究的支撑下，研究隧道的抗防冻措施，开发长期耐用的保温隔热材料，研究保温隔热层类型和合理厚度，严寒设防段合理长度等。

日本的隧道工作者对冻害的防治进行了系统的研究，获得了许多宝贵经验，概括起来，其措施可分为隔热法和加热法两类（见下图），一般采用前一类，后一类还有待进一步试验、改进。

冻害防治措施分类

前苏联因为处于严寒地区，隧道供暖有的用电力，采用管式电力加热器，水沟保温用新型高效的保温材料，如硬质泡沫塑料，泡沫玻璃和陶土等；有的地方用热水或蒸汽对水沟进行加温。

从目前来看，我国对冻害的防治主要从水、温度、衬砌设计三方面出发，提出相应的工程措施，或采用综合治理的办法。主要的措施有：采用隔热保温技术、加强防排水及优化衬砌结构等，但是还没有完善的理论体系和系统的处治对策，处治效果也有待进一步验证。到目前为止还没有正式的寒区公路隧道冻害处治的相关规程，各个设计单位往往各自为政，即使考虑防冻设计，也往往采用不同的方法。

在风火山、昆仑山隧道建设中，为避免产生病害从应用隔热保温技术，加强排水及优化衬砌结构等方面出发，采取了“防、排、截、堵”的综合防治措施。该隧道结合其支护形式，在初期支护与模筑衬砌之间设5cm厚的隔热保温层。设计中考虑最热月平均气温与岩面的温度差计算出保温层厚度。保温层采用硬质聚氨酯，考虑在多年冻土层中防排水设计以堵为主，结合隔热保温措施，尽量减小贯通后衬砌内外侧的热交换，使围岩当中的水处于冻结状态。在昆仑山隧道中部DK977+300 - +500段可能的融化区，地温较高，为避免衬砌背后的水在寒季冻结发生冻胀，在支护与衬砌之间敷设隔热保温层，确保衬砌背后的排水顺畅；同时采用中空注浆锚杆对周边围岩实施低温注浆，以封堵融区基岩裂隙水；洞内双侧设保温水沟，通过边墙泄水孔引排衬砌背后积水；运营期间考虑融冰措施以防排水沟冻结。

3.2 参考文献

[1] Akira Inokuma，Shigero．Road Tunnels in Japan：Deterioration and

Countermeasures[J]．Tunnelling and Underground Space Technology，1996，11(3)：305-309．

[2] 黑川義範．隧道冰柱防治工程和隔热衬砌[J]，隧道译丛，1984，(1)：

35-44．

[3]中华人民共和国交通部.2004.公路隧道设计规范（JTG D70-2004）.

北京：人民交通出版社.

[4] 中科院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室

（1995-2001）.高海拔寒冷地区隧道工程冻害防治技术研究. [5] 中国科学院兰州冰川冻土研究所，陕西省公路勘察设计院．宁－张公

路大坂山隧道冻土预报、模型试验及风吹雪灾害防治研究[M]．1995，33-41．

[6] 张祉道，王联．高海拔及严寒地区隧道防冻设计探讨[J]．现代隧道技