热棒技术在多年冻土地层隧道施工中的应用

田敏哲

(中国铁建十一局集团第二工程有限公司，湖北 十堰 442013)

热棒技术在多年冻土地层隧道施工中的应用

田敏哲

(中国铁建十一局集团第二工程有限公司，湖北 十堰 442013)

根据热棒的工作原理，利用热棒制冷技术降低隧道冻土围岩的温度。结合青海省共和至玉树公路姜路岭隧道洞口段冻土地层热棒施工，介绍了热棒在隧道洞口冻土段的平面、横断面及监测元件布设情况。通过采用冻土地层热棒制冷控温，对由于隧道开挖后热扰动造成的冻土温度的升高进行有效控制，并使冻土及时回冻保持原状，确保了隧道洞口段结构安全。对以后高寒高海拔地区冻土地层的隧道洞口段施工具有推广价值。

热棒制冷 多年冻土 公路隧道 高海拔

1 工程概况

青海省共和至玉树公路通过多年冻土段，是青藏高原腹地大片连续多年冻土区逐渐向岛状多年冻土区过渡带。沿线分布有大片连续或不连续多年冻土，多年冻土平均地温高，正处于退化阶段。姜路岭隧道位于连续多年冻土区段，隧道高程在4 280 m以上。气候特点为冬季寒冷漫长，多风雪，易成雪灾;夏季气候凉爽，雨水较充足，终年霜雪不断。空气稀薄，气压低含氧量少，大气含氧量比平原地区低40%，缺氧严重。年平均气温 －4.2℃，年最高气温3.5℃，年最低温度－30℃。多年冻土区上限1.6～2.2 m，下限28～42 m。

姜路岭隧道左线长2 925 m，右线长2 845 m，进出口均位于多年冻土区，进出口冻土段左线长575 m，右线长440 m。冻岩强度高，开挖后冻岩融化，裂隙张开，强度降低。融沉类型为融沉、强融沉。受反复冻融作用，开挖后初期支护极易变形。为了确保洞口段冻土围岩在开挖后洞身稳定及减少冻土层融化及冻土层上水对隧道施工的影响，采用热棒群尽早使冻土热融圈回冻，形成地下“冻土防渗幕”。同时降低冻土温度，提高冻土强度，在隧道洞身周边形成“冻土抵抗层”，以减轻冻结层上水的冻结压力对隧道冻土段内隔温层及防水层造成影响。

2 热棒制冷工作原理

热棒制冷技术是一种利用液、汽相的转换对流循环来实现热量传输而制冷的，是一种采用天然冷量无需外加动力的制冷装置，是无源冷却系统中效果最好的装置。具有传热能力强、传热温差小、启动温度低、均温性能好、单向传热以及安全经济等特点。它是由一根密封的钢管制成，里面充以工质。管的上部装有散热片，称之为冷凝段，置于地表以上空气中;管的下部埋入地下多年冻土中，地下段称为蒸发段。在寒季来临，空气温度降至低于地下多年冻土温度时，在蒸发段与冷凝段之间形成温度差(冷凝段的温度低于蒸发段的温度)，热棒就会启动工作。蒸发段的液体工质吸热蒸发成气体，在压差的作用下，蒸汽沿管内空隙上升至冷凝段，与管壁接触放出汽化潜热，冷凝成液体，在重力的作用下，冷凝液体工质沿管壁回流蒸发段再吸热蒸发(见图1)。如此往复循环，将地层中的热量传输至大气中，从而降低了多年冻土的地温［1］。当冷凝段温度高于蒸发段的温度时，热棒中液体工质蒸发后形成的蒸汽到达冷凝器后不能冷凝，液体停止蒸发，热棒自动停止工作。因此热棒具有单向传热的特点，大汽中热量不能通过热棒传至冻土中。由于热棒利用潜热进行热量传输，故其传输效率极高。利用热棒控温技术对多年冻土地层进行温度控制，有效地防止了多年冻土发生融沉［2］。

3 洞口段热棒及测温元件的布设

3.1 热棒的布设

图1 热棒工作原理示意(单位:m)

热棒在隧道冻土地层中应用，主要是利用热棒对冻土地层进行温度控制，将其布设在隧道所处位置地表，蒸发段埋进冻土地层，宽度超隧道最大宽度外3 m，纵向长度根据隧道洞口段冻土围岩长度进行控制。由于隧道洞顶标高存在差异，因此按照热棒平面布置图进行放点，图2为隧道左洞进口的热棒布置。蒸发段长度4.5～11.0 m，根据现场测量结果确定。所采用热棒冷凝段长度2.5 m。横断面布置以隧道中线为中心，奇数排热棒布设在隧道中线及两侧0，3，6，9 m处共7列。偶数排布设在距隧道中线向两侧1.5，4.5，7.5，10.5 m处共8列。排数根据隧道洞口段冻土围岩长度控制，热棒横断面布置图见图3。

热棒的布设间距根据修正的傅里叶方程计算，得到热棒有效传热半径为1.72 m。为了使热棒制冷效果均一，热棒工作形成的“冻土防渗幕”顶部在同一平面，尽量减少因冷却不均而形成高低不平的人为上限在暖季对冻结层上水的阻滞。结合青藏铁路和公路等工程热棒使用效果，热棒在平面上采用间距为3 m的梅花形布置［3］。

3.2 测温元件的布设

测温元件分别布设在4个洞口热棒布设区。每个洞口布设2个监测断面。测温元件布设在每个洞口的同一排热棒，可设置在第一排或靠近后排处任意一排。每个监测断面对隧道中心线处拱顶和隧道外侧2处进行监测，每处设3个测温孔(分别距离热棒0.5，1.0，1.5 m)。在测温孔内布设测温元件(测温元件采用热敏电阻，电阻间距0.5 m)。具体布置参见图2。

图2 姜路岭隧道左洞进口侧地表热棒及测温元件平面布置

图3 隧道热棒横断面布置(单位:m)

4 热棒、监测元件及设备安装

4.1 热棒安装工艺流程图(见图4)

图4 热棒安装工艺流程

4.2 施工机械设备及仪器(见表1)

表1 施工机械设备及仪器

4.3 热棒及监测设备安装施工

1)施工准备:①施工组织设计报审，对现场施工人员进行施工技术及安全交底;②施工前对热棒、测温管埋设点进行准确放样，对设计地表高程进行复测，发现可能出现的地表高程变化情况，及时调整相关方案，保证施工的顺利进行;③选择合适的热棒、测温管堆放场地，存放地应紧靠施工现场，尽量减少热棒的倒运;④选择合适的起吊设备，制作合适的辅助工具，搬运、起吊安装不得损坏散热器及防腐涂层;⑤选择合适的钻孔机械，钻孔直径比热棒管壳大5～8 cm;⑥备好钻孔回填材料。

2)热棒施工:①确定安装热棒的位置，对机械安置点及钻孔位置的草皮进行移植养护。②钻孔直径108 mm，钻进方法原则上采用干钻，视地层情况亦可加入少量冷水，采用小循环钻进，钻孔深度比设计深度大10～20 cm。③钻孔完成后，检查孔径和孔深，将钻孔中泥浆清除干净。④钻孔检查符合质量要求后，将热棒吊起插入钻孔，检查垂直度合格后进行固定。⑤热棒固定用灌中粗砂填充热棒与孔壁之间的间隙，采用水中沉砂法，即先将冷水灌满热棒与孔壁间的空隙，再将中粗砂慢慢灌入，可分多次回填。施工过程中注意工具不要损坏热棒外涂层。可采用土工布对地表以上1.5 m高范围进行包裹保护，施工完后拆除。灌砂数量应与设计数量相符，在回灌过程中孔中的水则会自孔内溢出。回灌必须饱满密实，以减少蒸发段的热阻，确保热棒工作效率［4］。⑥固定热棒的支撑物在填料冻结后拆除。回填泥浆回冻时间一般为5～7 d。⑦回填中粗砂冻结、热棒安装稳固后，拆除支撑物。

热棒安装完成后(见图5)，对施工场地进行清理，将施工垃圾清理远运，集中处理或埋藏于地表以下，复原地表原状。最后对热棒施工进行全面验收。

图5 热棒施工完成后现场照片

3)热棒棒身垂直度允许偏差:棒身垂直度允许偏差为棒身长度的1%，用经纬仪或吊线测量，按100%进行全面检查。

4)热棒安装施工注意事项:①热棒的结构、形状、规格及工作性能达到《热棒》(GB/T 27880—2011)［1］的有关要求。②热棒运至工地后，进行外观检查和产品质量抽查。热棒的总长度、直径、散热器的类型及长度、表面防腐、反射涂层的颜色及质量应符合规范要求。热棒应整齐规则地堆放并覆盖。③热棒的制作工艺比较复杂，壳体容器的密封要求十分严格，稍有渗漏热棒将不能工作。在搬运和安装过程中，防止碰撞，保护防腐反射涂层。防腐反射涂层在施作过程中如有损坏，及时补涂。④热棒的吊装采用软质吊索，安装过程中应注意防止碰撞、摩擦棒身，在起吊安装过程中对上部的散热片要防止损坏。⑤热棒安装孔钻孔时孔深要严格按测量交底进行，以防钻孔过深对隧道防排水系统造成破坏。⑥热棒安装固定到位后，应及时采用中粗砂对热棒与孔壁间的间隙进行回灌。⑦热棒安装好后，做好相关防护工作，防止后期工作损坏热棒。⑧监测元件与设备在热棒安装时同时埋入。⑨由于施工所在区域多年冻土区生态环境极为脆弱，施工时应采取草皮覆盖保护、临时移植养护等措施，同时严格限制临时工程活动范围，尽可能减少对多年冻土生态环境的破坏。热棒安装完成的区域须尽快清除钻渣等杂物，做到“工完、料净、现场清”。对无法避免而受到破坏的地表区域，天气回暖后要及时回植草皮，并进行覆盖养护。

5)测温孔施工注意事项:①每个测温管均高于原地面20 cm，以便后期埋设测温线及保护管。②测温孔的位置及深度均按照本方案的设计严格施作。③测温孔垂直度允许偏差为孔深的1%。④测温管埋设后，采用沉水法灌入中粗砂回填测温管与孔壁之间的间隙，此过程中严格控制质量，确保填饱满密实。延伸的测温管道要埋在地面以下，不得露出地面，管内分段设置毡垫，以阻隔空气流通，并将管口用棉纱封堵。⑤施工时严格限制临时工程活动范围，尽可能减少对多年冻土生态环境的破坏，天气回暖后要对施工破坏过的地表及时回植草皮，并进行覆盖养护。

5 结语

姜路岭隧道洞口冻土段通过采用热棒制冷技术，有效地减缓了由于隧道施工对冻土的热扰动影响。经过两个冬夏的观察，隧道初期支护及衬砌未出现变形破坏。施工时只是对暗洞洞口段多年冻土地层采用了热棒冷冻防护，对明洞明挖段边坡在以后的施工中可以考虑采用热棒制冷技术对冻土进行防护，热棒布设不能影响明洞开挖，以控制冻土开挖后的热融，确保边坡的稳定。

［1］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会．GB/T 27880—2011 热棒［S］．北京:中国标准出版社，2012．

［2］李瑞杰．青藏铁路高含冰量地段半填半挖路基施工技术［J］．山西建筑，2006，32(3):99-100．

［3］潘卫东．热棒技术加强高原冻土区路基热稳定性的应用研究［J］．冰川冻土，2003，25(4):433-438．

［4］侯宪军．多年冻土区热棒路基工作原理与施工技术［J］．山西建筑，2008，34(4):285-286．

Application of thermosyphon technology to tunnel in permafrost region

TIAN Minzhe

(The Second Engineering Co．，Ltd．of China Railway Construction 11th Bureau Group，Shiyan Hubei 442013，China)

According to the working principle of thermoprobe，the temperature of tunnel surrounding rock can be reduced by using hot rod refrigeration．A case study was introduced in this paper．Take the construction of Jiang Lu-Ling tunnel entrance in Gonghe-Yushu Road in Qinghai as an example．The layout of the thermoprobes and monitoring elements in the frozen soil layer were introduced．With the thermoprobe cooling in the frozen layer，the temperature control was realized after the excavation of tunnels，which caused the thermal disturbance and the increase of layer temperature．Furthermore，it helped the frozen layer return back to the undisturbed situation and remain that，ensuring the safety of tunnel entrance section structure． This technology deserved widely use in the tunnel portal construction in the cold，high altitude region．

Thermoprobe cooling;Permafrost layer;Highway tunnel;High altitude

U455．49;TU475+．2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2014．10．08

1003-1995(2014)10-0032-04

2014-06-10;

2014-09-20

田敏哲(1980— )，男，陕西岐山人，高级工程师。

(责任审编 赵其文)