气象要素在雪山梁高海拔隧道设计中的运用

李泳伸，林国进，郑金龙

(四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610041)

0 前 言

区别于一般平原地区的隧道，高海拔寒区隧道工程技术方案，更加依重于隧址区的气象调查资料。大量已修建完成的高寒隧道由于寒冷气候的影响，除了存在一般地区常见的病害以外，还有特殊的冻害，导致隧道结构发生不同程度的破坏，通车能力剧减，甚至危及行车安全。究其最根本的原因，在于隧道洞口越岭标高选择不当，导致发生隧道衬砌冻胀、底部积水成冰甚至冰塞等严重的安全问题，有的高寒隧道甚至长期处于“能修不能用”的尴尬局面。

因而可以认为，确定隧道越岭标高是影响高寒隧道工程成功的最关键因素。《公路隧道设计规范》(JTG D70/2—2014)对于气象调查的内容作了相应规定，但对于如何使用该类资料没有具体说明，依靠使用者自身经验确定。

本文结合川黄公路雪山梁隧道的工程实例，重点针对该隧道如何运用气象资料解决高海拔寒区隧道关键性问题进行总结提炼，为今后类似工程提供参考。

1 工程地理气候概况

川(川主寺)黄(黄龙)公路雪山梁隧道，地处四川省阿坝藏族羌族自治州松潘县境内，是四川省路网结构中松潘至平武县道1202线和九寨旅游环线的组成部分，亦是黄龙核心景区与川主寺后勤基地唯一的连接公路。

项目地处岷山山脉。雪山梁北为5 010 m红星岩山峰群，平均海拔4 500 m，南东南为5 588 m雪宝顶峰群，平均海拔高于4 500 m以上。山体沟壑纵横，高差悬殊，北面山体深切、陡峻，山体裸露；南面相对平缓，植被茂盛。

雪山梁雨热同季，冬寒夏凉，冬干夏湿，垂直气候变化显著，降水主要集中在夏季(冬季11～4月，夏季5～10月)；冬春季节多大雪，局地天气变化剧烈，山顶附近多雾；阴阳坡气象要素差异大等气候特点。

2 主要气象要素及分析

雪山梁隧道建设项目是四川省阿坝州重点建设项目。为做好隧道气象条件评估工作，阿坝州气象局专门成立川黄公路雪山梁隧道气象可行性论证项目组，根据隧道附近气象台站的历史气象探测资料，利用天气学、气候学、高原山地气象学及相关的数理统计原理方法，结合现场调查情况，进行分析论证，形成《阿坝州松潘雪山梁隧道工可气象评估》报告，该报告对于雪山梁各高度气象要素进行了分析评价。

2.1 气温变化特点

雪山梁气温随海拔高度的增高而降低。东、西两侧山体气温的垂直分布差异不大，温度垂直递减率为冬季大于夏季。冬季平均为0.82℃/100 m，夏季平均为0.61℃/100 m。谷底到山顶平均温差6.0℃～8.0℃甚至更高。

2.2 各高度层气压变化特点

雪山梁(3 000～4 000 m)最高气压在山底为713.7 hPa，最低气压在山顶为612.9 hPa，平均压差为87 hPa，相同高度最低气压出现在2～3月份，最高气压9～11月份，同高度气压最大变化幅度达13.8 hPa，东西口3 400 m压差不超过2 hPa。

2.3 各高度层降水特点

雪山梁最大降水3 200～3 300 m，年平均降水量大于900 mm，最大量年降水可达1 000 mm以上；3 100～3 500 m高度降水充沛，最大降水主要出现在喇叭口地形谷底，历年月最大降水量出现在6月3 200 m高度上，月降水量达253.8 mm(30年一遇日最大降水出现在此高度上的9月份达57.2 mm)。雪山梁的降水主要集中在4～10月，占91%。汛期5～9月，降水量占73%。3 700 m以上高度降水日数约多于3 500 m以下高度日数。700 m以上降水量总量比3 500 m降水量总量要少。

2.4 雪山梁高度层冰雪情况

雪山梁冰雪值，海拔3 300 m以下高度，积雪主要出现在10～5月；6～9月基本无积雪。最大雪深可达26 cm，历史最长月积雪可达26天。3 400 m高度东西洞口附近积雪主要出现在10月～次年6月，其中7、8、9三个月基本无积雪，最大雪深可达27 cm，历史最长月积雪可达30天，年平均积雪日数6.2天。3 500 m以上高度一年内各月都有出现降雪的可能。积雪天数随高度增加递增率为1～2天/100 m。最大积雪深度可达30 cm以上，连续积雪最长在隆冬，3 800 m以上高度(12～2月)都有积雪出现可能，山顶附近连续积雪最长可从11月到次年3月。各高度最大雪深一般出现在3～4月，其次在10～11月出现。在同高度上阴坡及喇叭口和低洼处积雪比阳坡多5～8天，积雪深度差异大于5～8 cm。因此推测雪山梁阴山最大雪深应大于40 cm；11～4月，积雪日数占总积雪天数的93%；55°以上斜坡有出现雪崩可能。

2.5 雪山梁各高度层地温特点

海拔3 400 m以下高度的浅层地温(5～40 cm)，1月、2月、12月基本上低于0℃，对工程开挖有一定难度；海拔3 500 m以上高度1～3月，11～12月都有浅层地温低于0℃情况，易产生冰雪路面。

2.6 雪山梁各高度层冻土特点

根据资料推算，3 400 m以下高度9月～次年5月有冻土出现。其中，12月～次年4月冻土深度可达50 cm以上，最大可达77 cm，洞口3 400 m附近平均冻结时间在9月下旬，解冻在次年5月下旬(解冻时间自下而上每100 m推迟3～6天；冻结时间自上而下每100 m推迟5～7天，冻土深度阴山比阳山深5 cm左右；在4 000 m高度，冻土最大深度可达100 cm以上)。各高度上7月份均无冻土现象。

2.7 雪山梁各高度层雾日特点

洞口3 400 m附近年最多雾日为20天，月最多雾日出现在5月份可达5天；3 700 m以上高度月最多雾日可达16天，最多雾日出现在6～9月；3 700 m以下高度雾日主要出现月份在4～6月和9～10月。

2.8 雪山梁各高度层风向风速变化特点

雪山梁东西两侧盛行山谷风，主导风向随沟谷在45度范围内变化，平均风速随高度增加缓慢，山顶附近风速增速明显。2～10月，盛行谷风；11～1月，盛行山风，谷底附近静风较多。迎风面最大风速可达18 m/s以上，西侧夏季盛行偏西风，最多风向在NNW～SW夹角内，冬季盛行偏北风，风向在ESE～NW范围；东侧洞口夏季盛行偏东风，风向在E～SSE范围，冬季盛行山风，风向NW～NE。两侧洞口附近平均风速2.5 m/s。

2.9 雪山梁各高度层湿度、蒸发情况特点

蒸发量随高度增加变化不大，主要特征为：冬季蒸发量明显小于夏季，有明显高原干季特点；4～8月，平均蒸发量大于100 mm；1月、2月、11月、12月空气干燥；5月、6月、9月偏湿。海拔3 800 m以上，年空气湿度偏干；海拔3 800 m以下，表现湿润。3 000～3 300 m，4～10月空气湿润。3 400～4 000 m，湿润季节为5～10月。月平均相对湿度6～10月大于70%，空气相对湿润。其余时小于70%。

3 气象要素的运用

3.1 在隧道越岭标高选择的运用

根据气象报告所提供的各类资料，雪山梁隧址区海拔3 200～3 800 m段每100 m气象资料统计数据，进而确定雪山梁隧道越岭高程的主要控制因素。

1)从年平均气温为正，在3 600 m海拔时，年均气温为0.5℃，表明越岭高程宜控制在3 600 m以下。

2)从风速统计资料看，3 500 m海拔以下谷地风速较小，增加不明显，故隧道越岭高程宜控制在3 500 m以下。

3)海拔3 400～3 500 m，年均雾日增长最快，同时在3 500 m以上，春秋季节降雪伴雾天所常造成水平能见度不到10 m，表明隧道越岭的理想高程应在3 400 m以下。

4)雪山梁地区每年11月至次年3月是降雪最集中的五个月，按150天计，隧道洞口宜将降雪天数控制在75天，隧道越岭高程选择在海拔3 400 m附近较为适宜。

综合以上主要控制因素，同时考虑到合理控制造价，隧道前期方案阶段确定雪山梁隧道的越岭高程在3 400 m以下。最终，雪山梁隧道设计洞口海拔高程在3 370 m左右，隧道主洞全长7 966 m，设置平行导洞长8 086 m。

在该海拔高度上，其最冷月平均气温在-7.7℃～-8.5℃间，年平均气温在2.7℃～-1.9℃间；平均气压672.3 hpa，含氧量约67%；年积雪日数5.5～6.2天，最大积雪深度26 cm左右；最大冻土深度77 cm；年最多雾日不超过10天。

3.2 在隧道衬砌保温层设计的应用

在保温设防段长度的考量上，目前的分析理论和设计方法都不够成熟，无法论证清楚那种方法更成熟更可靠。目前已有相关经验公式法、查表法和工程类比法的分析。

根据(日)黑川希范公式，洞口保温设防段长度可由式(1)确定：

y=154.7(-t)0.604

(1)

式中，y为洞口保温设防段长度；T为隧道洞口最冷月的月平均气温。

根据隧道气象评估报告，高程3 370 m隧道洞口最冷月月平均气温为-8.3℃,计算得出保温层设防长度为555.4 m，综合停车带布设、运营通风等因素综合确定隧道保温设防段长度主洞取720 m，平导取900 m。经目前运营情况，设置长度合适。

根据隧道气象评估报告，隧址区3 400 m高程冻土层厚度推算值小于80 cm，黏土导热系数为1.3 w/m·k，则0.8 m厚黏土之热阻为：

(2)

设置保温层后，衬砌结构的热阻为：

(3)

式中，t衬为衬砌混凝土厚0.40 m(偏保守计，按Ⅳ型衬砌厚度计入，取了衬砌厚度认为衬砌背后不受冻，而本文更保守认为衬砌表面不受冻，所以应取0)，t塑为待求保温层厚度，钢筋混凝土导热系数K砼取2.0w/m·k，保温层K塑取0.03 w/m·k。二者保温效果应相同则R粘=R衬。

即：

(4)

则

t塑=0.013(m)

即保温层厚度需大于13 mm。

保温层厚度计算一般采用式(5)：

(5)

式中，δ为防冻保温层的厚度，m；δ1为黏土最大冻结深度，m；λ1为围岩的导热系数，W/(m·°C)；λ为防冻保温层的导热系数，W/(m·°C)；r为隧道的当量半径m。

对比其他高海拔寒区隧道的保温泡沫层取值，如大板山隧道为50 mm，青藏铁路亦为50 mm，鹧鸪山隧道40 mm。鉴于目前理论和实践经验有限，本项目综合计算分析和工程类比，建议按50 mm厚度进行设置。

3.3 在隧道防排水设计的运用

有关隧道设计规范指出，长度超过1 km寒冷地区的隧道，其洞口段考虑中心沟埋置深度按当地黏性土最大冻结深度考虑。根据隧道气象评估报告，隧址区3 400 m高程冻土层厚度推算值小于80 cm，以此确定本隧道中心排水沟的埋置深度。由于洞身非深埋段水沟也已在路面标高点下60 cm，设计采用减小仰拱曲圆半径的方式，将中心水沟(见图1～2)设置在仰拱填充以内就可以达到这一要求，考虑本隧道洞口段以裂隙发育的灰岩为主，有一定地下水渗水通道，将埋置深度及纵向长度均适当加大，增加工程量较少，更利于洞口段冬季排水通畅。

图1 洞身段中央水沟埋置情况

图2 洞口段保温段中央水沟埋置情况

很多寒区隧道将深埋水沟直接埋置在仰拱之外，雪山梁隧道深埋水沟设置于仰拱之内，减小了施工难度。

3.4 对隧道低温施工的要求

根据相关规范，当环境昼夜平均气温(最高和最低气温的平均值或当地时间6时、14时及21时室外气温的平均值)连续3d低于5℃或最低气温低于-3℃时，混凝土施工应按低温施工要求施做，故设计需要对隧道冬季施工提出相关要求，以保证低温条件下的工程质量。

4 结 语

雪山梁隧道于2016年9月主洞与平导均实现贯通并经历了多个冬季，隧道未发生水沟结冰、结构冻胀等问题，实现了全路段全年全天候通行的建设目标。

1)完整翔实的气象观测资料是确定高寒隧道选线方案、控制工程规模的基础。已有研究资料表明，洞口段积雪超过20 cm时，行车困难，必须进行除雪处理。因此，从提高隧道使用率而言，隧道洞口宜尽量控制在冬季长期积雪小于20 cm的标高以下。

2)影响高寒隧道运营安全的气象因素多，要每一个气象因素都能达到最佳的工程方案是极其困难的。必须针对每个项目特点找准其控制因素，以达到工程的可实施性。如雪山梁隧道即使将高程控制在3 400 m以下，但仍存在短时间的雾日及降雪日，可以通过提高运营管理水平进行克服。

3)高寒隧道低温条件的施工质量是决定整个隧道质量的关键。设计提出了保证低温条件下的施工质量明确的要求，现场加强管理力度确保要求的执行，保障了雪山梁隧道整体质量。

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