對寒區(qū)隧道防寒泄水洞的一些探討

王先義,徐小濤

(重慶交通大學土木與建筑學院,重慶400074)

隨著我國在青藏高原鐵路、公路建設的興起,高海拔寒冷地區(qū)隧道的關鍵技術問題日益受到工程界的關注和重視。在高海拔寒區(qū)修建隧道工程,與一般地區(qū)相比,技術問題要復雜得多,防抗凍技術是高海拔寒區(qū)隧道一大難題。在我國東北和西北地區(qū)有33座鐵路及公路隧道,由于地處寒區(qū),這些隧道都有不同程度的凍害。有的隧道由于凍害的影響,常年有8～9個月不能正常使用,有的隧道由于凍脹力的作用,襯砌裂縫寬達5 cm,嚴重影響正常運營[1]。

為了最大程度減輕隧道的凍害影響,建立合理有效的防排水系統(tǒng)至關重要。防寒泄水洞是隧道排除地下水的主要措施之一,其形狀類似一個帶孔的小隧道,位于隧道的正下方,泄水洞這種排水措施,可以大大減少或消除隧道內部冒水、掛冰、積冰、凍脹等病害[2]。但同時,防寒泄水洞對隧道的初期支護也有一定影響,本文結合青海省共和至玉樹段的姜路嶺隧道實際工程,利用數(shù)值分析軟件對其影響進行模擬分析。

1 工程概況

1.1 地形與地貌特征

隧址區(qū)屬冰緣侵蝕中高山,地形中間高南北低,東西兩側為山脈走向峰脊,海拔高程4 690 m,隧道海拔高度在4 280 m以上,地勢總體西北高東南低,地形起伏較大,屬中-淺切割區(qū),其溝谷地段較平緩,山梁斜坡地段陡峻,山脊線和緩起伏,從山頂?shù)缴降子忻黠@的分帶性,山頂部寒凍風化剝蝕作用強烈 ,山體坡度在 30°～ 40°之間,部分基巖裸露,坡下堆積碎石堆,植被不發(fā)育;中部坡度在20°～35°之間,局部基巖裸露,大部分為坡積、坡洪積覆蓋,地表草甸植被較發(fā)育;下部山體坡度較緩,坡度在15°～25°之間。山頂溝谷以“V”型峽谷為主,下部河谷橫斷面呈“U”型寬谷。該區(qū)是片狀和連續(xù)多年凍土分布區(qū),溝谷第四系松散堆積物分布廣泛,冰緣作用十分發(fā)育,熱融洼地、凍脹丘、凍土草沼等冰緣地貌較普遍。圖1為姜路嶺隧道進口。

圖1 姜路嶺隧道進口

1.2 隧址區(qū)氣象條件及沿線水系及水文概況

姜路嶺隧址區(qū)為高原大陸性半干旱氣候,冬季寒冷且持續(xù)時間長,年平均氣溫-4.2℃,年最低氣溫-10.3℃,極端最低氣溫-48.1℃,晝夜溫差大且氣壓較低,與平原相比,該地區(qū)的大氣含氧量低40%,缺氧嚴重,全年冰凍期長達7個月,降水期主要集中在五至九月份,年平均降水量369.2 mm。由此可見,該隧址區(qū)氣候條件十分惡劣,為典型的高原寒區(qū)隧道,需注意防寒抗凍的設計與施工,避免施工時或者施工完成后發(fā)生凍脹破壞。隧址區(qū)地表水主要為姜路嶺山頂及兩坡面接納大氣降水,順坡匯流,北坡流入山底小河,流量為0.1 m3/s～0.5 m3/s,最后匯入長水河;南坡流入山底小河,流量為0.1 m3/s～0.4 m3/s,最后匯入苦海;南、北坡地表水均為季節(jié)性流水,夏季時水量較大,冬季時水量較少,河床狹窄,河流彎曲呈S型。

2 隧道防寒泄水洞的施工探討

為了解決隧道圍巖低溫和水形成凍融的難題,在隧道底部3.5 m～5 m處修建防寒泄水洞,通過φ160PE豎向泄水管和φ100泄水孔與上層隧道排水系統(tǒng)相連接,形成上下連接的排水系統(tǒng),通過該系統(tǒng)將襯砌后面圍巖中的地下水匯集在泄水洞中,然后再排出隧道,如圖2所示。

2.1 防寒泄水洞保溫措施

防寒泄水洞在修筑完成后投入使用的過程中,如果不采取合理有效的保溫措施,在溫度低時,會發(fā)生泄水洞內結冰現(xiàn)象,泄水洞將喪失排水功能,比如在早期我國東北地區(qū)嫩林線西嶺1號、2號隧道[3],最冷月平均氣溫達到-28℃,在隧道運營期間,泄水洞部分段出現(xiàn)凍結,影響了隧道排水效果。

為防止這一點,泄水洞施工期間,需做好保溫措施。第一,泄水洞襯砌全線段鋪設保溫隔熱材料,溫度較高季節(jié)時,保溫層能阻止熱量向泄水洞襯砌背后流動,防止泄水洞附近圍巖發(fā)生熱融現(xiàn)象而影響隧道穩(wěn)定性。在極寒氣候條件下,保溫隔熱層能阻止泄水洞襯砌和圍巖熱量的散失,既能減小出現(xiàn)凍脹破壞的幾率,又能保持泄水洞內溫度,使洞內不出現(xiàn)凍結現(xiàn)象。姜路嶺隧道防寒泄水洞采用5 cm厚聚氨酯泡沫保溫層,聚氨酯材料導熱系數(shù)低、吸水率低,能有效地隔絕熱量傳遞。第二,在隧道進出口設置防寒保溫門,在冬季時可緩解冷空氣長驅直入到隧道內部,形成冷能積累而造成凍脹破壞。第三,泄水洞的出水口若被凍結住,則整個排水系統(tǒng)將受到影響,所以,將泄水洞出口設計成椎體式保溫出水口,施工時,加大出水口流水面坡度,一般不小于8%,保持排水的流速可減少水因溫度下降而凍結現(xiàn)象。

圖2 姜路嶺隧道進口凍土段防寒泄水洞設計圖

2.2 防寒泄水洞施工時產生的熱融效應探討

2.2.1 熱融效應

姜路嶺洞口段為多年凍土分布區(qū),在未進行泄水洞和隧道主洞施工擾動時,土層常年處于凍結狀態(tài),巖層內力處于平衡狀態(tài),巖體節(jié)理和裂隙內的水以冰體的形式填充。施工時,為滿足施工人員、機械的工作環(huán)境要求以及模筑混凝土的質量要求,此時洞內溫度高于圍巖溫度,熱量將由洞內傳遞到裸露圍巖上,使得部分范圍內的圍巖溫度將達到一定程度,造成永久凍土冰體融化,原本內力的平衡狀態(tài)關系被打破,熱融區(qū)圍巖喪失穩(wěn)定性,極易發(fā)生隧道大面積沉降甚至坍塌等現(xiàn)象[4]。

2.2.2 熱融圈深度

如何避免熱融效應的不利影響,控制好施工時洞內溫度是一個重要因素,把洞內溫度控制在既不會導致多年凍土大范圍發(fā)生熱融效應,又能保證施工質量和效率。對于需要施工防寒泄水洞的隧道來說,一個施工斷面需要同時考慮泄水洞和隧道主洞的熱融影響,控制好熱融圈的深度,避免兩個熱融圈貫通在一起,從而避免大范圍危險情況發(fā)生,示意圖如圖3(a),但是在實際施工過程中,各種復雜條件的限制以及突發(fā)情況的不確定性,很難保證熱融圈深度如圖3(a)情況,存在變成圖3(b)情況的可能性,所以,應采取措施,使得泄水洞和隧道主洞的熱融圈深度為圖3(c)所示。

圖3 泄水洞和隧道主洞的熱融影響示意圖

采取的措施有:(1)當泄水洞位于主洞斷面以下時,應先施工小斷面泄水洞,這樣可起到地質超前預報、降低地下水的作用;(2)防寒泄水洞斷面應考慮小型施工機具的使用,盡可能提高機械化施工程度,與縱向排水管相連的豎向泄水孔應采用鉆機鉆孔;(3)防寒泄水洞的明洞段須在冰凍之前完成施工;(4)防寒泄水洞應超前主洞100 m以上,保證在開挖主洞時,該斷面上的泄水洞圍巖熱力學重新達到平衡狀態(tài)。

3 防寒泄水洞的數(shù)值分析

3.1 數(shù)值計算模型

由于本文主要研究的是施作防寒泄水洞后,對開挖主洞的影響分析,主要從隧道初次襯砌的位移沉降和應力狀態(tài)兩方面進行比較分析,所以選用GTS作為數(shù)值模擬軟件較為方便、合理。

根據(jù)姜路嶺隧道的工程概況,本次計算選取進洞段作為研究對象,材料物理參數(shù)見表1。

表1 材料物理參數(shù)

在一般情況下,隧道周圍大于三倍洞跨以外的圍巖受到隧道施工的影響較小,所以,本模型左右邊界的計算范圍取隧道洞跨的三倍,但因為垂直方向考慮泄水洞的影響,隧道到底部邊界取洞跨的五至六倍,GTS三維劃分網格模型見圖4所示。

圖4 GTS網格劃分

3.2 計算結果

前文已提及防寒泄水洞應超前主洞100 m以上,本文將施工工況定義為以下幾個階段(見表2)。

表2 施工工況定義表

3.3 穩(wěn)定后的位移沉降對比

根據(jù)上述施工工況進行定義,得出各個施工階段的結果,分別取無防寒泄水洞和有防寒泄水洞的最后支護主洞階段進行結果對比。數(shù)值模擬結果見圖5。

對有泄水洞和無泄水洞兩種施工條件進行數(shù)值模擬,可以發(fā)現(xiàn),開挖泄水洞引起的最大沉降發(fā)生在泄水洞拱頂位置,為1.9 mm,泄水洞底部隆起2.8 mm。在此基礎上開挖隧道主洞,穩(wěn)定后最大沉降在主洞拱頂,為6.8 mm,隧道主洞底部隆起17.7 mm。而在不考慮有泄水洞的情況下,開挖隧道至穩(wěn)定時,最大沉降為6.8 mm,最大隆起為19.8 mm。比較兩者不同情況下的位移關系,可發(fā)現(xiàn),超前開挖泄水洞,對主洞的沉降影響可以忽略不計,從一定程度上還抵消了由于圍巖應力重新分布引起的隧道底部隆起現(xiàn)象。

圖5 有、無泄水洞兩種施工條件數(shù)值模擬結果

4 結 論

水是寒區(qū)隧道發(fā)生各種病害的重要因素,通過修建防寒泄水洞,與泄水孔、盲溝、支導洞、椎體保溫出水口、檢查井等組成排水系統(tǒng),可以大大緩解或消除隧道內部冒水、掛冰、積冰、凍脹等病害現(xiàn)象發(fā)生。本文對泄水洞的保溫措施和熱融效應進行探討,提出了全線段鋪設保溫隔熱材料、設置防寒保溫門和采用椎體式保溫出水口措施;在施工時應保證防寒泄水洞超前主洞100m以上,避免主洞和泄水洞熱融圈相連貫通;利用GTS對姜路嶺隧道設泄水洞和不設泄水洞兩種工況模擬,得出在超前開挖泄水洞時,對主洞的沉降影響可忽略不計。

[1]周幼吾,郭東信,邱國慶,等.中國凍土[M].北京:科學出版社,2000,3:12-14.

[2]張亞興.嘎隆拉隧道抗防凍及防排水技術的研究[D].重慶:重慶交通大學,2009:83-84.

[3]蔡榮和.修建防寒水溝的幾點體會[J].路基工程,1992,(3):4-5.

[4]張 耀,何樹生,李靖波,等.寒區(qū)有隔熱層的圓形隧道溫度場解析解[J].冰川凍土,2009,31(1):113-118.