高寒地區(qū)隧道設(shè)計(jì)的常用方法和處理措施

王占東（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋隧處，陜西 西安 710032）

高寒地區(qū)隧道設(shè)計(jì)的常用方法和處理措施

王占東
（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋隧處，陜西 西安 710032）

摘要：在高寒地區(qū)隧道的施工中，凍害是隧道常見的病害之一，并成為隧道工程設(shè)計(jì)人員最為關(guān)注的問題，并且隧道凍害處理的好壞，對于整個(gè)隧道工程的質(zhì)量起到至關(guān)重要的影響。所以，本文將以高寒地區(qū)隧道凍害防治及保溫設(shè)計(jì)為主要研究方向，論述該狀況下的常用方法和處理措施，以期提高我國高寒地區(qū)隧道設(shè)計(jì)的水平。

關(guān)鍵詞：高寒地區(qū)；隧道設(shè)計(jì)；凍害防治

當(dāng)前，由于我國社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，特別是出于促進(jìn)邊疆地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，我國西北、東北、和西南等高海拔地區(qū)的交通建設(shè)工程日益增多，因此也給高寒地區(qū)的隧道設(shè)計(jì)帶來了不小的壓力。尤其是隧道凍害的防治問題，是目前高寒地區(qū)隧道施工面臨的最突出和棘手的問題。所以，在高寒地區(qū)隧道設(shè)計(jì)的常用方法和處理措施，最急需考慮的就是凍害防治及保溫設(shè)計(jì)。因此本文將結(jié)合某高寒隧道工程的實(shí)際情況，重點(diǎn)分析凍害問題下隧道施工的常用方法和處理措施。

一、高寒地區(qū)隧道凍脹機(jī)制及凍害的表現(xiàn)形式

關(guān)于隧道的凍害，很多人會聯(lián)系到圍巖的凍脹壓力，而且很多有關(guān)寒區(qū)隧道凍害問題的資料，也將凍害發(fā)生的原因歸結(jié)于“隧道襯砌混凝土在圍巖的凍脹壓力作用下開裂破壞”。但是，筆者卻有不同的看法，認(rèn)為以上結(jié)論過于籠統(tǒng)，不太精確。因?yàn)樵趯?shí)踐中，圍巖的凍脹壓力并不是隧道凍害的唯一原因，比如局部存水凍脹破壞、混凝土的冰凍破壞、凍脹性圍巖凍脹破壞以及裂縫裂隙水的凍脹破壞等原因。并且在現(xiàn)實(shí)的隧道凍害，不少是兩種以上因素的共同作用所致。根據(jù)有關(guān)調(diào)查分析，隧道凍害的表現(xiàn)形式可以分為以下幾點(diǎn)：

（1）由于圍巖的凍害損害了襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，造成隧道襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)部分突出，甚至引發(fā)隧道整體塌陷等嚴(yán)重后果。

（2）低溫凍害引起隧道襯砌面發(fā)生較大規(guī)模的開裂、剝落。

（3）襯砌后背區(qū)域凍結(jié)，進(jìn)行出現(xiàn)漏水以及涌水等問題。

（4）隧道拱部發(fā)生結(jié)冰。

（5）隧道底部滲水、結(jié)冰。

（6）隧道兩側(cè)墻體出現(xiàn)壁冰等情況。不過在實(shí)踐中，必須根據(jù)隧道工程施工區(qū)域的地質(zhì)和水文環(huán)境，然后判斷隧道凍害的機(jī)理與表現(xiàn)形式，進(jìn)而做好針對性的應(yīng)對措施，以下將先對該隧道工程的基本情況做簡單介紹。

二、該隧道工程的基本情況

1 工程概況

該工程新疆地區(qū)某鐵路隧道，位于高海拔、高緯度的嚴(yán)寒區(qū)域，設(shè)計(jì)標(biāo)高在2010~2150m，寒冷季節(jié)的凍土深度可以達(dá)到170cm，并且隧道凍害是該工程設(shè)計(jì)的突出問題，制約著該隧道施工的質(zhì)量。隧道施工地區(qū)的水文和地質(zhì)情況復(fù)雜，地層以砂礫巖、斷層角礫巖以及石灰?guī)r為主，地下水的補(bǔ)給主要是大氣降水，并以基巖裂隙水形態(tài)為主。

2 氣象狀況

該區(qū)域內(nèi)以溫帶內(nèi)陸山地氣候?yàn)橹?，季?jié)分明，春夏降水多，秋冬季較少。冬季漫長，晝夜溫差大。年降水量在200~300mm，最大積雪厚度可以超過150cm。最低氣溫甚至達(dá)到-36.6攝氏度，最冷月平均氣溫在-14度左右，最熱月則為13度。

3 隧道凍害預(yù)測

依據(jù)該隧道工程的水文、地質(zhì)狀況以及氣象環(huán)境條件，根據(jù)溫度分析以及凍土力的計(jì)算，可以對隧道凍害做出如下預(yù)測：

（1）該隧道屬于季節(jié)性凍土，凍害程度相對中等，凍脹力不高，所以不會對襯砌作用造成嚴(yán)重的破壞。主要的凍害表現(xiàn)在水漫道床，滲水導(dǎo)致洞內(nèi)結(jié)冰，洞室及水溝出現(xiàn)冰塞，滲漏水導(dǎo)致襯砌局部混凝土凍脹裂開等。

（2）隧道凍害主要集中兩端洞口區(qū)域，需要重點(diǎn)設(shè)防，相關(guān)設(shè)計(jì)方案要考慮隔熱、加熱以及治水等手段。

有鑒于以上兩點(diǎn)關(guān)于隧道工程凍害的預(yù)測，本次高寒地區(qū)隧道設(shè)計(jì)秉承了“防凍先治水”的原則，并將相應(yīng)的隧道施工重心放在治水措施和保溫措施上。

圖1　隧底水溝出水口示意圖

圖2　隧底水溝出水口改進(jìn)圖

三、隧道設(shè)計(jì)的常用方法和處理措施

依據(jù)高寒地區(qū)隧道凍害發(fā)生機(jī)制以及有關(guān)因素的分析，并結(jié)合隧道凍害的案例研究?？梢灾栏吆貐^(qū)的防排水措施基本不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，由于水結(jié)冰堵塞等因素，排水通道不暢通，進(jìn)而導(dǎo)致襯砌背后的水不能進(jìn)入到排水溝中。鑒于此，防排水系統(tǒng)和凍害發(fā)生具有緊密的關(guān)系。因此，本文認(rèn)為“防凍必先治水”。

首先是改進(jìn)防排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為圍巖裂隙水順利排出隧道提供保障，促使襯砌背后不會發(fā)生凍結(jié)。保證圍巖裂隙水能順暢地排除隧道，可以顯著降低襯砌結(jié)構(gòu)凍脹破壞和圍巖凍脹導(dǎo)致隧道襯砌損壞等情況發(fā)生的可能性。

此外，混凝土標(biāo)號較低、襯砌斷面不合理等也是導(dǎo)致隧道凍害發(fā)生的原因。所以，結(jié)合上述隧道凍害的預(yù)測，水的治理決定著隧道凍害的防治效果。因此必須科學(xué)設(shè)計(jì)隧道防排水方案。為此，本文認(rèn)為隧道防凍害的設(shè)計(jì)應(yīng)包括治水措施、控制溫度措施等，以下將具體分析。

1 治水措施

在治水措施設(shè)計(jì)中，防排結(jié)合是必須堅(jiān)持的原則。特別是排水系統(tǒng)的設(shè)置，必須考慮到高寒隧道地區(qū)的地質(zhì)和水文條件。應(yīng)在初支以及二襯間架設(shè)復(fù)合防水板，并利用排水系統(tǒng)來疏導(dǎo)隧道周邊圍巖滲流水以及進(jìn)入到初支的地下水，保證隧道沒有地下水滲出來，進(jìn)而防止凍結(jié)情況的出現(xiàn)。具體而言：

（1）為了避免地下水滲透到路面上，隧道在斷面上宜采取帶仰拱的結(jié)構(gòu)，以此避免水引發(fā)路面結(jié)冰，并且損傷整體路面結(jié)構(gòu)問題的發(fā)生。

（2）為了防止排水系統(tǒng)由于凍結(jié)而失效，隧道應(yīng)采用全包防水的設(shè)置方案。仰供底部設(shè)置中心深埋水溝，位于凍結(jié)線以下。

（3）在隧道襯砌背后設(shè)置盲管排水裝置，使用縱向和環(huán)向盲管來收集滲透到初支的地下水，并引入隧道底部的中心深埋水溝。

2 保溫材料選取

該隧道的保溫方案借鑒了青藏鐵路設(shè)計(jì)施工中防凍害經(jīng)驗(yàn)，在隧道隔熱保溫設(shè)計(jì)上選擇外隔熱層的方法，也就是將保溫層設(shè)置在隧道二襯內(nèi)部層面上。在保溫材料的選擇上，以性能、成本、施工方便性等為參考指標(biāo)。因?yàn)楸貙又饕獞?yīng)用與隧道內(nèi)部，所以在性能方面優(yōu)先選擇耐火性能、環(huán)保系數(shù)、遇水后保溫系統(tǒng)較高的材料，并且將化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)熱系數(shù)、防水防腐性能也納入到考慮范圍內(nèi)。

目前，國內(nèi)一般選擇的保溫材料為B級阻燃材料，這種材料耐火性能差，并且外部通常覆蓋防火材料與加固裝飾層。所以，該材料不僅安全隱患大，而且保溫成本高。在對保溫材料進(jìn)行綜合對比后，該隧道設(shè)計(jì)將目標(biāo)放在了泡沫玻璃型材料和無機(jī)纖維噴涂材料上。這兩種材料都不易燃，而且符合建筑A級防火性能。同時(shí)還具有耐火性能，不需要加蓋防火板，所以保溫成本低。但是，這兩種材料也存在導(dǎo)熱系數(shù)過大的缺點(diǎn)。不過，相對于無機(jī)纖維噴涂材料，泡沫玻璃型材料具有較高的吸水率，能在遇水后保持較高的保溫性能，所以適合在高寒地區(qū)隧道施工中采用。所以，本隧道功能的保溫層最終確定為泡沫玻璃型材料。

總而言之，在保溫材料的選擇中，導(dǎo)熱系數(shù)只能作為一個(gè)參考指標(biāo)，而不是唯一指標(biāo)。為了提高材料的保溫效果，必須結(jié)合有關(guān)因素進(jìn)行綜合考慮，并將保溫材料遇水后的保溫性能作為重要的衡量指標(biāo)。

3 縱向排水管出水口保溫措施

本隧道在排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)上實(shí)行了隧底縱向排水管的設(shè)置，從而保證隧道底部縱向排水管不會發(fā)生出水口凍結(jié)的問題。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，確保出水口不會因?yàn)閮鼋Y(jié)而堵塞。隧道底部縱向排水管在隧道區(qū)域外，一般采取大坡度泄水的方法，通過增大流水速度來及時(shí)排走管內(nèi)水流。通常來說，地下水會在地下維持一定的溫度。而隧道內(nèi)側(cè)保溫層的安裝能夠保證隧道周邊圍巖不發(fā)生滲流凍結(jié)的情況。此外，大坡度的泄水以及出水口附近的保溫措施，可以達(dá)到減少管內(nèi)水流與外界的熱量交換程度的目的，減緩熱量的流失。如圖1所示為洞口出水口設(shè)計(jì)情況。在隧道貫通后，因?yàn)樗淼莱鏊客ǔ哂陬A(yù)測量。所以，為了保證水流可以暢通的排出出水口，本文對出水口作了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，如圖2所示。

4 設(shè)置防寒門

為了增強(qiáng)隧道內(nèi)部的保溫隔熱效果，應(yīng)當(dāng)在隧道洞口設(shè)置防寒門。但是，防寒門技術(shù)在國內(nèi)還沒有廣泛應(yīng)用，極少出現(xiàn)在鐵路隧道內(nèi)。主要原因是防寒門的可靠性和穩(wěn)定性還有待證實(shí)。但是筆者認(rèn)為，隨著我國隧道施工技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)控制技術(shù)的穩(wěn)定，防寒門將會大量在高寒地區(qū)隧道施工中使用。而當(dāng)前防寒門技術(shù)的關(guān)鍵，就是控制器開啟頻次的問題，隨著該技術(shù)的成熟，該問題不久將會得到解決。

結(jié)語

綜上所述，高寒地區(qū)的隧道設(shè)計(jì)，隧道凍害的防治是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，并且制約著隧道施工的質(zhì)量。為此，必須充分認(rèn)識到隧道凍害的發(fā)生機(jī)理，形成“防凍先治水”的觀念。并根據(jù)隧道地區(qū)的地質(zhì)和水文環(huán)境，完善排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，把握好隧道設(shè)計(jì)中保溫措施。特別是在保溫材料選取上，隨著近幾年材料技術(shù)的不斷發(fā)展，新材料新工藝的廣泛出現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合性能、施工、成本等因素來進(jìn)行綜合比較，選取綜合效果最高的材料?？偠灾覈吆貐^(qū)的隧道修建工程相對較少，沒有廣泛的成功經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)緊密結(jié)合實(shí)踐，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，促進(jìn)我國高寒地區(qū)隧道設(shè)計(jì)水平的提高，進(jìn)而推動相關(guān)隧道工程安全平穩(wěn)的完工。

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中圖分類號：U457

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