高寒地區(qū)公路隧道防排水及保溫設(shè)計

□文/蘇 航 鄭少華

近年來我國西部山區(qū)公路交通發(fā)展迅速，山區(qū)公路隧道項目日漸增多，尤其是高海拔寒冷地區(qū)隧道項目，高寒地區(qū)隧道的防排水和保溫問題一直是隧道設(shè)計者期待解決的疑難問題之一。目前國內(nèi)針對高寒地區(qū)隧道進行了大量的研究并取得了許多成果，但因圍巖滲漏水、襯砌背后結(jié)冰凍脹等造成隧道結(jié)構(gòu)病害的案例仍屢見不鮮[1]。對于高寒地區(qū)隧道防排水和保溫技術(shù)現(xiàn)狀，需要工程技術(shù)人員不斷探索研究并提出更新的設(shè)計措施，從而改善目前的不利局面。

1 工程概況

隧道是青海省加定—海晏公路工程的重要組成部分，位于青藏高原東北部的青海省互助土族自治縣，隧址區(qū)海拔3 212.04～3 628.29 m。隧道按照分離式雙向四車道一級公路標準設(shè)計，設(shè)計行車速度80 km/h。左右線隧道長度分別為6 160、6 129 m，為特長隧道，隧道洞底最大埋深約607.84 m，分離隧道主洞凈寬10.25 m、凈高5.0 m。

2 隧道建設(shè)條件

2.1 氣候條件

項目所在區(qū)位于青藏高原東北部，屬高原半干旱大陸性氣候，其總體氣候特征為夏季涼爽短暫，冬季寒冷漫長。該區(qū)域最冷為1月，平均氣溫－10.1～－15.3℃，平均季節(jié)性凍土深度為1.05～1.08 m，多年平均降水量為404.6～506.5 mm/a。

2.2 地形地質(zhì)

隧址區(qū)海拔均在3 000 m以上且相對高差較大，屬侵蝕構(gòu)造中切割中高山陡坡地貌，地形坡度較陡，覆蓋層厚度較薄，基巖普遍淺埋或裸露。隧道區(qū)范圍內(nèi)主要地層為第四系全新統(tǒng)崩坡積層、第四系全新統(tǒng)沖洪積層；奧陶系下統(tǒng)（O1）地層、寒武系中統(tǒng)地層、前震旦系馬御山群、加里東晚期輝長巖（γ33）地層。

2.3 水文地質(zhì)

在里程 K40+010、K41+160、K44+295、K45+685 共有四處沖溝，均屬典型的山間河流，流量隨季節(jié)變化明顯，具有陡漲陡落、雨漲晴消的特征。場地地下水主要為第四系松散層孔隙潛水和基巖風化帶網(wǎng)狀裂隙水兩種類型。隧道洞身段埋藏較深，地下水賦水性相對較好，裂隙水豐富時易出現(xiàn)較大涌水，雨季時受地表水補給，故賦水量也變化相對大，對隧道開挖產(chǎn)生不利影響。

3 隧道防排水設(shè)計

3.1 防排水設(shè)計總體方案

按照“以排為主，防、排、截、堵、保溫相結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則[2]，根據(jù)隧道長度、氣象條件、地下水發(fā)育程度，采取切實可靠的設(shè)計、施工措施，使隧道建成后達到洞內(nèi)基本干燥的要求并堅持“清污分排”的環(huán)保理念，即隧道內(nèi)圍巖水與路面污水分開引排。高寒地區(qū)隧道防排水系統(tǒng)的順暢，是結(jié)構(gòu)物及設(shè)備正常使用和行車安全的重要保障。見圖1。

圖1 隧道排水工程總體布置

3.2 隧道洞口防排水方案

根據(jù)隧道口地形情況，在洞頂邊、仰坡刷坡線5 m以外順地勢設(shè)置截水溝（縱坡≮5%）將地面徑流引排并與路基排水形成完整的防排水體系，防止水流對洞口的沖蝕破壞。隧道為單向縱坡，為防止洞口路基和路面水流入隧道內(nèi)，在高洞口側(cè)設(shè)置橫向截水溝，同時在路基邊溝處設(shè)置反坡并適當加深，保證排水順暢[3]。

3.3 隧道明洞防排水方案

明洞段襯砌采用兩層土工布（350 g/m2）中間加EVA防水板（厚1.5 mm）防水，土工布墊層主要是保護防水板不被明洞結(jié)構(gòu)表面尖銳物刺傷并可充當初期支護噴射混凝土和二襯混凝土之間的下滲通道。在洞頂回填后設(shè)置粘土隔水保護層，防止地面水下滲。水流在粘土隔水層的坡度作用下引至洞頂排水溝排出洞外。明洞臨時邊、仰坡內(nèi)回填土體底部設(shè)置φ10 cm雙壁打孔波紋管以排出下滲積水。

3.4 隧道暗洞防排水方案

隧道縱坡采用單向坡，為便于排水，根據(jù)隧址區(qū)的最冷月平均氣溫并考慮到減小隧道的環(huán)向排水距離、降低隧道排水系統(tǒng)凍結(jié)堵塞的風險、降低排水溝檢修時對路面交通的干擾程度，在加定端洞口保溫段設(shè)置中心深埋水溝，海晏端洞口保溫段范圍內(nèi)及洞身非保溫段設(shè)置側(cè)式排水溝，其中海晏端保溫段范圍內(nèi)的側(cè)式水溝采取防寒保暖措施。故隧道暗洞復(fù)合襯砌防、排水系統(tǒng)由防水板、環(huán)向排水管、縱向排水管、橫向引水管與加定端保溫段中心排水溝、洞身非保溫段側(cè)式排水溝、海晏端設(shè)保溫措施的側(cè)式水溝組成。施工中需保證結(jié)構(gòu)接縫的施工質(zhì)量。

中心排水溝管徑60 cm、側(cè)式排水溝管徑40 cm，均采用預(yù)制混凝土管。根據(jù)勘察資料，隧道涌水量為8 558 m3/d，參照JTG/T D70—2010《公路隧道設(shè)計細則》有關(guān)算式，計算可知中心排水溝管徑和側(cè)式排水溝管徑均能滿足排水要求，限于篇幅詳細計算過程不做贅述。側(cè)式排水溝及中心排水溝均每隔100 m設(shè)置一座檢查井，淺埋側(cè)式水溝與深埋中心水溝的轉(zhuǎn)換也通過設(shè)置檢查井來實現(xiàn)；同時為保證水溝型式轉(zhuǎn)換位置的排水順暢，設(shè)計采用間距20 m的雙重轉(zhuǎn)換井方案。見圖2和圖3。

圖2 淺埋側(cè)式水溝段防排水設(shè)計

圖3 深埋中心水溝段防排水設(shè)計

暗洞防排水具體設(shè)計方案如下：

1）針對隧道圍巖開挖后的裂隙水，設(shè)置環(huán)向“Ω”排水半管將圍巖滲漏水引至縱向排水管（φ10 cmHDPE打孔波紋管）；考慮到進洞口地勢較低，圍巖裂隙水量大，在進洞口的深埋中心水溝段落設(shè)置由3根φ22.5 cmHDPE打孔波紋管組成的環(huán)向排水帶增強排水；

2）為有效排出二次襯砌背后積水，在初期支護與防水板之間每隔5 m（水量大時可適當加密）設(shè)置一道環(huán)向排水管（φ5 cmHDPE打孔波紋管），該水管與隧道邊墻底部的縱向排水管相連接，通過橫向排水管（φ10 cmHDPE無孔波紋管），將水引入側(cè)式排水溝（中心排水溝）排出洞外；

3）初期支護和二次襯砌之間，設(shè)置350g/m2無紡?fù)凉げ己?.5mm厚EVA防水板，組成第一道防水屏障；

4）隧道邊墻和拱部的二次襯砌，采用抗?jié)B等級不低于P8的C35抗?jié)B混凝土，作為第二道防水屏障，見圖4；

圖4 暗洞拱部防排水斷面

5）在變形沉降縫處和施工縫處設(shè)置全斷面中埋式橡膠止水帶，保溫段變形沉降縫處增設(shè)全斷面背貼式止水帶并用瀝青麻絮填縫，確保變形沉降縫和施工縫處的防水。

3.5 隧道路基路面防排水方案

遵循“清污分排”的環(huán)保理念，路面水單獨通過路拱橫坡排入兩側(cè)邊水溝，在洞外引入路基邊溝，經(jīng)過凈化處理后排放。路面邊溝采用開口式“Ω”溝，此類邊溝不易淤塞，便于清洗[4]；同時邊水溝沿隧道縱向每間隔50 m設(shè)置一處沉砂井，保證排水順暢。為防止路面底層地下水上升到路面影響行車安全，特別是不設(shè)仰拱的圍巖段落，在淺埋側(cè)式水溝段路面整平層中設(shè)置了橫向排水管（φ10cmHDPE打孔波紋管），設(shè)置間距每10 m一處，在地下水豐富地段可適當加密。路面下部積水通過整平層橫向排水管匯入兩側(cè)排水溝，保證路面結(jié)構(gòu)安全。

4 隧道防寒保溫設(shè)計

項目所在區(qū)域多年平均氣溫-0.3～3.5℃，極端最低氣溫-33.1℃，最冷為1月份，平均氣溫為-10.1～-15.3℃；平均季節(jié)性凍土深度1.05～1.08 m。此類地區(qū)由于寒冷會導(dǎo)致隧道的三向（環(huán)向、縱向、橫向）排水管、排水溝、檢查井以及隧道洞外出水口的凍結(jié)，致使隧道襯砌結(jié)構(gòu)脹裂、邊墻滲水掛冰、路面結(jié)冰等凍害。冬季隧道的氣溫，在洞口處接近洞外氣溫，隨著深入隧道內(nèi)部氣溫會逐漸上升，所以隧道內(nèi)部一般不會有凍害發(fā)生，凍脹問題主要發(fā)生在洞口位置[5]，如何確定洞口保溫段長度和采用何種規(guī)格何種厚度的保溫材料是高寒地區(qū)隧道防寒保溫的關(guān)鍵。

4.1 隧道保溫段長度確定

結(jié)合隧址區(qū)氣溫資料，采用日本學(xué)者黑川羲范統(tǒng)計了264座隧道后提出的經(jīng)驗公式[6]，來計算保溫長度，限于篇幅詳細計算過程不做贅述。經(jīng)計算，單側(cè)洞口保溫段長度理論值為695.32 m，由于我國公路隧道比日本國鐵隧道斷面要大，故將理論值增大10%作為修正，保溫段理論修正值為695.32×1.1=764.9（m），所以保溫段設(shè)計長度按800 m計。

4.2 隧道防寒保溫措施

1）采用ABAQUS計算軟件建立有限元模型，對隧道溫度場進行模擬。分別計算鋁鎂質(zhì)保溫板厚度為3、5、8 cm時襯砌溫度場的變化，得出當保溫板厚度為5 cm時，襯砌內(nèi)部溫度受外界溫度變化影響較小且較為經(jīng)濟。因此保溫段范圍內(nèi)的二次襯砌內(nèi)表面采用5 cm鋁鎂質(zhì)保溫板及0.6 cm硅酸鈣防火板作為保溫層，其中硅酸鈣防火板兼作洞內(nèi)裝飾。

2）保溫段電纜溝側(cè)壁和輕質(zhì)蓋板底部采用5 cm厚鋁鎂質(zhì)保溫板包裹。淺埋側(cè)式水溝保溫段，路面整平層以下側(cè)式溝回填碎石頂部設(shè)置5 cm厚鋁鎂質(zhì)保溫板，同時對淺埋側(cè)式水溝保溫段橫向排水管也用保溫材料進行包裹。

3）加定端（出水端）保溫段范圍內(nèi)在襯砌仰拱下設(shè)置深埋中心排水溝，中心排水溝埋置深度設(shè)置在最大凍結(jié)深度以下。

4）中心排水溝（側(cè)式排水溝）間距每100 m設(shè)一處檢查井，井口用混凝土封閉，井內(nèi)設(shè)保溫隔層，以保證檢查井的正常使用。在隧道中心水溝的出口處設(shè)掩埋式保溫出水口，保證隧道排水系統(tǒng)的通暢，見圖5。

圖5 中心水溝保溫出水口

5）對墻腳位置排水管的三向接頭處采用土工布包裹，防止泥沙堵管，避免襯砌環(huán)向排水管、縱向排水管、橫向排水管的冰凍堵水，危害洞身圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)。

6）用作保溫材料的鋁鎂質(zhì)保溫板，其主要材料技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 鋁鎂質(zhì)保溫板主要技術(shù)參數(shù)

5 結(jié)語

本文依托青海省加定至海晏公路工程的某高海拔寒冷地區(qū)隧道項目，總結(jié)以往高寒地區(qū)隧道設(shè)計經(jīng)驗?并進行了大量現(xiàn)場調(diào)研和仿真模擬計算工作。在此基礎(chǔ)上，提出了適合本項目隧道的防排水及保溫設(shè)計方案，從而解決了高寒地區(qū)隧道洞內(nèi)洞外防排水、防寒保溫等關(guān)鍵技術(shù)問題。本文研究成果將直接應(yīng)用于加西公路隧道工程，以確保設(shè)計既能夠滿足高寒隧道防排水和保溫防寒的需求，又能取得較好的經(jīng)濟、社會效益。