寒區(qū)鐵路隧道保溫排水設(shè)施設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)研究

馬志富， 楊昌賢

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 天津 300308)

0 引言

與一般地區(qū)相比，寒區(qū)隧道工程最顯著的特點(diǎn)是所處環(huán)境會(huì)隨四季更迭交替而周期性出現(xiàn)氣溫從0 ℃以上下降到0 ℃以下并長(zhǎng)時(shí)間處于0 ℃以下的變化過(guò)程，而伴隨著這個(gè)變化過(guò)程雖然較長(zhǎng)隧道洞身范圍的圍巖仍可能處于恒溫帶內(nèi)，但隧道洞內(nèi)及其周邊一定范圍的圍巖均可能處于負(fù)溫區(qū)內(nèi)。而當(dāng)處于負(fù)溫區(qū)范圍的圍巖、隧道初期支護(hù)、初期支護(hù)與二次襯砌間隙及二次襯砌混凝土結(jié)構(gòu)等部位含水時(shí)，必然經(jīng)歷著由非凍結(jié)狀態(tài)到凍結(jié)狀態(tài)的凍融變化過(guò)程，這種周期性的凍融過(guò)程對(duì)寒區(qū)隧道的防排水系統(tǒng)產(chǎn)生了巨大的影響。大量的工程實(shí)踐[1-3]表明，寒區(qū)隧道的凍害多是由于隧道排水設(shè)計(jì)不當(dāng)或排水設(shè)施失效導(dǎo)致的。

針對(duì)寒區(qū)隧道的凍害問(wèn)題，近年來(lái)工程技術(shù)人員依托不同項(xiàng)目開(kāi)展了大量的研究工作，取得了系列研究成果。陳學(xué)峰[1]提出寒區(qū)隧道凍害防治應(yīng)采取多道防線、綜合治理的原則，并應(yīng)與隧道防排水技術(shù)研究緊密結(jié)合的處治思路； 張劍[2]對(duì)比分析了泄水洞、中心深埋水溝等防凍排水形式，提出了建立寒區(qū)隧道病害防御理念，適當(dāng)提高寒區(qū)隧道防水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，采用可維護(hù)的防排水系統(tǒng)，采取可靠的保溫措施，加強(qiáng)排水系統(tǒng)養(yǎng)護(hù)維修，確保排水暢通的建議； 苑郁林等[3]提出了寒區(qū)隧道圍巖凍融、凍結(jié)環(huán)境的判別標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)寒區(qū)隧道圍巖進(jìn)行了分類；呂康成等[4-7]分析了凍融對(duì)圍巖及隧道結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生的影響以及隧道凍害的原因，提出了系列的針對(duì)性措施；夏勇等[8]分析了嚴(yán)寒地區(qū)隧道防排水設(shè)計(jì)及施工存在的問(wèn)題，提出了保溫防排水系統(tǒng)的優(yōu)化措施；夏才初等[9]分析防寒泄水洞在不同凍土區(qū)隧道的適用性及設(shè)計(jì)要求，提出了新型的防寒泄水洞斷面型式、布置設(shè)計(jì)；孫克國(guó)等[10]通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬方法提出了寒區(qū)隧道排水溝埋置深度與凍結(jié)深度的關(guān)系式；王平安等[11]分析了高海拔寒區(qū)隧道防排水技術(shù)難點(diǎn)，提出遵循“防、排結(jié)合”的原則，采取以泄水洞為主，輔以保溫防寒水溝、保溫中心水溝和伴熱電纜采暖式水溝的綜合防排水系統(tǒng)的防凍技術(shù)；高焱等[12]經(jīng)大量調(diào)研后將隧道寒區(qū)劃分為高緯度地區(qū)和高海拔地區(qū)，提出了設(shè)置保溫層的適用范圍，并建議保溫水溝、中心深埋水溝和防寒泄水洞以洞內(nèi)二次襯砌表面溫度0 ℃為設(shè)防終點(diǎn)；湯貴海等[13]通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)研究了寒區(qū)隧道在層間設(shè)置聚氨酯保溫板的保溫效果，提出了工程中應(yīng)慎用層間聚氨酯保溫板的隧道防凍方案；劉秀等[14]分析了寒區(qū)隧道保溫防凍系統(tǒng)的作用及其設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，提出了高海拔寒區(qū)隧道保溫防凍系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求及改進(jìn)措施。

上述研究結(jié)果表明，設(shè)置由保溫水溝、中心深埋水溝、防寒泄水洞及相關(guān)配套排水設(shè)施等組合而成的隧道保溫排水系統(tǒng)，保證隧道排水暢通是從根源上解決寒區(qū)隧道凍害問(wèn)題的有效措施，但上述保溫排水系統(tǒng)目前缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，局部甚至出現(xiàn)了同一地區(qū)不同項(xiàng)目的隧道保溫排水系統(tǒng)設(shè)防長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu)形式等均存在較大差異的情況，不僅隧道凍害問(wèn)題依然存在，還給施工及運(yùn)營(yíng)帶來(lái)極大的困擾。

本文通過(guò)調(diào)研、分析及測(cè)試等方法，總結(jié)我國(guó)寒區(qū)分區(qū)及寒區(qū)鐵路隧道的保溫排水措施現(xiàn)狀，提出寒區(qū)鐵路隧道的設(shè)計(jì)分區(qū)及不同分區(qū)隧道保溫排水措施設(shè)防的建議長(zhǎng)度，以期對(duì)寒區(qū)隧道保溫排水設(shè)計(jì)及凍害防治提供參考。

1 我國(guó)寒區(qū)分區(qū)和寒區(qū)鐵路隧道保溫排水措施現(xiàn)狀

1.1 我國(guó)寒區(qū)分區(qū)

1.1.1 按氣候分區(qū)

寒區(qū)氣候環(huán)境影響因素主要包括當(dāng)?shù)刈畲笸寥纼鼋Y(jié)深度、極端最低氣溫、年(月)平均氣溫、最冷月平均氣溫、年平均降雨(雪)量及季節(jié)分布、日照時(shí)間、風(fēng)向、風(fēng)速、區(qū)域凍結(jié)指數(shù)等。一般情況下可根據(jù)最冷月平均氣溫及黏性土最大凍結(jié)深度將寒區(qū)劃分為寒冷地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)[15-16]，如表1所示。

表1 寒區(qū)分類

1.1.2 按地理分區(qū)

根據(jù)地理分布分析，我國(guó)的寒區(qū)主要位于東北的黑龍江、吉林、遼寧和內(nèi)蒙古東北部及華北北部，西北的甘肅、青海、新疆，西南的西藏、川西的阿壩、甘孜、云南的滇北、玉龍山和高黎貢山的北部等地區(qū)[17]。

東北寒區(qū)屬于低山高緯度寒區(qū)，雖然海拔不高，但由于緯度高，受北冰洋寒潮及蒙古高壓的影響，寒季盛行西北風(fēng)，形成半年持續(xù)低溫、干冷多雪的特征，氣溫變化劇烈，是我國(guó)最寒冷的自然區(qū)域；而以青藏高原為主的西部寒區(qū)屬低緯度高原寒區(qū)，雖然緯度低，深居內(nèi)陸，但地勢(shì)高，受高空西風(fēng)環(huán)流控制，并在對(duì)流層處受高原季風(fēng)影響，冬季高原上大氣層對(duì)同高度的自由大氣是個(gè)冷源，形成青藏冷高壓，盛行反氣旋環(huán)流。因此，可按地區(qū)區(qū)劃將我國(guó)的寒區(qū)劃分為高緯度寒區(qū)和高海拔寒區(qū)[18]。

1.2 寒區(qū)隧道排水技術(shù)現(xiàn)狀

1.2.1 僅有季節(jié)性凍土的寒區(qū)隧道

針對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)的水冬季凍結(jié)成冰、夏季融化為水的特點(diǎn)，鐵路隧道工程技術(shù)人員經(jīng)過(guò)多年的研究和工程實(shí)踐證明，設(shè)置保溫排水系統(tǒng)能有效防止隧道產(chǎn)生凍害。該方法主要是在隧道底部建立一個(gè)以深埋排水設(shè)施為主體的管溝進(jìn)行保溫，及時(shí)排除隧道周邊地下水，達(dá)到隧道襯砌表面不滲水、背后不積水和排水溝不凍結(jié)的目的。

1.2.2 有多年凍土的寒區(qū)隧道

針對(duì)多年凍土區(qū)中的水全年呈固態(tài)的情況，則通常采取在初期支護(hù)與二次襯砌間設(shè)置全環(huán)保溫層保溫，防止隧道周邊的凍土融化的處治思路。

當(dāng)設(shè)置隧道內(nèi)排水溝時(shí)，一般在水溝內(nèi)增加保溫措施。

2 寒區(qū)鐵路隧道的設(shè)計(jì)分區(qū)

東北及華北北部季節(jié)性凍土區(qū)冬季氣溫低、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，是我國(guó)季節(jié)性凍土的主要區(qū)域，本文將以該地區(qū)為研究重點(diǎn)，探討寒區(qū)鐵路隧道的設(shè)計(jì)分區(qū)。

2.1 年平均氣溫對(duì)寒區(qū)鐵路隧道排水設(shè)施的影響

通過(guò)近10余年對(duì)東北及華北寒區(qū)鐵路隧道的凍害情況進(jìn)行調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，年平均氣溫對(duì)寒區(qū)鐵路隧道排水設(shè)施產(chǎn)生的影響十分明顯。

1)當(dāng)寒區(qū)年平均氣溫處于8～12 ℃時(shí)，隧道洞內(nèi)排水溝(管)可不采取保溫措施，但洞口段的高式側(cè)溝冬季可能產(chǎn)生凍結(jié)，仰拱內(nèi)排水管的洞外出水口無(wú)保溫措施時(shí)，冬季易產(chǎn)生結(jié)冰。如石太客專沿線隧道所在地區(qū)最冷月平均氣溫為-6.5～-2.5 ℃，年平均氣溫為9.5～12.9 ℃，全線未設(shè)置保溫排水設(shè)施，雖然冬季部分隧道中心排水管出水口附近產(chǎn)生了凍結(jié)情況，但洞內(nèi)側(cè)溝及排水溝均未出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象。

2)年平均氣溫處于4～8 ℃的地區(qū)，洞口段高式側(cè)溝采取保溫措施或仰拱內(nèi)排水管已不能防止冬季作為排水設(shè)施的溝及管內(nèi)結(jié)冰，需要在洞口端設(shè)置一定段落的仰拱內(nèi)保溫排水管或置于仰拱結(jié)構(gòu)以下的保溫水溝，其他段落可設(shè)置高式保溫側(cè)溝或仰拱內(nèi)排水管。如準(zhǔn)鄂鐵路沿線隧道所在地區(qū)最冷月平均氣溫為-12.6～-10.5 ℃，年平均氣溫為6.2～8.3 ℃，在隧道洞口段300 m范圍設(shè)置了仰拱下中心深埋水溝，洞身300～1 000 m側(cè)溝進(jìn)行了保溫。隧道運(yùn)營(yíng)后冬季未出現(xiàn)凍害現(xiàn)象。

3)年平均氣溫處于0～4 ℃的地區(qū)，需在距洞口一定范圍段落設(shè)置位于仰拱結(jié)構(gòu)以下的中心深埋保溫水溝，其他段落可設(shè)置位于仰拱結(jié)構(gòu)以下的保溫中心水溝或仰拱內(nèi)保溫中心水溝。如牡綏鐵路沿線隧道所在地區(qū)最冷月平均氣溫為-18.4～-17.2 ℃，年平均氣溫為2.3～3.7 ℃，隧道洞口段1 000 m范圍設(shè)置了仰拱下中心深埋水溝，洞身1 000～2 000 m側(cè)溝進(jìn)行了保溫。隧道運(yùn)營(yíng)后冬季中心排水溝除個(gè)別緩坡隧道因水溝堵塞導(dǎo)致凍結(jié)外，其余均未出現(xiàn)凍害現(xiàn)象，但側(cè)溝大部分產(chǎn)生了凍結(jié)。

4)年平均氣溫在-4～0 ℃的地區(qū)，需在距洞口較長(zhǎng)段落范圍設(shè)置位于仰拱結(jié)構(gòu)以下的深埋中心保溫水溝(當(dāng)水溝埋置深度過(guò)大時(shí)也可采用防寒泄水洞)，其他段落應(yīng)設(shè)置位于仰拱結(jié)構(gòu)以下的保溫中心水溝。如濱州線興安嶺隧道及沙力隧道所在地區(qū)最冷月平均氣溫為-21.3 ℃，年平均氣溫為-1.0 ℃，隧道均設(shè)置中心深埋水溝或泄水洞排水，而隧道排水系統(tǒng)凍害的主要原因是檢查井密封不良，空氣對(duì)流所致，該地區(qū)的排水系統(tǒng)應(yīng)以中心深埋水溝或防寒泄水洞為主。

5)年平均氣溫低于-4 ℃的地區(qū)，洞口段可能為多年凍土區(qū)，宜按多年凍土隧道開(kāi)展防排水設(shè)計(jì)，其他段落宜采用防寒泄水洞排水。如嫩林線的白卡爾隧道和西羅奇2號(hào)隧道所在地區(qū)最冷月平均氣溫為-32 ℃，年平均氣溫低于-3 ℃，最大凍結(jié)深度為4.5～5.0 m以下。白卡爾隧道采用保溫水溝，水溝凍結(jié)嚴(yán)重，而西羅奇2號(hào)隧道則在隧道底板下5.85 m處設(shè)置防寒泄水洞排水，泄水洞常年不凍。

2.2 按氣溫條件對(duì)寒區(qū)鐵路隧道進(jìn)行的設(shè)計(jì)分區(qū)

通過(guò)寒區(qū)年平均氣溫和最冷月平均氣溫進(jìn)行對(duì)照，寒區(qū)鐵路隧道可按表2所示的設(shè)計(jì)分區(qū)進(jìn)行針對(duì)性的保溫排水設(shè)計(jì)，以達(dá)到工程措施合理、可靠。

表2 寒區(qū)鐵路隧道的設(shè)計(jì)分區(qū)

3 保溫排水設(shè)施類型及其適應(yīng)性

總體來(lái)說(shuō)，寒區(qū)隧道的保溫排水設(shè)施通常應(yīng)根據(jù)隧址區(qū)氣候條件、地下水發(fā)育程度等不同影響因素分別選擇仰拱內(nèi)保溫水溝、仰拱下保溫水溝2種類型的保溫排水方案及相關(guān)的配套排水設(shè)施等，確保隧道排水通暢。

3.1 隧底仰拱內(nèi)的保溫水溝

隧底仰拱內(nèi)的保溫水溝一般適用于冬季襯砌背后不會(huì)出現(xiàn)負(fù)溫區(qū)的情況。此時(shí)，隧道周邊的地下水可以通過(guò)邊墻處泄水孔進(jìn)入洞內(nèi)的高式側(cè)溝或結(jié)構(gòu)內(nèi)埋置的排水管引排。高式側(cè)溝通常設(shè)計(jì)為雙層蓋板，經(jīng)增加空氣保溫層或填充保溫材料可以解決蓋板溝的保溫排水問(wèn)題；而采取結(jié)構(gòu)內(nèi)埋置排水管時(shí)，通過(guò)在排水管表面包裹保溫層可以解決排水問(wèn)題。這些措施可在寒區(qū)隧道環(huán)境溫度較高、凍結(jié)深度較小的地段采用。

值得一提的是，高式側(cè)溝由于構(gòu)造原因，受隧道內(nèi)溫度影響最大，保溫效果不佳。當(dāng)寒區(qū)隧道采用仰拱內(nèi)的側(cè)溝進(jìn)行保溫排水時(shí)，往往需要將側(cè)溝深度加大，且盡量避免采用高式側(cè)溝。

3.2 仰拱下保溫水溝

當(dāng)冬季隧道襯砌背后出現(xiàn)負(fù)溫時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)邊墻處泄水孔內(nèi)受冰凍堵塞，如果沒(méi)有隧底結(jié)構(gòu)下保溫水溝，地下水將在結(jié)構(gòu)外輪廓附近產(chǎn)生聚集，并沿襯砌結(jié)構(gòu)薄弱處(如結(jié)構(gòu)縫、裂縫等)滲入隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)，輕則形成掛冰，重則因不斷凍融從而破壞結(jié)構(gòu)。

將排水溝置于仰拱結(jié)構(gòu)下，是解決寒區(qū)隧道隧道保溫排水問(wèn)題的最有效手段。具體可細(xì)分為以下3種情況。

3.2.1 仰拱結(jié)構(gòu)以下的淺埋排水溝

這種水溝設(shè)計(jì)時(shí)，僅考慮水溝結(jié)構(gòu)自身尺寸，滿足水溝埋置于仰拱結(jié)構(gòu)以下即可。

3.2.2 仰拱結(jié)構(gòu)以下的深埋保溫水溝

這種水溝設(shè)計(jì)時(shí)，除考慮水溝結(jié)構(gòu)自身尺寸外，還需考慮襯砌以外的負(fù)溫層厚度(或凍結(jié)深度)，水溝埋置深度較大。

3.2.3 防寒泄水洞

經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)仰拱結(jié)構(gòu)以下的深埋保溫水溝埋置深度超過(guò)2.5 m時(shí)，無(wú)論是施工難度還是工程代價(jià)，可能超過(guò)在隧道結(jié)構(gòu)以下另行施作1個(gè)與隧道并行的排水洞。這種情況下，采取防寒泄水洞可能是綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和使用功能的最佳方案。

此外，當(dāng)寒區(qū)隧道排水量大，一般水溝難以滿足排水量需求時(shí)，也可采用防寒泄水洞。

3.3 保溫排水溝的配套設(shè)施

當(dāng)設(shè)置隧底結(jié)構(gòu)內(nèi)的保溫水溝時(shí)，隧道低洞口端的末端排水出口應(yīng)采取保溫措施，以防止凍結(jié)阻塞出水通路。

當(dāng)設(shè)置仰拱下的保溫水溝時(shí)，除隧道低洞口端的末端排水出口應(yīng)采取保溫措施外，還應(yīng)采取洞內(nèi)保溫檢查井、保溫排水盲管等配套設(shè)施。

4 寒區(qū)隧道內(nèi)測(cè)溫

雖然寒區(qū)隧道冬季洞內(nèi)溫度會(huì)受到洞外環(huán)境變化的影響，但由于隧道處于圍巖的包裹之中，而圍巖自身的溫度相對(duì)較高，隧道內(nèi)具有一定的回溫情況。近年來(lái)，由于高速鐵路的發(fā)展和行車密度的增加，普遍認(rèn)為寒區(qū)隧道冬季洞內(nèi)溫度低，保溫排水設(shè)施的長(zhǎng)度應(yīng)盡量加大。

針對(duì)上述問(wèn)題，選取了處于設(shè)計(jì)分區(qū)為Ⅲ區(qū)且已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的牡綏鐵路紅房子隧道為測(cè)試對(duì)象，并于2017年12月下旬至2018年4月底開(kāi)展了為期1個(gè)冬季的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)試工作。

4.1 工程概況

紅房子隧道位于黑龍江省穆棱市，隧址區(qū)最冷月平均氣溫為-17.2 ℃，年平均氣溫為2.3 ℃，土壤最大凍結(jié)深度為191 cm。隧道全長(zhǎng)6 437 m(里程為DK451+595～DK458+032)，設(shè)計(jì)速度為200 km/h的單洞雙線隧道，隧道內(nèi)最大埋深約183 m。隧道線位由進(jìn)口至出口為西西北—東東南走向，與當(dāng)?shù)囟局鲗?dǎo)風(fēng)向西風(fēng)基本一致。隧道于2015年12月底正式開(kāi)通運(yùn)營(yíng)。

隧道縱坡為單面坡，由進(jìn)口(西口)至出口(東口)坡度分別為5‰的上坡、7‰的上坡和3‰的上坡，進(jìn)出口高差達(dá)44.32 m。

隧道進(jìn)口1 000 m范圍段設(shè)置了內(nèi)徑為φ60 cm仰拱下深埋水溝，距進(jìn)口1 000～2 000 m段及距出口2 000 m范圍段設(shè)置了內(nèi)徑為φ60 cm的仰拱內(nèi)保溫水溝，其余段落的仰拱內(nèi)水溝與一般地區(qū)相同。內(nèi)徑為φ60 cm排水管是本隧道的主排水溝。

進(jìn)、出口各2 000 m范圍段雙側(cè)水溝設(shè)置雙層蓋板型的保溫水溝，且距洞口1 000 m范圍段2層蓋板間填充了聚氨酯泡沫材料保溫。

4.2 測(cè)試方案

1)自隧道洞口第1個(gè)檢查井開(kāi)始，沿洞身方向每間隔16個(gè)檢查井(約480 m)設(shè)置1個(gè)測(cè)試斷面。

2)每個(gè)測(cè)試斷面上布設(shè)1～3個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用自動(dòng)溫度測(cè)試儀器分別對(duì)洞內(nèi)、側(cè)溝內(nèi)及中心水溝內(nèi)進(jìn)行連續(xù)溫度測(cè)試(每30 min記錄1個(gè)數(shù)據(jù))并記錄。測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示。

3)測(cè)點(diǎn)1為測(cè)試洞內(nèi)溫度，布置在隧道內(nèi)壁上。

4)測(cè)點(diǎn)2為測(cè)試側(cè)溝內(nèi)溫度，布置在側(cè)溝底面上。

圖1測(cè)點(diǎn)布置

Fig. 1 Measure points arrangement

5)測(cè)點(diǎn)3為測(cè)試中心水溝內(nèi)溫度，布設(shè)在檢查井保溫層的底部。

4.3 結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)1個(gè)冬季的隧道內(nèi)溫度測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)共獲得洞內(nèi)、側(cè)溝及中心溝內(nèi)有效測(cè)試數(shù)據(jù)分別為12組、13組和15組。選取典型斷面對(duì)洞內(nèi)、側(cè)溝及中心溝內(nèi)溫度隨時(shí)間變化曲線進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2—4所示。

圖2 隧道洞內(nèi)溫度時(shí)程變化曲線

由圖2分析可知，隧道內(nèi)溫度具有如下特點(diǎn)： 1)2018年1月25日—3月15日期間隧道內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)的溫度均低于0 ℃； 2)受單面坡洞口高差及冬季主風(fēng)向影響，低洞口端(迎風(fēng)口)洞內(nèi)負(fù)溫影響長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于高洞口端，其中距高洞口(背風(fēng)口)端1 000～2 000 m段的溫度變化幅度相對(duì)較小，最冷月氣溫在0 ℃上下變化。

由圖3分析可知，側(cè)溝內(nèi)溫度具有如下特點(diǎn)： 1)側(cè)溝內(nèi)溫度稍高于洞內(nèi)溫度； 2)受單面坡洞口高差及冬季主風(fēng)向影響，低洞口端(迎風(fēng)口)側(cè)溝負(fù)溫影響長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于高洞口端，其中距高洞口(背風(fēng)口)端500～2 000 m段側(cè)溝內(nèi)溫度整體達(dá)到0 ℃以上，但個(gè)別時(shí)間點(diǎn)可能低于0 ℃。

圖3 隧道側(cè)溝內(nèi)溫度時(shí)程變化曲線

(a) 洞口段

(b) 洞身段

由圖4分析可知，中心水溝內(nèi)溫度具有以下特點(diǎn)： 1)低洞口約1 000 m、高洞口約450 m段，仰拱內(nèi)水溝溫度低于0 ℃； 2)除低洞口約1 000 m和高洞口約450 m段外，仰拱內(nèi)中心水溝內(nèi)溫度基本均大于0 ℃。

而從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來(lái)看，位于Ⅲ區(qū)的紅房子隧道在2017年12月—2018年4月期間除側(cè)溝局部發(fā)生凍結(jié)外，隧道中心水溝內(nèi)均未發(fā)生凍結(jié)，與圖3及圖4中分析的溫度變化情況基本吻合，即設(shè)計(jì)分區(qū)為Ⅲ區(qū)的中長(zhǎng)隧道需在洞口一定范圍設(shè)置仰拱下深埋排水溝，可在洞身段設(shè)置仰拱內(nèi)中心管溝作為主排水設(shè)施，而高式側(cè)溝則不宜作為排水設(shè)施。

5 寒區(qū)隧道保溫排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

5.1 基本要求

1)隧道洞口相對(duì)高差形成的氣壓差會(huì)對(duì)洞內(nèi)氣流產(chǎn)生一定的影響，導(dǎo)致低洞口端負(fù)溫段明顯加長(zhǎng)，有條件時(shí)寒區(qū)中長(zhǎng)隧道宜采用人字坡。

2)當(dāng)洞口上坡方向與隧道所在地區(qū)冬季主風(fēng)向一致時(shí)，面向主風(fēng)向一側(cè)洞口段的洞內(nèi)溫度影響段落加長(zhǎng)[19]，有條件時(shí)可加大隧道走向與主風(fēng)向的夾角。

3)工程調(diào)研發(fā)現(xiàn)，緩坡隧道的排水溝坡度施工控制難度大，發(fā)生凍害的概率明顯高于大坡度隧道。水工經(jīng)驗(yàn)[20]也表明，寒區(qū)輸水隧洞內(nèi)明流排水的流速不宜小于1.2 m/s。綜合考慮隧道中心管溝的尺寸、流量等因素，寒區(qū)隧道內(nèi)的縱坡不宜小于5‰。

5.2 保溫排水設(shè)施的長(zhǎng)度

通過(guò)研究，建議寒區(qū)隧道設(shè)置仰拱內(nèi)保溫水溝、仰拱下保溫水溝。寒區(qū)隧道保溫排水措施建議長(zhǎng)度一覽表見(jiàn)表3。

表3 寒區(qū)隧道保溫排水措施建議長(zhǎng)度一覽表

注： L為隧道長(zhǎng)度。

6 結(jié)論與建議

本文根據(jù)目前寒區(qū)保溫排水缺乏設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題，結(jié)合寒區(qū)分區(qū)及隧道保溫排水的技術(shù)現(xiàn)狀，通過(guò)調(diào)研東北及華北北部寒區(qū)鐵路隧道凍害情況，提出了按最冷月平均氣溫及年平均氣溫對(duì)寒區(qū)鐵路隧道進(jìn)行設(shè)計(jì)分區(qū)的方法；通過(guò)分析保溫排水設(shè)施的適用條件，結(jié)合運(yùn)營(yíng)鐵路隧道內(nèi)及排水設(shè)施內(nèi)的溫度實(shí)測(cè)分析，提出了不同分區(qū)寒區(qū)隧道保溫排水措施設(shè)置的建議長(zhǎng)度。主要結(jié)論與建議如下：

1)寒區(qū)鐵路隧道可按年平均氣溫和最冷月平均氣溫劃分為5個(gè)分區(qū)。

2)仰拱內(nèi)高式保溫側(cè)溝僅適應(yīng)于設(shè)計(jì)分區(qū)為Ⅰ區(qū)的洞口段和Ⅱ區(qū)的洞身段；仰拱內(nèi)低式保溫水溝或暗管溝僅適應(yīng)于設(shè)計(jì)分區(qū)為Ⅱ區(qū)的洞口段和Ⅲ區(qū)的洞身段。

3)仰拱下淺埋排水溝適應(yīng)于設(shè)計(jì)分區(qū)為Ⅱ區(qū)的洞口段和Ⅲ區(qū)的洞身段；仰拱下深埋排水溝適應(yīng)于設(shè)計(jì)分區(qū)為Ⅲ區(qū)的洞口段和Ⅳ區(qū)的洞口、洞身段。

4)防寒泄水洞適應(yīng)于設(shè)計(jì)分區(qū)為Ⅳ區(qū)且計(jì)算水溝埋置深度超過(guò)2.5m的洞口、洞身段；當(dāng)設(shè)計(jì)分區(qū)為V區(qū)時(shí)，洞口段宜按多年凍土隧道設(shè)計(jì)，洞身段排水設(shè)計(jì)可按Ⅳ區(qū)設(shè)計(jì)。

5)有條件時(shí)寒區(qū)中長(zhǎng)隧道宜采用人字坡，隧道軸線宜與冬季主導(dǎo)風(fēng)向呈大角度相交，縱坡宜不小于5‰。