高海拔寒區(qū)鐵路隧道保溫排水技術(shù)研究

馬志富 楊昌賢

(中國鐵路設計集團有限公司, 天津 300308)

位于青藏高原東端的川藏鐵路工程，因所在地區(qū)地勢高，空氣稀薄，冬季冰雪覆蓋面廣，受高原的冷源作用，形成了青藏冷高壓，使高原空氣向外流動，呈反氣旋式環(huán)流，導致氣候寒冷，屬高海拔寒區(qū)。

工程實踐表明，寒區(qū)隧道防排水系統(tǒng)不暢時，常常出現(xiàn)凍害，影響隧道的使用功能[1-3]。隧道凍害產(chǎn)生的原因，主要在于受所處環(huán)境溫度隨季節(jié)變化的影響，當?shù)叵滤l(fā)育時，寒區(qū)隧道結(jié)構(gòu)及周邊一定范圍的圍巖需經(jīng)歷周期性的凍融循環(huán)，易引起滲漏、結(jié)構(gòu)裂損等問題，加劇了隧道防排水系統(tǒng)的失效，降低了隧道襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性。因此，圍繞隧道形成一個完善、通暢的保溫排水系統(tǒng)是十分必要的。

我國隧道技術(shù)人員圍繞高海拔寒區(qū)隧道的保溫層設置、保溫防排水設計、圍巖溫度場、凍脹力等開展了大量研究，積累了豐富的隧道凍害處治經(jīng)驗。鄭波等人[4]通過實測運營的雀兒山公路隧道的洞內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，分析了高海拔嚴寒地區(qū)特長公路隧道的保溫層鋪設長度；王平安等人[5]依托位于青藏高原東北緣的蘭新高速鐵路祁連山隧道和大梁隧道，開展了嚴寒地區(qū)隧道凍害防治研究，提出采取措施保證隧道防水可靠、排水暢通是防治凍害的關(guān)鍵；高燚等人[6]通過調(diào)研分析高緯度地區(qū)和高海拔地區(qū)隧道的凍害特點，提出了寒區(qū)隧道分區(qū)的建議，并分析了寒區(qū)隧道保溫排水的技術(shù)現(xiàn)狀；劉秀等人[7]從保溫排水系統(tǒng)設計要素、類型、保溫材料選擇等方面分析了高海拔寒區(qū)隧道保溫防凍系統(tǒng)設計；李又云等人[8]依托川西某高海拔寒區(qū)隧道，實測了隧道徑向溫度和水壓力，采用數(shù)值模擬分析了隧道的凍脹力；馬志富等人[9]提出了高緯度寒區(qū)鐵路隧道保溫排水設施設計標準。

目前寒區(qū)隧道總體缺乏統(tǒng)一的保溫排水設計標準，上述的研究成果也不能完全適用于特長隧道眾多、隧道規(guī)模巨大、處于高海拔寒區(qū)的川藏鐵路。因此，進一步開展適于高海拔寒區(qū)的鐵路隧道保溫排水技術(shù)研究是必要的。

為此，本文總結(jié)了我國多行業(yè)寒區(qū)分類方法、原則和寒區(qū)隧道保溫排水措施現(xiàn)狀，提出了川藏高海拔寒區(qū)隧道的保溫排水方案，以期為解決高海拔寒區(qū)鐵路隧道的凍害提供技術(shù)參考。

1 寒區(qū)分類

1.1 各行業(yè)分類

目前，國內(nèi)工民建、水工、公路及鐵路等行業(yè)關(guān)于寒區(qū)的分類方法、原則及區(qū)劃情況如表1所示。

表1 國內(nèi)不同行業(yè)規(guī)范及標準寒區(qū)分類情況一覽表[10-19]

此外，文獻[20]采用區(qū)域凍結(jié)指數(shù)對季節(jié)性凍土區(qū)進行了凍區(qū)劃分，如表2所示。

表2 季節(jié)性凍土區(qū)劃分表[20]

凍結(jié)指數(shù)F可根據(jù)調(diào)查的區(qū)域氣溫資料按式(1)確定。

(1)

式中：F——凍結(jié)指數(shù)(℃·d);

ti——日平均負溫度值(℃·d);

n——計算年平均溫度為負溫度值出現(xiàn)的天數(shù)。

國內(nèi)各行業(yè)關(guān)于寒區(qū)的分類，除《建筑氣候區(qū)劃標準》劃分為7個一級區(qū)，其中Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅵ區(qū)、Ⅶ區(qū)為寒區(qū)外，其余標準基本按嚴寒、寒冷、溫和或微凍劃分。而關(guān)于分類的原則，《民用建筑熱工設計規(guī)范》、《建筑氣候區(qū)劃標準》和《季節(jié)性凍土地區(qū)公路設計與施工技術(shù)規(guī)范》從負能量累積的角度，以最冷月平均氣溫和日平均氣溫小于5 ℃的天數(shù)兩個指標來劃分，水工、公路及鐵路等行業(yè)則以最冷月平均氣溫一個指標來劃分。

1.2 中國科學院寒旱區(qū)研究所分類

中國科學院丁永建研究員[21]提出可采用最冷月平均氣溫<-3 ℃、平均氣溫>10 ℃的月份不超過5個和年平均氣溫≤5 ℃等3項指標來劃分寒區(qū)。

綜上所述，影響寒區(qū)分類的因素眾多，不同行業(yè)采用了不同的劃分方法。鐵路隧道在進行防凍、抗凍設計時，一般情況下，可按最冷月平均氣溫及黏性土最大凍結(jié)深度劃分寒區(qū)，如表3所示。但應注意就鐵路隧道而言， 這種分類方法主要適應于高緯度地區(qū)。高海拔地區(qū)的分區(qū)方法尚需結(jié)合該地區(qū)的氣候條件進一步研究確定。

表3 鐵路隧道寒區(qū)分類表

2 寒區(qū)隧道保溫排水技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 國外現(xiàn)狀

(1)日本

針對寒區(qū)隧道的凍害問題，日本的工程技術(shù)人員主要采取在二次襯砌表面或初期支護與二次襯砌間設置被動隔熱保溫層和通過設置電加熱或暖氣管對排水系統(tǒng)進行主動加熱兩種處治方案。

(2)俄羅斯(前蘇聯(lián))

俄羅斯對寒區(qū)隧道凍害問題的研究起步較早，前蘇聯(lián)時期就開展了采用保溫或加熱方法治理隧道凍害的探索。一般采取設置完善的隧道防排水系統(tǒng)，確保隧道排水通暢并達到防止凍害的目的。有時也對排水系統(tǒng)采取主動加熱，在襯砌表面敷設保溫層保溫，或采暖通風等方法防治隧道凍害。

(3)歐洲其他各國

由于所處地理位置的原因，歐洲尤其是北歐國家的隧道工程經(jīng)常受凍害影響。因此，這些國家對隧道凍害的研究起步較早，目前主要采用防水、防凍棚和隔離墻板等凍害處治措施。

針對隧道凍害，挪威早期選用鋁板結(jié)合石棉板作為防水棚，但因費用高而逐步棄用。目前一般采用具有防水保溫功能的復合材料作為濕噴鋼纖維混凝土永久襯砌的離壁式內(nèi)襯，達到防止隧道凍害和裝飾的目的。這種復合材料由摻入玻璃纖維的聚苯乙烯作為外殼，中間加入保溫效果良好的聚氨酯泡沫材料，施工工藝簡單，效果良好。此外，挪威還在寒區(qū)隧道洞口設置了列車接近時自動開啟、離開后自動關(guān)閉的防寒保溫門，達到保溫防寒的目的。法國則主要通過在隧道內(nèi)表面安裝由聚乙烯泡沫和鋼筋混凝土組成的隔離墻板來達到防水和保溫的目的。

(4)美國

圍繞寒區(qū)隧道凍害，美國將隔熱性能良好的聚氨酯類保溫材料制作成板材并敷設在初期支護或二次襯砌內(nèi)表面，對洞內(nèi)排水系統(tǒng)和洞外的出水口采取保溫處理，有時還對排水系統(tǒng)采取主動加熱等措施，確保隧道排水暢通不凍結(jié)。

綜上，國外針對寒區(qū)隧道的凍害處治，結(jié)構(gòu)上主要采用隔熱保溫方式，排水系統(tǒng)主要采取主動加熱方式。

2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

針對隧道凍害問題，國內(nèi)主要從防排水防凍和結(jié)構(gòu)抗凍兩方面入手。

(1)防水系統(tǒng)抗凍

受季節(jié)性溫度變化影響，我國鐵路隧道根據(jù)季節(jié)性凍土區(qū)的地下水冬季多呈固態(tài)、夏季則為液態(tài)的特點，一般圍繞隧道設置通暢的排水系統(tǒng)，滿足排水系統(tǒng)全年排水通暢的需求。尤其是嚴寒地區(qū)，通過在隧道結(jié)構(gòu)下部設置深埋排水管排水，充分利用地溫達到抗凍目的。根據(jù)多年凍土區(qū)地下水全年凍結(jié)成冰狀的特點，我國鐵路隧道一般在初期支護與二次襯砌間設置保溫層保溫，從而避免隧道周邊凍土發(fā)生融化而導致凍害。

此外，圍繞隧道運營期出現(xiàn)的凍害問題，有時也對排水系統(tǒng)設置電伴熱的主動加熱技術(shù)，保證冬季進入隧道排水系統(tǒng)的地下水不凍結(jié)。一些寒區(qū)公路隧道在襯砌表面敷設保溫層保溫防凍，也取得了不錯的成效。

(2)結(jié)構(gòu)抗凍

①對滲透性較強的破碎圍巖或土層采取注漿加固并堵水措施，減少地下水入滲，緩解凍融作用對結(jié)構(gòu)的影響。

②采取加大斷面曲率、襯砌結(jié)構(gòu)配筋等措施，提高隧道結(jié)構(gòu)抗凍能力。

③二次襯砌按一定長度設置變形縫，消減大溫差引起的溫度應力影響，降低襯砌開裂風險。

3 寒區(qū)鐵路隧道設計分區(qū)研究

3.1 關(guān)于年平均氣溫的引入

隧道是一種埋置于地下的線狀建筑物，其使用功能不可避免地受地層溫度、地下水等環(huán)境因素影響。礦區(qū)地溫預測研究表明：近地表的地層溫度會受季節(jié)性氣溫變化影響，其溫度變化幅度隨著深度增加而逐漸降低。當近地表的地層溫度隨氣溫的變化幅度小于0.1 ℃時，該處地層通常稱為恒溫層。即恒溫層是地表下某一深度處地熱與太陽輻射能量影響達到平衡的層帶。以天津地區(qū)為例，一年內(nèi)氣溫、地面溫度隨季節(jié)的變化如圖1所示。由圖1可以判斷，天津地區(qū)地表下約32 m深度處地溫受氣溫的影響微弱，即地表下32 m深處為恒溫層。

圖1 天津地區(qū)氣溫、地溫年度變化曲線圖[22]

以恒溫層分界，其上地層地溫受季節(jié)性太陽輻射熱影響通常具有周期性的變化規(guī)律，亦稱“變溫帶”或“外熱帶”。恒溫層以下地層地溫則主要受控于地球內(nèi)熱而不斷增溫，亦稱“增溫帶”或“內(nèi)熱帶”。從我國恒溫層深度(變溫帶厚度)的分布特點來看，總體上青藏高原、西北地區(qū)及東北地區(qū)深，東南沿海地區(qū)淺，恒溫層深度大致處于10～45m之間(如表4所示)[23]。

表4 部分地區(qū)的恒溫層位置分布

此外，相關(guān)研究結(jié)論表明[23]：恒溫層的溫度一般與當?shù)啬昶骄鶜鉁氐淖兓嘘P(guān)，而我國陸區(qū)恒溫層的溫度平均比當?shù)啬昶骄鶜鉁匾?.4 ℃，其中青藏高原、內(nèi)蒙古和東北大部分地區(qū)、新疆北部以及寧夏北部等寒冷地區(qū)兩者相差較大，其溫度差值最高為5 ℃，最低為3.5 ℃。

結(jié)合我國鐵路隧道的設計，由于深埋隧道通常位于恒溫層及以下的增溫帶內(nèi)，而淺埋隧道則通常位于恒溫層及以上的變溫帶內(nèi)，恒溫層的溫度水平，影響寒區(qū)隧道洞口段的防抗凍設計。因此，寒區(qū)隧道保溫排水設計，宜考慮隧道所在地區(qū)的年平均氣溫因素的影響。

3.2 高緯度寒區(qū)鐵路隧道設計分區(qū)

我國東北和華北北部地區(qū)緯度高，氣候寒冷，屬高緯度寒區(qū)。筆者調(diào)研了位于這一地區(qū)的多個鐵路項目近十余年發(fā)生的隧道凍害情況，分析表明年平均氣溫對隧道凍害的影響明顯。進一步對比分析隧道場址區(qū)的年平均氣溫和最冷月平均(1月平均)氣溫，高緯度寒區(qū)鐵路隧道可劃分為5個分區(qū)，如表5所示。

表5 高緯度寒區(qū)鐵路隧道設計分區(qū)表

3.3 川藏鐵路隧道設計分區(qū)的建議

川藏鐵路沿線基本為季節(jié)性凍土區(qū)，線路穿越眾多高山峽谷，而沿線地區(qū)還具有長冬無夏，冬季寒冷干燥，氣溫年較差小而日較差大，氣壓偏低，空氣稀薄，太陽輻射強烈，氣候垂直變化明顯的高原寒區(qū)特點。

中國氣象科學研究院有關(guān)氣象資料顯示，川藏鐵路隧道所在地區(qū)最冷月平均氣溫為-9.1 ℃～6.2 ℃，年平均氣溫為-0.7 ℃～16.7 ℃。考慮川藏鐵路特殊的地理位置、惡劣的氣候環(huán)境等工程特點，參考高緯度寒區(qū)鐵路隧道設計分區(qū)方法，建議川藏鐵路高海拔寒區(qū)隧道按年平均氣溫和最冷月平均氣溫劃分為3個分區(qū)，如表6所示。

表6 高海拔寒區(qū)鐵路隧道設計分區(qū)表

4 川藏鐵路隧道保溫排水設計

4.1 川藏鐵路隧道洞口保溫排水設防長度建議

為保證隧道排水通暢，防止高海拔寒區(qū)隧道產(chǎn)生凍害，必須結(jié)合隧道場址區(qū)的氣候條件、地下水發(fā)育程度等影響因素，制定針對性的防寒保溫措施。此外，考慮川藏鐵路特長隧道眾多，具有單洞雙線和雙洞單線隧道等型式，可結(jié)合工點情況選擇由保溫水溝、中心深埋水溝、泄水洞及相關(guān)配套排水設施組合而成的防寒保溫排水系統(tǒng)。結(jié)合設計分區(qū)，建議川藏鐵路隧道洞口保溫排水設防長度如表7所示。

表7 洞口端保溫排水設施設防長度一覽表

4.2 保溫排水系統(tǒng)設計

4.2.1 保溫水溝

(1)適用條件

保溫水溝一般適用于冬季襯砌背后不會出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象的隧道。此時，周邊圍巖的地下水經(jīng)邊墻處設置的側(cè)溝泄水孔進入隧道內(nèi)以淺埋方式(即水溝埋置深度小于洞內(nèi)最大凍結(jié)深度)設置且采取保溫措施的水溝引排，可實現(xiàn)冬季排水不凍結(jié)的目的。

(2)設置方式

雙線隧道的保溫水溝一般采用側(cè)溝式或中心埋置式，其結(jié)構(gòu)形式應結(jié)合隧道襯砌斷面布置；單線隧道的保溫水溝則一般采用側(cè)溝式。保溫水溝設計如圖2所示。

圖2 保溫水溝斷面圖

需要說明的是，保溫中心水溝的管徑與普通隧道相同，一般在隧道仰拱填充內(nèi)設置或緊貼底板設置。

4.2.2 中心深埋水溝

(1)適用條件

中心深埋水溝通常適用于冬季襯砌背后出現(xiàn)負溫的隧道。此時，隧道周邊地下水可通過滲水盲溝系統(tǒng)或重力下滲作用，經(jīng)設置于隧道結(jié)構(gòu)下方的中心深埋水溝引排，從而達到冬季不凍結(jié)的目的。

(2)設置方式

中心深埋水溝一般需將管溝的流水面埋置于洞內(nèi)最大凍結(jié)深度以下，可確保冬季管溝排水不產(chǎn)生凍結(jié)，其設計如圖3所示。

圖3 中心深埋水溝斷面圖

為滿足最大凍結(jié)深度的要求，中心深埋水溝一般設置于隧道仰拱或底板結(jié)構(gòu)以下，其管徑可根據(jù)進入洞周的地下水量計算確定。

4.2.3 防寒泄水洞

(1)適用條件

針對川藏鐵路隧道工程特點，防寒泄水洞主要適用于以下兩種情況：

①單線隧道洞內(nèi)保溫水溝不滿足防凍需求且設置中心深埋水溝不利于檢查，或排水能力不足。

②雙線隧道洞口防寒段排水能力不足且無條件加大排水溝尺寸。

(2)設置方式

結(jié)合川藏鐵路隧道的特點，防寒泄水洞的平面位置一般優(yōu)先設置于地下水來源一側(cè)，也可設置于隧道結(jié)構(gòu)底部，側(cè)向設置于平導及正洞間，或設置于兩個單洞隧道間；此外，防寒泄水洞還可與平導結(jié)合設計。

泄水洞埋置深度一般需考慮泄水洞與隧道的相互影響、排水效果等因素綜合確定。當泄水洞位于正線隧道側(cè)向時，為保證排水效果，必要時可結(jié)合地質(zhì)情況和泄水洞與正洞的空間位置關(guān)系，設置集水鉆孔或集水廊道排水。為防止泄水洞施工對正洞產(chǎn)生影響，防寒泄水洞一般應超前于正洞施工，同時可兼做正洞的超前導洞，預報正洞前方的地質(zhì)情況，為正洞的安全施工提供適當參考。

泄水洞可采用鉆爆法或掘進機法施工，襯砌形式結(jié)合具體條件確定。由于泄水洞與正洞的凈距較小，施工過程中不可避免地存在一定程度的相互干擾，因此，施工開挖應采取控制爆破措施，確保兩者安全。

防寒泄水洞的斷面凈空尺寸應根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程機械等綜合確定，鉆爆法施工的泄水洞凈空尺寸一般不小于2.6 m×2.5 m(高×寬)。位于隧底和位于雙洞單線隧道間的泄水洞設計如圖4所示。

圖4 防寒泄水洞圖

4.2.4 檢查井及出水口保溫

川藏鐵路隧道設置保溫水溝、中心深埋水溝或防寒泄水洞后，配套設置的用于維修養(yǎng)護的檢查井等設施工也應采取保溫措施。

此外，隧道內(nèi)的水經(jīng)洞內(nèi)保溫排水系統(tǒng)引排出洞后，應結(jié)合洞外地形條件，通過埋入式排水管引排至地形相對低洼的溝谷或河道排出。出水口盡量選擇在背風向陽處，并采取保溫措施。

5 結(jié)論與建議

本文針對位于高海拔寒區(qū)的川藏鐵路隧道保溫排水問題，總結(jié)了目前國內(nèi)多行業(yè)的寒區(qū)分類方法、原則和國內(nèi)寒區(qū)隧道保溫排水的技術(shù)現(xiàn)狀。通過研究分析高緯度寒區(qū)鐵路隧道設計分區(qū)情況，結(jié)合川藏鐵路工程特點，提出了川藏鐵路高海拔寒區(qū)隧道設計分區(qū)建議和保溫排水設施的設防標準建議，同時分析了各類保溫排水設施在川藏鐵路的適用性。主要結(jié)論如下：

(1)按年平均氣溫和最冷月平均氣溫兩個指標，川藏鐵路高海拔寒區(qū)鐵路隧道可劃分為3個分區(qū)。

(2)川藏鐵路高海拔寒區(qū)鐵路隧道洞口段的排水溝槽可按設計分區(qū)并結(jié)合工點采用不同的長度和不同的結(jié)構(gòu)形式。

(3)保溫排水溝的檢查井及出水口宜采取保溫措施。