既有鐵路隧道排水溝凍害原因及處置措施

李堯

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，隧道的建成里程不斷增長(zhǎng)，在黑龍江、內(nèi)蒙古、新疆等寒冷地區(qū)也有大量隧道投入運(yùn)營(yíng)。在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，很多隧道出現(xiàn)排水溝結(jié)冰現(xiàn)象，影響正常使用，嚴(yán)重者因?yàn)樗疁蟽鼋Y(jié)使地下水失去疏排通道漫入道床而造成道床大面積結(jié)冰，嚴(yán)重影響隧道結(jié)構(gòu)正常使用及行車安全［1-2]。本文以內(nèi)蒙古地區(qū)一座鐵路隧道為例，對(duì)排水溝凍害的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析并提出相應(yīng)整治措施。

1 工程概況

該隧道為單線隧道，全長(zhǎng)4800 m，設(shè)計(jì)行車速度120 km/h，隧道設(shè)計(jì)為單面下坡排水，出口段300 m 為4‰下坡，其余段落為4.5‰下坡。隧道地處內(nèi)蒙古大草原，屬低緩丘陵區(qū)，山體多未見(jiàn)基巖出露，植被覆蓋較好，隧道最大埋深93.64 m。

隧道防排水采取“防、排、截、堵結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則，隧道防水等級(jí)為一級(jí)，混凝土抗?jié)B等級(jí)為P10。隧道拱墻初期支護(hù)和二次襯砌之間防水采用EVA 防水板，防水板厚度不小于1.5 mm，無(wú)紡布密度為350 g/m。防水板和土工布設(shè)置到軌面以下80 cm，仰拱不設(shè)置防水板。隧道進(jìn)出口段500 m 范圍設(shè)置雙層保溫水溝，在雙層蓋板之間填充保溫材料。隧道出口端設(shè)置800 m 中心深埋水溝，中心深埋水溝段落每10 m 設(shè)置一個(gè)橫溝，每30 m 設(shè)置一個(gè)檢查井。在隧道出口端800 m 處采用φ200 mm 的PVC 管連通中心深埋水溝的橫溝和洞內(nèi)雙側(cè)水溝，保證洞內(nèi)雙側(cè)水溝的水經(jīng)由中心水溝排出。

隧道進(jìn)拱墻二次襯砌和初期支護(hù)之間環(huán)向設(shè)置φ50 mm 深埋保溫盲溝，每10 m 設(shè)置一道，邊墻墻腳處縱向設(shè)置φ80 mm 盲溝，要求環(huán)向、縱向盲溝保持連通。隧道進(jìn)出口段環(huán)向、縱向盲溝采用5 cm 厚聚氨酯保溫層覆蓋，保溫層幅寬2 m。

2 病害情況

2015年隧道貫通后，施工單位現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)距出口段約500 m 范圍內(nèi)保溫水溝結(jié)冰。掀開(kāi)外側(cè)蓋板可見(jiàn)填充的保溫材料凍結(jié)，取出保溫層后可見(jiàn)水溝全部?jī)鼋Y(jié)，如圖1 所示。距出口端500 m 左右開(kāi)始出現(xiàn)水溝結(jié)冰，部分地段水溝蓋板上及道床也有結(jié)冰現(xiàn)象發(fā)生。最嚴(yán)重病害出現(xiàn)在距出口800 ～1100 m 內(nèi)，該段水溝蓋板及道床全部?jī)鼋Y(jié)，結(jié)冰厚度至軌面以上40 ～50 cm，工務(wù)部門安排大量人員進(jìn)行鑿除，如圖2 所示。全隧道水溝凍結(jié)平面分布情況如圖3 所示。

圖1 排水溝結(jié)冰

圖2 道床結(jié)構(gòu)結(jié)冰

圖3 水溝凍結(jié)平面分布示意（單位：m）

3 原因分析

3.1 極端氣候條件

由于缺乏隧道不同里程處氣溫的觀測(cè)資料，也無(wú)隧址區(qū)域內(nèi)氣候觀測(cè)資料，故根據(jù)當(dāng)?shù)乜h級(jí)氣象部門資料對(duì)2015年11月至2016年2月的氣候條件進(jìn)行分析，得到主導(dǎo)風(fēng)向是西、西北、北，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 隧址冬季氣候條件

由表1 可以看出：2015—2016年冬季隧址最冷月為2016年1月，平均氣溫為-24 ℃，較設(shè)計(jì)最冷月平均最低氣溫（-19 ℃）低5 ℃；極端最冷氣溫發(fā)生在2015年12月，為-33 ℃。由于隧道處于野外丘陵地帶，遠(yuǎn)離城區(qū)，其實(shí)際氣候較觀測(cè)數(shù)據(jù)更為惡劣。

通過(guò)對(duì)冬季風(fēng)向及風(fēng)力進(jìn)行分析可知：冬季月平均風(fēng)力達(dá)到2.3 級(jí)，對(duì)應(yīng)風(fēng)速約3 m/s；最大風(fēng)力達(dá)到6級(jí)，對(duì)應(yīng)風(fēng)速約10 m/s；隧道出口面向西北，連續(xù)四個(gè)月主導(dǎo)風(fēng)風(fēng)向與隧道走向夾角小。風(fēng)向及風(fēng)力條件導(dǎo)致洞內(nèi)外空氣對(duì)流頻繁、降溫快，易形成連續(xù)低溫，有利于凍害的產(chǎn)生與發(fā)展。

3.2 設(shè)計(jì)局限

根據(jù)設(shè)計(jì)時(shí)所依據(jù)規(guī)范，在進(jìn)行寒區(qū)鐵路隧道防排水設(shè)計(jì)時(shí)主要以最冷月平均最低氣溫以及黏性土最大凍結(jié)深度作為設(shè)計(jì)依據(jù)進(jìn)行防寒防排水設(shè)施的選型設(shè)計(jì)，并且規(guī)定：最冷月平均氣溫低于-5 ℃地區(qū)冬季有水隧道的凍害地段，宜設(shè)置保溫水溝、中心深埋水溝、防寒泄水洞等措施；其配套排水設(shè)施應(yīng)能防寒，使水流暢通。TB 10119—2000《鐵路隧道防排水技術(shù)規(guī)范》［3]對(duì)寒區(qū)隧道排水溝的設(shè)置進(jìn)行了細(xì)化要求，規(guī)定最冷月平均氣溫在-10 ℃以下地區(qū)，排水溝形式按表2取用。

表2 不同溫度下的排水溝形式

設(shè)計(jì)氣象資料顯示，隧址最冷月的平均最低氣溫為-19.2 ℃，土壤最大凍結(jié)深度為2.12 m。設(shè)計(jì)在出口端800 m 采用中心深埋水溝，并在洞口500 m 范圍內(nèi)采用保溫水溝，符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，但未能防止凍害的產(chǎn)生。

相關(guān)研究表明［4-5]，隧址風(fēng)力、寒冷月主導(dǎo)風(fēng)向、隧道走向夾角等因素對(duì)隧道內(nèi)溫度場(chǎng)的變化影響顯著。此次凍害的發(fā)生在一定程度上反映出現(xiàn)行寒區(qū)隧道排水設(shè)施設(shè)計(jì)依據(jù)有待完善。設(shè)計(jì)參數(shù)主要通過(guò)工程類比確定，對(duì)其他影響因素考慮不足，導(dǎo)致防寒措施選用不當(dāng)、防寒設(shè)施設(shè)置范圍偏小。所以，雖然該隧道依據(jù)最冷月平均最低氣溫與土壤最大凍結(jié)深度設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)保溫措施符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，但在持續(xù)極端低溫、較強(qiáng)風(fēng)力、冬季主導(dǎo)風(fēng)風(fēng)向與隧道走向夾角小等因素的影響下，凍害的產(chǎn)生未能避免。

3.3 施工缺陷

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，側(cè)溝施工質(zhì)量粗糙，部分地段坡度不符合設(shè)計(jì)要求、高低不平，有施工垃圾遺留，中心水溝及橫過(guò)管局部淤堵，影響地下水正常排出，加大了凍害發(fā)生概率。

綜上所述，在冬季嚴(yán)寒條件下排水系統(tǒng)保溫設(shè)施設(shè)置不足。隧道出口段1.2 km 范圍內(nèi)均滿足凍害發(fā)生的溫度條件。由于水溝內(nèi)流量較小，流速較慢，加之泥沙淤堵未及時(shí)清理，水流更加緩慢并逐漸凍結(jié)形成排水阻梗，使溝內(nèi)水流由無(wú)壓有序排水變?yōu)橛袎簾o(wú)序排水，持續(xù)累積并溢出。在保溫水溝段由于中心水溝的作用，小里程側(cè)地下水經(jīng)由中心水溝而未由側(cè)溝排出，出口端地下水水量較小，故僅發(fā)生局部水溝保溫層及蓋板上部結(jié)冰而未至道床。凍害嚴(yán)重地段位于中心水溝起始端，由于橫過(guò)管及中心水溝的淤堵，水流來(lái)不及向中心水溝傾瀉而逐漸凍結(jié)，加之小里程方向來(lái)水量較大，逐漸溢出水溝進(jìn)入道床造成大面積冰害。

4 處理方案

目前針對(duì)排水溝凍害的處理措施主要有增加保溫水溝長(zhǎng)度、增設(shè)防寒泄水洞、水溝電輔熱等方式［6]。鑒于隧道已經(jīng)開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，在綜合考慮技術(shù)難度、施工成本、運(yùn)營(yíng)安全等因素基礎(chǔ)上，決定采用水溝電輔熱方案進(jìn)行治理。

具體方案為：在隧道出口段1100 m 范圍內(nèi)的雙側(cè)水溝內(nèi)，布設(shè)電加熱板，并通過(guò)溫度傳感器和融冰傳感器實(shí)現(xiàn)電加熱板的自動(dòng)啟?？刂?。

當(dāng)水溝內(nèi)氣溫低于0 ℃時(shí)，由溫度傳感器傳輸信號(hào)到控制箱，啟用底部加熱板。當(dāng)氣溫極低、底部加熱板無(wú)法阻擋結(jié)冰、水溝內(nèi)產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象時(shí)，融冰傳感器傳輸信號(hào)到控制箱，啟用兩側(cè)壁加熱板，實(shí)現(xiàn)其融冰功能，確保水溝通暢。電伴熱系統(tǒng)工作程序如圖4所示。

圖4 電伴熱系統(tǒng)工作程序

根據(jù)電加熱板的功率要求和控制箱的容量限制，單側(cè)每60 m設(shè)置一臺(tái)控制箱，對(duì)60 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)的電加熱板實(shí)施控制。為了確保用電安全，控制箱進(jìn)線端采用220 V 或380 V 電壓，經(jīng)過(guò)控制箱內(nèi)變壓器后，變壓為36 V 安全電壓，對(duì)加熱板實(shí)施供電?？刂葡湮恢媒Y(jié)合洞內(nèi)避車洞分布設(shè)計(jì)，控制箱安放在避車洞內(nèi)。電加熱板性能：寬度為20 cm，單片長(zhǎng)度為122 cm，用電電壓為36 V，功率為每米80 W，表面溫度為45 ℃。電伴熱面板安裝詳見(jiàn)圖5，電熱系統(tǒng)控制箱原理見(jiàn)圖6。

圖5 電熱板安裝設(shè)計(jì)示意單位：cm

整治工程于2016年7月份完工并調(diào)試完畢，現(xiàn)場(chǎng)效果見(jiàn)圖7。經(jīng)過(guò)2016—2017年冬季的使用，設(shè)備運(yùn)行良好，排水溝內(nèi)水溫大于3 ℃，過(guò)水通暢，防凍效果良好。

圖6 電熱系統(tǒng)控制箱原理示意

圖7 現(xiàn)場(chǎng)效果

5 結(jié)語(yǔ)

1）目前我國(guó)鐵路隧道相關(guān)規(guī)范對(duì)寒區(qū)隧道排水系統(tǒng)防寒保溫設(shè)施設(shè)置的相關(guān)指標(biāo)比較籠統(tǒng)，設(shè)計(jì)參數(shù)多采用工程類比確定。建議設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)氣候、圍巖、地下水、隧道走向等因素綜合考慮確定防寒措施的選型及范圍。

2）加強(qiáng)防排水設(shè)施尤其是盲管、深埋水溝等隱蔽工程的施工質(zhì)量控制，確保排水通暢，避免因排水不暢加劇凍害。

3）水溝電輔熱作為解決水溝凍害的一種措施取得了良好效果，但是仍然存在能耗較大、配套電源接入困難、淤泥累積影響加熱效果等不足，須要進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化。