西寧至成都鐵路隧道防寒設(shè)計方案

徐亞峰

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司 陜西西安 710043)

1 概述

新建西寧至成都鐵路北起青海省省會西寧市，向南經(jīng)過海東市平安區(qū)、化隆縣和黃南藏族自治州尖扎縣、同仁市，后向東南方向進入甘肅省甘南藏族自治州，依次經(jīng)夏河縣、合作市、碌曲縣，再向南經(jīng)四川省阿壩藏族羌族自治州若爾蓋縣，接入在建成蘭鐵路黃勝關(guān)站，與成蘭鐵路共線引入成都樞紐，見圖1。西寧至成都鐵路是西北地區(qū)連接西南、溝通華南的重要鐵路通道，是中長期高速鐵路網(wǎng)“八縱八橫”中蘭(西)廣高鐵通道的組成部分，同時也是一條國土資源開發(fā)性的線路，建設(shè)意義重大。

圖1 新建西寧至成都鐵路地理位置

線路整體走行于青藏高原東部邊緣與黃土高原過渡地帶，地面高程一般2 000～4 200 m左右，自南向北地貌單元可劃分為岷山中高山區(qū)、若爾蓋高原區(qū)、西秦嶺中高山區(qū)、化隆盆地區(qū)、拉脊山中高山區(qū)、西寧盆地區(qū)六個地貌單元。全線平均海拔較高，最冷月平均氣溫在－3.4～－9.9℃，極端最低氣溫達－20.7～－30.6℃。根據(jù)既有經(jīng)驗，我國寒冷地區(qū)隧道防排水及防寒問題較為突出，如襯砌漏水、掛冰；路面(隧底)冒水、結(jié)冰；襯砌變形、開裂、酥碎、剝落；洞門墻開裂等[1－3]，典型凍害現(xiàn)象見圖2。

圖2 典型隧道凍害現(xiàn)象

既有寒區(qū)隧道凍害研究表明，凍害往往是從防水措施失效及排水通道結(jié)冰開始的，因此切實可靠的防水措施及完善有效的防寒排水系統(tǒng)是防止凍害的關(guān)鍵。

2 隧道設(shè)計概況

新建西寧至成都鐵路隧道工程總計276.70 km/66座，占正線全長的55.5%，其中特長隧道共計118.40 km/8座，長隧道(3～10 km)共計109.23 km/18座，其余均為中長及短隧道。

2.1 氣象特征

沿線氣候為寒溫帶濕潤季風(fēng)氣候向大陸高原半干旱氣候逐漸過渡，具有南部濕潤、北部干燥的高原自然地理環(huán)境。

沿線氣溫總的規(guī)律是隨緯度和海拔增高而遞減，并具有年溫差小而日溫差大、陰坡與陽坡溫差大的特點。沿線主要城市氣象站氣象資料如表1、表2所示?？梢钥闯觯碇穮^(qū)全年平均氣溫多在1.4～8.4℃之間，最高氣溫可達40.3℃，最低氣溫可降至－30.6℃。由于海拔較高，高原空氣稀薄，太陽幅射較強，日照長，從而形成了年溫差小，日溫差大，陰坡與陽坡溫差大，氣候垂直變化大于水平變化等特點，因此隧道將遭受更為頻繁的凍融循環(huán)，其結(jié)構(gòu)安全性和隧道防排水系統(tǒng)的有效性將面臨更大的挑戰(zhàn)。

表1 沿線主要城市氣溫統(tǒng)計

2.2 隧道防排水

西寧成都線隧道防水設(shè)計以混凝土結(jié)構(gòu)自防水和防水板防水為主體、以接縫防水為重點，必要時采用注漿加強防水；排水系統(tǒng)設(shè)計兼顧地表水與地下水、洞內(nèi)與洞外環(huán)境，采取防淤積、防堵塞、防凍結(jié)措施，保證排水暢通。

一般暗洞段根據(jù)地下水情況，設(shè)雙側(cè)水溝或雙側(cè)水溝＋中心水溝，隧道暗洞采用復(fù)合式襯砌，初期支護與二次襯砌之間依次敷設(shè)環(huán)(縱)向盲管、防水板、土工布及背貼式止水帶等防排水系統(tǒng)，在隧道墻腳設(shè)泄水孔與排水側(cè)溝連通，參見圖3。

圖3 洞內(nèi)防排水系統(tǒng)設(shè)計示意

寒冷、嚴(yán)寒地區(qū)隧道兩端洞口一定范圍內(nèi)水溝及襯砌背后的水容易發(fā)生凍結(jié)。根據(jù)季節(jié)性凍土地區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范[4]53，隧道設(shè)計斷面處的圍巖凍結(jié)深度無實測資料時可按下式計算:

式中，Zs(x)為隧道設(shè)計斷面x處的圍巖凍結(jié)深度；x為隧道設(shè)計斷面距洞口的距離；Kλ為圍巖類別對凍結(jié)深度的影響系數(shù)，一般粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)土取1.0，砂類土、碎石土取1.1～1.3，巖石取1.3～2.0；Z0為隧道所在地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度(m)；t(x)為隧道設(shè)計斷面處的最冷月平均氣溫(℃)，根據(jù)隧道沿進深溫度梯度推算，無資料時隧道中點至洞口段溫度梯度可按0.1℃/10 m考慮。

根據(jù)式(1)，選取西寧成都線典型氣象特征資料，計算洞內(nèi)不同位置處的圍巖凍結(jié)深度，結(jié)果參見圖4，圖中H0為所在地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度，T0為所在地區(qū)最冷月平均氣溫?？紤]西成線隧道設(shè)置仰拱內(nèi)中心水溝時，水管埋置深度約為50 cm，本次選取圍巖凍結(jié)深度50 cm作為考慮特殊防寒措施的臨界值。由圖4可見，不同圍巖類別條件下西寧成都線隧道距洞口一定長度范圍內(nèi)的圍巖均存在凍結(jié)現(xiàn)象，其中松潘縣(H0＝49 cm，T0＝－3.4℃)隧道口約0～100 m范圍圍巖凍結(jié)深度≥50 cm，而化隆縣(H0＝143 cm，T0＝－9.6℃)隧道洞口約600～750 m范圍圍巖凍結(jié)深度≥50 cm。洞口段僅設(shè)置側(cè)溝或中心水溝的排水方式將容易發(fā)生凍害，需要考慮深埋中心水溝或防寒泄水洞排水措施。

圖4 隧道洞內(nèi)圍巖凍結(jié)深度

另外，寒區(qū)隧道內(nèi)凍結(jié)深度大于襯砌厚度時，襯砌背后盲管將容易發(fā)生凍結(jié)，堵塞排水管路，進一步圍巖發(fā)生凍脹。此時襯砌背后防排水需考慮保溫設(shè)計措施，如設(shè)置保溫板、保溫盲管等。一般認(rèn)為，隧道襯砌背后圍巖凍結(jié)深度與圍巖初始地溫、隧道內(nèi)溫度場、列車活塞風(fēng)、襯砌厚度、襯砌與圍巖導(dǎo)熱系數(shù)、圍巖裂隙水、是否設(shè)置保溫層等多種因素相關(guān)[5]，圍巖凍結(jié)的相變傳熱過程屬于強非線性問題，目前尚處于研究階段。在這其中，肖洵[6]通過理論研究、數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場實測方法，研究了特定條件下的寒區(qū)隧道溫度場的時空分布規(guī)律，認(rèn)為冬季隧道月平均氣溫低于－4℃時，襯砌結(jié)構(gòu)完全出現(xiàn)負(fù)溫，此時應(yīng)當(dāng)做好保溫防凍、排水措施避免圍巖凍脹對襯砌的安全構(gòu)成威脅。且有日本黑川希范公式[7]近似計算洞口段圍巖設(shè)置保溫段長度為:

式中，t為洞口氣溫最冷月平均氣溫(℃)；y為保溫段長度(m)。

隧道中點至洞口段溫度梯度按0.1℃/10 m考慮[4]53，肖洵理論與黑川希范公式計算所得的洞口保溫段設(shè)置長度，參見圖5。綜合兩者計算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn):微凍地區(qū)(－3～2.5℃)保溫段設(shè)置長度考慮0～160 m，寒冷地區(qū)(－8～－3℃)保溫段設(shè)置長度考慮160～500 m，嚴(yán)寒地區(qū)(≤－8℃)保溫段設(shè)置長度考慮500～800 m。因此，西寧成都線隧道以嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)為主，洞口襯砌背后環(huán)向盲管考慮保溫措施，按寒冷地區(qū)500 m、嚴(yán)寒地區(qū)800 m設(shè)計考慮。

圖5 洞口襯砌保溫段設(shè)置長度計算結(jié)果

3 寒區(qū)隧道防寒排水

3.1 隧道防寒排水措施

嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)隧道防寒設(shè)計，必須結(jié)合局部氣候條件和地下水發(fā)育程度制定有針對性的防寒措施。目前，寒區(qū)隧道考慮隧道氣候、土壤最大凍結(jié)深度、圍巖條件、地下水發(fā)育等，采取的主要防寒措施包括:保溫水溝、深埋中心水溝、防寒泄水洞、電伴熱、保溫盲管、防寒徑向注漿以及洞外保溫出水口等。

(1)保溫水溝

保溫水溝采用淺埋方式(即淺于隧道內(nèi)的最大凍結(jié)深度)，在水溝內(nèi)采取保溫措施，以達到冬季水流不凍結(jié)之目的，一般在水溝上部設(shè)雙層蓋板，在上下兩層蓋板間充填保溫材料，下部為流水槽。

(2)深埋中心水溝

深埋中心水溝是將中心水溝埋置于洞內(nèi)相應(yīng)的凍結(jié)深度以下，利用地溫達到排水溝內(nèi)水流不致凍結(jié)的排水設(shè)施，適用于比較嚴(yán)寒的地區(qū)。深埋中心水溝一般采用明挖法施工，結(jié)構(gòu)為φ600 mm(厚t＝120 mm)鋼筋混凝土預(yù)制管，中心深埋水溝周圍管壁上預(yù)留泄水孔，水溝周圍回填采用級配碎石，且回填密實。

(3)防寒泄水洞

防寒泄水洞是隧道排出地下水的主要措施，當(dāng)黏性土最大凍結(jié)深度大于2 m時宜優(yōu)先考慮。其形狀類似一個帶孔的小隧道，位于隧道下方，并將所設(shè)豎向盲溝、泄水孔、支導(dǎo)洞、檢查井、椎體保溫出水口等組成一個排水系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)將襯砌后面圍巖中的地下水匯集在泄水洞中，然后再排出隧道。寒區(qū)隧道設(shè)置泄水洞可以有效減少或消除隧道內(nèi)部冒水、掛冰、積冰、凍脹等病害。防寒泄水洞通常采用暗挖法施工，埋置深度應(yīng)滿足當(dāng)?shù)貒鷰r最大凍結(jié)深度與暗挖法施工不致引起隧底坍塌的要求。

(4)電伴熱系統(tǒng)

電伴熱系統(tǒng)是一種輻射型供暖系統(tǒng)，以電熱絲為熱媒，通過電纜通電發(fā)熱將電能轉(zhuǎn)化為熱能，傳遞給被加熱體，并通過外層隔熱材料的保護，以達到系統(tǒng)需要的供暖、保溫效果。在隧道排水系統(tǒng)發(fā)生凍害的情況下，通過與冰層之間的顯熱和潛熱進行熱量交換，使隧道襯砌或防排水體系始終維持在正溫狀態(tài)，從而達到防治凍害的目的。采用電伴熱系統(tǒng)對隧道進行凍害防治已經(jīng)成功應(yīng)用于國內(nèi)部分寒區(qū)隧道[8－9]，其加熱效果好，經(jīng)濟性適中，耐久性較好，其缺點是系統(tǒng)耗能較大。

(5)盲管保溫措施

盲管保溫采用聚氨酯保溫材料，雙層防水板間布設(shè)聚氨酯保溫材料，幅寬1.5 m，如圖6所示。

圖6 保溫盲管構(gòu)造示意

(6)防寒徑向注漿

洞口Ⅴ級圍巖土質(zhì)地層、風(fēng)化嚴(yán)重的基巖地層孔隙率較大，可采用徑向注漿封堵圍巖裂隙、封堵地下水滲流路徑，減少襯砌背后匯水。

(7)洞外保溫出水口

在嚴(yán)寒地區(qū)，深埋水溝、防寒泄水洞、洞外暗溝均應(yīng)設(shè)置保溫出水口，通過保溫暗管、保溫出水口將洞內(nèi)水引至地表低洼處。

3.2 防寒排水設(shè)計典型案例

以則岔隧道為例介紹西寧成都線隧道防寒排水設(shè)計流程，該隧道位于甘南藏族自治州碌曲縣拉仁關(guān)鄉(xiāng)境內(nèi)，為秦嶺中高山區(qū)，地形起伏、植被較好，地面高程3 235～3 990 m，最大埋深590 m。隧道起訖里程DGK199＋855～DG1K210＋334.58，全長10 479.58 m，為單洞雙線隧道。全隧道單面下坡，依次為:－25‰/8 896.35 m、－23‰/950 m、－5‰/634.58 m，于正洞DGK202＋500處線路右側(cè)設(shè)一斜井，正洞DGK204＋220～出口線路左側(cè)設(shè)平導(dǎo)輔助施工。隧址區(qū)巖溶弱發(fā)育、地下水主要為孔隙水、基巖裂隙水、構(gòu)造裂隙水及碳酸鹽巖巖溶裂隙水，為中等～強富水，隧道正洞涌水量達到12.35萬m3/d。

(1)洞口氣溫數(shù)據(jù)

據(jù)鄰近碌曲縣氣象站(海拔高度3 190.6 m)資料顯示:工點區(qū)屬高原溫帶濕潤氣候，低溫嚴(yán)寒，四季不明，冬長無夏，年平均氣壓69.83 kPa，年平均氣溫4.1℃，極端最低氣溫－23.4℃，最冷月平均氣溫－9.5℃，年平均風(fēng)速1.3 m/s，主導(dǎo)風(fēng)向E，最大風(fēng)速10.2 m/s。最大季節(jié)凍結(jié)深度78 cm，最大積雪厚度15 cm。

隧道發(fā)生凍害與洞口的氣溫有密切的關(guān)系，但是目前隧道防寒設(shè)計時洞口最冷月平均氣溫的選取一般是根據(jù)隧址所在區(qū)域的市縣一級的氣象資料，而新建山嶺隧道大多處于氣候惡劣和偏遠(yuǎn)的山區(qū)，洞口氣溫與氣象資料相差甚遠(yuǎn)。需要綜合考慮隧道洞口海拔高度來修正洞口最冷月平均氣溫、極端最低氣溫。按海拔高度每升高100 m，氣溫降低0.6℃進行計算，公式如下:

式中，T0為氣象站最冷月平均氣溫或極端最低氣溫(℃)；T為洞口最冷月平均氣溫或極端最低氣溫(℃)；H0為氣象站海拔高度(m)；H為洞口海拔高度(m)。

通過公式(3)計算，得到則岔隧道洞口氣溫數(shù)據(jù)，參見表3。可以發(fā)現(xiàn)，則岔隧道進口最冷月平均氣溫為－11.24℃、出口最冷月平均氣溫為－9.74℃，均屬于嚴(yán)寒地區(qū)。因此，則岔隧道兩端洞口800 m范圍考慮襯砌背后盲保溫管設(shè)計。

表3 則岔隧道洞口氣溫數(shù)據(jù)

(2)防寒水溝設(shè)置長度

隧道設(shè)置仰拱內(nèi)中心水溝時，水管埋置深度約為50 cm，設(shè)置中心深埋水溝時，水管埋置深度約為250 cm。則岔隧道工點區(qū)最大季節(jié)性土壤凍結(jié)深度為78 cm，隧道洞口一定范圍內(nèi)考慮設(shè)置深埋中心水溝或防寒泄水洞。

既有研究[10－12]對已運營寒區(qū)及嚴(yán)寒地區(qū)隧道凍害情況調(diào)查發(fā)現(xiàn):①設(shè)置合理的保溫措施段長度是充分發(fā)揮隧道防寒保溫抗凍能力的關(guān)鍵；②洞口在相同的保溫措施條件下，位于陰坡的隧道洞口比陽坡的隧道口更容易發(fā)生凍害。據(jù)此研究提出了與洞口太陽輻射強度Iθ、最冷月平均氣溫T0相關(guān)的隧道防寒排水措施的判定方法，以及嚴(yán)寒地區(qū)隧道保溫水溝L1、中心深埋水溝L2及防寒泄水洞設(shè)置長度L3的計算公式，參見式(4)～(7)。

式中，Iθ為隧道洞口太陽輻射指標(biāo)；IDθ為隧道洞口太陽直射輻射強度；Idθ為隧道洞口太陽散射輻射強度；IRθ為隧道洞口獲得的地面反射輻射強度；T0為洞口最冷月平均氣溫(℃)。

根據(jù)則岔隧道洞口地形數(shù)據(jù)可得洞口斜面方位角、傾角等數(shù)據(jù)，進而得到防寒水溝設(shè)置長度，結(jié)果參見表4?？梢园l(fā)現(xiàn)，若僅考慮洞口防寒要求，則岔隧道兩端洞口保溫水溝設(shè)置長度約1 400 m，深埋中心溝設(shè)置長度約850 m，防寒泄水洞設(shè)置長度約450 m。

表4 洞口防寒水溝設(shè)置長度計算結(jié)果

但是，考慮則岔隧道進口為高端洞口，設(shè)置深埋中心溝或防寒泄水洞較為困難；同時則岔隧道單面下坡，出口累計最大涌水量達到14.12萬m3/d，且出口段634 m縱坡較緩(坡度為－5‰)，深埋中心溝(內(nèi)徑φ60 cm)排水能力約為3.66萬m3/d，難以滿足排水要求。

綜合考慮防寒與排水能力要求，則岔隧道進口1 000 m范圍雙側(cè)保溫水溝采用電伴熱，出口端2 028 m范圍內(nèi)設(shè)置中心淺埋水溝(仰拱底)＋防寒泄水洞，襯砌背后滲水直接引入中心淺埋水溝(仰拱底)，隧道內(nèi)防寒泄水洞上游側(cè)溝水、中心水溝水及中心淺埋水溝(仰拱底)水均通過防寒泄水洞排走。

(3)其他附屬防寒措施

則岔隧道防寒排水配套措施包括:①進口端DK199＋881～DK200＋000段、出口端DK210＋258～DK210＋317段為V級圍巖，淺埋、巖體破碎、地下水發(fā)育，設(shè)計采用徑向注漿措施封堵圍巖裂隙，減少襯砌凍害及運營期間病害；②隧道洞外設(shè)置保溫暗管和保溫出水口，通過保溫暗管、保溫出水口將洞內(nèi)水引至地表低洼處，防止冬季凍結(jié)。

3.3 防寒排水設(shè)計原則

根據(jù)鄰近氣象站資料、海拔、工點水文地質(zhì)特征等，采取相應(yīng)的防寒保溫措施，主要措施有:雙側(cè)保溫水溝、中心深埋水溝、電伴熱、防寒泄水洞以及防寒徑向注漿、保溫盲管、洞外設(shè)保溫出水口等。針對不同區(qū)域的具體措施如圖7所示。

圖7 防寒排水設(shè)計原則

4 結(jié)束語

基于新建西寧至成都鐵路項目，針對寒冷、嚴(yán)寒地區(qū)隧道防寒排水問題，對比分析了不同防寒排水措施:

(1)新建西寧至成都鐵路全線平均海拔較高，最冷月平均氣溫低，隧道洞口暗洞段需考慮設(shè)防寒水溝與襯砌背后防寒措施，洞外設(shè)保溫暗管與保溫出水口。

(2)根據(jù)鄰近氣象資料、洞口海拔等資料，一般寒冷地區(qū)采取的防寒排水措施包括:雙側(cè)保溫水溝、防寒徑向注漿、保溫盲管、洞外設(shè)保溫出水口。高海拔嚴(yán)寒地區(qū)采取的防寒排水措施包括:雙側(cè)保溫水溝、中心深埋水溝、電伴熱、防寒泄水洞以及防寒徑向注漿、保溫盲管、洞外設(shè)保溫出水口。

(3)所建立的隧道防寒排水措施選型和對比分析結(jié)果，可為今后嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)隧道防寒排水措施的選擇提供思路和參考。