含多年凍土層的公路隧道排水設(shè)計(jì)

劉中青

（山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司太原設(shè)計(jì)咨詢分公司，山西 太原 030000）

0 引言

在西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的推動(dòng)下，我國(guó)修建了多條包含多年凍土層的公路隧道，積累了大量?jī)鐾辽絽^(qū)隧道防排水設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。但根據(jù)實(shí)踐情況，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)規(guī)范、理論設(shè)計(jì)中依然存在不足，無(wú)法完全解決含多年凍土層地區(qū)公路隧道排水設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題，特別是防排水系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)因施工設(shè)計(jì)等問(wèn)題，喪失原有的作用。因此，探討、研究含多年凍土層的公路隧道排水設(shè)計(jì)十分重要。

1 工程概況

該工程所在地區(qū)屬于昆侖山北麓山區(qū)，屬于半干旱、寒冷大陸性氣候，在試驗(yàn)過(guò)程中，檢測(cè)到隧道的平均海拔高度為4680m，常年平均氣溫為-5.7℃。區(qū)域所在位置，屬于青藏高原多年凍土區(qū)北部的季節(jié)性凍土區(qū)面向多年凍土區(qū)過(guò)渡的地段。該區(qū)域具備發(fā)育性季節(jié)凍土、大片連續(xù)多年凍土。巖性屬于板巖夾片巖。此外蓋雨的強(qiáng)風(fēng)化厚度最小為1.7m，最大為4m。

2 含多年凍土層的公路隧道排水設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)分析

針對(duì)管道周邊范圍內(nèi)的組成系統(tǒng)開(kāi)展熱分析，并由此為基礎(chǔ)獲得系統(tǒng)性溫度場(chǎng)分布，判斷給排水管道設(shè)計(jì)保溫層能否達(dá)到保溫需求[1]。

2.1.1 試驗(yàn)方法

該試驗(yàn)針對(duì)邊界條件、荷載約束條件等展開(kāi)分析，并由此構(gòu)建起支撐數(shù)值分析計(jì)算的模型。并根據(jù)ANSYS 軟件展開(kāi)熱分析計(jì)算求解[2]。以熱分析模塊理論為核心展開(kāi)探究，熱分析模塊作為一種熱平衡方程，可以通過(guò)有限元法的應(yīng)用來(lái)詳細(xì)計(jì)算出不同節(jié)點(diǎn)的溫度情況，同時(shí)將各節(jié)點(diǎn)的熱物理參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。熱分析分為2 類(lèi)，分別為瞬間傳熱分析、穩(wěn)態(tài)傳熱分析。在展開(kāi)穩(wěn)態(tài)分析的過(guò)程中，其中任何1 個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度都不會(huì)出現(xiàn)變化，因此它應(yīng)用于計(jì)算系統(tǒng)部件受到熱荷載的影響程度[3]。它的應(yīng)用過(guò)程，主要針對(duì)系統(tǒng)跟隨時(shí)間變化的熱參數(shù)以及溫度場(chǎng)進(jìn)行變化。而另外的瞬間傳熱過(guò)程，本質(zhì)上屬于系統(tǒng)性冷卻、加熱過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中系統(tǒng)的熱邊界條件、溫度等都可能出現(xiàn)變化。

瞬間熱分析可以針對(duì)1 個(gè)特定系統(tǒng)，在具體時(shí)間波動(dòng)的過(guò)程中，對(duì)伴隨著時(shí)間變化而變化的熱參數(shù)、溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算[4]。在工程領(lǐng)域中，一般會(huì)通過(guò)瞬間熱分析的方式針對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)將其用作熱載荷并進(jìn)行應(yīng)力分析。熱分析中，荷載情況是跟隨著時(shí)間的變化而變化的，在完成瞬間分析以前，要首先展開(kāi)穩(wěn)態(tài)分析，通過(guò)這樣的方式明確初始化荷載，也就是所謂的Steady-stateo。同時(shí)針對(duì)荷載伴隨著時(shí)間變化的具體情況展開(kāi)分析，因此應(yīng)該將荷載的時(shí)間曲線劃分為荷載步。通過(guò)對(duì)該地區(qū)情況展開(kāi)實(shí)地勘探，可以計(jì)算出排水管道設(shè)計(jì)的原始條件（表1），以及材料熱物理性能表（表2）。

表1 排水管道設(shè)計(jì)初始條件

表2 材料熱物理性能

2.1.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

針對(duì)防水層外側(cè)部分的水壓力，可以得出如下結(jié)論。1）（≤2kPa）。其在實(shí)踐測(cè)試過(guò)程中，未顯示出明確的水壓力情況，同時(shí)其實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)在具體的精度測(cè)試范圍內(nèi)部出現(xiàn)波動(dòng)[5]。在這部分中有較為明顯的測(cè)點(diǎn)77.8%（n=28），其在實(shí)踐過(guò)程中，更多地出現(xiàn)邊墻等一系列部位。2）微壓量級(jí)（≤1000kPa）。該階段僅測(cè)試到1 例，其存在于DK977=410 拱腰的外側(cè)區(qū)域，實(shí)踐大小數(shù)值為13.3kPa。通過(guò)這一方式可以推斷出，在這次施工過(guò)程所在區(qū)域當(dāng)中，壁厚的水壓力問(wèn)題主要存在于仰拱區(qū)域內(nèi)，同時(shí)根據(jù)其實(shí)際測(cè)量部位的數(shù)據(jù)能夠看出，水壓情況相對(duì)較小，大部分不超出10cm。

2.1.3 水壓力的變化趨勢(shì)

劉 柯(1992—), 男, 湖北武漢人，助理研究員，碩士，研究方向?yàn)橹悄芙煌ㄅc安全。E-mail:714981562@qq.com

根據(jù)水壓力隨著時(shí)間波動(dòng)顯示的時(shí)間曲線能夠發(fā)現(xiàn)，在常規(guī)情況下水壓力變化趨勢(shì)大體上有以下3 種類(lèi)型。1）所謂躍升型，指一段時(shí)間過(guò)后，水壓力可能出現(xiàn)增長(zhǎng)狀況，該施工過(guò)程共出現(xiàn)8 例，該數(shù)據(jù)占據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的28.6%。同時(shí)其實(shí)際位置主要出現(xiàn)在在仰拱、邊墻等位置。2）所謂持平型，指在該階段當(dāng)中水壓力出現(xiàn)的變化狀況，其主要維持在±1MPa這一范圍之內(nèi)，同時(shí)這一情形有18 例，占統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)總數(shù)量的64.3%。3）下降型，在施工的開(kāi)始或后期階段，其實(shí)際水壓力情況呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢(shì)，這一情形共計(jì)出現(xiàn)2 例。

2.1.4 防水層內(nèi)外側(cè)溫度狀態(tài)

防水層內(nèi)外側(cè)溫度共包含3 種形態(tài)，分別為正溫形態(tài)、正-負(fù)溫形態(tài)、負(fù)-正-負(fù)溫形態(tài)。

正溫形態(tài)指在該測(cè)試階段中，溫度將始終保持為正溫度，同時(shí)其中最低溫度為0℃，溫差最大值為15.4℃。這一情形實(shí)際出現(xiàn)21 例，占據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)總數(shù)量的77.8%。

正-負(fù)溫型。首先經(jīng)由正溫度作為出發(fā)點(diǎn)，直到負(fù)溫形態(tài)結(jié)束，其實(shí)際最低負(fù)溫-0.6℃。最大溫差為10.2℃。共計(jì)例數(shù)為5 例，實(shí)際占據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)總比例為18.5%。

負(fù)-正-負(fù)溫性。首先從負(fù)溫度作為起始點(diǎn)，逐漸升高到正溫，并在后期階段逐漸降低為負(fù)溫。在測(cè)試過(guò)程中這一情形僅出現(xiàn)1 例，其實(shí)際溫差情況相對(duì)較小，僅為0.8℃（最高溫度可以達(dá)到0.2℃）。

2.2 各個(gè)分段排水系統(tǒng)互相銜接策略

2.2.1 多年凍土段與非凍土段

如果多年凍土段采用保溫水溝的形式進(jìn)行排水，則其與非凍土段之間的連接會(huì)包含保溫水溝分別與防寒泄水洞、中心深埋水溝以及保溫水溝互相連接的情況。

2.2.1.1 保溫水溝－保溫水溝

這一情況在實(shí)踐中相對(duì)簡(jiǎn)單，不論隧道坡度是人字坡還是單坡，施工人員僅需要將二者互相連接即可[7]。

2.2.1.2 保溫水溝－中心埋深水溝

如果隧道屬于單坡，則高地勢(shì)一段的地下水一定會(huì)從多年凍土段逐漸流向非動(dòng)土段，如圖1 所示。在這一過(guò)程中，可以根據(jù)圖2 的方式，完成保溫水溝與中心埋深水溝間的排水銜接。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是在凍土段與非凍土段的交接處，制造一個(gè)引水洞，以這種方式將多年凍土段保溫水溝當(dāng)中的地下水，逐漸引導(dǎo)到中心深埋水溝當(dāng)中；反之對(duì)于地勢(shì)相對(duì)較低的一段來(lái)說(shuō)，非凍土段內(nèi)的地下水如果想排到洞外，則會(huì)流過(guò)多年凍土，這時(shí)就應(yīng)在多年凍土段下方的區(qū)域，進(jìn)行排水設(shè)施的修建，并使其與非凍土段相連接，但該方式不但會(huì)導(dǎo)致多年凍土受到影響，無(wú)法保障隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的安全性，而且會(huì)導(dǎo)致施工進(jìn)度被拖延，因此對(duì)于地勢(shì)較低一段的排水不應(yīng)經(jīng)由多年凍土段排出，由于其實(shí)踐排水設(shè)計(jì)與人字坡較為相似，因此該處選擇在下文一同闡述。

如果隧道是人字坡，那么處于非凍土段內(nèi)的地下水，一樣需要經(jīng)由多年凍土段排到洞外，并且其沿途將會(huì)經(jīng)過(guò)進(jìn)、出口兩端[8]。為了解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員可以將非凍土段與多年凍土段分別設(shè)置為相互獨(dú)立的形式，同時(shí)在二者的交接區(qū)域，按照山體形貌、左右間距等因素，采用以下2 種方式，將左、右線非凍土段的地下水，在沿途不經(jīng)過(guò)凍土段的情況下引到洞外，避免凍土的原始形態(tài)受到影響，具體實(shí)踐措施如下。1）首先進(jìn)行地下排水洞的設(shè)置，以此來(lái)將左、右線中心深埋水溝的水相應(yīng)的排放到一側(cè)山體之外[9]。如果凍土段與非凍土段的交接區(qū)域，存在比洞口距離短的山體表面出口，則可以將地下排水洞通過(guò)這一處引到山體之外。如果隧道左右線之間的距離相對(duì)較大，則也可選擇在左右線中間的位置進(jìn)行地下排水洞的設(shè)置，如圖3 所示。反之如果左右線的間距相對(duì)較小，則可選擇在山體一側(cè)的位置進(jìn)行地下排水洞的布置，如圖4 所示。如果地下排水洞處于非凍土當(dāng)中，則確保其埋深大于隧址的凍結(jié)深度即可，可以借助地溫來(lái)保障水流不會(huì)因寒冬低溫出現(xiàn)凍結(jié)。如果地下排水洞的位置在凍土當(dāng)中，則須在其中增設(shè)保溫措施，以避免水流出現(xiàn)凍結(jié)。2）通過(guò)地下排水洞的設(shè)置，使兩側(cè)深埋水溝中的水途經(jīng)隧道排出洞外。如果非凍土段與多年凍土段的交接區(qū)域，并無(wú)距離小于洞口距離的出口時(shí)，則為了確保左、右線中心深埋水溝內(nèi)的水可以有序排出到洞外，可以將地下排水洞按照隧道軸向的方向進(jìn)行設(shè)置。

圖1 多年凍土段與非凍土段銜接

圖2 保溫水溝、中心深埋水溝銜接

如果隧道左、右線之間的距離相對(duì)較大，則可以選擇兩線中間的合適位置，進(jìn)行地下排水洞的布置，為了充分保障主動(dòng)結(jié)構(gòu)的安全性，隧道左、右兩線的多年凍土段，應(yīng)被設(shè)置在地下排水洞施工開(kāi)挖影響范圍以內(nèi)；與此同時(shí)，確保隧道左、右線的多年凍土段處于地下排水洞溫度影響以外，通過(guò)這樣的形式來(lái)防止主動(dòng)周邊的多年凍土被融化，導(dǎo)致融沉現(xiàn)象出現(xiàn)。此外，由于隧道左、右線中間區(qū)域的地下排水洞將直接穿越多年凍土，為了防止水流凍結(jié)，使排水系統(tǒng)始終處于通暢狀態(tài)，可在其中增添一些保溫措施。而地下排水洞的設(shè)置則須按照隧道的軸線方向，將多年凍土段與非凍土段的交界處作為起始點(diǎn)，將隧道的洞口位置作為終點(diǎn)，并在多年凍土段與非凍土段的交界區(qū)域，將左、右線中心深埋水溝當(dāng)中的水引導(dǎo)至地下排水洞當(dāng)中，并使其排出洞外，如圖5所示。

圖3 左右線間距較大情況下，地下排水洞提前出動(dòng)排水系統(tǒng)布置

圖4 左右線間距較小情況下，地下排水洞提前出洞排水系統(tǒng)布置圖

圖5 在左右線間距較大的情況下，地下排水洞布設(shè)在左右線間的排水系統(tǒng)布置圖

如果隧道左、右線之間的距離相對(duì)較小，則可按照地質(zhì)條件、山坡情況等因素，挑選隧道左、右線外側(cè)的合適位置，進(jìn)行地下排水洞的布設(shè)，保障隧道左、右線范圍內(nèi)的多年凍土段，處于凍融影響范圍以外的區(qū)域。除此之外，考慮項(xiàng)目建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)盡可能降低地下排水洞－非凍土段及多年凍土段交界處中心埋深水溝間的距離，通過(guò)這樣的形式達(dá)到降低建設(shè)投資的目的。如果地下排水洞按軸線方向所經(jīng)過(guò)的底層為多年凍土，則這一過(guò)程可應(yīng)用合理的保溫措施，防止水流出現(xiàn)凍結(jié)情況。如果沿途經(jīng)過(guò)區(qū)域?yàn)榉莾鐾?，則僅確保地下排水洞埋深超過(guò)隧址的凍結(jié)深度便可，利用地溫作用來(lái)防止水流的凍結(jié)，無(wú)須在其中增設(shè)保溫措施。而這一部分應(yīng)用的地下排水洞，則會(huì)根據(jù)隧道軸線方向，起始于多年凍土段及非凍土段的交接處，截至于隧道洞口外排水洞保溫出水口，如圖6 所示。

圖6 左右線間距較小情況下，地下排水洞布設(shè)在左右線一側(cè)的排水系統(tǒng)布置圖

2.2.1.3 保溫水溝－防寒泄水洞

這一情況與上述2.2.1.2 中的情況大致相同，只需將2.2.1.2 中的中心埋深水溝替換成防寒泄水洞。

3 結(jié)語(yǔ)

該文結(jié)合實(shí)踐，根據(jù)多年凍土區(qū)公路隧道排水設(shè)計(jì)，對(duì)可能面對(duì)的不同情況進(jìn)行闡述，并結(jié)合現(xiàn)有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的設(shè)計(jì)方式進(jìn)行分析，證明多年凍土隧道排水系統(tǒng)須按照凍土段類(lèi)型的不同展開(kāi)分段設(shè)計(jì)，并以此為基礎(chǔ)，提出了不同分段之間的相互銜接技術(shù)。由于多年凍土隧道并非僅是從單一凍土層中經(jīng)過(guò)，而是沿途經(jīng)過(guò)差異化類(lèi)型的凍土段，因此結(jié)合各個(gè)類(lèi)型凍土段自身排水形式設(shè)置的差異性，應(yīng)保證各凍土段的排水系統(tǒng)之間進(jìn)行科學(xué)銜接，同時(shí)按照坡度情況科學(xué)選擇銜接形式。