高寒地區隧道設計的常用方法和處理措施

王占東（中鐵第一勘察設計院集團有限公司橋隧處，陜西 西安 710032）

高寒地區隧道設計的常用方法和處理措施

王占東
（中鐵第一勘察設計院集團有限公司橋隧處，陜西 西安 710032）

摘要：在高寒地區隧道的施工中，凍害是隧道常見的病害之一，并成為隧道工程設計人員最為關注的問題，并且隧道凍害處理的好壞，對于整個隧道工程的質量起到至關重要的影響。所以，本文將以高寒地區隧道凍害防治及保溫設計為主要研究方向，論述該狀況下的常用方法和處理措施，以期提高我國高寒地區隧道設計的水平。

關鍵詞：高寒地區；隧道設計；凍害防治

當前，由于我國社會經濟不斷發展，特別是出于促進邊疆地區經濟發展的需要，我國西北、東北、和西南等高海拔地區的交通建設工程日益增多，因此也給高寒地區的隧道設計帶來了不小的壓力。尤其是隧道凍害的防治問題，是目前高寒地區隧道施工面臨的最突出和棘手的問題。所以，在高寒地區隧道設計的常用方法和處理措施，最急需考慮的就是凍害防治及保溫設計。因此本文將結合某高寒隧道工程的實際情況，重點分析凍害問題下隧道施工的常用方法和處理措施。

一、高寒地區隧道凍脹機制及凍害的表現形式

關于隧道的凍害，很多人會聯系到圍巖的凍脹壓力，而且很多有關寒區隧道凍害問題的資料，也將凍害發生的原因歸結于“隧道襯砌混凝土在圍巖的凍脹壓力作用下開裂破壞”。但是，筆者卻有不同的看法，認為以上結論過于籠統，不太精確。因為在實踐中，圍巖的凍脹壓力并不是隧道凍害的唯一原因，比如局部存水凍脹破壞、混凝土的冰凍破壞、凍脹性圍巖凍脹破壞以及裂縫裂隙水的凍脹破壞等原因。并且在現實的隧道凍害，不少是兩種以上因素的共同作用所致。根據有關調查分析，隧道凍害的表現形式可以分為以下幾點：

（1）由于圍巖的凍害損害了襯砌結構的穩定性，造成隧道襯砌結構出現部分突出，甚至引發隧道整體塌陷等嚴重后果。

（2）低溫凍害引起隧道襯砌面發生較大規模的開裂、剝落。

（3）襯砌后背區域凍結，進行出現漏水以及涌水等問題。

（4）隧道拱部發生結冰。

（5）隧道底部滲水、結冰。

（6）隧道兩側墻體出現壁冰等情況。不過在實踐中，必須根據隧道工程施工區域的地質和水文環境，然后判斷隧道凍害的機理與表現形式，進而做好針對性的應對措施，以下將先對該隧道工程的基本情況做簡單介紹。

二、該隧道工程的基本情況

1 工程概況

該工程新疆地區某鐵路隧道，位于高海拔、高緯度的嚴寒區域，設計標高在2010~2150m，寒冷季節的凍土深度可以達到170cm，并且隧道凍害是該工程設計的突出問題，制約著該隧道施工的質量。隧道施工地區的水文和地質情況復雜，地層以砂礫巖、斷層角礫巖以及石灰巖為主，地下水的補給主要是大氣降水，并以基巖裂隙水形態為主。

2 氣象狀況

該區域內以溫帶內陸山地氣候為主，季節分明，春夏降水多，秋冬季較少。冬季漫長，晝夜溫差大。年降水量在200~300mm，最大積雪厚度可以超過150cm。最低氣溫甚至達到-36.6攝氏度，最冷月平均氣溫在-14度左右，最熱月則為13度。

3 隧道凍害預測

依據該隧道工程的水文、地質狀況以及氣象環境條件，根據溫度分析以及凍土力的計算，可以對隧道凍害做出如下預測：

（1）該隧道屬于季節性凍土，凍害程度相對中等，凍脹力不高，所以不會對襯砌作用造成嚴重的破壞。主要的凍害表現在水漫道床，滲水導致洞內結冰，洞室及水溝出現冰塞，滲漏水導致襯砌局部混凝土凍脹裂開等。

（2）隧道凍害主要集中兩端洞口區域，需要重點設防，相關設計方案要考慮隔熱、加熱以及治水等手段。

有鑒于以上兩點關于隧道工程凍害的預測，本次高寒地區隧道設計秉承了“防凍先治水”的原則，并將相應的隧道施工重心放在治水措施和保溫措施上。

圖1　隧底水溝出水口示意圖

圖2　隧底水溝出水口改進圖

三、隧道設計的常用方法和處理措施

依據高寒地區隧道凍害發生機制以及有關因素的分析，并結合隧道凍害的案例研究。可以知道高寒地區的防排水措施基本不能正常運轉，由于水結冰堵塞等因素，排水通道不暢通，進而導致襯砌背后的水不能進入到排水溝中。鑒于此，防排水系統和凍害發生具有緊密的關系。因此，本文認為“防凍必先治水”。

首先是改進防排水系統的設計，為圍巖裂隙水順利排出隧道提供保障，促使襯砌背后不會發生凍結。保證圍巖裂隙水能順暢地排除隧道，可以顯著降低襯砌結構凍脹破壞和圍巖凍脹導致隧道襯砌損壞等情況發生的可能性。

此外，混凝土標號較低、襯砌斷面不合理等也是導致隧道凍害發生的原因。所以，結合上述隧道凍害的預測，水的治理決定著隧道凍害的防治效果。因此必須科學設計隧道防排水方案。為此，本文認為隧道防凍害的設計應包括治水措施、控制溫度措施等，以下將具體分析。

1 治水措施

在治水措施設計中，防排結合是必須堅持的原則。特別是排水系統的設置，必須考慮到高寒隧道地區的地質和水文條件。應在初支以及二襯間架設復合防水板，并利用排水系統來疏導隧道周邊圍巖滲流水以及進入到初支的地下水，保證隧道沒有地下水滲出來，進而防止凍結情況的出現。具體而言：

（1）為了避免地下水滲透到路面上，隧道在斷面上宜采取帶仰拱的結構，以此避免水引發路面結冰，并且損傷整體路面結構問題的發生。

（2）為了防止排水系統由于凍結而失效，隧道應采用全包防水的設置方案。仰供底部設置中心深埋水溝，位于凍結線以下。

（3）在隧道襯砌背后設置盲管排水裝置，使用縱向和環向盲管來收集滲透到初支的地下水，并引入隧道底部的中心深埋水溝。

2 保溫材料選取

該隧道的保溫方案借鑒了青藏鐵路設計施工中防凍害經驗，在隧道隔熱保溫設計上選擇外隔熱層的方法，也就是將保溫層設置在隧道二襯內部層面上。在保溫材料的選擇上，以性能、成本、施工方便性等為參考指標。因為保溫層主要應用與隧道內部，所以在性能方面優先選擇耐火性能、環保系數、遇水后保溫系統較高的材料，并且將化學穩定性、導熱系數、防水防腐性能也納入到考慮范圍內。

目前，國內一般選擇的保溫材料為B級阻燃材料，這種材料耐火性能差，并且外部通常覆蓋防火材料與加固裝飾層。所以，該材料不僅安全隱患大，而且保溫成本高。在對保溫材料進行綜合對比后，該隧道設計將目標放在了泡沫玻璃型材料和無機纖維噴涂材料上。這兩種材料都不易燃，而且符合建筑A級防火性能。同時還具有耐火性能，不需要加蓋防火板，所以保溫成本低。但是，這兩種材料也存在導熱系數過大的缺點。不過，相對于無機纖維噴涂材料，泡沫玻璃型材料具有較高的吸水率，能在遇水后保持較高的保溫性能，所以適合在高寒地區隧道施工中采用。所以，本隧道功能的保溫層最終確定為泡沫玻璃型材料。

總而言之，在保溫材料的選擇中，導熱系數只能作為一個參考指標，而不是唯一指標。為了提高材料的保溫效果，必須結合有關因素進行綜合考慮，并將保溫材料遇水后的保溫性能作為重要的衡量指標。

3 縱向排水管出水口保溫措施

本隧道在排水系統設計上實行了隧底縱向排水管的設置，從而保證隧道底部縱向排水管不會發生出水口凍結的問題。為了實現這一目標，確保出水口不會因為凍結而堵塞。隧道底部縱向排水管在隧道區域外，一般采取大坡度泄水的方法，通過增大流水速度來及時排走管內水流。通常來說，地下水會在地下維持一定的溫度。而隧道內側保溫層的安裝能夠保證隧道周邊圍巖不發生滲流凍結的情況。此外，大坡度的泄水以及出水口附近的保溫措施，可以達到減少管內水流與外界的熱量交換程度的目的，減緩熱量的流失。如圖1所示為洞口出水口設計情況。在隧道貫通后，因為隧道出水量通常會高于預測量。所以，為了保證水流可以暢通的排出出水口，本文對出水口作了適當的調整，如圖2所示。

4 設置防寒門

為了增強隧道內部的保溫隔熱效果，應當在隧道洞口設置防寒門。但是，防寒門技術在國內還沒有廣泛應用，極少出現在鐵路隧道內。主要原因是防寒門的可靠性和穩定性還有待證實。但是筆者認為，隨著我國隧道施工技術的發展，有關控制技術的穩定，防寒門將會大量在高寒地區隧道施工中使用。而當前防寒門技術的關鍵，就是控制器開啟頻次的問題，隨著該技術的成熟，該問題不久將會得到解決。

結語

綜上所述，高寒地區的隧道設計，隧道凍害的防治是設計的重點，并且制約著隧道施工的質量。為此，必須充分認識到隧道凍害的發生機理，形成“防凍先治水”的觀念。并根據隧道地區的地質和水文環境，完善排水系統的設計方案，把握好隧道設計中保溫措施。特別是在保溫材料選取上，隨著近幾年材料技術的不斷發展，新材料新工藝的廣泛出現，應當結合性能、施工、成本等因素來進行綜合比較，選取綜合效果最高的材料。總而言之，我國高寒地區的隧道修建工程相對較少，沒有廣泛的成功經驗可以借鑒，相關技術人員應當緊密結合實踐，將理論與實踐相結合，促進我國高寒地區隧道設計水平的提高，進而推動相關隧道工程安全平穩的完工。

參考文獻

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