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(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)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(shì)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(dòng)，呈反氣旋式環(huán)流，導(dǎo)致氣候寒冷，屬高海拔寒區(qū)。

工程實(shí)踐表明，寒區(qū)隧道防排水系統(tǒng)不暢時(shí)，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(dāng)?shù)叵滤l(fā)育時(shí)，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(wèn)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(gè)完善、通暢的保溫排水系統(tǒng)是十分必要的。

我國(guó)隧道技術(shù)人員圍繞高海拔寒區(qū)隧道的保溫層設(shè)置、保溫防排水設(shè)計(jì)、圍巖溫度場(chǎng)、凍脹力等開(kāi)展了大量研究，積累了豐富的隧道凍害處治經(jīng)驗(yàn)。鄭波等人[4]通過(guò)實(shí)測(cè)運(yùn)營(yíng)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(yán)寒地區(qū)特長(zhǎng)公路隧道的保溫層鋪設(shè)長(zhǎng)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(kāi)展了嚴(yán)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(guò)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(diǎn)，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(shè)計(jì)要素、類(lèi)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(shè)計(jì)；李又云等人[8]依托川西某高海拔寒區(qū)隧道，實(shí)測(cè)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(shè)施設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

目前寒區(qū)隧道總體缺乏統(tǒng)一的保溫排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，上述的研究成果也不能完全適用于特長(zhǎng)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(jìn)一步開(kāi)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(guó)多行業(yè)寒區(qū)分類(lèi)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(lèi)

1.1 各行業(yè)分類(lèi)

目前，國(guó)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(lèi)方法、原則及區(qū)劃情況如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)不同行業(yè)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)寒區(qū)分類(lèi)情況一覽表[10-19]

此外，文獻(xiàn)[20]采用區(qū)域凍結(jié)指數(shù)對(duì)季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)進(jìn)行了凍區(qū)劃分，如表2所示。

表2 季節(jié)性?xún)鐾羺^(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(fù)溫度值(℃·d);

n——計(jì)算年平均溫度為負(fù)溫度值出現(xiàn)的天數(shù)。

國(guó)內(nèi)各行業(yè)關(guān)于寒區(qū)的分類(lèi)，除《建筑氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》劃分為7個(gè)一級(jí)區(qū)，其中Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅵ區(qū)、Ⅶ區(qū)為寒區(qū)外，其余標(biāo)準(zhǔn)基本按嚴(yán)寒、寒冷、溫和或微凍劃分。而關(guān)于分類(lèi)的原則，《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》、《建筑氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》和《季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》從負(fù)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(gè)指標(biāo)來(lái)劃分，水工、公路及鐵路等行業(yè)則以最冷月平均氣溫一個(gè)指標(biāo)來(lái)劃分。

1.2 中國(guó)科學(xué)院寒旱區(qū)研究所分類(lèi)

中國(guó)科學(xué)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(guò)5個(gè)和年平均氣溫≤5 ℃等3項(xiàng)指標(biāo)來(lái)劃分寒區(qū)。

綜上所述，影響寒區(qū)分類(lèi)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(jìn)行防凍、抗凍設(shè)計(jì)時(shí)，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(yīng)注意就鐵路隧道而言， 這種分類(lèi)方法主要適應(yīng)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(jìn)一步研究確定。

表3 鐵路隧道寒區(qū)分類(lèi)表

2 寒區(qū)隧道保溫排水技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外現(xiàn)狀

(1)日本

針對(duì)寒區(qū)隧道的凍害問(wèn)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(hù)與二次襯砌間設(shè)置被動(dòng)隔熱保溫層和通過(guò)設(shè)置電加熱或暖氣管對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)加熱兩種處治方案。

(2)俄羅斯(前蘇聯(lián))

俄羅斯對(duì)寒區(qū)隧道凍害問(wèn)題的研究起步較早，前蘇聯(lián)時(shí)期就開(kāi)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(shè)置完善的隧道防排水系統(tǒng)，確保隧道排水通暢并達(dá)到防止凍害的目的。有時(shí)也對(duì)排水系統(tǒng)采取主動(dòng)加熱，在襯砌表面敷設(shè)保溫層保溫，或采暖通風(fēng)等方法防治隧道凍害。

(3)歐洲其他各國(guó)

由于所處地理位置的原因，歐洲尤其是北歐國(guó)家的隧道工程經(jīng)常受凍害影響。因此，這些國(guó)家對(duì)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(duì)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(fèi)用高而逐步棄用。目前一般采用具有防水保溫功能的復(fù)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(dá)到防止隧道凍害和裝飾的目的。這種復(fù)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(jiǎn)單，效果良好。此外，挪威還在寒區(qū)隧道洞口設(shè)置了列車(chē)接近時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟、離開(kāi)后自動(dòng)關(guān)閉的防寒保溫門(mén)，達(dá)到保溫防寒的目的。法國(guó)則主要通過(guò)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(lái)達(dá)到防水和保溫的目的。

(4)美國(guó)

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

綜上，國(guó)外針對(duì)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(dòng)加熱方式。

2.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

針對(duì)隧道凍害問(wèn)題，國(guó)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(guó)鐵路隧道根據(jù)季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)的地下水冬季多呈固態(tài)、夏季則為液態(tài)的特點(diǎn)，一般圍繞隧道設(shè)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(yán)寒地區(qū)，通過(guò)在隧道結(jié)構(gòu)下部設(shè)置深埋排水管排水，充分利用地溫達(dá)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(diǎn)，我國(guó)鐵路隧道一般在初期支護(hù)與二次襯砌間設(shè)置保溫層保溫，從而避免隧道周邊凍土發(fā)生融化而導(dǎo)致凍害。

此外，圍繞隧道運(yùn)營(yíng)期出現(xiàn)的凍害問(wèn)題，有時(shí)也對(duì)排水系統(tǒng)設(shè)置電伴熱的主動(dòng)加熱技術(shù)，保證冬季進(jìn)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(shè)保溫層保溫防凍，也取得了不錯(cuò)的成效。

(2)結(jié)構(gòu)抗凍

①對(duì)滲透性較強(qiáng)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(duì)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(zhǎng)度設(shè)置變形縫，消減大溫差引起的溫度應(yīng)力影響，降低襯砌開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

3 寒區(qū)鐵路隧道設(shè)計(jì)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(yù)測(cè)研究表明：近地表的地層溫度會(huì)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(dāng)近地表的地層溫度隨氣溫的變化幅度小于0.1 ℃時(shí)，該處地層通常稱(chēng)為恒溫層。即恒溫層是地表下某一深度處地?zé)崤c太陽(yáng)輻射能量影響達(dá)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(yáng)輻射熱影響通常具有周期性的變化規(guī)律，亦稱(chēng)“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(chēng)“增溫帶”或“內(nèi)熱帶”。從我國(guó)恒溫層深度(變溫帶厚度)的分布特點(diǎn)來(lái)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(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁氐淖兓嘘P(guān)，而我國(guó)陸區(qū)恒溫層的溫度平均比當(dāng)?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(guó)鐵路隧道的設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)。因此，寒區(qū)隧道保溫排水設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)分區(qū)

我國(guó)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(gè)鐵路項(xiàng)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(duì)隧道凍害的影響明顯。進(jìn)一步對(duì)比分析隧道場(chǎng)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(gè)分區(qū)，如表5所示。

表5 高緯度寒區(qū)鐵路隧道設(shè)計(jì)分區(qū)表

3.3 川藏鐵路隧道設(shè)計(jì)分區(qū)的建議

川藏鐵路沿線基本為季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)，線路穿越眾多高山峽谷，而沿線地區(qū)還具有長(zhǎng)冬無(wú)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(yáng)輻射強(qiáng)烈，氣候垂直變化明顯的高原寒區(qū)特點(diǎn)。

中國(guó)氣象科學(xué)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(diǎn)，參考高緯度寒區(qū)鐵路隧道設(shè)計(jì)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(gè)分區(qū)，如表6所示。

表6 高海拔寒區(qū)鐵路隧道設(shè)計(jì)分區(qū)表

4 川藏鐵路隧道保溫排水設(shè)計(jì)

4.1 川藏鐵路隧道洞口保溫排水設(shè)防長(zhǎng)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(chǎng)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(duì)性的防寒保溫措施。此外，考慮川藏鐵路特長(zhǎng)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(diǎn)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(shè)施組合而成的防寒保溫排水系統(tǒng)。結(jié)合設(shè)計(jì)分區(qū)，建議川藏鐵路隧道洞口保溫排水設(shè)防長(zhǎng)度如表7所示。

表7 洞口端保溫排水設(shè)施設(shè)防長(zhǎng)度一覽表

4.2 保溫排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(huì)出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象的隧道。此時(shí)，周邊圍巖的地下水經(jīng)邊墻處設(shè)置的側(cè)溝泄水孔進(jìn)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(shè)置且采取保溫措施的水溝引排，可實(shí)現(xiàn)冬季排水不凍結(jié)的目的。

(2)設(shè)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(yīng)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(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 保溫水溝斷面圖

需要說(shuō)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(shè)置或緊貼底板設(shè)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(fù)溫的隧道。此時(shí)，隧道周邊地下水可通過(guò)滲水盲溝系統(tǒng)或重力下滲作用，經(jīng)設(shè)置于隧道結(jié)構(gòu)下方的中心深埋水溝引排，從而達(dá)到冬季不凍結(jié)的目的。

(2)設(shè)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(shè)計(jì)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(shè)置于隧道仰拱或底板結(jié)構(gòu)以下，其管徑可根據(jù)進(jìn)入洞周的地下水量計(jì)算確定。

4.2.3 防寒泄水洞

(1)適用條件

針對(duì)川藏鐵路隧道工程特點(diǎn)，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(shè)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(wú)條件加大排水溝尺寸。

(2)設(shè)置方式

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

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(dāng)泄水洞位于正線隧道側(cè)向時(shí)，為保證排水效果，必要時(shí)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(shè)置集水鉆孔或集水廊道排水。為防止泄水洞施工對(duì)正洞產(chǎn)生影響，防寒泄水洞一般應(yīng)超前于正洞施工，同時(shí)可兼做正洞的超前導(dǎo)洞，預(yù)報(bào)正洞前方的地質(zhì)情況，為正洞的安全施工提供適當(dāng)參考。

泄水洞可采用鉆爆法或掘進(jìn)機(jī)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(guò)程中不可避免地存在一定程度的相互干擾，因此，施工開(kāi)挖應(yīng)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(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程機(jī)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(shè)計(jì)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(shè)置保溫水溝、中心深埋水溝或防寒泄水洞后，配套設(shè)置的用于維修養(yǎng)護(hù)的檢查井等設(shè)施工也應(yīng)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(yīng)結(jié)合洞外地形條件，通過(guò)埋入式排水管引排至地形相對(duì)低洼的溝谷或河道排出。出水口盡量選擇在背風(fēng)向陽(yáng)處，并采取保溫措施。

5 結(jié)論與建議

本文針對(duì)位于高海拔寒區(qū)的川藏鐵路隧道保溫排水問(wèn)題，總結(jié)了目前國(guó)內(nèi)多行業(yè)的寒區(qū)分類(lèi)方法、原則和國(guó)內(nèi)寒區(qū)隧道保溫排水的技術(shù)現(xiàn)狀。通過(guò)研究分析高緯度寒區(qū)鐵路隧道設(shè)計(jì)分區(qū)情況，結(jié)合川藏鐵路工程特點(diǎn)，提出了川藏鐵路高海拔寒區(qū)隧道設(shè)計(jì)分區(qū)建議和保溫排水設(shè)施的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)建議，同時(shí)分析了各類(lèi)保溫排水設(shè)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(gè)指標(biāo)，川藏鐵路高海拔寒區(qū)鐵路隧道可劃分為3個(gè)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(shè)計(jì)分區(qū)并結(jié)合工點(diǎn)采用不同的長(zhǎng)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。