寒區(qū)隧道排水系統(tǒng)凍害分析及防凍措施研究

楊明宇，王曉宇

(1.天津大學 建筑工程學院 天津市 300072； 2.遼寧省公路勘測設計公司 沈陽市 110006)

0 引言

隨著一帶一路政策的實施，我國基礎設施建設得以飛速發(fā)展，而隧道作為基礎設施建設重要組成部分，其建設規(guī)模和數(shù)量均有大幅提升。在寒冷地區(qū)修建隧道，由于其特殊的自然環(huán)境，隧道建設和運營期間均將面臨著復雜的技術(shù)問題，由于地下水和圍巖裂隙水等隨著季節(jié)的周期性變化產(chǎn)生反復凍融循環(huán)作用[1]，導致排水系統(tǒng)凍結(jié)、隧道滲漏水積冰、襯砌結(jié)構(gòu)裂損、路面結(jié)冰、路面鼓脹及侵限等病害，嚴重影響車輛運營安全，并且由于凍結(jié)產(chǎn)生的凍脹力也會對襯砌結(jié)構(gòu)耐久性產(chǎn)生不利影響[2]。隨著我國越來越多的寒區(qū)隧道投入使用，凍害問題也逐步凸顯，據(jù)統(tǒng)計約80%左右的寒區(qū)隧道存在不同程度的凍害問題。如何采取有效的隧道凍害防治措施，解決寒區(qū)隧道凍害問題，是寒區(qū)隧道設計和研究的重點，也是目前亟待解決的關(guān)鍵問題。

目前針對寒區(qū)隧道排水系統(tǒng)凍害分析和防治措施，相關(guān)學者做了大量的研究工作。王志杰等[3]依托金家特長隧道，通過理論分析、現(xiàn)場測量與數(shù)值模擬相結(jié)合，建立不同隧道排水溝模型，并用對隧道溫度場以及隧道排水溝保溫抗凍進行數(shù)值模擬，得到不同形式的排水設計適用條件。劉路路等[4]以西部寒區(qū)隧道為研究對象，闡述了寒區(qū)隧道工程的防排水現(xiàn)狀，分析了寒區(qū)隧道工程發(fā)生滲漏水的原因，提出了寒區(qū)隧道工程防排水的改進性措施與建議。彭波等[5]對隧道的溫度場進行分析，針對寒區(qū)隧道病害防治提出相應的防治措施。雖然寒區(qū)隧道防凍害研究和綜合措施較多，截至目前寒區(qū)隧道的防凍效果欠佳，因此有進一步研究的價值。

1 工程概況

1.1 隧道概況

某公路特長隧道位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布盟境內(nèi)G7京新高速公路上，平面布置為上、下行分離式隧道，全長為3.11km，隧道采用曲墻式斷面。隧道建筑限界凈寬14.5m，建筑限界凈高5.0m。隧道縱坡為-0.5%。兩側(cè)洞門型式均為削竹式。襯砌類型為復合式襯砌，二次襯砌為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。路面類型為復合式路面結(jié)構(gòu)。該隧道于2016年通車，存在不同程度防排水設施的病害。

1.2 工程水文地質(zhì)概況

隧址區(qū)晝夜溫差較大，年平均氣溫僅為1.3℃，年降水量少而集中，平均為300～400mm，無霜期100d左右，最大凍結(jié)深度為1.6m。

隧址區(qū)主要河流有丁計河、黑山子河等，地下水位較高。

2 監(jiān)測儀器及測點布置概況

2.1 監(jiān)測儀器

氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測儀器采用PC-3型氣象環(huán)境采集與傳輸系統(tǒng)，可測量風向、風速、溫度、濕度、雨量、氣壓等6個要素。溫度監(jiān)測儀器布置于隧道內(nèi)進行水溫和氣溫監(jiān)測。

2.2 測點布置

根據(jù)該隧道實際情況，沿隧道縱向共設置5個典型監(jiān)測斷面，距小樁號隧道洞門分別為390m、590m、1990m、3003m和3203m，監(jiān)測斷面布置詳見圖1所示。

圖1 監(jiān)測斷面布置圖

每個監(jiān)測斷面分別在檢查井設置3個監(jiān)測點位(分別位于檢查井頂部、中部和底部，且底部溫度監(jiān)測值為水溫)、中心排水溝設置1個監(jiān)測點位(距檢查井垂直中心線5m)、橫向排水管設置2個監(jiān)測點位(橫向排水管中心處、橫向排水管與縱向集水管交匯處)，每個監(jiān)測斷面共布置6個溫度傳感器。監(jiān)測斷面及點位設置詳見表1，監(jiān)測點位布置圖詳見圖2。

表1 監(jiān)測斷面和監(jiān)測點位設置一覽表

圖2 監(jiān)測點位布置圖

3 數(shù)據(jù)分析

通過隧道現(xiàn)場溫度傳感器的數(shù)據(jù)采集和處理，來分析溫度隨著時間變化、溫度沿隧道縱向的變化和演變規(guī)律，為同類型寒區(qū)隧道的防凍害治理提供科學依據(jù)。

3.1 監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)分析

根據(jù)洞外氣象監(jiān)測儀器監(jiān)測的溫度數(shù)據(jù)可知，大樁號側(cè)(J5斷面方向)氣溫低于同時段小樁號側(cè)(J1斷面方向)氣溫約3℃，且距離洞門最近的監(jiān)測斷面為J5斷面，僅為107m，其溫度變化受氣溫影響更為敏感，故監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)分析選取J5斷面為代表斷面。通過數(shù)據(jù)整理和分析，繪制J5監(jiān)測斷面溫度隨時間變化曲線如圖3所示。

圖3 J5監(jiān)測斷面各測點溫度隨時間變化曲線

由圖3可知，檢查井處溫度值隨著時間變化的規(guī)律如下：檢查井底部(J5-3)的水溫1月中旬開始由正溫轉(zhuǎn)變?yōu)樨摐兀链文甑?月中下旬溫度達到極低值(溫度為-1.2℃)，而后溫度逐漸升高，至4月中旬開始由負溫轉(zhuǎn)正溫，負溫歷時約2個月；檢查井中部(J5-2)每年12月上旬開始由正溫轉(zhuǎn)變?yōu)樨摐兀链文甑?月中下旬溫度達到極低值(溫度為-3.8℃)，然后溫度逐漸升高，至4月中旬開始由負溫轉(zhuǎn)正溫，負溫歷時約4.5個月；檢查井頂部(J5-1)每年12月上旬開始由正溫轉(zhuǎn)變?yōu)樨摐兀链文甑?月中旬溫度達到極低值(溫度為-4.6℃)，而后溫度逐漸升高，至4月中旬開始由負溫轉(zhuǎn)正溫，負溫歷時約4.5個月，而低于-4℃時間段為12月下旬至4月上旬，歷時約4個月。由于檢查井內(nèi)負溫時間達到4.5個月，特別是低于-4℃長達4個月，存在發(fā)生凍害風險較大。同時由圖3還可以得出檢查井內(nèi)部溫度變化規(guī)律：冬季同一時段溫度從檢查井底部(J5-3)延伸至檢查井頂部(J5-1)逐漸降低，并且溫差最大時達到6.9℃。

中心排水溝(J5-4)溫度值隨著時間變化的規(guī)律如下：每年1月中旬開始由正溫轉(zhuǎn)變?yōu)樨摐兀链文甑?月中下旬溫度達到極低值(溫度為-1.2℃)，而后溫度逐漸升高，至4月中旬開始由負溫轉(zhuǎn)正溫，負溫歷時約2個月。中心排水溝負溫周期2個月時間較短，并且負溫極值為-1.2℃。

橫向排水管溫度值隨著時間變化的規(guī)律如下：溫度變化與季節(jié)的氣溫變化密切相關(guān)，并隨氣溫升高而逐步升高，隨氣溫降低而逐步降低。橫向排水管中心(J5-5)：每年11月中旬開始由正溫轉(zhuǎn)變?yōu)樨摐兀链文甑?月中旬溫度達到極低值(溫度為-6.9℃)，而后溫度逐漸升高，至4月下旬開始由負溫轉(zhuǎn)正溫，負溫歷時約5.5個月，而低于-4℃時間段為12月上旬至3月中旬，歷時3.5個月；橫向排水管外側(cè)(J5-6)：每年11月中旬開始由正溫轉(zhuǎn)變?yōu)樨摐兀链文甑?月中旬溫度達到極低值(溫度為-10.3℃)，而后溫度逐漸升高，至4月下旬開始由負溫轉(zhuǎn)正溫，負溫歷時約5.5個月，而低于-4℃時間段為12月上旬至3月中旬，歷時3.5個月。橫向排水管低溫影響周期約5.5個月，低于-4℃時間段達到3.5個月，溫度已達到凍結(jié)臨界值，負溫時間長，且溫度較低，特別是位于電纜槽部位至縱向排水管相接處，是防止凍害發(fā)生的關(guān)鍵部位，應予以足夠重視。

通過圖3還可以得出同一監(jiān)測斷面不同構(gòu)件的溫度變化規(guī)律：中心排水溝溫度(J5-4)>檢查井底部溫度(J5-3)>檢查井中部溫度(J5-2)>檢查井頂部(J5-1)>橫向排水管中心(J5-5)>橫向排水管外側(cè)(J5-6)，并且最低溫度均低于0℃，因此在凍融期極易形成中心排水溝、檢查井和橫向排水管等排水系統(tǒng)凍結(jié)、路面積水積冰、路面鼓脹、積冰堵塞排水系統(tǒng)、電纜槽冒水積冰等病害，而橫向排水管由于其埋置深度較淺，發(fā)生凍害可能性更大，因此處理凍害措施時，應首先保證考慮橫向排水管的保溫隔熱等措施。

3.2 隧道縱向監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)上述監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)分析的結(jié)論，橫向排水管外側(cè)溫度值最低，為最不利位置，縱向數(shù)據(jù)分析分別提取5個監(jiān)測斷面中橫向排水外側(cè)的溫度為代表。通過數(shù)據(jù)整理和分析，繪制不同監(jiān)測斷面橫向排水管外側(cè)溫度隨時間變化曲線如圖4所示、橫向排水管外側(cè)溫度沿隧道縱向變化曲線如圖5所示。

圖4 不同監(jiān)測斷面橫向排水管外側(cè)溫度隨時間變化曲線

圖5 橫向排水管外側(cè)溫度沿隧道縱向變化曲線

由圖4可以看出，該隧道橫向排水管外側(cè)的溫度值隨著時間變化的規(guī)律如下：每年的11月中旬開始橫向排水管由正溫轉(zhuǎn)變?yōu)樨摐兀链文甑?月中旬溫度達到極低值(溫度為-10.3℃)，而后溫度逐漸升高，至4月中旬開始由負溫轉(zhuǎn)正溫，負溫歷時約5個月，而低于-4℃溫度時間段為12月上旬至3月上旬，歷時約3個月。低溫影響周期約5個月之久，低于-4℃長達3個月之久，且溫度已達到凍結(jié)臨界值。

由圖5可以看出，橫向排水管外側(cè)的溫度值隨著時間變化的規(guī)律如下：通過對比洞門外采集的氣象數(shù)據(jù)，小樁號側(cè)洞外氣溫高于大樁號側(cè)洞外氣溫約3℃，橫向排水管內(nèi)側(cè)的溫度除受隧道內(nèi)氣溫影響較大外，還受兩端洞口氣溫、隧址區(qū)風向、風速及隧道縱坡等綜合影響。由于隧道較長，兩側(cè)洞口溫差較大，小樁號側(cè)洞口向大樁號側(cè)洞口延伸，同一時點溫度變化規(guī)律是隨著里程的增加溫度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，在全年最低溫度時間點，小樁號端橫向排水管外側(cè)溫度(-7.5℃)高于大樁號端的溫度(-10.3℃)，并且溫度最大值位于隧道中間處的監(jiān)測點(-6.5℃)，考慮負溫周期長、并且低于-4℃溫度歷時3個月之久，全隧道橫向排水管最低溫度均低于冰點，均可能發(fā)生中心排水溝、檢查井和橫向排水管等排水系統(tǒng)凍結(jié)、路面積水積冰、路面鼓脹、積冰堵塞排水系統(tǒng)、電纜槽冒水積冰等病害。

分別對比圖5中入冬0℃變化曲線和開春0℃變化曲線、入冬-4℃變化曲線和開春-4℃變化曲線，可得出如下規(guī)律：入冬時各監(jiān)測點的溫度值比開春時同位置的監(jiān)測點溫度略高，且入冬時各監(jiān)測點溫度高于洞外氣溫，開春時各監(jiān)測點溫度值低于洞外氣溫，說明隧道內(nèi)各監(jiān)測點溫度變化較氣溫變化要延緩。

4 排水系統(tǒng)凍害防治措施

結(jié)合該隧道的實際情況及排水系統(tǒng)產(chǎn)生的凍害類型，可采取防凍害的措施主要有：深埋排水系統(tǒng)、檢查井采用保溫井蓋、增設保溫層、增加地下水的熱量、電伴熱、保溫隔熱等方法[6]。針對于不同凍害可采用如下措施進行防治。

4.1 排水系統(tǒng)凍結(jié)

排水系統(tǒng)凍結(jié)可采用加熱防凍、深埋排水系統(tǒng)和增設保溫層等方法預防。加熱防凍法包括電伴熱電纜加熱和地熱、鍋爐等供熱。保溫排水系統(tǒng)可采用聚氨酯、聚苯乙烯、聚乙烯和酚醛泡沫板等包裹排水系統(tǒng)，以達到保溫隔熱效果。

4.2 加強防排水

可采取加密環(huán)向和橫向排水管、加大中心排水管直徑、增設泄水洞和增大排水縱坡等措施，將圍巖裂隙水快速收集和排出隧道以外，減少裂隙水的熱量損失，以免裂隙水凍結(jié)引發(fā)病害；采用耐久性高的防水板，防止施工和運營期間板材破損，導致地下水侵蝕二次襯砌而造成襯砌凍害。

4.3 增設保溫隔熱層

防凍隔熱法，利用鋪設于襯砌表面、初支和二襯之間、排水管道外壁等的保溫隔熱材料減少隧道外環(huán)境與襯砌背后的熱交換。

4.4 路面鼓脹和積冰

路面鼓脹和積冰主要原因是路面下排水系統(tǒng)凍結(jié)或堵塞，地下水不能快速排出隧道，可采用深埋中心排水溝、增設泄水洞、保溫井蓋和過濾網(wǎng)等措施。

4.5 該隧道防排水系統(tǒng)防凍害方案

對寒區(qū)隧道防排水系統(tǒng)，采用保溫隔熱措施，增加埋置深度是最直接和最有效的方法。該隧道在進行防凍害方案中采用如下措施。

(1)采用深埋中心檢查井，并用保溫井蓋替代原普通混凝土井蓋；

(2)采用聚氨酯保溫層橫向排水管外側(cè)段落，形成保溫排水系統(tǒng)。

采取防凍措施改造隧道后，通過階段性的監(jiān)測，首個凍融期內(nèi)未出現(xiàn)路面結(jié)冰和路面返水、排水系統(tǒng)凍結(jié)等凍害，總體治理效果良好。

4.6 新建隧道預防措施

(1)以隧址區(qū)最大凍結(jié)深度為依據(jù)，合理確定檢查井、中心排水溝以及橫向排水管的埋置深度，防止埋深不足導致凍害發(fā)生。

(2)合理采用保溫隔熱措施，如聚氨酯保溫層、電伴熱等措施對排水系統(tǒng)進行包裹。

(3)合理設置隧道縱坡，為保證圍巖裂隙水能順利排出隧道外，隧道縱坡應大于0.5%，條件允許采用1%左右的坡度為宜。

(4)加密橫向排水管間距，環(huán)向和橫向排水系統(tǒng)的橫向間距不大于10m，涌水量大的位置可適當加密。

5 結(jié)語

通過對隧道排水系統(tǒng)進行現(xiàn)場監(jiān)測，通過對監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)分析，得到同一監(jiān)測斷面不同監(jiān)測點位的溫度隨時間的變化規(guī)律，通過對溫度沿隧道縱向的數(shù)據(jù)分析，得到溫度沿隧道縱向的變化規(guī)律。

(1)監(jiān)測點溫度變化與季節(jié)的氣溫變化密切相關(guān)，并隨氣溫升高而逐步升高，隨氣溫降低而逐步降低。

(2)同一監(jiān)測斷面不同構(gòu)件的溫度變化規(guī)律：中心排水溝溫度>檢查井底部溫度>檢查井中部溫度>檢查井頂部>橫向排水管中心>橫向排水管外側(cè)，且各監(jiān)測點溫度均低于0℃，極易發(fā)生凍結(jié)病害。

(3)針對長(特長)隧道，兩側(cè)洞口往往存在一定溫差，隧道內(nèi)溫度變化規(guī)律：同一時點隨著里程的增加溫度呈現(xiàn)逐漸降低(增加)的趨勢。

(4)入冬時各監(jiān)測點的溫度值比開春時同位置的監(jiān)測點溫度略高，入冬時各監(jiān)測點溫度高于洞外氣溫，開春時各監(jiān)測點溫度值低于洞外氣溫，說明隧道內(nèi)各監(jiān)測點溫度變化較氣溫變化要延緩。

(5)通過隧道的防凍設施改造后的第1個凍融期，隧道未出現(xiàn)較為嚴重凍害，整體防凍效果較好。