寒區(qū)隧道洞外排水及防凍方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

喬建剛，鄭少華，何志偉，王榮鑫

（天津市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津300392）

近年來(lái)，隨著我國(guó)公路事業(yè)長(zhǎng)足發(fā)展，公路隧道里程呈加速增長(zhǎng)趨勢(shì)，越來(lái)越多的寒區(qū)隧道進(jìn)入工程建設(shè)序列[1]。相比溫?zé)岬貐^(qū)，寒區(qū)隧道需要特別注意凍害防治，尤其是隧道排水引起的凍害[2～3]。寒區(qū)隧道中心排水溝出水口如不進(jìn)行防凍處治，冬季時(shí)地下水將沿出水口逐漸向洞內(nèi)凍結(jié)，導(dǎo)致排水系統(tǒng)失效，引發(fā)凍害；甚至在路面和襯砌背后發(fā)生冰凍，危及行車及結(jié)構(gòu)安全。本文對(duì)一座寒區(qū)隧道中心水溝排水及防凍措施方案進(jìn)行比選和優(yōu)化，為寒區(qū)隧道中心排水溝排水和保溫設(shè)計(jì)提出一種滲井排水的設(shè)計(jì)思路。

1 工程概況

加定（青甘界）—海晏（西海）公路石羊嶺隧道左右線為分離雙洞，長(zhǎng)度分別為1 826、1 796 m，為長(zhǎng)隧道；隧道測(cè)設(shè)線間距約30 m。隧道縱斷面設(shè)計(jì)采用單向坡，縱坡為2.950%。

項(xiàng)目處于青藏高原東北部，屬于高原半干旱大陸性氣候，總體氣候特征為寒長(zhǎng)暑短、多風(fēng)少雨、無(wú)霜期短，具有春季干旱多風(fēng)、夏季涼爽、秋季較短、冬季漫長(zhǎng)、蒸發(fā)強(qiáng)烈、日溫差大、雨熱同期的氣候特點(diǎn)。最冷為1月，平均氣溫-10.1～-15.3 ℃，季節(jié)性凍土最大凍深約1.5 m。多年平均年降水量為404.6～506.5 mm，年最大降雨量563.8～695.9 mm，降水主要集中在6—9月。

隧道屬侵蝕構(gòu)造中切割中山陡坡地貌，勘察期間屬干溝，為典型的山間河流，流量隨季節(jié)變化明顯，具有陡漲陡落、雨漲晴消的特征，大氣降水順山坡向溝底匯集最終流向大通河。場(chǎng)地地下水主要有第四系松散層孔隙潛水、基巖風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水兩種類型。勘察期間采用裘布依公式、降水入滲系數(shù)法等多種方法對(duì)隧道涌水量進(jìn)行了估算，綜合分析該隧道正常涌水量1 200～1 500 m3/d。

2 隧道排水及防凍系統(tǒng)方案

2.1 隧道洞內(nèi)排水系統(tǒng)

隧道暗洞復(fù)合襯砌排水系統(tǒng)由防水板、環(huán)向排水管、縱向排水管、橫向引水管與中心排水溝組成。為便于排水，根據(jù)隧址區(qū)的最大凍土深度并考慮到降低隧道排水系統(tǒng)凍結(jié)堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，洞內(nèi)在小樁號(hào)側(cè)500 m 范圍內(nèi)、仰拱以下設(shè)置中心深埋排水溝；其余段落仰拱以上設(shè)置淺埋中心排水溝。中心排水溝采用?60 cm預(yù)制鋼筋混凝土排水管。見(jiàn)圖1。

圖1 中心排水溝斷面

2.2 隧道洞外排水及防凍系統(tǒng)

目前國(guó)內(nèi)相對(duì)較為通用的高寒地區(qū)隧道中心排水溝洞外防凍措施是在洞外出水口處設(shè)置一防凍保溫包頭并在防凍保溫包頭外設(shè)置一處陡坎，使地下水經(jīng)防凍保溫包頭流出中心排水溝后，流經(jīng)陡坎以下再凍結(jié)。見(jiàn)圖2。

圖2 隧道中心水溝保溫包頭

小樁號(hào)洞口距現(xiàn)狀崗青公路較近，中心排水溝若采用上述常規(guī)防凍保溫措施，引出的地下水冬季有可能漫流至崗青公路路面并凍結(jié)，影響行車安全。針對(duì)該外圍條件，設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了多方案比選和優(yōu)化。

2.2.1 方案一延長(zhǎng)中心水溝

考慮將中心排水溝出洞口延長(zhǎng)，采用頂管方式穿越崗青公路后再排出地面，避免隧道內(nèi)引出的地下水漫流至崗青公路。見(jiàn)圖3。

圖3 方案一平面布置

深埋中心排水溝埋深在最大凍深線以下，管底高程在地面以下2 m，穿越崗青公路后地勢(shì)平坦，難以盡快將中心水溝引出地面，也難以在出水口保溫包頭后設(shè)置陡坎。

2.2.2 方案二隧道滲井排水

中心排水溝的地下水排出隧道后并不出露地面，轉(zhuǎn)而通過(guò)滲井回灌至地下。見(jiàn)圖4。

圖4 方案二平面布置

由于排出的地下水為山體地表徑流入滲水或者基巖裂隙水，是未經(jīng)污染的清水，從地下水源保護(hù)的角度，重新回灌至地下是可行的[4]。

1）回灌含水層的選擇。由于滲透系數(shù)的不同，將地層分割為了多個(gè)含水層和隔水層。滲井濾層設(shè)置深度不同，可以選擇將水流回灌入預(yù)設(shè)的不同含水層。

小樁號(hào)洞口地層結(jié)構(gòu)由上至下依次為厚度6 m的⑥2粉土層、厚度2 m 的⑥4稍密卵石層、厚度23 m 的⑥5中密卵石層、⑩2中風(fēng)化片巖層。勘察期間中風(fēng)化片巖層未打穿，穩(wěn)定地下水在⑥4和⑥5層之間。⑥2粉土層和下臥巖層⑩2中風(fēng)化片巖為隔水層，⑥4稍密卵石層和⑥5中密卵石層為含水層。根據(jù)各地層滲透系數(shù)等參數(shù)情況，宜將地下水回灌層設(shè)置在⑥4稍密卵石層和⑥5中密卵石層。見(jiàn)表1。

表1 各土層滲透系數(shù) m/s

2）滲井參數(shù)方案設(shè)計(jì)。

式中：Qs為位于含水層內(nèi)的單位長(zhǎng)度滲井流量，m3/s；hj為井內(nèi)水深，m；hd為地下水位高于井底的高度，m；R為影響半徑，可根據(jù)抽水試驗(yàn)確定或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式R= 3 000S計(jì)算，S為抽水降深，即地下水位與井內(nèi)水位的高差，對(duì)于滲水井S=hj-hd，m；r0為滲井半徑，m；kh為含水層材料的滲透系數(shù)，m/s。

考慮⑥4稍密卵石層相對(duì)⑥5中密卵石層較薄，為計(jì)算方便、偏安全，均按照⑥5中密卵石層的滲透系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)勘察資料及隧道貫通后實(shí)測(cè)涌水量情況校正，隧道的單日最大涌水量1 500 m3/d。

若設(shè)置一直徑1 m 的滲井，要滿足最大流量1 500 m3/d，井深需要28 m，井底深度入⑥5中密卵石層20 m。見(jiàn)圖5。

圖5 滲井結(jié)構(gòu)

2.2.3 方案比選

方案一出洞口需增加約200 m 長(zhǎng)、?600 mm 鋼筋混凝土排水管，其中包含一段下穿既有公路頂管；方案二需增加一?1 000 mm、深28 m 的滲井。方案一需在既有崗青公路下方進(jìn)行頂管施工，對(duì)既有公路存在一定擾動(dòng)，穿越崗青公路后地勢(shì)平坦，難以在出水口保溫包頭后設(shè)置陡坎，冬季水流會(huì)由保溫包頭外部逐漸凍結(jié)入排水溝內(nèi)部，導(dǎo)致隧道排水系統(tǒng)失效；方案二隧道排出的地下水經(jīng)由深埋中心排水溝流入滲井內(nèi)，全程位于最大凍結(jié)深度以下，避免了水流凍結(jié)的隱患。

針對(duì)本工程，方案二較傳統(tǒng)的寒區(qū)隧道排水方案工程量顯著降低，防凍保溫效果更可靠。

3 對(duì)滲井排水方案的優(yōu)化

滲井在公路領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛[5～8]，在隧道排水工程中鮮有應(yīng)用。采用的各土層滲透系數(shù)等參數(shù)為勘察階段勘察鉆孔得出數(shù)據(jù)，在滲井實(shí)施前，需要在井位上專門施作一處鉆孔進(jìn)行抽水試驗(yàn)，根據(jù)抽水試驗(yàn)得出的滲透系數(shù)對(duì)滲井尺寸參數(shù)進(jìn)行修正。為使排水方案的可靠性更高，在滲井下游施作一處設(shè)置保溫包頭的排水管，保證滲井內(nèi)溢流的情況下，排水和保溫設(shè)施仍然有效。見(jiàn)圖6。

圖6 滲井結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

4 結(jié)論

1）針對(duì)鄰近公路、地勢(shì)限制的寒區(qū)隧道，滲井排水方案在經(jīng)濟(jì)性、適用性、可靠性等方面更具優(yōu)勢(shì)。

2）隧道排水為經(jīng)由環(huán)向排水管、縱向排水管、中心排水溝等一系列周密排水系統(tǒng)搜集的隧道洞身基巖裂隙水、地表下滲水等，總體上均為地下水，本文提出的隧道滲井排水方案，實(shí)際上將隧道排水系統(tǒng)搜集的地下水又回灌入地下；因此，該方案也可借鑒到非寒區(qū)隧道，譬如對(duì)地下水資源進(jìn)行保護(hù)的地區(qū)。

3）隧道滲井排水方案對(duì)地層的滲透系數(shù)、周邊地形地貌、隧道涌水量等參數(shù)相對(duì)敏感，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)例具體分析。

4）提出的寒區(qū)隧道排水方案滲井直徑1 m、深28 m，井徑和井深比較大，井內(nèi)反濾材料回填施工量也比較大，本文未對(duì)滲井形式、結(jié)構(gòu)及滲井填料做深入研究，這是今后類似方案的改進(jìn)方向。

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