寒冷地區鐵路隧道防排水設施凍害淺析

宋順德

(沈陽鐵路局 工程管理中心，沈陽 110001)

新建東北東部鐵路通道白河至和龍段工程是沈陽鐵路局在東北東部嚴寒山區組織建設的第一條集長隧道、高橋、高路堤、深路塹為一體的山區鐵路。該工程于2006年4月28日開工建設，2008年12月20日開通運營，運營2年來有部分隧道防排水設施發生凍害，分析隧道凍害發生機理，及時采取治理措施，保證列車安全運營，同時，為嚴寒山區新建隧道設計和施工提供參考。

1 東北東部鐵路通道隧道概況

新建東北東部鐵路通道白河至和龍段鐵路位于吉林省延邊朝鮮族自治州境內，全長103.269 km，新建隧道7座，隧道延長18.42 km，其中南山隧道全長7 566 m，是東北地區目前最長的鐵路單線隧道。沿線隧道分布情況見表1。

表1 隧道情況表

全線隧道大部分表覆地層為第四系地層，洞身穿越區多為片麻巖或花崗巖、礫巖、砂巖，沿線河流眾多，西部屬松花江水系，東部屬圖們江水系，地下水類型分為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水、構造裂隙水3種。

沿線屬于中溫帶濕潤大陸性季風氣候區、冬季漫長而嚴寒多雪，夏季涼爽并低溫多雨，雨季在6月～7月。沿線最冷月平均氣溫 －12.10℃ ～－12.69℃，按對鐵路工程影響的氣候區間屬寒冷地區。根據歷年氣象和調查資料，沿線土壤最大凍結深度1.50～1.86 m。

隧道襯砌均采用復合式襯砌，Ⅱ、Ⅲ級圍巖采用帶底板的曲墻復合式襯砌，Ⅳ、Ⅴ級采用仰拱曲墻復合式襯砌。隧道二次襯砌采用防水混凝土，抗滲等級不低于P8;復合防水板厚度不小于1.2 mm;隧道內設雙側保溫排水溝，采用雙層蓋板新型聚胺脂泡沫保溫;保溫水溝高洞口端400 m，低洞口端450 m，洞外用暗管(內徑不小于50 cm混凝土圓管)排水，出水口保溫。隧道二次襯砌背后設置縱、環向排水盲溝，盲溝采用透水式軟管盲溝;拱墻施工縫處采用外貼止水帶和遇水膨脹止水條復合防水措施;拱墻變形縫采用中埋式止水帶與遇水膨脹橡膠條、嵌縫材料復合防水構造。

2 凍害原因分析

2.1 凍害發生情況

荒溝等4座隧道無凍害，與荒溝隧道相鄰的南山隧道，2009年 1月高洞口端(進口)保溫水溝凍結1 900 m，少量施工縫滲漏水，當年采取了加強保溫措施，推遲至2010年2月高洞口(進口)端保溫水溝凍結600 m，少量施工縫滲漏水。青山里隧道，2009年1月低洞口(出口)端保溫水溝凍結30 m，2010年1月到2月凍結逐漸發展至140 m。松月1號隧道，2010年1月到2月低洞口(出口)端保溫水溝凍結逐漸發展至80 m。

根據《鐵路隧道防排水技術規范》(TB10119—2000J72—2001)中 7.4.2規定最冷月平均氣溫在－10℃以下地區，按表2選用排水形式。

表2 隧道排水形式

白河至和龍段隧道群地處和龍地區，最冷月平均溫度－12.69℃，最大凍深1.5 m。按表2用保溫水溝，理論上不應出現凍害。另外，荒溝隧道與南山隧道緊連，荒溝隧道無凍害，南山隧道土層凍結深度淺、高程低，卻發生嚴重凍害，保溫水溝凍結長達1 900 m。青山里、松月1號隧道與南山隧道走向相同，防寒結構也相同，南山低洞口端無凍害，青山里、松月1號隧道卻在低洞口端發生凍害，荒溝、南山、青山里、松月1號隧道凍害位置示意見圖1。

圖1 荒溝、南山、青山里、松月1號隧道凍害位置示意

2.2 凍害過程及機理分析

2.2.1 凍害形成過程

經過近兩年的觀測和分析，凍害形成過程見圖2。

圖2 凍害形成過程

2.2.2 保溫水溝凍害機理分析

和龍市氣象局提供的部分2008、2009、2010冬季氣溫及風向資料見表3，2009年12月19日至2010年2月23日，和龍市與南山隧道進口端、隧道內溫度對比見圖3。

1)經測試南山隧道進口端洞內最低溫度分布為，距洞口500 m范圍內溫度低于－15℃;500～900 m，溫度低于－10℃;900 m以遠，溫度低于－5℃。南山隧道進口端500 m范圍內，寒冷月平均氣溫低于－15℃，宜歸屬于＜－15℃區，應采用中心深埋排水溝形式，而實際采用的保溫水溝的形式，就有可能發生凍害，這說明在設計隧道排水形式時，應考慮隧道內的局部氣候條件。

表3 和龍市氣象局提供的部分2008年、2009年和2010年冬季氣溫及風向資料

圖3 和龍市與南山隧道進口端、隧道內溫度對比

2)圖4為南山隧道走向與冬季寒冷月主導風向關系示意圖。分析可知，南山隧道2009年冬，寒冷月12月主導風向與隧道走向垂直，不易形成持續低溫;2010年冬，寒冷月1月～3月連續三個月主導風向與隧道幾乎平行，持續時間長，且線路坡度為9.5‰下坡，進口端對流頻繁，降溫快、易形成持續低溫，雖當年加強了保溫措施，但仍形成凍害。

圖4 南山隧道走向與2009年12月至2010年3月主導風向關系示意

3)圖5為荒溝隧道走向與冬季寒冷月主導風向關系示意圖。從圖上分析可知:荒溝隧道2009年冬，寒冷月12月主導風向與隧道走向平行，但持續時間短，且線路坡度為3.5‰上坡，不易形成持續低溫;2010年冬，寒冷月1～3月連續三個月主導風向與隧道走向垂直，持續時間長，不易形成持續低溫，不易形成凍害。

4)經過二年觀測、分析，隧道有地下水是判斷凍害隱患的必要條件，高洞端冬季寒冷月迎風，持續時間長，對流頻繁，易形成持續低溫，有地下水，無論大小，均易發生凍害。

圖5 荒溝隧道走向與2009年12月至2010年3月主導風向關系示意

5)青山里、松月1號隧道2010年1～3月在低洞口端發生凍害，二座隧道海拔500～600 m，氣溫條件與和龍市內基本相同，經觀測、分析是洞口至洞外保暖水溝檢查井間排水溝保溫措施不足，凍結后，致使洞內排水梗阻，水溢出排水溝發生凍害。

2.3 施工縫冬季滲漏水結冰機理

2009年、2010年隧道施工縫滲漏水均發生在冬季1～3月，其它時間無滲漏現象，分析原因是:①隧道二側排水溝凍死后，排水溝梗阻，泄水孔、盲管排水受阻，原無壓、有序排水變為有壓、無序排水，地下水排水受阻，承壓后在防水薄弱部位——施工縫處滲漏，持續低溫而結冰。②拱頂未實施二襯回填注漿，起拱線至拱頂二襯頂面是水平面(塌落度大)，上拱是曲面，縱向是坡面，且山嶺隧道縱坡都較大，因此存在施工空洞是必然的，富水洞必存有水囊，是形成滲漏的多發部位，故必須回填注漿堵死，才能消除隱患。

3 結論與建議

1)凍害地區隧道防排水設計施工，不能籠統以區域氣象資料為依據，應搜集隧道所在位置的氣象資料，明確局部氣候條件后，確定防排水設施防凍害標準。

2)充分考慮隧道海拔高度、隧道走向與寒冷季節主導風向的關系、線路坡度等因素，條件不利時，經充分論證后，部分防排水設施宜采用較高一級的構造措施。

3)施工過程中做好氣溫、風向、地下水觀測，取得第一手資料，特別注意防凍措施細節處理，盡量減少冷橋，為優化防排水防凍措施及凍害整治提供基礎數據與資料。

［1］中華人民共和國鐵道部.TB10119—2000J72—2001 鐵路隧道防排水技術規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2001.

［2］劉春和.鐵路隧道防排水工程病害整治［J］.鐵道建筑，2010(5):69-71.