寒區及嚴寒地區隧道工程防排水技術研究

摘要：近年來，我國鐵路工程的建設規模不斷擴大，其中在寒區及嚴寒地區修建的鐵路隧道工程特別是高速鐵路隧道工程的數量和長度也在隨之急劇增加，鐵路隧道防排水系統的防寒設計和施工是該地區隧道工程修建過程中面臨的重點和難點。文章以我國寒區及嚴寒地區大量的既有線和擬建鐵路隧道工程為研究對象，通過對其廣泛存在的多種凍害情況進行認真的對比、分析和研究，將寒區及嚴寒地區隧道工程防排水技術的成果予以歸納和總結，同時也為今后這一類型課題的進一步深入研究提出合理化建議。

關鍵詞：寒區及嚴寒地區；隧道工程；防排水

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）25-0029-03

隨著隧道工程技術的進步，寒區及嚴寒地區隧道防排水技術水平也在不斷提升，我們以大量總結我國寒區及嚴寒地區隧道防寒工程經驗為基礎，結合工程實踐，不斷改進與完善新建隧道特別是高速鐵路隧道防排水的研究思路。本文重點從氣象條件、溫度變化梯度、地層加固、結構的防排水系統等方面進行分析和研究。

1 寒區及嚴寒地區既有鐵路隧道工程防排水狀況

統計資料顯示，在我國寒區及嚴寒地區20世紀50年代之前（建國前）修建的鐵路隧道工程中，由于這些隧道修建時間較長，絕大多數均存在凍害情況。其中在我國東北地區就有約45%的鐵路隧道存在凍害，約占這一區域隧道總長度的40%。

上述類型區域多屬于季節性凍土，冬季凍結，夏季融化，多年凍土較少遇見。在這種環境狀況下出現的常見隧道凍害現象主要有掛冰、冰椎、冰塞、冰楔、圍巖凍脹、襯砌混凝土凍融破壞、襯砌冷縮開裂等，除混凝土凍融引起劣化外，還有因襯砌背后圍巖凍結引起的隧道變異，這是隧道凍害的基本特征，也是一個十分重要的問題。

隧道漏水或結冰，造成襯砌混凝土劣化和變異，降低通信信號、電力等設備和鋼軌及扣件等的耐久性。漏水會使襯砌背后的土砂流失，而在襯砌背后形成空洞，并進一步產生偏壓、路基下陷等。而在寒冷地區，結冰更加劇了對列車運行安全的威脅，對線路維修人員的行走和作業都造成一定的困難。同時，襯砌背后圍巖的凍結會造成襯砌的

破壞。

2 寒區及嚴寒地區鐵路隧道工程防排水技術的研究方向

2.1 氣象條件

氣溫、風向、氣壓等氣候參數直接影響隧道防排水防凍措施，在工程設計中，隧道設計所依據的氣象資料是根據有氣象記載的氣象站資料，與實際工程所處點的工程條件可能有一定差異，比如東北地區某隧道，氣象資料最冷月平均氣溫為

－12.69℃，極端最低氣溫為－33℃，施工過程中，施工單位觀測的最低氣溫遠低于－33℃。

因此，設計中需要考慮到這種差異，建議在勘察階段對隧道洞口的風向、氣溫等氣象資料進行個別收集或者根據附近氣象點資料進行氣象資料取值的專門研究。

2.2 溫度變化梯度研究

運營隧道內溫度變化梯度目前沒有規范性指導意見，《鐵路工程設計技術手冊（隧道）》中認為采取保溫措施的水溝可僅在兩端洞口150～400m范圍采用保溫措施。

《寒冷地區鐵路隧道防止凍害的基本措施》（作者：關寶樹）中指出，隧道內結冰發生區域（距洞口）為1800m。

根據哈爾濱鐵路局鐵路隧道冬季凍結情況來看，工務部門認為，隧道內發生凍結現象的范圍在距離洞口1～2km內，濱綏線杜草隧道3.9km（雙洞單線）和濱洲線興安嶺隧道3.1km（雙洞單線），全隧道冬節都有掛冰現象，全隧道均修建了中心深埋水溝。

同時，隨著隧道斷面不斷增大，隧道內通過的列車速度不斷提高，隧道內外空氣熱交換進一步加

劇，隧道內溫度梯度變化情況研究也是十分必要的。

2.3 地層加固研究

隧道襯砌結構背后存水后，如果不能及時排出洞外，冬季結冰是難以避免的，巖石隧道本身幾乎無凍脹性的，有凍脹性的地層一般是黏性土和細顆粒土，而且其凍脹性隨含水量的增大而增強。隧道洞口地層往往是各類土層或巖石經嚴重風化形成的土層，本身具有一定的凍脹性。

因此，研究凍脹性的地層的加固效果，改善其密實性，降低其透水，減小隧道周圍凍融對隧道結構耐久性的影響，是嚴寒地區防凍的重要措施。

2.4 結構防排水系統研究

目前，寒冷及嚴寒地區鐵路隧道結構與溫和地區的隧道結構基本沒有區別，隧道結構仍采用“防、排、截、堵結合”的原則，如溫度很低的嚴寒地區防寒段的保溫側溝在冬季基本被凍死，但隧道結構在水溝部位還是采用泄水孔從隧道周圍的圍巖向隧道內側溝排水，因此有必要研究嚴寒地區隧道不設泄水孔的結構設計。

隧道結構自身的抗滲與防凍措施也是有必要研究的，根據東北地區既有鐵路隧道調查結果，洞口段襯砌開裂現象十分普遍，一方面是當時的模筑襯砌施工造成襯砌混凝土不均勻而導致開裂，另一方面與襯砌經受溫度變化混凝土收縮所致。

溫度變形縫的設置可以減小溫度收縮，但對低溫情況下變形縫防水也帶來一定的考驗，這些問題也是值得研究的。

3 結語

隧道防、排水采取“防、排、截、堵結合，因地制宜，綜合治理”的原則，當隧道地處最冷月平均氣溫低于－15℃的地區時，對地下水的處理應以堵為主，保障隧道在冬季時，不因地下水凍漲導致隧道襯砌結構受損。

3.1 防水等級

防水等級滿足《地下工程防水技術規范》規定的一級防水標準。

3.2 洞內防水設計

3.2.1 確立襯砌結構自防水為根本，主體結構的抗滲等級為P10。當隧道地處最冷月平均氣溫低于

－15℃的地區時，隧道二次襯砌混凝土等級提高一級。

3.2.2 隧道拱墻初期支護和二次襯砌之間防水采用EVA或ECB防水板，防水板厚度不小于1.5mm，無紡布密度為不小于350g/m2。

3.2.3 長隧道地下水發育，必要時采用徑向注漿方式加固隧道周圈地層，把地下水阻隔于地層最大凍結深度以外，防止地下水凍漲引起隧道結構受損。

3.2.4 施工縫變形縫防水。當隧道地處嚴寒地區時，長度小于2km的隧道縱向每隔30～60m設置溫度變形縫一道；長度大于2km的隧道，兩端洞口氣溫影響范圍內每隔30～60m設置溫度變形縫

一道。

為保障施工縫及變形縫防水的可維護要求，保溫段施工縫及變形縫的防水加設可維護注漿管。

3.3 洞內排水設計

當－5℃＜t≤－3℃時，洞口段設長度不小于100m的保溫水溝。

當－10℃＜t≤－5℃時，洞口段設長度不小于500m的保溫水溝。

當－15℃＜t≤－10℃時，洞口段設長度不小于300m的中心深埋水溝或防寒泄水洞，設置長度不小于100m的保溫盲溝，設置長度不小于1000m的保溫水溝，設置中心深埋水溝或防寒泄水洞段，洞內水溝側壁不再設置泄水孔。

當t≤－15℃時，洞口段設長度不小于500m的中心深埋水溝或防寒泄水洞，設置長度不小于500m的保溫盲溝，設置長度不小于2000m的保溫水溝，設置中心深埋水溝或防寒泄水洞段，洞內水溝側壁不再設置泄水孔。

另外除了考慮上述原則及相應措施，還應從隧道防、排水工程的可維護性的角度著手進一步完善和改進，為了保障寒冷及嚴寒地區隧道運營期間防排水的易于維護要求，建議采用以下方法：

3.3.1 在設置中心深埋水溝和防寒泄水洞的段落，每隔30m設置一座檢查井，檢查井宜結合避車洞設置。

3.3.2 施工縫及變形縫處埋設可維護注漿管，保證防水效果。

3.3.3 雙側保溫水溝的保溫材料采用20～25cm長條狀保溫材料。

作者簡介：俞尚宇（1979-），男，天津人，供職于鐵道第三勘察設計院集團有限公司城市軌道交通設計研究分院，碩士，研究方向：隧道與地下工程。

（責任編輯：周加轉）