寒區鐵路隧道保溫排水設施設計標準研究

馬志富， 楊昌賢

(中國鐵路設計集團有限公司， 天津 300308)

0 引言

與一般地區相比，寒區隧道工程最顯著的特點是所處環境會隨四季更迭交替而周期性出現氣溫從0 ℃以上下降到0 ℃以下并長時間處于0 ℃以下的變化過程，而伴隨著這個變化過程雖然較長隧道洞身范圍的圍巖仍可能處于恒溫帶內，但隧道洞內及其周邊一定范圍的圍巖均可能處于負溫區內。而當處于負溫區范圍的圍巖、隧道初期支護、初期支護與二次襯砌間隙及二次襯砌混凝土結構等部位含水時，必然經歷著由非凍結狀態到凍結狀態的凍融變化過程，這種周期性的凍融過程對寒區隧道的防排水系統產生了巨大的影響。大量的工程實踐[1-3]表明，寒區隧道的凍害多是由于隧道排水設計不當或排水設施失效導致的。

針對寒區隧道的凍害問題，近年來工程技術人員依托不同項目開展了大量的研究工作，取得了系列研究成果。陳學峰[1]提出寒區隧道凍害防治應采取多道防線、綜合治理的原則，并應與隧道防排水技術研究緊密結合的處治思路； 張劍[2]對比分析了泄水洞、中心深埋水溝等防凍排水形式，提出了建立寒區隧道病害防御理念，適當提高寒區隧道防水設計標準，采用可維護的防排水系統，采取可靠的保溫措施，加強排水系統養護維修，確保排水暢通的建議； 苑郁林等[3]提出了寒區隧道圍巖凍融、凍結環境的判別標準，并對寒區隧道圍巖進行了分類；呂康成等[4-7]分析了凍融對圍巖及隧道結構等產生的影響以及隧道凍害的原因，提出了系列的針對性措施；夏勇等[8]分析了嚴寒地區隧道防排水設計及施工存在的問題，提出了保溫防排水系統的優化措施；夏才初等[9]分析防寒泄水洞在不同凍土區隧道的適用性及設計要求，提出了新型的防寒泄水洞斷面型式、布置設計；孫克國等[10]通過理論分析和數值模擬方法提出了寒區隧道排水溝埋置深度與凍結深度的關系式；王平安等[11]分析了高海拔寒區隧道防排水技術難點，提出遵循“防、排結合”的原則，采取以泄水洞為主，輔以保溫防寒水溝、保溫中心水溝和伴熱電纜采暖式水溝的綜合防排水系統的防凍技術；高焱等[12]經大量調研后將隧道寒區劃分為高緯度地區和高海拔地區，提出了設置保溫層的適用范圍，并建議保溫水溝、中心深埋水溝和防寒泄水洞以洞內二次襯砌表面溫度0 ℃為設防終點；湯貴海等[13]通過室內模擬實驗研究了寒區隧道在層間設置聚氨酯保溫板的保溫效果，提出了工程中應慎用層間聚氨酯保溫板的隧道防凍方案；劉秀等[14]分析了寒區隧道保溫防凍系統的作用及其設計存在的問題，提出了高海拔寒區隧道保溫防凍系統設計的要求及改進措施。

上述研究結果表明，設置由保溫水溝、中心深埋水溝、防寒泄水洞及相關配套排水設施等組合而成的隧道保溫排水系統，保證隧道排水暢通是從根源上解決寒區隧道凍害問題的有效措施，但上述保溫排水系統目前缺乏統一的技術標準，局部甚至出現了同一地區不同項目的隧道保溫排水系統設防長度、結構形式等均存在較大差異的情況，不僅隧道凍害問題依然存在，還給施工及運營帶來極大的困擾。

本文通過調研、分析及測試等方法，總結我國寒區分區及寒區鐵路隧道的保溫排水措施現狀，提出寒區鐵路隧道的設計分區及不同分區隧道保溫排水措施設防的建議長度，以期對寒區隧道保溫排水設計及凍害防治提供參考。

1 我國寒區分區和寒區鐵路隧道保溫排水措施現狀

1.1 我國寒區分區

1.1.1 按氣候分區

寒區氣候環境影響因素主要包括當地最大土壤凍結深度、極端最低氣溫、年(月)平均氣溫、最冷月平均氣溫、年平均降雨(雪)量及季節分布、日照時間、風向、風速、區域凍結指數等。一般情況下可根據最冷月平均氣溫及黏性土最大凍結深度將寒區劃分為寒冷地區和嚴寒地區[15-16]，如表1所示。

表1 寒區分類

1.1.2 按地理分區

根據地理分布分析，我國的寒區主要位于東北的黑龍江、吉林、遼寧和內蒙古東北部及華北北部，西北的甘肅、青海、新疆，西南的西藏、川西的阿壩、甘孜、云南的滇北、玉龍山和高黎貢山的北部等地區[17]。

東北寒區屬于低山高緯度寒區，雖然海拔不高，但由于緯度高，受北冰洋寒潮及蒙古高壓的影響，寒季盛行西北風，形成半年持續低溫、干冷多雪的特征，氣溫變化劇烈，是我國最寒冷的自然區域；而以青藏高原為主的西部寒區屬低緯度高原寒區，雖然緯度低，深居內陸，但地勢高，受高空西風環流控制，并在對流層處受高原季風影響，冬季高原上大氣層對同高度的自由大氣是個冷源，形成青藏冷高壓，盛行反氣旋環流。因此，可按地區區劃將我國的寒區劃分為高緯度寒區和高海拔寒區[18]。

1.2 寒區隧道排水技術現狀

1.2.1 僅有季節性凍土的寒區隧道

針對季節性凍土區的水冬季凍結成冰、夏季融化為水的特點，鐵路隧道工程技術人員經過多年的研究和工程實踐證明，設置保溫排水系統能有效防止隧道產生凍害。該方法主要是在隧道底部建立一個以深埋排水設施為主體的管溝進行保溫，及時排除隧道周邊地下水，達到隧道襯砌表面不滲水、背后不積水和排水溝不凍結的目的。

1.2.2 有多年凍土的寒區隧道

針對多年凍土區中的水全年呈固態的情況，則通常采取在初期支護與二次襯砌間設置全環保溫層保溫，防止隧道周邊的凍土融化的處治思路。

當設置隧道內排水溝時，一般在水溝內增加保溫措施。

2 寒區鐵路隧道的設計分區

東北及華北北部季節性凍土區冬季氣溫低、持續時間長，是我國季節性凍土的主要區域，本文將以該地區為研究重點，探討寒區鐵路隧道的設計分區。

2.1 年平均氣溫對寒區鐵路隧道排水設施的影響

通過近10余年對東北及華北寒區鐵路隧道的凍害情況進行調研分析發現，年平均氣溫對寒區鐵路隧道排水設施產生的影響十分明顯。

1)當寒區年平均氣溫處于8～12 ℃時，隧道洞內排水溝(管)可不采取保溫措施，但洞口段的高式側溝冬季可能產生凍結，仰拱內排水管的洞外出水口無保溫措施時，冬季易產生結冰。如石太客專沿線隧道所在地區最冷月平均氣溫為-6.5～-2.5 ℃，年平均氣溫為9.5～12.9 ℃，全線未設置保溫排水設施，雖然冬季部分隧道中心排水管出水口附近產生了凍結情況，但洞內側溝及排水溝均未出現凍結現象。

2)年平均氣溫處于4～8 ℃的地區，洞口段高式側溝采取保溫措施或仰拱內排水管已不能防止冬季作為排水設施的溝及管內結冰，需要在洞口端設置一定段落的仰拱內保溫排水管或置于仰拱結構以下的保溫水溝，其他段落可設置高式保溫側溝或仰拱內排水管。如準鄂鐵路沿線隧道所在地區最冷月平均氣溫為-12.6～-10.5 ℃，年平均氣溫為6.2～8.3 ℃，在隧道洞口段300 m范圍設置了仰拱下中心深埋水溝，洞身300～1 000 m側溝進行了保溫。隧道運營后冬季未出現凍害現象。

3)年平均氣溫處于0～4 ℃的地區，需在距洞口一定范圍段落設置位于仰拱結構以下的中心深埋保溫水溝，其他段落可設置位于仰拱結構以下的保溫中心水溝或仰拱內保溫中心水溝。如牡綏鐵路沿線隧道所在地區最冷月平均氣溫為-18.4～-17.2 ℃，年平均氣溫為2.3～3.7 ℃，隧道洞口段1 000 m范圍設置了仰拱下中心深埋水溝，洞身1 000～2 000 m側溝進行了保溫。隧道運營后冬季中心排水溝除個別緩坡隧道因水溝堵塞導致凍結外，其余均未出現凍害現象，但側溝大部分產生了凍結。

4)年平均氣溫在-4～0 ℃的地區，需在距洞口較長段落范圍設置位于仰拱結構以下的深埋中心保溫水溝(當水溝埋置深度過大時也可采用防寒泄水洞)，其他段落應設置位于仰拱結構以下的保溫中心水溝。如濱州線興安嶺隧道及沙力隧道所在地區最冷月平均氣溫為-21.3 ℃，年平均氣溫為-1.0 ℃，隧道均設置中心深埋水溝或泄水洞排水，而隧道排水系統凍害的主要原因是檢查井密封不良，空氣對流所致，該地區的排水系統應以中心深埋水溝或防寒泄水洞為主。

5)年平均氣溫低于-4 ℃的地區，洞口段可能為多年凍土區，宜按多年凍土隧道開展防排水設計，其他段落宜采用防寒泄水洞排水。如嫩林線的白卡爾隧道和西羅奇2號隧道所在地區最冷月平均氣溫為-32 ℃，年平均氣溫低于-3 ℃，最大凍結深度為4.5～5.0 m以下。白卡爾隧道采用保溫水溝，水溝凍結嚴重，而西羅奇2號隧道則在隧道底板下5.85 m處設置防寒泄水洞排水，泄水洞常年不凍。

2.2 按氣溫條件對寒區鐵路隧道進行的設計分區

通過寒區年平均氣溫和最冷月平均氣溫進行對照，寒區鐵路隧道可按表2所示的設計分區進行針對性的保溫排水設計，以達到工程措施合理、可靠。

表2 寒區鐵路隧道的設計分區

3 保溫排水設施類型及其適應性

總體來說，寒區隧道的保溫排水設施通常應根據隧址區氣候條件、地下水發育程度等不同影響因素分別選擇仰拱內保溫水溝、仰拱下保溫水溝2種類型的保溫排水方案及相關的配套排水設施等，確保隧道排水通暢。

3.1 隧底仰拱內的保溫水溝

隧底仰拱內的保溫水溝一般適用于冬季襯砌背后不會出現負溫區的情況。此時，隧道周邊的地下水可以通過邊墻處泄水孔進入洞內的高式側溝或結構內埋置的排水管引排。高式側溝通常設計為雙層蓋板，經增加空氣保溫層或填充保溫材料可以解決蓋板溝的保溫排水問題；而采取結構內埋置排水管時，通過在排水管表面包裹保溫層可以解決排水問題。這些措施可在寒區隧道環境溫度較高、凍結深度較小的地段采用。

值得一提的是，高式側溝由于構造原因，受隧道內溫度影響最大，保溫效果不佳。當寒區隧道采用仰拱內的側溝進行保溫排水時，往往需要將側溝深度加大，且盡量避免采用高式側溝。

3.2 仰拱下保溫水溝

當冬季隧道襯砌背后出現負溫時，襯砌結構邊墻處泄水孔內受冰凍堵塞，如果沒有隧底結構下保溫水溝，地下水將在結構外輪廓附近產生聚集，并沿襯砌結構薄弱處(如結構縫、裂縫等)滲入隧道結構內，輕則形成掛冰，重則因不斷凍融從而破壞結構。

將排水溝置于仰拱結構下，是解決寒區隧道隧道保溫排水問題的最有效手段。具體可細分為以下3種情況。

3.2.1 仰拱結構以下的淺埋排水溝

這種水溝設計時，僅考慮水溝結構自身尺寸，滿足水溝埋置于仰拱結構以下即可。

3.2.2 仰拱結構以下的深埋保溫水溝

這種水溝設計時，除考慮水溝結構自身尺寸外，還需考慮襯砌以外的負溫層厚度(或凍結深度)，水溝埋置深度較大。

3.2.3 防寒泄水洞

經驗表明，當仰拱結構以下的深埋保溫水溝埋置深度超過2.5 m時，無論是施工難度還是工程代價，可能超過在隧道結構以下另行施作1個與隧道并行的排水洞。這種情況下，采取防寒泄水洞可能是綜合技術、經濟和使用功能的最佳方案。

此外，當寒區隧道排水量大，一般水溝難以滿足排水量需求時，也可采用防寒泄水洞。

3.3 保溫排水溝的配套設施

當設置隧底結構內的保溫水溝時，隧道低洞口端的末端排水出口應采取保溫措施，以防止凍結阻塞出水通路。

當設置仰拱下的保溫水溝時，除隧道低洞口端的末端排水出口應采取保溫措施外，還應采取洞內保溫檢查井、保溫排水盲管等配套設施。

4 寒區隧道內測溫

雖然寒區隧道冬季洞內溫度會受到洞外環境變化的影響，但由于隧道處于圍巖的包裹之中，而圍巖自身的溫度相對較高，隧道內具有一定的回溫情況。近年來，由于高速鐵路的發展和行車密度的增加，普遍認為寒區隧道冬季洞內溫度低，保溫排水設施的長度應盡量加大。

針對上述問題，選取了處于設計分區為Ⅲ區且已開通運營的牡綏鐵路紅房子隧道為測試對象，并于2017年12月下旬至2018年4月底開展了為期1個冬季的現場溫度測試工作。

4.1 工程概況

紅房子隧道位于黑龍江省穆棱市，隧址區最冷月平均氣溫為-17.2 ℃，年平均氣溫為2.3 ℃，土壤最大凍結深度為191 cm。隧道全長6 437 m(里程為DK451+595～DK458+032)，設計速度為200 km/h的單洞雙線隧道，隧道內最大埋深約183 m。隧道線位由進口至出口為西西北—東東南走向，與當地冬季主導風向西風基本一致。隧道于2015年12月底正式開通運營。

隧道縱坡為單面坡，由進口(西口)至出口(東口)坡度分別為5‰的上坡、7‰的上坡和3‰的上坡，進出口高差達44.32 m。

隧道進口1 000 m范圍段設置了內徑為φ60 cm仰拱下深埋水溝，距進口1 000～2 000 m段及距出口2 000 m范圍段設置了內徑為φ60 cm的仰拱內保溫水溝，其余段落的仰拱內水溝與一般地區相同。內徑為φ60 cm排水管是本隧道的主排水溝。

進、出口各2 000 m范圍段雙側水溝設置雙層蓋板型的保溫水溝，且距洞口1 000 m范圍段2層蓋板間填充了聚氨酯泡沫材料保溫。

4.2 測試方案

1)自隧道洞口第1個檢查井開始，沿洞身方向每間隔16個檢查井(約480 m)設置1個測試斷面。

2)每個測試斷面上布設1～3個測點，采用自動溫度測試儀器分別對洞內、側溝內及中心水溝內進行連續溫度測試(每30 min記錄1個數據)并記錄。測點位置如圖1所示。

3)測點1為測試洞內溫度，布置在隧道內壁上。

4)測點2為測試側溝內溫度，布置在側溝底面上。

圖1測點布置

Fig. 1 Measure points arrangement

5)測點3為測試中心水溝內溫度，布設在檢查井保溫層的底部。

4.3 結果分析

經過1個冬季的隧道內溫度測試，現場共獲得洞內、側溝及中心溝內有效測試數據分別為12組、13組和15組。選取典型斷面對洞內、側溝及中心溝內溫度隨時間變化曲線進行分析，結果如圖2—4所示。

圖2 隧道洞內溫度時程變化曲線

由圖2分析可知，隧道內溫度具有如下特點： 1)2018年1月25日—3月15日期間隧道內所有測點的溫度均低于0 ℃； 2)受單面坡洞口高差及冬季主風向影響，低洞口端(迎風口)洞內負溫影響長度遠大于高洞口端，其中距高洞口(背風口)端1 000～2 000 m段的溫度變化幅度相對較小，最冷月氣溫在0 ℃上下變化。

由圖3分析可知，側溝內溫度具有如下特點： 1)側溝內溫度稍高于洞內溫度； 2)受單面坡洞口高差及冬季主風向影響，低洞口端(迎風口)側溝負溫影響長度遠大于高洞口端，其中距高洞口(背風口)端500～2 000 m段側溝內溫度整體達到0 ℃以上，但個別時間點可能低于0 ℃。

圖3 隧道側溝內溫度時程變化曲線

(a) 洞口段

(b) 洞身段

由圖4分析可知，中心水溝內溫度具有以下特點： 1)低洞口約1 000 m、高洞口約450 m段，仰拱內水溝溫度低于0 ℃； 2)除低洞口約1 000 m和高洞口約450 m段外，仰拱內中心水溝內溫度基本均大于0 ℃。

而從現場實際情況來看，位于Ⅲ區的紅房子隧道在2017年12月—2018年4月期間除側溝局部發生凍結外，隧道中心水溝內均未發生凍結，與圖3及圖4中分析的溫度變化情況基本吻合，即設計分區為Ⅲ區的中長隧道需在洞口一定范圍設置仰拱下深埋排水溝，可在洞身段設置仰拱內中心管溝作為主排水設施，而高式側溝則不宜作為排水設施。

5 寒區隧道保溫排水設計標準

5.1 基本要求

1)隧道洞口相對高差形成的氣壓差會對洞內氣流產生一定的影響，導致低洞口端負溫段明顯加長，有條件時寒區中長隧道宜采用人字坡。

2)當洞口上坡方向與隧道所在地區冬季主風向一致時，面向主風向一側洞口段的洞內溫度影響段落加長[19]，有條件時可加大隧道走向與主風向的夾角。

3)工程調研發現，緩坡隧道的排水溝坡度施工控制難度大，發生凍害的概率明顯高于大坡度隧道。水工經驗[20]也表明，寒區輸水隧洞內明流排水的流速不宜小于1.2 m/s。綜合考慮隧道中心管溝的尺寸、流量等因素，寒區隧道內的縱坡不宜小于5‰。

5.2 保溫排水設施的長度

通過研究，建議寒區隧道設置仰拱內保溫水溝、仰拱下保溫水溝。寒區隧道保溫排水措施建議長度一覽表見表3。

表3 寒區隧道保溫排水措施建議長度一覽表

注： L為隧道長度。

6 結論與建議

本文根據目前寒區保溫排水缺乏設計標準的問題，結合寒區分區及隧道保溫排水的技術現狀，通過調研東北及華北北部寒區鐵路隧道凍害情況，提出了按最冷月平均氣溫及年平均氣溫對寒區鐵路隧道進行設計分區的方法；通過分析保溫排水設施的適用條件，結合運營鐵路隧道內及排水設施內的溫度實測分析，提出了不同分區寒區隧道保溫排水措施設置的建議長度。主要結論與建議如下：

1)寒區鐵路隧道可按年平均氣溫和最冷月平均氣溫劃分為5個分區。

2)仰拱內高式保溫側溝僅適應于設計分區為Ⅰ區的洞口段和Ⅱ區的洞身段；仰拱內低式保溫水溝或暗管溝僅適應于設計分區為Ⅱ區的洞口段和Ⅲ區的洞身段。

3)仰拱下淺埋排水溝適應于設計分區為Ⅱ區的洞口段和Ⅲ區的洞身段；仰拱下深埋排水溝適應于設計分區為Ⅲ區的洞口段和Ⅳ區的洞口、洞身段。

4)防寒泄水洞適應于設計分區為Ⅳ區且計算水溝埋置深度超過2.5m的洞口、洞身段；當設計分區為V區時，洞口段宜按多年凍土隧道設計，洞身段排水設計可按Ⅳ區設計。

5)有條件時寒區中長隧道宜采用人字坡，隧道軸線宜與冬季主導風向呈大角度相交，縱坡宜不小于5‰。