京沈高速鐵路支線天秀山隧道洞口段的防凍保溫技術

丁然

（中鐵隧道集團二處有限公司，河北三河 065201）

隨著我國高速鐵路的迅速發展，高速鐵路網延伸到了高緯度高海拔的寒冷地區。而在寒冷地區修建隧道，經常面臨隧道襯砌開裂、剝落、掛冰等凍害，嚴重時會影響隧道正常運營和結構安全［1-4］，故寒冷地區修建隧道需進行防凍保溫設計。

目前我國對寒冷地區隧道防凍保溫設計研究較多。文獻［5-6］對大坂山和梯子嶺隧道進行了防凍保溫層測試與研究，發現4 cm 厚聚氨酯保溫板可以滿足洞身段防凍保溫要求。文獻［7］采用現場測試的方法對殺虎口隧道溫度場進行了研究，發現冬季隧道內氣溫呈洞口低中間高的分布規律。文獻［8］基于有限元軟件對雀兒山隧道進行了溫度場計算，發現隨進洞距離增加，年平均氣溫增加，氣溫增幅減小，同時所需保溫層厚度越薄。

綜上，由于隧道洞口段受洞外氣候影響嚴重，氣溫更低、風速更大，因此對防凍保溫設計要求更高。本文以我國遼寧天秀山隧道為研究對象，結合隧道洞口段已有防排水和防凍保溫設計，對距洞口20 m 的隧道斷面進行數值模擬分析，建立有限元二維瞬態計算模型，并根據隧址區氣候條件施加氣溫荷載，研究洞口段防凍保溫設計的合理性。

1 工程概況

天秀山隧道在遼寧省建平縣境內，隧道全長9 072 m，最大埋深360 m，地處高緯度寒冷地區，是京沈高速鐵路支線赤（峰）喀（左）客運專線的控制性工程。

1.1 地形地貌

隧址區主要以低中山為主，地勢較高，地形復雜，溝壑發育，多為U 形谷，局部為山間洼地和山間平原，植被茂密。

1.2 水文地質

隧址區內地表水不發育，沿線有河溝，但常年干枯，僅在雨季有地表徑流。隧址區屬于中低山基巖裸露區，僅在強降雨后能形成短期地表徑流，沿溝壑流向低凹處。隧址區地下水儲量一般，主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水。

1.3 氣候

隧址區屬于北溫帶亞干旱季風氣候區，春季干旱多風，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。建平縣2018 年年平均氣溫9.9 ℃，平均相對濕度51%，平均降雨量384.5 mm，平均風速1.92 m/s，最大積雪厚度23 cm；最冷月平均氣溫-12 ℃，最低溫度-20 ℃。根據GB 50178—1993《建筑氣候區劃標準》［9］，隧址區屬于嚴寒地區。

2 隧道防凍保溫設計

2.1 防排水總體設計原則

隧道的防排水設計遵循“防、排、堵、截結合，因地制宜，綜合治理”的原則。阻斷地下水通道可能影響生態環境或居民生活用水時，則遵循“以堵為主，限量排放”的原則，并根據現場實際情況進行設計，以達到堵水有效、防水可靠、經濟合理的目的。

2.2 隧道防排水及保溫設計

天秀山隧道排水系統主要由保溫側溝、中心深埋水溝、保溫中心水溝、邊墻碎石盲溝、環向盲管、橫向排水管、縱向排水管等組成。

保溫側溝沿隧道全長布設，位于隧道兩側邊墻墻腳，采用雙層蓋板形式，雙層蓋板間填充保溫材料。隧道襯砌背部設有環向透水盲管，縱向每隔6～8 m 設置1 道；隧道邊墻墻腳外側設有縱向排水管；環向、縱向盲管經過橫向排水管引入中心水溝，橫向排水管置于隧底20 cm（寬）×20 cm（高）的碎石盲溝中。環向透水盲管采用“EVA 防水板+聚氨酯保溫板+EVA 防水板+土工布”的防水保溫措施。

洞口段1 km 范圍內設置中心深埋水溝和邊墻碎石盲溝。中心深埋水溝設置于仰拱中心底部，水溝底部距軌面4 m，采用C20 混凝土基座，回填級配碎石至排水管頂部以上30 cm 處，再使用C20 保溫混凝土澆筑至設計標高。水溝頂部鋪設5 cm 厚聚氨酯保溫板，并使用EVA 防水板包裹密封。邊墻碎石盲溝設置于隧道初期支護背后，每隔15 m 設置1 道，采用級配碎石填充密實，盲溝與初期支護之間設有雙層EVA 防水板夾5 cm 厚聚氨酯保溫板。隧道洞口段防排水設計如圖1所示。

圖1 隧道洞口段防排水設計

隧道其他地段設置保溫中心水溝，即中心排水管放置于保溫槽內，保溫槽凈寬1 m，側壁厚20 cm，底板厚10 cm。保溫槽外壁與仰拱之間鋪設5 cm 厚聚氨酯保溫板，并使用EVA防水板包裹密封。

2.3 設計缺陷

目前，中心深埋水溝埋設深度一般根據當地土壤最大凍結深度進行設計，而保溫板設計厚度一般通過工程類比法確定，無法根據隧址區氣候條件做到精準設計，徹底解決凍害問題。

3 隧道數值模擬

3.1 模型的建立

假定：①隧道內空氣不可壓縮，氣壓不變，空氣密度及其相關參數不發生變化；②隧道襯砌表面溫度與氣溫一致，以年為周期按正弦函數規律變化；③圍巖、混凝土和保溫材料為各向同性均勻連續的介質，無孔隙與裂隙存在，其相關材料參數不發生變化；④忽略防水層和保溫板耐久性對模擬計算的影響。

根據隧道橫斷面設計圖（距洞口20 m 斷面），建立1∶1 的二維數值模型。該斷面對應埋深為14 m，對地表土層施加氣溫荷載；其他邊界距隧道中心50 m，設為恒溫邊界，恒溫邊界與模型初始溫度場的溫度均設為5 ℃。模型采用plane 55二維單元。

3.2 單元參數的確定

根據GB 50176—2016《民用建筑熱工設計規范》中相關物理參數的推薦值［10］，以及聚氨酯保溫板的物理參數實測值，對模型中各材料進行賦值，見表1和表2。

表1 材料熱物理參數

3.3 氣溫荷載的確定和施加

根據隧址區2018 年氣象資料，計算得到2018 年各月平均氣溫，見表3。

表3 隧址區2018年月平均氣溫

隧址區最冷月（1 月）平均氣溫為-12 ℃，最熱月（7 月）平均氣溫為24 ℃。氣溫由3 月中下旬回升至0 ℃以上，10月下旬氣溫降低至0 ℃以下。

對氣溫T進行擬合得到

式中：t為時間，月。

將擬合函數作為荷載施加在襯砌表面和地表，荷載施加時長為5年，步長為0.5個月。

4 模擬結果與分析

選取通車運營第 4 年 12 月、1 月、2 月和 3 月溫度場進行分析。為方便觀察隧道負溫區分布，以下僅顯示-10～0 ℃的溫度場。

4.1 地層溫度場

冬季地層溫度場見圖2。可知：地層溫度隨深度增加而升高；隨著進入冬季時間增加，凍結深度逐漸增加。1 月地層溫度梯度最大，等溫線最密集；2 月地表溫度開始回升，溫度梯度逐漸降低，此時凍結深度為1.8 m；3 月地表溫度明顯回升，溫度梯度最小，但凍結深度仍在增加，這是由于升高的氣溫與淺層土發生熱交換，使淺層土溫度回升，溫度梯度降低，而深層土負溫帶仍在向深處延伸。

圖2 冬季地層溫度場（單位：℃）

當隧道埋深小于最大凍結深度時，需考慮地表氣溫對隧道的影響。因此，當該隧道上覆土厚度小于2 m 時，需對地表土施作防凍保溫和加固措施，同時須做好隧道防排水措施，保證春融期地表積雪融化后，水能夠經隧道防排水系統排出。

4.2 隧道溫度場

冬季隧道溫度場見圖3。可知：入冬后隧道內凍結圈逐漸擴大，2月達到最大；1月凍結圈內溫度最低，溫度梯度最大，變化速率最快；3月負溫帶溫度明顯回升，達到-3 ℃以上，且溫度梯度最小，變化速率最慢。隧道襯砌、仰拱、初期支護邊墻部分均處于0 ℃以下，而中心深埋水溝、邊墻碎石盲溝、初期支護拱頂和拱腰部分、圍巖始終未出現負溫。

圖3 冬季隧道溫度場（單位：℃）

隧道中心深埋水溝與邊墻碎石盲溝始終未受負溫影響，這是因為中央深埋水溝頂部與邊墻碎石盲溝外側均設置有5 cm 厚聚氨酯保溫板。由此可知，在仰拱底部中心設置聚氨酯保溫板，可以防止負溫影響到中心深埋水溝；在邊墻處設置雙層保溫板，可以防止負溫影響到邊墻碎石盲溝。該隧道中心深埋水溝與邊墻碎石盲溝的防凍保溫設計滿足正常工作要求。

仰拱部分受負溫影響嚴重，且負溫帶通過仰拱延伸到初期支護邊墻部分，覆蓋了環向透水盲管和橫向排水管，在冬季易發生凍結。因此，目前仰拱防凍保溫措施不能保證排水系統冬季正常工作，即防凍保溫設計不足。

由于保溫板鋪設于二次襯砌與初期支護之間，二次襯砌受負溫影響嚴重，因此，做好襯砌背后防排水工作保證水不滲入襯砌，是防止隧道發生凍害的重要條件之一。

4.3 隧道徑向溫度

在隧道拱頂、邊墻及仰拱各布置1 條徑向溫度測線，其冬季各月溫度曲線見圖4。

由圖4可知：①隨距襯砌表面徑向距離增加，襯砌內溫度緩慢增長，但經過保溫板時溫度急劇增加，隨后溫度繼續緩慢增長，可見保溫板保溫效果顯著。②拱頂部位保溫板背后始終未出現負溫，這說明5 cm 厚聚氨酯保溫板基本可以滿足防凍保溫要求。③1 月—3月邊墻部位初期支護溫度在-2～0 ℃。環向透水盲管位于初期支護表面，冬季易發生凍結。邊墻碎石盲溝溫度保持在0 ℃以上，滿足正常工作要求。④仰拱部位保溫板背后始終未出現負溫，說明中心深埋水溝滿足冬季正常工作要求。但仰拱混凝土內存在負溫，而橫向排水管位于仰拱混凝土內，冬季受負溫影響，易發生凍結。

圖4 冬季各月溫度變化曲線

綜上所述，在采用月平均氣溫擬合函數作為荷載的前提下，5 cm 厚聚氨酯保溫板能夠滿足防凍保溫要求，但由于仰拱混凝土無法隔絕負溫，使橫向排水管、環向透水盲管、縱向排水管等排水系統冬季受負溫影響，易發生凍結。

5 防凍保溫設計優化

由于洞口段原防凍保溫設計不能滿足實際需要，故對其進行優化。由于模擬計算時采用月平均氣溫擬合函數作為荷載，而實際氣溫更低，且每年最冷月氣溫并非一成不變，故將襯砌背部的聚氨酯保溫板厚度增至8 cm，并使用保溫材料和防水板覆蓋橫向排水管，即全環設置保溫板，以保證環向透水盲管和橫向排水管在冬季不發生凍結。

優化后的冬季隧道溫度場見圖5。可知：優化后仰拱底部不再出現負溫帶，負溫無法通過仰拱影響到邊墻初期支護。優化后的防凍保溫設計可以滿足橫向排水管和環向透水盲管的正常工作要求。

圖5 優化后的冬季隧道溫度場（單位：℃）

優化后隧道最冷月徑向溫度變化曲線見圖6。可知：優化后初期支護溫度基本保持在0 ℃以上，滿足環向透水盲管冬季正常工作要求；仰拱底部溫度保持在0 ℃以上，滿足橫向排水管冬季正常工作要求。

圖6 優化后最冷月徑向溫度變化曲線

優化后全環設置8 cm 厚聚氨酯保溫板，可以保證隧道排水系統在冬季正常工作。相比于原設計，縮小了負溫帶，降低了凍脹的發生概率。

6 結論

1）通過數值模擬計算，得到冬季地表凍結深度在2 m左右，因此，當上覆土厚度小于2 m時，需考慮地表氣溫對拱頂襯砌的影響，須做好隧道防排水措施。

2）對寒冷地區隧道設置保溫板可以有效降低負溫的影響。由于鐵路隧道保溫板鋪設于二次襯砌與初期支護之間，二次襯砌處于負溫環境易產生開裂和剝落。因此，需加強二次襯砌設計強度，做好襯砌背后防排水工作。

3）在中心深埋水溝頂部設置聚氨酯保溫板，可以防止負溫影響到中心深埋水溝；在邊墻處設置雙層保溫板，可以防止負溫影響到邊墻碎石盲溝。

4）仰拱混凝土并未有效隔絕負溫，負溫通過仰拱延伸到初期支護邊墻部分，使得環向透水盲管和橫向排水管在冬季易發生凍結。因此，建議對橫向排水管包裹防凍保溫層，即改為全環設置保溫板，并將保溫板厚度增至8 cm。優化后，環向透水盲管和橫向排水管不再出現負溫，滿足該氣候條件下正常工作要求。