淺談寒帶地區隧道積水和冰害成因以及導排水系統防凍保溫措施

鄒東明

（呼倫貝爾市公路管理，內蒙古 呼倫貝爾 165450）

呼倫貝爾區域內的大興安嶺段為長年凍土帶。興安嶺隧道，最高海拔972.6 m，年平均氣溫-2.8 ℃。冬季最低溫度-40 ℃左右，最大凍結深度為3.0 m，隆冬季節長達8 個月，晝夜溫差常年保持在15～25 ℃以上。因此，凍害現象極其嚴重。隧道導排水系統極易產生凍結現象，進而產生積水或結冰情況，嚴重危害隧道交通通行安全和隧道安全。下面，就寒帶地區隧道的積水和冰害成因及整治方法進行淺析。

1 寒帶地區隧道積水和冰害產生原因及危害

1.1 寒帶地區隧道積水和冰害產生原因

主要原因有以下幾個：①在冬季和早春、晚秋季節，由于隧道內溫度極低，導致導排水管道凍結，部分或全部喪失導排水功能，產生大量積水或部分結冰。②隧道使用年限較長時，由于山體地質結構發生變化，致使圍巖發生變化。將導致襯砌裂縫和仰拱裂縫。另外，施工中產生的施工縫、伸縮縫、沉降縫和蜂窩等，往往會導致滲漏。③滲漏水的整治方面，采用導排水方式，而導引水槽的增加又提高了管道凍結的概率，增加了積水和結冰問題的出現。

1.2 積水和冰害對隧道交通通行安全和隧道安全的危害

具體危害分為以下幾方面：①在早春、晚秋季節，由于路面積水濕滑，導致車輛剎車距離加長，易發生側滑，進而發生交通事故。②隧道內濕度明顯加大，導致早晚易產生霧氣，致使司機視線變差，極易發生交通事故；同時，也會加劇各種設備的腐蝕。③冬季和早春、晚秋季節，拱頂形成冰掛，襯砌側墻形成冰柱，路面結冰或形成冰包，極易發生交通安全事故；同時，結冰將導致排水更加困難，形成惡性循環。④一旦積水未及時排除，囤積或大面積擴散，將導致仰拱混凝土中鋼筋的浸蝕，導致強度下降；混凝土結構裂縫、蜂窩、施工縫、工藝縫等滲漏水受凍結冰膨脹后產生凍脹破壞。這兩種破壞都會導致襯砌砼體局部喪失功能，對結構的整體性產生破壞，降低了混凝土結構的耐久性和安全性。⑤由于導排水管“掛蠟”或凍結，造成管道流量下降、流速降低，導致雜質沉淀和淤積，增加管道的疏通維護成本。

2 寒帶隧道積水和冰害的整治辦法

2.1 隧道積水和冰害的整治辦法

整治辦法有以下兩種：①消除滲漏水的來源，即進行封堵；②保證導排水系統通暢，使滲漏水及時、順利排出隧道。

滲漏水的封堵，工程施工復雜，工期較長，費用較高，對隧道交通通行的影響較大，難以做到一勞永逸。因此，隧道滲漏水的整治原則是：封堵為主，導排為輔。可見，導排水系統的通暢，是解決隧道積水和冰害的重要前提。為使導排水管道在冬季和早春、晚秋的低溫下不結冰，保證管道的通暢，需要對導排水系統進行加熱保溫防凍處理。

2.2 導排水系統進行加熱保溫的方法

管道加熱保溫的方法有伴熱管、夾套管和電熱帶三種方式：①伴熱管方式。伴熱管簡稱伴管，在需要加熱保溫的管道旁，加裝管中充滿熱介質的管道，達到伴隨加熱保溫的功效。②夾套伴熱管伴熱方式。夾套伴熱管即在工藝管道的外面安裝一套管，類似管套式換熱器進行伴熱。③電伴熱方式。電伴熱帶安裝在工藝管道外部，利用電阻體發熱來補充工藝管道的散熱損失。

2.3 三種伴熱方式的特點

三種伴熱方式的特點為：①伴熱管方式伴熱。對象是工藝管道或工藝設備，它的介質是低壓蒸汽或熱介質。采用此種方式伴熱，需要配置蒸汽采暖鍋爐或介質加熱配套設施，有安裝伴熱管道的工藝空間。導排水系統難以實現，伴熱系統施工復雜，工期長、費用高。②夾套管方式伴熱。在石油化工、化纖等裝置中應用較為廣泛，它由內管（主管輸送的介質為工藝物料）和外管（介質為蒸汽、熱水或聯苯熱載體等）組成。由此可見此種方式伴熱需要有伴熱管相同的設施和施工要求，最低-20 ℃的工作溫度，無法滿足冬季極寒的工作環境。③電伴熱帶方式伴熱。電伴熱用于未采暖的管道的加熱防凍，從節能安全性考慮，高維持溫度為65 ℃，高表面溫度為85 ℃。適用于普通區和腐蝕區，足以滿足導排水系統保持5～8 ℃不凍所需要的能耗，保證管道內的液體流動暢通。采用此種方式伴熱的優點為安裝簡便，可以任意階段或在一定范圍內接長使用；無需特別的設計，無需特殊工具，沒有施工難度；檢查和維護較便利；伴熱管線溫度均勻不會過熱，安全可靠；智能化水平較高，可自動調溫、限溫，節約能源；安全性較高，無環境污染，防水、防腐蝕；適用于遠離供電設施的管線伴熱。

2.4 熱源的要求及熱源材料的選擇

2.4.1 熱源的要求

熱源的要求有以下幾點：①具備較好的安全性、防水性、耐腐蝕性、抗震動性。②能夠自動調溫，降低能耗。③使用壽命長、效費高。壽命周期內的維護費用較低。④安裝施工適應性好，檢查維護性強。

2.4.2 熱源材料的選擇

可見，電熱伴帶是給導排水管道加熱保溫的理想器材。自限式電伴熱帶——由各種專用管道電伴熱帶，配套的電源接線盒、中間接線盒、終端接線盒、溫度控制器和電伴熱控制箱、耐熱膠帶、鋁箔膠帶、以及保溫材料整套構成。

其工作方式為：自控溫電伴熱帶可以各種方式纏繞于管道外部，或置于管道內部，外鋪設保溫材料。自控溫電伴熱帶一端與溫控器相連以控制電伴熱帶的運行。當溫度傳感器探測到管道溫度低于所設定的溫度時，溫控器接通電源，電伴熱帶開始運行；當溫度傳感器探測到管道溫度高于所設定的溫度時，溫控器斷開電源。使電伴熱帶經濟合理運行并滿足介質溫度要求。

3 電熱伴帶的使用方法

3.1 電熱伴帶型號和技術參數的確定

電熱伴帶的加熱保溫溫度必須達到：①導流管、盲溝排水管和集水溝、排水溝中的水的溫度必須保證不“掛蠟”、不結冰；②溫度不宜過高，以減少水分揮發量，降低隧道內濕度，防止隧道內在早、晚形成水霧，更要防止冬季形成“霧凇”；③盡可能地節約電能。

通過多次模擬實驗，確認將管壁處水的溫度限制在5～8 ℃為宜。確定電熱伴帶的加熱溫度為45～50 ℃。根據技術參數，選定自限式電伴熱帶型號為DXW/DWK。

3.2 電伴熱帶的敷設方案

3.2.1 用內置于導排水管道和槽溝內部的方法進行敷設

用內置于導排水管道和槽溝內部的方法進行敷設有四個優點：①不用拆卸已鋪設好的導排水管道；②不占用管道外纏繞空間，減少開鑿導排水槽的工程量；③減少熱損失，節約電能；④管道保溫層的敷置工藝降低了難度。

3.2.2 采用雙路備份保險補償實施敷設方案

對各種等比例，相同材料的導、排水管道的單元模擬件進行了模擬驗證。考慮到安全，最后確定采用雙路備份保險補償實施敷設方案——整個系統敷設并行雙線路，增加了加熱系統的冗余度。平時使用単線路值班加熱，一旦出現下列狀況，則立即啟用備份線路：①值班線路發生損毀狀況；②值班線路工作不穩定，利用備份線路進行平衡補償；③極寒天氣狀況出現，導致值班線路功率不高，利用備份線路增強加熱能力。

4 導排水管道的保溫處理

4.1 導排水管道進行保溫處理的必要性

導排水管道必須進行保溫處理，以便達到以下目的：①提高保溫效能，盡可能降低能耗；②防止冷熱交接區直接作用于管壁，導致不同材料的導、排水管伸縮不均，產生變形應力，使管道接頭密封產生裂紋，造成二次滲漏水，并加快老化；③盡量使管與溝槽之間不產生冷熱交換區冷凝水，從而杜絕產生二次凍害現象。

4.2 管道保溫材料和參數

由于導排水管道的保溫材料要在潮濕，甚至有滲漏水的環境下使用，因此，其吸水率應越低越好。可以選擇硅酸鎂鋁制品、硅酸鋁卷毯、巖棉-硅酸鋁復合卷氈、硅酸鈣板、聚氨酯發泡劑。聚氨酯發泡劑主要用于保溫材料的接縫處。保溫材料填充空間極窄，無法裹敷住保溫層的位置。

5 技術保障措施

要在整個導排水系統定點安裝測溫傳感系統，以便隨時監測導排水系統各管道內的水溫。防止發生電伴熱帶斷路，造成冰害現象。同時，利于查找故障點，便于搶修。在電伴熱帶的回路中定點安裝漏電保護器，防止出現電路短路現象，提高安全系數，利于查找故障點。加熱系統運行期間，必須安排專人24 h 值班；每年夏季，在電伴熱帶系統停止工作期間。由專人負責檢查電伴熱帶的損耗情況，發現問題及時處置。

本文對寒帶地區隧道積水和冰害形成的原因，以及對隧道交通通行安全和隧道安全造成的危害、導排水系統加熱保溫防凍的措施和積累的經驗進行了淺析。