西寧至成都鐵路隧道防寒設計方案

徐亞峰

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司 陜西西安 710043)

1 概述

新建西寧至成都鐵路北起青海省省會西寧市，向南經過海東市平安區、化隆縣和黃南藏族自治州尖扎縣、同仁市，后向東南方向進入甘肅省甘南藏族自治州，依次經夏河縣、合作市、碌曲縣，再向南經四川省阿壩藏族羌族自治州若爾蓋縣，接入在建成蘭鐵路黃勝關站，與成蘭鐵路共線引入成都樞紐，見圖1。西寧至成都鐵路是西北地區連接西南、溝通華南的重要鐵路通道，是中長期高速鐵路網“八縱八橫”中蘭(西)廣高鐵通道的組成部分，同時也是一條國土資源開發性的線路，建設意義重大。

圖1 新建西寧至成都鐵路地理位置

線路整體走行于青藏高原東部邊緣與黃土高原過渡地帶，地面高程一般2 000～4 200 m左右，自南向北地貌單元可劃分為岷山中高山區、若爾蓋高原區、西秦嶺中高山區、化隆盆地區、拉脊山中高山區、西寧盆地區六個地貌單元。全線平均海拔較高，最冷月平均氣溫在－3.4～－9.9℃，極端最低氣溫達－20.7～－30.6℃。根據既有經驗，我國寒冷地區隧道防排水及防寒問題較為突出，如襯砌漏水、掛冰；路面(隧底)冒水、結冰；襯砌變形、開裂、酥碎、剝落；洞門墻開裂等[1－3]，典型凍害現象見圖2。

圖2 典型隧道凍害現象

既有寒區隧道凍害研究表明，凍害往往是從防水措施失效及排水通道結冰開始的，因此切實可靠的防水措施及完善有效的防寒排水系統是防止凍害的關鍵。

2 隧道設計概況

新建西寧至成都鐵路隧道工程總計276.70 km/66座，占正線全長的55.5%，其中特長隧道共計118.40 km/8座，長隧道(3～10 km)共計109.23 km/18座，其余均為中長及短隧道。

2.1 氣象特征

沿線氣候為寒溫帶濕潤季風氣候向大陸高原半干旱氣候逐漸過渡，具有南部濕潤、北部干燥的高原自然地理環境。

沿線氣溫總的規律是隨緯度和海拔增高而遞減，并具有年溫差小而日溫差大、陰坡與陽坡溫差大的特點。沿線主要城市氣象站氣象資料如表1、表2所示?？梢钥闯觯碇穮^全年平均氣溫多在1.4～8.4℃之間，最高氣溫可達40.3℃，最低氣溫可降至－30.6℃。由于海拔較高，高原空氣稀薄，太陽幅射較強，日照長，從而形成了年溫差小，日溫差大，陰坡與陽坡溫差大，氣候垂直變化大于水平變化等特點，因此隧道將遭受更為頻繁的凍融循環，其結構安全性和隧道防排水系統的有效性將面臨更大的挑戰。

表1 沿線主要城市氣溫統計

2.2 隧道防排水

西寧成都線隧道防水設計以混凝土結構自防水和防水板防水為主體、以接縫防水為重點，必要時采用注漿加強防水；排水系統設計兼顧地表水與地下水、洞內與洞外環境，采取防淤積、防堵塞、防凍結措施，保證排水暢通。

一般暗洞段根據地下水情況，設雙側水溝或雙側水溝＋中心水溝，隧道暗洞采用復合式襯砌，初期支護與二次襯砌之間依次敷設環(縱)向盲管、防水板、土工布及背貼式止水帶等防排水系統，在隧道墻腳設泄水孔與排水側溝連通，參見圖3。

圖3 洞內防排水系統設計示意

寒冷、嚴寒地區隧道兩端洞口一定范圍內水溝及襯砌背后的水容易發生凍結。根據季節性凍土地區公路設計與施工技術規范[4]53，隧道設計斷面處的圍巖凍結深度無實測資料時可按下式計算:

式中，Zs(x)為隧道設計斷面x處的圍巖凍結深度；x為隧道設計斷面距洞口的距離；Kλ為圍巖類別對凍結深度的影響系數，一般粉質黏土、粉質土取1.0，砂類土、碎石土取1.1～1.3，巖石取1.3～2.0；Z0為隧道所在地區的標準凍結深度(m)；t(x)為隧道設計斷面處的最冷月平均氣溫(℃)，根據隧道沿進深溫度梯度推算，無資料時隧道中點至洞口段溫度梯度可按0.1℃/10 m考慮。

根據式(1)，選取西寧成都線典型氣象特征資料，計算洞內不同位置處的圍巖凍結深度，結果參見圖4，圖中H0為所在地區標準凍結深度，T0為所在地區最冷月平均氣溫。考慮西成線隧道設置仰拱內中心水溝時，水管埋置深度約為50 cm，本次選取圍巖凍結深度50 cm作為考慮特殊防寒措施的臨界值。由圖4可見，不同圍巖類別條件下西寧成都線隧道距洞口一定長度范圍內的圍巖均存在凍結現象，其中松潘縣(H0＝49 cm，T0＝－3.4℃)隧道口約0～100 m范圍圍巖凍結深度≥50 cm，而化隆縣(H0＝143 cm，T0＝－9.6℃)隧道洞口約600～750 m范圍圍巖凍結深度≥50 cm。洞口段僅設置側溝或中心水溝的排水方式將容易發生凍害，需要考慮深埋中心水溝或防寒泄水洞排水措施。

圖4 隧道洞內圍巖凍結深度

另外，寒區隧道內凍結深度大于襯砌厚度時，襯砌背后盲管將容易發生凍結，堵塞排水管路，進一步圍巖發生凍脹。此時襯砌背后防排水需考慮保溫設計措施，如設置保溫板、保溫盲管等。一般認為，隧道襯砌背后圍巖凍結深度與圍巖初始地溫、隧道內溫度場、列車活塞風、襯砌厚度、襯砌與圍巖導熱系數、圍巖裂隙水、是否設置保溫層等多種因素相關[5]，圍巖凍結的相變傳熱過程屬于強非線性問題，目前尚處于研究階段。在這其中，肖洵[6]通過理論研究、數值模擬結合現場實測方法，研究了特定條件下的寒區隧道溫度場的時空分布規律，認為冬季隧道月平均氣溫低于－4℃時，襯砌結構完全出現負溫，此時應當做好保溫防凍、排水措施避免圍巖凍脹對襯砌的安全構成威脅。且有日本黑川希范公式[7]近似計算洞口段圍巖設置保溫段長度為:

式中，t為洞口氣溫最冷月平均氣溫(℃)；y為保溫段長度(m)。

隧道中點至洞口段溫度梯度按0.1℃/10 m考慮[4]53，肖洵理論與黑川希范公式計算所得的洞口保溫段設置長度，參見圖5。綜合兩者計算結果，可以發現:微凍地區(－3～2.5℃)保溫段設置長度考慮0～160 m，寒冷地區(－8～－3℃)保溫段設置長度考慮160～500 m，嚴寒地區(≤－8℃)保溫段設置長度考慮500～800 m。因此，西寧成都線隧道以嚴寒和寒冷地區為主，洞口襯砌背后環向盲管考慮保溫措施，按寒冷地區500 m、嚴寒地區800 m設計考慮。

圖5 洞口襯砌保溫段設置長度計算結果

3 寒區隧道防寒排水

3.1 隧道防寒排水措施

嚴寒、寒冷地區隧道防寒設計，必須結合局部氣候條件和地下水發育程度制定有針對性的防寒措施。目前，寒區隧道考慮隧道氣候、土壤最大凍結深度、圍巖條件、地下水發育等，采取的主要防寒措施包括:保溫水溝、深埋中心水溝、防寒泄水洞、電伴熱、保溫盲管、防寒徑向注漿以及洞外保溫出水口等。

(1)保溫水溝

保溫水溝采用淺埋方式(即淺于隧道內的最大凍結深度)，在水溝內采取保溫措施，以達到冬季水流不凍結之目的，一般在水溝上部設雙層蓋板，在上下兩層蓋板間充填保溫材料，下部為流水槽。

(2)深埋中心水溝

深埋中心水溝是將中心水溝埋置于洞內相應的凍結深度以下，利用地溫達到排水溝內水流不致凍結的排水設施，適用于比較嚴寒的地區。深埋中心水溝一般采用明挖法施工，結構為φ600 mm(厚t＝120 mm)鋼筋混凝土預制管，中心深埋水溝周圍管壁上預留泄水孔，水溝周圍回填采用級配碎石，且回填密實。

(3)防寒泄水洞

防寒泄水洞是隧道排出地下水的主要措施，當黏性土最大凍結深度大于2 m時宜優先考慮。其形狀類似一個帶孔的小隧道，位于隧道下方，并將所設豎向盲溝、泄水孔、支導洞、檢查井、椎體保溫出水口等組成一個排水系統，通過該系統將襯砌后面圍巖中的地下水匯集在泄水洞中，然后再排出隧道。寒區隧道設置泄水洞可以有效減少或消除隧道內部冒水、掛冰、積冰、凍脹等病害。防寒泄水洞通常采用暗挖法施工，埋置深度應滿足當地圍巖最大凍結深度與暗挖法施工不致引起隧底坍塌的要求。

(4)電伴熱系統

電伴熱系統是一種輻射型供暖系統，以電熱絲為熱媒，通過電纜通電發熱將電能轉化為熱能，傳遞給被加熱體，并通過外層隔熱材料的保護，以達到系統需要的供暖、保溫效果。在隧道排水系統發生凍害的情況下，通過與冰層之間的顯熱和潛熱進行熱量交換，使隧道襯砌或防排水體系始終維持在正溫狀態，從而達到防治凍害的目的。采用電伴熱系統對隧道進行凍害防治已經成功應用于國內部分寒區隧道[8－9]，其加熱效果好，經濟性適中，耐久性較好，其缺點是系統耗能較大。

(5)盲管保溫措施

盲管保溫采用聚氨酯保溫材料，雙層防水板間布設聚氨酯保溫材料，幅寬1.5 m，如圖6所示。

圖6 保溫盲管構造示意

(6)防寒徑向注漿

洞口Ⅴ級圍巖土質地層、風化嚴重的基巖地層孔隙率較大，可采用徑向注漿封堵圍巖裂隙、封堵地下水滲流路徑，減少襯砌背后匯水。

(7)洞外保溫出水口

在嚴寒地區，深埋水溝、防寒泄水洞、洞外暗溝均應設置保溫出水口，通過保溫暗管、保溫出水口將洞內水引至地表低洼處。

3.2 防寒排水設計典型案例

以則岔隧道為例介紹西寧成都線隧道防寒排水設計流程，該隧道位于甘南藏族自治州碌曲縣拉仁關鄉境內，為秦嶺中高山區，地形起伏、植被較好，地面高程3 235～3 990 m，最大埋深590 m。隧道起訖里程DGK199＋855～DG1K210＋334.58，全長10 479.58 m，為單洞雙線隧道。全隧道單面下坡，依次為:－25‰/8 896.35 m、－23‰/950 m、－5‰/634.58 m，于正洞DGK202＋500處線路右側設一斜井，正洞DGK204＋220～出口線路左側設平導輔助施工。隧址區巖溶弱發育、地下水主要為孔隙水、基巖裂隙水、構造裂隙水及碳酸鹽巖巖溶裂隙水，為中等～強富水，隧道正洞涌水量達到12.35萬m3/d。

(1)洞口氣溫數據

據鄰近碌曲縣氣象站(海拔高度3 190.6 m)資料顯示:工點區屬高原溫帶濕潤氣候，低溫嚴寒，四季不明，冬長無夏，年平均氣壓69.83 kPa，年平均氣溫4.1℃，極端最低氣溫－23.4℃，最冷月平均氣溫－9.5℃，年平均風速1.3 m/s，主導風向E，最大風速10.2 m/s。最大季節凍結深度78 cm，最大積雪厚度15 cm。

隧道發生凍害與洞口的氣溫有密切的關系，但是目前隧道防寒設計時洞口最冷月平均氣溫的選取一般是根據隧址所在區域的市縣一級的氣象資料，而新建山嶺隧道大多處于氣候惡劣和偏遠的山區，洞口氣溫與氣象資料相差甚遠。需要綜合考慮隧道洞口海拔高度來修正洞口最冷月平均氣溫、極端最低氣溫。按海拔高度每升高100 m，氣溫降低0.6℃進行計算，公式如下:

式中，T0為氣象站最冷月平均氣溫或極端最低氣溫(℃)；T為洞口最冷月平均氣溫或極端最低氣溫(℃)；H0為氣象站海拔高度(m)；H為洞口海拔高度(m)。

通過公式(3)計算，得到則岔隧道洞口氣溫數據，參見表3?？梢园l現，則岔隧道進口最冷月平均氣溫為－11.24℃、出口最冷月平均氣溫為－9.74℃，均屬于嚴寒地區。因此，則岔隧道兩端洞口800 m范圍考慮襯砌背后盲保溫管設計。

表3 則岔隧道洞口氣溫數據

(2)防寒水溝設置長度

隧道設置仰拱內中心水溝時，水管埋置深度約為50 cm，設置中心深埋水溝時，水管埋置深度約為250 cm。則岔隧道工點區最大季節性土壤凍結深度為78 cm，隧道洞口一定范圍內考慮設置深埋中心水溝或防寒泄水洞。

既有研究[10－12]對已運營寒區及嚴寒地區隧道凍害情況調查發現:①設置合理的保溫措施段長度是充分發揮隧道防寒保溫抗凍能力的關鍵；②洞口在相同的保溫措施條件下，位于陰坡的隧道洞口比陽坡的隧道口更容易發生凍害。據此研究提出了與洞口太陽輻射強度Iθ、最冷月平均氣溫T0相關的隧道防寒排水措施的判定方法，以及嚴寒地區隧道保溫水溝L1、中心深埋水溝L2及防寒泄水洞設置長度L3的計算公式，參見式(4)～(7)。

式中，Iθ為隧道洞口太陽輻射指標；IDθ為隧道洞口太陽直射輻射強度；Idθ為隧道洞口太陽散射輻射強度；IRθ為隧道洞口獲得的地面反射輻射強度；T0為洞口最冷月平均氣溫(℃)。

根據則岔隧道洞口地形數據可得洞口斜面方位角、傾角等數據，進而得到防寒水溝設置長度，結果參見表4?？梢园l現，若僅考慮洞口防寒要求，則岔隧道兩端洞口保溫水溝設置長度約1 400 m，深埋中心溝設置長度約850 m，防寒泄水洞設置長度約450 m。

表4 洞口防寒水溝設置長度計算結果

但是，考慮則岔隧道進口為高端洞口，設置深埋中心溝或防寒泄水洞較為困難；同時則岔隧道單面下坡，出口累計最大涌水量達到14.12萬m3/d，且出口段634 m縱坡較緩(坡度為－5‰)，深埋中心溝(內徑φ60 cm)排水能力約為3.66萬m3/d，難以滿足排水要求。

綜合考慮防寒與排水能力要求，則岔隧道進口1 000 m范圍雙側保溫水溝采用電伴熱，出口端2 028 m范圍內設置中心淺埋水溝(仰拱底)＋防寒泄水洞，襯砌背后滲水直接引入中心淺埋水溝(仰拱底)，隧道內防寒泄水洞上游側溝水、中心水溝水及中心淺埋水溝(仰拱底)水均通過防寒泄水洞排走。

(3)其他附屬防寒措施

則岔隧道防寒排水配套措施包括:①進口端DK199＋881～DK200＋000段、出口端DK210＋258～DK210＋317段為V級圍巖，淺埋、巖體破碎、地下水發育，設計采用徑向注漿措施封堵圍巖裂隙，減少襯砌凍害及運營期間病害；②隧道洞外設置保溫暗管和保溫出水口，通過保溫暗管、保溫出水口將洞內水引至地表低洼處，防止冬季凍結。

3.3 防寒排水設計原則

根據鄰近氣象站資料、海拔、工點水文地質特征等，采取相應的防寒保溫措施，主要措施有:雙側保溫水溝、中心深埋水溝、電伴熱、防寒泄水洞以及防寒徑向注漿、保溫盲管、洞外設保溫出水口等。針對不同區域的具體措施如圖7所示。

圖7 防寒排水設計原則

4 結束語

基于新建西寧至成都鐵路項目，針對寒冷、嚴寒地區隧道防寒排水問題，對比分析了不同防寒排水措施:

(1)新建西寧至成都鐵路全線平均海拔較高，最冷月平均氣溫低，隧道洞口暗洞段需考慮設防寒水溝與襯砌背后防寒措施，洞外設保溫暗管與保溫出水口。

(2)根據鄰近氣象資料、洞口海拔等資料，一般寒冷地區采取的防寒排水措施包括:雙側保溫水溝、防寒徑向注漿、保溫盲管、洞外設保溫出水口。高海拔嚴寒地區采取的防寒排水措施包括:雙側保溫水溝、中心深埋水溝、電伴熱、防寒泄水洞以及防寒徑向注漿、保溫盲管、洞外設保溫出水口。

(3)所建立的隧道防寒排水措施選型和對比分析結果，可為今后嚴寒、寒冷地區隧道防寒排水措施的選擇提供思路和參考。