含多年凍土層的公路隧道排水設計

劉中青

（山西路橋建設集團有限公司太原設計咨詢分公司，山西 太原 030000）

0 引言

在西部大開發戰略的推動下，我國修建了多條包含多年凍土層的公路隧道，積累了大量凍土山區隧道防排水設計經驗。但根據實踐情況，現有的設計規范、理論設計中依然存在不足，無法完全解決含多年凍土層地區公路隧道排水設計中出現的問題，特別是防排水系統經常會因施工設計等問題，喪失原有的作用。因此，探討、研究含多年凍土層的公路隧道排水設計十分重要。

1 工程概況

該工程所在地區屬于昆侖山北麓山區，屬于半干旱、寒冷大陸性氣候，在試驗過程中，檢測到隧道的平均海拔高度為4680m，常年平均氣溫為-5.7℃。區域所在位置，屬于青藏高原多年凍土區北部的季節性凍土區面向多年凍土區過渡的地段。該區域具備發育性季節凍土、大片連續多年凍土。巖性屬于板巖夾片巖。此外蓋雨的強風化厚度最小為1.7m，最大為4m。

2 含多年凍土層的公路隧道排水設計

2.1 試驗分析

針對管道周邊范圍內的組成系統開展熱分析，并由此為基礎獲得系統性溫度場分布，判斷給排水管道設計保溫層能否達到保溫需求[1]。

2.1.1 試驗方法

該試驗針對邊界條件、荷載約束條件等展開分析，并由此構建起支撐數值分析計算的模型。并根據ANSYS 軟件展開熱分析計算求解[2]。以熱分析模塊理論為核心展開探究，熱分析模塊作為一種熱平衡方程，可以通過有限元法的應用來詳細計算出不同節點的溫度情況，同時將各節點的熱物理參數進行計算。熱分析分為2 類，分別為瞬間傳熱分析、穩態傳熱分析。在展開穩態分析的過程中，其中任何1 個節點的溫度都不會出現變化，因此它應用于計算系統部件受到熱荷載的影響程度[3]。它的應用過程，主要針對系統跟隨時間變化的熱參數以及溫度場進行變化。而另外的瞬間傳熱過程，本質上屬于系統性冷卻、加熱過程，在這個過程當中系統的熱邊界條件、溫度等都可能出現變化。

瞬間熱分析可以針對1 個特定系統，在具體時間波動的過程中，對伴隨著時間變化而變化的熱參數、溫度場進行計算[4]。在工程領域中，一般會通過瞬間熱分析的方式針對溫度場進行計算，同時將其用作熱載荷并進行應力分析。熱分析中，荷載情況是跟隨著時間的變化而變化的，在完成瞬間分析以前，要首先展開穩態分析，通過這樣的方式明確初始化荷載，也就是所謂的Steady-stateo。同時針對荷載伴隨著時間變化的具體情況展開分析，因此應該將荷載的時間曲線劃分為荷載步。通過對該地區情況展開實地勘探，可以計算出排水管道設計的原始條件（表1），以及材料熱物理性能表（表2）。

表1 排水管道設計初始條件

表2 材料熱物理性能

2.1.2 測試數據

針對防水層外側部分的水壓力，可以得出如下結論。1）（≤2kPa）。其在實踐測試過程中，未顯示出明確的水壓力情況，同時其實際測量數據在具體的精度測試范圍內部出現波動[5]。在這部分中有較為明顯的測點77.8%（n=28），其在實踐過程中，更多地出現邊墻等一系列部位。2）微壓量級（≤1000kPa）。該階段僅測試到1 例，其存在于DK977=410 拱腰的外側區域，實踐大小數值為13.3kPa。通過這一方式可以推斷出，在這次施工過程所在區域當中，壁厚的水壓力問題主要存在于仰拱區域內，同時根據其實際測量部位的數據能夠看出，水壓情況相對較小，大部分不超出10cm。

2.1.3 水壓力的變化趨勢

劉 柯(1992—), 男, 湖北武漢人，助理研究員，碩士，研究方向為智能交通與安全。E-mail:714981562@qq.com

根據水壓力隨著時間波動顯示的時間曲線能夠發現，在常規情況下水壓力變化趨勢大體上有以下3 種類型。1）所謂躍升型，指一段時間過后，水壓力可能出現增長狀況，該施工過程共出現8 例，該數據占據統計數據的28.6%。同時其實際位置主要出現在在仰拱、邊墻等位置。2）所謂持平型，指在該階段當中水壓力出現的變化狀況，其主要維持在±1MPa這一范圍之內，同時這一情形有18 例，占統計數據總數量的64.3%。3）下降型，在施工的開始或后期階段，其實際水壓力情況呈現出不斷下降的趨勢，這一情形共計出現2 例。

2.1.4 防水層內外側溫度狀態

防水層內外側溫度共包含3 種形態，分別為正溫形態、正-負溫形態、負-正-負溫形態。

正溫形態指在該測試階段中，溫度將始終保持為正溫度，同時其中最低溫度為0℃，溫差最大值為15.4℃。這一情形實際出現21 例，占據統計數據總數量的77.8%。

正-負溫型。首先經由正溫度作為出發點，直到負溫形態結束，其實際最低負溫-0.6℃。最大溫差為10.2℃。共計例數為5 例，實際占據統計數據總比例為18.5%。

負-正-負溫性。首先從負溫度作為起始點，逐漸升高到正溫，并在后期階段逐漸降低為負溫。在測試過程中這一情形僅出現1 例，其實際溫差情況相對較小，僅為0.8℃（最高溫度可以達到0.2℃）。

2.2 各個分段排水系統互相銜接策略

2.2.1 多年凍土段與非凍土段

如果多年凍土段采用保溫水溝的形式進行排水，則其與非凍土段之間的連接會包含保溫水溝分別與防寒泄水洞、中心深埋水溝以及保溫水溝互相連接的情況。

2.2.1.1 保溫水溝－保溫水溝

這一情況在實踐中相對簡單，不論隧道坡度是人字坡還是單坡，施工人員僅需要將二者互相連接即可[7]。

2.2.1.2 保溫水溝－中心埋深水溝

如果隧道屬于單坡，則高地勢一段的地下水一定會從多年凍土段逐漸流向非動土段，如圖1 所示。在這一過程中，可以根據圖2 的方式，完成保溫水溝與中心埋深水溝間的排水銜接。簡單來說，就是在凍土段與非凍土段的交接處，制造一個引水洞，以這種方式將多年凍土段保溫水溝當中的地下水，逐漸引導到中心深埋水溝當中；反之對于地勢相對較低的一段來說，非凍土段內的地下水如果想排到洞外，則會流過多年凍土，這時就應在多年凍土段下方的區域，進行排水設施的修建，并使其與非凍土段相連接，但該方式不但會導致多年凍土受到影響，無法保障隧道內部結構的安全性，而且會導致施工進度被拖延，因此對于地勢較低一段的排水不應經由多年凍土段排出，由于其實踐排水設計與人字坡較為相似，因此該處選擇在下文一同闡述。

如果隧道是人字坡，那么處于非凍土段內的地下水，一樣需要經由多年凍土段排到洞外，并且其沿途將會經過進、出口兩端[8]。為了解決上述問題，設計人員可以將非凍土段與多年凍土段分別設置為相互獨立的形式，同時在二者的交接區域，按照山體形貌、左右間距等因素，采用以下2 種方式，將左、右線非凍土段的地下水，在沿途不經過凍土段的情況下引到洞外，避免凍土的原始形態受到影響，具體實踐措施如下。1）首先進行地下排水洞的設置，以此來將左、右線中心深埋水溝的水相應的排放到一側山體之外[9]。如果凍土段與非凍土段的交接區域，存在比洞口距離短的山體表面出口，則可以將地下排水洞通過這一處引到山體之外。如果隧道左右線之間的距離相對較大，則也可選擇在左右線中間的位置進行地下排水洞的設置，如圖3 所示。反之如果左右線的間距相對較小，則可選擇在山體一側的位置進行地下排水洞的布置，如圖4 所示。如果地下排水洞處于非凍土當中，則確保其埋深大于隧址的凍結深度即可，可以借助地溫來保障水流不會因寒冬低溫出現凍結。如果地下排水洞的位置在凍土當中，則須在其中增設保溫措施，以避免水流出現凍結。2）通過地下排水洞的設置，使兩側深埋水溝中的水途經隧道排出洞外。如果非凍土段與多年凍土段的交接區域，并無距離小于洞口距離的出口時，則為了確保左、右線中心深埋水溝內的水可以有序排出到洞外，可以將地下排水洞按照隧道軸向的方向進行設置。

圖1 多年凍土段與非凍土段銜接

圖2 保溫水溝、中心深埋水溝銜接

如果隧道左、右線之間的距離相對較大，則可以選擇兩線中間的合適位置，進行地下排水洞的布置，為了充分保障主動結構的安全性，隧道左、右兩線的多年凍土段，應被設置在地下排水洞施工開挖影響范圍以內；與此同時，確保隧道左、右線的多年凍土段處于地下排水洞溫度影響以外，通過這樣的形式來防止主動周邊的多年凍土被融化，導致融沉現象出現。此外，由于隧道左、右線中間區域的地下排水洞將直接穿越多年凍土，為了防止水流凍結，使排水系統始終處于通暢狀態，可在其中增添一些保溫措施。而地下排水洞的設置則須按照隧道的軸線方向，將多年凍土段與非凍土段的交界處作為起始點，將隧道的洞口位置作為終點，并在多年凍土段與非凍土段的交界區域，將左、右線中心深埋水溝當中的水引導至地下排水洞當中，并使其排出洞外，如圖5所示。

圖3 左右線間距較大情況下，地下排水洞提前出動排水系統布置

圖4 左右線間距較小情況下，地下排水洞提前出洞排水系統布置圖

圖5 在左右線間距較大的情況下，地下排水洞布設在左右線間的排水系統布置圖

如果隧道左、右線之間的距離相對較小，則可按照地質條件、山坡情況等因素，挑選隧道左、右線外側的合適位置，進行地下排水洞的布設，保障隧道左、右線范圍內的多年凍土段，處于凍融影響范圍以外的區域。除此之外，考慮項目建設的經濟性，應盡可能降低地下排水洞－非凍土段及多年凍土段交界處中心埋深水溝間的距離，通過這樣的形式達到降低建設投資的目的。如果地下排水洞按軸線方向所經過的底層為多年凍土，則這一過程可應用合理的保溫措施，防止水流出現凍結情況。如果沿途經過區域為非凍土，則僅確保地下排水洞埋深超過隧址的凍結深度便可，利用地溫作用來防止水流的凍結，無須在其中增設保溫措施。而這一部分應用的地下排水洞，則會根據隧道軸線方向，起始于多年凍土段及非凍土段的交接處，截至于隧道洞口外排水洞保溫出水口，如圖6 所示。

圖6 左右線間距較小情況下，地下排水洞布設在左右線一側的排水系統布置圖

2.2.1.3 保溫水溝－防寒泄水洞

這一情況與上述2.2.1.2 中的情況大致相同，只需將2.2.1.2 中的中心埋深水溝替換成防寒泄水洞。

3 結語

該文結合實踐，根據多年凍土區公路隧道排水設計，對可能面對的不同情況進行闡述，并結合現有設計標準中的設計方式進行分析，證明多年凍土隧道排水系統須按照凍土段類型的不同展開分段設計，并以此為基礎，提出了不同分段之間的相互銜接技術。由于多年凍土隧道并非僅是從單一凍土層中經過，而是沿途經過差異化類型的凍土段，因此結合各個類型凍土段自身排水形式設置的差異性，應保證各凍土段的排水系統之間進行科學銜接，同時按照坡度情況科學選擇銜接形式。