寒區隧道排水系統凍害分析及防凍措施研究

楊明宇，王曉宇

(1.天津大學 建筑工程學院 天津市 300072； 2.遼寧省公路勘測設計公司 沈陽市 110006)

0 引言

隨著一帶一路政策的實施，我國基礎設施建設得以飛速發展，而隧道作為基礎設施建設重要組成部分，其建設規模和數量均有大幅提升。在寒冷地區修建隧道，由于其特殊的自然環境，隧道建設和運營期間均將面臨著復雜的技術問題，由于地下水和圍巖裂隙水等隨著季節的周期性變化產生反復凍融循環作用[1]，導致排水系統凍結、隧道滲漏水積冰、襯砌結構裂損、路面結冰、路面鼓脹及侵限等病害，嚴重影響車輛運營安全，并且由于凍結產生的凍脹力也會對襯砌結構耐久性產生不利影響[2]。隨著我國越來越多的寒區隧道投入使用，凍害問題也逐步凸顯，據統計約80%左右的寒區隧道存在不同程度的凍害問題。如何采取有效的隧道凍害防治措施，解決寒區隧道凍害問題，是寒區隧道設計和研究的重點，也是目前亟待解決的關鍵問題。

目前針對寒區隧道排水系統凍害分析和防治措施，相關學者做了大量的研究工作。王志杰等[3]依托金家特長隧道，通過理論分析、現場測量與數值模擬相結合，建立不同隧道排水溝模型，并用對隧道溫度場以及隧道排水溝保溫抗凍進行數值模擬，得到不同形式的排水設計適用條件。劉路路等[4]以西部寒區隧道為研究對象，闡述了寒區隧道工程的防排水現狀，分析了寒區隧道工程發生滲漏水的原因，提出了寒區隧道工程防排水的改進性措施與建議。彭波等[5]對隧道的溫度場進行分析，針對寒區隧道病害防治提出相應的防治措施。雖然寒區隧道防凍害研究和綜合措施較多，截至目前寒區隧道的防凍效果欠佳，因此有進一步研究的價值。

1 工程概況

1.1 隧道概況

某公路特長隧道位于內蒙古自治區烏蘭察布盟境內G7京新高速公路上，平面布置為上、下行分離式隧道，全長為3.11km，隧道采用曲墻式斷面。隧道建筑限界凈寬14.5m，建筑限界凈高5.0m。隧道縱坡為-0.5%。兩側洞門型式均為削竹式。襯砌類型為復合式襯砌，二次襯砌為鋼筋混凝土結構。路面類型為復合式路面結構。該隧道于2016年通車，存在不同程度防排水設施的病害。

1.2 工程水文地質概況

隧址區晝夜溫差較大，年平均氣溫僅為1.3℃，年降水量少而集中，平均為300～400mm，無霜期100d左右，最大凍結深度為1.6m。

隧址區主要河流有丁計河、黑山子河等，地下水位較高。

2 監測儀器及測點布置概況

2.1 監測儀器

氣象數據監測儀器采用PC-3型氣象環境采集與傳輸系統，可測量風向、風速、溫度、濕度、雨量、氣壓等6個要素。溫度監測儀器布置于隧道內進行水溫和氣溫監測。

2.2 測點布置

根據該隧道實際情況，沿隧道縱向共設置5個典型監測斷面，距小樁號隧道洞門分別為390m、590m、1990m、3003m和3203m，監測斷面布置詳見圖1所示。

圖1 監測斷面布置圖

每個監測斷面分別在檢查井設置3個監測點位(分別位于檢查井頂部、中部和底部，且底部溫度監測值為水溫)、中心排水溝設置1個監測點位(距檢查井垂直中心線5m)、橫向排水管設置2個監測點位(橫向排水管中心處、橫向排水管與縱向集水管交匯處)，每個監測斷面共布置6個溫度傳感器。監測斷面及點位設置詳見表1，監測點位布置圖詳見圖2。

表1 監測斷面和監測點位設置一覽表

圖2 監測點位布置圖

3 數據分析

通過隧道現場溫度傳感器的數據采集和處理，來分析溫度隨著時間變化、溫度沿隧道縱向的變化和演變規律，為同類型寒區隧道的防凍害治理提供科學依據。

3.1 監測斷面數據分析

根據洞外氣象監測儀器監測的溫度數據可知，大樁號側(J5斷面方向)氣溫低于同時段小樁號側(J1斷面方向)氣溫約3℃，且距離洞門最近的監測斷面為J5斷面，僅為107m，其溫度變化受氣溫影響更為敏感，故監測斷面數據分析選取J5斷面為代表斷面。通過數據整理和分析，繪制J5監測斷面溫度隨時間變化曲線如圖3所示。

圖3 J5監測斷面各測點溫度隨時間變化曲線

由圖3可知，檢查井處溫度值隨著時間變化的規律如下：檢查井底部(J5-3)的水溫1月中旬開始由正溫轉變為負溫，至次年的2月中下旬溫度達到極低值(溫度為-1.2℃)，而后溫度逐漸升高，至4月中旬開始由負溫轉正溫，負溫歷時約2個月；檢查井中部(J5-2)每年12月上旬開始由正溫轉變為負溫，至次年的2月中下旬溫度達到極低值(溫度為-3.8℃)，然后溫度逐漸升高，至4月中旬開始由負溫轉正溫，負溫歷時約4.5個月；檢查井頂部(J5-1)每年12月上旬開始由正溫轉變為負溫，至次年的2月中旬溫度達到極低值(溫度為-4.6℃)，而后溫度逐漸升高，至4月中旬開始由負溫轉正溫，負溫歷時約4.5個月，而低于-4℃時間段為12月下旬至4月上旬，歷時約4個月。由于檢查井內負溫時間達到4.5個月，特別是低于-4℃長達4個月，存在發生凍害風險較大。同時由圖3還可以得出檢查井內部溫度變化規律：冬季同一時段溫度從檢查井底部(J5-3)延伸至檢查井頂部(J5-1)逐漸降低，并且溫差最大時達到6.9℃。

中心排水溝(J5-4)溫度值隨著時間變化的規律如下：每年1月中旬開始由正溫轉變為負溫，至次年的2月中下旬溫度達到極低值(溫度為-1.2℃)，而后溫度逐漸升高，至4月中旬開始由負溫轉正溫，負溫歷時約2個月。中心排水溝負溫周期2個月時間較短，并且負溫極值為-1.2℃。

橫向排水管溫度值隨著時間變化的規律如下：溫度變化與季節的氣溫變化密切相關，并隨氣溫升高而逐步升高，隨氣溫降低而逐步降低。橫向排水管中心(J5-5)：每年11月中旬開始由正溫轉變為負溫，至次年的2月中旬溫度達到極低值(溫度為-6.9℃)，而后溫度逐漸升高，至4月下旬開始由負溫轉正溫，負溫歷時約5.5個月，而低于-4℃時間段為12月上旬至3月中旬，歷時3.5個月；橫向排水管外側(J5-6)：每年11月中旬開始由正溫轉變為負溫，至次年的2月中旬溫度達到極低值(溫度為-10.3℃)，而后溫度逐漸升高，至4月下旬開始由負溫轉正溫，負溫歷時約5.5個月，而低于-4℃時間段為12月上旬至3月中旬，歷時3.5個月。橫向排水管低溫影響周期約5.5個月，低于-4℃時間段達到3.5個月，溫度已達到凍結臨界值，負溫時間長，且溫度較低，特別是位于電纜槽部位至縱向排水管相接處，是防止凍害發生的關鍵部位，應予以足夠重視。

通過圖3還可以得出同一監測斷面不同構件的溫度變化規律：中心排水溝溫度(J5-4)>檢查井底部溫度(J5-3)>檢查井中部溫度(J5-2)>檢查井頂部(J5-1)>橫向排水管中心(J5-5)>橫向排水管外側(J5-6)，并且最低溫度均低于0℃，因此在凍融期極易形成中心排水溝、檢查井和橫向排水管等排水系統凍結、路面積水積冰、路面鼓脹、積冰堵塞排水系統、電纜槽冒水積冰等病害，而橫向排水管由于其埋置深度較淺，發生凍害可能性更大，因此處理凍害措施時，應首先保證考慮橫向排水管的保溫隔熱等措施。

3.2 隧道縱向監測數據分析

根據上述監測斷面數據分析的結論，橫向排水管外側溫度值最低，為最不利位置，縱向數據分析分別提取5個監測斷面中橫向排水外側的溫度為代表。通過數據整理和分析，繪制不同監測斷面橫向排水管外側溫度隨時間變化曲線如圖4所示、橫向排水管外側溫度沿隧道縱向變化曲線如圖5所示。

圖4 不同監測斷面橫向排水管外側溫度隨時間變化曲線

圖5 橫向排水管外側溫度沿隧道縱向變化曲線

由圖4可以看出，該隧道橫向排水管外側的溫度值隨著時間變化的規律如下：每年的11月中旬開始橫向排水管由正溫轉變為負溫，至次年的2月中旬溫度達到極低值(溫度為-10.3℃)，而后溫度逐漸升高，至4月中旬開始由負溫轉正溫，負溫歷時約5個月，而低于-4℃溫度時間段為12月上旬至3月上旬，歷時約3個月。低溫影響周期約5個月之久，低于-4℃長達3個月之久，且溫度已達到凍結臨界值。

由圖5可以看出，橫向排水管外側的溫度值隨著時間變化的規律如下：通過對比洞門外采集的氣象數據，小樁號側洞外氣溫高于大樁號側洞外氣溫約3℃，橫向排水管內側的溫度除受隧道內氣溫影響較大外，還受兩端洞口氣溫、隧址區風向、風速及隧道縱坡等綜合影響。由于隧道較長，兩側洞口溫差較大，小樁號側洞口向大樁號側洞口延伸，同一時點溫度變化規律是隨著里程的增加溫度呈現逐漸降低的趨勢，在全年最低溫度時間點，小樁號端橫向排水管外側溫度(-7.5℃)高于大樁號端的溫度(-10.3℃)，并且溫度最大值位于隧道中間處的監測點(-6.5℃)，考慮負溫周期長、并且低于-4℃溫度歷時3個月之久，全隧道橫向排水管最低溫度均低于冰點，均可能發生中心排水溝、檢查井和橫向排水管等排水系統凍結、路面積水積冰、路面鼓脹、積冰堵塞排水系統、電纜槽冒水積冰等病害。

分別對比圖5中入冬0℃變化曲線和開春0℃變化曲線、入冬-4℃變化曲線和開春-4℃變化曲線，可得出如下規律：入冬時各監測點的溫度值比開春時同位置的監測點溫度略高，且入冬時各監測點溫度高于洞外氣溫，開春時各監測點溫度值低于洞外氣溫，說明隧道內各監測點溫度變化較氣溫變化要延緩。

4 排水系統凍害防治措施

結合該隧道的實際情況及排水系統產生的凍害類型，可采取防凍害的措施主要有：深埋排水系統、檢查井采用保溫井蓋、增設保溫層、增加地下水的熱量、電伴熱、保溫隔熱等方法[6]。針對于不同凍害可采用如下措施進行防治。

4.1 排水系統凍結

排水系統凍結可采用加熱防凍、深埋排水系統和增設保溫層等方法預防。加熱防凍法包括電伴熱電纜加熱和地熱、鍋爐等供熱。保溫排水系統可采用聚氨酯、聚苯乙烯、聚乙烯和酚醛泡沫板等包裹排水系統，以達到保溫隔熱效果。

4.2 加強防排水

可采取加密環向和橫向排水管、加大中心排水管直徑、增設泄水洞和增大排水縱坡等措施，將圍巖裂隙水快速收集和排出隧道以外，減少裂隙水的熱量損失，以免裂隙水凍結引發病害；采用耐久性高的防水板，防止施工和運營期間板材破損，導致地下水侵蝕二次襯砌而造成襯砌凍害。

4.3 增設保溫隔熱層

防凍隔熱法，利用鋪設于襯砌表面、初支和二襯之間、排水管道外壁等的保溫隔熱材料減少隧道外環境與襯砌背后的熱交換。

4.4 路面鼓脹和積冰

路面鼓脹和積冰主要原因是路面下排水系統凍結或堵塞，地下水不能快速排出隧道，可采用深埋中心排水溝、增設泄水洞、保溫井蓋和過濾網等措施。

4.5 該隧道防排水系統防凍害方案

對寒區隧道防排水系統，采用保溫隔熱措施，增加埋置深度是最直接和最有效的方法。該隧道在進行防凍害方案中采用如下措施。

(1)采用深埋中心檢查井，并用保溫井蓋替代原普通混凝土井蓋；

(2)采用聚氨酯保溫層橫向排水管外側段落，形成保溫排水系統。

采取防凍措施改造隧道后，通過階段性的監測，首個凍融期內未出現路面結冰和路面返水、排水系統凍結等凍害，總體治理效果良好。

4.6 新建隧道預防措施

(1)以隧址區最大凍結深度為依據，合理確定檢查井、中心排水溝以及橫向排水管的埋置深度，防止埋深不足導致凍害發生。

(2)合理采用保溫隔熱措施，如聚氨酯保溫層、電伴熱等措施對排水系統進行包裹。

(3)合理設置隧道縱坡，為保證圍巖裂隙水能順利排出隧道外，隧道縱坡應大于0.5%，條件允許采用1%左右的坡度為宜。

(4)加密橫向排水管間距，環向和橫向排水系統的橫向間距不大于10m，涌水量大的位置可適當加密。

5 結語

通過對隧道排水系統進行現場監測，通過對監測斷面數據分析，得到同一監測斷面不同監測點位的溫度隨時間的變化規律，通過對溫度沿隧道縱向的數據分析，得到溫度沿隧道縱向的變化規律。

(1)監測點溫度變化與季節的氣溫變化密切相關，并隨氣溫升高而逐步升高，隨氣溫降低而逐步降低。

(2)同一監測斷面不同構件的溫度變化規律：中心排水溝溫度>檢查井底部溫度>檢查井中部溫度>檢查井頂部>橫向排水管中心>橫向排水管外側，且各監測點溫度均低于0℃，極易發生凍結病害。

(3)針對長(特長)隧道，兩側洞口往往存在一定溫差，隧道內溫度變化規律：同一時點隨著里程的增加溫度呈現逐漸降低(增加)的趨勢。

(4)入冬時各監測點的溫度值比開春時同位置的監測點溫度略高，入冬時各監測點溫度高于洞外氣溫，開春時各監測點溫度值低于洞外氣溫，說明隧道內各監測點溫度變化較氣溫變化要延緩。

(5)通過隧道的防凍設施改造后的第1個凍融期，隧道未出現較為嚴重凍害，整體防凍效果較好。