高海拔寒區單線隧道排水系統防寒設計研究＊

王曉輝

（蘭新鐵路甘青有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

隨著我國西北地區交通運輸基礎設施的建設投入逐步加大，然而高海拔寒區的鐵路隧道的凍害問題仍很突出。分析隧道凍害的主要原因，幾乎所有的凍害問題都與隧道的排水體系密切相關[1-5]。高海拔寒區的隧道設計方法對防排水系統的抗凍極為重要，亟需對高海拔寒區的隧道工程建設開展專項防排水防寒設計研究。

近年來，我國對高海拔寒區隧道排水系統的研究逐步深入。1999 年，中鐵十六局集團的翟大勤等[6]針對當時海拔排名亞洲第一的大坂山隧道的設計和施工中的防排水問題做了專題研究，提出了復合式防水體系，排水系統由土工布縱橫纖維網格PE230S、排水板溝槽、片石盲溝、豎向泄水孔和正洞下方的防寒泄水洞組成。2001 年，鐵道部專家組[7]第一次開發并應用防寒泄水洞技術。在低溫狀態下富水環境極易發生凍脹破壞，該項目的設計者提出在主洞的底部5 m 處先開挖一條斷面較小的隧道，在拱腰和拱頂部位預留泄水孔，與上部主洞結構預留的排水體系相連接，貫通形成完整的排水系統。由于防寒泄水洞與排水溝相比斷面較大，洞口還有保溫措施，能夠保證長年不解凍，能及時地將主洞的排水系統的滲漏水排出洞外，避免了主洞襯砌結構背后不積水，這樣就能及時將地下水對隧道二襯形成的壓力消減。2009 年，重慶交通大學的張亞興[8]對嘎隆拉隧道做了防排水和抗防凍技術措施的研究，為嘎隆拉隧道防排水系統設計提出了防寒泄水洞方案和縱向中心深埋水溝方案。目前，高海拔寒區隧道排水系統設計也主要是采取這兩種方案。

本研究以敦格鐵路塞什騰隧道為工程背景，在調研多種寒區隧道排水系統方案的基礎上，分析這些方案的排水效果和在高海拔寒區的適應性，研究該鐵路隧道排水系統的防寒設計。

2 工程概況

敦格鐵路塞什騰隧道位于青海省塞什騰山的中段，團結村的西南側，距離高泉煤礦約1.5 km。起訖里程為DK309+058～DK316+314，長7 256 m。

隧道經過范圍地層巖性主要有：第四系上更新統洪積細角礫土，奧陶系上統片理化蝕變安山巖，震旦系中統片巖、大理巖夾片巖，華力西期花崗巖及斷層角礫巖。本區屬于塞什騰山褶帶，地質構造活動強烈，地質情況復雜，巖漿活動復雜多變，斷層、褶皺構造較為發育，具有長期、多次、反復活動的特點，整體形態呈一反“S”型構造。隧道在DK310+000～DK310+220（220 m）、DK311+210～DK311+450（240 m）和DK314+050～DK314+400（350 m）段落，隧道受f11、f12、f13 斷層影響，巖體破碎，節理發育。預測隧道正常涌水量Q＝787m3/d，最大涌水量2361m3/d。

隧道所在區屬于典型的高原大陸性荒漠氣候區，有高寒缺氧、干旱溫涼、少雨多風、氣溫日差較大、四季不分明、冬季漫長的特點。年平均氣溫1.9 ℃，最冷月平均氣溫為-13.1 ℃；極端最低氣溫-34.2 ℃；年平均降水量82.6 mm、年最大降水量164.9 mm；年平均蒸發量1 806.0 mm，年最大蒸發量2 343.7 mm；最大風速24.3 m/s；最大積雪厚度10 cm，最大凍結深度200 cm。隧道所在區域屬于典型的高海拔寒區。

3 保溫防寒排水措施設計

充分考慮塞什騰隧道的工程地質與水文地質情況，塞什騰隧道采用復合排水系統的方式設計。（1）全隧道采用雙側雙層蓋板保溫水溝，兩端洞口各1200 m范圍在保溫水溝兩層蓋板間填充袋裝瀝青玻璃棉保溫。（2）低端洞口設置600 m 的防寒泄水洞+600 m的深埋中心水溝，使洞內水及時排出洞外。（3）隧道設置深埋中心水溝地段環向盲溝直接引入中心水溝，避免洞外水流入洞內，產生凍害。該設計方法突出重點防寒區域，施工方便，防寒措施有效。

3.1 深埋中心水溝設計

深埋中心水溝所在段落為DK315+114～DK315+714（600 m），穿越地層主要為華力西期花崗巖（γ4），顏色主要為淺肉紅色，長石主要為鉀長石，巖體節理裂隙發育，中粗粒結構，塊狀構造的完整性極差；中粗粒結構，片狀構造，密閉性的節理裂隙特發育，由于風化作用，表層的花崗巖片理化現象明顯，局部甚至可見鱗片狀剝落。風化層厚度較大，山體多呈渾圓狀。強風化層：Ⅳ級軟石，σ0=400 kPa。弱風化：Ⅴ級次堅石，σ0=800 kPa。圍巖級別為Ⅲ、Ⅳ級。無不良地質和特殊巖土。

根據工程經驗3 m 以下即可達到抗凍效果[9-10]，該隧道深埋中心水溝埋置于軌面以下3.75 m，能夠滿足基本的設計要求。另外深埋中心水溝上方設置2 m 寬的PU 聚氨酯保溫層，有效提高了中心水溝的抗寒能力。設置深埋中心水溝地段環向盲溝直接引入中心水溝，盲溝間距5 m。洞外設深埋保溫暗管引排地下水，并設置了保溫出水口。不同圍巖級別深埋中心水溝設置如圖1 所示。

圖1 塞什騰隧道深埋中心水溝（單位：cm）

3.2 泄水洞設計

3.2.1 泄水洞支護參數設計

泄水洞所在段落為DK315+714～DK316+314（600 m），地質情況同DK315+114～DK315+714 段，隧道中線左側10 m 處設置防寒泄水洞。間隔210 m設置16 m 穿越鐵路的橫向泄水洞，隧道中線處內軌頂面距橫向泄水洞仰拱填充線為6 m，設5%的縱坡，與正洞位置關系如圖2、圖3 所示。隧道洞內泄水洞段落設置大避車洞里程兩側水溝底并排預埋兩根鑄鐵管，將側溝水引入泄水洞。

圖2 塞什騰隧道泄水洞與正洞示意圖（單位：cm）

圖3 塞什騰隧道泄水洞平面布置圖

泄水洞襯砌斷面詳如圖4、圖5 所示，支護參數 詳見表1、表2。

圖4 塞什騰隧道縱向泄水洞襯砌斷面圖（單位：cm）

圖5 塞什騰隧道橫向泄水洞襯砌斷面圖（單位：cm）

表1 縱向泄水洞支護參數表

表2 橫向泄水洞支護參數

3.2.2 泄水洞結構安全計算

（1）計算模式及作用荷載。采用“荷載—結構”模式，作用在襯砌上的荷載有地層壓力、結構自重，不計水壓力、偶然荷載等其他荷載。

（2）基本假定。假定襯砌為小變形彈性梁，襯砌為離散足夠多個等厚度直桿梁單元，用布置于各節點上的彈簧單元來模擬圍巖與襯砌的相互約束；假定彈簧不承受拉力，即不計圍巖與襯砌間的粘結力；彈簧受壓時的反力即為圍巖對襯砌的彈性抗力。

3 計算結果

計算中考慮初期支護的作用，取作用在襯砌上的荷載為計算土壓力的70%，計算結果見表3。

表3 不同圍巖級別襯砌最不利位置的安全系數

根據計算結果可知，在Ⅲ級、Ⅳ級圍巖中，襯砌最不利位置安全系數均大于2.4，滿足襯砌結構安全性要求；在Ⅴ級圍巖中襯砌最不利位置安全系數小于2.4，考慮改置為墻腳，設計中采用構造筋加強，可以滿足襯砌結構安全要求。

4 保溫水溝及保溫出水口設置

全隧道采用雙側雙層蓋板保溫水溝，低端洞口設檢查井、保溫暗管。水流經洞內保溫水溝流入中心水溝，再流向泄水洞，通過洞外深埋保溫暗管排走，保溫暗管出口設置保溫出水口，保溫出水口結合現場地形宜設置在背風向陽處，確保冬季不結冰。雙層蓋板保溫水溝如圖6 所示。

圖6 塞什騰隧道保溫水溝詳圖

5 結論

縱觀已建成的國內外高海拔寒區隧道，洞口段設置防寒泄水洞的做法，保溫效果明顯，可以起到很好的防寒、排水作用。洞口段設置中心深埋水溝的做法，工程造價增加不多，保溫效果也較明顯，但在單線鐵路隧道內，特別是洞口地質條件差、凍結深度大且富水地層中，深埋中心水溝施工難度大。高海拔寒區單線隧道洞身段設置保溫水溝、洞口段采用中心水溝+泄水洞的防寒、排水做法，在洞口地質條件差的情況下，既可保障施工安全，也可以節省工程投資，對以后修建高海拔寒區單線隧道具有直接的借鑒作用和參考價值。