寒冷地区铁路隧道防排水设施冻害浅析

宋顺德

(沈阳铁路局 工程管理中心，沈阳 110001)

新建东北东部铁路通道白河至和龙段工程是沈阳铁路局在东北东部严寒山区组织建设的第一条集长隧道、高桥、高路堤、深路堑为一体的山区铁路。该工程于2006年4月28日开工建设，2008年12月20日开通运营，运营2年来有部分隧道防排水设施发生冻害，分析隧道冻害发生机理，及时采取治理措施，保证列车安全运营，同时，为严寒山区新建隧道设计和施工提供参考。

1 东北东部铁路通道隧道概况

新建东北东部铁路通道白河至和龙段铁路位于吉林省延边朝鲜族自治州境内，全长103.269 km，新建隧道7座，隧道延长18.42 km，其中南山隧道全长7 566 m，是东北地区目前最长的铁路单线隧道。沿线隧道分布情况见表1。

表1 隧道情况表

全线隧道大部分表覆地层为第四系地层，洞身穿越区多为片麻岩或花岗岩、砾岩、砂岩，沿线河流众多，西部属松花江水系，东部属图们江水系，地下水类型分为第四系孔隙潜水、基岩裂隙水、构造裂隙水3种。

沿线属于中温带湿润大陆性季风气候区、冬季漫长而严寒多雪，夏季凉爽并低温多雨，雨季在6月～7月。沿线最冷月平均气温 －12.10℃ ～－12.69℃，按对铁路工程影响的气候区间属寒冷地区。根据历年气象和调查资料，沿线土壤最大冻结深度1.50～1.86 m。

隧道衬砌均采用复合式衬砌，Ⅱ、Ⅲ级围岩采用带底板的曲墙复合式衬砌，Ⅳ、Ⅴ级采用仰拱曲墙复合式衬砌。隧道二次衬砌采用防水混凝土，抗渗等级不低于P8;复合防水板厚度不小于1.2 mm;隧道内设双侧保温排水沟，采用双层盖板新型聚胺脂泡沫保温;保温水沟高洞口端400 m，低洞口端450 m，洞外用暗管(内径不小于50 cm混凝土圆管)排水，出水口保温。隧道二次衬砌背后设置纵、环向排水盲沟，盲沟采用透水式软管盲沟;拱墙施工缝处采用外贴止水带和遇水膨胀止水条复合防水措施;拱墙变形缝采用中埋式止水带与遇水膨胀橡胶条、嵌缝材料复合防水构造。

2 冻害原因分析

2.1 冻害发生情况

荒沟等4座隧道无冻害，与荒沟隧道相邻的南山隧道，2009年 1月高洞口端(进口)保温水沟冻结1 900 m，少量施工缝渗漏水，当年采取了加强保温措施，推迟至2010年2月高洞口(进口)端保温水沟冻结600 m，少量施工缝渗漏水。青山里隧道，2009年1月低洞口(出口)端保温水沟冻结30 m，2010年1月到2月冻结逐渐发展至140 m。松月1号隧道，2010年1月到2月低洞口(出口)端保温水沟冻结逐渐发展至80 m。

根据《铁路隧道防排水技术规范》(TB10119—2000J72—2001)中 7.4.2规定最冷月平均气温在－10℃以下地区，按表2选用排水形式。

表2 隧道排水形式

白河至和龙段隧道群地处和龙地区，最冷月平均温度－12.69℃，最大冻深1.5 m。按表2用保温水沟，理论上不应出现冻害。另外，荒沟隧道与南山隧道紧连，荒沟隧道无冻害，南山隧道土层冻结深度浅、高程低，却发生严重冻害，保温水沟冻结长达1 900 m。青山里、松月1号隧道与南山隧道走向相同，防寒结构也相同，南山低洞口端无冻害，青山里、松月1号隧道却在低洞口端发生冻害，荒沟、南山、青山里、松月1号隧道冻害位置示意见图1。

图1 荒沟、南山、青山里、松月1号隧道冻害位置示意

2.2 冻害过程及机理分析

2.2.1 冻害形成过程

经过近两年的观测和分析，冻害形成过程见图2。

图2 冻害形成过程

2.2.2 保温水沟冻害机理分析

和龙市气象局提供的部分2008、2009、2010冬季气温及风向资料见表3，2009年12月19日至2010年2月23日，和龙市与南山隧道进口端、隧道内温度对比见图3。

1)经测试南山隧道进口端洞内最低温度分布为，距洞口500 m范围内温度低于－15℃;500～900 m，温度低于－10℃;900 m以远，温度低于－5℃。南山隧道进口端500 m范围内，寒冷月平均气温低于－15℃，宜归属于＜－15℃区，应采用中心深埋排水沟形式，而实际采用的保温水沟的形式，就有可能发生冻害，这说明在设计隧道排水形式时，应考虑隧道内的局部气候条件。

表3 和龙市气象局提供的部分2008年、2009年和2010年冬季气温及风向资料

图3 和龙市与南山隧道进口端、隧道内温度对比

2)图4为南山隧道走向与冬季寒冷月主导风向关系示意图。分析可知，南山隧道2009年冬，寒冷月12月主导风向与隧道走向垂直，不易形成持续低温;2010年冬，寒冷月1月～3月连续三个月主导风向与隧道几乎平行，持续时间长，且线路坡度为9.5‰下坡，进口端对流频繁，降温快、易形成持续低温，虽当年加强了保温措施，但仍形成冻害。

图4 南山隧道走向与2009年12月至2010年3月主导风向关系示意

3)图5为荒沟隧道走向与冬季寒冷月主导风向关系示意图。从图上分析可知:荒沟隧道2009年冬，寒冷月12月主导风向与隧道走向平行，但持续时间短，且线路坡度为3.5‰上坡，不易形成持续低温;2010年冬，寒冷月1～3月连续三个月主导风向与隧道走向垂直，持续时间长，不易形成持续低温，不易形成冻害。

4)经过二年观测、分析，隧道有地下水是判断冻害隐患的必要条件，高洞端冬季寒冷月迎风，持续时间长，对流频繁，易形成持续低温，有地下水，无论大小，均易发生冻害。

图5 荒沟隧道走向与2009年12月至2010年3月主导风向关系示意

5)青山里、松月1号隧道2010年1～3月在低洞口端发生冻害，二座隧道海拔500～600 m，气温条件与和龙市内基本相同，经观测、分析是洞口至洞外保暖水沟检查井间排水沟保温措施不足，冻结后，致使洞内排水梗阻，水溢出排水沟发生冻害。

2.3 施工缝冬季渗漏水结冰机理

2009年、2010年隧道施工缝渗漏水均发生在冬季1～3月，其它时间无渗漏现象，分析原因是:①隧道二侧排水沟冻死后，排水沟梗阻，泄水孔、盲管排水受阻，原无压、有序排水变为有压、无序排水，地下水排水受阻，承压后在防水薄弱部位——施工缝处渗漏，持续低温而结冰。②拱顶未实施二衬回填注浆，起拱线至拱顶二衬顶面是水平面(塌落度大)，上拱是曲面，纵向是坡面，且山岭隧道纵坡都较大，因此存在施工空洞是必然的，富水洞必存有水囊，是形成渗漏的多发部位，故必须回填注浆堵死，才能消除隐患。

3 结论与建议

1)冻害地区隧道防排水设计施工，不能笼统以区域气象资料为依据，应搜集隧道所在位置的气象资料，明确局部气候条件后，确定防排水设施防冻害标准。

2)充分考虑隧道海拔高度、隧道走向与寒冷季节主导风向的关系、线路坡度等因素，条件不利时，经充分论证后，部分防排水设施宜采用较高一级的构造措施。

3)施工过程中做好气温、风向、地下水观测，取得第一手资料，特别注意防冻措施细节处理，尽量减少冷桥，为优化防排水防冻措施及冻害整治提供基础数据与资料。

［1］中华人民共和国铁道部.TB10119—2000J72—2001 铁路隧道防排水技术规范［S］.北京:中国铁道出版社，2001.

［2］刘春和.铁路隧道防排水工程病害整治［J］.铁道建筑，2010(5):69-71.