对寒区隧道防寒泄水洞的一些探讨

王先义,徐小涛

(重庆交通大学土木与建筑学院,重庆400074)

随着我国在青藏高原铁路、公路建设的兴起,高海拔寒冷地区隧道的关键技术问题日益受到工程界的关注和重视。在高海拔寒区修建隧道工程,与一般地区相比,技术问题要复杂得多,防抗冻技术是高海拔寒区隧道一大难题。在我国东北和西北地区有33座铁路及公路隧道,由于地处寒区,这些隧道都有不同程度的冻害。有的隧道由于冻害的影响,常年有8～9个月不能正常使用,有的隧道由于冻胀力的作用,衬砌裂缝宽达5 cm,严重影响正常运营[1]。

为了最大程度减轻隧道的冻害影响,建立合理有效的防排水系统至关重要。防寒泄水洞是隧道排除地下水的主要措施之一,其形状类似一个带孔的小隧道,位于隧道的正下方,泄水洞这种排水措施,可以大大减少或消除隧道内部冒水、挂冰、积冰、冻胀等病害[2]。但同时,防寒泄水洞对隧道的初期支护也有一定影响,本文结合青海省共和至玉树段的姜路岭隧道实际工程,利用数值分析软件对其影响进行模拟分析。

1 工程概况

1.1 地形与地貌特征

隧址区属冰缘侵蚀中高山,地形中间高南北低,东西两侧为山脉走向峰脊,海拔高程4 690 m,隧道海拔高度在4 280 m以上,地势总体西北高东南低,地形起伏较大,属中-浅切割区,其沟谷地段较平缓,山梁斜坡地段陡峻,山脊线和缓起伏,从山顶到山底有明显的分带性,山顶部寒冻风化剥蚀作用强烈 ,山体坡度在 30°～ 40°之间,部分基岩裸露,坡下堆积碎石堆,植被不发育;中部坡度在20°～35°之间,局部基岩裸露,大部分为坡积、坡洪积覆盖,地表草甸植被较发育;下部山体坡度较缓,坡度在15°～25°之间。山顶沟谷以“V”型峡谷为主,下部河谷横断面呈“U”型宽谷。该区是片状和连续多年冻土分布区,沟谷第四系松散堆积物分布广泛,冰缘作用十分发育,热融洼地、冻胀丘、冻土草沼等冰缘地貌较普遍。图1为姜路岭隧道进口。

图1 姜路岭隧道进口

1.2 隧址区气象条件及沿线水系及水文概况

姜路岭隧址区为高原大陆性半干旱气候,冬季寒冷且持续时间长,年平均气温-4.2℃,年最低气温-10.3℃,极端最低气温-48.1℃,昼夜温差大且气压较低,与平原相比,该地区的大气含氧量低40%,缺氧严重,全年冰冻期长达7个月,降水期主要集中在五至九月份,年平均降水量369.2 mm。由此可见,该隧址区气候条件十分恶劣,为典型的高原寒区隧道,需注意防寒抗冻的设计与施工,避免施工时或者施工完成后发生冻胀破坏。隧址区地表水主要为姜路岭山顶及两坡面接纳大气降水,顺坡汇流,北坡流入山底小河,流量为0.1 m3/s～0.5 m3/s,最后汇入长水河;南坡流入山底小河,流量为0.1 m3/s～0.4 m3/s,最后汇入苦海;南、北坡地表水均为季节性流水,夏季时水量较大,冬季时水量较少,河床狭窄,河流弯曲呈S型。

2 隧道防寒泄水洞的施工探讨

为了解决隧道围岩低温和水形成冻融的难题,在隧道底部3.5 m～5 m处修建防寒泄水洞,通过φ160PE竖向泄水管和φ100泄水孔与上层隧道排水系统相连接,形成上下连接的排水系统,通过该系统将衬砌后面围岩中的地下水汇集在泄水洞中,然后再排出隧道,如图2所示。

2.1 防寒泄水洞保温措施

防寒泄水洞在修筑完成后投入使用的过程中,如果不采取合理有效的保温措施,在温度低时,会发生泄水洞内结冰现象,泄水洞将丧失排水功能,比如在早期我国东北地区嫩林线西岭1号、2号隧道[3],最冷月平均气温达到-28℃,在隧道运营期间,泄水洞部分段出现冻结,影响了隧道排水效果。

为防止这一点,泄水洞施工期间,需做好保温措施。第一,泄水洞衬砌全线段铺设保温隔热材料,温度较高季节时,保温层能阻止热量向泄水洞衬砌背后流动,防止泄水洞附近围岩发生热融现象而影响隧道稳定性。在极寒气候条件下,保温隔热层能阻止泄水洞衬砌和围岩热量的散失,既能减小出现冻胀破坏的几率,又能保持泄水洞内温度,使洞内不出现冻结现象。姜路岭隧道防寒泄水洞采用5 cm厚聚氨酯泡沫保温层,聚氨酯材料导热系数低、吸水率低,能有效地隔绝热量传递。第二,在隧道进出口设置防寒保温门,在冬季时可缓解冷空气长驱直入到隧道内部,形成冷能积累而造成冻胀破坏。第三,泄水洞的出水口若被冻结住,则整个排水系统将受到影响,所以,将泄水洞出口设计成椎体式保温出水口,施工时,加大出水口流水面坡度,一般不小于8%,保持排水的流速可减少水因温度下降而冻结现象。

图2 姜路岭隧道进口冻土段防寒泄水洞设计图

2.2 防寒泄水洞施工时产生的热融效应探讨

2.2.1 热融效应

姜路岭洞口段为多年冻土分布区,在未进行泄水洞和隧道主洞施工扰动时,土层常年处于冻结状态,岩层内力处于平衡状态,岩体节理和裂隙内的水以冰体的形式填充。施工时,为满足施工人员、机械的工作环境要求以及模筑混凝土的质量要求,此时洞内温度高于围岩温度,热量将由洞内传递到裸露围岩上,使得部分范围内的围岩温度将达到一定程度,造成永久冻土冰体融化,原本内力的平衡状态关系被打破,热融区围岩丧失稳定性,极易发生隧道大面积沉降甚至坍塌等现象[4]。

2.2.2 热融圈深度

如何避免热融效应的不利影响,控制好施工时洞内温度是一个重要因素,把洞内温度控制在既不会导致多年冻土大范围发生热融效应,又能保证施工质量和效率。对于需要施工防寒泄水洞的隧道来说,一个施工断面需要同时考虑泄水洞和隧道主洞的热融影响,控制好热融圈的深度,避免两个热融圈贯通在一起,从而避免大范围危险情况发生,示意图如图3(a),但是在实际施工过程中,各种复杂条件的限制以及突发情况的不确定性,很难保证热融圈深度如图3(a)情况,存在变成图3(b)情况的可能性,所以,应采取措施,使得泄水洞和隧道主洞的热融圈深度为图3(c)所示。

图3 泄水洞和隧道主洞的热融影响示意图

采取的措施有:(1)当泄水洞位于主洞断面以下时,应先施工小断面泄水洞,这样可起到地质超前预报、降低地下水的作用;(2)防寒泄水洞断面应考虑小型施工机具的使用,尽可能提高机械化施工程度,与纵向排水管相连的竖向泄水孔应采用钻机钻孔;(3)防寒泄水洞的明洞段须在冰冻之前完成施工;(4)防寒泄水洞应超前主洞100 m以上,保证在开挖主洞时,该断面上的泄水洞围岩热力学重新达到平衡状态。

3 防寒泄水洞的数值分析

3.1 数值计算模型

由于本文主要研究的是施作防寒泄水洞后,对开挖主洞的影响分析,主要从隧道初次衬砌的位移沉降和应力状态两方面进行比较分析,所以选用GTS作为数值模拟软件较为方便、合理。

根据姜路岭隧道的工程概况,本次计算选取进洞段作为研究对象,材料物理参数见表1。

表1 材料物理参数

在一般情况下,隧道周围大于三倍洞跨以外的围岩受到隧道施工的影响较小,所以,本模型左右边界的计算范围取隧道洞跨的三倍,但因为垂直方向考虑泄水洞的影响,隧道到底部边界取洞跨的五至六倍,GTS三维划分网格模型见图4所示。

图4 GTS网格划分

3.2 计算结果

前文已提及防寒泄水洞应超前主洞100 m以上,本文将施工工况定义为以下几个阶段(见表2)。

表2 施工工况定义表

3.3 稳定后的位移沉降对比

根据上述施工工况进行定义,得出各个施工阶段的结果,分别取无防寒泄水洞和有防寒泄水洞的最后支护主洞阶段进行结果对比。数值模拟结果见图5。

对有泄水洞和无泄水洞两种施工条件进行数值模拟,可以发现,开挖泄水洞引起的最大沉降发生在泄水洞拱顶位置,为1.9 mm,泄水洞底部隆起2.8 mm。在此基础上开挖隧道主洞,稳定后最大沉降在主洞拱顶,为6.8 mm,隧道主洞底部隆起17.7 mm。而在不考虑有泄水洞的情况下,开挖隧道至稳定时,最大沉降为6.8 mm,最大隆起为19.8 mm。比较两者不同情况下的位移关系,可发现,超前开挖泄水洞,对主洞的沉降影响可以忽略不计,从一定程度上还抵消了由于围岩应力重新分布引起的隧道底部隆起现象。

图5 有、无泄水洞两种施工条件数值模拟结果

4 结 论

水是寒区隧道发生各种病害的重要因素,通过修建防寒泄水洞,与泄水孔、盲沟、支导洞、椎体保温出水口、检查井等组成排水系统,可以大大缓解或消除隧道内部冒水、挂冰、积冰、冻胀等病害现象发生。本文对泄水洞的保温措施和热融效应进行探讨,提出了全线段铺设保温隔热材料、设置防寒保温门和采用椎体式保温出水口措施;在施工时应保证防寒泄水洞超前主洞100m以上,避免主洞和泄水洞热融圈相连贯通;利用GTS对姜路岭隧道设泄水洞和不设泄水洞两种工况模拟,得出在超前开挖泄水洞时,对主洞的沉降影响可忽略不计。

[1]周幼吾,郭东信,邱国庆,等.中国冻土[M].北京:科学出版社,2000,3:12-14.

[2]张亚兴.嘎隆拉隧道抗防冻及防排水技术的研究[D].重庆:重庆交通大学,2009:83-84.

[3]蔡荣和.修建防寒水沟的几点体会[J].路基工程,1992,(3):4-5.

[4]张 耀,何树生,李靖波,等.寒区有隔热层的圆形隧道温度场解析解[J].冰川冻土,2009,31(1):113-118.