含多年冻土层的公路隧道排水设计

张秋辉， 夏才初， ， *， 范东方， 韩常领

(1. 绍兴文理学院土木工程学院， 浙江 绍兴 312000； 2. 同济大学地下建筑与工程系， 上海 200092；3. 中交第一公路勘察设计研究院有限公司， 陕西 西安 71007)

0 引言

我国多年冻土约占国土面积的22.4%，主要分布于青藏高原、西部高山、东北大小兴安岭及松嫩平原北部等地[1]。随着西部大开发战略的实施，我国已修建了多条含多年冻土层的公路隧道，积累了一些多年冻土地区隧道的防排水设计及施工经验。周晋筑[2]以昆仑山多年冻土隧道为背景，系统介绍了隧道洞内全长设置双侧保温水沟以及环、纵向排水管等防排水设计体系。刘国玉[3]介绍了大阪山公路隧道在围岩和衬砌层之间铺设防水板和排水板，并沿隧道全长在路基下方5 m处设置无压防寒泄水洞，同时设置导水洞、盲井、盲沟、排水板等组成完整的防排水系统。王明阳[4]从注浆堵水、结构自防水和系统排水3方面介绍了新交洞隧道的防排水技术，提出了在隧道两侧下隅角全长设置岩棉保温层及设置PTV电热带进行主动加热，保证排水通畅。张国柱等[5]以内蒙古博牙高速林场隧道为背景，介绍了利用围岩地温实现对隧道洞口段衬砌和保温水沟加热的地源热泵型防冻保暖系统。夏才初等[6]分析了不同类型冻土段冻土的冻融特性，并研究了不同类型冻土段中防寒泄水洞的布置形式以及适用性，提出了一种适用于多年冻土隧道的新型防寒泄水洞。马志富等[7]对严寒地区隧道冻害情况进行调研，提出了寒区隧道防排水设计的分区方法及设防建议长度。

此外，我国JTG D70—2004《公路隧道设计规范》[8](简称《规范》)、JTG/T D70—2010《公路隧道设计细则》[9](简称《细则》)也对多年冻土区公路隧道的防排水设计做出了一些规定。总结现有的规范要求和一般设计可知，含多年冻土层公路隧道防排水系统是在参考一般隧道设计要求及原则的基础上，考虑隧址区气候严寒恶劣、洞内外温度降低、衬砌背后围岩受冻融影响导致洞内排水不畅、路面结冰等特点而设计的，一般由隧道洞内排水沟(主要包括双侧保温水沟、中心深埋水沟、防寒泄水洞等)、横向排水管、环纵向排水盲管、防水板及其垫层、隔热保温层等组成[10]。

但从大量的工程实践[11-13]来看，多年冻土地区隧道建成后仍普遍出现渗漏水并引发不同程度的冻害。相关资料表明,已建成的多年冻土区隧道在运营期由于冻害的影响，80%以上的隧道存在衬砌裂缝、路面结冰、排水不畅等病害现象，其中60%的隧道是由于排水系统失效出现了渗漏水[14]。例如，朱国伟[15]2012年对位于哈尔滨滨州线的兴安岭隧道以及杜草隧道现场调研发现，两隧道均全长冻结，洞外温度在-4(白天)～-17 ℃(夜间)，出现渗漏水、结冰等冻害，该路段道床每隔几个小时就需凿除一次；位于新疆的天山2号公路隧道，在建成后就发生了较为严重的渗漏水现象，且在1个月后就出现了排水管堵塞、路面结冰、衬砌挂冰等病害[16]；新疆玉希莫勒盖隧道年平均气温-2.2 ℃，由于排水系统失效，出现路面结冰、洞顶挂冰，导致车辆无法通行，最终因形成冰塞而报废[17]；另外，位于多年冻土地区的东北嫩林塔河—樟岭白卡尔隧道、朝阳村1号隧道、恒山隧道、西罗奇2号隧道、林碧支线上的翠岭2号隧道在隧道运营期均出现了漏水风化、排水不畅等，给行车带来了很大的安全隐患[18]。此外，由于隧道排水沟、出水口等施工不良，也会导致防排水失效[19]，例如奎先隧道在进行保温水沟施工时，洞外出水口防寒设施不到位，导致出水口被冻结，冻害逐步向洞内发展；白卡尔隧道由于保温水沟施工时埋深不足，导致水沟被冻；兰武二线黑松驿隧道，由于洞外出水口及检查井没有施作保温措施导致结冰，水流无法排出。

上述研究表明，现有理论、设计规范仍存在不足之处，加上施工及监管不到位，不能很好地解决多年冻土地区公路隧道防排水设计中遇到的问题，防排水系统往往会因设计或施工不当而失效。因此，对含多年冻土层的公路隧道排水系统的现有设计进行系统分析是十分必要的；另外，典型的多年冻土隧道一般会穿越不同类型的冻土段，而现行设计中大多只能采用工程类比法进行多年冻土区公路隧道防排水系统的设计，设计的合理性以及有效性无法得到保证，因此，对典型复杂的含多年冻土层公路隧道来说，排水系统应该如何进行分段设计以及各分段之间该如何衔接也是急需解决的问题。本文考虑含多年冻土层公路隧道可能穿越的冻土类型，通过总结规范及现行排水系统设计中的一般规定和设计原则，分析其在现行设计中的潜在问题，提出含多年冻土层公路隧道排水设施的分段设计及各分段之间的相互衔接技术，以期为多年冻土区公路隧道排水系统的合理设计提供依据和参考。

1 现行规范中的排水设计原则及潜在问题

1.1 规范要求和一般设计

现行《规范》及《细则》对严寒及多年冻土区公路隧道的排水设计做出如下专门规定：

1)寒冷且富含地下水的隧道，当最冷月平均气温为-10～-15 ℃时，当地黏性土冻结深度为1～1.5 m，宜采用双侧浅埋保温水沟，其埋深按当地黏性土最大冻结深度考虑；

2)当最冷月平均气温为-15～-25 ℃时，当地黏性土冻结深度为1.5～2.5 m，宜采用中心深埋水沟，将水沟埋置于洞内相应的冻结深度以下，利用低温达到水沟内水流不冻结的目的；

3)当最冷月平均气温低于-25 ℃，当地黏性土冻结深度大于2.5 m时，在主洞隧道以下宜采用防寒泄水洞，泄水洞设置应低于围岩最大冻结深度。

上述设计的依据是通过对我国东北、华北等严寒地区已建铁路隧道的调查，发现当最冷月平均气温为-10～-15 ℃时，如果只设计水沟而不采取防寒保温措施，水沟将会产生冻结现象，而采取双侧浅埋保温水沟(埋深1.2～1.6 m)则不会产生冻结；当最冷月平均气温为-15～-25 ℃时，如采用浅埋保温水沟，隧道洞内围岩一定范围内也会产生冻结，所以这种情况下宜设置中心深埋水沟；当最冷月平均气温低于-25 ℃，且围岩的冻结深度在5.5 m以上时，洞内如果设置中心深埋水沟，施工时采用明挖法，不仅施工困难、对冻土围岩产生扰动，且遇到松软围岩时，深挖拉槽还会影响边墙的稳定性，宜设置防寒泄水洞。

1.2 现行设计规定中的潜在问题

从上述一般设计要求可以看出，《规范》仅以最冷月平均气温及当地黏性土冻结深度范围来进行多年冻土区公路隧道排水系统设计，而没有专门针对不同类型冻土段的排水设计做出规定。但实际上，当某地区地面年平均温度低于0 ℃时就有了多年冻土发育的可能，当地面最冷月平均气温低于0 ℃就可能产生季节冻土；除了这2类冻土外，多年冻土地区隧道还可能穿越非冻土层，由于地热的存在，这类土体温度为正温；而季节冻土下限一般为地表下几m，因此，由于隧道埋深的不同，多年冻土区公路隧道往往不是从单一的冻土层穿过，而是一般会被分成不同类型的冻土段，包括季节冻土段、多年冻土段以及非多年冻土段，如图1所示[20]。而季节冻土层多位于洞口两端且长度较短，对于一整座隧道而言，季节冻土层的排水系统设计方法大多与相连的多年冻土或非冻土段合并在一起考虑，故含多年冻土层的公路隧道应重点研究多年冻土段和非冻土段的排水设计。

图1 穿越季节冻土、多年冻土和非冻土的隧道

Fig. 1 Tunnel crossing through seasonal frozen soil, permafrost and non-frozen soil

不同冻土段的冻土特性、地下水赋存情况及排水设施的布置对冻土的扰动情况等均不相同，因此，仅依靠最冷月平均气温来进行隧道全长的排水系统设计不一定合理，在隧道建成运营后会出现不同程度的病害。此外，《规范》仅强调了低温条件下路面及路基下排水沟的设置而没有重视各种排水盲管、盲沟的保温处理，从工程实践看，很多防排水系统的失效都是从这些排水盲管、盲沟被冻结堵塞开始的。因此，多年冻土区公路隧道排水系统设计应在《规范》规定的基础上，结合不同类型冻土的特点以及地下水发育情况进行分段设计，同时还应考虑相邻2段排水系统之间的相互衔接。

2 多年冻土隧道排水系统分段设计及各分段间的衔接技术

2.1 不同类型冻土段的排水系统设计

多年冻土区公路隧道进行排水设计时应考虑穿越的冻土类型以及地下水发育情况，参考现有的规范规定并结合工程地质条件对沿隧道纵向的排水系统进行分段设计，并考虑衬砌背后各种环向纵向排水盲管、盲沟、路面下横向排水管的保温处理，避免冻害的发生[21]。

2.1.1 季节冻土段

季节冻土段位于洞口两端且下限一般只有地下几m，其排水设计对整座隧道影响不大，现有《规范》也没有专门针对洞口季节冻土段防排水设计做出规定，其排水设计一般按与之相连的多年冻土段或非冻土段考虑。隧道开挖后，洞口季节冻土段冬季受到外界低温的影响，往往会导致衬砌背后环向、纵向排水设施以及路面下横向排水管发生冻结。因此，季节冻土段还需在洞内衬砌表面、洞口段一定范围内路面以下或横向排水管外侧铺设保温材料，防止衬砌背后排水设施以及路面下横向排水管冻结。

2.1.2 多年冻土段

多年冻土段外来水源较少，同时为了保护多年冻土的原始状态，避免防寒泄水洞或中心深埋水沟施工时对多年冻土的扰动而使多年冻土层发生融沉变形，多年冻土段的排水系统设计仅需设置保温水沟排出少量的地下水，并采用帷幕注浆防止季节冻土或非多年冻土段的水流向多年冻土。

2.1.3 非冻土段

现有的寒区隧道设计往往只强调了路基下排水设置的防冻，而没有重视环向、纵向、横向排水管的保温处理，这会造成衬砌背后环、纵向排水管被冻，无法经横向排水管进入中心深埋水沟或防寒泄水洞。因此，非冻土段排水系统应在《规范》规定的基础上，综合考虑地下水量的大小及最冷月平均气温来设置排水形式，如表1所示；同时还需采取适当的措施，保证隧道各个位置处的排水系统不冻结，如通过在洞内铺设保温层，防止衬砌与二次衬砌之间环向排水管不冻结；对拱脚处的纵向排水管敷设保温材料和防水材料；对于横向排水管，位于隧道围岩最大冻结深度以上的部分进行防冻保温处理，以防止其受冻。

表1 非冻土段排水系统布置形式

2.2 各分段间排水系统的相互衔接

在进行多年冻土隧道排水系统设计时，除了应根据冻土类型选择每个分段合适的排水形式外，还应考虑各个分段之间排水系统的相互衔接。由多年冻土隧道可能穿越的冻土类型来看，不同类型冻土段之间排水系统的衔接可以分为以下3种情况： 1)季节冻土段和多年冻土段排水系统的衔接； 2)季节冻土段和非冻土段排水系统的衔接； 3)多年冻土段和非冻土段排水系统的衔接。在实际工程中，季节冻土段按与之相连的冻土段或非冻土段设计。下面对多年冻土段和非冻土段排水设计及衔接进行重点分析，考虑到隧道坡度有单坡和人字坡2种常见型式，在分析中将根据坡度情况分别讨论。

2.2.1 多年冻土段和非冻土段排水系统的衔接

由上述可知，当多年冻土段采用保温水沟排水时，则与非冻土段的衔接就有保温水沟分别与保温水沟、中心深埋水沟以及防寒泄水洞连接这3种情况。

2.2.1.1 “保温水沟-保温水沟”的衔接

此种情况最为简单，无论隧道是单坡还是人字坡，只需将2段保温水沟相连接即可。

2.2.1.2 “保温水沟-中心深埋水沟”的衔接

1)当隧道为单坡时，地势高的一端的地下水是从多年冻土段流向非冻土段(见图2)，此时，可按图3所示的方法处理多年冻土段保温水沟和非冻土段中心深埋水沟的衔接，即在多年冻土与非冻土交界处施作引水洞，将多年冻土段保温水沟中的地下水引至中心深埋水沟；而对于地势低的一端，非冻土段的地下水若要排出洞外，需经过多年冻土，这样就需要在多年冻土段下部修建排水设施与非冻土段相连接，但这样不仅会对多年冻土产生扰动，从而影响隧道结构安全，同时还会影响施工进度。故应使地势低的一端的排水不经过多年冻土段排出，其排水设计与人字坡类似，将在下文论述。

图2 多年冻土与非冻土衔接示意图

2)当隧道为人字坡时，非冻土段的地下水同样需经过多年冻土段进而排出洞外，而且是需经过进、出口两端。为解决上述问题，可以使隧道多年冻土段与非冻土段的排水系统相互独立，在多年冻土段与非冻土段交界处，根据隧道左右线间距、山体形貌等因素，分为以下2类情况将左、右线非冻土段的地下水不经多年冻土段而引至洞外，让非冻土段的地下水不经过多年冻土下方而排出洞外，具体措施如下[22]：

①通过设置地下排水洞，将左、右线中心深埋水沟中的水直接排至一侧山体之外。当隧道多年冻土段与非冻土段的交界处有比到洞口短的山体表面出口时，地下排水洞从该处引出山体外。若隧道左右线间距较大，可以将地下排水洞布置在左右线之间，如图4所示；若隧道左右线间距较小，可以将地下排水洞布置在山体一侧，如图5所示。当地下排洞位于非冻土中时，其埋深只需大于隧址最大冻结深度即可，可以利用地温使得水流在冬季不被冻结；当地下排水洞位于多年冻土中时，需采取保温措施以防止水流被冻结。

图3 保温水沟与中心深埋水沟的衔接

Fig. 3 Connection between thermal insulation ditch and center deep-buried ditch

(a) 横剖面图

(b) 平面布置图

1—纵向排水管； 2—横向排水管； 3—中心深埋水沟； 4—环向排水管； 5—地下排水洞； 6—导水洞； 7—多年冻土段； 8—非冻土段。

图4 地下排水洞提前出洞时排水系统布置图(左右线间距较大)

Fig. 4 Layout of drainage system when underground drainage ditch exits in advance (large spacing between left and right lines)

(a) 横剖面图

(b) 平面布置图

1—纵向排水管； 2—横向排水管； 3—中心深埋水沟； 4—环向排水管； 5—地下排水洞； 6—导水洞； 7—多年冻土段； 8—非冻土段。

图5 地下排水洞提前出洞时排水系统布置图(左右线间距较小)

Fig. 5 Layout of drainage system when underground drainage ditch exits in advance (small spacing between left and right lines)

②通过设置地下排水洞，将左、右线中心深埋水沟中的水沿隧道轴向排出洞外。当隧道多年冻土段与非冻土段的交界处没有比到洞口短的山体表面出口时，为了使左、右线中心深埋水沟(或防寒泄水洞)中的水顺利排出洞外，可以将地下排水洞沿隧道轴向方向布置。

若隧道左、右线间距较大，在左右线之间合适位置处布置地下排水洞，为保证主洞结构安全，隧道左、右线多年冻土段应位于地下排水洞施工开挖影响范围之外；同时使隧道左、右线多年冻土段位于地下排水洞温度影响范围之外，以避免主洞附近多年冻土融化，产生融沉现象。此外，因隧道左、右线中间的地下排水洞直接穿过多年冻土，为避免水流冻结、保证排水系统的通畅，应当采取适当的保温措施。地下排水洞沿隧道轴线方向从多年冻土段与非冻土段交界处开始，至隧道洞口处截止，在隧道多年冻土段与非冻土段交界处将左、右线中心深埋水沟中的水经导水洞引至地下排水洞并排出洞外，如图6所示。

若隧道左、右线间距较小，根据地形、地质条件及出口山坡情况，在隧道左线或右线外侧合适位置布设地下排水洞，使隧道左、右线多年冻土段位于地下排水洞施工开挖以及冻融影响范围之外。此外，应使多年冻土段与非冻土段交界处的中心深埋水沟到地下排水洞的距离最短，以节省建设投资。若地下排水洞沿隧道轴向方向所穿越地层为多年冻土，则应采取适当的保温措施以避免水流冻结；若为非冻土，则只需使地下排水洞的埋深大于隧址最大冻结深度即可，利用地温避免水流在冬季被冻结，而无需再采取保温措施。地下排水洞沿隧道轴线方向从多年冻土段与非冻土段交界处开始，至隧道洞口外排水洞保温出水口处截止，如图7所示。

(a) 纵剖面图

(b) 平面布置图

3—中心深埋水沟； 5—地下排水洞； 6—导水洞； 7—多年冻土段； 8—非冻土段； 9—隧道主洞。

图6 地下排水洞布置在左右线之间的排水系统布置图(左右线间距较大)

Fig. 6 Drainage system layout of underground drainage ditch arranged between left and right lines (large spacing between left and right lines)

上述排水系统的优点在于： 1)用1条地下排水洞替代左右2条隧道冻土段下部的排水结构，还可以节省施工成本； 2)通过隧道左、右线中间或轴线外侧的地下排水洞，在多年冻土段与非冻土段交界处将非多年冻土段的地下水不经多年冻土段而引至洞外，由于不再需要在隧道多年冻土段处增加其他排水结构，极大地减少了人为施工活动对隧道洞内结构安全性和施工进度的影响，同时也使得多年冻土段不受施工影响而产生扰动，有利于隧道结构安全以及长期稳定； 3)当隧道为单线时，此类排水结构布置形式仍然适用。

2.2.1.3 “保温水沟-防寒泄水洞”的衔接

这种情况和第2种情况类似，只是中心深埋水沟变成了防寒泄水洞。

2.2.2 施工实施步骤[21]

1)隧道施工应“保护冻土，防融防冻”，多年冻土段选择在冬季施工，防止发生冻土融沉破坏。隧道开挖后，对开挖范围的围岩进行预加固及初期支护。

2)在多年冻土段初期支护及二次衬砌仰拱完成后，沿隧道铺设环、纵向排水管，通过横向排水管与保温水沟相连。

3)地下排水洞的布设位置根据隧道左右线间距选择，采用暗挖法施工，挖至多年冻土段与非冻土段交界处。

4)在非冻土段下台阶落底后，分段施作初期支护仰拱，开挖隧底中心深埋水沟及预埋横向排水管，埋设后完成中间剩余初期支护仰拱，浇筑二次衬砌仰拱。在非冻土与多年冻土交界处，施作导水洞与中心深埋水沟、防寒泄水洞相连。

5)当隧道开挖至非冻土段，按设计深度及尺寸施工深埋中心水沟，横向排水管与拱脚的纵向排水管相连，施作初期支护仰拱、二次衬砌仰拱、铺设防水板、保温层。

(a) 横剖面图

(b) 平面布置图

1—纵向排水管； 2—横向排水管； 3—中心深埋水沟； 4—环向排水管； 5—地下排水洞； 6—导水洞； 7—多年冻土段； 8—非冻土段。

图7 地下排水洞布置在左右线一侧的排水系统布置图(左右线间距较小)

Fig. 7 Drainage system layout of underground drainage ditch arranged on one side of left and right sides (small spacing between left and right lines)

3 结论与讨论

本文针对多年冻土区公路隧道可能穿越不同类型冻土段的复杂情况，结合规范及现行设计中的一般规定和设计方法，对其潜在问题进行分析，提出多年冻土隧道排水系统应根据不同类型冻土段进行分段设计；考虑不同类型冻土段排水设施的不同，提出了各分段间的相互衔接技术。主要结论与讨论如下：

1)多年冻土隧道排水系统设计应参照《规范》，并在此基础上考虑隧道穿越的冻土类型以及地下水发育情况进行分段设计。

2)典型的多年冻土隧道往往不是从单一的冻土层中穿过，而是被分成不同类型的冻土段；而不同类型冻土段排水系统设置形式不同，各冻土段的排水系统应相互衔接，并应结合隧道坡度情况进行合理选择。

3)多年冻土段与非多年冻土段相互连接时，当非冻土段设置有中心深埋水沟或防寒泄水洞时，为减少对多年冻土的扰动，应使非冻土段的地下水不流经多年冻土下方而排出洞外。可根据山体形貌或隧道左、右线间距情况选择通过一条地下排水洞将左、右线中心深埋水沟中的水直接排至一侧山体之外或者沿隧道轴向排出洞外。

在以后的研究中，可根据实际工程情况进一步优化和完善排水系统设计，使设计更加合理。