高海拔寒区铁路隧道保温排水技术研究

马志富 杨昌贤

(中国铁路设计集团有限公司, 天津 300308)

位于青藏高原东端的川藏铁路工程，因所在地区地势高，空气稀薄，冬季冰雪覆盖面广，受高原的冷源作用，形成了青藏冷高压，使高原空气向外流动，呈反气旋式环流，导致气候寒冷，属高海拔寒区。

工程实践表明，寒区隧道防排水系统不畅时，常常出现冻害，影响隧道的使用功能[1-3]。隧道冻害产生的原因，主要在于受所处环境温度随季节变化的影响，当地下水发育时，寒区隧道结构及周边一定范围的围岩需经历周期性的冻融循环，易引起渗漏、结构裂损等问题，加剧了隧道防排水系统的失效，降低了隧道衬砌结构的耐久性。因此，围绕隧道形成一个完善、通畅的保温排水系统是十分必要的。

我国隧道技术人员围绕高海拔寒区隧道的保温层设置、保温防排水设计、围岩温度场、冻胀力等开展了大量研究，积累了丰富的隧道冻害处治经验。郑波等人[4]通过实测运营的雀儿山公路隧道的洞内温度数据，分析了高海拔严寒地区特长公路隧道的保温层铺设长度；王平安等人[5]依托位于青藏高原东北缘的兰新高速铁路祁连山隧道和大梁隧道，开展了严寒地区隧道冻害防治研究，提出采取措施保证隧道防水可靠、排水畅通是防治冻害的关键；高燚等人[6]通过调研分析高纬度地区和高海拔地区隧道的冻害特点，提出了寒区隧道分区的建议，并分析了寒区隧道保温排水的技术现状；刘秀等人[7]从保温排水系统设计要素、类型、保温材料选择等方面分析了高海拔寒区隧道保温防冻系统设计；李又云等人[8]依托川西某高海拔寒区隧道，实测了隧道径向温度和水压力，采用数值模拟分析了隧道的冻胀力；马志富等人[9]提出了高纬度寒区铁路隧道保温排水设施设计标准。

目前寒区隧道总体缺乏统一的保温排水设计标准，上述的研究成果也不能完全适用于特长隧道众多、隧道规模巨大、处于高海拔寒区的川藏铁路。因此，进一步开展适于高海拔寒区的铁路隧道保温排水技术研究是必要的。

为此，本文总结了我国多行业寒区分类方法、原则和寒区隧道保温排水措施现状，提出了川藏高海拔寒区隧道的保温排水方案，以期为解决高海拔寒区铁路隧道的冻害提供技术参考。

1 寒区分类

1.1 各行业分类

目前，国内工民建、水工、公路及铁路等行业关于寒区的分类方法、原则及区划情况如表1所示。

表1 国内不同行业规范及标准寒区分类情况一览表[10-19]

此外，文献[20]采用区域冻结指数对季节性冻土区进行了冻区划分，如表2所示。

表2 季节性冻土区划分表[20]

冻结指数F可根据调查的区域气温资料按式(1)确定。

(1)

式中：F——冻结指数(℃·d);

ti——日平均负温度值(℃·d);

n——计算年平均温度为负温度值出现的天数。

国内各行业关于寒区的分类，除《建筑气候区划标准》划分为7个一级区，其中Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅵ区、Ⅶ区为寒区外，其余标准基本按严寒、寒冷、温和或微冻划分。而关于分类的原则，《民用建筑热工设计规范》、《建筑气候区划标准》和《季节性冻土地区公路设计与施工技术规范》从负能量累积的角度，以最冷月平均气温和日平均气温小于5 ℃的天数两个指标来划分，水工、公路及铁路等行业则以最冷月平均气温一个指标来划分。

1.2 中国科学院寒旱区研究所分类

中国科学院丁永建研究员[21]提出可采用最冷月平均气温<-3 ℃、平均气温>10 ℃的月份不超过5个和年平均气温≤5 ℃等3项指标来划分寒区。

综上所述，影响寒区分类的因素众多，不同行业采用了不同的划分方法。铁路隧道在进行防冻、抗冻设计时，一般情况下，可按最冷月平均气温及黏性土最大冻结深度划分寒区，如表3所示。但应注意就铁路隧道而言， 这种分类方法主要适应于高纬度地区。高海拔地区的分区方法尚需结合该地区的气候条件进一步研究确定。

表3 铁路隧道寒区分类表

2 寒区隧道保温排水技术现状

2.1 国外现状

(1)日本

针对寒区隧道的冻害问题，日本的工程技术人员主要采取在二次衬砌表面或初期支护与二次衬砌间设置被动隔热保温层和通过设置电加热或暖气管对排水系统进行主动加热两种处治方案。

(2)俄罗斯(前苏联)

俄罗斯对寒区隧道冻害问题的研究起步较早，前苏联时期就开展了采用保温或加热方法治理隧道冻害的探索。一般采取设置完善的隧道防排水系统，确保隧道排水通畅并达到防止冻害的目的。有时也对排水系统采取主动加热，在衬砌表面敷设保温层保温，或采暖通风等方法防治隧道冻害。

(3)欧洲其他各国

由于所处地理位置的原因，欧洲尤其是北欧国家的隧道工程经常受冻害影响。因此，这些国家对隧道冻害的研究起步较早，目前主要采用防水、防冻棚和隔离墙板等冻害处治措施。

针对隧道冻害，挪威早期选用铝板结合石棉板作为防水棚，但因费用高而逐步弃用。目前一般采用具有防水保温功能的复合材料作为湿喷钢纤维混凝土永久衬砌的离壁式内衬，达到防止隧道冻害和装饰的目的。这种复合材料由掺入玻璃纤维的聚苯乙烯作为外壳，中间加入保温效果良好的聚氨酯泡沫材料，施工工艺简单，效果良好。此外，挪威还在寒区隧道洞口设置了列车接近时自动开启、离开后自动关闭的防寒保温门，达到保温防寒的目的。法国则主要通过在隧道内表面安装由聚乙烯泡沫和钢筋混凝土组成的隔离墙板来达到防水和保温的目的。

(4)美国

围绕寒区隧道冻害，美国将隔热性能良好的聚氨酯类保温材料制作成板材并敷设在初期支护或二次衬砌内表面，对洞内排水系统和洞外的出水口采取保温处理，有时还对排水系统采取主动加热等措施，确保隧道排水畅通不冻结。

综上，国外针对寒区隧道的冻害处治，结构上主要采用隔热保温方式，排水系统主要采取主动加热方式。

2.2 国内现状

针对隧道冻害问题，国内主要从防排水防冻和结构抗冻两方面入手。

(1)防水系统抗冻

受季节性温度变化影响，我国铁路隧道根据季节性冻土区的地下水冬季多呈固态、夏季则为液态的特点，一般围绕隧道设置通畅的排水系统，满足排水系统全年排水通畅的需求。尤其是严寒地区，通过在隧道结构下部设置深埋排水管排水，充分利用地温达到抗冻目的。根据多年冻土区地下水全年冻结成冰状的特点，我国铁路隧道一般在初期支护与二次衬砌间设置保温层保温，从而避免隧道周边冻土发生融化而导致冻害。

此外，围绕隧道运营期出现的冻害问题，有时也对排水系统设置电伴热的主动加热技术，保证冬季进入隧道排水系统的地下水不冻结。一些寒区公路隧道在衬砌表面敷设保温层保温防冻，也取得了不错的成效。

(2)结构抗冻

①对渗透性较强的破碎围岩或土层采取注浆加固并堵水措施，减少地下水入渗，缓解冻融作用对结构的影响。

②采取加大断面曲率、衬砌结构配筋等措施，提高隧道结构抗冻能力。

③二次衬砌按一定长度设置变形缝，消减大温差引起的温度应力影响，降低衬砌开裂风险。

3 寒区铁路隧道设计分区研究

3.1 关于年平均气温的引入

隧道是一种埋置于地下的线状建筑物，其使用功能不可避免地受地层温度、地下水等环境因素影响。矿区地温预测研究表明：近地表的地层温度会受季节性气温变化影响，其温度变化幅度随着深度增加而逐渐降低。当近地表的地层温度随气温的变化幅度小于0.1 ℃时，该处地层通常称为恒温层。即恒温层是地表下某一深度处地热与太阳辐射能量影响达到平衡的层带。以天津地区为例，一年内气温、地面温度随季节的变化如图1所示。由图1可以判断，天津地区地表下约32 m深度处地温受气温的影响微弱，即地表下32 m深处为恒温层。

图1 天津地区气温、地温年度变化曲线图[22]

以恒温层分界，其上地层地温受季节性太阳辐射热影响通常具有周期性的变化规律，亦称“变温带”或“外热带”。恒温层以下地层地温则主要受控于地球内热而不断增温，亦称“增温带”或“内热带”。从我国恒温层深度(变温带厚度)的分布特点来看，总体上青藏高原、西北地区及东北地区深，东南沿海地区浅，恒温层深度大致处于10～45m之间(如表4所示)[23]。

表4 部分地区的恒温层位置分布

此外，相关研究结论表明[23]：恒温层的温度一般与当地年平均气温的变化有关，而我国陆区恒温层的温度平均比当地年平均气温要高2.4 ℃，其中青藏高原、内蒙古和东北大部分地区、新疆北部以及宁夏北部等寒冷地区两者相差较大，其温度差值最高为5 ℃，最低为3.5 ℃。

结合我国铁路隧道的设计，由于深埋隧道通常位于恒温层及以下的增温带内，而浅埋隧道则通常位于恒温层及以上的变温带内，恒温层的温度水平，影响寒区隧道洞口段的防抗冻设计。因此，寒区隧道保温排水设计，宜考虑隧道所在地区的年平均气温因素的影响。

3.2 高纬度寒区铁路隧道设计分区

我国东北和华北北部地区纬度高，气候寒冷，属高纬度寒区。笔者调研了位于这一地区的多个铁路项目近十余年发生的隧道冻害情况，分析表明年平均气温对隧道冻害的影响明显。进一步对比分析隧道场址区的年平均气温和最冷月平均(1月平均)气温，高纬度寒区铁路隧道可划分为5个分区，如表5所示。

表5 高纬度寒区铁路隧道设计分区表

3.3 川藏铁路隧道设计分区的建议

川藏铁路沿线基本为季节性冻土区，线路穿越众多高山峡谷，而沿线地区还具有长冬无夏，冬季寒冷干燥，气温年较差小而日较差大，气压偏低，空气稀薄，太阳辐射强烈，气候垂直变化明显的高原寒区特点。

中国气象科学研究院有关气象资料显示，川藏铁路隧道所在地区最冷月平均气温为-9.1 ℃～6.2 ℃，年平均气温为-0.7 ℃～16.7 ℃。考虑川藏铁路特殊的地理位置、恶劣的气候环境等工程特点，参考高纬度寒区铁路隧道设计分区方法，建议川藏铁路高海拔寒区隧道按年平均气温和最冷月平均气温划分为3个分区，如表6所示。

表6 高海拔寒区铁路隧道设计分区表

4 川藏铁路隧道保温排水设计

4.1 川藏铁路隧道洞口保温排水设防长度建议

为保证隧道排水通畅，防止高海拔寒区隧道产生冻害，必须结合隧道场址区的气候条件、地下水发育程度等影响因素，制定针对性的防寒保温措施。此外，考虑川藏铁路特长隧道众多，具有单洞双线和双洞单线隧道等型式，可结合工点情况选择由保温水沟、中心深埋水沟、泄水洞及相关配套排水设施组合而成的防寒保温排水系统。结合设计分区，建议川藏铁路隧道洞口保温排水设防长度如表7所示。

表7 洞口端保温排水设施设防长度一览表

4.2 保温排水系统设计

4.2.1 保温水沟

(1)适用条件

保温水沟一般适用于冬季衬砌背后不会出现冻结现象的隧道。此时，周边围岩的地下水经边墙处设置的侧沟泄水孔进入隧道内以浅埋方式(即水沟埋置深度小于洞内最大冻结深度)设置且采取保温措施的水沟引排，可实现冬季排水不冻结的目的。

(2)设置方式

双线隧道的保温水沟一般采用侧沟式或中心埋置式，其结构形式应结合隧道衬砌断面布置；单线隧道的保温水沟则一般采用侧沟式。保温水沟设计如图2所示。

图2 保温水沟断面图

需要说明的是，保温中心水沟的管径与普通隧道相同，一般在隧道仰拱填充内设置或紧贴底板设置。

4.2.2 中心深埋水沟

(1)适用条件

中心深埋水沟通常适用于冬季衬砌背后出现负温的隧道。此时，隧道周边地下水可通过渗水盲沟系统或重力下渗作用，经设置于隧道结构下方的中心深埋水沟引排，从而达到冬季不冻结的目的。

(2)设置方式

中心深埋水沟一般需将管沟的流水面埋置于洞内最大冻结深度以下，可确保冬季管沟排水不产生冻结，其设计如图3所示。

图3 中心深埋水沟断面图

为满足最大冻结深度的要求，中心深埋水沟一般设置于隧道仰拱或底板结构以下，其管径可根据进入洞周的地下水量计算确定。

4.2.3 防寒泄水洞

(1)适用条件

针对川藏铁路隧道工程特点，防寒泄水洞主要适用于以下两种情况：

①单线隧道洞内保温水沟不满足防冻需求且设置中心深埋水沟不利于检查，或排水能力不足。

②双线隧道洞口防寒段排水能力不足且无条件加大排水沟尺寸。

(2)设置方式

结合川藏铁路隧道的特点，防寒泄水洞的平面位置一般优先设置于地下水来源一侧，也可设置于隧道结构底部，侧向设置于平导及正洞间，或设置于两个单洞隧道间；此外，防寒泄水洞还可与平导结合设计。

泄水洞埋置深度一般需考虑泄水洞与隧道的相互影响、排水效果等因素综合确定。当泄水洞位于正线隧道侧向时，为保证排水效果，必要时可结合地质情况和泄水洞与正洞的空间位置关系，设置集水钻孔或集水廊道排水。为防止泄水洞施工对正洞产生影响，防寒泄水洞一般应超前于正洞施工，同时可兼做正洞的超前导洞，预报正洞前方的地质情况，为正洞的安全施工提供适当参考。

泄水洞可采用钻爆法或掘进机法施工，衬砌形式结合具体条件确定。由于泄水洞与正洞的净距较小，施工过程中不可避免地存在一定程度的相互干扰，因此，施工开挖应采取控制爆破措施，确保两者安全。

防寒泄水洞的断面净空尺寸应根据工程地质、水文地质、工程机械等综合确定，钻爆法施工的泄水洞净空尺寸一般不小于2.6 m×2.5 m(高×宽)。位于隧底和位于双洞单线隧道间的泄水洞设计如图4所示。

图4 防寒泄水洞图

4.2.4 检查井及出水口保温

川藏铁路隧道设置保温水沟、中心深埋水沟或防寒泄水洞后，配套设置的用于维修养护的检查井等设施工也应采取保温措施。

此外，隧道内的水经洞内保温排水系统引排出洞后，应结合洞外地形条件，通过埋入式排水管引排至地形相对低洼的沟谷或河道排出。出水口尽量选择在背风向阳处，并采取保温措施。

5 结论与建议

本文针对位于高海拔寒区的川藏铁路隧道保温排水问题，总结了目前国内多行业的寒区分类方法、原则和国内寒区隧道保温排水的技术现状。通过研究分析高纬度寒区铁路隧道设计分区情况，结合川藏铁路工程特点，提出了川藏铁路高海拔寒区隧道设计分区建议和保温排水设施的设防标准建议，同时分析了各类保温排水设施在川藏铁路的适用性。主要结论如下：

(1)按年平均气温和最冷月平均气温两个指标，川藏铁路高海拔寒区铁路隧道可划分为3个分区。

(2)川藏铁路高海拔寒区铁路隧道洞口段的排水沟槽可按设计分区并结合工点采用不同的长度和不同的结构形式。

(3)保温排水沟的检查井及出水口宜采取保温措施。