京沈高速铁路支线天秀山隧道洞口段的防冻保温技术

丁然

（中铁隧道集团二处有限公司，河北三河 065201）

随着我国高速铁路的迅速发展，高速铁路网延伸到了高纬度高海拔的寒冷地区。而在寒冷地区修建隧道，经常面临隧道衬砌开裂、剥落、挂冰等冻害，严重时会影响隧道正常运营和结构安全［1-4］，故寒冷地区修建隧道需进行防冻保温设计。

目前我国对寒冷地区隧道防冻保温设计研究较多。文献［5-6］对大坂山和梯子岭隧道进行了防冻保温层测试与研究，发现4 cm 厚聚氨酯保温板可以满足洞身段防冻保温要求。文献［7］采用现场测试的方法对杀虎口隧道温度场进行了研究，发现冬季隧道内气温呈洞口低中间高的分布规律。文献［8］基于有限元软件对雀儿山隧道进行了温度场计算，发现随进洞距离增加，年平均气温增加，气温增幅减小，同时所需保温层厚度越薄。

综上，由于隧道洞口段受洞外气候影响严重，气温更低、风速更大，因此对防冻保温设计要求更高。本文以我国辽宁天秀山隧道为研究对象，结合隧道洞口段已有防排水和防冻保温设计，对距洞口20 m 的隧道断面进行数值模拟分析，建立有限元二维瞬态计算模型，并根据隧址区气候条件施加气温荷载，研究洞口段防冻保温设计的合理性。

1 工程概况

天秀山隧道在辽宁省建平县境内，隧道全长9 072 m，最大埋深360 m，地处高纬度寒冷地区，是京沈高速铁路支线赤（峰）喀（左）客运专线的控制性工程。

1.1 地形地貌

隧址区主要以低中山为主，地势较高，地形复杂，沟壑发育，多为U 形谷，局部为山间洼地和山间平原，植被茂密。

1.2 水文地质

隧址区内地表水不发育，沿线有河沟，但常年干枯，仅在雨季有地表径流。隧址区属于中低山基岩裸露区，仅在强降雨后能形成短期地表径流，沿沟壑流向低凹处。隧址区地下水储量一般，主要为第四系孔隙水和基岩裂隙水。

1.3 气候

隧址区属于北温带亚干旱季风气候区，春季干旱多风，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥。建平县2018 年年平均气温9.9 ℃，平均相对湿度51%，平均降雨量384.5 mm，平均风速1.92 m/s，最大积雪厚度23 cm；最冷月平均气温-12 ℃，最低温度-20 ℃。根据GB 50178—1993《建筑气候区划标准》［9］，隧址区属于严寒地区。

2 隧道防冻保温设计

2.1 防排水总体设计原则

隧道的防排水设计遵循“防、排、堵、截结合，因地制宜，综合治理”的原则。阻断地下水通道可能影响生态环境或居民生活用水时，则遵循“以堵为主，限量排放”的原则，并根据现场实际情况进行设计，以达到堵水有效、防水可靠、经济合理的目的。

2.2 隧道防排水及保温设计

天秀山隧道排水系统主要由保温侧沟、中心深埋水沟、保温中心水沟、边墙碎石盲沟、环向盲管、横向排水管、纵向排水管等组成。

保温侧沟沿隧道全长布设，位于隧道两侧边墙墙脚，采用双层盖板形式，双层盖板间填充保温材料。隧道衬砌背部设有环向透水盲管，纵向每隔6～8 m 设置1 道；隧道边墙墙脚外侧设有纵向排水管；环向、纵向盲管经过横向排水管引入中心水沟，横向排水管置于隧底20 cm（宽）×20 cm（高）的碎石盲沟中。环向透水盲管采用“EVA 防水板+聚氨酯保温板+EVA 防水板+土工布”的防水保温措施。

洞口段1 km 范围内设置中心深埋水沟和边墙碎石盲沟。中心深埋水沟设置于仰拱中心底部，水沟底部距轨面4 m，采用C20 混凝土基座，回填级配碎石至排水管顶部以上30 cm 处，再使用C20 保温混凝土浇筑至设计标高。水沟顶部铺设5 cm 厚聚氨酯保温板，并使用EVA 防水板包裹密封。边墙碎石盲沟设置于隧道初期支护背后，每隔15 m 设置1 道，采用级配碎石填充密实，盲沟与初期支护之间设有双层EVA 防水板夹5 cm 厚聚氨酯保温板。隧道洞口段防排水设计如图1所示。

图1 隧道洞口段防排水设计

隧道其他地段设置保温中心水沟，即中心排水管放置于保温槽内，保温槽净宽1 m，侧壁厚20 cm，底板厚10 cm。保温槽外壁与仰拱之间铺设5 cm 厚聚氨酯保温板，并使用EVA防水板包裹密封。

2.3 设计缺陷

目前，中心深埋水沟埋设深度一般根据当地土壤最大冻结深度进行设计，而保温板设计厚度一般通过工程类比法确定，无法根据隧址区气候条件做到精准设计，彻底解决冻害问题。

3 隧道数值模拟

3.1 模型的建立

假定：①隧道内空气不可压缩，气压不变，空气密度及其相关参数不发生变化；②隧道衬砌表面温度与气温一致，以年为周期按正弦函数规律变化；③围岩、混凝土和保温材料为各向同性均匀连续的介质，无孔隙与裂隙存在，其相关材料参数不发生变化；④忽略防水层和保温板耐久性对模拟计算的影响。

根据隧道横断面设计图（距洞口20 m 断面），建立1∶1 的二维数值模型。该断面对应埋深为14 m，对地表土层施加气温荷载；其他边界距隧道中心50 m，设为恒温边界，恒温边界与模型初始温度场的温度均设为5 ℃。模型采用plane 55二维单元。

3.2 单元参数的确定

根据GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》中相关物理参数的推荐值［10］，以及聚氨酯保温板的物理参数实测值，对模型中各材料进行赋值，见表1和表2。

表1 材料热物理参数

3.3 气温荷载的确定和施加

根据隧址区2018 年气象资料，计算得到2018 年各月平均气温，见表3。

表3 隧址区2018年月平均气温

隧址区最冷月（1 月）平均气温为-12 ℃，最热月（7 月）平均气温为24 ℃。气温由3 月中下旬回升至0 ℃以上，10月下旬气温降低至0 ℃以下。

对气温T进行拟合得到

式中：t为时间，月。

将拟合函数作为荷载施加在衬砌表面和地表，荷载施加时长为5年，步长为0.5个月。

4 模拟结果与分析

选取通车运营第 4 年 12 月、1 月、2 月和 3 月温度场进行分析。为方便观察隧道负温区分布，以下仅显示-10～0 ℃的温度场。

4.1 地层温度场

冬季地层温度场见图2。可知：地层温度随深度增加而升高；随着进入冬季时间增加，冻结深度逐渐增加。1 月地层温度梯度最大，等温线最密集；2 月地表温度开始回升，温度梯度逐渐降低，此时冻结深度为1.8 m；3 月地表温度明显回升，温度梯度最小，但冻结深度仍在增加，这是由于升高的气温与浅层土发生热交换，使浅层土温度回升，温度梯度降低，而深层土负温带仍在向深处延伸。

图2 冬季地层温度场（单位：℃）

当隧道埋深小于最大冻结深度时，需考虑地表气温对隧道的影响。因此，当该隧道上覆土厚度小于2 m 时，需对地表土施作防冻保温和加固措施，同时须做好隧道防排水措施，保证春融期地表积雪融化后，水能够经隧道防排水系统排出。

4.2 隧道温度场

冬季隧道温度场见图3。可知：入冬后隧道内冻结圈逐渐扩大，2月达到最大；1月冻结圈内温度最低，温度梯度最大，变化速率最快；3月负温带温度明显回升，达到-3 ℃以上，且温度梯度最小，变化速率最慢。隧道衬砌、仰拱、初期支护边墙部分均处于0 ℃以下，而中心深埋水沟、边墙碎石盲沟、初期支护拱顶和拱腰部分、围岩始终未出现负温。

图3 冬季隧道温度场（单位：℃）

隧道中心深埋水沟与边墙碎石盲沟始终未受负温影响，这是因为中央深埋水沟顶部与边墙碎石盲沟外侧均设置有5 cm 厚聚氨酯保温板。由此可知，在仰拱底部中心设置聚氨酯保温板，可以防止负温影响到中心深埋水沟；在边墙处设置双层保温板，可以防止负温影响到边墙碎石盲沟。该隧道中心深埋水沟与边墙碎石盲沟的防冻保温设计满足正常工作要求。

仰拱部分受负温影响严重，且负温带通过仰拱延伸到初期支护边墙部分，覆盖了环向透水盲管和横向排水管，在冬季易发生冻结。因此，目前仰拱防冻保温措施不能保证排水系统冬季正常工作，即防冻保温设计不足。

由于保温板铺设于二次衬砌与初期支护之间，二次衬砌受负温影响严重，因此，做好衬砌背后防排水工作保证水不渗入衬砌，是防止隧道发生冻害的重要条件之一。

4.3 隧道径向温度

在隧道拱顶、边墙及仰拱各布置1 条径向温度测线，其冬季各月温度曲线见图4。

由图4可知：①随距衬砌表面径向距离增加，衬砌内温度缓慢增长，但经过保温板时温度急剧增加，随后温度继续缓慢增长，可见保温板保温效果显著。②拱顶部位保温板背后始终未出现负温，这说明5 cm 厚聚氨酯保温板基本可以满足防冻保温要求。③1 月—3月边墙部位初期支护温度在-2～0 ℃。环向透水盲管位于初期支护表面，冬季易发生冻结。边墙碎石盲沟温度保持在0 ℃以上，满足正常工作要求。④仰拱部位保温板背后始终未出现负温，说明中心深埋水沟满足冬季正常工作要求。但仰拱混凝土内存在负温，而横向排水管位于仰拱混凝土内，冬季受负温影响，易发生冻结。

图4 冬季各月温度变化曲线

综上所述，在采用月平均气温拟合函数作为荷载的前提下，5 cm 厚聚氨酯保温板能够满足防冻保温要求，但由于仰拱混凝土无法隔绝负温，使横向排水管、环向透水盲管、纵向排水管等排水系统冬季受负温影响，易发生冻结。

5 防冻保温设计优化

由于洞口段原防冻保温设计不能满足实际需要，故对其进行优化。由于模拟计算时采用月平均气温拟合函数作为荷载，而实际气温更低，且每年最冷月气温并非一成不变，故将衬砌背部的聚氨酯保温板厚度增至8 cm，并使用保温材料和防水板覆盖横向排水管，即全环设置保温板，以保证环向透水盲管和横向排水管在冬季不发生冻结。

优化后的冬季隧道温度场见图5。可知：优化后仰拱底部不再出现负温带，负温无法通过仰拱影响到边墙初期支护。优化后的防冻保温设计可以满足横向排水管和环向透水盲管的正常工作要求。

图5 优化后的冬季隧道温度场（单位：℃）

优化后隧道最冷月径向温度变化曲线见图6。可知：优化后初期支护温度基本保持在0 ℃以上，满足环向透水盲管冬季正常工作要求；仰拱底部温度保持在0 ℃以上，满足横向排水管冬季正常工作要求。

图6 优化后最冷月径向温度变化曲线

优化后全环设置8 cm 厚聚氨酯保温板，可以保证隧道排水系统在冬季正常工作。相比于原设计，缩小了负温带，降低了冻胀的发生概率。

6 结论

1）通过数值模拟计算，得到冬季地表冻结深度在2 m左右，因此，当上覆土厚度小于2 m时，需考虑地表气温对拱顶衬砌的影响，须做好隧道防排水措施。

2）对寒冷地区隧道设置保温板可以有效降低负温的影响。由于铁路隧道保温板铺设于二次衬砌与初期支护之间，二次衬砌处于负温环境易产生开裂和剥落。因此，需加强二次衬砌设计强度，做好衬砌背后防排水工作。

3）在中心深埋水沟顶部设置聚氨酯保温板，可以防止负温影响到中心深埋水沟；在边墙处设置双层保温板，可以防止负温影响到边墙碎石盲沟。

4）仰拱混凝土并未有效隔绝负温，负温通过仰拱延伸到初期支护边墙部分，使得环向透水盲管和横向排水管在冬季易发生冻结。因此，建议对横向排水管包裹防冻保温层，即改为全环设置保温板，并将保温板厚度增至8 cm。优化后，环向透水盲管和横向排水管不再出现负温，满足该气候条件下正常工作要求。