浅谈寒带地区隧道积水和冰害成因以及导排水系统防冻保温措施

邹东明

（呼伦贝尔市公路管理，内蒙古 呼伦贝尔 165450）

呼伦贝尔区域內的大兴安岭段为长年冻土带。兴安岭隧道，最高海拔972.6 m，年平均气温-2.8 ℃。冬季最低温度-40 ℃左右，最大冻结深度为3.0 m，隆冬季节长达8 个月，昼夜温差常年保持在15～25 ℃以上。因此，冻害现象极其严重。隧道导排水系统极易产生冻结现象，进而产生积水或结冰情况，严重危害隧道交通通行安全和隧道安全。下面，就寒带地区隧道的积水和冰害成因及整治方法进行浅析。

1 寒带地区隧道积水和冰害产生原因及危害

1.1 寒带地区隧道积水和冰害产生原因

主要原因有以下几个：①在冬季和早春、晚秋季节，由于隧道内温度极低，导致导排水管道冻结，部分或全部丧失导排水功能，产生大量积水或部分结冰。②隧道使用年限较长时，由于山体地质结构发生变化，致使围岩发生变化。将导致衬砌裂缝和仰拱裂缝。另外，施工中产生的施工缝、伸缩缝、沉降缝和蜂窝等，往往会导致渗漏。③渗漏水的整治方面，采用导排水方式，而导引水槽的增加又提高了管道冻结的概率，增加了积水和结冰问题的出现。

1.2 积水和冰害对隧道交通通行安全和隧道安全的危害

具体危害分为以下几方面：①在早春、晚秋季节，由于路面积水湿滑，导致车辆刹车距离加长，易发生侧滑，进而发生交通事故。②隧道内湿度明显加大，导致早晚易产生雾气，致使司机视线变差，极易发生交通事故；同时，也会加剧各种设备的腐蚀。③冬季和早春、晚秋季节，拱顶形成冰挂，衬砌侧墙形成冰柱，路面结冰或形成冰包，极易发生交通安全事故；同时，结冰将导致排水更加困难，形成恶性循环。④一旦积水未及时排除，囤积或大面积扩散，将导致仰拱混凝土中钢筋的浸蚀，导致强度下降；混凝土结构裂缝、蜂窝、施工缝、工艺缝等渗漏水受冻结冰膨胀后产生冻胀破坏。这两种破坏都会导致衬砌砼体局部丧失功能，对结构的整体性产生破坏，降低了混凝土结构的耐久性和安全性。⑤由于导排水管“挂蜡”或冻结，造成管道流量下降、流速降低，导致杂质沉淀和淤积，增加管道的疏通维护成本。

2 寒带隧道积水和冰害的整治办法

2.1 隧道积水和冰害的整治办法

整治办法有以下两种：①消除渗漏水的来源，即进行封堵；②保证导排水系统通畅，使渗漏水及时、顺利排出隧道。

渗漏水的封堵，工程施工复杂，工期较长，费用较高，对隧道交通通行的影响较大，难以做到一劳永逸。因此，隧道渗漏水的整治原则是：封堵为主，导排为辅。可见，导排水系统的通畅，是解决隧道积水和冰害的重要前提。为使导排水管道在冬季和早春、晚秋的低温下不结冰，保证管道的通畅，需要对导排水系统进行加热保温防冻处理。

2.2 导排水系统进行加热保温的方法

管道加热保温的方法有伴热管、夹套管和电热带三种方式：①伴热管方式。伴热管简称伴管，在需要加热保温的管道旁，加装管中充满热介质的管道，达到伴随加热保温的功效。②夹套伴热管伴热方式。夹套伴热管即在工艺管道的外面安装一套管，类似管套式换热器进行伴热。③电伴热方式。电伴热带安装在工艺管道外部，利用电阻体发热来补充工艺管道的散热损失。

2.3 三种伴热方式的特点

三种伴热方式的特点为：①伴热管方式伴热。对象是工艺管道或工艺设备，它的介质是低压蒸汽或热介质。采用此种方式伴热，需要配置蒸汽采暖锅炉或介质加热配套设施，有安装伴热管道的工艺空间。导排水系统难以实现，伴热系统施工复杂，工期长、费用高。②夹套管方式伴热。在石油化工、化纤等装置中应用较为广泛，它由内管（主管输送的介质为工艺物料）和外管（介质为蒸汽、热水或联苯热载体等）组成。由此可见此种方式伴热需要有伴热管相同的设施和施工要求，最低-20 ℃的工作温度，无法满足冬季极寒的工作环境。③电伴热带方式伴热。电伴热用于未采暖的管道的加热防冻，从节能安全性考虑，高维持温度为65 ℃，高表面温度为85 ℃。适用于普通区和腐蚀区，足以满足导排水系统保持5～8 ℃不冻所需要的能耗，保证管道内的液体流动畅通。采用此种方式伴热的优点为安装简便，可以任意阶段或在一定范围内接长使用；无需特别的设计，无需特殊工具，没有施工难度；检查和维护较便利；伴热管线温度均匀不会过热，安全可靠；智能化水平较高，可自动调温、限温，节约能源；安全性较高，无环境污染，防水、防腐蚀；适用于远离供电设施的管线伴热。

2.4 热源的要求及热源材料的选择

2.4.1 热源的要求

热源的要求有以下几点：①具备较好的安全性、防水性、耐腐蚀性、抗震动性。②能够自动调温，降低能耗。③使用寿命长、效费高。寿命周期内的维护费用较低。④安装施工适应性好，检查维护性强。

2.4.2 热源材料的选择

可见，电热伴带是给导排水管道加热保温的理想器材。自限式电伴热带——由各种专用管道电伴热带，配套的电源接线盒、中间接线盒、终端接线盒、温度控制器和电伴热控制箱、耐热胶带、铝箔胶带、以及保温材料整套构成。

其工作方式为：自控温电伴热带可以各种方式缠绕于管道外部，或置于管道内部，外铺设保温材料。自控温电伴热带一端与温控器相连以控制电伴热带的运行。当温度传感器探测到管道温度低于所设定的温度时，温控器接通电源，电伴热带开始运行；当温度传感器探测到管道温度高于所设定的温度时，温控器断开电源。使电伴热带经济合理运行并满足介质温度要求。

3 电热伴带的使用方法

3.1 电热伴带型号和技术参数的确定

电热伴带的加热保温温度必须达到：①导流管、盲沟排水管和集水沟、排水沟中的水的温度必须保证不“挂蜡”、不结冰；②温度不宜过高，以减少水分挥发量，降低隧道内湿度，防止隧道内在早、晚形成水雾，更要防止冬季形成“雾凇”；③尽可能地节约电能。

通过多次模拟实验，确认将管壁处水的温度限制在5～8 ℃为宜。确定电热伴带的加热温度为45～50 ℃。根据技术参数，选定自限式电伴热带型号为DXW/DWK。

3.2 电伴热带的敷设方案

3.2.1 用内置于导排水管道和槽沟内部的方法进行敷设

用内置于导排水管道和槽沟内部的方法进行敷设有四个优点：①不用拆卸已铺设好的导排水管道；②不占用管道外缠绕空间，减少开凿导排水槽的工程量；③减少热损失，节约电能；④管道保温层的敷置工艺降低了难度。

3.2.2 采用双路备份保险补偿实施敷设方案

对各种等比例，相同材料的导、排水管道的单元模拟件进行了模拟验证。考虑到安全，最后确定采用双路备份保险补偿实施敷设方案——整个系统敷设并行双线路，增加了加热系统的冗余度。平时使用単线路值班加热，一旦出现下列状况，则立即启用备份线路：①值班线路发生损毁状况；②值班线路工作不稳定，利用备份线路进行平衡补偿；③极寒天气状况出现，导致值班线路功率不高，利用备份线路增强加热能力。

4 导排水管道的保温处理

4.1 导排水管道进行保温处理的必要性

导排水管道必须进行保温处理，以便达到以下目的：①提高保温效能，尽可能降低能耗；②防止冷热交接区直接作用于管壁，导致不同材料的导、排水管伸缩不均，产生变形应力，使管道接头密封产生裂纹，造成二次渗漏水，并加快老化；③尽量使管与沟槽之间不产生冷热交换区冷凝水，从而杜绝产生二次冻害现象。

4.2 管道保温材料和参数

由于导排水管道的保温材料要在潮湿，甚至有渗漏水的环境下使用，因此，其吸水率应越低越好。可以选择硅酸镁铝制品、硅酸铝卷毯、岩棉-硅酸铝复合卷毡、硅酸钙板、聚氨酯发泡剂。聚氨酯发泡剂主要用于保温材料的接缝处。保温材料填充空间极窄，无法裹敷住保温层的位置。

5 技术保障措施

要在整个导排水系统定点安装测温传感系统，以便随时监测导排水系统各管道内的水温。防止发生电伴热带断路，造成冰害现象。同时，利于查找故障点，便于抢修。在电伴热带的回路中定点安装漏电保护器，防止出现电路短路现象，提高安全系数，利于查找故障点。加热系统运行期间，必须安排专人24 h 值班；每年夏季，在电伴热带系统停止工作期间。由专人负责检查电伴热带的损耗情况，发现问题及时处置。

本文对寒带地区隧道积水和冰害形成的原因，以及对隧道交通通行安全和隧道安全造成的危害、导排水系统加热保温防冻的措施和积累的经验进行了浅析。