西宁至成都铁路隧道防寒设计方案

徐亚峰

(中铁第一勘察设计院集团有限公司 陕西西安 710043)

1 概述

新建西宁至成都铁路北起青海省省会西宁市，向南经过海东市平安区、化隆县和黄南藏族自治州尖扎县、同仁市，后向东南方向进入甘肃省甘南藏族自治州，依次经夏河县、合作市、碌曲县，再向南经四川省阿坝藏族羌族自治州若尔盖县，接入在建成兰铁路黄胜关站，与成兰铁路共线引入成都枢纽，见图1。西宁至成都铁路是西北地区连接西南、沟通华南的重要铁路通道，是中长期高速铁路网“八纵八横”中兰(西)广高铁通道的组成部分，同时也是一条国土资源开发性的线路，建设意义重大。

图1 新建西宁至成都铁路地理位置

线路整体走行于青藏高原东部边缘与黄土高原过渡地带，地面高程一般2 000～4 200 m左右，自南向北地貌单元可划分为岷山中高山区、若尔盖高原区、西秦岭中高山区、化隆盆地区、拉脊山中高山区、西宁盆地区六个地貌单元。全线平均海拔较高，最冷月平均气温在－3.4～－9.9℃，极端最低气温达－20.7～－30.6℃。根据既有经验，我国寒冷地区隧道防排水及防寒问题较为突出，如衬砌漏水、挂冰；路面(隧底)冒水、结冰；衬砌变形、开裂、酥碎、剥落；洞门墙开裂等[1－3]，典型冻害现象见图2。

图2 典型隧道冻害现象

既有寒区隧道冻害研究表明，冻害往往是从防水措施失效及排水通道结冰开始的，因此切实可靠的防水措施及完善有效的防寒排水系统是防止冻害的关键。

2 隧道设计概况

新建西宁至成都铁路隧道工程总计276.70 km/66座，占正线全长的55.5%，其中特长隧道共计118.40 km/8座，长隧道(3～10 km)共计109.23 km/18座，其余均为中长及短隧道。

2.1 气象特征

沿线气候为寒温带湿润季风气候向大陆高原半干旱气候逐渐过渡，具有南部湿润、北部干燥的高原自然地理环境。

沿线气温总的规律是随纬度和海拔增高而递减，并具有年温差小而日温差大、阴坡与阳坡温差大的特点。沿线主要城市气象站气象资料如表1、表2所示。可以看出，隧址区全年平均气温多在1.4～8.4℃之间，最高气温可达40.3℃，最低气温可降至－30.6℃。由于海拔较高，高原空气稀薄，太阳幅射较强，日照长，从而形成了年温差小，日温差大，阴坡与阳坡温差大，气候垂直变化大于水平变化等特点，因此隧道将遭受更为频繁的冻融循环，其结构安全性和隧道防排水系统的有效性将面临更大的挑战。

表1 沿线主要城市气温统计

2.2 隧道防排水

西宁成都线隧道防水设计以混凝土结构自防水和防水板防水为主体、以接缝防水为重点，必要时采用注浆加强防水；排水系统设计兼顾地表水与地下水、洞内与洞外环境，采取防淤积、防堵塞、防冻结措施，保证排水畅通。

一般暗洞段根据地下水情况，设双侧水沟或双侧水沟＋中心水沟，隧道暗洞采用复合式衬砌，初期支护与二次衬砌之间依次敷设环(纵)向盲管、防水板、土工布及背贴式止水带等防排水系统，在隧道墙脚设泄水孔与排水侧沟连通，参见图3。

图3 洞内防排水系统设计示意

寒冷、严寒地区隧道两端洞口一定范围内水沟及衬砌背后的水容易发生冻结。根据季节性冻土地区公路设计与施工技术规范[4]53，隧道设计断面处的围岩冻结深度无实测资料时可按下式计算:

式中，Zs(x)为隧道设计断面x处的围岩冻结深度；x为隧道设计断面距洞口的距离；Kλ为围岩类别对冻结深度的影响系数，一般粉质黏土、粉质土取1.0，砂类土、碎石土取1.1～1.3，岩石取1.3～2.0；Z0为隧道所在地区的标准冻结深度(m)；t(x)为隧道设计断面处的最冷月平均气温(℃)，根据隧道沿进深温度梯度推算，无资料时隧道中点至洞口段温度梯度可按0.1℃/10 m考虑。

根据式(1)，选取西宁成都线典型气象特征资料，计算洞内不同位置处的围岩冻结深度，结果参见图4，图中H0为所在地区标准冻结深度，T0为所在地区最冷月平均气温。考虑西成线隧道设置仰拱内中心水沟时，水管埋置深度约为50 cm，本次选取围岩冻结深度50 cm作为考虑特殊防寒措施的临界值。由图4可见，不同围岩类别条件下西宁成都线隧道距洞口一定长度范围内的围岩均存在冻结现象，其中松潘县(H0＝49 cm，T0＝－3.4℃)隧道口约0～100 m范围围岩冻结深度≥50 cm，而化隆县(H0＝143 cm，T0＝－9.6℃)隧道洞口约600～750 m范围围岩冻结深度≥50 cm。洞口段仅设置侧沟或中心水沟的排水方式将容易发生冻害，需要考虑深埋中心水沟或防寒泄水洞排水措施。

图4 隧道洞内围岩冻结深度

另外，寒区隧道内冻结深度大于衬砌厚度时，衬砌背后盲管将容易发生冻结，堵塞排水管路，进一步围岩发生冻胀。此时衬砌背后防排水需考虑保温设计措施，如设置保温板、保温盲管等。一般认为，隧道衬砌背后围岩冻结深度与围岩初始地温、隧道内温度场、列车活塞风、衬砌厚度、衬砌与围岩导热系数、围岩裂隙水、是否设置保温层等多种因素相关[5]，围岩冻结的相变传热过程属于强非线性问题，目前尚处于研究阶段。在这其中，肖洵[6]通过理论研究、数值模拟结合现场实测方法，研究了特定条件下的寒区隧道温度场的时空分布规律，认为冬季隧道月平均气温低于－4℃时，衬砌结构完全出现负温，此时应当做好保温防冻、排水措施避免围岩冻胀对衬砌的安全构成威胁。且有日本黑川希范公式[7]近似计算洞口段围岩设置保温段长度为:

式中，t为洞口气温最冷月平均气温(℃)；y为保温段长度(m)。

隧道中点至洞口段温度梯度按0.1℃/10 m考虑[4]53，肖洵理论与黑川希范公式计算所得的洞口保温段设置长度，参见图5。综合两者计算结果，可以发现:微冻地区(－3～2.5℃)保温段设置长度考虑0～160 m，寒冷地区(－8～－3℃)保温段设置长度考虑160～500 m，严寒地区(≤－8℃)保温段设置长度考虑500～800 m。因此，西宁成都线隧道以严寒和寒冷地区为主，洞口衬砌背后环向盲管考虑保温措施，按寒冷地区500 m、严寒地区800 m设计考虑。

图5 洞口衬砌保温段设置长度计算结果

3 寒区隧道防寒排水

3.1 隧道防寒排水措施

严寒、寒冷地区隧道防寒设计，必须结合局部气候条件和地下水发育程度制定有针对性的防寒措施。目前，寒区隧道考虑隧道气候、土壤最大冻结深度、围岩条件、地下水发育等，采取的主要防寒措施包括:保温水沟、深埋中心水沟、防寒泄水洞、电伴热、保温盲管、防寒径向注浆以及洞外保温出水口等。

(1)保温水沟

保温水沟采用浅埋方式(即浅于隧道内的最大冻结深度)，在水沟内采取保温措施，以达到冬季水流不冻结之目的，一般在水沟上部设双层盖板，在上下两层盖板间充填保温材料，下部为流水槽。

(2)深埋中心水沟

深埋中心水沟是将中心水沟埋置于洞内相应的冻结深度以下，利用地温达到排水沟内水流不致冻结的排水设施，适用于比较严寒的地区。深埋中心水沟一般采用明挖法施工，结构为φ600 mm(厚t＝120 mm)钢筋混凝土预制管，中心深埋水沟周围管壁上预留泄水孔，水沟周围回填采用级配碎石，且回填密实。

(3)防寒泄水洞

防寒泄水洞是隧道排出地下水的主要措施，当黏性土最大冻结深度大于2 m时宜优先考虑。其形状类似一个带孔的小隧道，位于隧道下方，并将所设竖向盲沟、泄水孔、支导洞、检查井、椎体保温出水口等组成一个排水系统，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。寒区隧道设置泄水洞可以有效减少或消除隧道内部冒水、挂冰、积冰、冻胀等病害。防寒泄水洞通常采用暗挖法施工，埋置深度应满足当地围岩最大冻结深度与暗挖法施工不致引起隧底坍塌的要求。

(4)电伴热系统

电伴热系统是一种辐射型供暖系统，以电热丝为热媒，通过电缆通电发热将电能转化为热能，传递给被加热体，并通过外层隔热材料的保护，以达到系统需要的供暖、保温效果。在隧道排水系统发生冻害的情况下，通过与冰层之间的显热和潜热进行热量交换，使隧道衬砌或防排水体系始终维持在正温状态，从而达到防治冻害的目的。采用电伴热系统对隧道进行冻害防治已经成功应用于国内部分寒区隧道[8－9]，其加热效果好，经济性适中，耐久性较好，其缺点是系统耗能较大。

(5)盲管保温措施

盲管保温采用聚氨酯保温材料，双层防水板间布设聚氨酯保温材料，幅宽1.5 m，如图6所示。

图6 保温盲管构造示意

(6)防寒径向注浆

洞口Ⅴ级围岩土质地层、风化严重的基岩地层孔隙率较大，可采用径向注浆封堵围岩裂隙、封堵地下水渗流路径，减少衬砌背后汇水。

(7)洞外保温出水口

在严寒地区，深埋水沟、防寒泄水洞、洞外暗沟均应设置保温出水口，通过保温暗管、保温出水口将洞内水引至地表低洼处。

3.2 防寒排水设计典型案例

以则岔隧道为例介绍西宁成都线隧道防寒排水设计流程，该隧道位于甘南藏族自治州碌曲县拉仁关乡境内，为秦岭中高山区，地形起伏、植被较好，地面高程3 235～3 990 m，最大埋深590 m。隧道起讫里程DGK199＋855～DG1K210＋334.58，全长10 479.58 m，为单洞双线隧道。全隧道单面下坡，依次为:－25‰/8 896.35 m、－23‰/950 m、－5‰/634.58 m，于正洞DGK202＋500处线路右侧设一斜井，正洞DGK204＋220～出口线路左侧设平导辅助施工。隧址区岩溶弱发育、地下水主要为孔隙水、基岩裂隙水、构造裂隙水及碳酸盐岩岩溶裂隙水，为中等～强富水，隧道正洞涌水量达到12.35万m3/d。

(1)洞口气温数据

据邻近碌曲县气象站(海拔高度3 190.6 m)资料显示:工点区属高原温带湿润气候，低温严寒，四季不明，冬长无夏，年平均气压69.83 kPa，年平均气温4.1℃，极端最低气温－23.4℃，最冷月平均气温－9.5℃，年平均风速1.3 m/s，主导风向E，最大风速10.2 m/s。最大季节冻结深度78 cm，最大积雪厚度15 cm。

隧道发生冻害与洞口的气温有密切的关系，但是目前隧道防寒设计时洞口最冷月平均气温的选取一般是根据隧址所在区域的市县一级的气象资料，而新建山岭隧道大多处于气候恶劣和偏远的山区，洞口气温与气象资料相差甚远。需要综合考虑隧道洞口海拔高度来修正洞口最冷月平均气温、极端最低气温。按海拔高度每升高100 m，气温降低0.6℃进行计算，公式如下:

式中，T0为气象站最冷月平均气温或极端最低气温(℃)；T为洞口最冷月平均气温或极端最低气温(℃)；H0为气象站海拔高度(m)；H为洞口海拔高度(m)。

通过公式(3)计算，得到则岔隧道洞口气温数据，参见表3。可以发现，则岔隧道进口最冷月平均气温为－11.24℃、出口最冷月平均气温为－9.74℃，均属于严寒地区。因此，则岔隧道两端洞口800 m范围考虑衬砌背后盲保温管设计。

表3 则岔隧道洞口气温数据

(2)防寒水沟设置长度

隧道设置仰拱内中心水沟时，水管埋置深度约为50 cm，设置中心深埋水沟时，水管埋置深度约为250 cm。则岔隧道工点区最大季节性土壤冻结深度为78 cm，隧道洞口一定范围内考虑设置深埋中心水沟或防寒泄水洞。

既有研究[10－12]对已运营寒区及严寒地区隧道冻害情况调查发现:①设置合理的保温措施段长度是充分发挥隧道防寒保温抗冻能力的关键；②洞口在相同的保温措施条件下，位于阴坡的隧道洞口比阳坡的隧道口更容易发生冻害。据此研究提出了与洞口太阳辐射强度Iθ、最冷月平均气温T0相关的隧道防寒排水措施的判定方法，以及严寒地区隧道保温水沟L1、中心深埋水沟L2及防寒泄水洞设置长度L3的计算公式，参见式(4)～(7)。

式中，Iθ为隧道洞口太阳辐射指标；IDθ为隧道洞口太阳直射辐射强度；Idθ为隧道洞口太阳散射辐射强度；IRθ为隧道洞口获得的地面反射辐射强度；T0为洞口最冷月平均气温(℃)。

根据则岔隧道洞口地形数据可得洞口斜面方位角、倾角等数据，进而得到防寒水沟设置长度，结果参见表4。可以发现，若仅考虑洞口防寒要求，则岔隧道两端洞口保温水沟设置长度约1 400 m，深埋中心沟设置长度约850 m，防寒泄水洞设置长度约450 m。

表4 洞口防寒水沟设置长度计算结果

但是，考虑则岔隧道进口为高端洞口，设置深埋中心沟或防寒泄水洞较为困难；同时则岔隧道单面下坡，出口累计最大涌水量达到14.12万m3/d，且出口段634 m纵坡较缓(坡度为－5‰)，深埋中心沟(内径φ60 cm)排水能力约为3.66万m3/d，难以满足排水要求。

综合考虑防寒与排水能力要求，则岔隧道进口1 000 m范围双侧保温水沟采用电伴热，出口端2 028 m范围内设置中心浅埋水沟(仰拱底)＋防寒泄水洞，衬砌背后渗水直接引入中心浅埋水沟(仰拱底)，隧道内防寒泄水洞上游侧沟水、中心水沟水及中心浅埋水沟(仰拱底)水均通过防寒泄水洞排走。

(3)其他附属防寒措施

则岔隧道防寒排水配套措施包括:①进口端DK199＋881～DK200＋000段、出口端DK210＋258～DK210＋317段为V级围岩，浅埋、岩体破碎、地下水发育，设计采用径向注浆措施封堵围岩裂隙，减少衬砌冻害及运营期间病害；②隧道洞外设置保温暗管和保温出水口，通过保温暗管、保温出水口将洞内水引至地表低洼处，防止冬季冻结。

3.3 防寒排水设计原则

根据邻近气象站资料、海拔、工点水文地质特征等，采取相应的防寒保温措施，主要措施有:双侧保温水沟、中心深埋水沟、电伴热、防寒泄水洞以及防寒径向注浆、保温盲管、洞外设保温出水口等。针对不同区域的具体措施如图7所示。

图7 防寒排水设计原则

4 结束语

基于新建西宁至成都铁路项目，针对寒冷、严寒地区隧道防寒排水问题，对比分析了不同防寒排水措施:

(1)新建西宁至成都铁路全线平均海拔较高，最冷月平均气温低，隧道洞口暗洞段需考虑设防寒水沟与衬砌背后防寒措施，洞外设保温暗管与保温出水口。

(2)根据邻近气象资料、洞口海拔等资料，一般寒冷地区采取的防寒排水措施包括:双侧保温水沟、防寒径向注浆、保温盲管、洞外设保温出水口。高海拔严寒地区采取的防寒排水措施包括:双侧保温水沟、中心深埋水沟、电伴热、防寒泄水洞以及防寒径向注浆、保温盲管、洞外设保温出水口。

(3)所建立的隧道防寒排水措施选型和对比分析结果，可为今后严寒、寒冷地区隧道防寒排水措施的选择提供思路和参考。