高寒地区隧道设计的常用方法和处理措施

王占东（中铁第一勘察设计院集团有限公司桥隧处，陕西 西安 710032）

高寒地区隧道设计的常用方法和处理措施

王占东
（中铁第一勘察设计院集团有限公司桥隧处，陕西 西安 710032）

摘要：在高寒地区隧道的施工中，冻害是隧道常见的病害之一，并成为隧道工程设计人员最为关注的问题，并且隧道冻害处理的好坏，对于整个隧道工程的质量起到至关重要的影响。所以，本文将以高寒地区隧道冻害防治及保温设计为主要研究方向，论述该状况下的常用方法和处理措施，以期提高我国高寒地区隧道设计的水平。

关键词：高寒地区；隧道设计；冻害防治

当前，由于我国社会经济不断发展，特别是出于促进边疆地区经济发展的需要，我国西北、东北、和西南等高海拔地区的交通建设工程日益增多，因此也给高寒地区的隧道设计带来了不小的压力。尤其是隧道冻害的防治问题，是目前高寒地区隧道施工面临的最突出和棘手的问题。所以，在高寒地区隧道设计的常用方法和处理措施，最急需考虑的就是冻害防治及保温设计。因此本文将结合某高寒隧道工程的实际情况，重点分析冻害问题下隧道施工的常用方法和处理措施。

一、高寒地区隧道冻胀机制及冻害的表现形式

关于隧道的冻害，很多人会联系到围岩的冻胀压力，而且很多有关寒区隧道冻害问题的资料，也将冻害发生的原因归结于“隧道衬砌混凝土在围岩的冻胀压力作用下开裂破坏”。但是，笔者却有不同的看法，认为以上结论过于笼统，不太精确。因为在实践中，围岩的冻胀压力并不是隧道冻害的唯一原因，比如局部存水冻胀破坏、混凝土的冰冻破坏、冻胀性围岩冻胀破坏以及裂缝裂隙水的冻胀破坏等原因。并且在现实的隧道冻害，不少是两种以上因素的共同作用所致。根据有关调查分析，隧道冻害的表现形式可以分为以下几点：

（1）由于围岩的冻害损害了衬砌结构的稳定性，造成隧道衬砌结构出现部分突出，甚至引发隧道整体塌陷等严重后果。

（2）低温冻害引起隧道衬砌面发生较大规模的开裂、剥落。

（3）衬砌后背区域冻结，进行出现漏水以及涌水等问题。

（4）隧道拱部发生结冰。

（5）隧道底部渗水、结冰。

（6）隧道两侧墙体出现壁冰等情况。不过在实践中，必须根据隧道工程施工区域的地质和水文环境，然后判断隧道冻害的机理与表现形式，进而做好针对性的应对措施，以下将先对该隧道工程的基本情况做简单介绍。

二、该隧道工程的基本情况

1 工程概况

该工程新疆地区某铁路隧道，位于高海拔、高纬度的严寒区域，设计标高在2010~2150m，寒冷季节的冻土深度可以达到170cm，并且隧道冻害是该工程设计的突出问题，制约着该隧道施工的质量。隧道施工地区的水文和地质情况复杂，地层以砂砾岩、断层角砾岩以及石灰岩为主，地下水的补给主要是大气降水，并以基岩裂隙水形态为主。

2 气象状况

该区域内以温带内陆山地气候为主，季节分明，春夏降水多，秋冬季较少。冬季漫长，昼夜温差大。年降水量在200~300mm，最大积雪厚度可以超过150cm。最低气温甚至达到-36.6摄氏度，最冷月平均气温在-14度左右，最热月则为13度。

3 隧道冻害预测

依据该隧道工程的水文、地质状况以及气象环境条件，根据温度分析以及冻土力的计算，可以对隧道冻害做出如下预测：

（1）该隧道属于季节性冻土，冻害程度相对中等，冻胀力不高，所以不会对衬砌作用造成严重的破坏。主要的冻害表现在水漫道床，渗水导致洞内结冰，洞室及水沟出现冰塞，渗漏水导致衬砌局部混凝土冻胀裂开等。

（2）隧道冻害主要集中两端洞口区域，需要重点设防，相关设计方案要考虑隔热、加热以及治水等手段。

有鉴于以上两点关于隧道工程冻害的预测，本次高寒地区隧道设计秉承了“防冻先治水”的原则，并将相应的隧道施工重心放在治水措施和保温措施上。

图1　隧底水沟出水口示意图

图2　隧底水沟出水口改进图

三、隧道设计的常用方法和处理措施

依据高寒地区隧道冻害发生机制以及有关因素的分析，并结合隧道冻害的案例研究。可以知道高寒地区的防排水措施基本不能正常运转，由于水结冰堵塞等因素，排水通道不畅通，进而导致衬砌背后的水不能进入到排水沟中。鉴于此，防排水系统和冻害发生具有紧密的关系。因此，本文认为“防冻必先治水”。

首先是改进防排水系统的设计，为围岩裂隙水顺利排出隧道提供保障，促使衬砌背后不会发生冻结。保证围岩裂隙水能顺畅地排除隧道，可以显著降低衬砌结构冻胀破坏和围岩冻胀导致隧道衬砌损坏等情况发生的可能性。

此外，混凝土标号较低、衬砌断面不合理等也是导致隧道冻害发生的原因。所以，结合上述隧道冻害的预测，水的治理决定着隧道冻害的防治效果。因此必须科学设计隧道防排水方案。为此，本文认为隧道防冻害的设计应包括治水措施、控制温度措施等，以下将具体分析。

1 治水措施

在治水措施设计中，防排结合是必须坚持的原则。特别是排水系统的设置，必须考虑到高寒隧道地区的地质和水文条件。应在初支以及二衬间架设复合防水板，并利用排水系统来疏导隧道周边围岩渗流水以及进入到初支的地下水，保证隧道没有地下水渗出来，进而防止冻结情况的出现。具体而言：

（1）为了避免地下水渗透到路面上，隧道在断面上宜采取带仰拱的结构，以此避免水引发路面结冰，并且损伤整体路面结构问题的发生。

（2）为了防止排水系统由于冻结而失效，隧道应采用全包防水的设置方案。仰供底部设置中心深埋水沟，位于冻结线以下。

（3）在隧道衬砌背后设置盲管排水装置，使用纵向和环向盲管来收集渗透到初支的地下水，并引入隧道底部的中心深埋水沟。

2 保温材料选取

该隧道的保温方案借鉴了青藏铁路设计施工中防冻害经验，在隧道隔热保温设计上选择外隔热层的方法，也就是将保温层设置在隧道二衬内部层面上。在保温材料的选择上，以性能、成本、施工方便性等为参考指标。因为保温层主要应用与隧道内部，所以在性能方面优先选择耐火性能、环保系数、遇水后保温系统较高的材料，并且将化学稳定性、导热系数、防水防腐性能也纳入到考虑范围内。

目前，国内一般选择的保温材料为B级阻燃材料，这种材料耐火性能差，并且外部通常覆盖防火材料与加固装饰层。所以，该材料不仅安全隐患大，而且保温成本高。在对保温材料进行综合对比后，该隧道设计将目标放在了泡沫玻璃型材料和无机纤维喷涂材料上。这两种材料都不易燃，而且符合建筑A级防火性能。同时还具有耐火性能，不需要加盖防火板，所以保温成本低。但是，这两种材料也存在导热系数过大的缺点。不过，相对于无机纤维喷涂材料，泡沫玻璃型材料具有较高的吸水率，能在遇水后保持较高的保温性能，所以适合在高寒地区隧道施工中采用。所以，本隧道功能的保温层最终确定为泡沫玻璃型材料。

总而言之，在保温材料的选择中，导热系数只能作为一个参考指标，而不是唯一指标。为了提高材料的保温效果，必须结合有关因素进行综合考虑，并将保温材料遇水后的保温性能作为重要的衡量指标。

3 纵向排水管出水口保温措施

本隧道在排水系统设计上实行了隧底纵向排水管的设置，从而保证隧道底部纵向排水管不会发生出水口冻结的问题。为了实现这一目标，确保出水口不会因为冻结而堵塞。隧道底部纵向排水管在隧道区域外，一般采取大坡度泄水的方法，通过增大流水速度来及时排走管内水流。通常来说，地下水会在地下维持一定的温度。而隧道内侧保温层的安装能够保证隧道周边围岩不发生渗流冻结的情况。此外，大坡度的泄水以及出水口附近的保温措施，可以达到减少管内水流与外界的热量交换程度的目的，减缓热量的流失。如图1所示为洞口出水口设计情况。在隧道贯通后，因为隧道出水量通常会高于预测量。所以，为了保证水流可以畅通的排出出水口，本文对出水口作了适当的调整，如图2所示。

4 设置防寒门

为了增强隧道内部的保温隔热效果，应当在隧道洞口设置防寒门。但是，防寒门技术在国内还没有广泛应用，极少出现在铁路隧道内。主要原因是防寒门的可靠性和稳定性还有待证实。但是笔者认为，随着我国隧道施工技术的发展，有关控制技术的稳定，防寒门将会大量在高寒地区隧道施工中使用。而当前防寒门技术的关键，就是控制器开启频次的问题，随着该技术的成熟，该问题不久将会得到解决。

结语

综上所述，高寒地区的隧道设计，隧道冻害的防治是设计的重点，并且制约着隧道施工的质量。为此，必须充分认识到隧道冻害的发生机理，形成“防冻先治水”的观念。并根据隧道地区的地质和水文环境，完善排水系统的设计方案，把握好隧道设计中保温措施。特别是在保温材料选取上，随着近几年材料技术的不断发展，新材料新工艺的广泛出现，应当结合性能、施工、成本等因素来进行综合比较，选取综合效果最高的材料。总而言之，我国高寒地区的隧道修建工程相对较少，没有广泛的成功经验可以借鉴，相关技术人员应当紧密结合实践，将理论与实践相结合，促进我国高寒地区隧道设计水平的提高，进而推动相关隧道工程安全平稳的完工。

参考文献

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[2]刘海京，郑佳艳，涂耘，王连成．大坂山高寒隧道病害检测与状态评定[J]．公路交通技术，2010（16）．

[3]姚伟，徐林生．寒区隧道工程的研究现状[J]．四川建筑，2011（14）．

中图分类号：U457

文献标识码：A