高寒地区公路隧道防排水及保温设计

□文/苏 航 郑少华

近年来我国西部山区公路交通发展迅速，山区公路隧道项目日渐增多，尤其是高海拔寒冷地区隧道项目，高寒地区隧道的防排水和保温问题一直是隧道设计者期待解决的疑难问题之一。目前国内针对高寒地区隧道进行了大量的研究并取得了许多成果，但因围岩渗漏水、衬砌背后结冰冻胀等造成隧道结构病害的案例仍屡见不鲜[1]。对于高寒地区隧道防排水和保温技术现状，需要工程技术人员不断探索研究并提出更新的设计措施，从而改善目前的不利局面。

1 工程概况

隧道是青海省加定—海晏公路工程的重要组成部分，位于青藏高原东北部的青海省互助土族自治县，隧址区海拔3 212.04～3 628.29 m。隧道按照分离式双向四车道一级公路标准设计，设计行车速度80 km/h。左右线隧道长度分别为6 160、6 129 m，为特长隧道，隧道洞底最大埋深约607.84 m，分离隧道主洞净宽10.25 m、净高5.0 m。

2 隧道建设条件

2.1 气候条件

项目所在区位于青藏高原东北部，属高原半干旱大陆性气候，其总体气候特征为夏季凉爽短暂，冬季寒冷漫长。该区域最冷为1月，平均气温－10.1～－15.3℃，平均季节性冻土深度为1.05～1.08 m，多年平均降水量为404.6～506.5 mm/a。

2.2 地形地质

隧址区海拔均在3 000 m以上且相对高差较大，属侵蚀构造中切割中高山陡坡地貌，地形坡度较陡，覆盖层厚度较薄，基岩普遍浅埋或裸露。隧道区范围内主要地层为第四系全新统崩坡积层、第四系全新统冲洪积层；奥陶系下统（O1）地层、寒武系中统地层、前震旦系马御山群、加里东晚期辉长岩（γ33）地层。

2.3 水文地质

在里程 K40+010、K41+160、K44+295、K45+685 共有四处冲沟，均属典型的山间河流，流量随季节变化明显，具有陡涨陡落、雨涨晴消的特征。场地地下水主要为第四系松散层孔隙潜水和基岩风化带网状裂隙水两种类型。隧道洞身段埋藏较深，地下水赋水性相对较好，裂隙水丰富时易出现较大涌水，雨季时受地表水补给，故赋水量也变化相对大，对隧道开挖产生不利影响。

3 隧道防排水设计

3.1 防排水设计总体方案

按照“以排为主，防、排、截、堵、保温相结合，因地制宜，综合治理”的原则[2]，根据隧道长度、气象条件、地下水发育程度，采取切实可靠的设计、施工措施，使隧道建成后达到洞内基本干燥的要求并坚持“清污分排”的环保理念，即隧道内围岩水与路面污水分开引排。高寒地区隧道防排水系统的顺畅，是结构物及设备正常使用和行车安全的重要保障。见图1。

图1 隧道排水工程总体布置

3.2 隧道洞口防排水方案

根据隧道口地形情况，在洞顶边、仰坡刷坡线5 m以外顺地势设置截水沟（纵坡≮5%）将地面径流引排并与路基排水形成完整的防排水体系，防止水流对洞口的冲蚀破坏。隧道为单向纵坡，为防止洞口路基和路面水流入隧道内，在高洞口侧设置横向截水沟，同时在路基边沟处设置反坡并适当加深，保证排水顺畅[3]。

3.3 隧道明洞防排水方案

明洞段衬砌采用两层土工布（350 g/m2）中间加EVA防水板（厚1.5 mm）防水，土工布垫层主要是保护防水板不被明洞结构表面尖锐物刺伤并可充当初期支护喷射混凝土和二衬混凝土之间的下渗通道。在洞顶回填后设置粘土隔水保护层，防止地面水下渗。水流在粘土隔水层的坡度作用下引至洞顶排水沟排出洞外。明洞临时边、仰坡内回填土体底部设置φ10 cm双壁打孔波纹管以排出下渗积水。

3.4 隧道暗洞防排水方案

隧道纵坡采用单向坡，为便于排水，根据隧址区的最冷月平均气温并考虑到减小隧道的环向排水距离、降低隧道排水系统冻结堵塞的风险、降低排水沟检修时对路面交通的干扰程度，在加定端洞口保温段设置中心深埋水沟，海晏端洞口保温段范围内及洞身非保温段设置侧式排水沟，其中海晏端保温段范围内的侧式水沟采取防寒保暖措施。故隧道暗洞复合衬砌防、排水系统由防水板、环向排水管、纵向排水管、横向引水管与加定端保温段中心排水沟、洞身非保温段侧式排水沟、海晏端设保温措施的侧式水沟组成。施工中需保证结构接缝的施工质量。

中心排水沟管径60 cm、侧式排水沟管径40 cm，均采用预制混凝土管。根据勘察资料，隧道涌水量为8 558 m3/d，参照JTG/T D70—2010《公路隧道设计细则》有关算式，计算可知中心排水沟管径和侧式排水沟管径均能满足排水要求，限于篇幅详细计算过程不做赘述。侧式排水沟及中心排水沟均每隔100 m设置一座检查井，浅埋侧式水沟与深埋中心水沟的转换也通过设置检查井来实现；同时为保证水沟型式转换位置的排水顺畅，设计采用间距20 m的双重转换井方案。见图2和图3。

图2 浅埋侧式水沟段防排水设计

图3 深埋中心水沟段防排水设计

暗洞防排水具体设计方案如下：

1）针对隧道围岩开挖后的裂隙水，设置环向“Ω”排水半管将围岩渗漏水引至纵向排水管（φ10 cmHDPE打孔波纹管）；考虑到进洞口地势较低，围岩裂隙水量大，在进洞口的深埋中心水沟段落设置由3根φ22.5 cmHDPE打孔波纹管组成的环向排水带增强排水；

2）为有效排出二次衬砌背后积水，在初期支护与防水板之间每隔5 m（水量大时可适当加密）设置一道环向排水管（φ5 cmHDPE打孔波纹管），该水管与隧道边墙底部的纵向排水管相连接，通过横向排水管（φ10 cmHDPE无孔波纹管），将水引入侧式排水沟（中心排水沟）排出洞外；

3）初期支护和二次衬砌之间，设置350g/m2无纺土工布和1.5mm厚EVA防水板，组成第一道防水屏障；

4）隧道边墙和拱部的二次衬砌，采用抗渗等级不低于P8的C35抗渗混凝土，作为第二道防水屏障，见图4；

图4 暗洞拱部防排水断面

5）在变形沉降缝处和施工缝处设置全断面中埋式橡胶止水带，保温段变形沉降缝处增设全断面背贴式止水带并用沥青麻絮填缝，确保变形沉降缝和施工缝处的防水。

3.5 隧道路基路面防排水方案

遵循“清污分排”的环保理念，路面水单独通过路拱横坡排入两侧边水沟，在洞外引入路基边沟，经过净化处理后排放。路面边沟采用开口式“Ω”沟，此类边沟不易淤塞，便于清洗[4]；同时边水沟沿隧道纵向每间隔50 m设置一处沉砂井，保证排水顺畅。为防止路面底层地下水上升到路面影响行车安全，特别是不设仰拱的围岩段落，在浅埋侧式水沟段路面整平层中设置了横向排水管（φ10cmHDPE打孔波纹管），设置间距每10 m一处，在地下水丰富地段可适当加密。路面下部积水通过整平层横向排水管汇入两侧排水沟，保证路面结构安全。

4 隧道防寒保温设计

项目所在区域多年平均气温-0.3～3.5℃，极端最低气温-33.1℃，最冷为1月份，平均气温为-10.1～-15.3℃；平均季节性冻土深度1.05～1.08 m。此类地区由于寒冷会导致隧道的三向（环向、纵向、横向）排水管、排水沟、检查井以及隧道洞外出水口的冻结，致使隧道衬砌结构胀裂、边墙渗水挂冰、路面结冰等冻害。冬季隧道的气温，在洞口处接近洞外气温，随着深入隧道内部气温会逐渐上升，所以隧道内部一般不会有冻害发生，冻胀问题主要发生在洞口位置[5]，如何确定洞口保温段长度和采用何种规格何种厚度的保温材料是高寒地区隧道防寒保温的关键。

4.1 隧道保温段长度确定

结合隧址区气温资料，采用日本学者黑川羲范统计了264座隧道后提出的经验公式[6]，来计算保温长度，限于篇幅详细计算过程不做赘述。经计算，单侧洞口保温段长度理论值为695.32 m，由于我国公路隧道比日本国铁隧道断面要大，故将理论值增大10%作为修正，保温段理论修正值为695.32×1.1=764.9（m），所以保温段设计长度按800 m计。

4.2 隧道防寒保温措施

1）采用ABAQUS计算软件建立有限元模型，对隧道温度场进行模拟。分别计算铝镁质保温板厚度为3、5、8 cm时衬砌温度场的变化，得出当保温板厚度为5 cm时，衬砌内部温度受外界温度变化影响较小且较为经济。因此保温段范围内的二次衬砌内表面采用5 cm铝镁质保温板及0.6 cm硅酸钙防火板作为保温层，其中硅酸钙防火板兼作洞内装饰。

2）保温段电缆沟侧壁和轻质盖板底部采用5 cm厚铝镁质保温板包裹。浅埋侧式水沟保温段，路面整平层以下侧式沟回填碎石顶部设置5 cm厚铝镁质保温板，同时对浅埋侧式水沟保温段横向排水管也用保温材料进行包裹。

3）加定端（出水端）保温段范围内在衬砌仰拱下设置深埋中心排水沟，中心排水沟埋置深度设置在最大冻结深度以下。

4）中心排水沟（侧式排水沟）间距每100 m设一处检查井，井口用混凝土封闭，井内设保温隔层，以保证检查井的正常使用。在隧道中心水沟的出口处设掩埋式保温出水口，保证隧道排水系统的通畅，见图5。

图5 中心水沟保温出水口

5）对墙脚位置排水管的三向接头处采用土工布包裹，防止泥沙堵管，避免衬砌环向排水管、纵向排水管、横向排水管的冰冻堵水，危害洞身围岩和衬砌结构。

6）用作保温材料的铝镁质保温板，其主要材料技术参数见表1。

表1 铝镁质保温板主要技术参数

5 结语

本文依托青海省加定至海晏公路工程的某高海拔寒冷地区隧道项目，总结以往高寒地区隧道设计经验?并进行了大量现场调研和仿真模拟计算工作。在此基础上，提出了适合本项目隧道的防排水及保温设计方案，从而解决了高寒地区隧道洞内洞外防排水、防寒保温等关键技术问题。本文研究成果将直接应用于加西公路隧道工程，以确保设计既能够满足高寒隧道防排水和保温防寒的需求，又能取得较好的经济、社会效益。