寒区铁路隧道保温排水设施设计标准研究

马志富， 杨昌贤

(中国铁路设计集团有限公司， 天津 300308)

0 引言

与一般地区相比，寒区隧道工程最显著的特点是所处环境会随四季更迭交替而周期性出现气温从0 ℃以上下降到0 ℃以下并长时间处于0 ℃以下的变化过程，而伴随着这个变化过程虽然较长隧道洞身范围的围岩仍可能处于恒温带内，但隧道洞内及其周边一定范围的围岩均可能处于负温区内。而当处于负温区范围的围岩、隧道初期支护、初期支护与二次衬砌间隙及二次衬砌混凝土结构等部位含水时，必然经历着由非冻结状态到冻结状态的冻融变化过程，这种周期性的冻融过程对寒区隧道的防排水系统产生了巨大的影响。大量的工程实践[1-3]表明，寒区隧道的冻害多是由于隧道排水设计不当或排水设施失效导致的。

针对寒区隧道的冻害问题，近年来工程技术人员依托不同项目开展了大量的研究工作，取得了系列研究成果。陈学峰[1]提出寒区隧道冻害防治应采取多道防线、综合治理的原则，并应与隧道防排水技术研究紧密结合的处治思路； 张剑[2]对比分析了泄水洞、中心深埋水沟等防冻排水形式，提出了建立寒区隧道病害防御理念，适当提高寒区隧道防水设计标准，采用可维护的防排水系统，采取可靠的保温措施，加强排水系统养护维修，确保排水畅通的建议； 苑郁林等[3]提出了寒区隧道围岩冻融、冻结环境的判别标准，并对寒区隧道围岩进行了分类；吕康成等[4-7]分析了冻融对围岩及隧道结构等产生的影响以及隧道冻害的原因，提出了系列的针对性措施；夏勇等[8]分析了严寒地区隧道防排水设计及施工存在的问题，提出了保温防排水系统的优化措施；夏才初等[9]分析防寒泄水洞在不同冻土区隧道的适用性及设计要求，提出了新型的防寒泄水洞断面型式、布置设计；孙克国等[10]通过理论分析和数值模拟方法提出了寒区隧道排水沟埋置深度与冻结深度的关系式；王平安等[11]分析了高海拔寒区隧道防排水技术难点，提出遵循“防、排结合”的原则，采取以泄水洞为主，辅以保温防寒水沟、保温中心水沟和伴热电缆采暖式水沟的综合防排水系统的防冻技术；高焱等[12]经大量调研后将隧道寒区划分为高纬度地区和高海拔地区，提出了设置保温层的适用范围，并建议保温水沟、中心深埋水沟和防寒泄水洞以洞内二次衬砌表面温度0 ℃为设防终点；汤贵海等[13]通过室内模拟实验研究了寒区隧道在层间设置聚氨酯保温板的保温效果，提出了工程中应慎用层间聚氨酯保温板的隧道防冻方案；刘秀等[14]分析了寒区隧道保温防冻系统的作用及其设计存在的问题，提出了高海拔寒区隧道保温防冻系统设计的要求及改进措施。

上述研究结果表明，设置由保温水沟、中心深埋水沟、防寒泄水洞及相关配套排水设施等组合而成的隧道保温排水系统，保证隧道排水畅通是从根源上解决寒区隧道冻害问题的有效措施，但上述保温排水系统目前缺乏统一的技术标准，局部甚至出现了同一地区不同项目的隧道保温排水系统设防长度、结构形式等均存在较大差异的情况，不仅隧道冻害问题依然存在，还给施工及运营带来极大的困扰。

本文通过调研、分析及测试等方法，总结我国寒区分区及寒区铁路隧道的保温排水措施现状，提出寒区铁路隧道的设计分区及不同分区隧道保温排水措施设防的建议长度，以期对寒区隧道保温排水设计及冻害防治提供参考。

1 我国寒区分区和寒区铁路隧道保温排水措施现状

1.1 我国寒区分区

1.1.1 按气候分区

寒区气候环境影响因素主要包括当地最大土壤冻结深度、极端最低气温、年(月)平均气温、最冷月平均气温、年平均降雨(雪)量及季节分布、日照时间、风向、风速、区域冻结指数等。一般情况下可根据最冷月平均气温及黏性土最大冻结深度将寒区划分为寒冷地区和严寒地区[15-16]，如表1所示。

表1 寒区分类

1.1.2 按地理分区

根据地理分布分析，我国的寒区主要位于东北的黑龙江、吉林、辽宁和内蒙古东北部及华北北部，西北的甘肃、青海、新疆，西南的西藏、川西的阿坝、甘孜、云南的滇北、玉龙山和高黎贡山的北部等地区[17]。

东北寒区属于低山高纬度寒区，虽然海拔不高，但由于纬度高，受北冰洋寒潮及蒙古高压的影响，寒季盛行西北风，形成半年持续低温、干冷多雪的特征，气温变化剧烈，是我国最寒冷的自然区域；而以青藏高原为主的西部寒区属低纬度高原寒区，虽然纬度低，深居内陆，但地势高，受高空西风环流控制，并在对流层处受高原季风影响，冬季高原上大气层对同高度的自由大气是个冷源，形成青藏冷高压，盛行反气旋环流。因此，可按地区区划将我国的寒区划分为高纬度寒区和高海拔寒区[18]。

1.2 寒区隧道排水技术现状

1.2.1 仅有季节性冻土的寒区隧道

针对季节性冻土区的水冬季冻结成冰、夏季融化为水的特点，铁路隧道工程技术人员经过多年的研究和工程实践证明，设置保温排水系统能有效防止隧道产生冻害。该方法主要是在隧道底部建立一个以深埋排水设施为主体的管沟进行保温，及时排除隧道周边地下水，达到隧道衬砌表面不渗水、背后不积水和排水沟不冻结的目的。

1.2.2 有多年冻土的寒区隧道

针对多年冻土区中的水全年呈固态的情况，则通常采取在初期支护与二次衬砌间设置全环保温层保温，防止隧道周边的冻土融化的处治思路。

当设置隧道内排水沟时，一般在水沟内增加保温措施。

2 寒区铁路隧道的设计分区

东北及华北北部季节性冻土区冬季气温低、持续时间长，是我国季节性冻土的主要区域，本文将以该地区为研究重点，探讨寒区铁路隧道的设计分区。

2.1 年平均气温对寒区铁路隧道排水设施的影响

通过近10余年对东北及华北寒区铁路隧道的冻害情况进行调研分析发现，年平均气温对寒区铁路隧道排水设施产生的影响十分明显。

1)当寒区年平均气温处于8～12 ℃时，隧道洞内排水沟(管)可不采取保温措施，但洞口段的高式侧沟冬季可能产生冻结，仰拱内排水管的洞外出水口无保温措施时，冬季易产生结冰。如石太客专沿线隧道所在地区最冷月平均气温为-6.5～-2.5 ℃，年平均气温为9.5～12.9 ℃，全线未设置保温排水设施，虽然冬季部分隧道中心排水管出水口附近产生了冻结情况，但洞内侧沟及排水沟均未出现冻结现象。

2)年平均气温处于4～8 ℃的地区，洞口段高式侧沟采取保温措施或仰拱内排水管已不能防止冬季作为排水设施的沟及管内结冰，需要在洞口端设置一定段落的仰拱内保温排水管或置于仰拱结构以下的保温水沟，其他段落可设置高式保温侧沟或仰拱内排水管。如准鄂铁路沿线隧道所在地区最冷月平均气温为-12.6～-10.5 ℃，年平均气温为6.2～8.3 ℃，在隧道洞口段300 m范围设置了仰拱下中心深埋水沟，洞身300～1 000 m侧沟进行了保温。隧道运营后冬季未出现冻害现象。

3)年平均气温处于0～4 ℃的地区，需在距洞口一定范围段落设置位于仰拱结构以下的中心深埋保温水沟，其他段落可设置位于仰拱结构以下的保温中心水沟或仰拱内保温中心水沟。如牡绥铁路沿线隧道所在地区最冷月平均气温为-18.4～-17.2 ℃，年平均气温为2.3～3.7 ℃，隧道洞口段1 000 m范围设置了仰拱下中心深埋水沟，洞身1 000～2 000 m侧沟进行了保温。隧道运营后冬季中心排水沟除个别缓坡隧道因水沟堵塞导致冻结外，其余均未出现冻害现象，但侧沟大部分产生了冻结。

4)年平均气温在-4～0 ℃的地区，需在距洞口较长段落范围设置位于仰拱结构以下的深埋中心保温水沟(当水沟埋置深度过大时也可采用防寒泄水洞)，其他段落应设置位于仰拱结构以下的保温中心水沟。如滨州线兴安岭隧道及沙力隧道所在地区最冷月平均气温为-21.3 ℃，年平均气温为-1.0 ℃，隧道均设置中心深埋水沟或泄水洞排水，而隧道排水系统冻害的主要原因是检查井密封不良，空气对流所致，该地区的排水系统应以中心深埋水沟或防寒泄水洞为主。

5)年平均气温低于-4 ℃的地区，洞口段可能为多年冻土区，宜按多年冻土隧道开展防排水设计，其他段落宜采用防寒泄水洞排水。如嫩林线的白卡尔隧道和西罗奇2号隧道所在地区最冷月平均气温为-32 ℃，年平均气温低于-3 ℃，最大冻结深度为4.5～5.0 m以下。白卡尔隧道采用保温水沟，水沟冻结严重，而西罗奇2号隧道则在隧道底板下5.85 m处设置防寒泄水洞排水，泄水洞常年不冻。

2.2 按气温条件对寒区铁路隧道进行的设计分区

通过寒区年平均气温和最冷月平均气温进行对照，寒区铁路隧道可按表2所示的设计分区进行针对性的保温排水设计，以达到工程措施合理、可靠。

表2 寒区铁路隧道的设计分区

3 保温排水设施类型及其适应性

总体来说，寒区隧道的保温排水设施通常应根据隧址区气候条件、地下水发育程度等不同影响因素分别选择仰拱内保温水沟、仰拱下保温水沟2种类型的保温排水方案及相关的配套排水设施等，确保隧道排水通畅。

3.1 隧底仰拱内的保温水沟

隧底仰拱内的保温水沟一般适用于冬季衬砌背后不会出现负温区的情况。此时，隧道周边的地下水可以通过边墙处泄水孔进入洞内的高式侧沟或结构内埋置的排水管引排。高式侧沟通常设计为双层盖板，经增加空气保温层或填充保温材料可以解决盖板沟的保温排水问题；而采取结构内埋置排水管时，通过在排水管表面包裹保温层可以解决排水问题。这些措施可在寒区隧道环境温度较高、冻结深度较小的地段采用。

值得一提的是，高式侧沟由于构造原因，受隧道内温度影响最大，保温效果不佳。当寒区隧道采用仰拱内的侧沟进行保温排水时，往往需要将侧沟深度加大，且尽量避免采用高式侧沟。

3.2 仰拱下保温水沟

当冬季隧道衬砌背后出现负温时，衬砌结构边墙处泄水孔内受冰冻堵塞，如果没有隧底结构下保温水沟，地下水将在结构外轮廓附近产生聚集，并沿衬砌结构薄弱处(如结构缝、裂缝等)渗入隧道结构内，轻则形成挂冰，重则因不断冻融从而破坏结构。

将排水沟置于仰拱结构下，是解决寒区隧道隧道保温排水问题的最有效手段。具体可细分为以下3种情况。

3.2.1 仰拱结构以下的浅埋排水沟

这种水沟设计时，仅考虑水沟结构自身尺寸，满足水沟埋置于仰拱结构以下即可。

3.2.2 仰拱结构以下的深埋保温水沟

这种水沟设计时，除考虑水沟结构自身尺寸外，还需考虑衬砌以外的负温层厚度(或冻结深度)，水沟埋置深度较大。

3.2.3 防寒泄水洞

经验表明，当仰拱结构以下的深埋保温水沟埋置深度超过2.5 m时，无论是施工难度还是工程代价，可能超过在隧道结构以下另行施作1个与隧道并行的排水洞。这种情况下，采取防寒泄水洞可能是综合技术、经济和使用功能的最佳方案。

此外，当寒区隧道排水量大，一般水沟难以满足排水量需求时，也可采用防寒泄水洞。

3.3 保温排水沟的配套设施

当设置隧底结构内的保温水沟时，隧道低洞口端的末端排水出口应采取保温措施，以防止冻结阻塞出水通路。

当设置仰拱下的保温水沟时，除隧道低洞口端的末端排水出口应采取保温措施外，还应采取洞内保温检查井、保温排水盲管等配套设施。

4 寒区隧道内测温

虽然寒区隧道冬季洞内温度会受到洞外环境变化的影响，但由于隧道处于围岩的包裹之中，而围岩自身的温度相对较高，隧道内具有一定的回温情况。近年来，由于高速铁路的发展和行车密度的增加，普遍认为寒区隧道冬季洞内温度低，保温排水设施的长度应尽量加大。

针对上述问题，选取了处于设计分区为Ⅲ区且已开通运营的牡绥铁路红房子隧道为测试对象，并于2017年12月下旬至2018年4月底开展了为期1个冬季的现场温度测试工作。

4.1 工程概况

红房子隧道位于黑龙江省穆棱市，隧址区最冷月平均气温为-17.2 ℃，年平均气温为2.3 ℃，土壤最大冻结深度为191 cm。隧道全长6 437 m(里程为DK451+595～DK458+032)，设计速度为200 km/h的单洞双线隧道，隧道内最大埋深约183 m。隧道线位由进口至出口为西西北—东东南走向，与当地冬季主导风向西风基本一致。隧道于2015年12月底正式开通运营。

隧道纵坡为单面坡，由进口(西口)至出口(东口)坡度分别为5‰的上坡、7‰的上坡和3‰的上坡，进出口高差达44.32 m。

隧道进口1 000 m范围段设置了内径为φ60 cm仰拱下深埋水沟，距进口1 000～2 000 m段及距出口2 000 m范围段设置了内径为φ60 cm的仰拱内保温水沟，其余段落的仰拱内水沟与一般地区相同。内径为φ60 cm排水管是本隧道的主排水沟。

进、出口各2 000 m范围段双侧水沟设置双层盖板型的保温水沟，且距洞口1 000 m范围段2层盖板间填充了聚氨酯泡沫材料保温。

4.2 测试方案

1)自隧道洞口第1个检查井开始，沿洞身方向每间隔16个检查井(约480 m)设置1个测试断面。

2)每个测试断面上布设1～3个测点，采用自动温度测试仪器分别对洞内、侧沟内及中心水沟内进行连续温度测试(每30 min记录1个数据)并记录。测点位置如图1所示。

3)测点1为测试洞内温度，布置在隧道内壁上。

4)测点2为测试侧沟内温度，布置在侧沟底面上。

图1测点布置

Fig. 1 Measure points arrangement

5)测点3为测试中心水沟内温度，布设在检查井保温层的底部。

4.3 结果分析

经过1个冬季的隧道内温度测试，现场共获得洞内、侧沟及中心沟内有效测试数据分别为12组、13组和15组。选取典型断面对洞内、侧沟及中心沟内温度随时间变化曲线进行分析，结果如图2—4所示。

图2 隧道洞内温度时程变化曲线

由图2分析可知，隧道内温度具有如下特点： 1)2018年1月25日—3月15日期间隧道内所有测点的温度均低于0 ℃； 2)受单面坡洞口高差及冬季主风向影响，低洞口端(迎风口)洞内负温影响长度远大于高洞口端，其中距高洞口(背风口)端1 000～2 000 m段的温度变化幅度相对较小，最冷月气温在0 ℃上下变化。

由图3分析可知，侧沟内温度具有如下特点： 1)侧沟内温度稍高于洞内温度； 2)受单面坡洞口高差及冬季主风向影响，低洞口端(迎风口)侧沟负温影响长度远大于高洞口端，其中距高洞口(背风口)端500～2 000 m段侧沟内温度整体达到0 ℃以上，但个别时间点可能低于0 ℃。

图3 隧道侧沟内温度时程变化曲线

(a) 洞口段

(b) 洞身段

由图4分析可知，中心水沟内温度具有以下特点： 1)低洞口约1 000 m、高洞口约450 m段，仰拱内水沟温度低于0 ℃； 2)除低洞口约1 000 m和高洞口约450 m段外，仰拱内中心水沟内温度基本均大于0 ℃。

而从现场实际情况来看，位于Ⅲ区的红房子隧道在2017年12月—2018年4月期间除侧沟局部发生冻结外，隧道中心水沟内均未发生冻结，与图3及图4中分析的温度变化情况基本吻合，即设计分区为Ⅲ区的中长隧道需在洞口一定范围设置仰拱下深埋排水沟，可在洞身段设置仰拱内中心管沟作为主排水设施，而高式侧沟则不宜作为排水设施。

5 寒区隧道保温排水设计标准

5.1 基本要求

1)隧道洞口相对高差形成的气压差会对洞内气流产生一定的影响，导致低洞口端负温段明显加长，有条件时寒区中长隧道宜采用人字坡。

2)当洞口上坡方向与隧道所在地区冬季主风向一致时，面向主风向一侧洞口段的洞内温度影响段落加长[19]，有条件时可加大隧道走向与主风向的夹角。

3)工程调研发现，缓坡隧道的排水沟坡度施工控制难度大，发生冻害的概率明显高于大坡度隧道。水工经验[20]也表明，寒区输水隧洞内明流排水的流速不宜小于1.2 m/s。综合考虑隧道中心管沟的尺寸、流量等因素，寒区隧道内的纵坡不宜小于5‰。

5.2 保温排水设施的长度

通过研究，建议寒区隧道设置仰拱内保温水沟、仰拱下保温水沟。寒区隧道保温排水措施建议长度一览表见表3。

表3 寒区隧道保温排水措施建议长度一览表

注： L为隧道长度。

6 结论与建议

本文根据目前寒区保温排水缺乏设计标准的问题，结合寒区分区及隧道保温排水的技术现状，通过调研东北及华北北部寒区铁路隧道冻害情况，提出了按最冷月平均气温及年平均气温对寒区铁路隧道进行设计分区的方法；通过分析保温排水设施的适用条件，结合运营铁路隧道内及排水设施内的温度实测分析，提出了不同分区寒区隧道保温排水措施设置的建议长度。主要结论与建议如下：

1)寒区铁路隧道可按年平均气温和最冷月平均气温划分为5个分区。

2)仰拱内高式保温侧沟仅适应于设计分区为Ⅰ区的洞口段和Ⅱ区的洞身段；仰拱内低式保温水沟或暗管沟仅适应于设计分区为Ⅱ区的洞口段和Ⅲ区的洞身段。

3)仰拱下浅埋排水沟适应于设计分区为Ⅱ区的洞口段和Ⅲ区的洞身段；仰拱下深埋排水沟适应于设计分区为Ⅲ区的洞口段和Ⅳ区的洞口、洞身段。

4)防寒泄水洞适应于设计分区为Ⅳ区且计算水沟埋置深度超过2.5m的洞口、洞身段；当设计分区为V区时，洞口段宜按多年冻土隧道设计，洞身段排水设计可按Ⅳ区设计。

5)有条件时寒区中长隧道宜采用人字坡，隧道轴线宜与冬季主导风向呈大角度相交，纵坡宜不小于5‰。