既有铁路隧道排水沟冻害原因及处置措施

2021-05-09李尧

铁道建筑 2021年4期

李尧

（中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081）

随着我国铁路建设的快速发展，隧道的建成里程不断增长，在黑龙江、内蒙古、新疆等寒冷地区也有大量隧道投入运营。在运营过程中，很多隧道出现排水沟结冰现象，影响正常使用，严重者因为水沟冻结使地下水失去疏排通道漫入道床而造成道床大面积结冰，严重影响隧道结构正常使用及行车安全［1-2]。本文以内蒙古地区一座铁路隧道为例，对排水沟冻害的产生原因进行分析并提出相应整治措施。

1 工程概况

该隧道为单线隧道，全长4800 m，设计行车速度120 km/h，隧道设计为单面下坡排水，出口段300 m 为4‰下坡，其余段落为4.5‰下坡。隧道地处内蒙古大草原，属低缓丘陵区，山体多未见基岩出露，植被覆盖较好，隧道最大埋深93.64 m。

隧道防排水采取“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则，隧道防水等级为一级，混凝土抗渗等级为P10。隧道拱墙初期支护和二次衬砌之间防水采用EVA 防水板，防水板厚度不小于1.5 mm，无纺布密度为350 g/m。防水板和土工布设置到轨面以下80 cm，仰拱不设置防水板。隧道进出口段500 m 范围设置双层保温水沟，在双层盖板之间填充保温材料。隧道出口端设置800 m 中心深埋水沟，中心深埋水沟段落每10 m 设置一个横沟，每30 m 设置一个检查井。在隧道出口端800 m 处采用φ200 mm 的PVC 管连通中心深埋水沟的横沟和洞内双侧水沟，保证洞内双侧水沟的水经由中心水沟排出。

隧道进拱墙二次衬砌和初期支护之间环向设置φ50 mm 深埋保温盲沟，每10 m 设置一道，边墙墙脚处纵向设置φ80 mm 盲沟，要求环向、纵向盲沟保持连通。隧道进出口段环向、纵向盲沟采用5 cm 厚聚氨酯保温层覆盖，保温层幅宽2 m。

2 病害情况

2015年隧道贯通后，施工单位现场检查发现距出口段约500 m 范围内保温水沟结冰。掀开外侧盖板可见填充的保温材料冻结，取出保温层后可见水沟全部冻结，如图1 所示。距出口端500 m 左右开始出现水沟结冰，部分地段水沟盖板上及道床也有结冰现象发生。最严重病害出现在距出口800 ～1100 m 内，该段水沟盖板及道床全部冻结，结冰厚度至轨面以上40 ～50 cm，工务部门安排大量人员进行凿除，如图2 所示。全隧道水沟冻结平面分布情况如图3 所示。

图1 排水沟结冰

图2 道床结构结冰

图3 水沟冻结平面分布示意（单位：m）

3 原因分析

3.1 极端气候条件

由于缺乏隧道不同里程处气温的观测资料，也无隧址区域内气候观测资料，故根据当地县级气象部门资料对2015年11月至2016年2月的气候条件进行分析，得到主导风向是西、西北、北，结果见表1。

表1 隧址冬季气候条件

由表1 可以看出：2015—2016年冬季隧址最冷月为2016年1月，平均气温为-24 ℃，较设计最冷月平均最低气温（-19 ℃）低5 ℃；极端最冷气温发生在2015年12月，为-33 ℃。由于隧道处于野外丘陵地带，远离城区，其实际气候较观测数据更为恶劣。

通过对冬季风向及风力进行分析可知：冬季月平均风力达到2.3 级，对应风速约3 m/s；最大风力达到6级，对应风速约10 m/s；隧道出口面向西北，连续四个月主导风风向与隧道走向夹角小。风向及风力条件导致洞内外空气对流频繁、降温快，易形成连续低温，有利于冻害的产生与发展。

3.2 设计局限

根据设计时所依据规范，在进行寒区铁路隧道防排水设计时主要以最冷月平均最低气温以及黏性土最大冻结深度作为设计依据进行防寒防排水设施的选型设计，并且规定：最冷月平均气温低于-5 ℃地区冬季有水隧道的冻害地段，宜设置保温水沟、中心深埋水沟、防寒泄水洞等措施；其配套排水设施应能防寒，使水流畅通。TB 10119—2000《铁路隧道防排水技术规范》［3]对寒区隧道排水沟的设置进行了细化要求，规定最冷月平均气温在-10 ℃以下地区，排水沟形式按表2取用。

表2 不同温度下的排水沟形式

设计气象资料显示，隧址最冷月的平均最低气温为-19.2 ℃，土壤最大冻结深度为2.12 m。设计在出口端800 m 采用中心深埋水沟，并在洞口500 m 范围内采用保温水沟，符合设计规范要求，但未能防止冻害的产生。

相关研究表明［4-5]，隧址风力、寒冷月主导风向、隧道走向夹角等因素对隧道内温度场的变化影响显著。此次冻害的发生在一定程度上反映出现行寒区隧道排水设施设计依据有待完善。设计参数主要通过工程类比确定，对其他影响因素考虑不足，导致防寒措施选用不当、防寒设施设置范围偏小。所以，虽然该隧道依据最冷月平均最低气温与土壤最大冻结深度设计排水系统保温措施符合设计规范要求，但在持续极端低温、较强风力、冬季主导风风向与隧道走向夹角小等因素的影响下，冻害的产生未能避免。

3.3 施工缺陷

现场调研发现，侧沟施工质量粗糙，部分地段坡度不符合设计要求、高低不平，有施工垃圾遗留，中心水沟及横过管局部淤堵，影响地下水正常排出，加大了冻害发生概率。

综上所述，在冬季严寒条件下排水系统保温设施设置不足。隧道出口段1.2 km 范围内均满足冻害发生的温度条件。由于水沟内流量较小，流速较慢，加之泥沙淤堵未及时清理，水流更加缓慢并逐渐冻结形成排水阻梗，使沟内水流由无压有序排水变为有压无序排水，持续累积并溢出。在保温水沟段由于中心水沟的作用，小里程侧地下水经由中心水沟而未由侧沟排出，出口端地下水水量较小，故仅发生局部水沟保温层及盖板上部结冰而未至道床。冻害严重地段位于中心水沟起始端，由于横过管及中心水沟的淤堵，水流来不及向中心水沟倾泻而逐渐冻结，加之小里程方向来水量较大，逐渐溢出水沟进入道床造成大面积冰害。

4 处理方案

目前针对排水沟冻害的处理措施主要有增加保温水沟长度、增设防寒泄水洞、水沟电辅热等方式［6]。鉴于隧道已经开通运营，在综合考虑技术难度、施工成本、运营安全等因素基础上，决定采用水沟电辅热方案进行治理。

具体方案为：在隧道出口段1100 m 范围内的双侧水沟内，布设电加热板，并通过温度传感器和融冰传感器实现电加热板的自动启停控制。

当水沟内气温低于0 ℃时，由温度传感器传输信号到控制箱，启用底部加热板。当气温极低、底部加热板无法阻挡结冰、水沟内产生结冰现象时，融冰传感器传输信号到控制箱，启用两侧壁加热板，实现其融冰功能，确保水沟通畅。电伴热系统工作程序如图4所示。

图4 电伴热系统工作程序

根据电加热板的功率要求和控制箱的容量限制，单侧每60 m设置一台控制箱，对60 m长度范围内的电加热板实施控制。为了确保用电安全，控制箱进线端采用220 V 或380 V 电压，经过控制箱内变压器后，变压为36 V 安全电压，对加热板实施供电。控制箱位置结合洞内避车洞分布设计，控制箱安放在避车洞内。电加热板性能：宽度为20 cm，单片长度为122 cm，用电电压为36 V，功率为每米80 W，表面温度为45 ℃。电伴热面板安装详见图5，电热系统控制箱原理见图6。