含多年冻土层的公路隧道排水设计

刘中青

（山西路桥建设集团有限公司太原设计咨询分公司，山西 太原 030000）

0 引言

在西部大开发战略的推动下，我国修建了多条包含多年冻土层的公路隧道，积累了大量冻土山区隧道防排水设计经验。但根据实践情况，现有的设计规范、理论设计中依然存在不足，无法完全解决含多年冻土层地区公路隧道排水设计中出现的问题，特别是防排水系统经常会因施工设计等问题，丧失原有的作用。因此，探讨、研究含多年冻土层的公路隧道排水设计十分重要。

1 工程概况

该工程所在地区属于昆仑山北麓山区，属于半干旱、寒冷大陆性气候，在试验过程中，检测到隧道的平均海拔高度为4680m，常年平均气温为-5.7℃。区域所在位置，属于青藏高原多年冻土区北部的季节性冻土区面向多年冻土区过渡的地段。该区域具备发育性季节冻土、大片连续多年冻土。岩性属于板岩夹片岩。此外盖雨的强风化厚度最小为1.7m，最大为4m。

2 含多年冻土层的公路隧道排水设计

2.1 试验分析

针对管道周边范围内的组成系统开展热分析，并由此为基础获得系统性温度场分布，判断给排水管道设计保温层能否达到保温需求[1]。

2.1.1 试验方法

该试验针对边界条件、荷载约束条件等展开分析，并由此构建起支撑数值分析计算的模型。并根据ANSYS 软件展开热分析计算求解[2]。以热分析模块理论为核心展开探究，热分析模块作为一种热平衡方程，可以通过有限元法的应用来详细计算出不同节点的温度情况，同时将各节点的热物理参数进行计算。热分析分为2 类，分别为瞬间传热分析、稳态传热分析。在展开稳态分析的过程中，其中任何1 个节点的温度都不会出现变化，因此它应用于计算系统部件受到热荷载的影响程度[3]。它的应用过程，主要针对系统跟随时间变化的热参数以及温度场进行变化。而另外的瞬间传热过程，本质上属于系统性冷却、加热过程，在这个过程当中系统的热边界条件、温度等都可能出现变化。

瞬间热分析可以针对1 个特定系统，在具体时间波动的过程中，对伴随着时间变化而变化的热参数、温度场进行计算[4]。在工程领域中，一般会通过瞬间热分析的方式针对温度场进行计算，同时将其用作热载荷并进行应力分析。热分析中，荷载情况是跟随着时间的变化而变化的，在完成瞬间分析以前，要首先展开稳态分析，通过这样的方式明确初始化荷载，也就是所谓的Steady-stateo。同时针对荷载伴随着时间变化的具体情况展开分析，因此应该将荷载的时间曲线划分为荷载步。通过对该地区情况展开实地勘探，可以计算出排水管道设计的原始条件（表1），以及材料热物理性能表（表2）。

表1 排水管道设计初始条件

表2 材料热物理性能

2.1.2 测试数据

针对防水层外侧部分的水压力，可以得出如下结论。1）（≤2kPa）。其在实践测试过程中，未显示出明确的水压力情况，同时其实际测量数据在具体的精度测试范围内部出现波动[5]。在这部分中有较为明显的测点77.8%（n=28），其在实践过程中，更多地出现边墙等一系列部位。2）微压量级（≤1000kPa）。该阶段仅测试到1 例，其存在于DK977=410 拱腰的外侧区域，实践大小数值为13.3kPa。通过这一方式可以推断出，在这次施工过程所在区域当中，壁厚的水压力问题主要存在于仰拱区域内，同时根据其实际测量部位的数据能够看出，水压情况相对较小，大部分不超出10cm。

2.1.3 水压力的变化趋势

刘 柯(1992—), 男, 湖北武汉人，助理研究员，硕士，研究方向为智能交通与安全。E-mail:714981562@qq.com

根据水压力随着时间波动显示的时间曲线能够发现，在常规情况下水压力变化趋势大体上有以下3 种类型。1）所谓跃升型，指一段时间过后，水压力可能出现增长状况，该施工过程共出现8 例，该数据占据统计数据的28.6%。同时其实际位置主要出现在在仰拱、边墙等位置。2）所谓持平型，指在该阶段当中水压力出现的变化状况，其主要维持在±1MPa这一范围之内，同时这一情形有18 例，占统计数据总数量的64.3%。3）下降型，在施工的开始或后期阶段，其实际水压力情况呈现出不断下降的趋势，这一情形共计出现2 例。

2.1.4 防水层内外侧温度状态

防水层内外侧温度共包含3 种形态，分别为正温形态、正-负温形态、负-正-负温形态。

正温形态指在该测试阶段中，温度将始终保持为正温度，同时其中最低温度为0℃，温差最大值为15.4℃。这一情形实际出现21 例，占据统计数据总数量的77.8%。

正-负温型。首先经由正温度作为出发点，直到负温形态结束，其实际最低负温-0.6℃。最大温差为10.2℃。共计例数为5 例，实际占据统计数据总比例为18.5%。

负-正-负温性。首先从负温度作为起始点，逐渐升高到正温，并在后期阶段逐渐降低为负温。在测试过程中这一情形仅出现1 例，其实际温差情况相对较小，仅为0.8℃（最高温度可以达到0.2℃）。

2.2 各个分段排水系统互相衔接策略

2.2.1 多年冻土段与非冻土段

如果多年冻土段采用保温水沟的形式进行排水，则其与非冻土段之间的连接会包含保温水沟分别与防寒泄水洞、中心深埋水沟以及保温水沟互相连接的情况。

2.2.1.1 保温水沟－保温水沟

这一情况在实践中相对简单，不论隧道坡度是人字坡还是单坡，施工人员仅需要将二者互相连接即可[7]。

2.2.1.2 保温水沟－中心埋深水沟

如果隧道属于单坡，则高地势一段的地下水一定会从多年冻土段逐渐流向非动土段，如图1 所示。在这一过程中，可以根据图2 的方式，完成保温水沟与中心埋深水沟间的排水衔接。简单来说，就是在冻土段与非冻土段的交接处，制造一个引水洞，以这种方式将多年冻土段保温水沟当中的地下水，逐渐引导到中心深埋水沟当中；反之对于地势相对较低的一段来说，非冻土段内的地下水如果想排到洞外，则会流过多年冻土，这时就应在多年冻土段下方的区域，进行排水设施的修建，并使其与非冻土段相连接，但该方式不但会导致多年冻土受到影响，无法保障隧道内部结构的安全性，而且会导致施工进度被拖延，因此对于地势较低一段的排水不应经由多年冻土段排出，由于其实践排水设计与人字坡较为相似，因此该处选择在下文一同阐述。

如果隧道是人字坡，那么处于非冻土段内的地下水，一样需要经由多年冻土段排到洞外，并且其沿途将会经过进、出口两端[8]。为了解决上述问题，设计人员可以将非冻土段与多年冻土段分别设置为相互独立的形式，同时在二者的交接区域，按照山体形貌、左右间距等因素，采用以下2 种方式，将左、右线非冻土段的地下水，在沿途不经过冻土段的情况下引到洞外，避免冻土的原始形态受到影响，具体实践措施如下。1）首先进行地下排水洞的设置，以此来将左、右线中心深埋水沟的水相应的排放到一侧山体之外[9]。如果冻土段与非冻土段的交接区域，存在比洞口距离短的山体表面出口，则可以将地下排水洞通过这一处引到山体之外。如果隧道左右线之间的距离相对较大，则也可选择在左右线中间的位置进行地下排水洞的设置，如图3 所示。反之如果左右线的间距相对较小，则可选择在山体一侧的位置进行地下排水洞的布置，如图4 所示。如果地下排水洞处于非冻土当中，则确保其埋深大于隧址的冻结深度即可，可以借助地温来保障水流不会因寒冬低温出现冻结。如果地下排水洞的位置在冻土当中，则须在其中增设保温措施，以避免水流出现冻结。2）通过地下排水洞的设置，使两侧深埋水沟中的水途经隧道排出洞外。如果非冻土段与多年冻土段的交接区域，并无距离小于洞口距离的出口时，则为了确保左、右线中心深埋水沟内的水可以有序排出到洞外，可以将地下排水洞按照隧道轴向的方向进行设置。

图1 多年冻土段与非冻土段衔接

图2 保温水沟、中心深埋水沟衔接

如果隧道左、右线之间的距离相对较大，则可以选择两线中间的合适位置，进行地下排水洞的布置，为了充分保障主动结构的安全性，隧道左、右两线的多年冻土段，应被设置在地下排水洞施工开挖影响范围以内；与此同时，确保隧道左、右线的多年冻土段处于地下排水洞温度影响以外，通过这样的形式来防止主动周边的多年冻土被融化，导致融沉现象出现。此外，由于隧道左、右线中间区域的地下排水洞将直接穿越多年冻土，为了防止水流冻结，使排水系统始终处于通畅状态，可在其中增添一些保温措施。而地下排水洞的设置则须按照隧道的轴线方向，将多年冻土段与非冻土段的交界处作为起始点，将隧道的洞口位置作为终点，并在多年冻土段与非冻土段的交界区域，将左、右线中心深埋水沟当中的水引导至地下排水洞当中，并使其排出洞外，如图5所示。

图3 左右线间距较大情况下，地下排水洞提前出动排水系统布置

图4 左右线间距较小情况下，地下排水洞提前出洞排水系统布置图

图5 在左右线间距较大的情况下，地下排水洞布设在左右线间的排水系统布置图

如果隧道左、右线之间的距离相对较小，则可按照地质条件、山坡情况等因素，挑选隧道左、右线外侧的合适位置，进行地下排水洞的布设，保障隧道左、右线范围内的多年冻土段，处于冻融影响范围以外的区域。除此之外，考虑项目建设的经济性，应尽可能降低地下排水洞－非冻土段及多年冻土段交界处中心埋深水沟间的距离，通过这样的形式达到降低建设投资的目的。如果地下排水洞按轴线方向所经过的底层为多年冻土，则这一过程可应用合理的保温措施，防止水流出现冻结情况。如果沿途经过区域为非冻土，则仅确保地下排水洞埋深超过隧址的冻结深度便可，利用地温作用来防止水流的冻结，无须在其中增设保温措施。而这一部分应用的地下排水洞，则会根据隧道轴线方向，起始于多年冻土段及非冻土段的交接处，截至于隧道洞口外排水洞保温出水口，如图6 所示。

图6 左右线间距较小情况下，地下排水洞布设在左右线一侧的排水系统布置图

2.2.1.3 保温水沟－防寒泄水洞

这一情况与上述2.2.1.2 中的情况大致相同，只需将2.2.1.2 中的中心埋深水沟替换成防寒泄水洞。

3 结语

该文结合实践，根据多年冻土区公路隧道排水设计，对可能面对的不同情况进行阐述，并结合现有设计标准中的设计方式进行分析，证明多年冻土隧道排水系统须按照冻土段类型的不同展开分段设计，并以此为基础，提出了不同分段之间的相互衔接技术。由于多年冻土隧道并非仅是从单一冻土层中经过，而是沿途经过差异化类型的冻土段，因此结合各个类型冻土段自身排水形式设置的差异性，应保证各冻土段的排水系统之间进行科学衔接，同时按照坡度情况科学选择衔接形式。