寒区隧道排水系统冻害分析及防冻措施研究

杨明宇，王晓宇

(1.天津大学 建筑工程学院 天津市 300072； 2.辽宁省公路勘测设计公司 沈阳市 110006)

0 引言

随着一带一路政策的实施，我国基础设施建设得以飞速发展，而隧道作为基础设施建设重要组成部分，其建设规模和数量均有大幅提升。在寒冷地区修建隧道，由于其特殊的自然环境，隧道建设和运营期间均将面临着复杂的技术问题，由于地下水和围岩裂隙水等随着季节的周期性变化产生反复冻融循环作用[1]，导致排水系统冻结、隧道渗漏水积冰、衬砌结构裂损、路面结冰、路面鼓胀及侵限等病害，严重影响车辆运营安全，并且由于冻结产生的冻胀力也会对衬砌结构耐久性产生不利影响[2]。随着我国越来越多的寒区隧道投入使用，冻害问题也逐步凸显，据统计约80%左右的寒区隧道存在不同程度的冻害问题。如何采取有效的隧道冻害防治措施，解决寒区隧道冻害问题，是寒区隧道设计和研究的重点，也是目前亟待解决的关键问题。

目前针对寒区隧道排水系统冻害分析和防治措施，相关学者做了大量的研究工作。王志杰等[3]依托金家特长隧道，通过理论分析、现场测量与数值模拟相结合，建立不同隧道排水沟模型，并用对隧道温度场以及隧道排水沟保温抗冻进行数值模拟，得到不同形式的排水设计适用条件。刘路路等[4]以西部寒区隧道为研究对象，阐述了寒区隧道工程的防排水现状，分析了寒区隧道工程发生渗漏水的原因，提出了寒区隧道工程防排水的改进性措施与建议。彭波等[5]对隧道的温度场进行分析，针对寒区隧道病害防治提出相应的防治措施。虽然寒区隧道防冻害研究和综合措施较多，截至目前寒区隧道的防冻效果欠佳，因此有进一步研究的价值。

1 工程概况

1.1 隧道概况

某公路特长隧道位于内蒙古自治区乌兰察布盟境内G7京新高速公路上，平面布置为上、下行分离式隧道，全长为3.11km，隧道采用曲墙式断面。隧道建筑限界净宽14.5m，建筑限界净高5.0m。隧道纵坡为-0.5%。两侧洞门型式均为削竹式。衬砌类型为复合式衬砌，二次衬砌为钢筋混凝土结构。路面类型为复合式路面结构。该隧道于2016年通车，存在不同程度防排水设施的病害。

1.2 工程水文地质概况

隧址区昼夜温差较大，年平均气温仅为1.3℃，年降水量少而集中，平均为300～400mm，无霜期100d左右，最大冻结深度为1.6m。

隧址区主要河流有丁计河、黑山子河等，地下水位较高。

2 监测仪器及测点布置概况

2.1 监测仪器

气象数据监测仪器采用PC-3型气象环境采集与传输系统，可测量风向、风速、温度、湿度、雨量、气压等6个要素。温度监测仪器布置于隧道内进行水温和气温监测。

2.2 测点布置

根据该隧道实际情况，沿隧道纵向共设置5个典型监测断面，距小桩号隧道洞门分别为390m、590m、1990m、3003m和3203m，监测断面布置详见图1所示。

图1 监测断面布置图

每个监测断面分别在检查井设置3个监测点位(分别位于检查井顶部、中部和底部，且底部温度监测值为水温)、中心排水沟设置1个监测点位(距检查井垂直中心线5m)、横向排水管设置2个监测点位(横向排水管中心处、横向排水管与纵向集水管交汇处)，每个监测断面共布置6个温度传感器。监测断面及点位设置详见表1，监测点位布置图详见图2。

表1 监测断面和监测点位设置一览表

图2 监测点位布置图

3 数据分析

通过隧道现场温度传感器的数据采集和处理，来分析温度随着时间变化、温度沿隧道纵向的变化和演变规律，为同类型寒区隧道的防冻害治理提供科学依据。

3.1 监测断面数据分析

根据洞外气象监测仪器监测的温度数据可知，大桩号侧(J5断面方向)气温低于同时段小桩号侧(J1断面方向)气温约3℃，且距离洞门最近的监测断面为J5断面，仅为107m，其温度变化受气温影响更为敏感，故监测断面数据分析选取J5断面为代表断面。通过数据整理和分析，绘制J5监测断面温度随时间变化曲线如图3所示。

图3 J5监测断面各测点温度随时间变化曲线

由图3可知，检查井处温度值随着时间变化的规律如下：检查井底部(J5-3)的水温1月中旬开始由正温转变为负温，至次年的2月中下旬温度达到极低值(温度为-1.2℃)，而后温度逐渐升高，至4月中旬开始由负温转正温，负温历时约2个月；检查井中部(J5-2)每年12月上旬开始由正温转变为负温，至次年的2月中下旬温度达到极低值(温度为-3.8℃)，然后温度逐渐升高，至4月中旬开始由负温转正温，负温历时约4.5个月；检查井顶部(J5-1)每年12月上旬开始由正温转变为负温，至次年的2月中旬温度达到极低值(温度为-4.6℃)，而后温度逐渐升高，至4月中旬开始由负温转正温，负温历时约4.5个月，而低于-4℃时间段为12月下旬至4月上旬，历时约4个月。由于检查井内负温时间达到4.5个月，特别是低于-4℃长达4个月，存在发生冻害风险较大。同时由图3还可以得出检查井内部温度变化规律：冬季同一时段温度从检查井底部(J5-3)延伸至检查井顶部(J5-1)逐渐降低，并且温差最大时达到6.9℃。

中心排水沟(J5-4)温度值随着时间变化的规律如下：每年1月中旬开始由正温转变为负温，至次年的2月中下旬温度达到极低值(温度为-1.2℃)，而后温度逐渐升高，至4月中旬开始由负温转正温，负温历时约2个月。中心排水沟负温周期2个月时间较短，并且负温极值为-1.2℃。

横向排水管温度值随着时间变化的规律如下：温度变化与季节的气温变化密切相关，并随气温升高而逐步升高，随气温降低而逐步降低。横向排水管中心(J5-5)：每年11月中旬开始由正温转变为负温，至次年的2月中旬温度达到极低值(温度为-6.9℃)，而后温度逐渐升高，至4月下旬开始由负温转正温，负温历时约5.5个月，而低于-4℃时间段为12月上旬至3月中旬，历时3.5个月；横向排水管外侧(J5-6)：每年11月中旬开始由正温转变为负温，至次年的2月中旬温度达到极低值(温度为-10.3℃)，而后温度逐渐升高，至4月下旬开始由负温转正温，负温历时约5.5个月，而低于-4℃时间段为12月上旬至3月中旬，历时3.5个月。横向排水管低温影响周期约5.5个月，低于-4℃时间段达到3.5个月，温度已达到冻结临界值，负温时间长，且温度较低，特别是位于电缆槽部位至纵向排水管相接处，是防止冻害发生的关键部位，应予以足够重视。

通过图3还可以得出同一监测断面不同构件的温度变化规律：中心排水沟温度(J5-4)>检查井底部温度(J5-3)>检查井中部温度(J5-2)>检查井顶部(J5-1)>横向排水管中心(J5-5)>横向排水管外侧(J5-6)，并且最低温度均低于0℃，因此在冻融期极易形成中心排水沟、检查井和横向排水管等排水系统冻结、路面积水积冰、路面鼓胀、积冰堵塞排水系统、电缆槽冒水积冰等病害，而横向排水管由于其埋置深度较浅，发生冻害可能性更大，因此处理冻害措施时，应首先保证考虑横向排水管的保温隔热等措施。

3.2 隧道纵向监测数据分析

根据上述监测断面数据分析的结论，横向排水管外侧温度值最低，为最不利位置，纵向数据分析分别提取5个监测断面中横向排水外侧的温度为代表。通过数据整理和分析，绘制不同监测断面横向排水管外侧温度随时间变化曲线如图4所示、横向排水管外侧温度沿隧道纵向变化曲线如图5所示。

图4 不同监测断面横向排水管外侧温度随时间变化曲线

图5 横向排水管外侧温度沿隧道纵向变化曲线

由图4可以看出，该隧道横向排水管外侧的温度值随着时间变化的规律如下：每年的11月中旬开始横向排水管由正温转变为负温，至次年的2月中旬温度达到极低值(温度为-10.3℃)，而后温度逐渐升高，至4月中旬开始由负温转正温，负温历时约5个月，而低于-4℃温度时间段为12月上旬至3月上旬，历时约3个月。低温影响周期约5个月之久，低于-4℃长达3个月之久，且温度已达到冻结临界值。

由图5可以看出，横向排水管外侧的温度值随着时间变化的规律如下：通过对比洞门外采集的气象数据，小桩号侧洞外气温高于大桩号侧洞外气温约3℃，横向排水管内侧的温度除受隧道内气温影响较大外，还受两端洞口气温、隧址区风向、风速及隧道纵坡等综合影响。由于隧道较长，两侧洞口温差较大，小桩号侧洞口向大桩号侧洞口延伸，同一时点温度变化规律是随着里程的增加温度呈现逐渐降低的趋势，在全年最低温度时间点，小桩号端横向排水管外侧温度(-7.5℃)高于大桩号端的温度(-10.3℃)，并且温度最大值位于隧道中间处的监测点(-6.5℃)，考虑负温周期长、并且低于-4℃温度历时3个月之久，全隧道横向排水管最低温度均低于冰点，均可能发生中心排水沟、检查井和横向排水管等排水系统冻结、路面积水积冰、路面鼓胀、积冰堵塞排水系统、电缆槽冒水积冰等病害。

分别对比图5中入冬0℃变化曲线和开春0℃变化曲线、入冬-4℃变化曲线和开春-4℃变化曲线，可得出如下规律：入冬时各监测点的温度值比开春时同位置的监测点温度略高，且入冬时各监测点温度高于洞外气温，开春时各监测点温度值低于洞外气温，说明隧道内各监测点温度变化较气温变化要延缓。

4 排水系统冻害防治措施

结合该隧道的实际情况及排水系统产生的冻害类型，可采取防冻害的措施主要有：深埋排水系统、检查井采用保温井盖、增设保温层、增加地下水的热量、电伴热、保温隔热等方法[6]。针对于不同冻害可采用如下措施进行防治。

4.1 排水系统冻结

排水系统冻结可采用加热防冻、深埋排水系统和增设保温层等方法预防。加热防冻法包括电伴热电缆加热和地热、锅炉等供热。保温排水系统可采用聚氨酯、聚苯乙烯、聚乙烯和酚醛泡沫板等包裹排水系统，以达到保温隔热效果。

4.2 加强防排水

可采取加密环向和横向排水管、加大中心排水管直径、增设泄水洞和增大排水纵坡等措施，将围岩裂隙水快速收集和排出隧道以外，减少裂隙水的热量损失，以免裂隙水冻结引发病害；采用耐久性高的防水板，防止施工和运营期间板材破损，导致地下水侵蚀二次衬砌而造成衬砌冻害。

4.3 增设保温隔热层

防冻隔热法，利用铺设于衬砌表面、初支和二衬之间、排水管道外壁等的保温隔热材料减少隧道外环境与衬砌背后的热交换。

4.4 路面鼓胀和积冰

路面鼓胀和积冰主要原因是路面下排水系统冻结或堵塞，地下水不能快速排出隧道，可采用深埋中心排水沟、增设泄水洞、保温井盖和过滤网等措施。

4.5 该隧道防排水系统防冻害方案

对寒区隧道防排水系统，采用保温隔热措施，增加埋置深度是最直接和最有效的方法。该隧道在进行防冻害方案中采用如下措施。

(1)采用深埋中心检查井，并用保温井盖替代原普通混凝土井盖；

(2)采用聚氨酯保温层横向排水管外侧段落，形成保温排水系统。

采取防冻措施改造隧道后，通过阶段性的监测，首个冻融期内未出现路面结冰和路面返水、排水系统冻结等冻害，总体治理效果良好。

4.6 新建隧道预防措施

(1)以隧址区最大冻结深度为依据，合理确定检查井、中心排水沟以及横向排水管的埋置深度，防止埋深不足导致冻害发生。

(2)合理采用保温隔热措施，如聚氨酯保温层、电伴热等措施对排水系统进行包裹。

(3)合理设置隧道纵坡，为保证围岩裂隙水能顺利排出隧道外，隧道纵坡应大于0.5%，条件允许采用1%左右的坡度为宜。

(4)加密横向排水管间距，环向和横向排水系统的横向间距不大于10m，涌水量大的位置可适当加密。

5 结语

通过对隧道排水系统进行现场监测，通过对监测断面数据分析，得到同一监测断面不同监测点位的温度随时间的变化规律，通过对温度沿隧道纵向的数据分析，得到温度沿隧道纵向的变化规律。

(1)监测点温度变化与季节的气温变化密切相关，并随气温升高而逐步升高，随气温降低而逐步降低。

(2)同一监测断面不同构件的温度变化规律：中心排水沟温度>检查井底部温度>检查井中部温度>检查井顶部>横向排水管中心>横向排水管外侧，且各监测点温度均低于0℃，极易发生冻结病害。

(3)针对长(特长)隧道，两侧洞口往往存在一定温差，隧道内温度变化规律：同一时点随着里程的增加温度呈现逐渐降低(增加)的趋势。

(4)入冬时各监测点的温度值比开春时同位置的监测点温度略高，入冬时各监测点温度高于洞外气温，开春时各监测点温度值低于洞外气温，说明隧道内各监测点温度变化较气温变化要延缓。

(5)通过隧道的防冻设施改造后的第1个冻融期，隧道未出现较为严重冻害，整体防冻效果较好。