高海拔寒区单线隧道排水系统防寒设计研究＊

王晓辉

（兰新铁路甘青有限公司，甘肃 兰州 730000）

1 引言

随着我国西北地区交通运输基础设施的建设投入逐步加大，然而高海拔寒区的铁路隧道的冻害问题仍很突出。分析隧道冻害的主要原因，几乎所有的冻害问题都与隧道的排水体系密切相关[1-5]。高海拔寒区的隧道设计方法对防排水系统的抗冻极为重要，亟需对高海拔寒区的隧道工程建设开展专项防排水防寒设计研究。

近年来，我国对高海拔寒区隧道排水系统的研究逐步深入。1999 年，中铁十六局集团的翟大勤等[6]针对当时海拔排名亚洲第一的大坂山隧道的设计和施工中的防排水问题做了专题研究，提出了复合式防水体系，排水系统由土工布纵横纤维网格PE230S、排水板沟槽、片石盲沟、竖向泄水孔和正洞下方的防寒泄水洞组成。2001 年，铁道部专家组[7]第一次开发并应用防寒泄水洞技术。在低温状态下富水环境极易发生冻胀破坏，该项目的设计者提出在主洞的底部5 m 处先开挖一条断面较小的隧道，在拱腰和拱顶部位预留泄水孔，与上部主洞结构预留的排水体系相连接，贯通形成完整的排水系统。由于防寒泄水洞与排水沟相比断面较大，洞口还有保温措施，能够保证长年不解冻，能及时地将主洞的排水系统的渗漏水排出洞外，避免了主洞衬砌结构背后不积水，这样就能及时将地下水对隧道二衬形成的压力消减。2009 年，重庆交通大学的张亚兴[8]对嘎隆拉隧道做了防排水和抗防冻技术措施的研究，为嘎隆拉隧道防排水系统设计提出了防寒泄水洞方案和纵向中心深埋水沟方案。目前，高海拔寒区隧道排水系统设计也主要是采取这两种方案。

本研究以敦格铁路塞什腾隧道为工程背景，在调研多种寒区隧道排水系统方案的基础上，分析这些方案的排水效果和在高海拔寒区的适应性，研究该铁路隧道排水系统的防寒设计。

2 工程概况

敦格铁路塞什腾隧道位于青海省塞什腾山的中段，团结村的西南侧，距离高泉煤矿约1.5 km。起讫里程为DK309+058～DK316+314，长7 256 m。

隧道经过范围地层岩性主要有：第四系上更新统洪积细角砾土，奥陶系上统片理化蚀变安山岩，震旦系中统片岩、大理岩夹片岩，华力西期花岗岩及断层角砾岩。本区属于塞什腾山褶带，地质构造活动强烈，地质情况复杂，岩浆活动复杂多变，断层、褶皱构造较为发育，具有长期、多次、反复活动的特点，整体形态呈一反“S”型构造。隧道在DK310+000～DK310+220（220 m）、DK311+210～DK311+450（240 m）和DK314+050～DK314+400（350 m）段落，隧道受f11、f12、f13 断层影响，岩体破碎，节理发育。预测隧道正常涌水量Q＝787m3/d，最大涌水量2361m3/d。

隧道所在区属于典型的高原大陆性荒漠气候区，有高寒缺氧、干旱温凉、少雨多风、气温日差较大、四季不分明、冬季漫长的特点。年平均气温1.9 ℃，最冷月平均气温为-13.1 ℃；极端最低气温-34.2 ℃；年平均降水量82.6 mm、年最大降水量164.9 mm；年平均蒸发量1 806.0 mm，年最大蒸发量2 343.7 mm；最大风速24.3 m/s；最大积雪厚度10 cm，最大冻结深度200 cm。隧道所在区域属于典型的高海拔寒区。

3 保温防寒排水措施设计

充分考虑塞什腾隧道的工程地质与水文地质情况，塞什腾隧道采用复合排水系统的方式设计。（1）全隧道采用双侧双层盖板保温水沟，两端洞口各1200 m范围在保温水沟两层盖板间填充袋装沥青玻璃棉保温。（2）低端洞口设置600 m 的防寒泄水洞+600 m的深埋中心水沟，使洞内水及时排出洞外。（3）隧道设置深埋中心水沟地段环向盲沟直接引入中心水沟，避免洞外水流入洞内，产生冻害。该设计方法突出重点防寒区域，施工方便，防寒措施有效。

3.1 深埋中心水沟设计

深埋中心水沟所在段落为DK315+114～DK315+714（600 m），穿越地层主要为华力西期花岗岩（γ4），颜色主要为浅肉红色，长石主要为钾长石，岩体节理裂隙发育，中粗粒结构，块状构造的完整性极差；中粗粒结构，片状构造，密闭性的节理裂隙特发育，由于风化作用，表层的花岗岩片理化现象明显，局部甚至可见鳞片状剥落。风化层厚度较大，山体多呈浑圆状。强风化层：Ⅳ级软石，σ0=400 kPa。弱风化：Ⅴ级次坚石，σ0=800 kPa。围岩级别为Ⅲ、Ⅳ级。无不良地质和特殊岩土。

根据工程经验3 m 以下即可达到抗冻效果[9-10]，该隧道深埋中心水沟埋置于轨面以下3.75 m，能够满足基本的设计要求。另外深埋中心水沟上方设置2 m 宽的PU 聚氨酯保温层，有效提高了中心水沟的抗寒能力。设置深埋中心水沟地段环向盲沟直接引入中心水沟，盲沟间距5 m。洞外设深埋保温暗管引排地下水，并设置了保温出水口。不同围岩级别深埋中心水沟设置如图1 所示。

图1 塞什腾隧道深埋中心水沟（单位：cm）

3.2 泄水洞设计

3.2.1 泄水洞支护参数设计

泄水洞所在段落为DK315+714～DK316+314（600 m），地质情况同DK315+114～DK315+714 段，隧道中线左侧10 m 处设置防寒泄水洞。间隔210 m设置16 m 穿越铁路的横向泄水洞，隧道中线处内轨顶面距横向泄水洞仰拱填充线为6 m，设5%的纵坡，与正洞位置关系如图2、图3 所示。隧道洞内泄水洞段落设置大避车洞里程两侧水沟底并排预埋两根铸铁管，将侧沟水引入泄水洞。

图2 塞什腾隧道泄水洞与正洞示意图（单位：cm）

图3 塞什腾隧道泄水洞平面布置图

泄水洞衬砌断面详如图4、图5 所示，支护参数 详见表1、表2。

图4 塞什腾隧道纵向泄水洞衬砌断面图（单位：cm）

图5 塞什腾隧道横向泄水洞衬砌断面图（单位：cm）

表1 纵向泄水洞支护参数表

表2 横向泄水洞支护参数

3.2.2 泄水洞结构安全计算

（1）计算模式及作用荷载。采用“荷载—结构”模式，作用在衬砌上的荷载有地层压力、结构自重，不计水压力、偶然荷载等其他荷载。

（2）基本假定。假定衬砌为小变形弹性梁，衬砌为离散足够多个等厚度直杆梁单元，用布置于各节点上的弹簧单元来模拟围岩与衬砌的相互约束；假定弹簧不承受拉力，即不计围岩与衬砌间的粘结力；弹簧受压时的反力即为围岩对衬砌的弹性抗力。

3 计算结果

计算中考虑初期支护的作用，取作用在衬砌上的荷载为计算土压力的70%，计算结果见表3。

表3 不同围岩级别衬砌最不利位置的安全系数

根据计算结果可知，在Ⅲ级、Ⅳ级围岩中，衬砌最不利位置安全系数均大于2.4，满足衬砌结构安全性要求；在Ⅴ级围岩中衬砌最不利位置安全系数小于2.4，考虑改置为墙脚，设计中采用构造筋加强，可以满足衬砌结构安全要求。

4 保温水沟及保温出水口设置

全隧道采用双侧双层盖板保温水沟，低端洞口设检查井、保温暗管。水流经洞内保温水沟流入中心水沟，再流向泄水洞，通过洞外深埋保温暗管排走，保温暗管出口设置保温出水口，保温出水口结合现场地形宜设置在背风向阳处，确保冬季不结冰。双层盖板保温水沟如图6 所示。

图6 塞什腾隧道保温水沟详图

5 结论

纵观已建成的国内外高海拔寒区隧道，洞口段设置防寒泄水洞的做法，保温效果明显，可以起到很好的防寒、排水作用。洞口段设置中心深埋水沟的做法，工程造价增加不多，保温效果也较明显，但在单线铁路隧道内，特别是洞口地质条件差、冻结深度大且富水地层中，深埋中心水沟施工难度大。高海拔寒区单线隧道洞身段设置保温水沟、洞口段采用中心水沟+泄水洞的防寒、排水做法，在洞口地质条件差的情况下，既可保障施工安全，也可以节省工程投资，对以后修建高海拔寒区单线隧道具有直接的借鉴作用和参考价值。