寒区隧道洞外排水及防冻方案优化设计

乔建刚，郑少华，何志伟，王荣鑫

（天津市政工程设计研究总院有限公司，天津300392）

近年来，随着我国公路事业长足发展，公路隧道里程呈加速增长趋势，越来越多的寒区隧道进入工程建设序列[1]。相比温热地区，寒区隧道需要特别注意冻害防治，尤其是隧道排水引起的冻害[2～3]。寒区隧道中心排水沟出水口如不进行防冻处治，冬季时地下水将沿出水口逐渐向洞内冻结，导致排水系统失效，引发冻害；甚至在路面和衬砌背后发生冰冻，危及行车及结构安全。本文对一座寒区隧道中心水沟排水及防冻措施方案进行比选和优化，为寒区隧道中心排水沟排水和保温设计提出一种渗井排水的设计思路。

1 工程概况

加定（青甘界）—海晏（西海）公路石羊岭隧道左右线为分离双洞，长度分别为1 826、1 796 m，为长隧道；隧道测设线间距约30 m。隧道纵断面设计采用单向坡，纵坡为2.950%。

项目处于青藏高原东北部，属于高原半干旱大陆性气候，总体气候特征为寒长暑短、多风少雨、无霜期短，具有春季干旱多风、夏季凉爽、秋季较短、冬季漫长、蒸发强烈、日温差大、雨热同期的气候特点。最冷为1月，平均气温-10.1～-15.3 ℃，季节性冻土最大冻深约1.5 m。多年平均年降水量为404.6～506.5 mm，年最大降雨量563.8～695.9 mm，降水主要集中在6—9月。

隧道属侵蚀构造中切割中山陡坡地貌，勘察期间属干沟，为典型的山间河流，流量随季节变化明显，具有陡涨陡落、雨涨晴消的特征，大气降水顺山坡向沟底汇集最终流向大通河。场地地下水主要有第四系松散层孔隙潜水、基岩风化带网状裂隙水两种类型。勘察期间采用裘布依公式、降水入渗系数法等多种方法对隧道涌水量进行了估算，综合分析该隧道正常涌水量1 200～1 500 m3/d。

2 隧道排水及防冻系统方案

2.1 隧道洞内排水系统

隧道暗洞复合衬砌排水系统由防水板、环向排水管、纵向排水管、横向引水管与中心排水沟组成。为便于排水，根据隧址区的最大冻土深度并考虑到降低隧道排水系统冻结堵塞的风险，洞内在小桩号侧500 m 范围内、仰拱以下设置中心深埋排水沟；其余段落仰拱以上设置浅埋中心排水沟。中心排水沟采用ϕ60 cm预制钢筋混凝土排水管。见图1。

图1 中心排水沟断面

2.2 隧道洞外排水及防冻系统

目前国内相对较为通用的高寒地区隧道中心排水沟洞外防冻措施是在洞外出水口处设置一防冻保温包头并在防冻保温包头外设置一处陡坎，使地下水经防冻保温包头流出中心排水沟后，流经陡坎以下再冻结。见图2。

图2 隧道中心水沟保温包头

小桩号洞口距现状岗青公路较近，中心排水沟若采用上述常规防冻保温措施，引出的地下水冬季有可能漫流至岗青公路路面并冻结，影响行车安全。针对该外围条件，设计阶段进行了多方案比选和优化。

2.2.1 方案一延长中心水沟

考虑将中心排水沟出洞口延长，采用顶管方式穿越岗青公路后再排出地面，避免隧道内引出的地下水漫流至岗青公路。见图3。

图3 方案一平面布置

深埋中心排水沟埋深在最大冻深线以下，管底高程在地面以下2 m，穿越岗青公路后地势平坦，难以尽快将中心水沟引出地面，也难以在出水口保温包头后设置陡坎。

2.2.2 方案二隧道渗井排水

中心排水沟的地下水排出隧道后并不出露地面，转而通过渗井回灌至地下。见图4。

图4 方案二平面布置

由于排出的地下水为山体地表径流入渗水或者基岩裂隙水，是未经污染的清水，从地下水源保护的角度，重新回灌至地下是可行的[4]。

1）回灌含水层的选择。由于渗透系数的不同，将地层分割为了多个含水层和隔水层。渗井滤层设置深度不同，可以选择将水流回灌入预设的不同含水层。

小桩号洞口地层结构由上至下依次为厚度6 m的⑥2粉土层、厚度2 m 的⑥4稍密卵石层、厚度23 m 的⑥5中密卵石层、⑩2中风化片岩层。勘察期间中风化片岩层未打穿，稳定地下水在⑥4和⑥5层之间。⑥2粉土层和下卧岩层⑩2中风化片岩为隔水层，⑥4稍密卵石层和⑥5中密卵石层为含水层。根据各地层渗透系数等参数情况，宜将地下水回灌层设置在⑥4稍密卵石层和⑥5中密卵石层。见表1。

表1 各土层渗透系数 m/s

2）渗井参数方案设计。

式中：Qs为位于含水层内的单位长度渗井流量，m³/s；hj为井内水深，m；hd为地下水位高于井底的高度，m；R为影响半径，可根据抽水试验确定或根据经验公式R= 3 000S计算，S为抽水降深，即地下水位与井内水位的高差，对于渗水井S=hj-hd，m；r0为渗井半径，m；kh为含水层材料的渗透系数，m/s。

考虑⑥4稍密卵石层相对⑥5中密卵石层较薄，为计算方便、偏安全，均按照⑥5中密卵石层的渗透系数进行计算。根据勘察资料及隧道贯通后实测涌水量情况校正，隧道的单日最大涌水量1 500 m3/d。

若设置一直径1 m 的渗井，要满足最大流量1 500 m³/d，井深需要28 m，井底深度入⑥5中密卵石层20 m。见图5。

图5 渗井结构

2.2.3 方案比选

方案一出洞口需增加约200 m 长、ϕ600 mm 钢筋混凝土排水管，其中包含一段下穿既有公路顶管；方案二需增加一ϕ1 000 mm、深28 m 的渗井。方案一需在既有岗青公路下方进行顶管施工，对既有公路存在一定扰动，穿越岗青公路后地势平坦，难以在出水口保温包头后设置陡坎，冬季水流会由保温包头外部逐渐冻结入排水沟内部，导致隧道排水系统失效；方案二隧道排出的地下水经由深埋中心排水沟流入渗井内，全程位于最大冻结深度以下，避免了水流冻结的隐患。

针对本工程，方案二较传统的寒区隧道排水方案工程量显著降低，防冻保温效果更可靠。

3 对渗井排水方案的优化

渗井在公路领域应用较为广泛[5～8]，在隧道排水工程中鲜有应用。采用的各土层渗透系数等参数为勘察阶段勘察钻孔得出数据，在渗井实施前，需要在井位上专门施作一处钻孔进行抽水试验，根据抽水试验得出的渗透系数对渗井尺寸参数进行修正。为使排水方案的可靠性更高，在渗井下游施作一处设置保温包头的排水管，保证渗井内溢流的情况下，排水和保温设施仍然有效。见图6。

图6 渗井结构优化方案

4 结论

1）针对邻近公路、地势限制的寒区隧道，渗井排水方案在经济性、适用性、可靠性等方面更具优势。

2）隧道排水为经由环向排水管、纵向排水管、中心排水沟等一系列周密排水系统搜集的隧道洞身基岩裂隙水、地表下渗水等，总体上均为地下水，本文提出的隧道渗井排水方案，实际上将隧道排水系统搜集的地下水又回灌入地下；因此，该方案也可借鉴到非寒区隧道，譬如对地下水资源进行保护的地区。

3）隧道渗井排水方案对地层的渗透系数、周边地形地貌、隧道涌水量等参数相对敏感，应结合工程实例具体分析。

4）提出的寒区隧道排水方案渗井直径1 m、深28 m，井径和井深比较大，井内反滤材料回填施工量也比较大，本文未对渗井形式、结构及渗井填料做深入研究，这是今后类似方案的改进方向。

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